涪陵氣田平橋區塊頁巖氣選區評價

車世琦

(中國石化油田勘探開發事業部，北京 100728)

隨著世界能源問題的進一步凸顯，我國在能源結構調整中的重心逐漸向非常規能源轉移，其中頁巖氣是非常規能源的重要組成之一[1]，也是目前國內外所關注的熱點[2-3]。在多旋回的構造與沉積演化過程中，我國各大含油氣盆地相繼發育了海相、陸相和過渡相多套富有機質泥頁巖，頁巖氣資源十分豐富，開發價值巨大[4-8]。

作為國內首個實現商業開發的頁巖氣田，四川盆地涪陵頁巖氣田的成功開發標志著我國頁巖氣勘探的突破性進展。繼2015年底一期焦石壩區塊順利完成50×108m3產能建設后，目前正全力投入到平橋、江東等二期區塊的產能建設中；然而，平橋區塊地質條件復雜，局部構造差異較大，巖性縱向變化快，與涪陵氣田一期焦石壩區塊相比，儲層差異性更大、埋藏更深，增加了儲層壓裂改造的難度。截至2020年底，平橋區塊已試氣15口水平井，單井試氣產能為9.65×104～45.21×104m3/d。該區域主要存在試氣效果差異性大且影響因素不清等一系列問題，因此，急需建立一套適用于涪陵平橋區塊頁巖氣井復雜地質條件下的地質綜合評價技術，旨在明確平橋區塊氣井產能地質主控因素及有效評價參數，為平橋區塊頁巖氣的高效開發提供技術支撐。

1 地質背景

平橋區塊位于涪陵頁巖氣田西南部，地處川東南高陡褶皺帶平橋斷背斜，該區先后經歷了加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動、喜山運動等幾次大的構造運動，其中，早白堊世末期的晚燕山運動對該區構造影響最大，區域上整體呈現“東陡西緩”的狹長斷背斜形態，剖面上受各構造層巖石軟硬間互的影響，各構造層變形程度存在差異，從而造成了上、中、下構造的不同。研究區發育多條邊界斷裂和次級斷裂，其中平橋西斷層為平橋區塊的主控斷層，主要形成期為燕山運動早期。該區沉積地層發育較為齊全，整個含氣頁巖段屬深水陸棚沉積環境，與焦石壩區塊沉積特征基本相同，但五峰組頂部的觀音橋段發育存在差異，研究區觀音橋段普遍缺失。

綜合巖性、電性特征，平橋區塊五峰組-龍馬溪組頁巖自下而上劃分為9個小層，頁巖平均厚度為110.5 m，整體比焦石壩區塊略厚，但主力頁巖氣層③小層地層厚度和焦石壩區塊基本相當，平均為9.0～12.0 m，勘探開發潛力良好；平橋區塊東翼受強壓實作用影響，頁巖厚度僅90.0 m左右，主力頁巖氣層③小層僅7.5 m，略薄于焦石壩區塊。

2 地質主控因素

2.1 埋藏深度

涪陵地區地表屬于低山、丘陵、河流地貌，高低不平。實鉆資料表明，平橋區塊五峰組地層埋藏深度為2 600～4 200 m，其中礦權范圍內埋深3 500 m以淺占60%，從試氣效果來看，平橋區塊深度大于3 500 m的頁巖氣井產能明顯較低。前人研究認為，深度的增加會導致頁巖由脆性向塑性轉變[9]，不利于壓裂改造；但目前平橋區塊深度大于3 500 m的頁巖氣井產能低的原因除了受頁巖巖石物理性質轉變影響外，絕大程度上可能受限于目前工程工藝條件。

2.2 斷裂

水平井周邊斷裂發育程度的差異會對壓裂效果造成明顯影響[10]，平橋區塊試氣產量偏低井主要集中在中部和深層，其中，深層氣井產量偏低的主要原因是深度較大，其后期壓裂改造難度大，需要工藝技術進一步突破，而背斜核部氣井產量偏低的原因主要受區域斷裂的影響，保存條件較差。

首先從地震剖面上來看(圖1)，平橋西斷層為一條大型滑脫斷層，背斜中部斷距達1 000 m，南區最小，南北部地層變形強度相對較弱，中部地層變形強度較大，認為平橋西斷層對平橋背斜中部的破壞作用相對較強。其次，中區發育典型的雙層滑脫逆沖構造變形，而北區、南區滑脫逆沖構造變形發育程度明顯減弱，中淺層發育的通天逆沖斷層在中區目的層及上覆地層中滑脫消失，但其派生的次級斷層、高角度裂縫發育，上下溝通，成為逸散通道，造成中區保存條件變差，同時，從實際試氣效果來看，中區頁巖氣井產能均低于預期。

由此證實，斷裂發育程度對頁巖氣的保存有著明顯影響，因此，斷裂發育程度是影響平橋區塊頁巖氣井產能的主控因素之一。

2.3 曲率

平橋區塊頁巖氣產能受斷裂發育程度的影響較大，在此認識基礎上，通過對曲率概念的進一步細化和量化，進而開展斷裂對頁巖氣井的影響研究。目前，主要通過曲率屬性對頁巖儲層裂縫發育情況進行表征[11-14]，利用曲率預測裂縫的原理為：在應力作用下，巖層發生彎曲變形，彎曲程度大的部位為應力較集中處，對于易破裂的脆性巖層，應力集中處微裂縫發育。因此，曲率的大小能夠反映巖層構造微裂縫相對發育程度和分布特征，曲率越大，裂縫相對越發育。針對平橋區塊的地質特點，結合CRP道集的高精度曲率屬性特征，對平橋區塊裂縫的發育規律進行預測。結果表明，大裂縫在靠近平橋斷層處最為發育，背斜主體區欠發育；按裂縫分布特征和曲率值強度，將其劃為5個區帶：①平橋西翼裂縫發育區，基本位于斷裂帶上，靠近平橋西斷層處曲率較高，高曲率分布密集；②平橋東翼裂縫發育區，基本位于斷裂帶上，靠近平橋東1號斷層處曲率較高，高曲率分布密集；③平橋北部地層破碎區，地層破碎，地震同相軸連續性較差，曲率高，無明顯方向性；④中部大裂縫欠發育區，背斜主體區，中部發育一條褶皺條帶，裂縫整體不發育；⑤平橋東翼裂縫中等發育區，位于平橋東1號斷層、東2號斷層中間區域，靠近斷層處曲率較高，裂縫中等發育(圖2)。

圖2 平橋區塊主力頁巖氣層曲率屬性

2.4 地層傾角

平橋區塊為受平橋西斷層與平橋東2號斷層夾持的北東走向狹長的斷背斜構造，北窄南寬，構造兩翼地層較陡。受構造運動的影響，巖層的產狀發生變化，同時不同傾角巖層的應力狀態與裂縫特征亦會發生變化。地層傾角變大時，頁巖中容易形成大量順層滑脫縫，裂縫較平直，延伸范圍大，壓裂改造時極易成為壓裂液逸失通道，影響壓裂造縫效果。

當地層存在一定傾角時[15]，上覆巖層壓力可分解為垂向應力和切應力，降低了垂向應力對地層壓實作用的影響，地應力隨著地層傾角的增大而減小，增大了巖層的各向異性，隨著傾角的增大，水平最大主應力與最小水平主應力的差值增加，復雜縫網形成難度增大，從而影響壓裂改造效果。因此，對于傾角較大的地層，不能忽略其對壓裂效果的影響。平橋區塊地層傾角與產量之間存在一定的負相關關系，隨著地層傾角的增大，產量逐漸減小，進一步證實了地層傾角對產量的影響較大。

2.5 全烴校正值

氣測全烴值是頁巖含氣性的重要評價指標之一，可定性表征頁巖含氣量的高低[16-17]。全烴值是頁巖氣層中進入鉆井液的烴類氣體的總和，主要由鉆遇破碎的頁巖所產生的氣體計算得來，而該類型氣體受鉆井參數、鉆井液性能和脫氣效率等因素的影響非常大[18-20]，現場錄井中，往往出現氣測值很高但試氣產量卻較低，或氣測值不高但試氣產量卻較高的情況。因此，通過分析氣測錄井的相關影響因素，并利用已鉆井的相關數據，對主力頁巖氣層③小層，全烴值進行進一步校正，通過統計分析并擬合，近似得到以下關系:

式中：Q為全烴值，%；Q校正為全烴校正值，無量綱；t為鉆時，min；ρ為泥漿密度，g/cm3。從而得到全烴校正值和產量、全烴含量和產量的關系(圖3)，全烴校正值與產能的相關性更強，說明全烴校正值可以代替全烴值更好地表征區域內同層之間的產能差異。

圖3 平橋區塊頁巖氣井測試產量與③小層全烴校正值、全烴值關系

③小層全烴校正值平面圖(圖4)表明：平橋區塊中部和北部存在兩個高值區，平橋D井井區以南全烴校正值整體高于平橋D井以北。平橋D井以南整體全烴校正值較高，主要因為該區域屬于平橋背斜核部，背斜高部位和近斷層部位小尺度高角度裂縫較為發育，為游離氣的運移和儲集提供了良好的條件，因此在鉆井過程中具有較好的氣測顯示。

圖4 平橋區塊頁巖氣井③小層全烴校正值平面分布

2.6 電阻率

一般含油氣儲層電阻率顯示為高值，而在頁巖儲層研究過程中發現，頁巖儲層電阻率受黏土含量、過成熟有機質、黃鐵礦含量、地層水礦化度和微裂縫發育等多方面因素的影響，相較于常規沉積巖儲層具有電阻率異常偏低的特征[21-23]，因此，利用電阻率參數評價頁巖儲層含氣性的過程中需要充分考慮頁巖儲層的地質特征和頁巖氣的賦存狀態。

根據實際鉆探資料在平橋區塊開展電阻率對產能影響的相關研究，主力頁巖氣層③小層的電阻率參數與平橋區塊產能呈現較好的負相關關系，同時電阻率在平面上存在明顯的分區性，平橋D井以南的背斜核部區域，屬于高電阻率區；平橋D井以北的背斜傾沒端屬于中-低電阻率區(圖5)。高電阻率區表明頁巖儲層中游離氣含量較高，導致電阻率增大，而儲層中的頁巖氣主要有游離氣和吸附氣兩種賦存狀態[7-8]，其中以吸附氣為主，如果頁巖儲層中游離氣含量較高，則相應的吸附氣含量明顯降低，表現為明顯的高電阻率，而儲層中的游離氣在保存條件不利的情況下極易散失，進而導致頁巖氣井產能較低。平橋D井以南的背斜核部發育大量高角度裂縫，為游離的頁巖氣提供了儲集空間，但相對也為頁巖氣的逸失提供了通道，因此，頁巖氣保存條件變差，氣井產能較低。

圖5 平橋區塊頁巖氣井③小層電阻率平面分布

綜合各種因素考慮得出，平橋區塊優質頁巖氣儲層的電阻率值整體呈中低值，電阻率與氣井產能呈現負相關較為合理，電阻率參數可間接反映頁巖氣儲層的含氣性，進而有效評價氣井產能。

3 壓裂前地質綜合分區

綜合以上分析，平橋區塊主力頁巖氣層③小層全烴校正值和區塊內頁巖氣井的產量相關性最好，在建立頁巖氣井產能評價體系時，應優先考慮全烴校正值，該指標對頁巖氣井的含氣性有較好的指示作用；在分析含氣性的同時，要綜合考慮保存條件的差異，而保存條件主要受斷裂控制，因此，頁巖氣井周邊斷裂的發育程度，對氣井的產量同樣起控制作用，總體上，斷裂發育程度和全烴校正值兩項指標為頁巖氣井產能差異的主控因素。

綜合考慮，壓裂前地質因素包括：埋藏深度、曲率特征、地層傾角、構造形態、斷裂特征、全烴校正值和電阻率等，根據其影響程度分成主要指標和次要指標，建立平橋區塊頁巖氣產能評價指標體系(表1)。

表1 平橋區塊氣井產能評價指標體系

Ⅰ類區：主要位于平橋東1號斷層和西斷層傾沒端，埋深相對兩翼較淺，為3 000～3 500 m，曲率非均質性弱，地層傾角為15°～20°，全烴校正值大于12，電阻率為50～100 Ω·m，易于壓裂改造(圖6)。

Ⅱ類區：位于平橋東1號斷層和西斷層夾持的背斜中部區域，埋深3 000 m以淺，壓裂改造相對較容易；中部發育一條褶皺條帶，鄰近區域曲率非均質性較強，不利于壓裂改造；同時，背斜中部縱向上受滑脫逆沖構造變形影響，近斷裂區裂縫發育，在壓裂改造過程中，容易發生濾失，導致加砂困難；地層傾角主要為10°～25°，全烴校正值為6～12，電阻率一般大于100 Ω·m(圖6)。

Ⅲ類區：位于平橋區塊平橋東1號斷層以東3 500 m以淺區域，斷裂發育，斷裂周邊曲率較發育，且非均質性較強，鉆井過程中容易發生漏失，同時，地層傾角一般大于30°，導致壓裂改造過程中不利于形成復雜縫網，全烴校正值大于12，電阻率為50～100 Ω·m，由于其靠近斷層，存在一定的漏失風險，同時，該區塊地層傾角過大，不利于后期壓裂改造(圖6)。

Ⅳ類區：位于平橋區塊平橋東1號斷層以東3 500 m以深區域，曲率中等發育，但埋深較大，壓裂施工難度較高，同時，由于其埋深變化迅速，不利于水平井地質導向鉆進，鉆井難度同樣較大，所以將該區劃分為Ⅳ類區塊(圖6)。

圖6 平橋區塊地質綜合評價分區

4 應用效果

基于前期的研究結果，在平橋區塊Ⅰ類區和Ⅱ類區分別論證部署了平橋A-6井和平橋B-1井，其中位于Ⅰ類區的平橋A-6井水平段③小層電阻率為55.22 Ω·m，水平段③小層全烴校正值為14.59，曲率值較低，埋深2 800 m左右，試氣產量達25.2×104m3/d，目前穩產6×104m3/d；位于Ⅱ類區的平橋B-1井，該井水平段③小層電阻率為101.36 Ω·m，水平段③小層全烴校正值為10.05，曲率均勻但發育程度較低，埋深2 600 m左右，試氣產量為12.7×104m3/d，目前穩產3×104m3/d。

為進一步探究深層頁巖氣開發潛力，在Ⅳ類區部署了平橋D-2井，該井水平段③小層電阻率為45.72 Ω·m，水平段③小層全烴校正值為5.76，曲率值低，埋深3 960 m左右，試氣產量為3×104m3/d。

目前平橋區塊一系列探井的鉆探效果表明，在平橋區塊該評價體系的應用效果較好，有利于頁巖氣井的優化部署，提高經濟效益，同時，該評價體系在平橋區塊相鄰的白馬區塊，也開展了應用和推廣，部署在Ⅰ類和Ⅱ類區的頁巖氣井試氣效果較好，為白馬區塊下步提交千億方探明儲量夯實了基礎。

5 結論

(1)涪陵頁巖氣田復雜構造區氣井產能受多因素影響，埋藏深度、曲率、地層傾角、斷裂特征、全烴校正值以及電阻率這6個因素與頁巖氣井產量均具備較好的相關性，其中，斷裂發育特征和全烴校正值是影響頁巖氣產量的主控因素。

(2)基于目前涪陵頁巖氣田平橋區塊氣井開發實踐，綜合頁巖氣井產能主控因素，建立涪陵頁巖氣田復雜構造帶地質綜合評價體系，優選出位于平橋區塊平橋東1號斷層和西斷層夾持的北部及南部斷裂傾沒端，埋深相比兩翼較淺的3 000～3500 m區域為最優開發區，位于平橋東1號斷層和西斷層夾持的背斜核部區域，埋深3 500 m以淺區域和位于平橋區塊平橋東1號斷層以東3 500 m以淺區域次之。