深层海相页岩储层精准评价与开发选层的评价体系问题评述

赵迪斐，郭英海，朱炎铭，赵圣贤，陈振宏，焦伟伟，张志平，华柑霖，曾秋楠，张海杰

(1. 中国矿业大学 人工智能研究院，江苏 徐州 221116；2. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008； 3. 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；4. 中国石油西南油气田分公司 页岩气研究院，成都 610051；5. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 6. 重庆工业职业技术学院 建筑工程学院，重庆 401120；7. 重庆地质矿产研究院，重庆 401120；8. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；9. 中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100083； 10. 重庆页岩气勘探开发有限责任公司，重庆 401121)

0 引言

随着我国中浅层页岩气资源的深度开发，非常规能源领域迅速向深层页岩发展，深层页岩已经成为我国页岩气资源利用领域能否顺利实现有序接替的关键[1-5]。深层页岩主要指3 500 m以深的页岩地层。我国深层含气页岩地层，仅在四川盆地就发育有陡山沱组、筇竹寺组、五峰组和龙马溪组等多套地层，目前主要针对四川盆地的五峰组—龙马溪组深层海相页岩地层进行深层页岩气资源的勘探开发，并已在川南、渝西大足区块、綦江区块等取得了阶段成效，显示了良好的开发前景[5-7]。但目前的勘探开发成效显示，深层页岩储层闭合应力高，流体流动性相对较差，两向应力差异更为显著，岩石塑性增强，在限制工程开发效果的同时，对具有适应深层页岩开发优质层段精准预测选层带来了新需求[8-9]。深层页岩勘探开发成本高，容错率低，要实现深层优质层段的精准预测与选层，需要深入了解深层页岩优质储层的地质特征以及控制影响因素，将其纳入与中浅层页岩储层评价指标体系之外的重要影响因素，有针对性的形成评价参数新体系，适应可能的深层页岩新工程开发技术。

1 深层页岩储层精准评价与选层新问题

我国深层页岩气资源丰富, 四川盆地内大部分该层系页岩均属于深层页岩, 勘探开发潜力巨大, 其中五峰组—龙马溪组深层页岩气资源及分布如图1所示[4]。我国深层页岩的规模研究起步于2015—2016年，主要研究内容包括储层特征和力学特征等，主要研究对象为四川盆地内的深层页岩，研究进展时间切片图如图2所示。我国深层页岩(气)研究围绕工程痛点(如压裂，包含水力压裂、分段压裂、体积压裂等技术工艺关键词以及水平井井壁稳定、交替注液、改造体积等相关关键词)、地质痛点(如勘探前景、各向异性、主控因素、成藏机理、富集条件、储层发育机理、地质工程一体化等)、研究对象(如四川盆地、龙马溪组、五峰组—龙马溪组、深层-超深层、荣威页岩气田等)及特点等展开，深层页岩研究的知识网络如图3所示。从前人研究成果来看，得益于良好的保存条件，川南研究区深层页岩孔隙性较好，川南深层区页岩孔隙发育程度与焦石坝区块相似乃至更好，孔隙类型与结构存在一定差异，含气性参数的分布与有机质分布特征相似，但试采压降快，产量下降速度快，压裂造缝扩展延伸相对较差，区块内水平井最佳靶窗不尽相同，需要精细储层解释和预测[6]。

图1 四川盆地五峰组—龙马溪组深层页岩气资源及分布(据文献[4])Fig.1 Deep shale gas resources and distribution of Wufeng-Longmaxi Formation in Sichuan Basin(According to literature[4])

图2 我国深层页岩研究进展时间切片Fig.2 Time slice of research progress of deep shale in China

图3 我国深层页岩研究的关键词知识网络Fig.3 Knowledge network of deep shale research in China

深层页岩地质评价的信息来源与中浅层相似，主要来源于岩心及对应测试、测井数据以及其他勘探方法，因此，中浅层页岩的评价指标体系易于在深层页岩勘探中建立。但深层页岩地层条件相对极端，对于精准评价的需求与中浅层存在差异，因此中浅层页岩评价指标显然不适用于深层页岩[10]。深层条件下，页岩岩石物理性质塑性更强，地层演化过程对孔隙系统及其连通性的影响更为显著。研究表明，深层页岩勘探预测不仅需要考虑基础的有机质含量、孔隙发育程度等常规指标，还需要考虑孔隙保护机制[11]以及影响孔隙系统连通性和有效性的因素[12]。此外，由于工程开发条件的极端性，深层页岩勘探还必须考虑与工程开发方式的配合，针对优化开发方式选取有利于工程因素的地质特征纳入评价体系，增强地质评价与工程开发的关联。

2 更新深层页岩储层特征与控制因素认知

基于对中浅层页岩储层的认知，学界及工业界总结了多套评价方案，或基于数据关联、或基于理论分析，形成了对复杂控制因素的阶段认识。一般认为页岩储层的重要特征包括有机质特征(含量、类型、热成熟度及分布规律)、矿物组分特征、物性参数(孔隙性、岩石脆性和渗透性)等。深层页岩地质环境更为特殊，储层特征中影响勘探预测以及开发的控制因素可能发生变化，需要更新相关认知。对渝西大足地区深层页岩的宏观观测表明，深层页岩样品的宏观非均质性相对较弱，岩心致密，比重大，黄铁矿晶体较为发育，在宏观尺度上观测岩石结构存在困难，如图4a和图4b所示。微观下，深层页岩仍然显示了极强的微观非均质性，储层力学特征具有特殊性[9]，如图4c和图4d所示。极高的垂向压力也导致两向应力差异更显著，岩石结构造成的“层控”特征(如富笔石水平层理、粉砂质-泥质纹层等对物性、含气性的两向差异特性)更为显著，如何在评价体系中反映不同岩石结构的“层控”特性仍有待进一步研究。加强对深层页岩小尺度沉积构造及其对储层物性的影响研究，对认知储层非均质性及其影响具有特殊意义，是完善预测深层储层“可压性”的一项补充指标[13]。开展深层页岩力学薄弱面体系的表征，有助于体积压裂等技术的高效应用。

图4 深层页岩储层样品外观形貌及微观特征Fig.4 Morphology and microscopic characteristics of deep shale reservoir samples

深层页岩储层在物质组分、孔隙特征、岩石结构上与中浅层页岩存在差异，这些特征在地质过程中的演化，进一步控制了储层物性与含气特征的特殊性。对渝西地区深层页岩储层的初步研究表明，深层页岩经历的储层成岩改造对孔隙系统和物性的塑造更强，在富生物源硅质来源层段，经由过量硅、有机质和黏土矿物的协同演化，可以形成由超高含量石英+固体沥青为主的有机质显微物相组合，形成脆性骨架组合高有机质含量的优质储层，在有机质生烃热演化、力学薄弱面脱接触、溶蚀作用等孔隙建设作用储层成岩作用之外，这样的优质储层层段还具有孔隙网络发育的力学保护机制[10-11]，构成深层页岩勘探精准评价的另外一项补充依据。对储层有机质特征及其演化机理也应进一步强化，尤其是与储层其他物质组分、孔隙系统的保存与演化相结合，对于富有机质页岩的评价归根结底还是对细粒沉积物中“有机特性”(有机质及其演化产物)的评价。沉积环境与沉积条件对有机质等原始物质组分的控制，有机质的聚集与保存机制，生物硅的形成及其在储层演化中的作用，有机质与矿物组分的耦合演化及其对储层孔隙系统的影响等，都需要从细粒沉积物的角度进一步研究认识[14]。随着对深层页岩地质特征特殊性的认识不断深入，深层页岩储层评价体系内的关键参数及其权重还将进一步变化、完善。

3 深层页岩储层评价参数指标建设

在中浅层页岩储层评价中，核心评价指标除构造条件、岩层厚度、展布、埋深等宏观参数外，主要是反映储层物质组分及孔隙性、物性的相关指标，如有机质类型、含量及热演化程度、脆性矿物含量、力学指标、储层物性参数等[15]，这些参数的遴选主要是基于可采集数据及其相关性，选取的核心要素更倾向于数据的可获得性而非逻辑关联。深层页岩勘探风险上升，对于储层评价参数的选取与指标体系的建立，仅仅依靠可获得参数的相关性风险较高，需要在地质过程研究的基础上，建立对深层页岩优质物性层段及其特殊性成因的深入认识，充分认识到特殊性、差异性、非均质性对于深层页岩选层的重要性[16]，配合深层工程获取的实践参数，才能科学地建立针对深层页岩储层的评价参数指标体系。中浅层页岩储层评价体系扩展性与可应用性的受限，也反映了经验评价方法的局限性，通过目前的地质积累，建立多元地质因素数据集，基于智能化数据处理方法(如深度学习和机器学习等)，已经可以实现各因素间的层级归类以及权重判断。随着数据与样本的积累，逐渐形成对储层重要性质影响因素的全面认识，在此基础上建立的评价体系具有因素间的逻辑关联，因而具有更好的适用性。页岩储层评价参数指标的逻辑性、体系性和动态性，将是进一步开展储层精细、精准评价预测的基础，将沉积构造、孔隙保护机制、多因素耦合及非均质性等指标纳入评价参数体系，有助于深层页岩储层评价的可应用性与适应性，科学地指导储层核心优质靶体段层的遴选。对于这些因素的参数量化方式、权重与体系化，以及参数纳入评价指标体系的合理性，还有待开展进一步研究。

4 适应潜在新开发方式的深层页岩储层评价

深层页岩气勘探的另一个重要问题是工程开发效果有限。由于深层受高温高压、高摩阻、三向应力变化剧烈、地层闭合应力大及塑性增强等因素影响，工程开发成本显著增高，风险增大，亟待研究适应深层地质条件的新工程措施或开发技术[17]。针对深层页岩储层勘探开发的痛点和难题，一系列新技术、新工艺得到了初步应用，如体积压裂结合分段压裂、重复压裂、同步压裂、交叉压裂和改进拉链式压裂等工艺；同时，一系列完全不同于中浅层页岩压裂技术的工程工艺方法正在进行针对性攻关，如大排量压裂、分段燃爆压裂等。针对深层页岩储层精细表征、评价、预测、选层的技术工艺也应充分考虑如何适应潜在的新开发方式。

5 结语

深层页岩的精准预测评价需要基于对深层页岩地质演化的过程认知，需要建立针对性的指标参数体系，有针对性地将深层可压性指标、优质储层发育机理、深层条件孔隙保存机制纳入指标，充分考虑地质特征的特殊性及其成因，完善指标体系建设，增强储层评价指标、评价参数及评价方法的适用性。随着深层页岩勘探开发技术工艺的发展，适应潜在新开发方式的深层页岩储层评价也必将成为新的研究热点。深层页岩气资源勘探开发成效是我国页岩气资源持续发展的关键，但也面临更为复杂的地质和工程开发条件，需要针对性地开展对深层页岩的精细认知，以更好地指导深层页岩的精细评价与精准选层，服务开发生产。