復雜山地頁巖氣勘探開發技術創新與成效
——以昭通國家級頁巖氣示范區為例

杜建平 葉 熙 史樹有 吳 晨

中國石油浙江油田公司

0 引言

“十三五”期間，中國的頁巖氣勘探開發工作得到了快速發展，頁巖氣已成為國內天然氣增儲上產的重要力量[1]。據中華人民共和國自然資源部（原國土資源部）2015年的資源評價結果，全國頁巖氣地質資源量為121.86×1012m3、可采資源量為21.81×1012m3[2]，其中以中國南方海相頁巖氣成藏的賦存條件最為有利[3]、開采潛力巨大，僅川南、渝東及周邊地區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣地質資源量就達 9×1012m3[4]。

昭通國家級頁巖氣示范區（以下簡稱昭通示范區）位于滇黔北坳陷威信凹陷的中西部區域——川南低陡褶皺帶南緣帶，是典型的南方山地地塊，具有“構造改造強，有機質過成熟、高演化，保存條件變差，高原丘陵地貌”的自然地質特點與工程條件，山地地形地貌、社會人文與交通情況復雜，走滑構造地質條件和三軸應力狀態復雜，尤其是水平應力差高逾20 MPa，斷層和天然裂縫發育，儲層非均質性強，頁巖氣勘探開發難度較大[5]。

為了全面深化頁巖氣地質工程認識、確保優質頁巖儲層的鉆遇率和井筒的完整性、提高壓裂改造的復雜程度、控制頁巖氣產能建設風險、降低生產成本，中國石油浙江油田公司針對昭通示范區獨特的山地頁巖氣成藏地質、工程和地面條件，對頁巖氣勘探開發關鍵技術進行國產化、規模化、效益化應用，積極探索頁巖氣現場工廠化作業、生產組織管理市場化運作模式，建立了復雜山地頁巖氣勘探多點突破和高效開發技術體系，實現了昭通示范區10×108m3/a頁巖氣規模效益開發。

1 研究區基本地質特征

滇黔北昭通示范區是2014年原國土資源部命名的第一批國家級頁巖氣示范區。跨越云、貴、川三省交界地帶，包括四川省與云南省之間的筠連—威信地區天然氣（頁巖氣）勘查區、云南省與貴州省之間的鎮雄—畢節地區天然氣（頁巖氣）勘查區兩個區塊。本次研究的區域主體上位于上揚子構造區西南緣的滇黔北坳陷威信凹陷，北鄰四川盆地川南低陡褶皺帶，南與滇東—黔中隆起相接（圖1）。

圖1 研究區構造區劃圖

研究區頁巖氣目的層為五峰組—龍馬溪組，為深水陸棚相沉積環境，暗色頁巖層有機質含量高（TOC介于 1.18%～4.90%），有機質熱演化程度高（Ro介于2.26%～3.81%），具有較好的孔滲條件（孔隙度主要分布在2%～5%），含氣量平均約為3.8 m3/t，頁巖脆性礦物含量較高，石英含量平均為44%，脆性指數超過50%，三軸應力狀態復雜，最小水平主應力介于 5～50 MPa，水平主應力差介于 20～28 MPa，天然微裂縫發育。

滇黔北地區作為四川盆地至黔中古隆起的過渡區域，較之于盆內，經歷了廣西（加里東）、印支等多期構造運動的疊加改造，地層強烈褶皺形變、抬升、剝蝕，構造形態更為復雜[6-7]，五峰組—龍馬溪組沉積水體偏淺，頁巖氣目標層段厚度偏薄，僅局限于區內北部，受沉積相帶的控制，優質頁巖厚度從彝良—鎮雄—畢節一線向北逐漸增厚，區內主要介于0 ～60 m，向北至沉積中心，厚度可超過60 m[8]，殘留分布面積約9 000 km2，呈中間厚兩側薄，中部暗色泥巖厚度介于200～350 m，發育連續厚度超過30 m優質頁巖段的有利勘區內域面積為3 800 km2，頁巖層埋深介于1 000～4 000 m的勘探有利賦存區分布總面積約為5 500 km2（圖2）。

圖2 昭通示范區龍馬溪組頁巖氣綜合評價圖與南北向地震時間解釋剖面圖

2 頁巖氣儲層評價與甜點優選技術

由于滇黔北坳陷古生界海相頁巖氣具有高演化過成熟及多期次強烈構造改造的特殊性，與北美穩定地臺上“弱構造形變、適中熱演化程度”的頁巖氣地質條件，以及川渝地區四川盆地內長寧—威遠、涪陵國家級頁巖氣示范區構造相對簡單、連續性好的頁巖氣藏存在著明顯的差異，頁巖氣賦存區連片面積小、分布分散、水平應力差大。因此，以昭通示范區為代表的山地海相頁巖氣儲層甜點評價就不能簡單照搬北美和川渝頁巖氣評價參數和有利賦存區優選的標準，其保存條件、孔隙壓力是尤為重要的評價指標[9-10]。根據昭通示范區頁巖氣勘探的實際，創新性地提出了山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論及甜點綜合評價技術，通過開展高密度高精度地震采集、疊前同步 AVO 反演、螞蟻體追蹤等技術，優選出了黃金壩、紫金壩、太陽大寨等3個山地頁巖氣建產區。

2.1 山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論及甜點綜合評價技術

通過對研究區沉積期巖相、改造期構造及頁巖氣成藏期保存等因素的綜合分析，創新性提出了復雜山地頁巖氣“沉積成巖控儲、保存條件控藏、優質儲層控產”的“三元控藏”富集理論，針對研究區頁巖氣“甜點”區段評價難點，通過研究得到了以下認識：①深水強還原環境下有機質豐富且遠離物源，發育“TOC＞3%、黏土含量小于30%、石英含量超過40%”的“富碳低黏高硅”優質儲層；②區域蓋層剝露缺失區、通天斷層發育帶和水文地質淡化帶頁巖氣藏往往遭受破壞而變成無氣賦存區或無氣賦存帶，而整體封閉能力保存完好的斜坡帶則頁巖氣保存條件較好；③儲層的品質、厚度和連續性決定了頁巖氣井是否高產。

由此建立了包含儲層連續厚度、壓力系數、埋藏深度、測試產量等參數在內的評層選區指標體系[5]，確立了研究區中北部五峰組—龍馬溪組下段1小層頁巖地層傾角變化大（2°～40°），背斜和向斜核部產狀一般小于10°，以發育三、四級斷層為主，優質頁巖段具有厚度大（30～40 m）、有機質豐度高（TOC介于2.58%～3.21%）、熱演化程度高（Ro介于1.99%～3.08%）、含氣性好（含氣量介于3.30～5.51 m3/t）、儲集性能好（孔隙度介于3.98%～5.41%）、脆性礦物含量高（51%～75%）和目的層超壓（壓力系數介于1.25～2.00）等特征，是有利的頁巖氣開發層系的認識。采用多因素疊合優選的龍馬溪組Ⅰ類有利區面積為1 791.5 km2，頁巖氣資源量為3 354×108m3[11]（圖 3）。

圖3 研究區龍馬溪組下段頁巖氣資源量計算單元分布圖

2.2 山地頁巖氣高密度、高精度地震勘探配套技術

研究區內所存在的地表條件復雜，溝壑縱橫，高差變化大，表層巖性變化大，斷裂發育、構造復雜，地震資料處理解釋存在資料信噪比低，準確成像難度較大，地震資料頻率特征差異大等問題，嚴重制約了后續頁巖氣甜點預測的精度。

針對以上難題，創新采用了以基于儲層各向異性的天然裂縫、疊前AVO同步彈性參數預測為核心的地震反演技術，通過精細速度分析與分頻剩余靜校正迭代、有針對性的疊前高能去噪以及高分辨OVT各向異性偏移成像等配套處理技術[12-13]，使目的層主頻從30 Hz提高到40～45 Hz，有效降低了各向異性對地震成像的影響，提高了橫向分辨率及成像精度，斷裂刻畫更加清晰，為后續甜點預測提供了高質量的數據體（圖4）。

圖4 常規疊前時間偏移與OVT域疊前時間偏移處理結果對比圖

為了破解“深度預測不準、微細斷層和微構造預測可靠性不高、儲層表征精度不夠”等解釋難題，形成了基于地震＋測井的頁巖氣甜點預測的一體化地質建模技術[14]，建立了千萬網格級別的全氣田、高分辨率構造、地質、屬性和多尺度天然裂縫的地質力學模型，滿足了從全區到單井的不同應用對尺度和精度的要求，遞進式深化了開發區頁巖氣地質工程認識，優化了井位部署，充分應用于斷裂及裂縫帶的力學穩定性評價、實時鉆井管理、壓裂設計優化以及壓裂后綜合評估等工作[15]，三維斷裂預測符合率由65%提升至82%，垂向分辨率由初始地球物理模型的20～30 m提升至一體化地質模型的5～10 m，儲層預測符合率超過90%，綜合鉆井深度預測誤差由1%降低至0.3%，有效地支撐了水平井設計、地質導向及有利區優選。

2.3 有利區優選

通過不斷深化山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論認識、完善地震勘探配套技術，建立了適合昭通示范區“強改造、過成熟、高演化、雜應力”特點的中國南方復雜山地海相頁巖氣的評層選取指標體系，優選出埋深3 500 m以淺黃金壩、紫金壩、太陽大寨等有利區。上述有利區合計面積達1 546 km2，合計頁巖氣地質資源量約4 986×108m3（圖5）。

圖5 研究區龍馬溪組頁巖氣綜合評價圖

3 水平井優快鉆井技術

昭通示范區頁巖氣層上部中二疊統茅口組—棲霞組井漏頻發，龍馬溪組頁巖失穩垮塌嚴重，下志留統石牛欄組存在致密砂巖夾層，故障復雜時效高達15%，水平井平均鉆井周期長達150 d；構造復雜，軌跡控制難度大，Ⅰ 類儲層鉆遇率低，平均僅為76.1%。采用油基鉆井液的條件下，固井水泥漿污染問題突出，施工難度大，部分井固井泵壓高出預測值10～15 MPa。針對上述問題，開展了頁巖氣水平井優快鉆井技術攻關。

3.1 頁巖氣水平井鉆井系統優化配套提速技術

針對不同地區的地層可鉆性和井段，探索出適用該區塊的PDC鉆頭，采用不同的鉆具組合進行提速[16]。直井段使用長壽命螺桿＋高效PDC鉆頭提速技術，如果地層有增斜趨勢，采用MWD＋彎螺桿提速技術來提高機械鉆速。對于定向段和儲層水平段使用旋轉導向＋高效PDC鉆頭來提速，尤其是三維水平井在定向段推薦使用旋轉導向提速技術；對于含有大段研磨性砂巖地層的石牛欄組，常規PDC鉆頭＋螺桿復合鉆進提速效果不理想，故采用氣體鉆井提速。根據不同地層的可鉆性，優選不同鉆頭、多種鉆井方式進行提速，優選配套方案如表1所示。

表1 紫金壩和太陽大寨地區鉆井方式和鉆頭優選配套方案表

針對淺表層漏失、中深部直井段漏失和水平段漏失的“三段式”井漏特征，開展了孔隙壓力和天然裂縫穩定性預測、水平段低密度鉆井液防漏、可變形凝膠復合堵漏等技術措施的攻關[17]。根據不同漏失類型，采用了多樣性的綜合井漏治理技術，主要包括：靜止觀察法、稠漿法、隨鉆堵漏、橋接堵漏、水泥堵漏、高濾失堵漏等一系列傳統井漏治理方法[18]，以及氣體鉆井、膨脹管等新型堵漏技術[19]。

鉆井提速技術應用初期，水平井平均機械鉆速為4.0 m/h，鉆井周期為92 d。第一輪應用， 14口水平井，平均鉆井周期為76 d，機械鉆速為5.18 m/h；第二輪應用后，平均鉆井周期降為62 d，機械鉆速為6.8 m/h，提高31.3%。

3.2 滿足后期大型壓裂需求的固井技術

基于井筒完整性理論研究成果，首次提出密封安全系數法。依據緊密堆積理論，開發了高強度低彈模水泥漿體系，水泥石力學性能能夠滿足后期壓裂的需求。基于驅油型沖洗隔離液體系、高強度低彈模水泥漿體系，結合大壓差固井等技術，形成了昭通示范區頁巖氣水平井固井配套技術[20]和固井施工規范。

3.3 建立批量化鉆井作業標準與流程，形成了低成本、短完井周期的鉆井工廠化技術

根據山地地貌特征，設計了“一字形”和“雙一字型”井口雙鉆機工廠化作業井場，優化功能區布局；按照水基鉆井液和油基鉆井液分批次開鉆，實現了鉆井工序的無縫對接、提高了設備/鉆井液的利用率。通過鉆機改造、設備布局、滑軌配置和鉆機平移技術進行了配套和試驗，形成了適應昭通示范區山地頁巖氣“工廠化”快速平移設備配套，實現了水基鉆井液和油基鉆井液在同平臺的重復利用。

3.4 實施效果

鉆機平移時間小于6 h，YS108H9平臺平均平移時間僅2.86 h；平均油基鉆井液回收利用率為66%；全井平均機械鉆速由4.5 m/h提高至6.8 m/h，增幅達51%，鉆井周期最短僅37 d。新型高性能水基鉆井液體系水平段機械鉆速較油基鉆井液提高1.7倍以上，平均井徑擴大率介于5%～7%，與油基鉆井液基本相當。開發了高效驅油型沖洗隔離液及高強度低彈模韌性水泥漿體系，固井優質率為90%，合格率達到100%，整體套管變形（以下簡稱套變）率為業內最低。

4 復雜構造、高水平應力差、強非均質性頁巖氣儲層體積壓裂技術

昭通示范區處于靠近三江走滑構造帶的三角地帶，走滑＋壓扭疊合的應力環境極為復雜，水平應力差值超過20 MPa、小斷層與微裂縫發育、儲層非均質性強，造成現場壓裂施工壓力高、加砂困難、人工裂縫展布復雜，并且完井投產工藝和工具主要靠引進國外的技術和裝備，成本很高。為此，探索形成了復雜山地雜應力體積壓裂技術體系。

4.1 形成“長段轉向＋多簇密切割＋石英砂”高雜應力頁巖復雜縫網壓裂技術

為了保證壓裂改造效果和井筒完整性，根據地層特性和井型分類提出了4種壓裂組合模式：①地層天然裂縫不發育、套變風險低的短上傾水平井采用可鉆橋塞；②長水平井采用可溶橋塞或者可溶橋塞＋可鉆橋塞；③地層天然裂縫極為發育，或井筒質量不好的復雜水平井采用連續油管噴砂射孔+砂塞分段[21]；④對于部分上翹長水平井可采用全可溶橋塞方式分段，分段工藝適應性好，壓后套變丟段比例小于0.3%。

研發了以“長段轉向＋多簇密切割＋石英砂”為核心的頁巖氣高效低成本體積壓裂技術，采用長分段使單井平均減少25%壓裂段數，射孔簇數提升至5～11簇，簇距縮小至5～10 m，提升了人工裂縫密度、增強了縫網復雜程度；針對部分壓裂加砂難度大、橋塞下入風險高的水平井，首創了纖維暫堵轉向分級壓裂，在前級正常壓裂后，第二級不下入橋塞僅進行射孔作業，第二級主壓裂前注入纖維與陶粒混合液暫堵上級射孔部分，實施效果明顯；采用大排量、連續高砂比加砂，全程使用低滑溜水和石英砂代陶粒，單井降低支撐劑成本660萬元。基于頁巖與水作用機理研究形成了高降阻率、可連續混配、重復利用的壓裂液體系，滑溜水體系降阻率超過70%，線性膠體系降阻率超過65%。

4.2 建立井中、淺井國產化微地震聯合監測與可視化實時調整方法

開展井中、淺井、地面相結合的微地震裂縫實時監測[22]與可視化實時調整（圖6），結合三維地質建模成果，實時調整壓裂方案，預判施工風險，提升改造效果。井中微地震監測誤差小于10 m，井中監測延遲小于15 s，地面監測延遲小于30 s，吻合率超過95%。

圖6 微地震監測實時調整技術

4.3 形成叢式水平井組壓裂工廠化高效作業技術，大幅度提升了射孔壓裂作業的效率

實現液體連續混配，橇裝式大排量膠液連續混配裝置能夠滿足滑溜水16 m3/min的連續混配的要求；創新雙機組壓裂作業模式，單井場布置8萬馬力（1馬力≈735 W），同時進行2口井壓裂施工，單日完成最高8級壓裂。

5 結論

針對昭通示范區“強構造改造、巖相變化大、過成熟演化、高雜地應力、山地密集人文”等地質工程與自然人文交通特征，通過10年的勘探開發技術探索，建立了適用南方海相頁巖氣的地質工程三大技術體系8項創新技術，為昭通示范區從無到有高效綠色建成18×108m3/a頁巖氣產能規模提供了科技助力。

1）創新性地提出山地頁巖氣“三元控藏”富集賦存理論，通過開展高密度高精度地震采集、疊前同步 AVO 反演、螞蟻體追蹤等技術，建立了強改造高演化頁巖儲層評價技術體系，優選了黃金壩、紫金壩、太陽大寨3個山地頁巖氣建產區。

2）圍繞昭通示范區頁巖氣勘探開發過程中存在的表層井漏、部分地層鉆速慢、鉆井周期長、作業成本高等技術難題，開展鉆井提速技術攻關，鉆井液、水泥漿現場試驗，形成了山地頁巖氣優快鉆完井及工廠化作業示范技術，縮短了鉆井周期，降低了鉆井成本，提高了鉆井質量，保障了井筒完整性，為該區頁巖氣安全、環保的規模效益開發提供了技術保障。

3）開展水平井頁巖氣“一井一藏、一級一策”儲層壓裂工藝優化，形成了基于提高有效改造體積的壓裂組合、水平井分段多級改造工藝、液體體系、微地震裂縫實時監測與工廠化增產改造技術系列，提升了該區頁巖氣壓裂施工的效率和體積壓裂的效果。