岑頁1井試氣影響因素探討

楊 堃，車建煒，初 軍，陳 龍，王新元，朱永康

(1.中國華電集團清潔能源有限公司，北京 100160；2.貴州黔能頁巖氣有限責任公司；3.貴州地質礦產局)

岑頁1井試氣影響因素探討

楊 堃1，車建煒1，初 軍2，陳 龍2，王新元3，朱永康2

(1.中國華電集團清潔能源有限公司，北京 100160；2.貴州黔能頁巖氣有限責任公司；3.貴州地質礦產局)

岑頁1井是國土資源部在黔北地區部署的第一口超千米的頁巖氣探井，是在地質資料相對少的條件下進行井位部署和完鉆的，通過井口改裝和充分論證進行了水力壓裂試氣，雖然壓裂施工順利實施并實現了出氣點火的基本目標，但沒有達到工業氣流。主要原因是前期地質研究不夠，井區頁巖氣保存條件較差，且處在天然裂縫的破碎帶上，導致大量出水。該井的鉆探和壓裂試氣，證明了黔北下寒武統牛蹄塘組頁巖曾經大量生氣，只要找到保存條件好、地層穩定、埋深適中的有利區，應該具備工業生產潛力。

黔北地區；岑頁1井；頁巖氣；水力壓裂；試氣影響因素

近年來，我國相繼開展了頁巖氣資源調查和研究，并在四川盆地等多個區塊相繼獲得勘探突破，其中，在重慶市涪陵焦石壩形成中國第一個頁巖氣工業開采示范區。2010年開題的國家重點項目“全國油氣資源戰略選區”的子項目“黔北地區頁巖氣資源戰略調查與選區”，就是針對黔北豐富的頁巖氣資源開展的綜合調查和研究，研究范圍包括地層、巖性巖相、有機地球化學、頁巖氣成藏條件等。2011年部署了一口探井(岑頁1井)，是由國家財政出資鉆探的第一口超千米的頁巖氣評價井，是黔北地區頁巖氣資源評價的南部邊緣參數井，目的是通過鉆進取心分析，獲取該地區頁巖地層厚度、有機質含量、巖石力學特征、頁巖儲集能力、頁巖含氣量等系列參數。試氣結果進一步驗證了綜合研究結果的正確性，為該地區頁巖氣富集條件分析、建設頁巖氣先導實驗區奠定了基礎。

1 地質特點及試氣情況

1.1 構造位置

該井位于貴州省黔東南苗族自治州岑鞏縣羊橋鄉境內，地面海拔550 m。構造上位于爛泥干背斜北東部傾末端和半溪背斜南部傾末端之間，農場坪斷層以東，水尾斷層以西。區內構造較簡單，以褶皺構造為主，地層產狀平緩。

1.2 鉆遇地層

該井主要目的層是下寒武統牛蹄塘組頁巖，為黑色炭質頁巖，厚度56 m，底界埋深1 470 m，鉆遇地層如表1所示。

1.3 氣測顯示及電測解釋結果

現場綜合錄井氣測顯示寒武系變馬沖組、九門沖組、牛蹄塘組都有氣顯示和氣測后效，震旦系老堡組有氣測后效。

根據電測解釋結果，自上而下，變馬沖組到老堡組四層六段均含氣，其中目標層牛蹄塘組53.1 m解釋為氣層(表2)。

1.4 試氣段頁巖品質

該井牛蹄塘組巖心收獲率比較低，只有30%左右。經過送樣分析實驗，獲取該地層的具體參數見表3。

根據孫贊東[1](2012年)定義的頁巖分類標準，該頁巖應該屬于含氣比較富集、可壓性較好的頁巖。

2 鉆完井條件

2.1 井深結構特點

該井鉆井設計為一口資料井，井口、套管固井等均沒有很好地考慮將來還要壓裂試氣。采用簡易井口，承壓能力有限。采用二開完井，一開套管下到683.4 m,二開套管下到1 515.83 m，水泥返高1000 m。固井段固井質量檢測合格。

二開套管鋼級為N80，壁厚9.17 mm，根據手冊[2]查詢，其耐壓為60.9 MPa。

2.2 井口改裝

表1 岑頁1井鉆遇地層數據

表2 岑頁1井電測解釋數據

表3 岑頁1井巖心分析實驗數據

由于本井采用十分簡易的完井方式，φ244.5套管頭與φ139.7套管頭之間的環形空間用鐵板焊接密封，井口結構及承壓都不具備大型壓裂條件。經過整改，表套和技術套管都安裝了法蘭和泄壓閥門，安裝壓力表，觀察壓裂過程中技術套管內和環形空間的壓裂變化情況，經過試壓，具備了大型壓裂的井口條件。

3 壓裂施工及效果

3.1 射孔方案

本井牛蹄塘組頁巖厚度大(53.1 m)，為黑色炭質頁巖，確定為本次壓裂試氣的唯一目的層。根據氣測數據、電測曲線和重新解釋結果判斷，決定對巖石礦物組分中石英含量較高、天然裂縫發育、氣測顯示明顯、有機質含量高、固井質量合格、應力較低的牛蹄塘組頁巖段1 460.0～1 461.5m、1 440.0～1 441.5 m兩段進行射孔壓裂試氣，射孔優選參數見表4。

表4 岑頁1井牛蹄塘組壓裂段射孔參數

3.2 壓裂方案及施工

本井采用脆性頁巖的壓裂工藝，液體采用滑溜水體系，選擇大排量、大液量、大前置液、低黏度、低砂比的工藝參數，前置液采用100目粉砂打磨射孔孔眼，并采用質量分數15%鹽酸段塞進行處理，主體壓裂主要采用70/40目細砂。采用段塞式加砂方式，即一段加砂，一段沖洗。由于該井井深結構的特殊性，為了施工安全，注入壓力始終不能突破50 MPa(油壓:39.09～49.71 MPa)(限制了排量，排量3.74～6.2 m3/min)，遠遠低于設計要求(12 m3/min)。加石英砂100目砂5 m3，40～70目石英砂29.01 m3，平均砂比4.27%,入地總液量1279.21 m3。在施工過程中，始終監測表套與技術套管的壓力，以防止壓穿上部沒有固井的技術套管。

3.3 試氣效果

該井地層壓力很低，壓力系數只有0.55。截至2012年4月29日，累計排液量838 m3，返排率高達65.5%，礦化度由當初的2200×10-6逐步升高到3 300×10-6，并趨于穩定。水溫在20 ℃左右，動液面在750 m左右趨于穩定。4月29日早上9:00排液口聞到濃濃的液化氣味道，使用氣體檢測儀檢測，可燃氣體含量達到100%，隨即在每抽子的排水末端開始點火，見到藍色火焰。后經過人工舉升方式改變和井口分離器、計量裝置等整改，進行二次排采試氣，返排率100%，日穩定產水50～60 m3，日產氣50 m3左右，水溫超過50 ℃。經過天然氣和水組分分析，天然氣甲烷含量在98%以上，水性為NaHCO3型，返排水中稀有元素Sr超標，質量分數高達7.04×10-6。

4 壓裂難點及影響因素分析

4.1 壓裂難點

(1)該井屬于地質調查井的設計范疇，目的是通過取心分析了解黔北牛蹄塘組頁巖的品質特點，鉆完井設計沒有考慮后期壓裂的技術要求，簡易井口和固井水泥返高不到地面，對后期壓裂施工造成困難。

(2)該井井位論證也屬于資料井，井位部署之前資料極為有限，沒有二維勘探等資料，甚至所使用的區域地質圖也是早期地質普查的結果，井位選擇缺乏鄰井鉆探資料類比和物探資料佐證，井點據斷層距離不詳。

(3)取心分析資料不夠，缺乏力學參數分析和應力參數分析，為后期壓裂設計帶來了難題。

4.2 壓裂效果影響因素分析

岑頁1井壓裂突破了出氣關，折算每天產氣量100 m3左右，實現了預期的設計目標。但是，由于大量出水，最終沒有突破工業氣流關。截至目前，貴州黔北累計三口頁巖氣直井(其他兩口分別為方深1井和黃頁井)壓裂試氣牛蹄塘組頁巖因為出水均告失敗。對比另外兩口井，本井出水原因不同。其他兩口井所處區域牛蹄塘組下伏震旦系燈影組為含水白云巖，壓裂產生的縱向裂縫貫通了下面的含水層，導致大量出水，水中氯離子含量都在10 000×10-6以上。本井目的層牛蹄塘組頁巖下伏地層存在相變，是不含水的老堡組硅質頁巖，產氣量較低的主要原因除了大量出水因素外，本地區頁巖的賦存條件和頁巖品質方面也存在問題。

4.2.1 出水原因分析

根據壓裂后產出狀態和壓裂過程的反應，初步判斷是壓裂產生的水平裂縫貫通了天然裂縫系統，造成了大量出水，原因分析如下：

(1)本井目的層埋藏偏淺，根據水力壓裂理論[3]，在垂向應力最小的境況下，以產生水平裂縫為主，不但產能的裂縫縫網體積有限，而且裂縫沿水平方向延伸較遠，很容易溝通附近的天然裂縫系統。

(2)本井采用的區域地質圖較早，根據近期出版的貴州1∶20萬區域地質圖，本探區內有一條北東向大斷裂延伸至本井附近，本井應該處于復雜的斷裂破碎帶上，壓裂很容易溝通天然裂縫系統。

(3)本探區2013年二維地震資料顯示，過本井垂直于構造走向的構造剖面證實，本井正好部署在一個斷層破碎帶上。

(4)本井水質監測資料顯示，礦化度800～3 000×10-6，微量元素Sr含量較高，根據文獻[4]，初次排采水源方向應該是來自上部灰巖破碎帶的補給水。二次排采水源主要來自破碎帶遠端溝通的斷裂深部溫泉水。本地區正常地溫系統是低地溫梯度，根據貴州省地礦局新編的貴州省地溫梯度等值線圖，本地區的地溫梯度小于2 ℃/100 m，而二次排采顯示的水溫折算地溫梯度3～4 ℃/100 m，顯然本井人工誘導裂縫貫通了天然裂縫，后期排采的地下水應該來自附近天然裂縫溝通的深部地層水。

4.2.2 頁巖氣地質條件分析

本井鉆遇的牛蹄塘組頁巖氣賦存條件存在先天不足，也是試氣效果較差的重要因素之一。

(1)埋藏深度較淺。根據李玉喜的研究成果[5]，本井1 400～1 500 m的埋深，游離氣本身含量就基本與吸附氣相當，而游離氣含量越高，初產越高，所以，埋藏深度太淺，也是低產的主要因素之一。

(2)保存條件遭到破壞。根據上述分析，本井區域斷裂發育，頁巖本身的保存條件已經遭到嚴重破壞，游離氣基本跑掉。從排采試氣現場的套壓表數字顯示看，整個試氣過程中，套壓基本為零，甚至為負壓，只是在抽吸過程中地層水中少量的溶解氣到井口釋放出少量的天然氣,這個試氣結果也符合李傳亮的結論[6]。

(3)頁巖成熟度過高，有機質已經炭化，已經沒有生氣能力，在漫長的地質歷史過程中，一旦停止生氣，即使保存條件再好，頁巖氣的緩慢擴散作用也會使頁巖氣含量下降。

5 認識與建議

貴州黔北地區頁巖氣勘探主要目的層就是下寒武統牛蹄塘組頁巖，已經進行壓裂試氣的三口探井都出現了大量出水現象，雖然原因不同，但給黔北下寒武統牛蹄塘組頁巖的下步勘探蒙上了陰影。為此，筆者認為，黔北頁巖氣潛力很大，但勘探上遇到的問題主要是認識上的問題，而不是工程技術上的問題，總體認識和建議如下。

(1)學習北美頁巖氣開發成功的經驗，但不能照抄照搬。因為中國的大地構造位置特殊，頁巖的演化歷史復雜，構造復雜，尤其是頁巖氣富集的揚子地區，研究頁巖的地質背景和頁巖氣賦存狀態遠比頁巖氣工程技術重要。

(2)遵循頁巖氣的勘探程序十分重要。鑒于黔北地區構造十分復雜，頁巖氣井位論證十分重要，應該在掌握充分資料的基礎上，尋找穩定的有利區部署探井，探井部署的重要依據就是二維地震勘探的解釋成果。

(3)除了在二維地震解釋剖面尋找穩定的有利區之外，要充分了解目的層埋深的重要性，對太淺的目的層不建議部署探井，熱解成因的頁巖氣埋深最佳深度應該為2 000～3 000 m，否則，壓裂的裂縫系統不利于充分動用目的層的頁巖氣資源，因為以水平縫為主難以形成網狀裂縫。

(4)對于探井壓裂試氣，盡量取全取準地質、工程參數，以便設計方案合理有效，應盡量進行微地震監測，了解裂縫網絡空間展布特征，有利于壓后效果評估和方案調整。

(5)除了了解探井構造位置穩定之外，還要充分了解目的層上下鄰層的含水性，盡量避開含水層，所以在黔北進行探井部署時，一定要做頁巖層段頂底板的水文調查。

[1] 孫贊東，賈承造，李相方．非常規油氣勘探開發[M]．北京：石油工業出版社，2012：912-913．

[2] 俞紹誠．水力壓裂技術手冊[M]．北京：石油工業出版社，2010：232-233，550．

[3] 劉慶宣，王貴玲，張發旺.礦泉水中微量元素鍶富集的地球化學環境[J]．水文地質工程地質，2004，(6)：19-23.

[4] 李玉喜.頁巖氣含氣量和頁巖氣地質評價綜述[J]．地質通報，2011，30(2-3):308-317.

[5] 郭旭升.中國南方頁巖氣勘探評價的幾點思考[J]．中國工程科學，2012,14(6):101-105.

[6] 李傳亮，朱蘇陽.頁巖氣其實是自由氣[J]．巖性油氣藏，2013,25(1): 1-3.

編輯：李金華

1673-8217(2015)03-0104-04

2015-01-08

楊堃，高級工程師，1965年生，1988年畢業于中國地質大學石油地質專業，現從事油氣地質研究工作。

TE373

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