深層海相頁巖儲層精準評價與開發選層的評價體系問題評述

趙迪斐，郭英海，朱炎銘，趙圣賢，陳振宏，焦偉偉，張志平，華柑霖，曾秋楠，張海杰

(1. 中國礦業大學 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116；2. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008； 3. 中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；4. 中國石油西南油氣田分公司 頁巖氣研究院，成都 610051；5. 中國石油勘探開發研究院，北京 100083； 6. 重慶工業職業技術學院 建筑工程學院，重慶 401120；7. 重慶地質礦產研究院，重慶 401120；8. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083；9. 中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100083； 10. 重慶頁巖氣勘探開發有限責任公司，重慶 401121)

0 引言

隨著我國中淺層頁巖氣資源的深度開發，非常規能源領域迅速向深層頁巖發展，深層頁巖已經成為我國頁巖氣資源利用領域能否順利實現有序接替的關鍵[1-5]。深層頁巖主要指3 500 m以深的頁巖地層。我國深層含氣頁巖地層，僅在四川盆地就發育有陡山沱組、筇竹寺組、五峰組和龍馬溪組等多套地層，目前主要針對四川盆地的五峰組—龍馬溪組深層海相頁巖地層進行深層頁巖氣資源的勘探開發，并已在川南、渝西大足區塊、綦江區塊等取得了階段成效，顯示了良好的開發前景[5-7]。但目前的勘探開發成效顯示，深層頁巖儲層閉合應力高，流體流動性相對較差，兩向應力差異更為顯著，巖石塑性增強，在限制工程開發效果的同時，對具有適應深層頁巖開發優質層段精準預測選層帶來了新需求[8-9]。深層頁巖勘探開發成本高，容錯率低，要實現深層優質層段的精準預測與選層，需要深入了解深層頁巖優質儲層的地質特征以及控制影響因素，將其納入與中淺層頁巖儲層評價指標體系之外的重要影響因素，有針對性的形成評價參數新體系，適應可能的深層頁巖新工程開發技術。

1 深層頁巖儲層精準評價與選層新問題

我國深層頁巖氣資源豐富, 四川盆地內大部分該層系頁巖均屬于深層頁巖, 勘探開發潛力巨大, 其中五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣資源及分布如圖1所示[4]。我國深層頁巖的規模研究起步于2015—2016年，主要研究內容包括儲層特征和力學特征等，主要研究對象為四川盆地內的深層頁巖，研究進展時間切片圖如圖2所示。我國深層頁巖(氣)研究圍繞工程痛點(如壓裂，包含水力壓裂、分段壓裂、體積壓裂等技術工藝關鍵詞以及水平井井壁穩定、交替注液、改造體積等相關關鍵詞)、地質痛點(如勘探前景、各向異性、主控因素、成藏機理、富集條件、儲層發育機理、地質工程一體化等)、研究對象(如四川盆地、龍馬溪組、五峰組—龍馬溪組、深層-超深層、榮威頁巖氣田等)及特點等展開，深層頁巖研究的知識網絡如圖3所示。從前人研究成果來看，得益于良好的保存條件，川南研究區深層頁巖孔隙性較好，川南深層區頁巖孔隙發育程度與焦石壩區塊相似乃至更好，孔隙類型與結構存在一定差異，含氣性參數的分布與有機質分布特征相似，但試采壓降快，產量下降速度快，壓裂造縫擴展延伸相對較差，區塊內水平井最佳靶窗不盡相同，需要精細儲層解釋和預測[6]。

圖1 四川盆地五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣資源及分布(據文獻[4])Fig.1 Deep shale gas resources and distribution of Wufeng-Longmaxi Formation in Sichuan Basin(According to literature[4])

圖2 我國深層頁巖研究進展時間切片Fig.2 Time slice of research progress of deep shale in China

圖3 我國深層頁巖研究的關鍵詞知識網絡Fig.3 Knowledge network of deep shale research in China

深層頁巖地質評價的信息來源與中淺層相似，主要來源于巖心及對應測試、測井數據以及其他勘探方法，因此，中淺層頁巖的評價指標體系易于在深層頁巖勘探中建立。但深層頁巖地層條件相對極端，對于精準評價的需求與中淺層存在差異，因此中淺層頁巖評價指標顯然不適用于深層頁巖[10]。深層條件下，頁巖巖石物理性質塑性更強，地層演化過程對孔隙系統及其連通性的影響更為顯著。研究表明，深層頁巖勘探預測不僅需要考慮基礎的有機質含量、孔隙發育程度等常規指標，還需要考慮孔隙保護機制[11]以及影響孔隙系統連通性和有效性的因素[12]。此外，由于工程開發條件的極端性，深層頁巖勘探還必須考慮與工程開發方式的配合，針對優化開發方式選取有利于工程因素的地質特征納入評價體系，增強地質評價與工程開發的關聯。

2 更新深層頁巖儲層特征與控制因素認知

基于對中淺層頁巖儲層的認知，學界及工業界總結了多套評價方案，或基于數據關聯、或基于理論分析，形成了對復雜控制因素的階段認識。一般認為頁巖儲層的重要特征包括有機質特征(含量、類型、熱成熟度及分布規律)、礦物組分特征、物性參數(孔隙性、巖石脆性和滲透性)等。深層頁巖地質環境更為特殊，儲層特征中影響勘探預測以及開發的控制因素可能發生變化，需要更新相關認知。對渝西大足地區深層頁巖的宏觀觀測表明，深層頁巖樣品的宏觀非均質性相對較弱，巖心致密，比重大，黃鐵礦晶體較為發育，在宏觀尺度上觀測巖石結構存在困難，如圖4a和圖4b所示。微觀下，深層頁巖仍然顯示了極強的微觀非均質性，儲層力學特征具有特殊性[9]，如圖4c和圖4d所示。極高的垂向壓力也導致兩向應力差異更顯著，巖石結構造成的“層控”特征(如富筆石水平層理、粉砂質-泥質紋層等對物性、含氣性的兩向差異特性)更為顯著，如何在評價體系中反映不同巖石結構的“層控”特性仍有待進一步研究。加強對深層頁巖小尺度沉積構造及其對儲層物性的影響研究，對認知儲層非均質性及其影響具有特殊意義，是完善預測深層儲層“可壓性”的一項補充指標[13]。開展深層頁巖力學薄弱面體系的表征，有助于體積壓裂等技術的高效應用。

圖4 深層頁巖儲層樣品外觀形貌及微觀特征Fig.4 Morphology and microscopic characteristics of deep shale reservoir samples

深層頁巖儲層在物質組分、孔隙特征、巖石結構上與中淺層頁巖存在差異，這些特征在地質過程中的演化，進一步控制了儲層物性與含氣特征的特殊性。對渝西地區深層頁巖儲層的初步研究表明，深層頁巖經歷的儲層成巖改造對孔隙系統和物性的塑造更強，在富生物源硅質來源層段，經由過量硅、有機質和黏土礦物的協同演化，可以形成由超高含量石英+固體瀝青為主的有機質顯微物相組合，形成脆性骨架組合高有機質含量的優質儲層，在有機質生烴熱演化、力學薄弱面脫接觸、溶蝕作用等孔隙建設作用儲層成巖作用之外，這樣的優質儲層層段還具有孔隙網絡發育的力學保護機制[10-11]，構成深層頁巖勘探精準評價的另外一項補充依據。對儲層有機質特征及其演化機理也應進一步強化，尤其是與儲層其他物質組分、孔隙系統的保存與演化相結合，對于富有機質頁巖的評價歸根結底還是對細粒沉積物中“有機特性”(有機質及其演化產物)的評價。沉積環境與沉積條件對有機質等原始物質組分的控制，有機質的聚集與保存機制，生物硅的形成及其在儲層演化中的作用，有機質與礦物組分的耦合演化及其對儲層孔隙系統的影響等，都需要從細粒沉積物的角度進一步研究認識[14]。隨著對深層頁巖地質特征特殊性的認識不斷深入，深層頁巖儲層評價體系內的關鍵參數及其權重還將進一步變化、完善。

3 深層頁巖儲層評價參數指標建設

在中淺層頁巖儲層評價中，核心評價指標除構造條件、巖層厚度、展布、埋深等宏觀參數外，主要是反映儲層物質組分及孔隙性、物性的相關指標，如有機質類型、含量及熱演化程度、脆性礦物含量、力學指標、儲層物性參數等[15]，這些參數的遴選主要是基于可采集數據及其相關性，選取的核心要素更傾向于數據的可獲得性而非邏輯關聯。深層頁巖勘探風險上升，對于儲層評價參數的選取與指標體系的建立，僅僅依靠可獲得參數的相關性風險較高，需要在地質過程研究的基礎上，建立對深層頁巖優質物性層段及其特殊性成因的深入認識，充分認識到特殊性、差異性、非均質性對于深層頁巖選層的重要性[16]，配合深層工程獲取的實踐參數，才能科學地建立針對深層頁巖儲層的評價參數指標體系。中淺層頁巖儲層評價體系擴展性與可應用性的受限，也反映了經驗評價方法的局限性，通過目前的地質積累，建立多元地質因素數據集，基于智能化數據處理方法(如深度學習和機器學習等)，已經可以實現各因素間的層級歸類以及權重判斷。隨著數據與樣本的積累，逐漸形成對儲層重要性質影響因素的全面認識，在此基礎上建立的評價體系具有因素間的邏輯關聯，因而具有更好的適用性。頁巖儲層評價參數指標的邏輯性、體系性和動態性，將是進一步開展儲層精細、精準評價預測的基礎，將沉積構造、孔隙保護機制、多因素耦合及非均質性等指標納入評價參數體系，有助于深層頁巖儲層評價的可應用性與適應性，科學地指導儲層核心優質靶體段層的遴選。對于這些因素的參數量化方式、權重與體系化，以及參數納入評價指標體系的合理性，還有待開展進一步研究。

4 適應潛在新開發方式的深層頁巖儲層評價

深層頁巖氣勘探的另一個重要問題是工程開發效果有限。由于深層受高溫高壓、高摩阻、三向應力變化劇烈、地層閉合應力大及塑性增強等因素影響，工程開發成本顯著增高，風險增大，亟待研究適應深層地質條件的新工程措施或開發技術[17]。針對深層頁巖儲層勘探開發的痛點和難題，一系列新技術、新工藝得到了初步應用，如體積壓裂結合分段壓裂、重復壓裂、同步壓裂、交叉壓裂和改進拉鏈式壓裂等工藝；同時，一系列完全不同于中淺層頁巖壓裂技術的工程工藝方法正在進行針對性攻關，如大排量壓裂、分段燃爆壓裂等。針對深層頁巖儲層精細表征、評價、預測、選層的技術工藝也應充分考慮如何適應潛在的新開發方式。

5 結語

深層頁巖的精準預測評價需要基于對深層頁巖地質演化的過程認知，需要建立針對性的指標參數體系，有針對性地將深層可壓性指標、優質儲層發育機理、深層條件孔隙保存機制納入指標，充分考慮地質特征的特殊性及其成因，完善指標體系建設，增強儲層評價指標、評價參數及評價方法的適用性。隨著深層頁巖勘探開發技術工藝的發展，適應潛在新開發方式的深層頁巖儲層評價也必將成為新的研究熱點。深層頁巖氣資源勘探開發成效是我國頁巖氣資源持續發展的關鍵，但也面臨更為復雜的地質和工程開發條件，需要針對性地開展對深層頁巖的精細認知，以更好地指導深層頁巖的精細評價與精準選層，服務開發生產。