湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層直井壓裂選層方法研究
——以松遼盆地三肇凹陷松頁(yè)油3井為例

黃一鳴，肖 飛，楊建國(guó)，李士超，李 昂，姚玉來(lái)，張麗艷

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034

0 引言

頁(yè)巖油是指呈游離態(tài)、吸附態(tài)或溶解態(tài)賦存于泥頁(yè)巖層系中的液態(tài)烴類(lèi)資源.泥頁(yè)巖層系包括泥頁(yè)巖地層中可能夾有的致密砂巖、碳酸鹽巖、甚至火山巖等薄層［1-2］，按照儲(chǔ)集空間類(lèi)型可分為裂縫型、夾層型和基質(zhì)型三大類(lèi)［3-4］.世界頁(yè)巖油資源主要分布在俄羅斯、美國(guó)和中國(guó)，其中美國(guó)通過(guò)頁(yè)巖油革命，已率先實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油商業(yè)開(kāi)發(fā)［5-6］.中國(guó)頁(yè)巖油資源也十分豐富，但與美國(guó)頁(yè)巖油主要分布于海相盆地、儲(chǔ)層類(lèi)型以裂縫型和夾層型為主不同，中國(guó)頁(yè)巖油主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地、松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地等陸相湖盆中，儲(chǔ)層類(lèi)型以基質(zhì)型為主［7-11］.松遼盆地是中國(guó)頁(yè)巖油資源潛力最大的陸相湖盆之一，近年來(lái)相繼在盆地北部齊家、古龍和三肇凹陷獲得頁(yè)巖油工業(yè)油流.白堊系青山口組一段（青一段）作為頁(yè)巖油主要勘探層位，其中廣泛發(fā)育較純的半深湖—深湖相暗色泥頁(yè)巖，被認(rèn)為是典型的基質(zhì)型頁(yè)巖油儲(chǔ)層［12-14］.

由于基質(zhì)型頁(yè)巖油滯留于納米級(jí)孔隙和微裂縫中，難以直接開(kāi)采，需要通過(guò)水力壓裂技術(shù)對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層進(jìn)行改造，才能獲得較高的產(chǎn)量，因此如何選取最有利的壓裂層位則成為在儲(chǔ)層壓裂改造過(guò)程中需要解決的首要問(wèn)題.相對(duì)于夾層型和裂縫型儲(chǔ)層，湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層具有巖性更致密、泥頁(yè)巖塑性更強(qiáng)、原始滲流能力更弱等特征，因而通過(guò)壓裂改造獲得工業(yè)油流的難度更大.直井壓裂選層可以為水平井壓裂求產(chǎn)找準(zhǔn)靶框，降低勘探風(fēng)險(xiǎn)和成本，但目前尚無(wú)成熟的針對(duì)湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層的直井壓裂選層方法.本文以松遼盆地三肇凹陷松頁(yè)油3井為例，綜合錄井、測(cè)井和分析測(cè)試資料，在對(duì)各項(xiàng)頁(yè)巖油地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，建立一套適用于湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層的直井壓裂選層方法，以期為湖相頁(yè)巖油的勘探開(kāi)發(fā)提供有益的借鑒.

1 青一段頁(yè)巖油層分布

松頁(yè)油3井是位于松遼盆地三肇凹陷中部的1口頁(yè)巖油參數(shù)井，自上而下鉆遇地層為第四系，新近系泰康組，上白堊統(tǒng)明水組、四方臺(tái)組、嫩江組、姚家組、青山口組，下白堊統(tǒng)泉頭組（未穿）.在松頁(yè)油3井鉆探過(guò)程中，對(duì)青一段進(jìn)行了全段取心.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖心觀察和精細(xì)描述，發(fā)現(xiàn)青一段巖性主要為暗色泥巖和泥頁(yè)巖，局部夾粉砂巖薄層，泥巖和泥頁(yè)巖占地層厚度百分比為97.39%（圖1），總體上宏觀裂縫不發(fā)育，屬于典型的湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層.

圖1 松頁(yè)油3井青一段頁(yè)巖油層分布圖Fig.1 Distribution of shale oil reservoirs in the 1st member of Qingshankou Formation in SYY3 well

根據(jù)錄井、測(cè)井解釋數(shù)據(jù)，松頁(yè)油3井目的層青一段綜合解釋儲(chǔ)層94.6 m/11層，按試采產(chǎn)能將儲(chǔ)層分為工業(yè)油流（Ⅰ類(lèi)）、低產(chǎn)油流（Ⅱ）、少量油或不產(chǎn)油（Ⅲ）3類(lèi).其中Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層60.3 m/7層（19、21、22、23、25、26、27號(hào)層），Ⅱ類(lèi)頁(yè)巖油層31.2 m/3層（18、20、24號(hào)層），Ⅲ類(lèi)頁(yè)巖油層3.1 m/1層（28號(hào)層）（圖1）.初步選擇19、21、22、23、25、26、27號(hào)層為壓裂備選層.

2 頁(yè)巖油層參數(shù)特征

綜合考慮油氣產(chǎn)能與儲(chǔ)層特征的關(guān)系以及壓裂施工條件因素，認(rèn)為電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性、可壓性6項(xiàng)指標(biāo)對(duì)湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層的壓裂改造效果和頁(yè)巖油產(chǎn)能將有較大影響.下面對(duì)松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層的上述6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以此作為壓裂選層的依據(jù).

2.1 電性參數(shù)特征

聲波時(shí)差、中子、密度和電阻率等電性參數(shù)可反映地層的含油氣性、孔隙度等特征.頁(yè)巖油層通常具有高聲波時(shí)差、高補(bǔ)償中子、低密度、高電阻率“三高一低”的特征［15-17］.松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層聲波時(shí)差為357.0～391.2 μs/m，補(bǔ)償中子為24.5～27.4 pu，密度為2.37～2.44 g/cm3，電阻率為6.0～16.0 Ωm.整體上青一段聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、密度曲線波動(dòng)較為平緩，而電阻率曲線在青一段下部明顯高于上部，各項(xiàng)測(cè)井曲線值隨深度的增加逐漸增大（圖1），表明青一段孔隙度和含油性自上而下逐漸增大的特征.各層的巖性密度大致相當(dāng)，而23、25、26號(hào)層聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子和電阻率值較高，說(shuō)明這些層具有較高的孔隙度和含油性（表1）.

表1 松頁(yè)油3井青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層電性特征表Table 1 Electric parameters for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.2 物性參數(shù)特征

松頁(yè)油3井青一段7個(gè)Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層測(cè)井解釋孔隙度為6.6%～8.3%，滲透率為0.135～0.330 mD.總體上看，青一段下部Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層的孔隙度和滲透率高于上部.其中，除22、26號(hào)層孔隙度較低外，其余各層孔隙度大致相當(dāng)，尤其以23、25、27號(hào)層最高，孔隙度達(dá)到8%以上.滲透率也以23、25、27號(hào)層最高，均大于0.3 mD；19和21號(hào)層次之；22和26號(hào)層較低.綜合對(duì)比孔隙度和滲透率，23、25、27號(hào)層物性最好（表2）.

表2 松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層物性特征表Table 2 Physical parameters for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.3 含油氣性參數(shù)特征

綜合測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)，采用核磁測(cè)井解釋含油飽和度，地化錄井熱解S1反映油層的含油性，利用氣測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)指示油層的含氣性.松頁(yè)油3井青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層的含油飽和度為4.1%～37.6%，其中19、23、25號(hào)層含油飽和度較高，均在30%以上；21、22、27號(hào)層次之；26號(hào)層含油飽和度最低.青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層S1為5.8×10-3～9.9×10-3，整體上有隨深度增加S1逐漸增大的趨勢(shì)，其中19、25、26、27號(hào)層S1值最高，均達(dá)到7.0×10-3以上，具有較好的生烴潛力，其余各層S1值大致相當(dāng).青一段氣測(cè)全烴值普遍較高，氣測(cè)錄井異常顯示段厚度大，整體上有隨深度增加氣測(cè)全烴值增大的趨勢(shì)，除了18號(hào)層全烴值較低外，其余各層全烴值均在1%以上或接近1%，其中以25、26、27號(hào)層全烴值最高.總體評(píng)價(jià)，23、25、27號(hào)層的含油氣性最好（表3）.

表3 松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層含油氣性特征表Table 3 Oil-gas bearing possibility for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.4 烴源巖性參數(shù)特征

松遼盆地北部青一段半深湖—深湖相烴源巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型整體主要為Ⅰ型和Ⅱ1型［18-19］，以生油為主，因此有機(jī)質(zhì)類(lèi)型不是制約頁(yè)巖油富集的主要因素，本研究中主要針對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)成熟度進(jìn)行烴源巖性參數(shù)特征分析.

總有機(jī)碳含量（TOC）是評(píng)價(jià)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)［20］.松頁(yè)油3井青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層測(cè)井解釋TOC為2.5%～5.1%，各層TOC均超過(guò)2.0%，整體上青一段下部TOC大于上部，其中以23、25、27號(hào)層TOC值最大（表4）.

鏡質(zhì)體反射率（Ro）隨熱演化程度的升高而穩(wěn)定增大，并具有相對(duì)廣泛、穩(wěn)定的可比性，因此Ro成為目前應(yīng)用最為廣泛、最為權(quán)威的成熟度指標(biāo)［21］.松頁(yè)油3井青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層實(shí)測(cè)Ro為0.84%～0.98%，最高熱解峰溫Tmax均在445℃左右，表明各頁(yè)巖油層均處于中等成熟階段.整體上隨深度增加Ro值有逐漸增大的趨勢(shì)，其中25、26、27號(hào)層Ro值較高，表明該頁(yè)巖油層成熟度較高，其余各層大致相當(dāng)（表4）.

表4 松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層烴源巖特征數(shù)據(jù)表Table 4 Source rock characteristics for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.5 脆性參數(shù)特征

泥頁(yè)巖脆性越好，壓裂后造縫效果越好，因此脆性特征也是優(yōu)選壓裂層位的一項(xiàng)參考指標(biāo)［22］.基于巖性掃描測(cè)井解釋結(jié)果，松頁(yè)油3井青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層全巖礦物組成以長(zhǎng)英質(zhì)和黏土礦物為主，黏土礦物含量最高，介于35.8%～47.3%之間，其次為石英和長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦.黏土礦物含量高，說(shuō)明青一段泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層整體偏塑性.根據(jù)礦物組分法計(jì)算脆性指數(shù)，松頁(yè)油3井青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層脆性指數(shù)為30.6%～44.3%，其中22、25、26、27號(hào)層脆性指數(shù)相對(duì)其余各層較高，有利于進(jìn)行壓裂改造（表5）.

方盛制藥公司是湖南省著名上市公司，由于公司發(fā)展迅速，人才需求量較大。該公司與學(xué)院洽談，決定聯(lián)合開(kāi)設(shè)方盛班。雙方根據(jù)需求，共同確定培養(yǎng)方案和課程體系，見(jiàn)表1。學(xué)習(xí)分為校內(nèi)校外兩個(gè)部分，校內(nèi)是學(xué)生在學(xué)習(xí)正常理論課基礎(chǔ)上，課余時(shí)間由企業(yè)安排公司骨干講授與實(shí)際相結(jié)合的藥品生產(chǎn)、管理和研發(fā)等課程，傳輸企業(yè)文化；校外則是企業(yè)為方盛班學(xué)員安排從假期短期實(shí)習(xí)到最終的畢業(yè)實(shí)習(xí)過(guò)程，雙向選擇優(yōu)秀學(xué)員留在公司工作，對(duì)表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生給予表彰和適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)。學(xué)期結(jié)束時(shí)，多數(shù)學(xué)生與方盛制藥公司簽訂了實(shí)習(xí)協(xié)議，收效甚佳。

表5 松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層礦物含量及脆性指數(shù)表Table 5 Mineral content and brittleness index for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.6 可壓性參數(shù)特征

可壓性指的是儲(chǔ)層經(jīng)過(guò)水力壓裂后可以被有效改造的性質(zhì)，能夠反映泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層的綜合特征，結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)和礦物組成可評(píng)價(jià)各頁(yè)巖油層的可壓性［23］.松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層泊松比為0.29～0.31，楊氏模量為1.23×104～1.69×104MPa，各層泊松比和楊氏模量大致相當(dāng)，說(shuō)明各層彈性和剛性相差不大.各層破裂壓力為40.23～42.27 MPa，其中23、25、27號(hào)層破裂壓力較低，表明這些頁(yè)巖油層相對(duì)容易被壓開(kāi)，巖層更容易從薄弱處起裂形成裂縫（表6）.

表6 松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層可壓性表Table 6 Fracturing indexes for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

3 層次分析法與壓裂層位優(yōu)選

3.1 層次分析法

綜合對(duì)比松頁(yè)油3井青一段Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性和可壓性6項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)不同層的各項(xiàng)指標(biāo)排名互有優(yōu)劣，為減少人為主觀因素對(duì)選層結(jié)果的干擾，研究中采用層次分析法對(duì)6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合計(jì)算，以此量化篩選出最有利的壓裂層位.

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是20世紀(jì)70年代由美國(guó)匹茲堡大學(xué)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂提出的，將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法.層次分析法的特點(diǎn)是在解決復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)深入分析問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在聯(lián)系，把解決問(wèn)題的過(guò)程轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，從而為解決復(fù)雜問(wèn)題提供決策［24-25］.

層次分析法思路如下：依據(jù)層次分析法要素標(biāo)度尺，將電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性和可壓性6項(xiàng)指標(biāo)對(duì)壓裂選層有利程度的影響進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造正交判斷矩陣，從而建立各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重模型，使各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于壓裂選層有利性的影響得以定量顯示.將各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得出各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)壓裂有利程度的歸一化值，再加入各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行運(yùn)算，便可知青一段7個(gè)Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層的壓裂有利性.

3.2 各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)歸一化

以松頁(yè)油3井所有頁(yè)巖油層特征參數(shù)作為背景值，對(duì)這7個(gè)頁(yè)巖油層的6項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，統(tǒng)一各項(xiàng)參數(shù)的量級(jí)，從而避免了因參數(shù)量級(jí)不同而對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的誤差.參數(shù)歸一化方法如下：

經(jīng)過(guò)歸一化計(jì)算后，各項(xiàng)參數(shù)值均處于0～1之間.由于在一項(xiàng)指標(biāo)中包含多項(xiàng)參數(shù)（如物性指標(biāo)中包含孔隙度和滲透率兩項(xiàng)參數(shù)），還需對(duì)同一項(xiàng)指標(biāo)中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行算數(shù)平均數(shù)合并（式3），計(jì)算后的結(jié)果可代表各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)壓裂的有利程度（表7）.

表7 松頁(yè)油3井青一段壓裂選層參數(shù)歸一化數(shù)據(jù)表Table 7 Normalized parameter of fracturing layer selection in the 1st member of Qingshankou Formation in SYY3 well

其中，n為同一項(xiàng)指標(biāo)中特征參數(shù)的個(gè)數(shù)，X為指標(biāo)歸一化值.

3.3 基于層次分析法的壓裂層位優(yōu)選

在引進(jìn)低滲透砂巖儲(chǔ)層的壓裂選層指標(biāo)判斷標(biāo)度的基礎(chǔ)上［25］，結(jié)合湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，形成一套適用于湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層的壓裂選層方法模型，然后將各頁(yè)巖油層的6項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)代入壓裂選層方法模型中進(jìn)行計(jì)算.

首先，對(duì)電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性、可壓性6項(xiàng)指標(biāo)的重要性進(jìn)行分析.含油氣性反映儲(chǔ)層中原油的性質(zhì)和含量，是壓裂選層最重要的影響因素；烴源巖性反映頁(yè)巖油層的生烴潛力，跟含油氣性息息相關(guān)，也是極其重要的影響因素；物性反映儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間和滲流能力，是非常重要的影響因素；電性是儲(chǔ)層的孔隙度和含油氣性的間接反映，也是比較重要的影響因素；脆性影響壓裂造縫效果，對(duì)壓裂選層的影響一般重要；可壓性是反映儲(chǔ)層能否被有效改造的巖石力學(xué)性質(zhì)，是壓裂施工過(guò)程中必須考慮的因素，但是考慮到松頁(yè)油3井的可壓性參數(shù)差異不大，這里將可壓性作為稍微重要的指標(biāo)（表8）.

表8 壓裂選層指標(biāo)重要性表Table 8 Importance ranking of fracturing layer selection indicators

最終確定電性（C1）、物性（C2）、含油氣性（C3）、烴源巖性（C4）、脆性（C5）和可壓性（C6）這6項(xiàng)指標(biāo)對(duì)壓裂選層有利性的影響大小依次為：含油氣性＞烴源巖性＞物性＞電性＞脆性＞可壓性，對(duì)壓裂選層有利性的判斷矩陣為：

C1 C6 C1 1 4 C2 2 5 C3 4 7 C4 3 6 C5 1/3 2 C2 C3 1/2 1 3 2 1/4 1/3 1 1/2 1/6 1/7 C4 C5 1/3 3 1/2 4 2 6 1 5 1/5 1 1/6 1/2 1/4 C6 1/4 1/5 1

根據(jù)層次分析法模型計(jì)算，得出其特征向量為：

各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)于壓裂選層有利程度的權(quán)重見(jiàn)表9.

表9 壓裂選層各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重Table 9 Weight coefficient of fracturing layerselection indicators

計(jì)算各頁(yè)巖油層每一項(xiàng)指標(biāo)的歸一化參數(shù)值與其權(quán)重的乘積之和，即可得到各層的壓裂有利性（表10）.

表10 松頁(yè)油3井青一段I類(lèi)頁(yè)巖油層壓裂選層有利性分析表Table 10 Favorability analysis of fracturing layer selection for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，松頁(yè)油3井青一段各頁(yè)巖油層的壓裂選層有利性排序?yàn)椋?7號(hào)層＞25號(hào)層＞23號(hào)層＞26號(hào)層＞19號(hào)層＞21號(hào)層＞22號(hào)層.

對(duì)松頁(yè)油3井23、25、27號(hào)層進(jìn)行壓裂試油求產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了松遼盆地三肇凹陷頁(yè)巖油工業(yè)油流突破，證明該壓裂選層方法可行有效.

4 結(jié)論

通過(guò)錄井、測(cè)井解釋數(shù)據(jù)查明了松頁(yè)油3井青一段7個(gè)Ⅰ類(lèi)頁(yè)巖油層分別為19、21、22、23、25、26、27號(hào)層，基于層次分析數(shù)學(xué)模型綜合分析電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性、可壓性6項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)各I類(lèi)頁(yè)巖油層的壓裂有利性進(jìn)行了綜合排名，即27號(hào)層＞25號(hào)層＞23號(hào)層＞26號(hào)層＞19號(hào)層＞21號(hào)層＞22號(hào)層，從而建立了一套湖相泥頁(yè)巖基質(zhì)儲(chǔ)層直井壓裂選層方法.

對(duì)松頁(yè)油3井23、25、27號(hào)層進(jìn)行了壓裂試油，實(shí)現(xiàn)了松遼盆地三肇凹陷頁(yè)巖油工業(yè)油流突破，證實(shí)該壓裂選層方法可行有效，可推廣應(yīng)用于湖相基質(zhì)型頁(yè)巖油的甜點(diǎn)層優(yōu)選和水平井部署.