川東南五峰組-龍馬溪組頁巖氣目標評價及水平井設計技術

張培先，何希鵬，高玉巧，劉明，周頔娜，高全芳，蔡瀟，張勇

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司，南京 210019)

中國頁巖氣勘探開發主要集中在四川盆地及周緣地區，相繼發現了涪陵、威遠、長寧、威榮、南川等大中型頁巖氣田[1-5]。川東南地區位于四川盆地東南緣，處于高壓-常壓過渡區，五峰組-龍馬溪組以常壓頁巖氣為主，地層壓力系數為0.9～1.35，頁巖氣地質條件復雜。近幾年平橋、東勝、白馬、丁山、武隆等地區的頁巖氣實現了勘探突破與開發建產，試獲4.6×104～40×104m3/d商業氣流[6-7]，是中國石化頁巖氣重要產區和未來接替區。但川東南地區構造變形強烈，保存條件和地應力場復雜，頁巖氣單井產量差異大，大規模效益開發難度大，對頁巖氣甜點目標評價與水平井設計提出了挑戰。

近年來，業內學者在深入研究頁巖氣成藏地質條件、總結國內外頁巖氣勘探開發成功經驗的基礎上，開展了大量的頁巖氣選區評價與甜點目標優選研究工作，歸納起來大致可分為兩類評價思路。第一類是在頁巖氣研究的早期階段部分學者根據頁巖氣靜態評價參數，結合各自研究區地質特點，建立了評價體系和標準，如王世謙等[8]明確了頁巖氣選區評價流程和10項關鍵地質參數，并利用地質因素疊合優選有利區和核心區；郭秀英等[9]篩選出頁巖含氣量、有效厚度、有機碳含量等12項海相頁巖氣選區關鍵評價指標，提出了頁巖氣選區評價指標主、客觀權重的綜合權重確定法；張鑒等[10]提出了頁巖礦物組成、地球化學、儲層、蓋層、巖石力學、資源條件、含氣性、保存條件和埋深等9個方面19項參數指標，優選有利區、建產區和核心建產區。第二類是“十三五”以來隨著四川盆地頁巖氣勘探突破和規模開發，部分學者以頁巖氣富集主控因素為主線，建立了針對性的頁巖氣選區及目標評價體系，如劉洪林等[11]提出了把地層壓力系數大于1.3以上作為中國南方海相超壓頁巖氣選區的重要指標之一；郭彤樓[12]提出“沉積相帶與保存條件”控藏，即控制頁巖氣的選區，“構造類型與構造作用過程”控富，即控制甜點區(富集帶)的選擇。何治亮等[13]提出以建造(生儲演化序列)-改造(儲保演化序列)相結合的頁巖氣選區及目標評價思路，將構造變形、保存演化等動態要素納入到評價體系中。何希鵬等[14]提出了深水陸棚控烴、保存條件控富、地應力場控產的“三因素控氣”地質認識，指導了頁巖氣甜點目標優選和井位部署。聶海寬等[15]從頁巖氣基礎地質理論、頁巖氣藏特征和富集主控因素等方面進行了分析，按戰略展開、戰略突破和戰略準備3個層次指出了四川、鄂爾多斯、塔里木等盆地不同層系的下步勘探方向。

隨著川東南地區五峰組-龍馬溪組頁巖氣勘探開發與研究的不斷深入，頁巖氣富集規律差異性愈發明顯，甜點目標優選難度逐漸增大，需要系統梳理頁巖氣目標評價關鍵技術，總結成熟做法，形成針對性技術序列，指導新區帶的甜點優選與目標評價。現通過開展川東南五峰組-龍馬溪組頁巖氣地質特征研究，明確富集高產主控因素，形成地質綜合評價技術，建立目標評價體系(選目標)，利用三維地震屬性預測技術落實甜點靶區(部好井)，形成常壓頁巖氣水平井地質-工程一體化設計技術，確保穿好層、壓好縫，獲得高產氣流。為中國第一個常壓頁巖氣田-南川氣田的發現和四川盆地外常壓頁巖氣的勘探突破提供技術支撐。

1 頁巖氣地質特點

川東南地區位于四川盆地東南緣的川東高陡構造帶向武陵褶皺帶過渡的盆緣轉換帶，是上揚子板塊的重要組成部分(圖1)。該區地層發育較全，除缺失泥盆系、石炭系地層外，奧陶系到侏羅系地層均有發育，表現出“四層樓”地層結構。晚奧陶世-早志留世，上揚子地區受全球性海侵事件影響，川東南地區處于深水陸棚相，沉積了一套區域性分布的五峰組-龍馬溪組黑色富碳富硅富筆石頁巖。

圖1 川東南地區構造區劃圖Fig.1 Geological map of southeastern Sichuan

川東南地區經歷多期構造運動，受燕山早期北西向擠壓隆升和晚期南北向壓扭性走滑的影響最為顯著，形成了現今“東西分帶、南北分塊”構造格局。以齊岳山斷裂為界，斷裂以東五峰組-龍馬溪組地層遭受不同程度剝蝕，頁巖主要分布在殘留向斜內，為常壓頁巖氣；斷裂以西五峰組-龍馬溪組地層連片分布，僅局部出露地表，保存條件較好，處于常壓-高壓過渡區。自西向東，五峰組-龍馬溪組地層壓力系數逐漸降低[6-7]，焦石壩地區地層壓力系數為1.4～1.5，南川地區地層壓力系數1.05～1.35，武隆地區地層壓力系數為1.05～1.2，彭水地區地層壓力系數為0.9～1.15，頁巖氣藏由高壓逐漸過渡為常壓氣藏。單井產量具有與地層壓力系數相似的變化規律，自西向東、從盆內到盆緣再到盆外，單井產量逐漸降低，焦石壩地區單井測試日產氣普遍大于20×104m3，南川地區單井測試日產氣7×104～40×104m3，武隆地區單井測試日產氣4.6×104～9.2×104m3，彭水地區單井測試日產氣2.5×104～3.8×104m3[6-7](圖2)。

圖2 川東南盆緣轉換帶焦石壩-平橋-武隆-彭水地區地質剖面圖[8]Fig.2 Geologic section of Jiaoshiba-Wulong-Pengshui areas in the basin transition zone of southeastern Sichuan[8]

與涪陵等盆內高壓-超壓頁巖氣藏相比，川東南地區五峰組-龍馬溪組頁巖氣具有鮮明的地質特點。總體處于深水陸棚沉積相帶，但自西向東、從北往南水體逐漸變淺，優質頁巖厚度減薄(從38 m減到24 m)，頁巖氣成藏物質基礎略差。受雪峰造山運動自南東向北西遞進推覆的影響，川東南自燕山早期(距今120～90 Ma)開始褶皺變形，改造作用較強，頁巖氣保存條件變差，地層壓力系數以常壓為主(0.9～1.35)，含氣量相對較低。川東南地區頁巖儲層微裂縫、層理縫發育，頁巖氣更易發生側向逸散。由于構造抬升造成地應力不同程度釋放，現今地應力較小，易于壓裂，但受多期構造改造影響，兩向水平應力差異系數較大(0.15～0.36)，形成復雜縫網難度相對較大。

2 甜點目標評價體系

2.1 評價思路

在深入分析川東南地區頁巖氣地質特點基礎上，結合近年來頁巖氣勘探開發實踐，提出了以頁巖氣富集和高產為主線的甜點目標評價思路，并建立了針對性甜點目標評價體系和標準(圖3、表1)，對有利目標優選和地質綜合評價技術具有較好的指導作用。

表1 川東南地區頁巖氣“甜點目標”評價標準表Table 1 Standard table for “Sweet target”evaluation of shale gas in southeastern Sichuan

圖3 川東南五峰組-龍馬溪組頁巖氣目標評價圖Fig.3 Shale gas target evaluation of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in southeast Sichuan

富碳富硅富筆石頁巖相控制頁巖氣富集的資源基礎。根據巖性、礦物組成、總有機碳含量(total organic content，TOC)、筆石含量、電性等特征，將川東南地區五峰組-龍一段黑色頁巖劃分為9種巖石相[16]，其中位于深水陸棚相下部的富碳富硅富筆石頁巖相具有高TOC(>4%)、高孔隙度(>4%)、高含氣量(>4 m3/t)、高脆性(硅質含量>55%)、低黏土(黏土含量<25%)的“四高一低”典型特征，生烴能力強，儲層物性好，是頁巖氣富集的資源基礎。優質頁巖厚度、分布范圍及TOC是評價頁巖氣資源基礎的關鍵指標。

保存條件控制頁巖氣的富集程度。保存條件控制了頁巖含氣量和地層壓力的高低。川東南地區構造運動強烈，抬升剝蝕后距離出露區和斷層的距離、頂底板條件和埋深是保存條件的主要影響因素。此外，保存條件是影響頁巖儲層物性好壞的關鍵因素。熱模擬實驗分析表明，當頁巖處于過成熟晚期后，作為頁巖氣主要儲集空間的有機孔隙不再增加[17-18]，隨著圍壓增大，有機孔開始大幅減小。若保存條件好，儲層超壓，孔隙內部受氣體支撐可以較好保存，儲層物性好，若保存條件差，有機孔在壓實作用下不斷減小以致消失，儲層物性變差。地層壓力系數(距剝蝕邊界和斷層距離、埋深)、含氣量、有機孔隙發育程度是評價保存條件好壞的關鍵指標。

地應力場影響壓裂改造效果，是頁巖氣高產的關鍵。頁巖氣藏屬人工氣藏，基本無自然產能，需要充分壓裂改造，才能獲得高產穩產，地應力場是影響壓裂改造效果的關鍵地質因素。川東南地區經過多期構造運動形成了復雜的地應力場。古應力場控制著天然裂縫發育程度，天然裂縫是頁巖氣的重要儲集空間和滲流通道，可溝通頁巖基質孔隙，有效改善儲層物性，微裂縫越發育越利于頁巖氣儲集和壓裂后形成復雜縫網。現今地應力場影響人工壓裂造縫的復雜程度，決定裂縫起裂方式和壓裂施工難易程度。現今地應力場越適中，單井測試產量越高，穩產時間越長，單井控制經濟可采儲量EUR(estimated ultimate recovery)越大[19]。與地應力場相關的構造樣式、頁巖埋深、天然裂縫發育程度、脆性礦物含量等是評價頁巖氣高產的關鍵指標。

2.2 評價體系及標準

在甜點目標評價思路指導下，圍繞頁巖氣富集和高產三大主控因素(富碳富硅富筆石頁巖相、保存條件、地應力場)，以突出保存條件下的地層壓力系數和構造應力場背景下的地應力大小、方位、微裂縫發育程度評價為重點，地質、工程、經濟甜點評價相結合，以提高單井產量和效益為目的，根據“三因素控氣”認識，優選27項評價指標，建立了川東南地區五峰組-龍馬溪組甜點目標評價體系和標準。

(1)評價頁巖氣資源基礎。重點落實富碳富硅富筆石優勢頁巖相沉積時空展布、分布面積等關鍵參數，其中優質頁巖厚度、有機質豐度、優質頁巖分布面積、資源豐度是評價頁巖氣資源基礎的關鍵指標，針對同一地區相同層系的頁巖，熱演化程度為輔助指標。一類區要求：富碳富硅富筆石頁巖相頁巖厚度>30 m，TOC>3%。

(2)評價頁巖氣資源富集程度。深化構造演化改造作用為主線的保存條件研究，重點分析頁巖氣聚散機理及富集條件，明確研究區頁巖氣資源富集程度。地層壓力系數、孔隙度和含氣量是評價頁巖氣富集程度的關鍵指標，距剝蝕邊界距離、斷裂發育程度、距開啟斷層距離、頁巖比表面積和孔徑為輔助指標。一類區要求：地層壓力系數>1.1，孔隙度>4%，含氣量>4 m3/t，同時距剝蝕邊界距離>4 km，斷裂發育較少、規模小，距開啟斷層>1.5 km。

(3)評價控制頁巖氣高產的構造應力場環境。重點研究應力場大小、方位及壓裂形成復雜縫網的機理和條件，為制定在目前工程工藝技術條件下的壓裂方案提供依據。構造樣式、埋深、地應力、應力差異系數、裂縫、曲率、硅質含量是評價頁巖氣高產因素的關鍵指標，黏土含量、脆性指數、頂底板、泊松比為輔助指標。一類區要求：頁巖埋深介于2 000～3 800 m、地應力<80 MPa、兩向應力差異系數<0.2、裂縫發育、中等曲率，同時泊松比<0.25、硅質含量>50%、黏土含量<30%、脆性指數>50%、頂底板具應力隔擋等。

(4)評價經濟甜點。一方面考慮鉆井地表條件、水資源、交通條件以及環保要求，盡可能減少鉆前工程費用，一方面考慮鉆井提速提效、壓裂增效提產，單井EUR與投資相匹配，達到8%內部收益率及以上。地表條件是評價經濟甜點的關鍵指標，水源條件為輔助指標。一類區要求：地勢平坦寬闊的平地較多，交通方便，河流、湖泊發育，水量充足。

一類甜點目標標準為優質頁巖厚度>30 m，TOC>3%，壓力系數>1.1，孔隙度>4%，含氣量>4 m3/t，頁巖埋深2 000～3 800 m，地應力<80 MPa，兩向應力差異系數<0.2，裂縫發育，中等曲率，硅質含量>50%(表1)。基于“三因素控氣”地質認識，利用目標評價體系，評價出川東南地區平橋背斜、東勝背斜、陽春溝構造、武隆向斜、道真向斜等一批有利目標，指導部署探評井20余口，測試日產氣4.6×104～40×104m3，新建產能超20×108m3，實現了勘探突破與開發建產。

3 水平井地質-工程一體化設計技術

頁巖氣水平井設計理念是突出甜點目標評價，集部署鉆井、壓裂改造統籌考慮的一體化設計，最終目的是提高單井產量，提升勘探開發效益。根據甜點目標評價體系，優選出頁巖氣富集程度較高的地質甜點區，利用地震屬性預測地層縫洞或裂縫發育情況，提高鉆井時效，縮短鉆井周期；同時開展水平段頁巖可壓性評價與預測，優選“最佳箱體”設計水平井靶窗和方位，實現儲層有效改造體積最大化，提高單井經濟可采儲量。

3.1 水平井設計技術

3.1.1 水平井井位部署技術

水平井部署是一體化設計的前提，井位部署于頁巖氣藏“甜點區”，才能確保高產穩產。川東南地區五峰組-龍馬溪組頁巖總體具有較好的頁巖氣成藏基礎[19-21]，因此在井位部署中，重點評價頁巖保存條件及應力特征，形成了基于構造圖、埋深圖、孔隙度圖、含氣量圖、壓力系數圖及曲率圖的“六圖法”井位目標優選及部署技術。

KTH為無鈾伽馬；GR為自然伽馬；DEN為密度；TOC為總有機碳圖4 五峰組-龍馬溪組水平井靶窗示意圖Fig.4 Sketch map of target window of horizontal well of Wufeng Formation-Longmaxi Formation

首先，利用構造圖和埋深圖確定勘探目標的構造類型、斷裂特征、埋深情況等，優選出構造穩定、距離剝蝕邊界和開啟斷裂較遠、斷裂發育較少、埋深適中的目標區。其次，利用孔隙度圖、含氣量圖和壓力系數圖研究頁巖儲層物性、保存條件及地層能量。孔隙度平面分布圖揭示了儲層物性優劣，孔隙度越大越有利于游離氣富集，同時，孔隙度越大，代表頁巖比表面積越大，越利于吸附氣賦存，總含氣量越高；通過含氣量圖和壓力系數圖，可以評價目標含氣量的高低、保存條件的好壞和地層能量的強弱。優選出儲層物性好、含氣量高、壓力系數相對高的區域，即為頁巖氣富集程度高的“甜點區”。最后，利用曲率圖研究中淺層可鉆性和頁巖儲層可壓性，直井段利用曲率屬性規避漏失層，提高鉆井時效，水平段穿行中等曲率帶，提高壓裂改造效果，從而指導井位部署“落點”。理論研究和勘探實踐表明，曲率可以用于表示地層的彎曲程度，曲率越大代表區域所受應力和應變越大，增加了產生裂縫的可能性[22]。目的層曲率屬性可指導水平井部署：低曲率帶代表構造變形程度弱，與之伴生的構造縫不發育，水平井壓裂改造過程中表現出射孔壓降、破裂壓降幅度小，裂縫向遠端延伸困難的特點，停泵壓力較高，體積壓裂改造效果較差；中等曲率帶代表裂縫發育程度適中，保存條件好，利于游離氣的富集，同時利于壓裂人造縫與天然縫網溝通形成復雜縫，壓裂改造效果最好；高曲率帶代表構造變形程度強，構造縫十分發育，對頁巖氣保存和壓裂改造均有一定影響。

3.1.2 水平井靶窗設計技術

靶窗設計是確保水平井軌跡在三維儲集體空間的縱向位置，是影響單井產量的關鍵因素之一，水平井軌跡在最優靶窗內穿行比例越大，單井產量越高[23]。靶窗設計需要同時考慮地質和工程因素，地質上包括有機質豐度、儲層物性、含氣性等表征頁巖氣富集程度的參數，對于地質甜點，一般要求TOC>3%，孔隙度>4%，含氣量>4 m3/t，測井曲線上具有高伽馬、高聲波時差、低密度特征；工程上包括脆性礦物含量、地應力、泊松比、楊氏模量、裂縫發育特征等表征儲層可壓性的參數，對于工程甜點，一般要求脆性礦物含量>60%、泊松比<0.25、楊氏模量>40 GPa、裂縫發育程度中、具明顯的頂底板應力隔擋等。綜合多種地質、工程評價參數確定地質與工程“雙甜點段”，明確最優靶窗，靶窗高度通常設計為4～6 m(圖4)，但不同沉積相帶內，縱向上靶窗存有一定差異性。五峰組-龍馬溪組進行立體開發時，需要同時兼顧上、中、下三套靶窗設計，綜合考慮縱向上相對甜點段及壓裂波及縫高，提高儲量動用率和氣田采收率。

3.1.3 水平井方位設計技術

水平井方位控制軌跡在三維儲集體空間穿行的橫向位置，對單井產量有較大影響，水平井方位可影響壓裂施工難易程度和改造效果，此外，水平井方位與地層產狀密切關聯，共同控制水平段靶點A、B落差，從而影響單井產能釋放和后期排采，對于常壓頁巖氣井，水平段高差對產量影響更加敏感。

頁巖氣水平井方位設計主要參考井區現今最大水平主應力方位和大小。裂縫形成機理和鉆井壓裂實踐研究表明，水平井方位可影響壓裂施工難易程度和改造效果[22]，水平井方位與最小水平主應力方位夾角越小，越利于壓裂縫溝通天然縫，向四周延展形成復雜縫，壓裂改造效果越好。川東南地區多期構造運動形成了復雜的構造樣式和地應力場環境，背斜與向斜的軸部地應力相對集中，壓裂施工難度大，裂縫延展困難，體積改造效果較差，方位設計時應規避地應力集中區，優選地應力相對適中的區域。綜上所述，水平井平面上應優先設計在構造翼部、裂縫發育區等地應力適中部位，同時需權衡水平井方位、最小水平主應力方位及地層產狀三者關系。此外，常壓頁巖氣特別是地層壓力系數小于1.05的常壓區，方位設計需同時兼顧靶點落差(<200 m)，水平井方位與最小水平主應力方位夾角控制在30°以內，以利于提高壓裂效果，同時減小水平段積液對產氣量的影響，充分釋放頁巖儲層產能。

3.2 水平井壓裂優化技術

不同構造部位的裂縫發育規律存在一定差異，背斜型目標發育開口向上的V字形裂縫，向斜型目標發育開口向下的A字形裂縫，斜坡型目標發育E字形裂縫，斷下盤目標發育X形剪切裂縫。針對不同目標類型，在段長、液量、射孔簇數及位置、支撐劑類型、投球轉向等方面均需要針對性壓裂設計技術，從而有效提高壓裂改造的裂縫復雜度和總改造體積大小，確保單井產量。

以川東南地區平橋背斜為例。平橋背斜為東西翼受逆斷層夾持的北東向長軸斷背斜，軸部受縱彎作用影響，表現為張性應力場特征，發育向上開口的V字形劈理，縱向裂縫較發育且延伸高度較高，平行軸線方向分布。在背斜翼部，位于底板灰巖上部的頁巖相對背斜轉折端滑動，在層面上發育垂直于樞紐的裂縫擦痕，形成旋轉節理或同心狀節理，地層變形程度相對背斜核部小，主要發育低角度層間滑動縫，伴生部分高角度構造縫。在背斜翼部靠近斷層的部分地層變形程度最大，在構造作用下發育斷層派生的高角度構造縫，裂縫密度和規模較大(圖5)。曲率預測研究表明，優質頁巖段曲率屬性與裂縫發育程度密切相關，曲率屬性值越高代表地層變形程度越強，裂縫越發育且規模越大，平橋背斜兩翼主控斷層附近曲率值最大，背斜軸部次之，翼部表現為中低曲率值。

圖5 平橋背斜曲率剖面圖Fig.5 Distribution pattern of curvature profile in Pingqiao anticline

平橋背斜壓裂實踐表明，中等曲率地震響應區域頁巖氣水平井具有破裂壓力低、施工壓力低、停泵壓力低、測試產量高的特點。因此，可以利用曲率屬性指導水平井部署和壓裂優化，水平井穿行于中等曲率帶，壓裂改造效果一般較好，單井產量更高。

在頁巖氣水平井壓裂響應特征或測試產量與鄰井存在較大差異時，需要從地質、工程角度綜合分析差異較大的原因。地質上主要從構造類型、埋深、穿行層位、TOC、含氣性、孔隙度、地應力方向與強弱、天然裂縫發育特征、可壓性等方面，縱橫向上對比井與井、段與段之間的差異，尋找造成該井區壓裂響應特征或產量差異大的產能主控因素。工程上主要從各井或各段的段簇劃分、施工規模、泵注程序、液體性質、支撐劑類型等方面，結合砂量、砂比、施工壓力、破裂壓力、曲線形態等壓裂響應特征對比差異，尋找影響因素。明確產能差異影響因素后，在后續水平井壓裂設計時即可采取針對性的設計技術與對策。

4 應用效果

根據建立的甜點目標評價體系和標準，在川東南南川-武隆地區優選出平橋背斜、東勝背斜、陽春溝構造及武隆向斜等為一類甜點區，通過“六圖法”部署井位、推廣應用水平井設計技術，實現了勘探突破與商業開發。2016年，優選平橋背斜部署JY194-3HF井，地層壓力系數1.31，壓裂測試日產氣34.3×104m3，2018年完成6.5×108m3產能建設，最優靶窗為優質頁巖段③小層下部4 m，水平井方位與最小水平主應力夾角小于30°，單井測試日產氣18.4×104～40×104m3。2020年，優選東勝構造部署SY2HF井，鉆遇優質頁巖30 m，TOC為3.4%，孔隙度為4.5%，石英含量58%，含氣量4.6 m3/t，最優靶窗為③小層下2 m+②小層1 m+①小層上2 m，水平井方位與最小水平主應力夾角為30°，地層壓力系數1.2，壓裂測試日產氣32.8×104m3，實現了新區帶常壓頁巖氣勘探重大突破。

5 結論

川東南地區五峰組-龍馬溪組以常壓頁巖氣為主，提出以頁巖氣富集和高產為主線的甜點目標評價思路，以提高單井產量和效益為目的，從資源基礎、保存條件、地應力場等方面，優選16項關鍵指標、11項輔助指標，建立了頁巖氣甜點目標評價體系及標準。建立基于構造圖、埋深圖、孔隙度圖、含氣量圖、壓力系數圖、曲率圖的“六圖法”井位部署技術，通過靶窗和水平井方位優化，確定不同目標“最佳箱體”，通過水平井壓裂優化技術提高儲層壓裂效果，充分釋放儲層產能，最終達到提高單井產量和實現EUR最大化的目的。利用頁巖氣甜點目標評價體系和標準，川東南地區優選出平橋背斜、東勝背斜、陽春溝構造及武隆向斜等一類甜點目標。開展了水平井地質-工程一體化設計技術等，提高甜點靶窗鉆遇率和壓裂方案優化，為川東南地區頁巖氣勘探開發提供了技術支撐，實現了勘探突破與開發建產，取得了良好的應用效果。