湘西北HY1井下寒武统牛蹄塘组页岩储层可压性评价

2021-07-20姜生玲周庆华蒋礼宏姬安召杨日丽朱秀兰李彦举

现代地质 2021年4期

姜生玲，周庆华，蒋礼宏，姬安召，杨日丽，朱秀兰，李彦举

(1.陇东学院能源工程学院，甘肃庆阳 745000；2.中国华电集团清洁能源有限公司勘探开发事业部，北京 100160)

0 引言

我国南方地区下古生界海相页岩气勘探取得重大突破，主要集中在上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组[1]，与五峰-龙马溪组页岩相比，下寒武统牛蹄塘组页岩具有分布面积广、厚度大、有机碳含量高、热演化程度高的特点[2-4]，是中上扬子地区页岩气勘探的重点层系之一。

由于湘西北地区所在的湘鄂西褶冲带构造复杂、后期改造强烈[3]，前人对湘西北地区牛蹄塘组页岩气的研究主要表现在聚集条件[5-7]、含气性[8-9]、主控因素[10-12]、资源潜力[13-14]及勘探前景[15-17]等多方面，涉及和页岩可压性评价相关的脆性矿物含量、储集物性、岩石力学性质等参数是在重点探讨页岩气聚集条件、主控因素及资源潜力过程中进行了初步评价。通过大量文献调研，针对湘西北地区牛蹄塘组页岩可压性评价的研究相对较少，陈江湛等[18]通过可压裂性评价数学模型的建立，以野外露头实验测试结果为基础，探讨了湘西北地区牛蹄塘组中下部黑色硅质页岩和碳质页岩可压裂性；吴晶晶等[19]通过对湘西北地区牛蹄塘组野外露头样品的测试分析，对页岩储层可压裂性的影响因素进行了评价；以实钻参数井为依托，岩心描述、岩心样品测试数据结合测井计算综合评价湘西北地区牛蹄塘组页岩可压裂性的研究鲜少涉及。

因此，本文以位于桑植-石门复向斜西南缘叭岩向斜的HY1井为例，通过密集取心采样、实验测试分析、测井综合解释等多种方法，在对HY1井牛塘组页岩储层有机地化特征、储集物性、裂缝发育特征、脆性矿物组成、岩石力学性质等进行系统分析的基础上，综合评价了牛蹄塘组页岩储层可压裂性，并对湘西北地区牛蹄塘组富有机质页岩后期的压裂提出了改造建议。

1 地质背景

湘鄂西褶冲带大地构造位置位于扬子板块中部，西与四川盆地毗邻，北靠秦岭-大别造山带，东接江南-雪峰推覆隆起带(图1)，是由北东-北东东向的齐岳山和慈利-保靖深大断裂联合控制的向西北凸出的弧形构造带[20]。根据褶皱组合样式可进一步划分为桑植-石门复向斜、宜都-鹤峰复背斜带、花果坪复向斜带、中央复背斜带、利川复向斜带等次级构造单元[12,21]。

图1 湘鄂西区域构造单元划分[12,21]及HY1井位置图

HY1井位于桑植-石门复向斜西南缘的叭岩向斜，完钻井深2 645 m，自下而上钻遇上震旦统灯影组,下寒武统牛蹄塘组、杷榔组、清虚洞组，中寒武统敖溪组,上寒武统娄山关组和下奥陶统桐梓组。其中，在深度2 320～2 595 m钻遇下寒武统牛蹄塘组，厚275 m，岩性主要以灰黑色泥岩为主，多见黄铁矿，中上部夹薄层灰-深灰色泥质粉砂岩，中下部夹薄层深灰色泥质灰岩。

2 储层地质特征

2.1 有机地球化学特征

HY1井牛蹄塘组94块样品测试结果表明，有机碳含量介于0.25%～13.3%之间，平均2.91%，其中，42.6%的样品有机碳含量大于2.0%，有机碳含量大于2.0%的富有机质页岩主要分布在牛蹄塘组下部2 530～2 595 m深度范围内，厚约65 m(图2)。牛蹄塘组热演化程度较高，2块有效样品测试结果显示镜质体反射率Ro分别为3.02%和3.33%，表明牛蹄塘组有机质热演化处于高-过成熟生干气阶段。HY1井14块岩心样品干酪根显微组分鉴定结果显示，牛蹄塘组干酪根以壳质组为主，含量为68%～88%，平均77.1%；其次为腐泥组，含量介于8%～26%之间，平均17.4%；含少量镜质组和惰质组，干酪根类型指数TI介于40.75～62.5之间(图2)，综合判断干酪根类型为II1型。综合分析认为HY1井牛蹄塘组富有机质页岩具备生气的物质基础。

图2 HY1井牛蹄塘组岩性及有机地化指标综合柱状图

2.2 储集物性

HY1井牛蹄塘组页岩储层微观结构主要以泥粒孔为主，部分样品见晶间缝，偶见顺层裂隙、层间裂隙和铸模孔(图3)，孔径分布在3.831～4.602 nm之间，平均4.009 nm，主要为纳米级孔隙。

图3 HY1井牛蹄塘组页岩孔缝发育分布图

33块样品采用脉冲衰减法测试孔隙度和渗透率，结果显示孔隙度介于0.008 4%～1.944 9%之间(图2)，平均值0.427%，大于1.0%的样品仅占12.1%。渗透率介于0.159 1×10-6～4.011 8×10-6μm2之间，平均0.812 2×10-6μm2，总体上牛蹄塘组属于特低孔特低渗储层类型。页岩在拥有一定规模储集空间和孔隙结构的基础上，同时还需具备较高渗透能力[22-24]，否则，特低孔特低渗的页岩储层必须通过压裂改造才有可能获得页岩气产能[25]。

2.3 裂缝发育特征

页岩气藏产量高低直接与泥页岩内部天然裂缝、微裂缝发育程度密切相关，裂缝、微裂缝的存在提高了水力压裂效应的有效性，从而极大改善了泥页岩的渗流能力，为页岩气从基岩孔隙进入井孔提供了运移通道[22,24,26-27]。

HY1井主要发育构造缝和非构造缝两种类型，其中构造缝主要表现为高角度/垂直充填缝、高角度/垂直未充填缝、低角度/水平充填缝、低角度/水平未充填缝4种类型，HY1井牛蹄塘组主要以高角度/垂直缝略占优(表1)，占到总统计裂缝数的52%，且多为充填缝，深灰色泥灰岩，颜色均匀，岩性硬且脆，见宽0.5～4 mm，被方解石充填为垂直中缝(图4(a))，灰黑色泥页岩中可见近垂直的开启缝(图4(b))。低角度/水平缝数量略少，充填缝和开启缝数量相当(表1)，深灰色泥灰岩-灰质泥岩见方解石充填水平缝(图4(e))；含少量炭质的灰黑色页岩见方解石条带并发育水平开启缝(图4(f))。总体上，泥岩、灰质泥岩与泥质灰岩互层的灰岩段和夹黑灰色硅质岩的硅质页岩段构造缝最为发育，对应的井段分别为2 498.5～2 516.7 m和2 595.0～2 599.2 m，裂缝密度分别为2.36和8.23，而灰黑色泥页岩段构造缝相对不发育，裂缝密度相对较低(表1)。

表1 HY1井牛蹄塘组裂缝发育情况分类统计

非构造缝主要以页理缝为主，主要发育于灰黑色含炭泥页岩中，岩性硬且脆，可塑性较差，大量发育页理缝(图4(g))，一般开度小于0.1 mm的微裂缝，肉眼难以分辨，放大可见，用力即开，较为破碎。此外，还发育少量缝合线型裂缝，主要发育于深灰色泥质灰岩中，常见垂直缝合线(图5(i))和水平缝合线(图5(j))两种类型。

图4 HY1井牛蹄塘组裂缝发育特征

3 储层岩石学特征

3.1 矿物脆性指数

脆性矿物对页岩后期压裂改造能否产生大量裂缝系统，从而形成页岩气聚集的有效储层具有重要影响[28-29]。脆性矿物含量越高，岩石骨架对孔隙支撑作用越强，越容易在外力作用下形成裂缝[24]。结合页岩气勘探实践，脆性矿物含量宜大于40%[30]。X衍射全岩矿物实验结果表明，HY1井牛蹄塘组页岩矿物组分主要以脆性矿物为主(图5)，石英+长石含量介于21%～87%之间，平均60.3%；其次为黏土矿物，含量介于4.0%～35.0%之间，平均20.1%；碳酸盐岩类矿物含量(方解石+白云石)为4.0%～71.0%，平均18.0%；此外含有少量黄铁矿和硬石膏。

图5 HY1井牛蹄塘组岩石矿物组分分布图

对于矿物组成复杂的页岩，脆性矿物含量还可以通过矿物脆性指数来表示，不同学者对有效脆性矿物的定义不同，张曼婷等[31]将石英、长石、碳酸盐矿物、黄铁矿一同定义为脆性矿物；何翔等[32]将石英和黏土矿物作为脆性矿物和非脆性矿物的代表性矿物组分，统计研究其他矿物组分与石英和黏土矿物的从属关系，再确定有效脆性矿物；赖富强等[33]在分析研究贵州岑巩地区牛蹄塘组页岩储层脆性指数时，将石英、长石和黄铁矿作为有效脆性矿物综合考虑。考虑到石英弹性模量高、泊松比低和韧性低的特点，是页岩脆性评价的重要矿物组成，论文按照Jarvie[34]定义的矿物脆性指数公式来计算：

(1)

式中： BRIT为矿物脆性指数，无量纲；V石英、V碳酸盐岩、V黏土为石英、碳酸盐岩矿物、黏土矿物的质量百分比，无量纲。

通过计算，HY1井牛蹄塘组页岩矿物脆性指数介于17.7%～86.4%之间，平均55.9%，75%的样品矿物脆性指数大于50%，部分样品在70%以上，最高可达86.4%。通过声波时差和密度测井计算所得脆性指数主要分布范围为58%～86%，和实验测试结果基本相当，均揭示脆性矿物指数高，可压性较好。

3.2 岩石力学特征

岩石力学参数为地层压裂设计提供基础技术支撑，是压裂选层的重要依据。岩石杨氏模量越高、泊松比越小，脆性越好，一般认为杨氏模量大于20 GPa、泊松比小于0.25的岩石是脆性比较理想的[35-37]。利用声波时差和密度测井曲线可计算动态泊松比、动态杨氏模量、内摩擦系数，并将动态杨氏模量和泊松比转换成静态数据。根据斯伦贝谢解释软件处理结果，牛蹄塘组静态杨氏模量主要分布范围为37～62 GPa(图6(a))，静态泊松比主要分布范围为0.14～0.26(图6(b))，单轴抗压强度主要分布范围为61～115 MPa(图6(c))，内摩擦系数主要分布在0.82～0.95之间(图6(d))。表明牛蹄塘组泥页岩脆性好，岩石强度较大。

图6 HY1井牛蹄塘组岩石力学参数分布直方图

3.3 水平两相应力差

水平两向应力差值越小，越有利于体积改造[38-40]。水平两相地应力差异系数定量表示：

(2)

式中，Kh为水平两相地应力差异系数；σy为水平最大主应力，MPa；σx为水平最小主应力，MPa。

牛蹄塘组水平两向应力差值较大，差异系数在0.39～0.53之间(表2)，均大于0.25，压裂易形成双翼缝为主体的人工裂缝，且裂缝方向和最大主应力方向基本一致，对于在空间上形成有效扩展的复杂裂缝是不利的。

表2 HY1井页岩储层两相水平两向应力差统计表

4 储层可压性综合评价

下寒武统牛蹄塘组泥页岩在湘鄂西褶冲带乃至整个南方地区大面积分布，厚度大，通过对HY1井牛蹄塘组页岩储层有机地球化学特征、储集物性、裂缝发育情况、岩石矿物脆性指数、岩石力学参数以及水平两相应力差系统分析，认为：

首先，牛蹄塘组泥页岩有机碳含量高，富有机质页岩位于牛蹄塘组下部，厚约65 m，属于特低孔特低渗页岩储层类型，牛蹄塘组灰质和硅质岩夹层段构造缝较发育，开启缝一定程度上能提高局部渗透率，充填缝在压裂时亦可以开启活力；但位于牛蹄塘组下部的富有机质页岩段构造缝密度较低，页理缝发育，大量页理缝的存在增加裂缝复杂度的同时，一方面会增加滤失，减少裂缝延伸；另一方面裂缝在层理间可能出现滑移，导致错位，从而引起错位和滑移的裂缝宽度极小且有大角度转向，支撑剂不能有效通过，从而限制裂缝高度和长度的延伸，对压裂缝产生不利影响。

其次，牛蹄塘组泥页岩矿物组成主要以脆性矿物为主，石英含量最大值可达83%，75%的样品矿物脆性指数大于50%，同时，平均脆性矿物指数为55.9%，均揭示脆性矿物指数高，可压性较好。

最后，牛蹄塘组静态杨氏模量为37～62 GPa，静态泊松比介于0.14～0.26之间，牛蹄塘组泥页岩脆性好，岩石强度较大，有利于压裂。同时，由于两向水平应力差大，易形成双翼缝。所以被压裂改造的裂缝形态是以双翼裂缝为主体，局部和天然裂缝沟通的形态模式。因此，压裂设计时要综合考虑页理缝可能造成的漏失和对裂缝高度及长度延伸的影响。