高占京，鄭和榮，黃　韜

(1.中國石化 國際勘探開發(fā)有限公司 美國公司，美國 俄克拉荷馬城　73112；2.中國石化 休斯頓研發(fā)中心，美國 休斯頓　TX77056； 3.美國萊斯大學(xué)，美國 休斯頓　TX77005)

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美國俄克拉荷馬州伍德福德頁巖甜點(diǎn)控制因素研究

高占京1，鄭和榮2，黃韜3

(1.中國石化 國際勘探開發(fā)有限公司 美國公司，美國 俄克拉荷馬城73112；2.中國石化 休斯頓研發(fā)中心，美國 休斯頓TX77056； 3.美國萊斯大學(xué)，美國 休斯頓TX77005)

摘要：美國俄克拉荷馬州伍德福德(Woodford)頁巖區(qū)帶是美國近年來新興起的重要的非常規(guī)頁巖油氣生產(chǎn)區(qū)之一，其覆蓋區(qū)域包括阿納達(dá)科(Anadarko)盆地、阿德莫(Ardmore)盆地、阿卡馬(Arkoma)盆地和切羅基(Cherokee)臺地。伍德福德頁巖是北美重要的泥盆系富含有機(jī)質(zhì)頁巖，有機(jī)質(zhì)含量最高可達(dá)14%。伍德福德頁巖甜點(diǎn)區(qū)域位于凝析氣或成熟油窗，頁巖的鏡質(zhì)組反射率(Ro)為0.6%～1.4%，巖層厚度超過20 m；底部必須具有厚度至少15 m以上的隔層，以防止壓裂串通上下含水層；具有有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)7%的巖層和燧石層等脆性夾層，裂縫發(fā)育程度高，鉆井位置必須避開大型斷裂。根據(jù)甜點(diǎn)控制因素，設(shè)計具有針對性的鉆完井方案，降低鉆探風(fēng)險和成本，可以獲取較高的開發(fā)效益。

關(guān)鍵詞：甜點(diǎn)控制因素；鉆完井優(yōu)化；伍德福德頁巖；俄克拉荷馬州；美國

1區(qū)域概況

伍德福德(Woodford)頁巖是美國俄克拉荷馬州重要的油氣源巖，自2008年以來，隨著被成功商業(yè)開采，已成為重要的頁巖油氣產(chǎn)層[1-9]。伍德福德頁巖是海相黑色—暗灰色的富含有機(jī)質(zhì)和硅質(zhì)的頁巖，含有燧石以及少量灰綠色頁巖、磷酸鹽結(jié)核和黃鐵礦[10]。伍德福德頁巖成藏區(qū)帶覆蓋整個俄克拉荷馬州東部，從阿納達(dá)科(Anadarko)盆地、阿德莫(Ardmore)盆地、阿卡馬(Arkoma)盆地延伸至切羅基(Cherokee)臺地。研究不同區(qū)域伍德福德頁巖甜點(diǎn)的控制因素，有助于準(zhǔn)確預(yù)測油氣產(chǎn)量，設(shè)計具有針對性的水平井鉆完井方案，從而降低鉆探風(fēng)險和成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

伍德福德頁巖在切羅基臺地與上覆金德(Kinderhookian)灰?guī)r呈平行不整合接觸，下伏地層自上而下分別發(fā)育了亨頓(Hunton)灰?guī)r、西爾萬(Sylvan)頁巖和維奧拉(Viola)灰?guī)r。由于下伏地層向北東方向被剝蝕尖滅，因此伍德福德頁巖在不同區(qū)域分別和這些地層呈不整合接觸。

2油氣產(chǎn)量控制因素

伍德福德頁巖油氣產(chǎn)量的控制因素主要集中在以下幾個方面：頁巖熱成熟度、頁巖沉積厚度、隔層厚度、礦物成分和成因類型、構(gòu)造、古地理沉積環(huán)境和裂縫發(fā)育程度等。

2.1頁巖熱成熟度

伍德福德頁巖主要有機(jī)質(zhì)類型是Ⅱ型干酪根，其中黑色頁巖的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)25%[11]。伍德福德頁巖含有少量的結(jié)構(gòu)藻類體(telalginite)、層狀藻類體(lamalginite)、鏡質(zhì)組、惰性煤素質(zhì)(inertinite)和固體瀝青[10]。

近年來，Cardott等[12]測量了阿納達(dá)科盆地、阿德莫盆地、阿卡馬盆地、切羅基臺地共233個伍德福德頁巖樣品的鏡質(zhì)組反射率。根據(jù)對德克薩斯州福特沃斯(Fort Worth)盆地富Ⅱ型干酪根Barnett頁巖的研究[13]，伍德福德頁巖熱成熟度窗被分為油窗(Ro=0.55%～1.15%)、凝析/濕氣窗(Ro=1.15%～1.40%)和干氣窗(Ro>1.40%)。根據(jù)對富Ⅱ型干酪根在懷俄明州粉河(Powder River)盆地Mowry頁巖的研究[14]，進(jìn)一步將伍德福德頁巖油窗劃分為早油窗(Ro=0.55%～0.75%)、峰值油窗(Ro=0.75%～0.90%)和晚油窗(Ro=0.9%～1.15%)。據(jù)圖1，伍德福德頁巖鏡質(zhì)組反射率在阿納達(dá)科、阿德莫、阿卡馬盆地都超過1.40%，處于干氣窗。在這3個盆地向切羅基臺地過渡的陸架上，鏡質(zhì)組反射率從1.4%逐漸減小為0.70%，從凝析/濕氣窗轉(zhuǎn)移至成熟油窗。阿納達(dá)科盆地對伍德福德頁巖的開發(fā)都集中在凝析/濕氣窗向峰值油窗的過渡帶上。在靠近干氣窗且伍德福德頁巖埋深低于海平面以下3 000 m位置的生產(chǎn)井都為氣井(氣油比大于10 000 scf/stb)；而在晚油窗和峰值油窗，且伍德福德頁巖埋深在海平面以下3 000～2 000 m位置的生產(chǎn)井為油井(氣油比小于10 000 scf/stb)。阿德莫盆地對伍德福德頁巖的開發(fā)也集中在凝析/濕氣窗向峰值油窗的過渡帶上，主要?dú)饩木孜恢梦挥诤Ｆ矫嬉韵录s3 000～1 500 m，而油井的井底位置位于海平面以下2 500～1 000 m。阿卡馬盆地對伍德福德頁巖的開發(fā)主要集中在干氣窗，因此90%以上的井都以產(chǎn)氣為主，但是此處伍德福德頁巖埋深較小，處于海平面以下2 500～1 500 m，甚至更淺。切羅基臺地開發(fā)的是處于早油窗的伍德福德頁巖，鉆井井底位置都在海平面以下1 500～500 m，且90%以上都以產(chǎn)油為主。

根據(jù)Cardott等[12]研究，阿納達(dá)科盆地伍德福德頁巖Ro=0.49%～4.89%，熱成因甲烷可在Ro=1.1%～1.6%時生成，而凝析氣主要在Ro=1.5%左右生成。在阿德莫盆地北部，伍德福德頁巖Ro=0.49%～2.45%，當(dāng)Ro<1.2%時，伍德福德頁巖處于生油窗。阿卡馬盆地伍德福德頁巖Ro=0.49%～6.36%，熱成因甲烷在Ro=1%～3%時生成，而凝析氣主要在Ro=1.67%左右生成。切羅基臺地伍德福德頁巖埋深高于海平面以下600 m，熱成因甲烷在Ro=0.9%～1.2%范圍內(nèi)生成，但同時也含有生物成因甲烷。

圖1　美國俄克拉荷馬東部伍德福德頁巖鏡質(zhì)組反射率和沉積厚度分布

2.2頁巖沉積厚度

伍德福德頁巖在阿納達(dá)科、阿德莫和阿卡馬盆地核部沉積厚度較大，平均厚度超過60 m，向切羅基臺地逐漸變薄，局部地區(qū)相對較厚。如圖1所示，伍德福德頁巖在俄克拉荷馬州西南和東南部較厚，平均厚度超過60 m。在切羅基臺地西南部，穿過尼馬哈(Nemaha)隆起，延伸至阿納達(dá)科陸架有一個伍德福德頁巖厚度較大的東南—西北向條帶，其上伍德福德頁巖平均厚度超過30 m。圖1中箭頭指示了可能的古水流方向，主要是北西—南東方向，從古地理位置較高處的堪薩斯(Kansas)隆起，流向古地理位置較低處的阿納達(dá)科陸架和切羅基臺地，直至更深的古地理洋盆[15]。伍德福德頁巖沉積厚度在亨頓灰?guī)r頂部下切谷中較厚，這與一些研究者提出的地層層序模型一致[16]。

伍德福德頁巖沉積厚度受古地理沉積環(huán)境影響，后期又受到構(gòu)造運(yùn)動的作用。在晚泥盆世(約360 Ma之前)，整個俄克拉荷馬州處于開闊的海洋沉積環(huán)境，高有機(jī)質(zhì)含量的頁巖沉積在底部亨頓灰?guī)r之上，低氧環(huán)境有利于沉積和保存生油的有機(jī)質(zhì)。其中，在亨頓灰?guī)r頂部的下切谷位置，即亨頓灰?guī)r厚度較小處，伍德福德頁巖沉積厚度較大。由于尼馬哈斷裂晚泥盆世的活動，伍德福德頁巖在尼馬哈隆起位置厚度較小。在早賓夕法尼亞紀(jì)(約315 Ma之前)，由于北美陸塊和南美陸塊的碰撞，發(fā)生強(qiáng)烈造山運(yùn)動，形成阿納達(dá)科、阿德莫和阿卡馬前陸盆地，賓夕法尼亞系砂巖在這些盆地中受到擠壓作用，位于盆地中的伍德福德頁巖增厚。在晚賓夕法尼亞紀(jì)(約300 Ma之前)，造山運(yùn)動劇烈，地層變形強(qiáng)烈，盆地快速沉降并接受沉積，主要的賓夕法尼亞系砂巖沉積于伍德福德頁巖之上，在盆地內(nèi)伍德福德頁巖進(jìn)一步增厚。

2.3頁巖下伏地層及隔層組合

在切羅基臺地，亨頓灰?guī)r基本被剝蝕，平均厚度不到5 m，而下伏西爾萬頁巖為伍德福德頁巖與下部主要含水層維奧拉灰?guī)r、辛普森(Simpson)砂巖、阿巴克爾(Arbuckle)灰?guī)r之間的隔層。圖2表示309口伍德福德頁巖水平井含水率和底部西爾萬頁巖厚度之間的關(guān)系。其中，水平井底部的西爾萬頁巖厚度是取其水平段50 m范圍內(nèi)的西爾萬頁巖厚度平均值，而西爾萬頁巖等厚圖則是基于IHS和作者拾取的數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯词蛊涞撞课鳡柸f頁巖厚度較大，水平段接觸斷層井的含水率都在90%以上。遠(yuǎn)離斷層的井，當(dāng)西爾萬頁巖厚度小于10 m時，大部分井的含水率超過90%；而當(dāng)西爾萬頁巖厚度大于15 m時，大部分井的含水率小于90%。圖2中的藍(lán)色實(shí)線為不接觸斷層的生產(chǎn)井含水率和西爾萬頁巖厚度的線性擬合曲線，隨著西爾萬頁巖厚度增加，井的含水率減小。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，切羅基臺地含水率超過95%以上的井基本都分布在西爾萬頁巖厚度小于5 m的區(qū)域內(nèi)；而含水率小于85%的井基本都分布在西爾萬頁巖厚度大于15 m的區(qū)域內(nèi)。在西爾萬頁巖厚度大于15 m的區(qū)域內(nèi)，有部分井的含水率大于90%，而這部分井的水平段基本都接觸到了斷層。

2.4頁巖中燧石成因

伍德福德頁巖主要為不含碳酸鹽的高有機(jī)質(zhì)含量的泥巖。燧石在俄克拉荷馬州各個地區(qū)的伍德福德頁巖中廣泛分布[17-18]。燧石由硅質(zhì)微體化石成巖交代作用形成，特別是放射蟲化石對燧石的形成貢獻(xiàn)很大。除了放射蟲，燧石中的硅質(zhì)也來源于塔斯馬尼亞孢屬(Tasmanites)和陸源碎屑。伍德福德頁巖中的放射蟲化石由俄克拉荷馬州南部向切羅基臺地減少，由尼馬哈隆起東部向西部減少。在俄克拉荷馬州南部，放射蟲在硅質(zhì)伍德福德頁巖中大量存在，而在阿納達(dá)科盆地北部，伍德福德頁巖中的硅質(zhì)主要是塔斯馬尼亞孢屬和碎屑石英[19-21]。運(yùn)用深海上涌流模型來解釋不同地區(qū)伍德福德頁巖中放射蟲含量的不同[18-19]。在晚泥盆世，深海上涌流由俄克拉荷馬州東南部流向西北部，由于切羅基臺地海水較淺，深海上涌流對其影響較小，而尼馬哈隆起則阻止了深海上涌流侵入阿納達(dá)科盆地中部和北部；由于尼馬哈隆起沒有延伸到俄克拉荷馬州南部，阿納達(dá)科盆地南部則受到較強(qiáng)的深海上涌流的影響?；谝陨显?，深海上涌流帶來的放射蟲在尼馬哈斷裂東部的阿卡馬盆地和阿納達(dá)科盆地南部大量存在，而在切羅基臺地和尼馬哈隆起西部的阿納達(dá)科盆地中部和北部較少，因此燧石層在尼馬哈東部阿卡馬盆地和阿納達(dá)科盆地南部地區(qū)主要由放射蟲化石組成，而在切羅基臺地和阿納達(dá)科盆地中部和北部則不然。

圖2　美國切羅基臺地伍德福德頁巖水平井含水率和底部西爾萬頁巖厚度關(guān)系

圖3　美國切羅基臺地西爾萬頁巖厚度與含水井分布

由于阿納達(dá)科盆地中部和北部受深海上涌流影響較小，生物擾動在伍德福德頁巖底部廣泛存在。生物擾動發(fā)育的巖層一般孔隙度和滲透率較低。有生物擾動的層位一般有機(jī)碳含量較低而泥質(zhì)含量較高，屬于韌性層；當(dāng)無生物擾動層和生物擾動層互層時，總體上這一層位呈韌性，不利于壓裂提高產(chǎn)能。因此，水平井地質(zhì)導(dǎo)向應(yīng)避免位于伍德福德頁巖下段。

高燧石含量的伍德福德頁巖層呈脆性，有利于生成天然裂縫，因此裂縫孔隙度較大、滲透率較高，且燧石層易于壓裂，裂縫不易閉合，因而具有較高的采收率。燧石含量的高低對水平井的地質(zhì)導(dǎo)向和經(jīng)濟(jì)效益影響很大，Slatt[22]提出，伍德福德頁巖的優(yōu)質(zhì)層位是有機(jī)質(zhì)含量高且又具有燧石夾層的層位，稱為脆韌性耦合層(brittle-ductile couplet)。高的有機(jī)質(zhì)含量保證了資源量，但是高有機(jī)質(zhì)含量的頁巖一般是韌性的，大量燧石夾層的存在使得整個層位趨于脆性，具有高孔隙度和高滲透率，且易于地質(zhì)導(dǎo)向和壓裂，因此產(chǎn)量較高。

圖4是位于切羅基臺地佩恩(Payne)郡的一口伍德福德頁巖水平井的地質(zhì)導(dǎo)向圖和附近一口直井的裸眼測井圖。這一伍德福德水平井的30天初始產(chǎn)量約為500 bbl/d，且含水較低，是經(jīng)濟(jì)效益較高的伍德福德頁巖生產(chǎn)井。從油層產(chǎn)出水裸眼測井圖(圖4b)可以發(fā)現(xiàn)，伍德福德頁巖的上段總有機(jī)碳含量高，平均為5%，泥質(zhì)含量高，石英含量低，為韌性層；中段(圖中紅線所夾層)總有機(jī)碳含量很低，平均為2%，泥質(zhì)含量低，石英含量高，是脆性層，而且這層干酪根含量高，說明有較多的油氣富集；下段總有機(jī)碳含量高，平均為4%，泥質(zhì)含量較中段高，石英含量較中段低，相對中段而言也是韌性層。這里的伍德福德頁巖上段和中段、中段和下段分別組成2層脆韌性耦合層。從伍德福德頁巖水平井的地質(zhì)導(dǎo)向圖(圖4a)可以發(fā)現(xiàn)，主要目標(biāo)層位是伍德福德頁巖的中段脆性層，且此水平井水平軌跡保持在了目標(biāo)層內(nèi)，因此產(chǎn)量較高.含水率低的原因是這里的西爾萬頁巖層厚度大，阻擋了人工壓裂產(chǎn)生的裂縫延伸至其下部維奧拉灰?guī)r含水層。

圖4　美國切羅基臺地一伍德福德頁巖井地質(zhì)導(dǎo)向軌跡圖及巖石物理性質(zhì)

2.5頁巖裂縫發(fā)育

裂縫的發(fā)育程度對伍德福德頁巖開發(fā)極其重要。圖5指示的是切羅基臺地研究區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育程度與產(chǎn)能的關(guān)系。圖5a是通過地震振幅隨方位角變化(amplitude variation via azimuth，即AVAZ)反演得到的伍德福德頁巖層各向異性強(qiáng)度分布圖，圖中各向異性強(qiáng)度大的地方，裂縫比較發(fā)育。可以發(fā)現(xiàn)，圖5a右下角裂縫發(fā)育處3口水平井的平均產(chǎn)能約是左上角裂縫不發(fā)育處5口水平井平均產(chǎn)能的2倍。但是另外2口處于裂縫發(fā)育區(qū)域的井的產(chǎn)量較低，原因是這2口井的水平段軌跡穿過了斷層，導(dǎo)致含水率較高，產(chǎn)量減小；最左邊的井產(chǎn)量低,也是由于穿過了斷層。圖5a中還有一個長水平段的井，即使水平段位于裂縫不發(fā)育的區(qū)域，產(chǎn)量也較常規(guī)水平段的井要高。圖5b是伍德福德頁巖層曲率圖，曲率一般代表了巖層的構(gòu)造變形，曲率圖上的正曲率的線性條帶一般代表正向構(gòu)造，負(fù)曲率的線性條帶代表負(fù)向構(gòu)造?？梢詮膱D5b中看出，這一區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造走向近似南北方向，因此，水平井的走向也基本是南北方向，因?yàn)檠刂鴰r層走向的巖層起伏較小，容易使水平井保持在目標(biāo)巖層內(nèi)。由于正向構(gòu)造上一般裂縫較為發(fā)育[23]，井位布置位于正向構(gòu)造上。曲率變化較大的線性條帶是斷層，布井過程中應(yīng)考慮和斷層避開一定的距離。

圖5　美國切羅基臺地伍德福德頁巖層各向異性強(qiáng)度和曲率

圖中氣泡表示試油30 d產(chǎn)量，氣泡越大，產(chǎn)量越高，最大氣泡表示超過500 bbl/d。圖5a中，紅色代表各向異性強(qiáng)，裂縫較為發(fā)育；藍(lán)色表示各向異性弱，裂縫不發(fā)育。疊加在各向異性圖上的小黑棒指示各向異性的一些特征，黑棒長短指示各向異性強(qiáng)度大小，黑棒越長，各向異性強(qiáng)度越大；其走向平行于各向同性平面，代表裂縫走向。在各向異性較大處，即黑棒較長處，裂縫走向主要是北西—南東方向。在圖5a上還疊加了伍德福德頁巖地震相干屬性，地震相干屬性值較大則透明，反之則呈黑色，地震相干值較小的區(qū)域，即黑色區(qū)域，指示了斷層。在圖5a下方有一東西向黑色條帶，是不同的地

震勘探的界線，由拼合不同地震資料所產(chǎn)生，不是由斷層的存在引起。

Fig.5Anisotropy intensity and curvature of the Woodford shales in the Cherokee Platform, eastern Oklahoma, USA

3結(jié)論

伍德福德頁巖甜點(diǎn)區(qū)域位于凝析氣或者成熟油窗，頁巖的鏡質(zhì)組反射率(Ro)為0.6%～1.4%，厚度超過20 m，底部必須具有厚度至少15 m以上的隔層，以防止壓裂串通上下含水層，具有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)7%的巖層和含有燧石層等脆性夾層，裂縫相對發(fā)育，鉆井位置必須遠(yuǎn)離大型斷裂。根據(jù)甜點(diǎn)控制因素，設(shè)計具有針對性的鉆完井方案，降低鉆探風(fēng)險和成本，可以獲取較高的經(jīng)濟(jì)效益。

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(編輯韓彧)

Attributes of sweet spots in the Devonian Woodford shales in Oklahoma, USA

Gao Zhanjing1, Zheng Herong2, Huang tao3

(1.USABranchCompany,SINOPECInternationalPetroleumExplorationandProductionCorporation,OklahomaCity,Oklahoma73112,USA; 2.HoustonR&DCenterofSINOPEC,Houston,TexasTX77056,USA; 3.RiceUniversity,Houston,TexasTX77005,USA)

Abstract:The Devonian Woodford shale play in Oklahoma is one of the big unconventional shale oil and gas production fields in USA, which covers the Anadarko, Ardmore and Arkoma basins and Cherokee Platform. The shales are rich in organic matter, with the maximum content of 14%. They have entered condensate gas or mature oil windows. The vitrinite reflectance (Ro) values range from 0.6% to 1.4%. Shale thickness exceeds 20 m. The water isolating layer beneath the shale formation should be at least 15 meters thick to avoid fractures made by hydraulic fracturing reaching the water bearing layer. Shale formations with a TOC content of 7% with chert layers with well developed fractures are the most promising. Well locations should be far away from major faults. Based on the attributes of sweet spots, we should design a specific drilling program to reduce drilling risk and cost and achieve high profit.

Keywords:attributes to sweet spots; optimization of drilling and completion; Woodford shale; Oklahoma; USA

文章編號：1001-6112(2016)03-0340-06

doi：10.11781/sysydz201603340

收稿日期：2015-12-07；

修訂日期：2016-03-24。

作者簡介：高占京(1969—)，男，高級工程師，從事石油地質(zhì)研究。E-mail：zjgao.sipc@sinopec.com。

中圖分類號：TE122.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A