湘西北页岩气勘探慈页1井地质背景及钻探效果

2016-09-22肖拥军雷隆贤

西部探矿工程 2016年3期

关键词：牛蹄寒武水平井

肖拥军，雷隆贤，杨　仙，2，邓　敏

（1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南湘潭411201）

湘西北页岩气勘探慈页1井地质背景及钻探效果

肖拥军*1，2，雷隆贤1，杨仙1，2，邓敏1

（1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南湘潭411201）

页岩气是一种非常规气藏，湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色页岩有机碳含量和热演化程度高，具有良好的页岩气形成条件。牛蹄塘组泥页岩的孔隙度相对较低，渗透率度相对较低，具有较强的气体吸附能力。慈页1井是一口页岩气预探井，设计井深2 810 m，目的层位为下寒武统牛蹄塘组，完钻井深达3008米，根据慈页1井钻探工程地质日报分析了实际钻进地层及井身结构，共划分了15个储层，发现52米的富有机质页岩。论文对后期页岩气勘探水平井及压裂技术进行了总结分析，还指出国际油价的走低对页岩气开采带了较大的压力。

湘西北；慈页1井；页岩气；地质背景；钻探效果

页岩气是从页岩层或泥岩层中开采出来的天然气，是一种非常规气藏，全世界范围内泥、页岩约占全部沉积岩的60%，页岩气资源前景巨大。近十几年来，美国、加拿大等国家在水平井与水力压裂等技术进步的推动下，页岩气藏的勘探开发获得了巨大的成功，2013年，美国页岩气产量接近3000×108m3。2011年12月，国土资源部发布新发现矿种公告，将页岩气作为独立矿种加强管理。据2011年全国页岩气资源潜力评价初步预算，湖南页岩气资源量达9.2×1012m3左右，可开采量在1.5～2×1012m3左右，主要分布在湘西北、湘中和湘东南，其中湘西北地区为优先开发区块，近期已在湘西北、湘中、湘东南等地开展了勘探钻井工作并成功探获页岩气。

1　湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏地质条件

页岩气藏是典型的自生自储型气藏，因此评价页岩气储层除与常规储层有相同的岩石学、物性等储层基本特征外，还应考虑页岩气藏形成的含气性及能否被开采条件，其中影响页岩气的地质因素包括有机质丰度、热成熟度、页岩厚度、埋深、孔隙度和裂隙率、脆性等［1］。湘西北地区寒武系下统牛蹄塘组以黑色炭质页岩为主夹细砂岩及粉砂质页岩，底部为黑色薄层硅质岩、“石煤”层及磷矿层，区内各地岩性变异不大，仅古生物有所不同，厚度257～1119m。湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色页岩分布面积广、厚度大且厚度分布受沉积相带控制、有机碳含量和热演化程度高，已达高－过成熟阶段，黑色页岩属Ⅰ型干酪根，具有良好的页岩气形成条件［2-4］。

湘西北地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩中矿物以石英和粘土矿物为主，硅质含量较高、脆性矿物含量丰富，粘土矿物中主要以伊利石和伊/蒙混层为主，利于后期压裂改造和吸附气的大量富集。发育的构造裂缝、有机质微孔隙和不稳定矿物溶蚀孔是页岩基质孔裂隙的主要组成部分。牛蹄塘组泥页岩中蜂窝状的有机质丰富，其内部纳米级孔隙发育。测试分析表明湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩的孔隙度相对较低，为0.6%～11.7%，平均4.6%，渗透率度相对较低，为0.002～0.06mD，平均0.014mD。页岩的吸附气含量达0.45～1.30cm3/g，具有较强的气体吸附能力［5-7］。

2　慈页1井钻探效果

“慈页1井”是中国地质调查局油气资源调查中心在湖南地区部署的第一口页岩气预探井，设计井深2810m，目的层位为下寒武统牛蹄塘组，设计完钻层位为上震旦统灯影组。奥陶系及寒武系上部为近2000m灰岩段，地层古老，岩石致密坚硬，采用牙轮钻头钻进，页岩层井段采用PDC钻头，以达到提高钻进效率的目的。在牛蹄塘组中设计取芯进尺100m，取芯段采用低钻压、低转速、低排量的钻进规程保证岩芯采取率。

慈页1井于2013年12月26日开钻，至2014年6月3日完钻井深3008m，钻时136d。根据慈页1井钻探工程地质日报分析该井自上而下依次钻遇下志留统龙马溪组页岩，上奥陶统五峰组页岩和临湘组瘤状泥质灰岩，中奥陶统灰岩，下奥陶统大湾组灰岩、红花园组生物灰岩、桐梓组云质灰岩，上寒武统娄山关群灰质白云岩，中寒武统探溪组泥质灰岩、下寒武统清虚洞组云灰岩和牛蹄塘组页岩夹泥质灰岩（745m）、震旦系灯影组含灰硅质白云岩等地层。一开采用Ø444.5mm钻头钻进了158.2m，下入Ø339.7mm套管，二开采用Ø311.1mm钻头钻进到2926m，下入Ø244.5mm套管，三开采用Ø215.9mm钻头钻进到3008m，下入Ø139.7mm套管。通过测井资料解释，在2260～2760m井段内，共划分了15个储层（总厚度248.7m）。其中在2697～2749m牛蹄塘组井段（图1），发现52m的富有机质页岩，本段气测全烃值最高可达3.6%，且甲烷含量占98%；该段储层孔隙度大于2%，TOC达到6%以上，为物性较好且有机质丰度高的储层，预测该层段页岩气可达2.6m3/t［8］。

图1　慈页1井2706.02～2715.26m牛蹄塘组页岩岩芯（据慈页1井钻探工程地质日报）

3　页岩气勘探水平井及压裂技术

近十几年来，美国、加拿大等国家在水平井与水力压裂等技术进步的推动下（图2），把页岩气藏作为勘探开发的重要目标，并获得了巨大的成功。国内彭页HF-1页岩气水平井钻井应用旋转导向钻井技术和油基钻井液是页岩气水平井施工成功的关键［9］。湘页1井采用清水代替滑溜水进行压裂，施工用液1520m3，累计加82m3，压后最高产气量2700m3/d［10］。也有研究认为埋深1500m以浅的有利储层或勘探浅井可采用氮气泡沫压裂，埋深在1500～3000m的井可采用清水压裂，埋深超过3000m的储层暂不考虑开发［11-12］。

图2　页岩气勘探水平井及水力压裂示意图

页岩储集层薄直井单井产量低，与直井相比水平井在页岩气开发中具有无可比拟的优势。水平井成本为直井的1.5～2.5倍，但初始开采速度、控制储量和最终评价可采储量却是直井的3～4倍；水平井与页岩层中裂缝（主要为垂直裂缝）相交机会大，可明显改善储层流体的流动状况，另外水平井减少了地面设施，开采延伸范围大，能够避免地面不利条件的干扰。水平井钻井所涉及的技术包括井位与井眼的方位选择、井身设计等。水平井井位与井眼方位一般应选在有机质与硅质富集、裂缝发育程度高的页岩区及层位，水平井的方位角及进尺对页岩气产量产生重要的影响。理论上，钻井的方向应与最大水平应力方向垂直，使井筒穿过尽可能多的地层，与更多的裂缝接触，使气体更容易流入井筒，提高采收率。

页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，但页岩气储集层渗透率低，开采难度较大，所有的井都需要实施储层压裂改造才能开采出来。水力压裂是改善储层裂缝系统，增加渗流通道的最有效方法，页岩气开发水力压裂技术根据工艺差别分为多级压裂、清水压裂、水力喷射压裂、重复压裂、同步压裂。

4　讨论

页岩气的成功来自于地质理论认识的创新和先进的钻完井技术的完美结合。湘西北地区寒武系下统牛蹄塘组具有良好的页岩气形成条件。近期已在湘西北等地开展了勘探钻井工作并成功探获页岩气。后期商业开采过程需要采用水平井及压裂技术，需要根据实际地质情况建立适用我国页岩地层情况的钻井压裂技术。另一方面美国页岩气开发成功从供求两个方面影响国际原油市场，从2014年6月的每桶100多美元到2015年1月跌破50美元，国际油价的狂跌使美国页岩油勘探和生产企业造成致命打击。美国WBH Energy页岩油开采公司成为美国本土第一家破产的页岩油公司。由于国内页岩气开发技术不成熟，地质结构复杂，每口井的勘探成本远高于美国，国际油价下跌也会对国内页岩气勘探开发带来较大压力。

［1］蒋裕强，董大忠，漆麟，等.页岩气储层的基本特征及其评价［J］.天然气工业，2010（10）：7-12，113-114.

［2］邓翼，杨荣丰，肖正辉，等.张家界地区下寒武统牛蹄塘组沉积特征与页岩气成藏研究［J］.西部探矿工程，2013（12）：119-124.

［3］曹有金，陈新跃，杨荣丰，等.湘西北寒武系黑色页岩地质演化及页岩气成藏靶区分析［J］.西部探矿工程，2013（9）：159-162.

［4］肖正辉，杨荣丰，冯涛，等.湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件及其勘探潜力分析［J］.湖南科技大学学报：自然科学版，2012，27（1）：50-54.

［5］肖正辉，王朝晖，杨荣丰，等.湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气储集条件研究［J］.地质学报2013，87（10）：1612-1623.

［6］周庆华，宋宁，王成章，等.湖南花垣页岩气区块地质评价与勘探展望［J］..天然气地球科学，2014，25（1）：130-140.

［7］王阳，朱炎铭，陈尚斌，等.湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气形成条件分析［J］.中国矿业大学学报，2013，42（4）：586-594.

［8］王琼杰，曾丽，王文彬.“气化湖南”逐梦人—湖南第一口页岩气预探井“慈页1井”勘查纪实［N］.中国矿业报，2014.7.31.

［9］姜政华，童胜宝，丁锦鹤.彭页HF－1页岩气水平井钻井关键技术［J］.石油钻探技术，2012，40（4）：28-31.

［10］赖建林，刘红磊，朱贤清.湘页1井大型清水压裂工艺技术研究［J］.油气藏评价与开发，2013，3（1）：75-78.

［11］唐颖，唐玄，王广源，张琴.页岩气开发水力压裂技术综述［J］.地质通报，2011，30（2-3）：393-399.

［12］唐颖，张金川，张琴，龙鹏宇.页岩气井水力压裂技术及其应用分析［J］.开发工程，30（10）：33-38.