頁巖氣水平井地質導向鉆進中的儲層“甜點”評價技術

吳 雪 平

中國石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司

頁巖氣水平井地質導向鉆進中的儲層“甜點”評價技術

吳 雪 平

中國石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司

吳雪平. 頁巖氣水平井地質導向鉆進中的儲層“甜點”評價技術.天然氣工業，2016,36(5):74-80.

隨鉆自然伽馬探測手段在四川盆地涪陵國家級頁巖氣產能示范區水平井導向實踐中暴露出儲層特征顯示不明確、“甜點”層鉆遇率低的問題。為此，通過研究該區頁巖標志層、“甜點”層的巖性、物性及含氣性特征，建立其與已測量的自然伽馬值的對應關系，總結得出了該區頁巖儲層“甜點”判別方法，以此作為LWD隨鉆地質導向軌跡實時控制的依據。焦頁14-3HF井的現場試驗結果表明，實鉆水平段1 540 m，“甜點”鉆遇率和儲層鉆遇率均為100%，優質“甜點”鉆遇率達93.6%，單井完井測試平均無阻流量達到103.24×104m3/d，取得了非常好的效果。結論認為，該儲層“甜點”層判別和識別技術能夠更好地指示鉆頭在“甜點”層中鉆進，有利于全面發揮地質導向技術在頁巖氣水平井鉆井中的技術優勢。

四川盆地 焦石壩頁巖氣田 頁巖氣 儲集層 “甜點”評價 水平井 地質導向 LWD

我國頁巖油氣勘探開發方興未艾，頁巖氣綜合地質評價技術、大井段射孔工藝技術、水平井地質導向技術、水平井分段壓裂等技術還不成熟，“甜點”層鉆遇率低、井壁坍塌、鉆井周期長、鉆井投入產出比低、壓裂改造效果不理想、開發成本高等問題普遍存在，還未達到經濟有效開發的效果[1-8]。頁巖氣藏物性差，滲透率極低，開發成本高，技術要求高，難度大，必須采用適當的增產技術，才能實現商業開發,低投入[9-11]、高產量是頁巖氣開采的最終目標。在現有資源條件下，頁巖氣儲層“甜點”評價識別和水平井地質導向技術是提高采收率、降低成本的關鍵技術之一[12-15]。

1　地層描述及劃分

涪陵頁巖氣示范區焦石壩區塊隸屬于重慶市涪陵區焦石壩鎮，構造位置位于四川盆地川東南構造區川東高陡褶皺帶萬縣復向斜包鸞—焦石壩背斜帶中的焦石壩背斜，構造呈北東向展布。焦石壩地區下志留統龍馬溪組—上奧陶統五峰組縱向上巖性、電性三分變化較為明顯。整體來看，五峰組—龍馬溪組氣層厚度共89 m，其中五峰組—龍馬溪組下部筆石和放射蟲的含量明顯高于龍馬溪組中上部，特別是龍馬溪組底部及五峰組的泥頁巖筆石含量極高，常稱之為筆石頁巖段。因此重點含氣層段集中于38 m厚的龍馬溪組下部和五峰組。

結合勘探開發生產井的鉆、測、錄井資料及取心觀察，以焦頁1井為例（圖1），將龍馬溪組—五峰組89 m氣層段進一步細分為9個巖性、電性小層，其中下部的38 m優質氣層段可劃分為5個小層。從焦頁1井劃分九個小層統計結果來看，自上而下，測井顯示伽馬值整體上呈遞增趨勢，其中第1～5小層表現為高伽馬，為頁巖氣水平井穿行的有利層段。

圖1　焦頁1井龍馬溪組—五峰組標志層（89 m）特征對比柱狀圖

2　頁巖儲層“甜點”判別方法及標志層確定

2.1頁巖儲層“甜點”判別方法

頁巖儲層“甜點”是指最佳的頁巖氣勘探與開發的區域或層位。其典型特征為：頁巖厚度大（大于30 m）、處于“生氣窗”，有機質含量高，石英等脆性礦物含量高(可壓性強)、蒙脫石含量低，超壓、氣測異常，與常規油氣藏相鄰、地表條件良好等。低泊松比、高彈性模量、富含有機質的脆性頁巖是頁巖氣的首選勘探目標。

涪陵地區頁巖氣層段巖性以含粉砂、粉砂質碳質泥巖為主，少量碳質泥巖，見筆石、放射蟲生物化石，為深水陸棚沉積產物，為典型的頁巖氣層巖性及系統組合。

巖性分析：頁巖儲層組分主要為脆性礦物（主要成分為石英、鉀長石和斜長石、石灰巖、白云巖和少量的黃鐵礦、赤鐵礦）和黏土礦物（主要成分為伊蒙混層、伊利石和少量綠泥石以及極少量高嶺石）以及少量有機碳。隨著深度的增加，脆性礦物含量呈上升趨勢，目的層段脆性礦物含量較高，主要集中在55%～65%，局部高達80%。當脆性礦物含量較高時，對應的孔隙度較高。

物性分析：通過聲波、密度、中子、深側向電阻率等曲線分別和巖心孔隙度做交會圖，認為聲波時差曲線與之相關性相對較好，而密度、中子、深側向電阻率和巖心孔隙度相關性較差。

含氣性分析：儲層氣測顯示較活躍，氣體主要賦存于巖石的頁理面及微細紋層層面中。孔隙度與頁巖的氣體總含量之間呈正相關系，隨孔隙度的增加，含氣量中游離氣量的比例增加。

通過對頁巖儲層巖性特征的分析、地層的精細劃分及三性關系研究，得出的涪陵地區頁巖儲層“甜點”判別方法如表1所示。

如圖2中陰影部分，第1～5號層為涪陵頁巖儲層“甜點”區，厚約38 m，其中第1、3號層為涪陵頁巖儲層“優質甜點”區，厚度約20 m（圖3）。其特點為如下所述。

1號層：五峰組，厚度介于5～8 m，伽馬值介于160～180 API。

2號層：高放射性碳質頁巖夾層，厚度介于1～2 m，高伽馬值且介于250～350 API，位于龍馬溪組與五峰組之間，是判斷這兩個層位的明顯標志層。

3號層：龍馬溪組下部，厚度介于10～15 m，伽馬值介于180～200 API。

找出伽馬標志層位，及時調整井眼軌跡，控制鉆頭在1～5號層中穿行，盡量在1、3號層中穿行。

以焦頁1井為例下面對“甜點”區特征進行描述。

1）自然伽馬曲線特征

自然伽馬曲線從上至下，整體呈增大趨勢，自然伽馬值介于160～250 API，最大值可達300 API，平均值約為180 API。頂部（5號層頂）變化特征不明顯，向下進入4號層時伽馬值逐漸升高，在4號層中出現三個小尖峰，三個小尖峰過后伽馬值略有降低，曲線呈鋸齒狀，進入3號層后曲線呈臺階狀，數值逐漸升高，在3號層底部出現一個高伽馬尖峰（2號層），厚度約為1 m，高尖峰過后進入1號層，曲線呈臺階狀，數值逐漸降低。

表1　頁巖儲層甜點劃分依據表

圖2　焦頁1井曲線綜合圖

圖3　涪陵地區頁巖儲層優質甜點位置示意圖

2）電阻率曲線特征

電阻率曲線特征相對于伽馬曲線特征來說，變化趨勢不明顯，頂部（5號層）曲線平直，電阻率值約為55 Ω·m，中部到底部受導電礦物黃鐵礦的影響局部低值，曲線呈“齒狀”，不能有效區分1～4層，電阻率值介于20～60 Ω·m。

3）三孔隙曲線特征

聲波、中子曲線受巖性影響較大，在5個小層中不能明顯的區分出來，但整體顯示物性較好。密度曲線從上至下，整體呈減小趨勢，相對于上覆地層（6、7、8、9號層），物性較好。4、5號層密度值介于2.50～2.60 g/cm3，進入3號層后，密度值明顯降低，最低為2.38 g/cm3，1、3號層顯示物性最好。

4）全烴、甲烷曲線特征

從現場全烴、甲烷曲線可以看出，從上至下，整體呈增大趨勢，1～5號層顯示明顯好于6～9號層，且1～3號層中顯示最好。

5）有機碳及孔隙度特征

從巖心分析數據可以看出，TOC與孔隙度曲線從上至下，整體均呈增大趨勢，1～5號層顯示明顯好于6～9號層，且1～3號層中顯示最好。

2.2標志層確定

在實際的鉆井過程中如何找出這段優質頁巖儲層段，且讓鉆頭在最優層段穿行是一大難題。通過焦頁1井、焦頁2井、焦頁3井的對比分析得出，在優質頁巖儲層上部及優質頁巖儲層段內均可找到沉積穩定的明顯標志層，在已鉆水平井中，進一步證實了這些標志層的存在，標志層特性如表2、（圖4）所示。

表2　標志層特征表

3　現場應用情況

現場通過對標志層的跟蹤，找出對應于標準井的位置，再參考儲層構造圖，計算地層視傾角，確定井眼軌跡在地層中穿行狀態，從而達到對井眼軌跡實時導向。下面以焦頁14-3HF井為例，簡述儲層甜點評價技術在頁巖氣水平井中的應用。

焦頁14-3HF井位于焦石壩構造東北翼，目的層龍馬溪組—五峰組地震波組相位連續，地層產狀變化比較大。本井A、B靶之間增加了1個C靶，通過分析認為該井A靶—C靶之間地層平緩，地層傾角介于1°～5°，C—B點之間構造起伏較大，地層傾角介于5°～8°，層位穩定，無地層缺失，設計水平段長1 500 m，水平段朝正北向穿行。

3.1主力氣層分布

通過與標準井焦頁1井對比分析，氣層主要集中在五峰組1、2號小層和龍馬溪組下段3、4、5號小層，鄰井頁巖氣層段分布穩定。分析焦頁1井、鄰井焦頁15-2HF井的氣層分布認為，“甜點”位于1～5號層，厚度約為38 m，“優質甜點”在1號和3號層，厚度約為15 m，中間隔有厚度約1 m的2號小層。

3.2軌跡跟蹤

A靶點的卡取：在焦頁14-3HF井軌跡跟蹤過程中，通過數據分析，結合上覆地層的實鉆結果，動態調整井斜，在確定氣層的頂界后，按照進入氣層22 m的原則卡取了A靶點。以下為幾個關鍵調整點。

圖4　焦頁1、2、3井綜合曲線對比圖

3.2.1 標志層深灰色灰質泥巖對比

該井鉆至灰質泥巖底低尖（標志層1）井深2 734.9 m、垂深2 388.19 m的位置，對應焦頁1井灰質泥巖底界距離氣層頂垂厚36.1 m。根據等厚法推算該井氣層頂垂深為2 424.29 m，進入氣層22 m后，本井A靶點垂深為2 446.29 m，考慮到地層傾角為3°，推算該井A靶點垂深2 456 m。

3.2.2 標志層高碳尖對比

該井鉆至高碳尖（標志層2）井深2 812 m，垂深為2 421.71 m的位置，對應焦頁1井高碳尖距離氣層頂垂厚9 m。根據等厚法推算本井氣層頂垂深為2 430.71 m，進入氣層22 m后，該井A靶點垂深為2 452.71 m，考慮到地層傾角為5.2°，推算A靶點垂深為2 462.7 m。

3.2.3 標志層三高尖對比

該井鉆至三高伽馬底（標志層3）井深2 951 m，垂深為2 454.07 m的位置，對應焦頁1井三高伽馬底進入氣層14.3 m。根據等厚法推算本井氣層頂垂深為2 439.77 m，進入氣層22 m后，本井A靶點垂深為2 461.77 m，考慮到地層傾角為3.1°，推算A靶點垂深為2 462.5 m。

實鉆A靶點井深為3 020 m，井斜角為83.2°，垂深為2 462.61 m，閉合距為807.93 m，與前期推算A靶點垂深完全吻合，與原設計相比下移13.61 m。

3.3水平段地質導向

該井水平段有控制點C靶點，準確地判斷C靶點是導向的關鍵，在實鉆過程中，通過跟蹤分析，準確地判斷了C靶點的位置，為后期水平段更多地在3號層底部及1號層穿行打下了堅實的基礎。幾個關鍵調整點如圖5所示。

圖5　焦頁14-3HF井水平段軌跡控制圖

1）在井深3 123 m、井斜角83.2°、垂深2 475 m的位置。對比焦頁1井，根據等厚法計算地層傾角為3°，距離1號層頂界5 m垂厚。此時軌跡與地層夾角3.8°下切地層，經計算僅需73.5 m進入五峰組。為避免一進入1號層就大幅度調整井斜，將井斜角增至85°，穩斜在85°～86°鉆進探1號層。

2）在井深3 458 m、井斜角86.2°、垂深2 494.6 m的位置鉆遇2號層伽馬高尖，即將進入1號層。根據等厚法計算地層傾角為2.5°，此時井眼軌跡與地層夾角1.3°下切地層，如繼續鉆進250 m后會鉆出1號層。因復合鉆自然微增斜0～1 °/m，此時無需調整井斜。

3）在井深3 585 m，井斜角87.7°、垂深2 503.3 m的位置，再次見2號層伽馬高尖，即將進入3號層。根據等厚法計算地層傾角為3.7°，此時軌跡與地層夾角約1.4°上切地層，為保證軌跡在1、3號層穿行，將井斜角下調至85°穿層。

4）在井深3 788 m、井斜85.8°、垂深2 514.8 m的位置鉆遇“平臺”底，井眼軌跡處于3號層底部。根據等厚法計算地層傾角為4.6°，此時軌跡近似平行于地層穿行，為保證再次切回1號層，將井斜角調整至83°～84°。

5）在井深4 284 m、井斜角82.1°、垂深2 571.6 m的位置再次鉆遇2號層伽馬高尖，根據等厚法計算地層傾角為5.9°。此時軌跡與地層夾角1.9°下切地層。考慮到復合鉆增斜趨勢，此時井斜無需調整，自然增斜至井深4 520 m鉆達B靶點完鉆。

3.4導向效果

該井實鉆水平段1 540 m，其中鉆遇1號層282 m、2號層93 m、3號層1 069 m、4號層96 m，甜點鉆遇率和儲層鉆遇率均為100%，優質甜點鉆遇率93.6%。水平段氣測顯示良好，全烴值介于9.38%～69.39%，測井、綜合均解釋為頁巖氣層。該井投產后，單井測試平均無阻流量達到103.24×104m3/d，產量較高，取得了非常好的效果。

4　結論

1）涪陵地區頁巖儲層“甜點”判別和識別技術，能夠進一步提高頁巖氣的儲層鉆遇率和“甜點”鉆遇率，提高頁巖氣井單井產能，縮短鉆井周期，經濟效益明顯，具有較高推廣應用價值。

2）標志層的確定結合“優質甜點”判別方法，能夠在鉆井過程中準確尋找儲層、判斷“甜點”層段、指引鉆頭在“甜點”層中鉆進。同時能夠更精細地評價油氣藏，有利于全面發揮地質導向技術在頁巖氣鉆井中的技術優勢。

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(修改回稿日期 2016-03-08編 輯 凌忠)

Sweet spot evaluation technology in the geosteering drilling of shale gas horizontal wells

Wu Xueping
(No.1 Drilling Company of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co., Ltd., Qianjiang, Hubei 433121, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.74-80,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

When GR detection while drilling was applied in the geosteering drilling of horizontal wells in the Fuling National Shale Gas Productivity Demonstration Region, Sichuan Basin, reservoir characteristics were not definitely presented and the drilling ratio of “sweet spot” layers was low. In view of this, the corresponding relationship between the lithology, physical properties and gas potential of “sweet spot” layers and shale markers in this block and the measured values was established. Then, the discrimination method for “sweet spot”in shale reservoirs in this block was developed and taken as the basis for the real-time control of LWD geosteering trajectory. Field test of this method was conducted in Well Jiaoye 14-3HF. It is shown that the actual horizontal section is 1 540 m long, drilling ratios of sweet spots and reservoirs are both 100%, drilling ratio of high-quality sweet spots is 93.6%, average AOF (absolute open flow) of single-well completion test is 103.24×104m3/d. It is concluded that this “sweet spot” layer discrimination and identification technology can better guide the drilling of bits in “sweet spot” layers and it is favorable for the geosteering technology to fully exert its technical advantages in the drilling of shale gas horizontal wells.

Sichuan Basin; Jiaoshiba Shale Gas Field; Shale gas; Reservoir; Sweet spot evaluation; Horizontal well; Geosteering; LWD

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.011

中國石化石油工程有限公司科技項目“涪陵地區頁巖氣示范區石油工程集成技術”先導試驗子課題(編號：SG1305-07X)。

吳雪平，1969年生，高級工程師；主要從事鉆井新工藝、頁巖氣高效開發等方面的研究工作。地址：（433121）湖北省潛江市廣華辦事處五七先鋒路1號。電話： 13628423599。ORCID:0000-0003-2460-0345。E-mail:wuxp1968@163.com