湘西北頁巖氣勘探慈頁1井地質背景及鉆探效果

肖擁軍，雷隆賢，楊　仙，2，鄧　敏

（1.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201）

湘西北頁巖氣勘探慈頁1井地質背景及鉆探效果

肖擁軍*1，2，雷隆賢1，楊仙1，2，鄧敏1

（1.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201）

頁巖氣是一種非常規氣藏，湘西北下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖有機碳含量和熱演化程度高，具有良好的頁巖氣形成條件。牛蹄塘組泥頁巖的孔隙度相對較低，滲透率度相對較低，具有較強的氣體吸附能力。慈頁1井是一口頁巖氣預探井，設計井深2 810 m，目的層位為下寒武統牛蹄塘組，完鉆井深達3008米，根據慈頁1井鉆探工程地質日報分析了實際鉆進地層及井身結構，共劃分了15個儲層，發現52米的富有機質頁巖。論文對后期頁巖氣勘探水平井及壓裂技術進行了總結分析，還指出國際油價的走低對頁巖氣開采帶了較大的壓力。

湘西北；慈頁1井；頁巖氣；地質背景；鉆探效果

頁巖氣是從頁巖層或泥巖層中開采出來的天然氣，是一種非常規氣藏，全世界范圍內泥、頁巖約占全部沉積巖的60%，頁巖氣資源前景巨大。近十幾年來，美國、加拿大等國家在水平井與水力壓裂等技術進步的推動下，頁巖氣藏的勘探開發獲得了巨大的成功，2013年，美國頁巖氣產量接近3000×108m3。2011年12月，國土資源部發布新發現礦種公告，將頁巖氣作為獨立礦種加強管理。據2011年全國頁巖氣資源潛力評價初步預算，湖南頁巖氣資源量達9.2×1012m3左右，可開采量在1.5～2×1012m3左右，主要分布在湘西北、湘中和湘東南，其中湘西北地區為優先開發區塊，近期已在湘西北、湘中、湘東南等地開展了勘探鉆井工作并成功探獲頁巖氣。

1　湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣成藏地質條件

頁巖氣藏是典型的自生自儲型氣藏，因此評價頁巖氣儲層除與常規儲層有相同的巖石學、物性等儲層基本特征外，還應考慮頁巖氣藏形成的含氣性及能否被開采條件，其中影響頁巖氣的地質因素包括有機質豐度、熱成熟度、頁巖厚度、埋深、孔隙度和裂隙率、脆性等［1］。湘西北地區寒武系下統牛蹄塘組以黑色炭質頁巖為主夾細砂巖及粉砂質頁巖，底部為黑色薄層硅質巖、“石煤”層及磷礦層，區內各地巖性變異不大，僅古生物有所不同，厚度257～1119m。湘西北下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖分布面積廣、厚度大且厚度分布受沉積相帶控制、有機碳含量和熱演化程度高，已達高－過成熟階段，黑色頁巖屬Ⅰ型干酪根，具有良好的頁巖氣形成條件［2-4］。

湘西北地區下寒武統牛蹄塘組泥頁巖中礦物以石英和粘土礦物為主，硅質含量較高、脆性礦物含量豐富，粘土礦物中主要以伊利石和伊/蒙混層為主，利于后期壓裂改造和吸附氣的大量富集。發育的構造裂縫、有機質微孔隙和不穩定礦物溶蝕孔是頁巖基質孔裂隙的主要組成部分。牛蹄塘組泥頁巖中蜂窩狀的有機質豐富，其內部納米級孔隙發育。測試分析表明湘西北下寒武統牛蹄塘組泥頁巖的孔隙度相對較低，為0.6%～11.7%，平均4.6%，滲透率度相對較低，為0.002～0.06mD，平均0.014mD。頁巖的吸附氣含量達0.45～1.30cm3/g，具有較強的氣體吸附能力［5-7］。

2　慈頁1井鉆探效果

“慈頁1井”是中國地質調查局油氣資源調查中心在湖南地區部署的第一口頁巖氣預探井，設計井深2810m，目的層位為下寒武統牛蹄塘組，設計完鉆層位為上震旦統燈影組。奧陶系及寒武系上部為近2000m灰巖段，地層古老，巖石致密堅硬，采用牙輪鉆頭鉆進，頁巖層井段采用PDC鉆頭，以達到提高鉆進效率的目的。在牛蹄塘組中設計取芯進尺100m，取芯段采用低鉆壓、低轉速、低排量的鉆進規程保證巖芯采取率。

慈頁1井于2013年12月26日開鉆，至2014年6月3日完鉆井深3008m，鉆時136d。根據慈頁1井鉆探工程地質日報分析該井自上而下依次鉆遇下志留統龍馬溪組頁巖，上奧陶統五峰組頁巖和臨湘組瘤狀泥質灰巖，中奧陶統灰巖，下奧陶統大灣組灰巖、紅花園組生物灰巖、桐梓組云質灰巖，上寒武統婁山關群灰質白云巖，中寒武統探溪組泥質灰巖、下寒武統清虛洞組云灰巖和牛蹄塘組頁巖夾泥質灰巖（745m）、震旦系燈影組含灰硅質白云巖等地層。一開采用?444.5mm鉆頭鉆進了158.2m，下入?339.7mm套管，二開采用?311.1mm鉆頭鉆進到2926m，下入?244.5mm套管，三開采用?215.9mm鉆頭鉆進到3008m，下入?139.7mm套管。通過測井資料解釋，在2260～2760m井段內，共劃分了15個儲層（總厚度248.7m）。其中在2697～2749m牛蹄塘組井段（圖1），發現52m的富有機質頁巖，本段氣測全烴值最高可達3.6%，且甲烷含量占98%；該段儲層孔隙度大于2%，TOC達到6%以上，為物性較好且有機質豐度高的儲層，預測該層段頁巖氣可達2.6m3/t［8］。

圖1　慈頁1井2706.02～2715.26m牛蹄塘組頁巖巖芯（據慈頁1井鉆探工程地質日報）

3　頁巖氣勘探水平井及壓裂技術

近十幾年來，美國、加拿大等國家在水平井與水力壓裂等技術進步的推動下（圖2），把頁巖氣藏作為勘探開發的重要目標，并獲得了巨大的成功。國內彭頁HF-1頁巖氣水平井鉆井應用旋轉導向鉆井技術和油基鉆井液是頁巖氣水平井施工成功的關鍵［9］。湘頁1井采用清水代替滑溜水進行壓裂，施工用液1520m3，累計加82m3，壓后最高產氣量2700m3/d［10］。也有研究認為埋深1500m以淺的有利儲層或勘探淺井可采用氮氣泡沫壓裂，埋深在1500～3000m的井可采用清水壓裂，埋深超過3000m的儲層暫不考慮開發［11-12］。

圖2　頁巖氣勘探水平井及水力壓裂示意圖

頁巖儲集層薄直井單井產量低，與直井相比水平井在頁巖氣開發中具有無可比擬的優勢。水平井成本為直井的1.5～2.5倍，但初始開采速度、控制儲量和最終評價可采儲量卻是直井的3～4倍；水平井與頁巖層中裂縫（主要為垂直裂縫）相交機會大，可明顯改善儲層流體的流動狀況，另外水平井減少了地面設施，開采延伸范圍大，能夠避免地面不利條件的干擾。水平井鉆井所涉及的技術包括井位與井眼的方位選擇、井身設計等。水平井井位與井眼方位一般應選在有機質與硅質富集、裂縫發育程度高的頁巖區及層位，水平井的方位角及進尺對頁巖氣產量產生重要的影響。理論上，鉆井的方向應與最大水平應力方向垂直，使井筒穿過盡可能多的地層，與更多的裂縫接觸，使氣體更容易流入井筒，提高采收率。

頁巖氣開發具有開采壽命長和生產周期長的優點，但頁巖氣儲集層滲透率低，開采難度較大，所有的井都需要實施儲層壓裂改造才能開采出來。水力壓裂是改善儲層裂縫系統，增加滲流通道的最有效方法，頁巖氣開發水力壓裂技術根據工藝差別分為多級壓裂、清水壓裂、水力噴射壓裂、重復壓裂、同步壓裂。

4　討論

頁巖氣的成功來自于地質理論認識的創新和先進的鉆完井技術的完美結合。湘西北地區寒武系下統牛蹄塘組具有良好的頁巖氣形成條件。近期已在湘西北等地開展了勘探鉆井工作并成功探獲頁巖氣。后期商業開采過程需要采用水平井及壓裂技術，需要根據實際地質情況建立適用我國頁巖地層情況的鉆井壓裂技術。另一方面美國頁巖氣開發成功從供求兩個方面影響國際原油市場，從2014年6月的每桶100多美元到2015年1月跌破50美元，國際油價的狂跌使美國頁巖油勘探和生產企業造成致命打擊。美國WBH Energy頁巖油開采公司成為美國本土第一家破產的頁巖油公司。由于國內頁巖氣開發技術不成熟，地質結構復雜，每口井的勘探成本遠高于美國，國際油價下跌也會對國內頁巖氣勘探開發帶來較大壓力。

［1］蔣裕強，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲層的基本特征及其評價［J］.天然氣工業，2010（10）：7-12，113-114.

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［3］曹有金，陳新躍，楊榮豐，等.湘西北寒武系黑色頁巖地質演化及頁巖氣成藏靶區分析［J］.西部探礦工程，2013（9）：159-162.

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［5］肖正輝，王朝暉，楊榮豐，等.湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣儲集條件研究［J］.地質學報2013，87（10）：1612-1623.

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［8］王瓊杰，曾麗，王文彬.“氣化湖南”逐夢人—湖南第一口頁巖氣預探井“慈頁1井”勘查紀實［N］.中國礦業報，2014.7.31.

［9］姜政華，童勝寶，丁錦鶴.彭頁HF－1頁巖氣水平井鉆井關鍵技術［J］.石油鉆探技術，2012，40（4）：28-31.

［10］賴建林，劉紅磊，朱賢清.湘頁1井大型清水壓裂工藝技術研究［J］.油氣藏評價與開發，2013，3（1）：75-78.

［11］唐穎，唐玄，王廣源，張琴.頁巖氣開發水力壓裂技術綜述［J］.地質通報，2011，30（2-3）：393-399.

［12］唐穎，張金川，張琴，龍鵬宇.頁巖氣井水力壓裂技術及其應用分析［J］.開發工程，30（10）：33-38.

TE1

B

1004-5716（2016）03-0070-03

2015-03-16

2015-03-17

湖南省教育廳資助科研項目（13C309）；頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室開放基金資助項目（E21428）。

肖擁軍（1974-），男（漢族），湖南祁東人，博士，副教授，研究方向：地質工程。