四川盆地元壩超深層生物礁大氣田高效勘探及關鍵技術

元壩氣田位于四川省蒼溪縣及閬中市境內，構造位置位于四川盆地川北坳陷與川中低緩構造帶結合部，西北部與九龍山背斜構造帶相接，東北部與通南巴構造帶相鄰，南部與川中低緩構造帶相連， 受三個構造的遮擋，斷裂不發育，主要目的層埋深大于6000米（圖1）。目前探明天然氣儲量2086.92×108m3，技術可采儲量發現成本0.5美元／桶，首期40×108m3產能建設即將完成。

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模儲量的重要領域，尤以斷層、構造不發育的元壩地區更具代表性。元壩地區超深層勘探難度大、挑戰多，一是勘探程度低，沉積相展布與演化規律不清，超深條件下能否發育優質儲層不明確，需要創新超深層優質儲層發育機理認識；二是構造圈閉不發育，斷層、不整合面等優質輸導體系不發育，需要創新天然氣成藏富集機理認識；三是埋藏深度大，超深層目標與氣水識別難度大，需要研發有效的地震勘探技術；四是多套壓力系統、高溫、高含硫對安全、快速、經濟鉆探、測試挑戰大，需要創新適合超深層、復雜壓力體系的井筒技術。在這樣復雜地區進行勘探工作國內外沒有成功的經驗可以借鑒，2006年以來，中國石化依托國家科技攻關項目，組織多項科技攻關，突出自主創新，在地質理論、地震與井筒技術方面取得了重大突破。項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研究院承擔完成，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、陳祖慶、瞿佳、唐瑞江、丁士東、凡睿、雷鳴、黃仁春。

一、發現元壩大型生物礁帶，形成超深層生物礁優質儲層發育機理新認識

1．通過晚二疊世等斜緩坡–鑲邊臺地動態沉積演化過程及區域沉積格架恢復，建立了“早灘晚礁、多期疊置、成排成帶”的發育模式

通過野外露頭高頻層序精細分析、地震沉積學研究，識別出上揚子西北緣吳家坪–長興期5種成因相組合和11種成因相標志，建立了巖相–測井相–地震相響應標準圖版和模板，恢復了元壩地區吳家坪期等斜緩坡–長興早期發育生屑灘形成遠端變陡緩坡–中晚期疊覆發育三期生物礁形成鑲邊臺地的動態沉積演化過程，重建了跨相帶區域沉積格架，建立了“早灘晚礁、多期疊置、成排成帶”的大型生物礁發育模式（圖2），突破了前期該區處于廣旺海槽深水沉積的認識。鉆探證實臺地邊緣發育三排大型生物礁帶，礁體厚度70～180m，單個礁體面積7～50km2，礦權內面積350km2。

2．揭示了“早期暴露溶蝕、淺埋白云巖化形成基質孔隙，液態烴深埋裂解超壓造縫”的機理，提出“孔縫耦合”控制超深層優質儲層發育的新認識，建立了“孔縫雙元結構”儲層模型

通過儲層巖石學、成巖孔隙演化、碳氧同位素研究以及碳酸鹽巖溶蝕動力學實驗模擬，揭示了元壩地區長興組超深層礁蓋白云巖優質儲層形成的機理和過程，認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質儲層形成的基礎；淺埋白云巖化作用在增加孔隙空間的同時提高了儲層骨架顆粒間的支撐能力，加之油氣的適時充注，是儲層在后期深埋過程中可長期保持良好物性的關鍵。

系統物性分析表明，生物礁儲層基質孔滲性差，非均質性強，大量裂縫有效改善了低孔儲層的滲流能力。通過巖心和鏡下觀察分析、裂隙形成的巖石力學實驗等，發現儲層中發育密集的水力壓裂縫；利用儲層流體包裹體古壓力測試及數值模擬研究，確定生物礁相對封閉體系液態烴深埋裂解成氣過程中，形成壓力系數高達1.77的強超壓，進而提出液態烴深埋裂解導致超壓裂縫的形成機理。早期暴露溶蝕、淺埋白云巖化是基質孔隙發育的基礎，孔隙液態烴深埋裂解導致的超壓縫是改善儲層滲透性的關鍵，“孔縫耦合”控制超深層優質儲層發育。在此基礎上，構建了生物礁非均質“孔縫雙元結構”儲層模型，為生物礁儲層預測奠定了理論基礎。

二、形成了超深層生物礁成藏富集機理新認識

1．提出了深水陸棚相吳家坪組–大隆組是川北地區二疊系主力烴源巖的新認識

天然氣、儲層瀝青、源巖碳同位素對比研究表明，元壩長興組油源主要來源于北部廣元–旺蒼地區晚二疊世深水陸棚相區。二疊系吳家坪組–大隆組優質烴源巖以黑色泥頁巖為主，厚60～110m，干酪根類型為Ⅰ-Ⅱ1型，生烴強度達30×108～70×108m3/km2。元壩臺緣生物礁帶緊鄰生烴中心，具有形成大氣田的物質基礎。

2．建立了“三微輸導、近源富集、持續保存”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越輸導條件。通過露頭、巖心、薄片觀察，發現吳家坪組–長興組發育大量瀝青充填的微小斷層、微裂縫及層間縫，構成“三微”輸導體系，實現了陸棚相烴源巖生成的油氣通過斜坡向臺緣礁帶匯聚成藏（圖3）。古油藏恢復研究表明，靠近臺緣外側生物礁帶古油藏充滿度高于內側，具有近源富集的特點。數值模擬也表明“三微輸導”可以實現近源巖性圈閉的有效匯聚。包裹體分析確認，元壩氣田雖經歷早期油藏、中期深埋裂解和后期抬升改造的復雜過程，但一直未被斷層破壞散失，得以持續保存。

三、形成復雜山地超深層生物礁儲層地震勘探技術系列

1．突破超深弱反射層地震采集處理技術瓶頸，有效提高超深層反射能量和分辨率

開展近地表介質和激發最佳匹配研究，建立面向超深礁灘儲層的飽和激發技術和采集設計優化技術，保證了超深目的層的有效能量；發展了近地表精細建模、層析成像、分頻靜校等方法與技術，建立了多次迭代、逐次逼近的靜校正技術組合，有效地解決了復雜山地近地表效應難題；創新發展了基于各向異性和吸收衰減介質模型的超深儲層弱信號提取與補償技術，實現了復雜山地超深層礁灘地震高精度、高分辨率疊前成像的技術突破。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．形成了基于非均質孔縫雙元結構模型的孔構參數反演技術，有效預測低孔高滲帶分布，大幅度提高了超深儲層預測精度

針對超深層生物礁儲層預測這一難題，率先將生物礁儲層的巖石學微觀結構特征引入巖石物理參數測試與分析，厘定了該類儲層的地震波速度隨孔隙結構類型的變化規律，突破傳統的一元孔隙度–速度Wyllie模型，建立了超深生物礁儲層的孔隙結構類型–密度孔隙度與縱橫波速度間的新的表征關系式，創新發展了基于非均質孔縫雙元結構模型的孔構參數反演技術方法， 取得低孔高滲帶預測的突破性進展，超深有效儲層預測精度大幅度提高，埋深6500～7000m生物礁儲層的預測結果與實鉆符合率達93%，儲層厚度預測絕對誤差1～3m，相對誤差小于5%。

3．形成了超深生物礁儲層高精度氣水識別技術，落實了高產富集帶

針對疊前資料超深層信號弱、信噪比低、AVO響應特征不明顯等氣水識別難題，研發形成基于射線束聚焦和振幅與頻率衰減補償的道集優化技術，通過理論模型正演分析，明確了超深含氣生物礁儲層的AVA響應特征，發展建立了廣義疊前彈性參數反演方法與技術，確定了高靈敏度氣水識別因子，通過井–震最佳匹配分析，構建出表征超深生物礁儲層地震響應特征的物理小波基，研發出新的高分辨率時頻分析技術，實現了超深層生物礁儲層氣水精細識別與預測。預測元壩氣田高產富集帶面積98.5km2，實施的10口探井均獲日產百萬方高產天然氣流（圖4）。

四、形成了復雜超深井鉆完井、測試技術系列

1．創新特種井身結構，發展非常規井身結構，形成與之配套技術，鉆井工程成功率100%

采用減薄接箍、加厚套管方法創新了超深井非常規井身結構（20″×13-3/8″×10-3/4″×7-5/8″×5-3/4″），與常規比增加2層；以鉆桿接頭為基點雙向遞推形成全新的特種井身結構（20″×16″×11-3/4″×8-5/8″×6-5/8″×4-3/4″），與常規比增加3層。應用這兩種井身結構，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，增加了技術套管下深，封隔了更多的復雜層位，減少了故障復雜時間，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的安全。

針對這兩種井身結構配套研發了新型雙臺肩氣密封南方扣防硫套管系列，密封能力比傳統套管有較大幅度增加（7"套管增加27.78%）。研發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、測試工具，形成了與之配套的工具系列，特種結構套管頭金屬密封數量比傳統增加了1倍。

2．集成創新鉆井技術，實現超深井優快鉆井

在集成國內外先進技術的基礎上，研發和成功應用了與氣體鉆配套的PDC鉆頭，創新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天以上穩定；創新發展井控技術，在井口段設計應用了厚壁套管（φ282.6mm、φ260.4mm），技套井口達到產層套管的密封能力（>80MPa），產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），配套研發高能電子點火系統，實現放噴口遠程自動電子點火；研發了新型復雜多面體高強度剛性顆粒堵漏材料，創新發展復雜超深井橋漿堵漏技術，實現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；研發了新型防氣竄水泥漿體系及相關的實驗檢測儀器，解決了復雜條件下深井固井難題，固井質量合格率由82.98%提高到100%；集成創新超深定向井技術，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，整體技術達到國際領先水平。

3．形成“四高一超”氣田壓力控制測試及儲層酸壓改造技術體系

提出高溫–高壓–高含硫–高產–超深條件下管柱應力與伸縮補償技術、抗H2S、CO2腐蝕等技術，形成了適合超深含硫井測試管柱系列，滿足了“四高一超”井安全測試需要；創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，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個數量級的緩速性能，摩阻約為清水的25%～30%，解決了160℃高溫下酸液對測試管柱的嚴重腐蝕問題，確保了大規模大排量改造、人工裂縫的深穿透；創新研制出高溫多級架橋粒子測試堵漏漿體系和多級段塞式注入工藝，形成小井眼、小間隙、大酸蝕裂縫快速堵漏壓井技術，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，最大無阻流量966.9×104m3/d。在最高泵壓97MPa下連續安全酸壓施工7小時，井底壓力達212MPa的世界紀錄。測試最大井深7410m、最高地層壓力146.55MPa、最高地層壓力系數 2.06、最高地層溫度164℃、最高H2S含量23.9%、最高測試產量日產氣142.97×104m3/d。

4．開發高含硫超深層試氣地面安全控制技術

研發出防硫整體式結構、多重密封技術的FF級高壓防硫采氣井口，設計出液控式“四閘板”防硫高壓防噴器組合和安全聯動裝置，形成了高壓動態井口密封技術；開發出國產110SS氣密封油管，性能達到API 5CT/ISO 13679和ISO15156/NACE MR0175標準；首次設計出高抗腐蝕的FF級105MPa三級測試流程和國產化緊急關斷裝置，研制有線和無線傳輸數據自動采集裝置；針對地層破裂壓力高的儲層，配套140MPaHH級超高壓采氣樹及輔助設備，形成多方位立體地面安全控制系統集成技術，解決了“四高一超”氣藏測試安全問題。實現了高壓高產高含硫天然氣快速關斷和放噴、快速正反循環壓井。實現無安全環保事故，滿足了“四高一超”氣田對地面流程的需要。

元壩生物礁大氣田的發現及高效勘探得益于超深層儲層、成藏理論及地震、鉆完井、測試等勘探關鍵技術的創新，得益于勘探模式的創新，實現了中國超深層海相天然氣勘探理論和實踐的重大突破，使我國超深層碳酸鹽巖油氣勘探理論與技術跨入世界領先水平。項目成果為塔里木盆地中部、鄂爾多斯盆地西緣奧陶系臺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驗和技術。

項目負責人簡介

郭旭升，博士，教授級高級工程師，中國石化勘探南方分公司總經理。獲第十三屆李四光地質科學獎野外地質工作者獎，入選新世紀百千萬人才工程國家層面人選，獲第五屆全國優秀科技工作者、全國“五一”勞動獎章等，享受政府特殊津貼。長期從事石油天然氣勘探工作，具有較高的學術水平和豐富的實踐經驗，在海相臺地邊緣礁灘相研究取得了重要進展并用于四川盆地天然氣勘探實踐，近幾年先后發現了普光、元壩等5個大中型氣田及國內首個頁巖氣田（焦石壩氣田），取得6個新區（新領域）勘探突破，探明天然氣地質儲量6600多億方，控制儲量5600多億方，預測儲量8000多億方，三級儲量達到2萬多億方。出版專著2部，發表論文14篇。獲國家科技進步一等獎1項，省部級科技進步獎6項，中國石化油氣勘探重大發現獎11項。