四川盆地ZT地區頁巖氣井鉆時分析及靶體優選

張涵冰 姚亞彬 牛 偉 廖茂杰 郭 寧 鄭 儒 何 葉 張連梁

(①中國石油浙江油田公司勘探開發一體化中心；②中國石油集團測井有限公司測井應用研究院；③中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院； ④中國石油集團測井有限公司吐哈分公司；⑤中國石油集團測井有限公司青海分公司)

0 引 言

在頁巖氣儲集層勘探開發過程中，選取儲集層品質最優層段作為水平井靶體，利于最大限度動用最優質頁巖儲量，提高單井產量，同時兼顧頁巖可鉆性，優選可鉆性好的層段還可縮短鉆井周期，達到快速建產的目的。楊洪志等[1]針對長寧區塊五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲集層量化頁巖氣井產能地質主控因素，優化水平井靶體；劉乃震等[2]對威遠區塊頁巖氣甜點進行厘定；陳海力等[3]從鉆井工程角度思考威遠地區頁巖氣水平井優快鉆井方案。盡管很少涉及從現場可鉆性角度考慮頁巖氣水平井優質靶體段，但多人對頁巖或泥頁巖儲集層的可鉆性進行了深入研究。李士斌等[4]、周啟成等[5]對大慶油田砂泥巖儲集層、焦石工區龍馬溪組泥頁巖儲集層采用分形理論對巖石可鉆性進行研究；謝玄峰等[6]針對宜昌地區一口頁巖氣井地層可鉆性差的問題進行研究并提出技術對策。地層中大量燧石團塊、純石英砂巖都會造成鉆進困難，所以通過頁巖氣層段可鉆性分析，選取鉆時小的層段優先開發具有重要的現實意義[7-10]。筆者在四川盆地ZT地區現場隨鉆跟蹤過程中，基于18口頁巖氣評價井鉆時特征、影響因素，對靶體優選的意義開展研究，通過鉆時主控因素分析、鉆時歸一化、鉆時與地質品質結合等技術手段，優化選取ZT地區頁巖氣水平井靶體。

ZT地區目的層為志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組，龍馬溪組可細分為龍馬溪組一段、龍馬溪組二段。其中龍馬溪組一段分為龍一1亞段、龍一2亞段，龍一1亞段再細分為龍一14、龍一13、龍一12、龍一11四個小層[11]。目前ZT地區主要在龍一1亞段開展高效開發工作，針對龍一1亞段內部優質靶體段優選從儲集層品質方面做過深入的研究，但很少涉及從現場可鉆性角度考慮優質靶體段，本文彌補了該不足。

1 鉆時特征分析

1.1 消除工程誤差

鉆時受到鉆進施工作業影響較大。在取心作業時，由于控制鉆速的目的，取心段鉆時較未取心段大。同時，每趟取心作業時，磨心作業時鉆壓小、鉆時大。這些鉆時曲線均受到施工作業的影響，不能反映地層巖石真實的可鉆性，需要消除這些施工作業的影響才能得到真正反映地層巖性變化的鉆時資料(圖1)。消除誤差的方法是將磨心段的“假鉆時”通過均值濾波法濾掉，將取心層段的鉆時曲線進行縱向和橫向對比(非取心層段和取心層段鉆時沒有可比性)。

1.2 鉆時形態特征

由于受到取心作業影響，龍馬溪組至五峰組鉆時形態表現為三種類型：Ⅰ型鉆時曲線上小下大，龍馬溪組、五峰組鉆時小，寶塔組鉆時大；Ⅱ型鉆時曲線中上大下小，龍一2亞段、寶塔組鉆時小，龍一1亞段、五峰組鉆時大；Ⅲ型鉆時曲線上大下小，龍一2亞段鉆時大，龍一1亞段、五峰組鉆時次之，寶塔組鉆時小(圖2)。具有Ⅱ型和Ⅲ型鉆時形態的井較少，主要是受到取心影響導致龍馬溪組至五峰組鉆時曲線失真，區域上龍馬溪組至五峰組鉆時形態以Ⅰ型為主。

圖1 取心作業影響鉆時曲線

圖2 ZT地區頁巖氣井龍馬溪組至五峰組鉆時形態

2 影響鉆時的主要因素

鉆時的影響因素主要有地層巖性、鉆壓、鉆井液性能、鉆頭類型等[12-13]。目前廣泛使用的鉆頭有三牙輪和PDC 兩種類型，一般來說，使用PDC 鉆頭比使用三牙輪鉆頭鉆進速度快。通常情況下，鉆井液密度大，則鉆時增加，反之，則鉆時減小。本文結合ZT地區地質特征和實鉆錄井情況，總結出ZT地區鉆時主要影響因素為脆性礦物含量、鉆壓、地層埋深。

2.1 脆性礦物含量

一般情況下，巖性致密、硬度大，鉆時高；巖性疏松、硬度小，則鉆時低。但在頁巖鉆壓平穩段，鉆時與脆性礦物含量呈負相關，脆性礦物含量越大，鉆時越小。石英、長石等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫，碳酸鹽礦物中白云石含量高的層段，易于溶蝕產生溶孔。根據頁巖巖石礦物組分與巖心脆性實驗結果分析，脆性礦物主要包括石英、長石、白云石和石灰石。石英和長石含量的和為硅質含量，白云石和石灰石含量的和為碳酸鹽巖含量，脆性礦物含量為硅質含量和碳酸鹽巖含量之和。

ZT 2井1 796～1 803 m井段鉆壓、轉速、立管壓力變化不大。鉆壓在24.1～37.7 kN之間,轉速在57.1～60.3 r/min之間,立管壓力在3.5～4.1 MPa之間，脆性礦物含量在49%～79%之間，鉆時在73～113 min/m之間,且隨著脆性礦物含量增加(由55%升至73%)，鉆時減小(由82 min/m降至75 min/m)(圖3)。ZT 4井2 392～2 405 m井段鉆壓、轉速、立管壓力變化不大。鉆壓在36.5～42.8 kN之間,轉速在61.4～65.7 r/min之間,立管壓力在12.1～12.8 MPa之間，脆性礦物含量在42%～83%之間，鉆時在47～90 min/m之間,且隨著脆性礦物含量增加(由72%升至83%)，鉆時減小(由69 min/m降至53 min/m)(圖4)。

從ZT地區其他頁巖氣井鉆探過程中均發現這一規律，可能的原因是脆性礦物含量發育造成微裂縫發育，從而導致巖石可鉆性變好。

2.2 鉆壓

鉆進過程中，一般情況下，鉆壓越大，鉆時越??；鉆壓越小，則鉆時越大。ZT 2井1 793～1 795 m井段鉆壓平均為13 kN，鉆時平均為135 min/m；1 796～1 803 m井段鉆壓平均為33 kN，鉆時平均為88 min/m，隨著鉆壓增加，鉆時不斷減小(圖3)。ZT 4井2 379～2 384 m井段鉆壓平均為69 kN，鉆時平均為111 min/m；2 385～2 387 m井段鉆壓平均為54 kN，鉆時平均為176 min/m(圖4)，隨著鉆壓減小，鉆時不斷增加。

2.3 地層埋深

一般情況下埋深小于2 000 m的地層，鉆時??；埋深大于2 000 m的地層，鉆時隨著埋深的增大有不斷增加的趨勢，這和隨著地層加深，巖石固結致密，可鉆性差的基本趨勢是一致的。在埋深和鉆時的交會圖上，埋深和鉆時呈一定的正相關，但相關性不高(r2=0.367 4)，由于ZT地區頁巖礦物含量復雜，石英、碳酸鹽巖礦物、黏土礦物均較發育，且單井與單井之間礦物含量變化大，導致ZT地區在相同埋深段鉆壓不同。

圖3 ZT 2井綜合錄井圖

圖4 ZT 4井綜合錄井圖

3 可鉆性層段優選

通過以上鉆時主控因素分析可知，地層脆性礦物含量、鉆進過程中的鉆壓、地層埋深主要決定了鉆時的大小。如何優快鉆井，有效縮短鉆井周期，高質高效完成鉆探任務是頁巖氣勘探開發中存在的現實問題。在選取水平井靶體時，不僅要選取儲集層品質優的層段，而且要兼顧頁巖可鉆性，優選可鉆性好的層段[14]。

3.1 歸一化鉆時

由于鉆進時鉆壓、鉆井液密度、鉆井液材料等條件不同，造成不同井的鉆時曲線存在整體偏大或偏小的現象，不利于橫向多井對比。同時不同井的地層埋深、脆性礦物含量的變化也造成鉆時整體變化。故建立歸一化鉆時概念，消除不同井鉆時曲線的偏差。

式中：tnorm為歸一化鉆時，無量綱；tdepth為某深度鉆時，min/m；tmin為該井鉆時最小值，min/m；tmax為該井鉆時最大值，min/m。

通過歸一化校正，ZT地區A區域鉆時最小主要集中在龍一13層、龍一11層(圖5)；B區域鉆時最小主要集中在龍一11層、龍一12層(圖6)。

3.2 結合儲集層品質優選水平井靶體

ZT地區儲集層品質評價主要依據儲集層的有機碳含量、有效孔隙度、總含氣量、脆性四項指標進行綜合判斷，最終將儲集層分為一類儲集層、二類儲集層、三類儲集層，其中一類儲集層是最優質的儲集層。ZT地區A區域和B區域一類儲集層主要集中在龍一11層、龍一12層(圖7)。

綜合儲集層品質和鉆時特征，優選儲集層品質優、可鉆性強的小層作為最優水平井靶體，最終確定ZT地區A區域最優水平井靶體為龍一11層；B區域最優水平井靶體為龍一11層、龍一12層。采用以上優選的靶體開展水平井鉆進，縮短水平井鉆進周期至49 d。

圖5 ZT地區A區域鉆時統計直方圖

圖6 ZT地區B區域鉆時統計直方圖

圖7 ZT地區儲集層分類評價成果

4 結 論

(1)鉆時受取心、磨心作業影響較大，針對“假鉆時”采取均值濾波法校正。

(2)ZT地區鉆時主要影響因素為脆性礦物含量、鉆壓、地層埋深。在頁巖鉆壓平穩段，鉆時與脆性礦物呈負相關，脆性礦物含量越大，鉆時越小，可能是因脆性礦物含量發育造成微裂縫發育而導致巖石可鉆性變好。鉆壓越大鉆時越小，鉆壓越小則鉆時越大；埋深小于2 000 m的地層鉆時小，埋深大于2 000 m后鉆時隨著地層埋深的增大有不斷增大的趨勢。

(3)建立歸一化鉆時概念，消除不同井鉆時曲線的偏差。通過歸一化校正，ZT地區A區域鉆時最小層位主要集中在龍一13層、龍一11層；B區域鉆時最小層位主要集中在龍一11層、龍一12層。

(4)綜合儲集層品質和鉆時特征，優選品質優、可鉆性強的小層作為最優水平井靶體，最終確定ZT地區A區域最優水平井靶體為龍一11層，ZT地區B區域最優水平井靶體為龍一11層、龍一12層，為四川盆地ZT地區的頁巖水平井高效開發提供了可靠依據。