川西南筇竹寺組頁巖氣復合地質導向方法研究

顏 磊， 王崇敬， 唐 誠， 瞿子易， 羅 鑫

(1成都理工大學能源學院 2中石化西南石油工程有限公司 3中國石油川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院 4中國石油西南油氣田分公司四川長寧天然氣開發有限公司)

四川盆地頁巖氣資源豐富，目前發現了志留系龍馬溪組和寒武系筇竹寺組頁巖氣藏[1-2]。筇竹寺組頁巖氣儲層埋深大、成熟度高、礦物組分復雜，熱演化程度對頁巖孔隙結構的演化有重要影響，與國內外其他頁巖氣藏有差異[3-6]。由于缺乏高成熟度頁巖氣儲層地化參數、含氣量和可壓裂性等重要特征的隨鉆評價方法，難以真正指導水平井在優質儲層中穿行，亟待建立一套適用于筇竹寺組頁巖氣儲層的復合地質導向方法。

一、頁巖氣地質特征測井響應

川西南井研-犍為地區處于川黔坳陷沉積中心附近，處于廣海陸棚——深淺海盆地沉積環境[6]。工區內已經鉆探了JS1井，目的層巖性為黑色頁巖，GR值在121～280 API，優質頁巖有機碳含量高、高含氣量的特征，Ro達到2.57%～2.74%，筇竹寺組頁巖熱演化程度明顯高于龍馬溪。實驗表明頁巖的孔隙主要由無機孔與有機孔兩部分組成，且有機孔占比較高。有機孔與TOC豐度一般為正相關，且一般隨著Ro的增加而增大，但當成熟度過高時，有機質孔隙出現明顯的塌陷和充填現象，有機質孔隙度降低。

根據對比分析，富氣層段的測井曲線響應具有“四高三低”特征，即相對高自然伽馬、高聲波時差、高電阻率、高鈾含量及相對低密度、低中子、低無鈾伽馬。通過AC-CNL、GR-KTH等交會圖(圖1)，能識別有效頁巖氣儲層。

圖1 筇竹寺組頁巖氣測井識別圖版

注：1 ft=0.3048 m。

二、復合地質導向關鍵技術

1.巖石組分與孔隙度隨鉆計算

筇竹寺組頁巖巖心實驗表明頁巖主要由有機質、無機礦物和水構成，且黃鐵礦含量較低，基本小于1%。本文采用的巖性體積模型為：黏土礦物+硅質類礦物+鈣質類礦物+有機質+孔隙=100%。

利用元素錄井、巖屑伽馬能譜錄井等特殊錄井技術結合隨鉆測井資料建立頁巖儲層儲集參數的多元回歸計算模型[7-8]，實現頁巖氣儲層儲集參數隨鉆分析，進而達到復合地質導向的目的。

1.1 黏土含量計算

根據實驗室分析資料得知，本區塊黏土礦物的主要類型為伊利石、伊/蒙混層以及綠泥石。將構成黏土礦物的主要元素與實驗室黏土分析結果進行交匯，優先相關性最高的鋁(Al)、鉀(K)作為黏土礦物的敏感元素回歸得到計算模型：

Vsh=-20.9+1.194×Al+12.72×K

(R=0.84)

(1)

式中：Al—元素錄井鋁元素測值，%；K—元素錄井鉀元素測值，%。

1.2 有機碳含量計算

有機碳含量與伽馬能譜具有較好的相關關系，隨著有機碳含量的增加，其伽馬能譜增大，地層高鈾特征明顯。通過巖心分析數據對各種模型進行了對比優選，確立巖屑伽馬能譜錄井多元回歸方法可以比較準確地計算筇竹寺組有機碳含量：

VTOC=0.082×K+0.028×TH+0.16×U-0.53 (R=0.95)

(2)

式中：K—巖屑伽馬能譜錄井鉀含量測值；TH—巖屑伽馬能譜錄井釷含量測值；U—巖屑伽馬能譜錄井鈾含量測值。

1.3 硅質與鈣質含量計算

頁巖中的主要硅質為石英，硅(Si)為主要構成元素，白云石與方解石中鈣(Ca)為主要構成元素。根據巖心分析數據，采用多元回歸建立硅質、鈣質礦物含量的計算模型：

Vquat=3.69+1.22×Si-6.1×Mg

(R=0.81)

(3)

Vca=6.52-0.58×Al+0.62×Ca+0.972×K

(R=0.84)

(4)

式中：Vquat—硅質含量，%；Si—元素錄井硅元素測值，%；Mg—元素錄井鎂元素測值，%；Vca—鈣質含量，%。

1.4 孔隙度計算

根據筇竹寺組頁巖礦物體積模型，孔隙度采用物質平衡方程計算：

POR=1-Vsh-Vquat-Vca-VTOC

(5)

式中：POR—地層孔隙度，%。

2.含氣量隨鉆計算

根據質量守恒定律和氣體狀態方程[9]，建立的游離氣含量計算模型如下：

(6)

(7)

式中：Fgas—轉換到地面條件下的游離氣含量，m3/t；Vk—地面與井下條件下的游離氣體積比，無綱量；p1、p2—井下和地面的壓力，MPa；T1,T2—井下和地面的溫度，K；Zg—氣體偏差因子，無量綱；φ—儲層孔隙度，%；SW—含水飽和度(采用印度尼西亞公式估算)，%。

通過頁巖巖心的等溫吸附實驗，基于蘭格繆爾等溫吸附模型[10-11]建立吸附含氣量解釋模型：

(8)

式中：A—校正系數，常介于-0.016～-0.008之間；T0—頁巖樣品的實驗溫度，℃；T—地層溫度單位：℃；VL0和VLt—分別為實驗獲得的蘭氏體積和經過溫度校正的蘭氏體積，m3/t；TOC—地層總有機碳含量，%；pLt—經過溫度校正的蘭氏壓力，MPa；p—井下地層壓力，MPa；A1、B1和B2—均為擬合系數。

結合游離氣含量與吸附氣含量，可以計算總含氣量：Tgas=Agas+Fgas。

3.隨鉆評價標準

根據相關研究與規范的規定要求[12-13]，在優質頁巖氣儲層識別的基礎上，優選了能有效反映頁巖氣儲層品質的評價參數，主要包括孔隙度、有機碳、總含氣量、脆性指數等，建立筇竹寺組頁巖氣儲層的分類評價標準(表1)。

表1 筇竹寺組頁巖氣測井分類評價標準

4.復合地質導向實施思路

4.1 鉆前地質建模與靶點入窗

鉆前地質導向建?！笔茄芯繜狳c，近年來經過快速發展，已經形成了構造建模、儲層建模、井旁構造恢復、多井對比等多種方法，取得了較好的效果[14-15]。由于工區內井控程度低。因此根據導眼井測井解釋成果，結合地震構造解釋成果，采用井震結合的方式開展鉆前地質建模。

靶點入窗方面，重點工作是根據錄井資料與隨鉆伽馬曲線特征，卡取對比標志層，結合構造特征及時計算地層傾角，及時調整井斜角，確保平穩入窗。

4.2 水平段軌跡優化

常規地質導向技術主要依靠隨鉆測量獲得的伽馬數據，判別鉆遇的地層層位，指導鉆頭向目標區域穿行[16-18]。而筇竹寺組優質頁巖的Ro相對較高，成熟度高，儲層特征復雜，優質頁巖的伽馬值變化較大，鉆進過程中能夠采用的地質導向常規判別參數少，需要擴展為復合地質導向技術。

在應用隨鉆伽馬落實清楚鉆頭位置的基礎上，根據建立的隨鉆計算模型，實時計算出孔隙度、有機碳含量、含氣量。通過分析評價參數的變化趨勢，及時評估軌跡是否在優質儲層段中穿行，提出具體的軌跡調整措施，確保在優質頁巖中穿行。

三、應用效果

1.鉆前地質建模與靶點入窗

×頁1井筇竹寺組3 289.6～3 301.7 m，有效孔隙度約4.8%，有機碳含量最高達3.6%；含氣量高達4.3 m3/t；綜合評價為Ⅰ類氣層。以該層為目標開窗側鉆了×頁1HF水平井。以測井解釋成果作為鉆前地質建模的基礎，結合物探資料預測靶點垂深3 300 m。實鉆水平井于井深3 471 m，垂深3 297.14 m，隨鉆伽馬開始升高，計算的含氣量、有機碳、孔隙度均有所增加，井斜角從82.2°增斜至87.6°后順利入窗。

2.水平段軌跡優化

鉆至井深3 528 m伽馬測值有所降低，但計算含氣量、有機碳、孔隙度并未發生明顯變化，隨鉆評價為Ⅱ類氣層，因此未調整軌跡，井斜角維持在89.8°～90.6°之間。鉆至井深3 990 m，計算的含氣量、有機碳、孔隙度出現降低的趨勢，至井深4 045 m大幅度降低，隨鉆評價為Ⅲ類氣層，根據評價情況，采取了增斜鉆進措施，鉆至井深4 293 m，氣測值升高，含氣量、有機碳、孔隙度明顯升高，重新進入優質頁巖，隨鉆評價為Ⅱ類氣層，軌跡調整成功。

3.優質儲層鉆遇率

全井共綜合解釋5段儲層，厚度達到1 152.0 m，其中Ⅰ類氣層2段446 m，Ⅱ類氣層2段496 m，Ⅲ類氣層1段210 m。軌跡調整效果見圖2所示。完井后壓裂測試獲得頁巖氣產量為8.435×104m3/d，取得該區寒武系頁巖氣勘探的重大突破。

四、結論

(1)川西南筇竹寺組頁巖氣藏是四川盆地除龍馬溪組頁巖氣藏外又一重要的頁巖氣勘探開發目標。但是具有埋藏深、高成熟度等不利因素，測井響應特征較為復雜，單條測井曲線難以區分，應用多項測井曲線交匯的方法能夠識別有效儲層。

(2)常規隨鉆測量工具或旋轉導向工具提供的隨鉆伽馬數據，難以完全滿足筇竹寺組頁巖氣的地質導向需求，通過開展頁巖巖石組分含量、孔隙度、有機碳含量、含氣量的計算，形成了復合地質導向方法，能夠隨鉆提供更豐富的頁巖氣評價參數，有效指導水平井施工。

圖2 ×頁1井筇竹寺組頁巖氣隨鉆地質導向效果圖

(3)為進一步提高勘探開發效率，可研究巖石力學參數的隨鉆評價模型，為測試選層與壓裂優化提供更多的支撐，提高復合地質導向的應用效果。