湖相泥頁巖基質(zhì)儲層直井壓裂選層方法研究
——以松遼盆地三肇凹陷松頁油3井為例

黃一鳴，肖 飛，楊建國，李士超，李 昂，姚玉來，張麗艷

中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034

0 引言

頁巖油是指呈游離態(tài)、吸附態(tài)或溶解態(tài)賦存于泥頁巖層系中的液態(tài)烴類資源.泥頁巖層系包括泥頁巖地層中可能夾有的致密砂巖、碳酸鹽巖、甚至火山巖等薄層［1-2］，按照儲集空間類型可分為裂縫型、夾層型和基質(zhì)型三大類［3-4］.世界頁巖油資源主要分布在俄羅斯、美國和中國，其中美國通過頁巖油革命，已率先實現(xiàn)頁巖油商業(yè)開發(fā)［5-6］.中國頁巖油資源也十分豐富，但與美國頁巖油主要分布于海相盆地、儲層類型以裂縫型和夾層型為主不同，中國頁巖油主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地、松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地等陸相湖盆中，儲層類型以基質(zhì)型為主［7-11］.松遼盆地是中國頁巖油資源潛力最大的陸相湖盆之一，近年來相繼在盆地北部齊家、古龍和三肇凹陷獲得頁巖油工業(yè)油流.白堊系青山口組一段（青一段）作為頁巖油主要勘探層位，其中廣泛發(fā)育較純的半深湖—深湖相暗色泥頁巖，被認(rèn)為是典型的基質(zhì)型頁巖油儲層［12-14］.

由于基質(zhì)型頁巖油滯留于納米級孔隙和微裂縫中，難以直接開采，需要通過水力壓裂技術(shù)對頁巖油儲層進(jìn)行改造，才能獲得較高的產(chǎn)量，因此如何選取最有利的壓裂層位則成為在儲層壓裂改造過程中需要解決的首要問題.相對于夾層型和裂縫型儲層，湖相泥頁巖基質(zhì)儲層具有巖性更致密、泥頁巖塑性更強(qiáng)、原始滲流能力更弱等特征，因而通過壓裂改造獲得工業(yè)油流的難度更大.直井壓裂選層可以為水平井壓裂求產(chǎn)找準(zhǔn)靶框，降低勘探風(fēng)險和成本，但目前尚無成熟的針對湖相泥頁巖基質(zhì)儲層的直井壓裂選層方法.本文以松遼盆地三肇凹陷松頁油3井為例，綜合錄井、測井和分析測試資料，在對各項頁巖油地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，建立一套適用于湖相泥頁巖基質(zhì)儲層的直井壓裂選層方法，以期為湖相頁巖油的勘探開發(fā)提供有益的借鑒.

1 青一段頁巖油層分布

松頁油3井是位于松遼盆地三肇凹陷中部的1口頁巖油參數(shù)井，自上而下鉆遇地層為第四系，新近系泰康組，上白堊統(tǒng)明水組、四方臺組、嫩江組、姚家組、青山口組，下白堊統(tǒng)泉頭組（未穿）.在松頁油3井鉆探過程中，對青一段進(jìn)行了全段取心.通過現(xiàn)場巖心觀察和精細(xì)描述，發(fā)現(xiàn)青一段巖性主要為暗色泥巖和泥頁巖，局部夾粉砂巖薄層，泥巖和泥頁巖占地層厚度百分比為97.39%（圖1），總體上宏觀裂縫不發(fā)育，屬于典型的湖相泥頁巖基質(zhì)儲層.

圖1 松頁油3井青一段頁巖油層分布圖Fig.1 Distribution of shale oil reservoirs in the 1st member of Qingshankou Formation in SYY3 well

根據(jù)錄井、測井解釋數(shù)據(jù)，松頁油3井目的層青一段綜合解釋儲層94.6 m/11層，按試采產(chǎn)能將儲層分為工業(yè)油流（Ⅰ類）、低產(chǎn)油流（Ⅱ）、少量油或不產(chǎn)油（Ⅲ）3類.其中Ⅰ類頁巖油層60.3 m/7層（19、21、22、23、25、26、27號層），Ⅱ類頁巖油層31.2 m/3層（18、20、24號層），Ⅲ類頁巖油層3.1 m/1層（28號層）（圖1）.初步選擇19、21、22、23、25、26、27號層為壓裂備選層.

2 頁巖油層參數(shù)特征

綜合考慮油氣產(chǎn)能與儲層特征的關(guān)系以及壓裂施工條件因素，認(rèn)為電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性、可壓性6項指標(biāo)對湖相泥頁巖基質(zhì)儲層的壓裂改造效果和頁巖油產(chǎn)能將有較大影響.下面對松頁油3井青一段I類頁巖油層的上述6項指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以此作為壓裂選層的依據(jù).

2.1 電性參數(shù)特征

聲波時差、中子、密度和電阻率等電性參數(shù)可反映地層的含油氣性、孔隙度等特征.頁巖油層通常具有高聲波時差、高補(bǔ)償中子、低密度、高電阻率“三高一低”的特征［15-17］.松頁油3井青一段I類頁巖油層聲波時差為357.0～391.2 μs/m，補(bǔ)償中子為24.5～27.4 pu，密度為2.37～2.44 g/cm3，電阻率為6.0～16.0 Ωm.整體上青一段聲波時差、補(bǔ)償中子、密度曲線波動較為平緩，而電阻率曲線在青一段下部明顯高于上部，各項測井曲線值隨深度的增加逐漸增大（圖1），表明青一段孔隙度和含油性自上而下逐漸增大的特征.各層的巖性密度大致相當(dāng)，而23、25、26號層聲波時差、補(bǔ)償中子和電阻率值較高，說明這些層具有較高的孔隙度和含油性（表1）.

表1 松頁油3井青一段Ⅰ類頁巖油層電性特征表Table 1 Electric parameters for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.2 物性參數(shù)特征

松頁油3井青一段7個Ⅰ類頁巖油層測井解釋孔隙度為6.6%～8.3%，滲透率為0.135～0.330 mD.總體上看，青一段下部Ⅰ類頁巖油層的孔隙度和滲透率高于上部.其中，除22、26號層孔隙度較低外，其余各層孔隙度大致相當(dāng)，尤其以23、25、27號層最高，孔隙度達(dá)到8%以上.滲透率也以23、25、27號層最高，均大于0.3 mD；19和21號層次之；22和26號層較低.綜合對比孔隙度和滲透率，23、25、27號層物性最好（表2）.

表2 松頁油3井青一段I類頁巖油層物性特征表Table 2 Physical parameters for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.3 含油氣性參數(shù)特征

綜合測錄井?dāng)?shù)據(jù)，采用核磁測井解釋含油飽和度，地化錄井熱解S1反映油層的含油性，利用氣測錄井?dāng)?shù)據(jù)指示油層的含氣性.松頁油3井青一段Ⅰ類頁巖油層的含油飽和度為4.1%～37.6%，其中19、23、25號層含油飽和度較高，均在30%以上；21、22、27號層次之；26號層含油飽和度最低.青一段Ⅰ類頁巖油層S1為5.8×10-3～9.9×10-3，整體上有隨深度增加S1逐漸增大的趨勢，其中19、25、26、27號層S1值最高，均達(dá)到7.0×10-3以上，具有較好的生烴潛力，其余各層S1值大致相當(dāng).青一段氣測全烴值普遍較高，氣測錄井異常顯示段厚度大，整體上有隨深度增加氣測全烴值增大的趨勢，除了18號層全烴值較低外，其余各層全烴值均在1%以上或接近1%，其中以25、26、27號層全烴值最高.總體評價，23、25、27號層的含油氣性最好（表3）.

表3 松頁油3井青一段I類頁巖油層含油氣性特征表Table 3 Oil-gas bearing possibility for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.4 烴源巖性參數(shù)特征

松遼盆地北部青一段半深湖—深湖相烴源巖有機(jī)質(zhì)類型整體主要為Ⅰ型和Ⅱ1型［18-19］，以生油為主，因此有機(jī)質(zhì)類型不是制約頁巖油富集的主要因素，本研究中主要針對有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)成熟度進(jìn)行烴源巖性參數(shù)特征分析.

總有機(jī)碳含量（TOC）是評價烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)［20］.松頁油3井青一段Ⅰ類頁巖油層測井解釋TOC為2.5%～5.1%，各層TOC均超過2.0%，整體上青一段下部TOC大于上部，其中以23、25、27號層TOC值最大（表4）.

鏡質(zhì)體反射率（Ro）隨熱演化程度的升高而穩(wěn)定增大，并具有相對廣泛、穩(wěn)定的可比性，因此Ro成為目前應(yīng)用最為廣泛、最為權(quán)威的成熟度指標(biāo)［21］.松頁油3井青一段Ⅰ類頁巖油層實測Ro為0.84%～0.98%，最高熱解峰溫Tmax均在445℃左右，表明各頁巖油層均處于中等成熟階段.整體上隨深度增加Ro值有逐漸增大的趨勢，其中25、26、27號層Ro值較高，表明該頁巖油層成熟度較高，其余各層大致相當(dāng)（表4）.

表4 松頁油3井青一段I類頁巖油層烴源巖特征數(shù)據(jù)表Table 4 Source rock characteristics for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.5 脆性參數(shù)特征

泥頁巖脆性越好，壓裂后造縫效果越好，因此脆性特征也是優(yōu)選壓裂層位的一項參考指標(biāo)［22］.基于巖性掃描測井解釋結(jié)果，松頁油3井青一段Ⅰ類頁巖油層全巖礦物組成以長英質(zhì)和黏土礦物為主，黏土礦物含量最高，介于35.8%～47.3%之間，其次為石英和長石、碳酸鹽礦物和黃鐵礦.黏土礦物含量高，說明青一段泥頁巖基質(zhì)儲層整體偏塑性.根據(jù)礦物組分法計算脆性指數(shù)，松頁油3井青一段Ⅰ類頁巖油層脆性指數(shù)為30.6%～44.3%，其中22、25、26、27號層脆性指數(shù)相對其余各層較高，有利于進(jìn)行壓裂改造（表5）.

方盛制藥公司是湖南省著名上市公司，由于公司發(fā)展迅速，人才需求量較大。該公司與學(xué)院洽談，決定聯(lián)合開設(shè)方盛班。雙方根據(jù)需求，共同確定培養(yǎng)方案和課程體系，見表1。學(xué)習(xí)分為校內(nèi)校外兩個部分，校內(nèi)是學(xué)生在學(xué)習(xí)正常理論課基礎(chǔ)上，課余時間由企業(yè)安排公司骨干講授與實際相結(jié)合的藥品生產(chǎn)、管理和研發(fā)等課程，傳輸企業(yè)文化；校外則是企業(yè)為方盛班學(xué)員安排從假期短期實習(xí)到最終的畢業(yè)實習(xí)過程，雙向選擇優(yōu)秀學(xué)員留在公司工作，對表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生給予表彰和適當(dāng)獎勵。學(xué)期結(jié)束時，多數(shù)學(xué)生與方盛制藥公司簽訂了實習(xí)協(xié)議，收效甚佳。

表5 松頁油3井青一段I類頁巖油層礦物含量及脆性指數(shù)表Table 5 Mineral content and brittleness index for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

2.6 可壓性參數(shù)特征

可壓性指的是儲層經(jīng)過水力壓裂后可以被有效改造的性質(zhì)，能夠反映泥頁巖基質(zhì)儲層的綜合特征，結(jié)合巖石力學(xué)參數(shù)和礦物組成可評價各頁巖油層的可壓性［23］.松頁油3井青一段I類頁巖油層泊松比為0.29～0.31，楊氏模量為1.23×104～1.69×104MPa，各層泊松比和楊氏模量大致相當(dāng)，說明各層彈性和剛性相差不大.各層破裂壓力為40.23～42.27 MPa，其中23、25、27號層破裂壓力較低，表明這些頁巖油層相對容易被壓開，巖層更容易從薄弱處起裂形成裂縫（表6）.

表6 松頁油3井青一段I類頁巖油層可壓性表Table 6 Fracturing indexes for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

3 層次分析法與壓裂層位優(yōu)選

3.1 層次分析法

綜合對比松頁油3井青一段Ⅰ類頁巖油層電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性和可壓性6項指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)不同層的各項指標(biāo)排名互有優(yōu)劣，為減少人為主觀因素對選層結(jié)果的干擾，研究中采用層次分析法對6項指標(biāo)進(jìn)行綜合計算，以此量化篩選出最有利的壓裂層位.

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是20世紀(jì)70年代由美國匹茲堡大學(xué)運籌學(xué)家薩蒂提出的，將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法.層次分析法的特點是在解決復(fù)雜問題的過程中，通過深入分析問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在聯(lián)系，把解決問題的過程轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，從而為解決復(fù)雜問題提供決策［24-25］.

層次分析法思路如下：依據(jù)層次分析法要素標(biāo)度尺，將電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性和可壓性6項指標(biāo)對壓裂選層有利程度的影響進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造正交判斷矩陣，從而建立各項指標(biāo)的權(quán)重模型，使各項指標(biāo)對于壓裂選層有利性的影響得以定量顯示.將各項指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得出各項指標(biāo)對壓裂有利程度的歸一化值，再加入各項指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行運算，便可知青一段7個Ⅰ類頁巖油層的壓裂有利性.

3.2 各項指標(biāo)參數(shù)歸一化

以松頁油3井所有頁巖油層特征參數(shù)作為背景值，對這7個頁巖油層的6項指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，統(tǒng)一各項參數(shù)的量級，從而避免了因參數(shù)量級不同而對計算結(jié)果造成的誤差.參數(shù)歸一化方法如下：

經(jīng)過歸一化計算后，各項參數(shù)值均處于0～1之間.由于在一項指標(biāo)中包含多項參數(shù)（如物性指標(biāo)中包含孔隙度和滲透率兩項參數(shù)），還需對同一項指標(biāo)中的各項參數(shù)進(jìn)行算數(shù)平均數(shù)合并（式3），計算后的結(jié)果可代表各項指標(biāo)對壓裂的有利程度（表7）.

表7 松頁油3井青一段壓裂選層參數(shù)歸一化數(shù)據(jù)表Table 7 Normalized parameter of fracturing layer selection in the 1st member of Qingshankou Formation in SYY3 well

其中，n為同一項指標(biāo)中特征參數(shù)的個數(shù)，X為指標(biāo)歸一化值.

3.3 基于層次分析法的壓裂層位優(yōu)選

在引進(jìn)低滲透砂巖儲層的壓裂選層指標(biāo)判斷標(biāo)度的基礎(chǔ)上［25］，結(jié)合湖相泥頁巖基質(zhì)儲層的特點進(jìn)行優(yōu)化，形成一套適用于湖相泥頁巖基質(zhì)儲層的壓裂選層方法模型，然后將各頁巖油層的6項指標(biāo)參數(shù)代入壓裂選層方法模型中進(jìn)行計算.

首先，對電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性、可壓性6項指標(biāo)的重要性進(jìn)行分析.含油氣性反映儲層中原油的性質(zhì)和含量，是壓裂選層最重要的影響因素；烴源巖性反映頁巖油層的生烴潛力，跟含油氣性息息相關(guān)，也是極其重要的影響因素；物性反映儲層的儲集空間和滲流能力，是非常重要的影響因素；電性是儲層的孔隙度和含油氣性的間接反映，也是比較重要的影響因素；脆性影響壓裂造縫效果，對壓裂選層的影響一般重要；可壓性是反映儲層能否被有效改造的巖石力學(xué)性質(zhì)，是壓裂施工過程中必須考慮的因素，但是考慮到松頁油3井的可壓性參數(shù)差異不大，這里將可壓性作為稍微重要的指標(biāo)（表8）.

表8 壓裂選層指標(biāo)重要性表Table 8 Importance ranking of fracturing layer selection indicators

最終確定電性（C1）、物性（C2）、含油氣性（C3）、烴源巖性（C4）、脆性（C5）和可壓性（C6）這6項指標(biāo)對壓裂選層有利性的影響大小依次為：含油氣性＞烴源巖性＞物性＞電性＞脆性＞可壓性，對壓裂選層有利性的判斷矩陣為：

C1 C6 C1 1 4 C2 2 5 C3 4 7 C4 3 6 C5 1/3 2 C2 C3 1/2 1 3 2 1/4 1/3 1 1/2 1/6 1/7 C4 C5 1/3 3 1/2 4 2 6 1 5 1/5 1 1/6 1/2 1/4 C6 1/4 1/5 1

根據(jù)層次分析法模型計算，得出其特征向量為：

各項指標(biāo)對于壓裂選層有利程度的權(quán)重見表9.

表9 壓裂選層各項指標(biāo)權(quán)重Table 9 Weight coefficient of fracturing layerselection indicators

計算各頁巖油層每一項指標(biāo)的歸一化參數(shù)值與其權(quán)重的乘積之和，即可得到各層的壓裂有利性（表10）.

表10 松頁油3井青一段I類頁巖油層壓裂選層有利性分析表Table 10 Favorability analysis of fracturing layer selection for the K2qn1 shale oil reservoir of Type I in SYY3 well

根據(jù)計算結(jié)果可知，松頁油3井青一段各頁巖油層的壓裂選層有利性排序為：27號層＞25號層＞23號層＞26號層＞19號層＞21號層＞22號層.

對松頁油3井23、25、27號層進(jìn)行壓裂試油求產(chǎn)，實現(xiàn)了松遼盆地三肇凹陷頁巖油工業(yè)油流突破，證明該壓裂選層方法可行有效.

4 結(jié)論

通過錄井、測井解釋數(shù)據(jù)查明了松頁油3井青一段7個Ⅰ類頁巖油層分別為19、21、22、23、25、26、27號層，基于層次分析數(shù)學(xué)模型綜合分析電性、物性、含油氣性、烴源巖性、脆性、可壓性6項指標(biāo)，對各I類頁巖油層的壓裂有利性進(jìn)行了綜合排名，即27號層＞25號層＞23號層＞26號層＞19號層＞21號層＞22號層，從而建立了一套湖相泥頁巖基質(zhì)儲層直井壓裂選層方法.

對松頁油3井23、25、27號層進(jìn)行了壓裂試油，實現(xiàn)了松遼盆地三肇凹陷頁巖油工業(yè)油流突破，證實該壓裂選層方法可行有效，可推廣應(yīng)用于湖相基質(zhì)型頁巖油的甜點層優(yōu)選和水平井部署.