岩矿扫描录井技术在威远Z 207井的应用研究

殷 黎 明

(中国石团长城钻探工程有限公司录井公司)

0 引 言

川西南地区上奥陶系五峰组和下志留系龙马溪组黑色页岩，作为中国古生界海相页岩的代表，具有热成熟度大、有机质丰度高、含气性好的特征，是中国南方页岩气勘探开发的热点层位，目前已经建立了威远、昭通、长宁、礁石坝等多个国家级页岩气示范区[1-3]，实现了我国页岩气的地质工程一体化开发。

四川盆地处于扬子准地台偏西北一侧，包括川东南坳褶区、川中隆起区和川西北坳陷区[4]。威远构造位于川中隆起区的川西南低陡褶带。Z 207井区位于其东南部，构造整体上呈北东向展布大背斜，北翼缓南翼陡，呈一隆三凹构造格局。该工区西北部、东北部地层倾角较小，一般在1°～5°之间，东南部地层倾角较大，在5°～30°之间，埋深一般大于3 500 m。工区东南部发育多条北东走向逆断层，延伸长度2～18 km，断距20～200 m，可能对页岩气保存条件影响较大。构造方面的原因导致区内页岩气开发起步较晚，相关地质资料较为匮乏，对该区内的优质页岩储层认识程度不高，无法对该区的页岩气资源进行规模化开发。为了合理、高效开发Z 207井区的页岩气资源，在工区东南部部署了一口评价井，并进行了钻井取心。本次通过岩矿扫描录井技术，取样分析了Z 207井岩心样品，对龙马溪组龙一1亚段储层的矿物组成特征、岩石结构特征及力学特征进行了有效评价，落实了Z 207井区龙马溪组优质页岩厚度等储层参数，并给出了水平井施工建议箱体。通过本次研究，提高了对该井区的甜点认识程度，为该区下一步大规模部署水平井、开发井提供了技术支撑。

1 岩矿扫描录井技术

岩矿扫描录井技术是一种自动化矿物岩石学检测技术，通过扫描电镜和能谱仪的结合，对岩石样品(岩屑或岩心)进行全自动面扫分析，定量获取组成岩石的元素、矿物、孔隙度、孔隙结构，进而获取岩石脆性以及岩石力学等参数的一项分析技术，主要应用于岩石属性识别、非常规储层甜点识别与评价、水平井地质导向、压裂方案优化等领域。

分析样品为威远地区Z 207井岩心，层位涵盖志留系龙马溪组龙一1亚段至宝塔组，主要针对龙一1亚段优质页岩。进行了矿物分析、物性分析、岩石力学分析，共计分析样品107样次。本次分析采用某公司研发的岩矿扫描录井仪(图1),整个分析过程仪器运行性能稳定，获取数据真实可靠。

图1 岩矿扫描录井仪

2 储层评价

从矿物、物性、岩石力学性质3个方面对四川威远地区Z 207井的优质页岩进行综合评价，获取了各个层位的矿物组分、有机质，及孔隙结构特征。通过矿物及孔隙数据，结合模型参数，建立了该井的岩石物理模型，进而得到了相关层位的岩石弹性力学参数，如图2所示。结合脆性矿物含量、有机质、孔隙度，及力学参数对龙马溪组各小层进行了分析对比，优选出Z 207井区的水平井施工的最优巷道。

图2 Z 207井岩矿扫描录井综合图

2.1 矿物特征评价

龙一1亚段至宝塔组的主要矿物的相对体积百分含量数据如表1所示。通过页岩矿物成分分类三角图板(图3)对各个小层投点，可以划分为黏土质页岩相、黏土质硅质混合页岩相和硅质页岩相三类，再根据岩相类型对各个小层的矿物特征进行简单阐述。

表1 龙一1亚段至宝塔组主要矿物含量数据 %

龙一14小层上部为黏土质页岩相，伊利石及伊蒙混层较发育，下部过渡为黏土质硅质混合相页岩，石英含量有所上升，与少量方解石矿物成条带状分布，在矿物假色图上较为清晰地呈现出来(图4中棕色、绿色为黏土矿物，粉色、黄色为石英，蓝色为碳酸盐岩)，硅质成分明显且呈现定向排列的特征，揭示其岩石层理较发育，且证实了该区域龙一14小层下部与龙一13小层的石英来源于陆源碎屑这一观点[5-6]。

图3 页岩矿物成分分类三角图板

图4 龙一14小层下部3 665 m矿物假色图

龙一13小层为黏土质硅质混合相页岩，石英含量与龙一14小层相比变化不明显，黏土矿物为伊利石和伊蒙混层，石英和方解石呈条带状定向排列。龙一12小层岩相为黏土质硅质混合相页岩，部分井段为黏土质页岩相，石英含量进一步升高，最高可达38.38%。

龙一11小层为该井硅质含量最高的层位，根据岩相可划分为上、中、下三个部分，如图5所示。

图5 龙一11小层矿物分布综合图

龙一11小层上部为黏土质页岩，斜长石含量为本井最高，黏土含量相对下降但仍处于较高的水平，石英含量平均为16.77%。井深3 684 m之后，能谱伽马(含放射性铀元素)与无铀伽马的差值逐渐上升，反映出有机质含量的升高，有机质指示矿物黄铁矿出现本井中的峰值，在背散射图上可以看到条带状及团块状黄铁矿零散状分布于黏土矿物中(图6a)，而二次电子成像则显示出黄铁矿主要以立方体的形态产于伊蒙混层周围(图6b)，说明黄铁矿形成时期地层中的硫元素富集，在有机质的强还原作用下，硫元素进一步与活性铁反应，形成一系列铁的单硫化物，并最终形成黄铁矿而保存于沉积物中[7]。因此，黄铁矿可以作为富有机质沉积的一个重要指征[8]，从侧面反映出该井龙一11小层为富有机质页岩。

图6 龙一11小层上部

龙一11小层中部为硅质页岩，石英含量为该井最高，可见大量自生石英(图7a)，多为生物成因，最高可达72.35%，黏土矿物和碳酸盐岩含量较低；有机质富集，呈星点状及条带状分布(图7b)，多与草莓状黄铁矿共生(图7c)；见大量放射虫微化石，证实了石英为生物成因[9]，矿物假色图上显示出其硅质外壳已被方解石(蓝色)交代(图7d)。

图7 龙一11小层中部

龙一11小层下部为黏土质硅质混合相页岩，硅质含量急剧下降，黏土含量上升，碳酸盐含量略有提高，有机质含量呈逐渐下降的趋势。

通过对比龙一1亚段四个小层矿物特征，可以看出龙一11小层具有高石英、低黏土，及低碳酸盐岩的特征，脆性矿物含量也高于其他小层，为该井的优势储层。其中龙一11小层中部井段3 684.5～3 686.0 m石英含量最高、有机质最发育，为最优岩相。因此，得出该井矿物甜点井段为：3 684.5～3 686.0 m。

2.2 物性特征评价

由于五峰组及宝塔组地层并非本次的研究重点，因此其孔隙特征在此不做赘述。本次主要研究对象龙一1亚段各个小层的孔隙结构特征如表2所示。

表2 龙一1亚段各小层孔隙结构数据

通过对龙一1亚段各小层孔隙数据对比,结合孔隙结构分布综合图(图8)后得出如下结论：龙一14小层高黏土段的层状黏土矿物发育，故裂缝发育亦较好，该小层底部有机质发育，造成孔隙度较高；有机质较高的井段，如龙一14小层中下部，孔隙以小于10 μm的小孔为主，而有机质低的部位，如龙一14小层中上部，孔隙以大于200 μm的大孔为主；龙一11小层孔隙最发育，其中部高石英段孔隙度最高，孔隙以纳米级别的有机质孔为主[10]，物性最好。因此，该井物性甜点井段为：3 684.5～3 686.0 m。

通过扫描电镜高分辨率二次电子成像观察，龙一11小层的纳米级孔隙主要分为气孔[11](图7a)、铸膜孔(图7c)、沥青球粒孔[12](图9a)，以及层状黏土片间缝(图9b)。其中，气孔和沥青球粒孔在龙一11小层样品中出现频率极高，反映该小层有机质发育程度较高，同时二者对孔隙度的贡献最大。

图8 Z 207井孔隙结构分布综合图

图9 龙一11小层SE图

2.3 岩石力学特征评价

本次岩石力学参数的获取方法来源于四川盆地上奥陶统-下志留统泥岩弹性性质的岩石物理模型[13]，本模型所用算法基于颗粒介质接触理论(Digby, 1981;Mavko， 2009;Mindlin, 1949)，通过上述计算方法的参数包括密度、横波时差、纵波时差、杨氏模量和泊松比，并在此基础上计算获取了储层的脆性及薄弱性指数，如图10所示。

通过模型计算，龙一11小层中部高石英段(井段3 684.5～3 686.0 m)岩石力学性质优良，具有低密度、中高时差、高杨氏模量和低泊松比的特征，同时拥有较高的脆性及薄弱性(表3)，这些岩石力学特征将在水力压裂中响应良好，有利于进行压裂改造。因此，该井力学(工程)甜点井段为：3 684.5～3 686.0 m。

2.4 优质页岩综合评价

在矿物、物性及岩石力学评价的基础上，结合高温地化数据及含气量数据，根据四川盆地威远地区的优质页岩评价标准(表4)，对Z 207井龙一11小层中部高石英段进行了优质页岩综合评价，结果显示：龙一11小层中部的井段3 684.5～3 686.0 m，TOC含量均值为2.32%，孔隙度均值为3.74%，符合Ⅱ类储层标准；而含气量均值为4.34 m3/t，脆性矿物含量均值为80.8%，杨氏模量均值为59.8 GPa，泊松比均值为0.14，远超Ⅰ类储层标准。据此综合评价龙一11小层中部高石英段为优质页岩储层。

2.5 纵向巷道优选

综上所述，通过优质页岩综合评价，认为龙一11小层中部脆性矿物含量较高，具有良好的含气性、物性及弹性力学特征，为地质和工程双甜点。因此，建议以3 684.5～3 686.0 m井段作为水平井施工最优巷道，厚度为1.5 m。

图10 Z 07井岩石力学特征综合图

表3 龙一11小层中部岩石力学数据

表4 四川盆地威远地区页岩气储层评价标准

3 应用效果

通过Z 207井岩矿扫描录井分析结果以及测井数据，综合判定龙一11小层中部为本井甜点，并在此基础上进行了直改平施工。该井于2021年9月20日顺利完钻，完钻井深5 970 m，水平段长2 100 m，龙一11小层箱体钻遇率93.5%，其中优质储层钻遇率85.3%。随后对井段3870～5 930 m分26段进行了压裂施工，平均排量14.25 m3/min，平均泵压95.92 MPa,于2022年1月21日完成压裂作业。经焖井后试气求产，最终获稳定高产工业气流，最高产量9.68×104m3/d，稳定产量7.84×104m3/d，截至2022年2月底，该井已累产天然气90.37×104m3。

4 结 论

本次采用岩矿扫描录井技术，重点对四川威远地区Z 207井龙一11小层进行了研究，得出结论如下：

(1)龙一11小层中部发育硅质页岩，石英为生物成因，具有高石英、低黏土、低碳酸盐的特征。

(2)龙一11小层中部有机质含量高，纳米级孔隙发育，气孔和沥青球粒孔多见，是造成高孔隙度的直接原因。

(3)龙一11小层中部力学性质最好，有利于完井压裂施工。

(4)综合评价龙一11小层中部为Z 207井优质烃源岩，是地质和工程的双甜点，井段3 684.5～3 686.0 m作为水平井施工最优巷道，为该平台下一步水平井的部署及开发奠定了基础。