美国俄克拉荷马州伍德福德页岩甜点控制因素研究

高占京，郑和荣，黄　韬

(1.中国石化 国际勘探开发有限公司 美国公司，美国 俄克拉荷马城　73112；2.中国石化 休斯顿研发中心，美国 休斯顿　TX77056； 3.美国莱斯大学，美国 休斯顿　TX77005)



美国俄克拉荷马州伍德福德页岩甜点控制因素研究

高占京1，郑和荣2，黄韬3

(1.中国石化 国际勘探开发有限公司 美国公司，美国 俄克拉荷马城73112；2.中国石化 休斯顿研发中心，美国 休斯顿TX77056； 3.美国莱斯大学，美国 休斯顿TX77005)

摘要：美国俄克拉荷马州伍德福德(Woodford)页岩区带是美国近年来新兴起的重要的非常规页岩油气生产区之一，其覆盖区域包括阿纳达科(Anadarko)盆地、阿德莫(Ardmore)盆地、阿卡马(Arkoma)盆地和切罗基(Cherokee)台地。伍德福德页岩是北美重要的泥盆系富含有机质页岩，有机质含量最高可达14%。伍德福德页岩甜点区域位于凝析气或成熟油窗，页岩的镜质组反射率(Ro)为0.6%～1.4%，岩层厚度超过20 m；底部必须具有厚度至少15 m以上的隔层，以防止压裂串通上下含水层；具有有机质含量高达7%的岩层和燧石层等脆性夹层，裂缝发育程度高，钻井位置必须避开大型断裂。根据甜点控制因素，设计具有针对性的钻完井方案，降低钻探风险和成本，可以获取较高的开发效益。

关键词：甜点控制因素；钻完井优化；伍德福德页岩；俄克拉荷马州；美国

1区域概况

伍德福德(Woodford)页岩是美国俄克拉荷马州重要的油气源岩，自2008年以来，随着被成功商业开采，已成为重要的页岩油气产层[1-9]。伍德福德页岩是海相黑色—暗灰色的富含有机质和硅质的页岩，含有燧石以及少量灰绿色页岩、磷酸盐结核和黄铁矿[10]。伍德福德页岩成藏区带覆盖整个俄克拉荷马州东部，从阿纳达科(Anadarko)盆地、阿德莫(Ardmore)盆地、阿卡马(Arkoma)盆地延伸至切罗基(Cherokee)台地。研究不同区域伍德福德页岩甜点的控制因素，有助于准确预测油气产量，设计具有针对性的水平井钻完井方案，从而降低钻探风险和成本，提高经济效益。

伍德福德页岩在切罗基台地与上覆金德(Kinderhookian)灰岩呈平行不整合接触，下伏地层自上而下分别发育了亨顿(Hunton)灰岩、西尔万(Sylvan)页岩和维奥拉(Viola)灰岩。由于下伏地层向北东方向被剥蚀尖灭，因此伍德福德页岩在不同区域分别和这些地层呈不整合接触。

2油气产量控制因素

伍德福德页岩油气产量的控制因素主要集中在以下几个方面：页岩热成熟度、页岩沉积厚度、隔层厚度、矿物成分和成因类型、构造、古地理沉积环境和裂缝发育程度等。

2.1页岩热成熟度

伍德福德页岩主要有机质类型是Ⅱ型干酪根，其中黑色页岩的有机质含量达25%[11]。伍德福德页岩含有少量的结构藻类体(telalginite)、层状藻类体(lamalginite)、镜质组、惰性煤素质(inertinite)和固体沥青[10]。

近年来，Cardott等[12]测量了阿纳达科盆地、阿德莫盆地、阿卡马盆地、切罗基台地共233个伍德福德页岩样品的镜质组反射率。根据对德克萨斯州福特沃斯(Fort Worth)盆地富Ⅱ型干酪根Barnett页岩的研究[13]，伍德福德页岩热成熟度窗被分为油窗(Ro=0.55%～1.15%)、凝析/湿气窗(Ro=1.15%～1.40%)和干气窗(Ro>1.40%)。根据对富Ⅱ型干酪根在怀俄明州粉河(Powder River)盆地Mowry页岩的研究[14]，进一步将伍德福德页岩油窗划分为早油窗(Ro=0.55%～0.75%)、峰值油窗(Ro=0.75%～0.90%)和晚油窗(Ro=0.9%～1.15%)。据图1，伍德福德页岩镜质组反射率在阿纳达科、阿德莫、阿卡马盆地都超过1.40%，处于干气窗。在这3个盆地向切罗基台地过渡的陆架上，镜质组反射率从1.4%逐渐减小为0.70%，从凝析/湿气窗转移至成熟油窗。阿纳达科盆地对伍德福德页岩的开发都集中在凝析/湿气窗向峰值油窗的过渡带上。在靠近干气窗且伍德福德页岩埋深低于海平面以下3 000 m位置的生产井都为气井(气油比大于10 000 scf/stb)；而在晚油窗和峰值油窗，且伍德福德页岩埋深在海平面以下3 000～2 000 m位置的生产井为油井(气油比小于10 000 scf/stb)。阿德莫盆地对伍德福德页岩的开发也集中在凝析/湿气窗向峰值油窗的过渡带上，主要气井的井底位置位于海平面以下约3 000～1 500 m，而油井的井底位置位于海平面以下2 500～1 000 m。阿卡马盆地对伍德福德页岩的开发主要集中在干气窗，因此90%以上的井都以产气为主，但是此处伍德福德页岩埋深较小，处于海平面以下2 500～1 500 m，甚至更浅。切罗基台地开发的是处于早油窗的伍德福德页岩，钻井井底位置都在海平面以下1 500～500 m，且90%以上都以产油为主。

根据Cardott等[12]研究，阿纳达科盆地伍德福德页岩Ro=0.49%～4.89%，热成因甲烷可在Ro=1.1%～1.6%时生成，而凝析气主要在Ro=1.5%左右生成。在阿德莫盆地北部，伍德福德页岩Ro=0.49%～2.45%，当Ro<1.2%时，伍德福德页岩处于生油窗。阿卡马盆地伍德福德页岩Ro=0.49%～6.36%，热成因甲烷在Ro=1%～3%时生成，而凝析气主要在Ro=1.67%左右生成。切罗基台地伍德福德页岩埋深高于海平面以下600 m，热成因甲烷在Ro=0.9%～1.2%范围内生成，但同时也含有生物成因甲烷。

图1　美国俄克拉荷马东部伍德福德页岩镜质组反射率和沉积厚度分布

2.2页岩沉积厚度

伍德福德页岩在阿纳达科、阿德莫和阿卡马盆地核部沉积厚度较大，平均厚度超过60 m，向切罗基台地逐渐变薄，局部地区相对较厚。如图1所示，伍德福德页岩在俄克拉荷马州西南和东南部较厚，平均厚度超过60 m。在切罗基台地西南部，穿过尼马哈(Nemaha)隆起，延伸至阿纳达科陆架有一个伍德福德页岩厚度较大的东南—西北向条带，其上伍德福德页岩平均厚度超过30 m。图1中箭头指示了可能的古水流方向，主要是北西—南东方向，从古地理位置较高处的堪萨斯(Kansas)隆起，流向古地理位置较低处的阿纳达科陆架和切罗基台地，直至更深的古地理洋盆[15]。伍德福德页岩沉积厚度在亨顿灰岩顶部下切谷中较厚，这与一些研究者提出的地层层序模型一致[16]。

伍德福德页岩沉积厚度受古地理沉积环境影响，后期又受到构造运动的作用。在晚泥盆世(约360 Ma之前)，整个俄克拉荷马州处于开阔的海洋沉积环境，高有机质含量的页岩沉积在底部亨顿灰岩之上，低氧环境有利于沉积和保存生油的有机质。其中，在亨顿灰岩顶部的下切谷位置，即亨顿灰岩厚度较小处，伍德福德页岩沉积厚度较大。由于尼马哈断裂晚泥盆世的活动，伍德福德页岩在尼马哈隆起位置厚度较小。在早宾夕法尼亚纪(约315 Ma之前)，由于北美陆块和南美陆块的碰撞，发生强烈造山运动，形成阿纳达科、阿德莫和阿卡马前陆盆地，宾夕法尼亚系砂岩在这些盆地中受到挤压作用，位于盆地中的伍德福德页岩增厚。在晚宾夕法尼亚纪(约300 Ma之前)，造山运动剧烈，地层变形强烈，盆地快速沉降并接受沉积，主要的宾夕法尼亚系砂岩沉积于伍德福德页岩之上，在盆地内伍德福德页岩进一步增厚。

2.3页岩下伏地层及隔层组合

在切罗基台地，亨顿灰岩基本被剥蚀，平均厚度不到5 m，而下伏西尔万页岩为伍德福德页岩与下部主要含水层维奥拉灰岩、辛普森(Simpson)砂岩、阿巴克尔(Arbuckle)灰岩之间的隔层。图2表示309口伍德福德页岩水平井含水率和底部西尔万页岩厚度之间的关系。其中，水平井底部的西尔万页岩厚度是取其水平段50 m范围内的西尔万页岩厚度平均值，而西尔万页岩等厚图则是基于IHS和作者拾取的数据。可以看出，即使其底部西尔万页岩厚度较大，水平段接触断层井的含水率都在90%以上。远离断层的井，当西尔万页岩厚度小于10 m时，大部分井的含水率超过90%；而当西尔万页岩厚度大于15 m时，大部分井的含水率小于90%。图2中的蓝色实线为不接触断层的生产井含水率和西尔万页岩厚度的线性拟合曲线，随着西尔万页岩厚度增加，井的含水率减小。

从图3可以发现，切罗基台地含水率超过95%以上的井基本都分布在西尔万页岩厚度小于5 m的区域内；而含水率小于85%的井基本都分布在西尔万页岩厚度大于15 m的区域内。在西尔万页岩厚度大于15 m的区域内，有部分井的含水率大于90%，而这部分井的水平段基本都接触到了断层。

2.4页岩中燧石成因

伍德福德页岩主要为不含碳酸盐的高有机质含量的泥岩。燧石在俄克拉荷马州各个地区的伍德福德页岩中广泛分布[17-18]。燧石由硅质微体化石成岩交代作用形成，特别是放射虫化石对燧石的形成贡献很大。除了放射虫，燧石中的硅质也来源于塔斯马尼亚孢属(Tasmanites)和陆源碎屑。伍德福德页岩中的放射虫化石由俄克拉荷马州南部向切罗基台地减少，由尼马哈隆起东部向西部减少。在俄克拉荷马州南部，放射虫在硅质伍德福德页岩中大量存在，而在阿纳达科盆地北部，伍德福德页岩中的硅质主要是塔斯马尼亚孢属和碎屑石英[19-21]。运用深海上涌流模型来解释不同地区伍德福德页岩中放射虫含量的不同[18-19]。在晚泥盆世，深海上涌流由俄克拉荷马州东南部流向西北部，由于切罗基台地海水较浅，深海上涌流对其影响较小，而尼马哈隆起则阻止了深海上涌流侵入阿纳达科盆地中部和北部；由于尼马哈隆起没有延伸到俄克拉荷马州南部，阿纳达科盆地南部则受到较强的深海上涌流的影响。基于以上原因，深海上涌流带来的放射虫在尼马哈断裂东部的阿卡马盆地和阿纳达科盆地南部大量存在，而在切罗基台地和尼马哈隆起西部的阿纳达科盆地中部和北部较少，因此燧石层在尼马哈东部阿卡马盆地和阿纳达科盆地南部地区主要由放射虫化石组成，而在切罗基台地和阿纳达科盆地中部和北部则不然。

图2　美国切罗基台地伍德福德页岩水平井含水率和底部西尔万页岩厚度关系

图3　美国切罗基台地西尔万页岩厚度与含水井分布

由于阿纳达科盆地中部和北部受深海上涌流影响较小，生物扰动在伍德福德页岩底部广泛存在。生物扰动发育的岩层一般孔隙度和渗透率较低。有生物扰动的层位一般有机碳含量较低而泥质含量较高，属于韧性层；当无生物扰动层和生物扰动层互层时，总体上这一层位呈韧性，不利于压裂提高产能。因此，水平井地质导向应避免位于伍德福德页岩下段。

高燧石含量的伍德福德页岩层呈脆性，有利于生成天然裂缝，因此裂缝孔隙度较大、渗透率较高，且燧石层易于压裂，裂缝不易闭合，因而具有较高的采收率。燧石含量的高低对水平井的地质导向和经济效益影响很大，Slatt[22]提出，伍德福德页岩的优质层位是有机质含量高且又具有燧石夹层的层位，称为脆韧性耦合层(brittle-ductile couplet)。高的有机质含量保证了资源量，但是高有机质含量的页岩一般是韧性的，大量燧石夹层的存在使得整个层位趋于脆性，具有高孔隙度和高渗透率，且易于地质导向和压裂，因此产量较高。

图4是位于切罗基台地佩恩(Payne)郡的一口伍德福德页岩水平井的地质导向图和附近一口直井的裸眼测井图。这一伍德福德水平井的30天初始产量约为500 bbl/d，且含水较低，是经济效益较高的伍德福德页岩生产井。从油层产出水裸眼测井图(图4b)可以发现，伍德福德页岩的上段总有机碳含量高，平均为5%，泥质含量高，石英含量低，为韧性层；中段(图中红线所夹层)总有机碳含量很低，平均为2%，泥质含量低，石英含量高，是脆性层，而且这层干酪根含量高，说明有较多的油气富集；下段总有机碳含量高，平均为4%，泥质含量较中段高，石英含量较中段低，相对中段而言也是韧性层。这里的伍德福德页岩上段和中段、中段和下段分别组成2层脆韧性耦合层。从伍德福德页岩水平井的地质导向图(图4a)可以发现，主要目标层位是伍德福德页岩的中段脆性层，且此水平井水平轨迹保持在了目标层内，因此产量较高.含水率低的原因是这里的西尔万页岩层厚度大，阻挡了人工压裂产生的裂缝延伸至其下部维奥拉灰岩含水层。

图4　美国切罗基台地一伍德福德页岩井地质导向轨迹图及岩石物理性质

2.5页岩裂缝发育

裂缝的发育程度对伍德福德页岩开发极其重要。图5指示的是切罗基台地研究区内裂缝发育程度与产能的关系。图5a是通过地震振幅随方位角变化(amplitude variation via azimuth，即AVAZ)反演得到的伍德福德页岩层各向异性强度分布图，图中各向异性强度大的地方，裂缝比较发育。可以发现，图5a右下角裂缝发育处3口水平井的平均产能约是左上角裂缝不发育处5口水平井平均产能的2倍。但是另外2口处于裂缝发育区域的井的产量较低，原因是这2口井的水平段轨迹穿过了断层，导致含水率较高，产量减小；最左边的井产量低,也是由于穿过了断层。图5a中还有一个长水平段的井，即使水平段位于裂缝不发育的区域，产量也较常规水平段的井要高。图5b是伍德福德页岩层曲率图，曲率一般代表了岩层的构造变形，曲率图上的正曲率的线性条带一般代表正向构造，负曲率的线性条带代表负向构造。可以从图5b中看出，这一区域地质构造走向近似南北方向，因此，水平井的走向也基本是南北方向，因为沿着岩层走向的岩层起伏较小，容易使水平井保持在目标岩层内。由于正向构造上一般裂缝较为发育[23]，井位布置位于正向构造上。曲率变化较大的线性条带是断层，布井过程中应考虑和断层避开一定的距离。

图5　美国切罗基台地伍德福德页岩层各向异性强度和曲率

图中气泡表示试油30 d产量，气泡越大，产量越高，最大气泡表示超过500 bbl/d。图5a中，红色代表各向异性强，裂缝较为发育；蓝色表示各向异性弱，裂缝不发育。叠加在各向异性图上的小黑棒指示各向异性的一些特征，黑棒长短指示各向异性强度大小，黑棒越长，各向异性强度越大；其走向平行于各向同性平面，代表裂缝走向。在各向异性较大处，即黑棒较长处，裂缝走向主要是北西—南东方向。在图5a上还叠加了伍德福德页岩地震相干属性，地震相干属性值较大则透明，反之则呈黑色，地震相干值较小的区域，即黑色区域，指示了断层。在图5a下方有一东西向黑色条带，是不同的地

震勘探的界线，由拼合不同地震资料所产生，不是由断层的存在引起。

Fig.5Anisotropy intensity and curvature of the Woodford shales in the Cherokee Platform, eastern Oklahoma, USA

3结论

伍德福德页岩甜点区域位于凝析气或者成熟油窗，页岩的镜质组反射率(Ro)为0.6%～1.4%，厚度超过20 m，底部必须具有厚度至少15 m以上的隔层，以防止压裂串通上下含水层，具有机质含量高达7%的岩层和含有燧石层等脆性夹层，裂缝相对发育，钻井位置必须远离大型断裂。根据甜点控制因素，设计具有针对性的钻完井方案，降低钻探风险和成本，可以获取较高的经济效益。

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(编辑韩彧)

Attributes of sweet spots in the Devonian Woodford shales in Oklahoma, USA

Gao Zhanjing1, Zheng Herong2, Huang tao3

(1.USABranchCompany,SINOPECInternationalPetroleumExplorationandProductionCorporation,OklahomaCity,Oklahoma73112,USA; 2.HoustonR&DCenterofSINOPEC,Houston,TexasTX77056,USA; 3.RiceUniversity,Houston,TexasTX77005,USA)

Abstract:The Devonian Woodford shale play in Oklahoma is one of the big unconventional shale oil and gas production fields in USA, which covers the Anadarko, Ardmore and Arkoma basins and Cherokee Platform. The shales are rich in organic matter, with the maximum content of 14%. They have entered condensate gas or mature oil windows. The vitrinite reflectance (Ro) values range from 0.6% to 1.4%. Shale thickness exceeds 20 m. The water isolating layer beneath the shale formation should be at least 15 meters thick to avoid fractures made by hydraulic fracturing reaching the water bearing layer. Shale formations with a TOC content of 7% with chert layers with well developed fractures are the most promising. Well locations should be far away from major faults. Based on the attributes of sweet spots, we should design a specific drilling program to reduce drilling risk and cost and achieve high profit.

Keywords:attributes to sweet spots; optimization of drilling and completion; Woodford shale; Oklahoma; USA

文章编号：1001-6112(2016)03-0340-06

doi：10.11781/sysydz201603340

收稿日期：2015-12-07；

修订日期：2016-03-24。

作者简介：高占京(1969—)，男，高级工程师，从事石油地质研究。E-mail：zjgao.sipc@sinopec.com。

中图分类号：TE122.1

文献标识码：A