四川盆地威遠地區頁巖氣優質儲層精細刻畫與靶窗優選

武恒志 熊 亮 葛忠偉 史洪亮 王 同 樊 莉

1.中國石化國際石油勘探開發有限公司 2.中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司

0 引言

中國石油化工股份有限公司威遠頁巖氣勘查區塊位于四川盆地川中低褶構造帶北部，構造位置位于威遠古隆起與自流井背斜所夾持的白馬鎮向斜，整體為一個向斜構造。上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組一段沉積了一套埋深介于3 500～3 800 m、厚度介于80～85 m的深水陸棚相暗色富有機質頁巖，頁巖品質優良。近年來相繼鉆獲了一批工業氣井，揭示該區頁巖氣具有良好的開發前景。

研究表明，五峰組—龍一段富有機質頁巖段縱向儲層品質存在一定的差異，鄰區水平井鉆井也揭示優質儲層的鉆遇率是確保獲得高產的重要地質基礎[1-3]。因此，對目標層系開展儲層精細刻畫與評價，尋找頁巖優質儲層段，摸清縱橫向分布規律，是指導該區頁巖氣水平井鉆井和提高單井產能的關鍵。

表1 威遠地區五峰組—龍一段小層劃分表

1 小層劃分

根據巖性特征、測井曲線特征以及古生物發育情況，將五峰組—龍一段劃分出9個層。9個層整體上具有“三分性”，即①～④號層巖性為黑色碳質頁巖、具有低DEN電性特征，發育五峰組典型化石異形正常筆石以及龍馬溪組雕刻筆石、囊筆石、葉筆石、耙筆石、喇叭筆石等典型化石；⑤～⑥號層巖性為淺灰色含碳頁巖，具有中—低DEN電性特征，發育具刺筆石等典型化石；⑦～⑨號層巖性為淺灰色粉砂質泥巖，具有中—高DEN電性特征，偶見筆石化石。

以龍馬溪組底部3個穩定發育的自然伽馬峰為標志，①～④號層又進一步細分為7個小層，即11、12、2、31、32、33、4小層，各小層對應關系如表1所示。

地球物理合成記錄標定顯示①號層底、32頂、4頂及⑥號層頂、⑨號層頂等主要小層特征清晰，具有明顯的強振幅特征（圖1）。1—32頂：為上部強波谷，下部強波峰，低阻抗；32—4頂：為中部弱波峰，底為下部強波谷，相對高阻抗；⑤～⑥號層頂：為上部弱波谷，底為中部弱波峰，相對低阻抗。各小層橫向井間阻抗特征清晰，區域內穩定展布（圖1）。

巖心精細描述表明，縱向上7個小層發育不同礦物組分、不同組合形態的紋層。組成紋層的礦物類型包含有機質、黏土、碳酸鹽、硅酸鹽、黃鐵礦等，有些以單一礦物出現，有些以多種礦物組合的樣式出現。巖心紋層刻畫的方法主要是根據單塊巖心剖面上紋層的發育情況（有/無紋層），將紋層特征相似（組成紋層的淺色礦物的富集程度）、紋層間距相當的數條紋層合并為一個紋層組。紋層組歸納為3類，即粗紋層型、細紋層型、微紋層型。粗紋層型為層理面清晰、淺色礦物含量高，富集厚度較大，紋層間距介于3～7 mm；細紋層型為層理面較清晰、淺色礦物含量較低，富集厚度較小，紋層間距介于1～12 mm；微紋層型為層理不發育、淺色礦物少見。

A井①～③號層17.4 m長的巖心精細刻畫共劃分出了425層紋層組，單層厚度介于0.40～19.00 cm，平均3.49 cm。其中，粗紋層型和微紋層型紋層組主要分布在GRⅡ號峰—五峰組，細紋層型紋層組分布在④號層—GRⅡ號峰（圖2）。不同類型的紋層縱向上交替出現，反映沉積環境變化和儲層品質的微觀差異。

圖1 威遠地區波阻抗反演對比圖

2 頁巖儲層“甜點”研究

2.1 沉積微相識別與劃分

2.1.1 硅質礦物與黏土礦物成因分析

威遠地區五峰組—龍一段為深水陸棚亞相沉積。X射線衍射全巖礦物分析表明，頁巖以脆性礦物（石英、長石、方解石、白云石等）和黏土礦物（伊利石、蒙脫石、伊/蒙混層）為主。巖石薄片觀察，威遠地區五峰組—龍一段底部見大量放射蟲及海綿骨針（圖3），其中放射蟲具有大量原生孔隙，呈多孔結構，為頁巖儲層提供了重要的儲集空間。國外相關研究表明：海水中有充足溶解態硅的存在是放射蟲等硅質生物繁盛的基本條件，同時也是其他生物繁盛的重要條件，放射蟲富集的環境代表的是一種極有利于浮游藻類繁盛的環境。放射蟲是當時海洋高有機生產力的主要貢獻者之一。

圖2 A井龍馬溪組底部高伽馬段紋層分布圖

圖3 顯微鏡下生物碎屑照片

能譜分析揭示，放射蟲等生物無論結構內部還是外部均主要由Si和O組成（圖4），表明硅質礦物主要為生物成因。

研究區五峰組—龍一段TOC與Si交匯表明，兩者具有較高的相關性，尤其是TOC＞2%的井段，相關性更高，進一步表明五峰組—龍一段底部黑色頁巖段硅質成因與生物有關。

圖4 A井五峰組（3 850.46 m）放射蟲能譜特征圖

定量表征生物成因頁巖的方法可通過電子探針測量主量元素來分析。生物成因頁巖具有“高SiO2、低Al2O3”的特征，Fe、Mn元素的富集與熱水成因有關，而Al元素的富集與陸源碎屑相關[4]，據此可以判定五峰組—龍一段縱向上生物成因頁巖與陸源成因頁巖的分布范圍。據F井電子探針測試數據統計表明（表2）：五峰組—龍一段取心井段SiO2含量介于20.67%～98.68%，平均為51.66%；Al2O3含量介于0.07%～36.60%，平均為17.06%，具有“高SiO2、低Al2O3”的特征。Fe元素含量平均值為6.21%，Mn元素含量平均值為0.06%，含量較低。

此外，利用 Al/（Fe+Al+Mn）以及 Si/（Fe+Si+Al）之間的比值關系，也可以判定頁巖成因類型，前者純生物成因比值一般大于0.6，后者純生物成因比值一般大于0.9。F井電子探針數據統計表明，從上往下，Al/（Fe+Al+Mn）和Si/（Fe+Si+Al）比值逐漸升高，優質頁巖段Al/（Fe+Al+Mn）比值均大于0.6，在Al—Fe—Mn圖解上落于生物成因區（圖5）。底部優質儲層段Si/（Fe+Si+Al）比值達到0.9，頁巖生物成因特征明顯。另外，通過計算高于正常碎屑沉積環境下的SiO2含量也可以確定生物硅的百分含量。經計算，F井五峰組—龍一段②層及③層下部高伽馬段生物硅含量介于15.85%～95.48%，平均為55.98%。較高的生物成因硅質含量利于形成天然裂縫，有利于壓裂改造。

表2 F井五峰組—龍一段電子探針主要元素含量表

圖5 F井優質頁巖段Al—Fe—Mn三角圖

黏土礦物形成方式有3種：風化作用、熱液和溫泉水作用、沉積和成巖作用[5-7]。研究區五峰組—龍一段深水陸棚亞相沉積物中普遍含黏土礦物，含量介于17%～57%，平均為33.77%；黏土類型以伊利石、伊/蒙混層為主，少量綠泥石和高嶺石。目的層頁巖所處的下古生代地層中缺失分散狀蒙皂石，說明古老頁巖中的原生蒙皂石和高齡石早已成巖轉化為伊利石和綠泥石。其次目的層埋深大，介于3 500～3 800 m，實測地層溫度為134.97 ℃、地層壓力介于68.69～76.95 MPa，為高溫高壓地層，這為蒙脫石—伊/蒙混層—伊利石的轉變提供了必要條件，表明研究區黏土礦物的形成主要由成巖作用提供。

2.1.2 沉積微相劃分

根據礦物組分含量、礦物成因類型將五峰組—龍一段深水陸棚亞相細分為6類沉積微相（表3）。由上至下，依次為富黏土頁巖深水陸棚微相、含鈣富黏土頁巖深水陸棚微相、鈣質黏土頁巖深水陸棚微相、硅質黏土頁巖深水陸棚微相、富硅生物頁巖深水陸棚微相、黏土質硅質頁巖深水陸棚微相（圖6）。其中，2—31小層生物硅質含量高、以粗紋層和微紋層型紋層組為主，水體相對安靜，TOC含量高，沉積了一套富有機質的頁巖，是儲集性能最有利的沉積相帶。

表3 研究區五峰組—龍一段沉積微相劃分表

2.2 儲層評價

2.2.1 測井評價

中子—密度交匯表明，五峰組—龍一段的9個小層具有明顯的“三分性”：①～④號層具有“低密度、低中子”特征；⑤～⑥號層具有“中—高密度、中—高中子”的特征；⑦～⑨號層具有“高密度、高中子”的特征。其中，龍一段底部富硅生物頁巖段2—31小層具有“三高、三低”（高自然伽馬、高鈾、高電阻率、低TH/U、低密度、低中子）特征，含氣性最優。

圖6 A井五峰組—龍一段沉積相綜合柱狀圖

2.2.2 儲層類型劃分

測井儲層四性關系分析表明，五峰組—龍一段儲層各項參數指標差異大。其中，2—31小層TOC高于5%、含氣量大于5 m3/t、孔隙度大于6%，儲層評價各項參數指標最高，達到頁巖儲層評價標準中的Ⅰ類儲層級別；五峰組、32、33、4等幾個小層，儲層評價參數指標較2—31小層略低，TOC介于3%～5%、含氣量介于3～5 m3/t、孔隙度介于5%～6%，達到Ⅱ類儲層的級別；而⑤～⑥號層TOC介于2%～3%、含氣量介于2～3 m3/t、孔隙度介于4%～5%，儲層整體品質良好，達到Ⅲ類儲層的標準；頂部的⑦～⑨號層，TOC普遍低于1%，孔隙度小于4%、含氣量低于2 m3/t，儲層品質整體較差。

以TOC、含氣量、孔隙度評價參數為主，結合脆性礦物含量、黏土礦物含量、裂縫發育情況、脆性指數、水平地應力差異系數等8個“地質+工程”關鍵參數作為頁巖儲層劃分指標，制定了儲層類型劃分標準（表4）。

由此，威遠地區五峰組—龍一段縱向上四類儲層疊置（圖7）。其中，2—31小層具有“五高兩低”的儲層特征，即高TOC（5.03%）、高有效孔隙率（7.18%）、高含氣量（6.20 m3/t）、高脆性礦物含量（大于60%）、高裂縫密度（裂縫極發育）、低黏土（15.7%）、低地應力差異系數（小于0.1），表明為優質儲層，五峰組及32—4小層為較好儲層，⑤～⑥號層位為一般儲層，⑦～⑨號層為差儲層。

表4 威遠地區龍馬溪組頁巖儲層劃分參數表

圖7 威遠地區五峰組—龍一段儲層對比圖

2.3 “甜點”預測

以儲層地質特征為指導，測井解釋和巖石物理分析為依據，開展疊前AVO反演，獲取頁巖儲層段密度這一關鍵參數，基于密度數據反演頁巖儲層的TOC、孔隙度和含氣量參數。儲層預測表明：優質儲層+較好儲層（①～④號層）厚25～39 m，孔隙度介于4.9%～5.6%，TOC介于2.6%～3.5%，含氣量介于6.25～8.0 m3/t，脆性指數高（大于50%）、壓力系數高（1.9～2.1）、地應力差異系數低（0.12～0.17），與實鉆結果一致（圖8）。

3 水平井靶窗優選及軌跡設計

為了提高單井產量，實現效益開發，優選優質的開發層段和水平井穿行靶窗尤為重要。五峰組—龍馬溪組底部儲層精細刻畫表明“四性”特征縱向差異大，不同級別的儲層縱向疊置，非均質性強，水平井靶窗位置的選擇對單井產能影響較大[8-11]。綜合分析認為：優質開發層段的選擇包含“地質＋工程”雙因素，即首先要考慮有機質含量均值超過4.0%、含氣性高于4 m3/t、有效孔隙度大于6.0%，其次，巖石泊松比小于0.25、脆性礦物含量大于50%、水平主應力差異系數相對較小、厚度在30 m左右的連續優質頁巖層段內。

儲層精細劃分與評價表明，威遠地區龍馬溪組底部高自然伽馬段頁巖儲層明顯具有不同的地質和工程特性，層間差異性大，儲層各項地質參數間相互耦合，儲層地質屬性直接影響到工程地質條件的優劣。龍馬溪組底部2—31小層儲層地質、工程特征最優，具有“高伽馬、高AC、較高中子、高TOC、高孔隙度、高含氣量、高硅質、高脆性、低DEN、低黏土、低水平主應力差異系數”的“八高三低”參數特征，為“地質＋工程”雙甜點層。因此，水平井靶窗應選擇在2—31小層優質儲層段內，水平井軌跡要設計在優質儲層的中間基線上（圖9），垂直位移為±2 m，水平位移為±20 m，以便提高優質儲層鉆遇率，確保獲得高產。

圖8 威遠地區儲層甜點預測圖

4 水平井靶窗對產能的影響

影響頁巖氣水平井單井產能的地質因素包括水平井軌跡的穿行位置、優質儲層的鉆遇率、水平井長度；工程因素包括精準的水平井軌跡控制技術、優質的水平井井筒條件、有效的壓裂改造措施，良好的地質條件為后期壓裂改造的有效實施起到了關鍵作用[12-18]。而歸根結底，靶窗的選擇是影響地質和工程因素的根本。

中石化威遠地區已完鉆測試的6口井，水平井軌跡均在龍馬溪組底部3.5～7.6 m厚的2—31小層內部穿行，優質儲層鉆遇率為100%，為后續壓裂施工提供了良好的地質條件。水平井軌跡穿行在脆性最高的優質儲層中，為大液量、大排量、高井口壓力施工、最大限度提高裂縫導流能力和有效改造體積提供了良好的工程條件。為提高縫內凈壓力，增加裂縫的復雜性，排量一般大于15 m3/min；為提高加砂規模和砂液比，利于提高裂縫導流能力，確保壓裂縫的有效性，單段砂量一般大于65 m3。此外，通過大液量、大排量，低砂比連續加砂，確保加砂規模，增大改造體積，單段液量一般大于1 900 m3。以A井為例，該井20段45簇壓裂，最高排量為20 m3/min，總液量為48 020 m3，總砂量為1 428.15 m3，折算單段液量為2 401 m3，單段砂量為71 m3。微地震監測表明壓裂有效改造體積約6 570×104m3，改造效果顯著，測試無阻流量在30×104m3/d以上。

圖9 威遠地區A井水平井靶窗位置圖

5 結論

1）威遠地區五峰組—龍一段沉積了一套深水陸棚相富有機質暗色泥頁巖，縱向上劃分出9個層、7個開發小層和3類紋層組；沉積微相具有明顯的差異，底部生物成因頁巖發育，為優質儲層的發育提供了基礎。

2）儲層綜合評價表明：五峰組—龍一段儲層“三分性”特征明顯，以TOC、含氣量、孔隙度、脆性“地質+工程”關鍵參數作為頁巖儲層劃分指標，將儲層劃分出了優質儲層、較好儲層、一般儲層、差儲層等4類，其中底部生物成因頁巖為優質儲層和較好儲層段，是當前該區頁巖氣開發的主力儲層段。

3）水平井靶窗位置的選擇對單井產能影響較大，優質儲層的鉆遇率是確保獲得頁巖氣高產的地質基礎。威遠地區水平井靶窗均選擇在龍馬溪組底部2—31小層優質儲層段內，鉆井效果良好。