武隆向斜五峰组—龙马溪组优质页岩特征及水平井靶窗优选

高全芳.

(中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏南京 210011)

中国拥有着丰富的页岩气资源。近年来中国页岩气勘探开发进展迅速，主要集中在四川盆地内焦石坝、威远、富顺—永川、长宁—昭通、威荣等地区[1-2]，并成为继美国、加拿大之后第三个实现商业化页岩气开发的国家。我国前期重点对盆内超压气藏开展大量技术攻关[3-6]，目前视角也逐步扩展到四川盆地周缘及盆外的常压页岩气区块上[7-9]。武隆向斜位于四川盆地东南缘利川—武隆复向斜内，五峰组—龙马溪组地层压力系数为1～1.2[10]，属于典型的常压页岩气区。为落实武隆的向斜页岩气资源潜力，实现常压页岩气勘探突破，中石化华东油气分公司分别于2015年和2017年在武隆向斜部署实施了LY1井和LY2井，在导眼井于目的层获取良好显示的情况下，实施水平井，分段压裂试气效果好，其中LY1HF井初期产量为4.6×104m3，已生产2.5 a，目前日产气(2.2～2.8)×104m3；LY2HF井20 mm油嘴测试日产气9.22×104m3，揭示了武隆向斜具备良好的常压页岩气勘探潜力。本文以LY1井、LY2井单井资料为基础，对该地区五峰组—龙马溪组优质页岩展布特征、有机地球化学特征、储集特征、含气性及岩石可压性开展系统研究，明确水平井穿行最优靶窗，为该区页岩气的进一步勘探开发提供依据。

1 地质背景

武隆向斜构造上处于川东南—湘鄂西“槽—挡”过渡带[11-12]，该地区在燕山早期受到北西向挤压应力作用，形成北东向白沙断裂、平安断裂及北东向褶皱，武隆向斜、老厂坪背斜形成，呈现隆凹相间的构造格局。燕山中晚期受到南北向压扭走滑，形成南北向胡家园断裂、茶园断裂，将武隆向斜分割成团堡次洼和火炉次洼。

研究区地层发育较全，核部出露侏罗系地层，两翼依次为三叠系及二叠系(图1)，核部平缓而开阔，两翼地层倾角变陡，约为15°～30°，北西翼倾角略陡于东南翼，呈不对称向斜，轴面倾向北西。

武隆向斜所在的上扬子地区在奥陶纪晚期到志留纪早期经历了2个较为完整的全球性海进—海退事件，在五峰组—龙马溪组早期沉积了一套半深水—深水陆棚相暗色页岩[13]，具备页岩气形成的物质基础。

图1 武隆地区及周边地表地层分布Fig.1 The distribution of surface stratigraphic in Wulong and peripheral areas

2 优质页岩展布特征

武隆向斜五峰组—龙马溪组根据岩性、电性、沉积等特征从下到上可划分为3段(表1)：下部龙一段岩性为黑色—灰黑色页岩、硅质页岩，化石丰富，为深水—半深水陆棚沉积，伽马值较高，电阻率中等；中部龙二段岩性普遍为灰色粉砂质泥岩，浅水陆棚沉积，伽马值降低，电阻率中等；上部龙三段岩性为灰色泥岩与粉砂质泥岩互层，浅水陆棚沉积，伽马值中等，电阻率中等。下部龙一段可进一步细分为9个小层，底部①～⑤小层岩心为黑色富含笔石页岩，其中①小层岩心破碎，高角度裂缝发育，②～⑤小层岩心完整，层理缝发育。①～⑤小层处于深水陆棚相沉积环境，为优质页岩段，是生气的主力层段，也是本文研究的目的层段。由于页岩气藏具备“自生自储”的特性[14]，一定的优质页岩厚度是形成页岩气富集的基本条件，因为优质页岩只有具备一定的厚度及连续分布面积，才能为成烃提供充足的物质基础以及为页岩气的储存提供储集空间[15]。一般情况下，优质页岩越厚，对气藏的形成越有利。武隆向斜与盆地内部的焦石坝地区同处于深水陆棚相沉积中心，优质页岩厚度大，厚32～40 m，是形成页岩气富集的基本条件。向斜内部的LY1井、LY2井实钻优质页岩厚度分别为32 m、35.3 m，向斜北部的YC4井钻遇优质页岩40 m，向斜南部的黄莺乡露头⑤小层顶部受到剥蚀，优质页岩段厚度大于32.7 m(图2)，武隆向斜优质页岩平面上呈现出自西向东、由南往北减薄的变化规律。

表1 武隆地区五峰组—龙马溪组地层划分Table 1 Stratigraphic subdivision of Wufeng formation- Longmaxi formation in Wulong area

注：伽马——范围值/平均值；电阻率——范围值/平均值。

图2 黄莺乡露头-LY1-LY2-YC4优质页岩段连井对比Fig.2 Contrast of high-quality shale between Huangyingxiang outcrop- LY1 well- LY2 well- YC4 well

3 有机地球化学特征

在泥页岩中，表征烃源岩有机地球化学特征的重要指标为有机质丰度、有机质类型、有机质热演化程度。

3.1 有机质丰度

TOC是表征泥页岩有机质丰度的重要评价指标，TOC越大，生烃能力越强。对LY1、LY2井优质页岩段 95个岩心样品进行TOC测试分析(表2)，自上而下TOC呈增大趋势，且较礁石坝地区JY1井优质页岩TOC高，武隆地区处于生烃中心地带。其中，LY1井优质页岩段TOC在0.65%～6.21%范围内，平均为3.91%；LY2井TOC在1.18%～5.73%范围内，平均为4.2%。超过90%的样品TOC大于2%，远超过国内页岩气开发的有机碳含量1.0%的下限值[16-17]。通过小层间对比分析，②、③小层TOC更高，平均可达5.1%，是最优层段。

表2 武隆地区优质页岩段TOC统计Table 2 Statistics of TOC in high-quality shale in Wulong area

3.2 有机质类型

有机质类型对页岩的生气能力、含气性等都有一定程度的影响。武隆地区五峰—龙马溪组优质页岩有机质类型多为Ⅰ型，少量Ⅱ1型，干酪根显微组分以腐泥组为主，占85%～99%，含少量壳质组和镜质组，不含惰质组，具有较大的生烃潜力。

3.3 有机质热演化程度

有机质热演化程度不但影响页岩气的生气量，也影响页岩气的赋存状态、聚集场所等[18]，通常用镜质体反射率Ro来评价。但由于川东南地区五峰组—龙马溪组处于海相沉积环境，整体缺乏高等植物的输入，无法直接测量镜质体反射率来表征热演化程度[19-21]，因此采用沥青质反射率Rb，通过经验公式Ro=0.656 9Rb+0.336 4[22]换算成Ro值。LY2井4块五峰组—龙马溪组页岩样品的Rb为2.85%～3.01%，经过上述公式换算，Ro为2.21%～2.31%。根据有机质热演化程度划分标准，该区有机质处于过成熟阶段，以生干气为主，有利于页岩气的生成。

4 储集特征

LY1井优质页岩段32块岩心样品实测孔隙度平均为4.74%，最高为5.87%；LY2井优质页岩段31块岩心样品实测孔隙度平均为4.83%，最高为6.45%，孔隙度高值多集中于②～③小层，且孔隙度大小与TOC成较好的对应关系(图3)。整体来说，武隆向斜北翼优质页岩段孔隙度略高于南翼。

图3 武隆地区优质页岩段孔隙度与TOC关系Fig.3 Diagram between porosity and TOC of high-quality shale in Wulong area

武隆地区五峰组—龙马溪组储集空间类型有裂缝、无机孔隙、有机孔隙等，由于该地区处于生烃中心，TOC高，因此有机孔隙为优质页岩段最主要的储集类型(图4)，孔径一般分布在100～300 nm范围内，且连通性较好。

图4 LY2井优质页岩段样品电镜扫描Fig.4 SEM of samples in high-quality shale of LY2 well

5 含气性

采用气测录井、现场测试与测井解释定性—定量相结合的方式明确武隆地区优质页岩段的含气特点。

录井气测显示武隆向斜优质页岩段出现明显的气测异常现象，LY1井气测全烃值从⑤小层开始明显升高，龙一段泥浆密度为1.36 g/cm3，优质页岩段全烃均值为6.25%，最高为12.44%，⑥～⑨小层全烃值平均仅0.92%，表明优质页岩段具有更好的含气性；LY2井也显示出相同的趋势，在泥浆密度为1.30 g/cm3的情况下，LY2井优质页岩段全烃均值为3.61%，⑥～⑨小层全烃均值为0.50%。

选取该区两口取芯井优质页岩段共计68块岩心样品进行现场解吸试验，测试结果为：LY1总含气在1.17～3.5 m3/t范围内，平均为2.36 m3/t；LY2总含气量在1.36～5.04 m3/t范围内，平均为3.2 m3/t，表明该地区达到页岩气开发含气量下限值，具备工业开发价值[23]。现场浸水试验同样揭示出优质页岩含气性较好，优质页岩段岩心样品浸入水中后气泡丰富，直径为0.2～2 mm，沿层理面、孔隙等呈管状连续逸出，似“喷泉”，逸出速度快，伴有呼呼声、鸣叫声。另外，通过对比浸水试验龙一段各小层岩心单位长度气泡溢出点数量(图5)也可以定性地表现出优质页岩段含气性更好，因为在其他外界条件一致的情况下(压力、温度等)，溢出点数量多意味着页岩原始含气量高，基质孔隙、裂缝发育。从浸水试验结果来看，整体上溢出点数量呈现出先增多后减少的趋势，岩心在入水后0.5～2 h内溢出点达到高值，随后气泡数减少，溢出速度也逐渐变得缓慢，这是页岩中吸附气逐步解吸、释放的结果。

图5 LY2井龙一段各小层岩心浸水试验溢出点数对比Fig.5 Comparison of core samples’ spill points in water treament test between different subzone in the first section of Wufeng formation- Longmaxi formation of LY2 well

由于岩心样品从地下钻取出后会经历一个泄压的过程，气体会有一定程度的逸散，影响现场测试含气量的结果，因此采用测井解释作为含气性评价的辅助手段。斯伦贝谢测井解释结果显示，武隆地区优质页岩段含气量为1.3～8.3 m3/t，平均为5.58 m3/t，其中①～③小层总含气量平均为6.54 m3/t，表明优质页岩段尤其是①～③小层泥页岩含气性好。另外，吸附气含量总体在0.6～4.2 m3/t范围内，占总含气量的40%～60%，体现出常压页岩气吸附气含量高的特点。

6 岩石可压性

页岩气藏为人工气藏，需经过大规模的压裂改造才能够获得商业产能[24-25]，而泥页岩的可压性是影响后期压裂改造的关键因素，脆性矿物含量、地应力、泊松比等能在一定程度上反映可压性的好坏[26]。

武隆向斜优质页岩段矿物组成以石英为主(图6)，石英含量平均为56.6%，黏土含量平均为25.8%，黄铁矿含量平均为3.5%，脆性矿物含量高，可压性好，压后裂缝易转向形成复杂网缝[27]。武隆地区受构造挤压作用和抬升影响，导致最大、最小主应力较小而差异较大，优质页岩段水平应力差异系数为0.26～0.27，高于礁石坝地区(水平应力差异系数为0.11)，形成复杂网缝相对困难[28]；但优质页岩段中的②～③小层具有泊松比较小(泊松比平均为0.21)、杨氏模量较高(杨氏模量平均为41.3 GPa)的特点，在LY1、LY2井实际压裂过程中显示出了施工压力、破裂压力、停泵压力低和砂比高的“三低一高”特征，压裂效果较好。

7 水平井靶窗优选

实践证明，页岩气井产气量与水平段穿行效果有关，相同条件下，在最优靶窗内穿行的距离越长，产气量效果越好；反之，产气效果越差。例如，礁石坝地区JY14-3HF井，实钻水平段为1 540 m，最优靶窗钻遇率达93.6%，平均无阻流量达到103.24×104m3/d，取得较好的效果[29]；彭水常压区的PYHF-1井水平段基本未穿行在最优靶窗内，影响产气效果，最高日产气仅为2.52×104m3。

图6 武隆地区龙一段泥页岩矿物组成纵向分布Fig.6 Longitudinal distribution of mineral composition in the first section of Wufeng formation- Longmaxi formation of Wulong area

综合地质与工程因素(表3)，认为武隆地区五峰组—龙马溪组优质页岩段各项指标较好，其中②～③小层指标更为优越，体现在高TOC(5.05%～5.4%)、高孔隙度(4.39%～5.04%)、含气性更好(6.9%～7.04%)，并具有良好的可压性(石英含量大于46%，水平应力差异系数为0.26，泊松比为0.21)，可作为该地区水平井穿行的最优靶窗。

LY2HF井水平段长1 800 m，主要在③底部～②小层3 m的靶窗内穿行，其中③小层穿行率达78.61%，②小层穿行率为18.39%，测试获日产气9.22×104m3，实现了常压页岩气试气高产的效果，证实了水平井靶窗选取的正确性。

表3 武隆向斜优质页岩段评价参数汇总Table 3 Summary of evaluation parameters of high-quality shale in Wulong syncline

8 结论

(1)武隆向斜五峰—龙马溪组优质页岩厚32～40 m，整体呈现自西向东、由南往北减薄的趋势，TOC较高(平均为3.91%～4.2%)，有机质类型多为Ⅰ型，处于过成熟阶段(Ro为2.21%～2.31%)，具备较大的生烃潜力，有利于页岩气的生成；向斜北翼优质页岩段孔隙度(平均为4.83%)略高于南翼(平均为4.74%)，且有机孔隙是该区优质页岩段最主要的储集类型；气测录井、现场测试与测井解释均显示出该区优质页岩段含气性较好(含气量为1.3～8.3 m3/t)；该地区优质页岩段岩石可压性较好(石英含量为56.6%、泊松比为0.21、杨氏模量平均为41.3 GPa)，有利于后期压裂改造。

(2)结合地质—工程因素，优选出②～③小层作为武隆向斜水平井穿行的最优靶窗，为该区的进一步高效勘探开发奠定基础。