四川盆地元壩超深層生物礁大氣田高效勘探及關(guān)鍵技術(shù)
元壩氣田位于四川省蒼溪縣及閬中市境內(nèi)，構(gòu)造位置位于四川盆地川北坳陷與川中低緩構(gòu)造帶結(jié)合部，西北部與九龍山背斜構(gòu)造帶相接，東北部與通南巴構(gòu)造帶相鄰，南部與川中低緩構(gòu)造帶相連， 受三個(gè)構(gòu)造的遮擋，斷裂不發(fā)育，主要目的層埋深大于6000米（圖1）。目前探明天然氣儲(chǔ)量2086.92×108m3，技術(shù)可采儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)成本0.5美元／桶，首期40×108m3產(chǎn)能建設(shè)即將完成。
埋深大于6000米的超深層是以四川盆地為代表的大型盆地尋找更多規(guī)模儲(chǔ)量的重要領(lǐng)域，尤以斷層、構(gòu)造不發(fā)育的元壩地區(qū)更具代表性。元壩地區(qū)超深層勘探難度大、挑戰(zhàn)多，一是勘探程度低，沉積相展布與演化規(guī)律不清，超深條件下能否發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層不明確，需要?jiǎng)?chuàng)新超深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理認(rèn)識(shí)；二是構(gòu)造圈閉不發(fā)育，斷層、不整合面等優(yōu)質(zhì)輸導(dǎo)體系不發(fā)育，需要?jiǎng)?chuàng)新天然氣成藏富集機(jī)理認(rèn)識(shí)；三是埋藏深度大，超深層目標(biāo)與氣水識(shí)別難度大，需要研發(fā)有效的地震勘探技術(shù)；四是多套壓力系統(tǒng)、高溫、高含硫?qū)Π踩⒖焖佟⒔?jīng)濟(jì)鉆探、測(cè)試挑戰(zhàn)大，需要?jiǎng)?chuàng)新適合超深層、復(fù)雜壓力體系的井筒技術(shù)。在這樣復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行勘探工作國內(nèi)外沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，2006年以來，中國石化依托國家科技攻關(guān)項(xiàng)目，組織多項(xiàng)科技攻關(guān)，突出自主創(chuàng)新，在地質(zhì)理論、地震與井筒技術(shù)方面取得了重大突破。項(xiàng)目由中國石油化工股份有限公司勘探南方分公司、中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院承擔(dān)完成，主要完成人有郭旭升、郭彤樓、蔡希源、王志剛、馬永生、李真祥、蔡勛育、胡東風(fēng)、陳祖慶、瞿佳、唐瑞江、丁士東、凡睿、雷鳴、黃仁春。
一、發(fā)現(xiàn)元壩大型生物礁帶，形成超深層生物礁優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理新認(rèn)識(shí)
1．通過晚二疊世等斜緩坡–鑲邊臺(tái)地動(dòng)態(tài)沉積演化過程及區(qū)域沉積格架恢復(fù)，建立了“早灘晚礁、多期疊置、成排成帶”的發(fā)育模式
通過野外露頭高頻層序精細(xì)分析、地震沉積學(xué)研究，識(shí)別出上揚(yáng)子西北緣吳家坪–長興期5種成因相組合和11種成因相標(biāo)志，建立了巖相–測(cè)井相–地震相響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)圖版和模板，恢復(fù)了元壩地區(qū)吳家坪期等斜緩坡–長興早期發(fā)育生屑灘形成遠(yuǎn)端變陡緩坡–中晚期疊覆發(fā)育三期生物礁形成鑲邊臺(tái)地的動(dòng)態(tài)沉積演化過程，重建了跨相帶區(qū)域沉積格架，建立了“早灘晚礁、多期疊置、成排成帶”的大型生物礁發(fā)育模式（圖2），突破了前期該區(qū)處于廣旺海槽深水沉積的認(rèn)識(shí)。鉆探證實(shí)臺(tái)地邊緣發(fā)育三排大型生物礁帶，礁體厚度70～180m，單個(gè)礁體面積7～50km2，礦權(quán)內(nèi)面積350km2。
2．揭示了“早期暴露溶蝕、淺埋白云巖化形成基質(zhì)孔隙，液態(tài)烴深埋裂解超壓造縫”的機(jī)理，提出“孔縫耦合”控制超深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的新認(rèn)識(shí)，建立了“孔縫雙元結(jié)構(gòu)”儲(chǔ)層模型
通過儲(chǔ)層巖石學(xué)、成巖孔隙演化、碳氧同位素研究以及碳酸鹽巖溶蝕動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，揭示了元壩地區(qū)長興組超深層礁蓋白云巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的機(jī)理和過程，認(rèn)為早期暴露溶蝕作用形成的溶蝕孔隙和通道是生物礁蓋優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的基礎(chǔ)；淺埋白云巖化作用在增加孔隙空間的同時(shí)提高了儲(chǔ)層骨架顆粒間的支撐能力，加之油氣的適時(shí)充注，是儲(chǔ)層在后期深埋過程中可長期保持良好物性的關(guān)鍵。
系統(tǒng)物性分析表明，生物礁儲(chǔ)層基質(zhì)孔滲性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，大量裂縫有效改善了低孔儲(chǔ)層的滲流能力。通過巖心和鏡下觀察分析、裂隙形成的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)等，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層中發(fā)育密集的水力壓裂縫；利用儲(chǔ)層流體包裹體古壓力測(cè)試及數(shù)值模擬研究，確定生物礁相對(duì)封閉體系液態(tài)烴深埋裂解成氣過程中，形成壓力系數(shù)高達(dá)1.77的強(qiáng)超壓，進(jìn)而提出液態(tài)烴深埋裂解導(dǎo)致超壓裂縫的形成機(jī)理。早期暴露溶蝕、淺埋白云巖化是基質(zhì)孔隙發(fā)育的基礎(chǔ)，孔隙液態(tài)烴深埋裂解導(dǎo)致的超壓縫是改善儲(chǔ)層滲透性的關(guān)鍵，“孔縫耦合”控制超深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了生物礁非均質(zhì)“孔縫雙元結(jié)構(gòu)”儲(chǔ)層模型，為生物礁儲(chǔ)層預(yù)測(cè)奠定了理論基礎(chǔ)。
二、形成了超深層生物礁成藏富集機(jī)理新認(rèn)識(shí)
1．提出了深水陸棚相吳家坪組–大隆組是川北地區(qū)二疊系主力烴源巖的新認(rèn)識(shí)
天然氣、儲(chǔ)層瀝青、源巖碳同位素對(duì)比研究表明，元壩長興組油源主要來源于北部廣元–旺蒼地區(qū)晚二疊世深水陸棚相區(qū)。二疊系吳家坪組–大隆組優(yōu)質(zhì)烴源巖以黑色泥頁巖為主，厚60～110m，干酪根類型為Ⅰ-Ⅱ1型，生烴強(qiáng)度達(dá)30×108～70×108m3/km2。元壩臺(tái)緣生物礁帶緊鄰生烴中心，具有形成大氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)。
2．建立了“三微輸導(dǎo)、近源富集、持續(xù)保存”的超深層生物礁成藏模式
元壩超深層缺乏斷層或不整合面等優(yōu)越輸導(dǎo)條件。通過露頭、巖心、薄片觀察，發(fā)現(xiàn)吳家坪組–長興組發(fā)育大量瀝青充填的微小斷層、微裂縫及層間縫，構(gòu)成“三微”輸導(dǎo)體系，實(shí)現(xiàn)了陸棚相烴源巖生成的油氣通過斜坡向臺(tái)緣礁帶匯聚成藏（圖3）。古油藏恢復(fù)研究表明，靠近臺(tái)緣外側(cè)生物礁帶古油藏充滿度高于內(nèi)側(cè)，具有近源富集的特點(diǎn)。數(shù)值模擬也表明“三微輸導(dǎo)”可以實(shí)現(xiàn)近源巖性圈閉的有效匯聚。包裹體分析確認(rèn)，元壩氣田雖經(jīng)歷早期油藏、中期深埋裂解和后期抬升改造的復(fù)雜過程，但一直未被斷層破壞散失，得以持續(xù)保存。
三、形成復(fù)雜山地超深層生物礁儲(chǔ)層地震勘探技術(shù)系列
1．突破超深弱反射層地震采集處理技術(shù)瓶頸，有效提高超深層反射能量和分辨率
開展近地表介質(zhì)和激發(fā)最佳匹配研究，建立面向超深礁灘儲(chǔ)層的飽和激發(fā)技術(shù)和采集設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，保證了超深目的層的有效能量；發(fā)展了近地表精細(xì)建模、層析成像、分頻靜校等方法與技術(shù)，建立了多次迭代、逐次逼近的靜校正技術(shù)組合，有效地解決了復(fù)雜山地近地表效應(yīng)難題；創(chuàng)新發(fā)展了基于各向異性和吸收衰減介質(zhì)模型的超深儲(chǔ)層弱信號(hào)提取與補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜山地超深層礁灘地震高精度、高分辨率疊前成像的技術(shù)突破。與老資料相比，埋深大于6500m目的層有效能量提高70%以上，有效頻帶范圍大幅度拓寬（頻帶范圍由原來的8～50HZ拓展到4～80HZ，主頻提高15～18Hz）。
2．形成了基于非均質(zhì)孔縫雙元結(jié)構(gòu)模型的孔構(gòu)參數(shù)反演技術(shù)，有效預(yù)測(cè)低孔高滲帶分布，大幅度提高了超深儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度
針對(duì)超深層生物礁儲(chǔ)層預(yù)測(cè)這一難題，率先將生物礁儲(chǔ)層的巖石學(xué)微觀結(jié)構(gòu)特征引入巖石物理參數(shù)測(cè)試與分析，厘定了該類儲(chǔ)層的地震波速度隨孔隙結(jié)構(gòu)類型的變化規(guī)律，突破傳統(tǒng)的一元孔隙度–速度Wyllie模型，建立了超深生物礁儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)類型–密度孔隙度與縱橫波速度間的新的表征關(guān)系式，創(chuàng)新發(fā)展了基于非均質(zhì)孔縫雙元結(jié)構(gòu)模型的孔構(gòu)參數(shù)反演技術(shù)方法， 取得低孔高滲帶預(yù)測(cè)的突破性進(jìn)展，超深有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度大幅度提高，埋深6500～7000m生物礁儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆符合率達(dá)93%，儲(chǔ)層厚度預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差1～3m，相對(duì)誤差小于5%。
3．形成了超深生物礁儲(chǔ)層高精度氣水識(shí)別技術(shù)，落實(shí)了高產(chǎn)富集帶
針對(duì)疊前資料超深層信號(hào)弱、信噪比低、AVO響應(yīng)特征不明顯等氣水識(shí)別難題，研發(fā)形成基于射線束聚焦和振幅與頻率衰減補(bǔ)償?shù)牡兰瘍?yōu)化技術(shù)，通過理論模型正演分析，明確了超深含氣生物礁儲(chǔ)層的AVA響應(yīng)特征，發(fā)展建立了廣義疊前彈性參數(shù)反演方法與技術(shù)，確定了高靈敏度氣水識(shí)別因子，通過井–震最佳匹配分析，構(gòu)建出表征超深生物礁儲(chǔ)層地震響應(yīng)特征的物理小波基，研發(fā)出新的高分辨率時(shí)頻分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超深層生物礁儲(chǔ)層氣水精細(xì)識(shí)別與預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)元壩氣田高產(chǎn)富集帶面積98.5km2，實(shí)施的10口探井均獲日產(chǎn)百萬方高產(chǎn)天然氣流（圖4）。
四、形成了復(fù)雜超深井鉆完井、測(cè)試技術(shù)系列
1．創(chuàng)新特種井身結(jié)構(gòu)，發(fā)展非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)，形成與之配套技術(shù)，鉆井工程成功率100%
采用減薄接箍、加厚套管方法創(chuàng)新了超深井非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)（20″×13-3/8″×10-3/4″×7-5/8″×5-3/4″），與常規(guī)比增加2層；以鉆桿接頭為基點(diǎn)雙向遞推形成全新的特種井身結(jié)構(gòu)（20″×16″×11-3/4″×8-5/8″×6-5/8″×4-3/4″），與常規(guī)比增加3層。應(yīng)用這兩種井身結(jié)構(gòu)，有效地解決了以前難以解決的地層壓力體系多、套管層次不夠、陸相大井眼可鉆性差、復(fù)雜故障多的難題，有效延長了上部氣體鉆井井段，增加了技術(shù)套管下深，封隔了更多的復(fù)雜層位，減少了故障復(fù)雜時(shí)間，鉆探能力大幅度提高。成功完成30口海相井鉆探，鉆井工程成功率100%，保證了高危氣田施工作業(yè)的安全。
針對(duì)這兩種井身結(jié)構(gòu)配套研發(fā)了新型雙臺(tái)肩氣密封南方扣防硫套管系列，密封能力比傳統(tǒng)套管有較大幅度增加（7"套管增加27.78%）。研發(fā)了新型特種井眼系列鉆頭（24" 、18-7/8"、13-1/2" 、10-1/2"、7-3/8"、5-1/2"、3-3/4"）、套管頭和固井、測(cè)試工具，形成了與之配套的工具系列，特種結(jié)構(gòu)套管頭金屬密封數(shù)量比傳統(tǒng)增加了1倍。
2．集成創(chuàng)新鉆井技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超深井優(yōu)快鉆井
在集成國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)和成功應(yīng)用了與氣體鉆配套的PDC鉆頭，創(chuàng)新φ444.5mm以上大尺寸井眼氣體鉆工藝，φ444.5mm井眼普遍鉆深3400m左右，出水后霧化鉆能保持20天以上穩(wěn)定；創(chuàng)新發(fā)展井控技術(shù)，在井口段設(shè)計(jì)應(yīng)用了厚壁套管（φ282.6mm、φ260.4mm），技套井口達(dá)到產(chǎn)層套管的密封能力（>80MPa），產(chǎn)層鉆井期間井口控制能力提高50%以上（φ215.9mm井眼由67.7MPa增加到104.64MPa），配套研發(fā)高能電子點(diǎn)火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)放噴口遠(yuǎn)程自動(dòng)電子點(diǎn)火；研發(fā)了新型復(fù)雜多面體高強(qiáng)度剛性顆粒堵漏材料，創(chuàng)新發(fā)展復(fù)雜超深井橋漿堵漏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高密度條件下地層承壓能力平均提高0.4g/cm3，套管需求減少2～3層；研發(fā)了新型防氣竄水泥漿體系及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)儀器，解決了復(fù)雜條件下深井固井難題，固井質(zhì)量合格率由82.98%提高到100%；集成創(chuàng)新超深定向井技術(shù)，在高溫（164℃）、高壓160MPa條件下順利完成了垂深6800～7200m、1000～1500m大位移斜井和水平井施工，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
3．形成“四高一超”氣田壓力控制測(cè)試及儲(chǔ)層酸壓改造技術(shù)體系
提出高溫–高壓–高含硫–高產(chǎn)–超深條件下管柱應(yīng)力與伸縮補(bǔ)償技術(shù)、抗H2S、CO2腐蝕等技術(shù)，形成了適合超深含硫井測(cè)試管柱系列，滿足了“四高一超”井安全測(cè)試需要；創(chuàng)新形成超深高溫高含硫酸性氣藏超高壓高效酸壓改造技術(shù)，研制出密度1.8g/cm3的抗硫加重酸液體系，突破了酸液加重世界記錄，高溫緩速防硫酸液體系相比普通酸低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的緩速性能，摩阻約為清水的25%～30%，解決了160℃高溫下酸液對(duì)測(cè)試管柱的嚴(yán)重腐蝕問題，確保了大規(guī)模大排量改造、人工裂縫的深穿透；創(chuàng)新研制出高溫多級(jí)架橋粒子測(cè)試堵漏漿體系和多級(jí)段塞式注入工藝，形成小井眼、小間隙、大酸蝕裂縫快速堵漏壓井技術(shù)，解決了酸壓后噴漏同存壓井難問題。在10層酸壓后獲得超百萬方的高產(chǎn)，最大無阻流量966.9×104m3/d。在最高泵壓97MPa下連續(xù)安全酸壓施工7小時(shí)，井底壓力達(dá)212MPa的世界紀(jì)錄。測(cè)試最大井深7410m、最高地層壓力146.55MPa、最高地層壓力系數(shù) 2.06、最高地層溫度164℃、最高H2S含量23.9%、最高測(cè)試產(chǎn)量日產(chǎn)氣142.97×104m3/d。
4．開發(fā)高含硫超深層試氣地面安全控制技術(shù)
研發(fā)出防硫整體式結(jié)構(gòu)、多重密封技術(shù)的FF級(jí)高壓防硫采氣井口，設(shè)計(jì)出液控式“四閘板”防硫高壓防噴器組合和安全聯(lián)動(dòng)裝置，形成了高壓動(dòng)態(tài)井口密封技術(shù)；開發(fā)出國產(chǎn)110SS氣密封油管，性能達(dá)到API 5CT/ISO 13679和ISO15156/NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)；首次設(shè)計(jì)出高抗腐蝕的FF級(jí)105MPa三級(jí)測(cè)試流程和國產(chǎn)化緊急關(guān)斷裝置，研制有線和無線傳輸數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置；針對(duì)地層破裂壓力高的儲(chǔ)層，配套140MPaHH級(jí)超高壓采氣樹及輔助設(shè)備，形成多方位立體地面安全控制系統(tǒng)集成技術(shù)，解決了“四高一超”氣藏測(cè)試安全問題。實(shí)現(xiàn)了高壓高產(chǎn)高含硫天然氣快速關(guān)斷和放噴、快速正反循環(huán)壓井。實(shí)現(xiàn)無安全環(huán)保事故，滿足了“四高一超”氣田對(duì)地面流程的需要。
元壩生物礁大氣田的發(fā)現(xiàn)及高效勘探得益于超深層儲(chǔ)層、成藏理論及地震、鉆完井、測(cè)試等勘探關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新，得益于勘探模式的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了中國超深層海相天然氣勘探理論和實(shí)踐的重大突破，使我國超深層碳酸鹽巖油氣勘探理論與技術(shù)跨入世界領(lǐng)先水平。項(xiàng)目成果為塔里木盆地中部、鄂爾多斯盆地西緣奧陶系臺(tái)地邊緣相帶以及渤海、南海第三系生物礁勘探提供了可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人簡介
郭旭升，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國石化勘探南方分公司總經(jīng)理。獲第十三屆李四光地質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)野外地質(zhì)工作者獎(jiǎng)，入選新世紀(jì)百千萬人才工程國家層面人選，獲第五屆全國優(yōu)秀科技工作者、全國“五一”勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)碌龋硎苷厥饨蛸N。長期從事石油天然氣勘探工作，具有較高的學(xué)術(shù)水平和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在海相臺(tái)地邊緣礁灘相研究取得了重要進(jìn)展并用于四川盆地天然氣勘探實(shí)踐，近幾年先后發(fā)現(xiàn)了普光、元壩等5個(gè)大中型氣田及國內(nèi)首個(gè)頁巖氣田（焦石壩氣田），取得6個(gè)新區(qū)（新領(lǐng)域）勘探突破，探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量6600多億方，控制儲(chǔ)量5600多億方，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量8000多億方，三級(jí)儲(chǔ)量達(dá)到2萬多億方。出版專著2部，發(fā)表論文14篇。獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)6項(xiàng)，中國石化油氣勘探重大發(fā)現(xiàn)獎(jiǎng)11項(xiàng)。
