張新新

（ 中國石油集團長城鉆探工程有限公司錄井公司 ）

0 引言

以四川盆地威遠、涪陵、長寧地區(qū)為代表的頁巖氣勘探開發(fā)工作，經(jīng)過10 余年的發(fā)展，其地質(zhì)研究的重點已經(jīng)由頁巖氣儲層特征分析、頁巖氣藏富集規(guī)律研究，逐步轉(zhuǎn)向頁巖氣有利開發(fā)層段優(yōu)選、有效產(chǎn)氣層控制因素分析[1-12]。在頁巖氣鉆井方面，國內(nèi)學者就頁巖標志層識別、頁巖氣甜點厘定與刻畫、地質(zhì)工程一體化及地質(zhì)導向分析方法，也進行了深入研究[13-17]。頁巖氣儲層地質(zhì)認識與鉆探方法的不斷提升有效推動了中國頁巖氣開發(fā)的工業(yè)化進程[18-26]。然而，由于目前國內(nèi)頁巖氣儲層水平井開發(fā)的測井、錄井、試井技術(shù)尚處于初步完善階段[27-30]，特別是對于地層構(gòu)造起伏大、優(yōu)質(zhì)儲層與非優(yōu)質(zhì)儲層之間巖性差異不明顯、有效儲層厚度薄的頁巖氣儲層，隨鉆過程中的精細解釋方法不夠深入，水平井地質(zhì)導向僅依托氣測錄井、隨鉆自然伽馬（GR）、隨鉆電阻率技術(shù)，方法相對單一，缺乏相應地質(zhì)與地球化學分析技術(shù)的支撐，經(jīng)常出現(xiàn)地層巖性落實不準確、小層對比不精細、井身軌跡狗腿度大等一系列地質(zhì)及工程問題[31-32]，導致頁巖氣開發(fā)過程中仍有很多低產(chǎn)低效井出現(xiàn)[10]；同時一些水平井由于井身結(jié)構(gòu)相對復雜、水平段過長等工程因素，不能進行測井作業(yè)，也制約了頁巖氣儲層的有效解釋與評價。因此，頁巖氣水平井的鉆探必須匹配好相應的地質(zhì)分析手段，以實現(xiàn)頁巖氣水平井所鉆地層的清楚認識，以及井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，最終提高優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的鉆遇率和鉆遇長度。本文通過分析威遠地區(qū)頁巖氣水平井錄井及取心資料，利用隨鉆過程中獲取的有機碳含量（TOC）、氣測全烴、吸附氣含量、Ca 含量、脆性礦物含量等參數(shù)，建立頁巖氣儲層地質(zhì)評價方法及水平井地質(zhì)導向輔助方法，以期實現(xiàn)頁巖氣水平井隨鉆過程中地層界面的有效落實、小層劃分與對比、儲層含氣性及有利開發(fā)層段的準確評價，以及水平井靶向的有效調(diào)整。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖（a）與地層剖面圖（b）Fig.1 Structural location (a) and stratigraphic column (b) of the study area

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川威遠地區(qū)頁巖氣藏分布于川西南古中斜坡低褶帶北部的斜坡帶上（圖1），頁巖地層構(gòu)造相對平緩[1-2,33]，局部發(fā)育以背斜、斷層為主的微幅構(gòu)造，自西北向東南方向，頁巖埋深逐漸增加，儲層埋深為2700～3500m，地層南東向傾斜，地層傾角為5°～12°。威遠地區(qū)頁巖氣有效儲層分布于古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組底部（圖1），為一套深水陸棚沉積下的灰黑色、黑色富有機質(zhì)頁巖[34]，其中優(yōu)質(zhì)儲層集中于龍一11、龍一12兩個小層內(nèi)[35]，其頁巖硅質(zhì)含量、灰質(zhì)含量高，有機碳含量高，儲層脆性好、含氣性好，有效儲層厚度為6～15m。目前研究區(qū)以W202 井、W204 井為核心區(qū)域，進行了大規(guī)模的頁巖氣開發(fā)，以叢式水平井方式鉆探，水平井靶向窗體主要為龍一11小層，單井水平段長度為1200～1600m。

2 水平井儲層地質(zhì)評價方法

頁巖氣作為自生自儲的非常規(guī)油氣資源，在開發(fā)階段，其有機質(zhì)豐度、含氣性、脆性礦物組成、有效厚度都是影響頁巖氣開發(fā)效能的關(guān)鍵因素[9-12]，而上述參數(shù)在頁巖地層的橫向鉆探過程中，始終處于動態(tài)變化中，如何對其進行有效的隨鉆地質(zhì)評價，進而及時完成地質(zhì)決策，是頁巖氣開發(fā)中的一項重點工作。本文通過分析研究區(qū)水平井巖屑的地質(zhì)錄井、氣測錄井、地球化學錄井特征[36]，利用獲取的TOC 數(shù)據(jù)特征輔助頁巖地層界面的卡??；利用TOC、吸附氣含量及氣測全烴參數(shù)進行儲層含氣性評價；最后結(jié)合脆性礦物含量等參數(shù)進行頁巖氣有利開發(fā)層段的評級和優(yōu)選。

2.1 輔助地層界面卡取

威遠地區(qū)下古生界龍馬溪組頁巖氣儲層主要分布在龍馬溪組底部，而龍一段下伏五峰組和寶塔組兩套地層[35]，地層間巖性變化相對復雜（表1），僅表現(xiàn)在不同地層界面間頁巖中硅質(zhì)含量、碳質(zhì)含量、灰質(zhì)含量的變化（圖1），巖石成分和顏色差異不明顯，同一巖性也可出現(xiàn)在不同的地層亞段內(nèi)，因而增加了水平井鉆進過程中地層界面卡取的難度。通過研究區(qū)大量井位巖性描述與TOC 數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)不同的頁巖地層具有不同的TOC 數(shù)值分布區(qū)間，總體上隨著龍馬溪組一段地層埋深由淺至深，頁巖巖性由淺色塊狀泥頁巖逐漸過渡為深色薄片狀、松散狀頁巖，同時TOC 含量也呈現(xiàn)出由小到大的變化，因此在上述大量數(shù)據(jù)分析的基礎上，確定了研究區(qū)頁巖地層界面卡取的TOC 數(shù)值標準（表1），并按此標準進行頁巖地層界面的輔助識別。

表1 威遠地區(qū)頁巖地層界面卡取的TOC 數(shù)值標準Table 1 Shale layers division base on TOC values in Weiyuan area

2.2 儲層含氣性評價

頁巖氣儲層的含氣性是影響頁巖氣產(chǎn)量的重要指標，儲層頁巖氣主要包括游離氣和吸附氣兩部分[37]。游離氣含量與巖石孔隙結(jié)構(gòu)、構(gòu)造保存條件密切相關(guān)，其相對含量的多少可以由氣測全烴值的大小反映；吸附氣含量主要受控于一定溫度、壓力下的頁巖有機質(zhì)豐度和有機質(zhì)成熟度[11]，是頁巖氣水平井保持穩(wěn)產(chǎn)的核心要素，吸附氣含量高，頁巖氣井往往具有長久的穩(wěn)產(chǎn)時間。通過研究區(qū)密閉取心樣品的頁巖TOC與吸附氣含量相關(guān)性分析（圖2a），以及應用研究區(qū)對應層段的TOC 與水平井日產(chǎn)氣量相關(guān)性分析（圖2b），得到TOC 與吸附氣含量、日產(chǎn)氣量的數(shù)據(jù)關(guān)系，可以實現(xiàn)隨鉆過程中頁巖氣儲層吸附氣含量和日產(chǎn)氣量的有效預測。

圖2 威遠地區(qū)頁巖氣儲層TOC 與吸附氣含量、日產(chǎn)氣量相關(guān)圖Fig.2 The relationship between TOC and adsorbed gas content， flow rate of shale gas reservoir in Weiyuan area

同時，在上述數(shù)據(jù)關(guān)系的基礎上，以頁巖氣儲層TOC、氣測全烴、吸附氣含量為關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)過大量水平井目的儲層段和非目的儲層段的含氣性數(shù)據(jù)對比，建立了威遠地區(qū)頁巖氣儲層含氣性評價標準（表2）。該標準將頁巖氣儲層含氣性分為4 個等級，其中鉆遇含氣性極好和好的儲層是水平井形成高產(chǎn)的必要條件。以圖3 中Wh-1 水平井入靶前后頁巖氣儲層的含氣性變化為例，鉆至3428m 靶點前，表征儲層含氣性好壞的氣測全烴、TOC、吸附氣含量逐漸增加，但總體上都未達到含氣性好的標準；該井進入3428m 靶點后，即進入龍一11小層后，上述參數(shù)特征整體變好，氣測全烴大于18%、TOC 平均值為4.2%、吸附氣含量平均為3.1m3/t,根據(jù)表2 標準，儲層具有極好的含氣性。

表2 威遠地區(qū)頁巖氣儲層含氣性評價標準Table 2 Evaluation criteria for gas-bearing properties of shale gas reservoir in Weiyuan area

2.3 有利開發(fā)層段優(yōu)選

頁巖氣儲層有利開發(fā)層段一般對應較好的有機質(zhì)豐度、較高的含氣量及較好的孔滲條件[5-10]。已有研究表明，頁巖氣儲層內(nèi)頁巖氣主要富集于有機質(zhì)孔內(nèi)，而有機質(zhì)豐度高的儲層，其儲層孔隙也較為發(fā)育，即儲層TOC 與儲層含氣量正相關(guān)[38]，同時頁巖氣儲層儲集空間主要是微米—納米級微裂隙，只有在儲層脆性礦物含量高的情況下，上述微裂隙才能廣泛發(fā)育[39]，進而有利于頁巖氣儲層后期的壓裂改造，頁巖氣水平井現(xiàn)場的生產(chǎn)測井及微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)也同樣反映出上述規(guī)律。而氣測錄井參數(shù)方面，氣測全烴值高通常也反映儲層內(nèi)游離氣含量較高，由此可以通過研究區(qū)頁巖氣水平井地質(zhì)與地球化學參數(shù)的比對分析來研究儲層類別（圖3），進行有利開發(fā)層段的評級和優(yōu)選，以此完善頁巖氣水平井壓裂試氣的設計方案。由上所述，在分析大量試氣資料的基礎上，根據(jù)儲層TOC 特征，結(jié)合氣測錄井特征、巖礦特征等，建立了研究區(qū)頁巖氣儲層類別劃分標準（表3），作為水平井隨鉆過程中頁巖氣儲層地質(zhì)解釋的重要依據(jù)。該標準中一類、二類頁巖氣儲層氣測全烴異常明顯、全烴值高、TOC 與吸附氣含量高、脆性礦物發(fā)育（表3），是典型的優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層，可以進行有效的壓裂改造，獲得較高的頁巖氣產(chǎn)量。

3 水平井地質(zhì)導向輔助方法

威遠地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖氣開發(fā)層段垂直厚度僅為4～8m，水平井垂向靶窗下標志層厚度薄，對應的地層巖屑及地震屬性上的地層界面響應特征不明顯，水平井準確著陸入靶難度較大[14,16]，入靶后水平段內(nèi)頁巖地層也有不同程度構(gòu)造擺動和厚度變化，而氣測全烴、鉆時、隨鉆自然伽馬等參數(shù)對此類儲層地質(zhì)屬性的變化不夠敏感，疊加隨鉆測井儀器的盲區(qū)效應，不能實現(xiàn)對水平井軌跡的有效控制，總體上降低了優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率，增加了水平井鉆完井施工的難度。以地質(zhì)錄井、氣測錄井、地球化學錄井為主要的技術(shù)手段，以隨鉆過程中的巖屑為分析對象，可以實時準確提供儲層巖性、含氣性、巖礦組成方面的數(shù)據(jù)資料，通過其中的TOC、Ca 含量、氣測全烴等關(guān)鍵參數(shù)的相對區(qū)間變化，建立了輔助水平井著陸入靶，以及輔助水平井窗體控制的技術(shù)方法，可有效提高水平井著陸入靶的精度，保證優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率和井身軌跡的平滑，為后期頁巖氣水平井的壓裂投產(chǎn)創(chuàng)造良好的條件。

圖3 Wh-1 井入靶層段頁巖氣儲層隨鉆地質(zhì)評價圖Fig.3 Comprehensive geological evaluation diagram of the target-entering interval while drilling in Well Wh-1

表3 威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層類別評價標準Table 3 Evaluation criteria for shale gas reservoir classification of Longmaxi Formation in Weiyuan area

3.1 輔助水平井著陸入靶

水平井準確著陸入靶的關(guān)鍵是相應標志層的精準識別，同時根據(jù)該標志層確定靶點垂深和入靶角度[13,17]，而對標志層過早的預估會降低優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率，過晚的預估則會增大井眼曲率，增加施工難度。研究區(qū)開發(fā)層段主要為龍馬溪組底部的龍一11小層，其上下地層均有含氣頁巖發(fā)育，僅在TOC、儲層含氣量，以及頁巖硅質(zhì)含量、灰質(zhì)含量上存在一定差異，常規(guī)隨鉆氣測全烴、自然伽馬及電阻率參數(shù)對此標志層的識別效果不明顯。本文在研究區(qū)頁巖氣水平井小層識別與劃分方面，建立了基于TOC 及巖石特征元素參數(shù)的入靶前后小層劃分標準（表4）及其輔助水平井著陸入靶的分析方法，保證了研究區(qū)頁巖氣水平井準確入靶。具體來說，水平井著陸入靶前根據(jù)TOC、吸附氣含量、Si 含量、Ca 含量等參數(shù)特征進行逐個小層對比，按照逐層逼近的原則及時進行入靶前井身軌跡的調(diào)整。以Wx-1 井進入龍一11小層前的靶向著陸為例（圖4），當鉆遇頁巖地層TOC 穩(wěn)定增至2.8%以上、吸附氣含量增至2.2m3/t，同時Ca 含量逐漸增加至10%，Si 含量相對降低，Al 含量逐漸降低至10%以下，可判斷井身已經(jīng)接近龍一11小層，應當及時增加井斜，做好水平井著陸入靶的準備工作。

表4 威遠地區(qū)X 區(qū)塊水平井小層劃分標準Table 4 Criteria for thin layer subdivision in shale gas horizontal well in block X in Weiyuan area

圖4 Wx-1 井井身軌跡參數(shù)跟蹤圖Fig.4 Parameters tracking diagram along Well Wx-1 trajectory

3.2 輔助水平井窗體控制

威遠地區(qū)志留系龍馬溪組頁巖氣儲層處于威遠背斜的寬緩斜坡帶上，雖然未形成大的斷裂，但局部地層傾角大、微構(gòu)造發(fā)育[14]；同時研究區(qū)頁巖氣開發(fā)層段厚度相對較薄，隨鉆自然伽馬、電阻率變化大小也存在多解性，這都增加了水平井窗體有效控制的難度。TOC 是地層內(nèi)有機質(zhì)含量的重要表征參數(shù)，可通過隨鉆過程中的巖屑分析直接獲得，因此，水平井沿窗體鉆進過程中，可利用TOC 參數(shù)變化，結(jié)合Ca、Al 等特征元素含量及脆性礦物含量進行分析，精確評價當前鉆遇地層的地質(zhì)屬性特征，判斷窗體的縱橫向變化及鉆頭所處窗體的位置，輔助地質(zhì)導向、鉆井定向人員及時調(diào)整鉆頭的傾角和方位，確保優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的鉆遇率及水平段井身軌跡的優(yōu)化。

以威遠地區(qū)Wx-1 水平井為例，如圖4 所示，該井鉆至龍一12小層后，TOC、Ca 含量分別在2.5%、4%上下變化，氣測全烴逐漸升高；而鉆至該小層3950m 后TOC 穩(wěn)定增加并接近3%，Ca 含量逐漸增加并超過5%，同時氣測全烴接近12%，松散狀巖屑含量增多，根據(jù)水平井小層劃分標準（表4）可知，鉆遇地層已經(jīng)逐步接近龍一11小層，建議工程技術(shù)人員及時調(diào)整井身軌跡，采納后實現(xiàn)了3985m 處井身的準確入靶。該井鉆至4550m 以后，TOC 由3.5%逐漸降至2.8%，Ca 含量由8%降至5.5%，松散狀巖屑含量減小、較堅硬的膠塊狀巖塊增多，綜合上述參數(shù)特征，反映所鉆地層已經(jīng)鄰近龍一11小層頂部，如果按現(xiàn)有井身軌跡繼續(xù)鉆進，井身將鉆至龍一12小層，需及時下調(diào)井身軌跡；據(jù)此鉆井工程人員接受井身調(diào)整建議，修正地質(zhì)導向模型，及時降低井斜，水平井鉆至4750m 以后TOC、Ca 含量等參數(shù)逐漸升高并處于龍一11小層屬性區(qū)間內(nèi)（圖4、表4），表明井身已經(jīng)完全位于龍一11小層內(nèi)。按照上述技術(shù)方法，最終保證了該井的順利完井，并且井身結(jié)構(gòu)優(yōu)良，龍一11小層鉆遇率達到97%。

總的來說，利用隨鉆地質(zhì)與地球化學分析得到的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，可實現(xiàn)“近鉆頭”的地層屬性特征實時分析，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)特征的變化情況及時指導現(xiàn)場工程人員進行地質(zhì)導向—鉆井定向方案調(diào)整，確保水平井窗體的精確控制；同時有效克服隨鉆自然伽馬及電阻率參數(shù)的評價盲區(qū)，提高了工程決策的時效性。

4 總體應用效果

綜上所述，研究區(qū)水平井隨鉆過程中應用的地質(zhì)與地球化學分析技術(shù)方法，可有效實現(xiàn)頁巖氣儲層的隨鉆地質(zhì)評價和輔助頁巖氣水平井的地質(zhì)導向，從而保證頁巖地層界面的準確劃分、優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的有效鉆遇，以及頁巖氣儲層含氣性和儲層類別的精確解釋。3 年多來，該套技術(shù)方法在四川威遠地區(qū)50 多口水平井成功應用，期間平均每口井提出10 條合理化井身調(diào)整建議，平均減少建井周期5 天，經(jīng)鉆后測井解釋及壓裂試氣分析，平均單井頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率達到95.4%，頁巖氣儲層類別劃分準確率達88.7%。該套技術(shù)方法在實踐過程中，需要對隨鉆的巖屑樣品進行及時處理和分析，有效清除巖屑表面的鉆井液，及時進行樣品的地球化學熱解和解吸附分析；而樣品存在污染和經(jīng)過長時間的擱置，都會降低所得參數(shù)的真實性。

在Wx-1 井4160～5010m 水平段的頁巖氣儲層隨鉆錄井解釋中，根據(jù)表3 建立的研究區(qū)頁巖氣儲層類別評價標準，結(jié)合該層段TOC、Ca 含量、氣測全烴、脆性礦物含量數(shù)據(jù)特征，將4160～4520m、4770～5010m 解釋為一類頁巖氣儲層（圖5）；這兩個層段內(nèi)儲層有機質(zhì)豐度高、儲層含氣性好，同時儲層脆性礦物含量也高，反映儲層易于壓裂，可形成大面積的裂縫輸導體系，是有利的開發(fā)層段。而該井4520～4770m 總體上處于井身軌跡調(diào)整的深度段，位于龍一11與龍一12小層的界面附近（圖4），儲層TOC 與脆性礦物含量較低，含氣量較差，根據(jù)劃分標準將該層段解釋為二類儲層。Wx-1 井完鉆后井身結(jié)構(gòu)優(yōu)良，后期測井儲層含氣性、物性認識與錄井解釋一致；同時龍一11小層水平段壓裂后獲得日產(chǎn)氣量16.5×104m3，儲層開發(fā)效果明顯。

圖5 Wx-1 井頁巖氣儲層錄井解釋成果圖Fig.5 Mud logging interpretation results of shale gas reservoir in Well Wx-1

5 結(jié)語

以往頁巖氣儲層開發(fā)，側(cè)重于隨鉆自然伽馬、隨鉆電阻率參數(shù)的應用，在地層巖性與儲層含氣性評價和分析方面存在明顯的多解性，增加了頁巖氣水平井開發(fā)失利的風險。實踐證明，地球化學錄井、氣測錄井、巖屑錄井、元素錄井及解吸附分析技術(shù)的綜合應用，可有效彌補隨鉆測井參數(shù)的分析偏差，實現(xiàn)隨鉆過程中準確的鉆井工程決策和儲層地質(zhì)評價。本文基于上述錄井分析技術(shù)建立的水平井儲層地質(zhì)評價方法及地質(zhì)導向輔助方法，提高了頁巖氣水平井儲層隨鉆地質(zhì)評價能力及水平井地質(zhì)導向與鉆井定向的實施效果，為頁巖氣儲層的高效開發(fā)提供了技術(shù)保證。隨著檢測設備和評價方法的不斷完善和優(yōu)化，頁巖氣水平井隨鉆錄井分析技術(shù)可以在國內(nèi)外的頁巖氣開發(fā)中得到廣泛應用。