0 引言
2009年，浙江油田取得了国内首个页岩气勘查矿权，2012年，滇黔北昭通探区被列为中国石油天然气股份有限公司在南方建立的首批国家级页岩气示范区［1］。2019年，中国石油在南方海相页岩气勘探中获得重大进展，在长宁—威远以及昭通示范区太阳区块新增探明地质储量7 409.71×108 m3，累计探明储量10 610.3×108 m3，形成了四川盆地万亿立方米页岩气大气区。
随着国内页岩气勘探开发的不断深入，地面地下地质条件越来越复杂，油气田公司逐渐面临“甜点”选区和井位部署难度大、钻井工程复杂、压裂改造效果差、油气产量低等现实问题，亟需寻找有效的技术手段来解决目前面临的难题。实践表明，地球物理技术在页岩气勘探开发中具有不可替代的优势，在钻测井、岩心实验资料分析的前提下，充分挖掘地震有效信息，井震信息高度融合，可为复杂页岩气藏的增储上产、高效开发奠定良好的基础。
1 地质背景
昭通页岩气示范区地处滇、黔、川三省交会区域，位于云贵高原向四川盆地过渡的乌蒙山区，大地构造位置属于扬子陆块西缘三江造山带与东南缘江南—雪峰构造带前锋叠合部位，跨越了上扬子区四川台坳、滇黔北坳陷、滇东—黔中隆起等大一级构造单元，主体位于滇黔北坳陷威信凹陷的中西部区域，北部包含川南低陡褶带南部，南抵滇东—黔中隆起，西邻昭通凹陷，东到贵州习水—仁怀一线。滇黔北坳陷分为雷波复向斜、巧家—筠连背斜带、彝良—叙永复向斜、昭通—古蔺背斜带、赫章—夜郎复向斜和毕节—桐梓背斜带等 6 个三级构造单元［4］。主体构造走向线以北东向为主，背斜带与向斜带在威信—毕节以东区域呈向西北向凸出的弧形，再往北东方向靠拢并在赤水河附近变化为3个背斜带与向斜带相间的格局。
目前昭通页岩气示范区勘探开发区域主要集中在示范区的北部，紧邻四川盆地南缘，北部已被三维地震整体覆盖，处于规模建产阶段，已形成黄金坝—紫金坝和太阳—海坝东西两大建产区。该区整体构造相对稳定，发育二—四级断层，以三级、四级断层为主，除部分二级断层和剥蚀区附近保存条件变差外，整体适合页岩气赋存。区内从西到东依次为建武向斜、罗布向斜和太阳—海坝背斜，除罗布向斜核部埋藏较深外，埋深以中浅层为主，向东埋深变浅，构造变复杂，断裂发育（图2）。
区内从上到下发育陆相和海相2套地层，地层累计厚度较大，地表主要出露二叠系和三叠系（图3）。主要发育3套海相页岩，其中五峰组—龙马溪组页岩品质最优，是最现实、最有利的页岩气勘探开发层系，该层系区域对比性较好，地层厚度为220~280 m，其中最优层段位于该层系底部，横向分布稳定，为区内的主要目的层。依据岩性电性，结合笔石化石特征，在纵向上将龙马溪组划分为龙马溪组二段（以下简称龙二段）和龙马溪组一段（以下简称龙一段）2段，其中龙一段又细分为龙一1与龙一2共2个亚段；而龙一1亚段可进一步细分为龙一1 1、龙一1 2、龙一1 3、龙一1 4共4个小层。由于页岩纵向上非均质性强，为了开发的需要，在小层划分的基础上，根据储层特征进一步细分开发单层，将龙一1 2小层划分为2个单层，龙一1 3小层划分为3个单层，区内主力箱体主要是龙一1 1小层+龙一1 2-1小层，厚度为2~4 m（图4）。
图3 昭通页岩气示范区北部五峰组及以上地层对比（连井剖面位置见图2）Fig.3 Stratigraphic correlation map of Wufeng Formation and above in the north of Zhaotong Shale Gas Demonstration Zone （the position of the profile is shown in Fig.2） |
昭通页岩气示范区经历了晚元古代—中生代扬子陆架南部大陆边缘、裂陷陆表海和前陆盆地等多旋回沉积演化以及加里东—燕山—喜马拉雅等多期构造运动的叠加与改造［5］，海相富有机质页岩历经深埋藏、高演化作用，早己进入过成熟阶段，加上后期高隆升、强改造作用，尤其是燕山期云贵高原发生“南强北弱”的持续隆升剥蚀、“西强东弱”的扭动走滑以及一系列的冲断，造就了滇黔北现今强改造残留型构造坳陷，高原地形地貌起伏大，河流切割深，地层变形强度大，油气的保存条件整体变差［6-7］。示范区位于靠近三江走滑构造带的三角地带，处在极为复杂的走滑+压扭叠合的应力环境下［3，8-11］，中深层水平应力差值超过20 MPa，浅层水平应力差为4~15 MPa，整体来说具有“强改造、过成熟、杂（剪）应力”特征［3，12-13］。
2 页岩气“甜点”主控因素
页岩气是典型的连续性、大面积聚集成藏天然气，主要分布在沉积盆地中心地带以及斜坡区的优质页岩层中，源储一体，超越了常规油气“藏”的概念，找不到明显的圈闭界限，因此勘探策略需从发现“油气藏”转向寻找“甜点”区。“甜点”（Sweet Spot）一词最早起源于GEORGE等［14］对非常规浅层生物气成因天然气系统的研究，主要有2层含义：①在盆地中最好的含气地理区域；②产气的最佳地理区域。页岩气“甜点”是指页岩气勘探与开发的最优区域或最佳层位，是页岩储层含气性较好且地层能量充足并适用于水平井钻探、有利于规模储层改造并且实现规模化商业开采的区位，是一个三维“箱体”的概念。横向上，“甜点”是指具备商业开采价值的非常规油气富集的区域，纵向上，是指富有机质黑色页岩经过人工压裂改造可形成工业开采价值的层段。
多年来，国内外学者围绕页岩气“甜点”的控制因素展开了大量的研究，取得了一些进展，经历了从“一元到二元到三元到四元再到多元”的认识逐渐深入的发展过程。其中“一元”是早期寻找暗色泥岩［15］，确定页岩气发育的物质基础；“二元”除满足暗色优质泥页岩物质基础外，关键是对保存条件的分析［16］；“三元”认识到储集条件的重要性［17］；“四元”加入了对热演化程度的研究［18］。同时一些学者也注意到地应力、地层压力系数、脆性矿物含量等一些因素的影响，总之影响页岩气甜点的因素很多，早期大家更关注静态指标的好坏，随着勘探开发的不断深入，逐渐认识到工程品质研究的重要意义，尤其是针对南方复杂山地页岩气地上地下“双复杂”的先天条件，工程品质的好坏不容小觑。
昭通示范区受多期构造活动与特提斯、滨太平洋两大构造域叠加作用影响，页岩气甜点控制因素复杂。与四川盆内长宁—威远、涪陵焦石坝等区块页岩气对比来看，昭通示范区页岩气储层指标与邻区基本相当，二者差异主要表现在保存条件和工程品质上。昭通示范区页岩气属于典型的盆外山地页岩气，分散在历经复杂多变的构造运动改造后的残留坳陷内，具有以下特点：①构造、断裂复杂，地层形变强度较大，地层倾角陡，埋深差异较大，以中浅层为主。②地层孔隙压力系数普遍偏低，横向变化大，处于微超压—超压状态。地应力环境极其复杂，处于走滑+压扭的应力下，水平应力差值普遍偏大（浅层、超浅层应力差很小），微构造（小断层、裂缝、微幅度构造）发育（表1）。以昭通示范区为代表的中国南方山地海相页岩气甜点选区评价，除考虑国内外页岩气储层常规的评价指标外［19-20］，梁兴等［1］研究认为针对其特殊性的地质条件，需要更加关注页岩气保存条件、地层孔隙压力2项关键的评价指标。王鹏万等［12］认为昭通示范区页岩气富集受海侵体系域富炭高硅页岩和适当的后期构造改造与高压封存箱的有效保存双重地质因素控制。在实际研究中学者们提出地质“甜点”与工程“甜点”的概念，来表征页岩气储层的产气潜力，目前已被业界广泛采纳，并被大量用于页岩气勘探开发实践中［21］。朱斗星等［22］针对页岩气藏评价重点方面，围绕页岩气储层指标、保存条件和工程条件3个方面，以地质和工程“甜点”共12个指标进行分类评价，地质和工程“甜点”相结合，进而落实页岩气“双甜点区”。
表1 昭通示范区与四川盆地内页岩气区块地质工程评价参数对比Table 1 Comparison of geological engineering evaluation parameters of shale gas blocks in Zhaotong Demonstration Zone and Sichuan Basin |
| 甜点类型 | 主控因素 | 参数类型 | 地区及参数 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 昭通 | 长宁 | 威远 | 涪陵焦石坝 | |||
| 地质甜点 | 储层指标 | TOC/% | 2.1~5.5 | 2.8~5.7 | 2.2~3.3 | 2.0~6.0 |
| 有效孔隙度/% | 2.0~5.0 | 2.9~5.0 | 2.4~5.9 | 4.0~7.0 | ||
| 总含气量/（m3/t） | 2.0~4.5 | 2.2~5.5 | 2.5~4.4 | 4.7~5.7 | ||
| 优质页岩储层厚度/m | 31~38 | 30~46 | 24~40 | 30~45 | ||
| 保存条件 | 构造样式 | 槽档转换 | 隔挡 | 隔挡 | 隔挡 | |
| 断裂发育情况 | 发育 | 局部发育 | 局部发育 | 发育 | ||
| 工程甜点 | 埋深/m | 500~3 000 | 2 300~3 200 | 1 800~4 000 | 2 100~2 700 | |
| 地层倾角 | 较陡 | 平缓为主 | 平缓为主 | 平缓为主 | ||
| 工程品质 | 脆性指数/（V/V） | 47~65 | 55~65 | 46~69 | 50-65 | |
| 裂缝 | 发育 | 较发育 | 局部发育 | 发育 | ||
| 压力系数 | 1.1~1.8 | 1.3~2.0 | 1.2~1.9 | 1.3~1.7 | ||
| 地应力/ MPa | 走滑+压扭应力差为 4~30 | 挤压为主应力差为 10~13 | 挤压为主应力差为 9~15 | 挤压为主应力差为 3~6 | ||
结合前人研究成果，笔者系统梳理总结了示范区页岩气“甜点”主控因素，明确了盆外复杂山地页岩气“甜点”主要受控于三大要素：①优越的储层指标（TOC、总含气量、孔隙度和优质页岩厚度等），这是页岩气富集高产的物质基础；②良好的保存条件（构造、断裂、地层倾角和顶底板等），这是页岩气“成藏控产”的关键；③有利的工程品质（裂缝、地应力、脆性和可压性等），这是页岩气高效开发的核心。三大要素相辅相成，缺一不可，遵循“木桶”理论。考虑页岩气本身特性，结合生产实践认识，鉴于盆外特殊的地质背景，特别需要高度重视保存条件和工程品质的深入分析，针对相同平台不同分支井产能差异大、部分井低能低效等问题，工程品质分析显得尤为重要。
3 “甜点”评价参考标准及综合评价技术
3.1 “甜点”综合评价思路
目前中国页岩气综合评价主要形成了综合信息叠合法、权重系数法等2类方法，其中综合信息叠合法适用性广、操作性强，是最为适用的页岩气选区评价方法，在国内外各个探区也取得了较好的应用效果［19，23-26］。在地质工程一体化理念的指导下，结合页岩气“甜点”的三大主控因素，充分发挥地震在地质工程一体化中的基础作用，采取针对性地震评价技术，落实页岩气“甜点”主控因素各项指标，实行“一票否决制”，然后开展一体化综合评价，提高页岩气单井产量和EUR。针对示范区内复杂山地页岩“高演化、强改造、杂（剪）应力”的特点，在双“甜点”评价思路的基础上，进一步提出南方复杂山地页岩气富集“三元”主控“甜点”预测及综合评价思路，围绕页岩气储层指标、保存条件、工程品质等三大要素12个指标进行“甜点”评价，其基础是评价储层指标的高低，关键是分析保存条件的好坏，核心是确定工程品质的优劣，运用综合信息叠合法，最终达到地质和工程“甜点”合二为一，落实“甜点区”（图5）。基于页岩气富集规律的多指标组合评价方法，能够有效地消除简单将各种指标不作区别地统一纳入评价体系所带来的偏差，更具针对性。
3.2 “甜点”评价参考标准
页岩气“甜点”综合评价是一个包含多参数的评价系统，是多指标综合决策的过程，要考虑的因素多且复杂，目前国内尚未建立起系统的页岩气选区评价的国家标准，邹才能等［27］编写的《页岩气地质评价方法》（GB∕T 31483—2015）是唯一一个选区评价的国家标准，但标准中只是提出了海相、海陆过渡相页岩气有利区下限的标准。李晓波等［28］起草了《页岩气地质评价技术规范》（Q/SY 1849—2015）中国石油天然气集团公司的企业标准，比较详细地提出了页岩气远景区、有利区和目标区评价的参数及标准。“甜点”评价优选是目标区评价的基础上更深的一个层次，聚焦地质和工程双“甜点”的综合评价。参照国家标准和行业标准，结合复杂山地页岩气勘探开发实践的具体情况，围绕三大主控因素建立页岩气“甜点”综合评价体系（表2），进行页岩气“甜点”综合评价。
表2 “甜点”综合评价参数（据文献[22]修改）Table 2 Comprehensive evaluation parameter table of “sweet spot”(modified according to Ref.[22]) |
| 甜点类型 | 主控因素 | 参数类型 | 评价级别 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ类 | Ⅱ类 | Ⅲ类 | |||
| 地质甜点 | 储层指标 | TOC/% | ≥3 | 2~3 | 1~2 |
| 有效孔隙度/% | ≥4 | 3~4 | 2~3 | ||
| 总含气量/（m3/t） | ≥3 | 2~3 | 1~2 | ||
| 优质页岩储层厚度/m | ≥30 | 20~30 | <20 | ||
| 保存条件 | 构造样式 | 宽缓 | 较宽缓 | 较紧闭 | |
| 断裂发育情况 | 断裂不发育 （或IV类断层附近） | 断裂较少 （或III类断层附近） | 断裂较发育 （Ⅰ和Ⅱ级断层附近） | ||
| 工程甜点 | 埋深/m | 500~3 500 | 3 500~4 000 | >4 000或<500 | |
| 地层倾角/（°） | 0~25 | 25~30 | >30 | ||
| 工程品质 | 脆性指数/（V/V） | ≥55 | 45~55 | 30~45 | |
| 裂缝 | 发育适中，无大裂缝 | 较发育，少量大裂缝 | 欠发育，多条大裂缝 | ||
| 压力系数 | ≥1.4 | 1.2~1.4 | 1.0~1.2 | ||
| 地应力/MPa | 垂直或大角度斜交水平最大 主应力水平主应力差小 | 小角度斜交水平最大主应力 水平主应力差中等 | 平行，水平最大主应 力水平主应力差大 | ||
3.3 "甜点"评价总流程
结合页岩气区域地质特征，充分运用钻井、测井、岩心试验以及地震资料，以精细构造解释为基础，井震联合，开展储层预测，最后进行多指标分类综合评价，划分开发单元，为井位部署及跟踪提供依据（图6）。
3.4 关键技术
3.4.1 基于钻井、测井及实验分析的甜点段识别技术
页岩气纵向“甜点”段识别是页岩气勘探开发的基础，是靶体优选的前提条件。页岩气勘探开发过程中拥有丰富的钻井、测井及岩心实验分析资料，综合分析页岩气优质储层岩性、烃源岩特性、物性、电性、含气性、岩石力学特征及脆性等“七性”特征，根据储层分类评价标准，精确识别“甜点”层段，通过合成地震记录精细标定，建立良好井震匹配关系，识别优质储层地球物理响应特征，提高储层预测精度，为“甜点”区综合评价奠定基础。
3.4.2 基于数据优化处理的叠前储层指标预测技术
优越的储层指标是南方复杂山地页岩气富集高产的物质基础，是“甜点”选区的重要参数。储层评价主要通过预测TOC、总含气量、孔隙度、优质储层厚度等储层地质指标，落实优质储层分布范围。地震反演可以较好地预测页岩储层弹性参数情况，需要寻找优质页岩储层评价参数与地震弹性参数的关系。通过不同弹性参数曲线交会分析储层的敏感参数，建立弹性参数与评价参数之间的关系，将其转化为页岩评价的地质成果。
随着页岩气勘探开发的深入，水平井的箱体划分更加精细，对储层预测的精度要求也越来越高。一方面对反演所用的声波测井资料的精度要求也不断提高；另一方面对复杂山地的地震资料品质提升提出了刚性诉求。然而，优质储层（厚度为35 m）内声波阻抗差异很小，受原始地震资料品质的影响，区分储层优质级别难度较大。因此有必要对影响叠前反演预测精度的关键参数采取针对性的优化，以期达到良好的效果。
（1）敏感曲线重构技术。页岩气标准伽马曲线和无釉伽马曲线能够较好地反映储层的有机质含量，选取二者的差值作为敏感曲线，可以有效区分储层、非储层，甚至精细划分III类、II类、I类储层，将参与重构曲线（敏感曲线）所有信息融合到声波曲线中，将声波曲线所有频率信息在重构过程中保留下来，通过敏感曲线重构，声波曲线对储层的辨识度得以提高，为叠前反演奠定了更精细的基础。
（2）道集优化技术。叠前反演需要的地震资料为分角度叠加数据，分角度叠加数据以共反射点道集数据（CRP道集）为基础，经过不同入射角度的叠加而成。因此CRP道集的品质直接决定了分入射角度叠加数据体的质量，进而影响叠前反演的结果。一般地，常规处理CRP道集往往存在噪声、不同偏移距道集能量不均、频率差异明显，局部道集因各向异性问题存在同向轴不平等问题。针对道集可能存在的问题，采取一系列道集优化技术对道集进行预处理，主要包括拉伸校正、噪声压制、时差校正、规则化处理、AVO振幅校正等关键环节。
（3）预测效果。使用重构后敏感曲线+优化后道集数据进行质控后，保证了输入数据的质量，提高了反演的精度，使反演结果中储层纵横向发育特征更符合地质规律（图7）。
3.4.3 基于复杂构造精细解释的保存条件分析技术
良好的保存条件是复杂山地页岩气“成藏控产”的关键，油气藏破坏和油气散逸的根本原因在于后期构造—改造强度的影响，断裂和抬升剥蚀作用是影响油气保存条件的关键因素。对于昭通示范区强改造残留型构造坳陷来说，更是如此，因此构造改造作用对页岩气保存条件影响巨大。
研究表明，页岩气的渗流具有较强的方向性，一般顺着层理方向的渗透率大，垂直层理方向的渗透率小，基本上前者为后者的2~8倍［29］。构造样式及特征是影响页岩气保存条件的直接因素，其中断层特别是以“通天”断层为代表的大尺度的断层作为页岩气散失的“高速公路”、剥蚀区作为页岩气的散逸的“天窗”、地层陡倾角作为页岩气运移的“催化剂”加速横向渗流等对页岩气藏保存不利（图8）。整体上，宽缓的背斜或者向斜区，通天开启断层（大规模走滑断层）不发育区，远离“天窗”的区域，保存条件较好。近年来昭通示范区（超）浅层页岩气的突破，表明埋深不是决定页岩气保存的重要因素，浅埋深一定程度会降低页岩气含气性，但是满足以上条件的区域，也可以取得较好的勘探开发效果，不应成为勘探的禁区。
针对南方山地复杂构造，只有充分发挥地震资料的优势，通过二维、三维联合精细构造解释，才能准确落实构造展布与断裂特征。综合分析构造、断裂和地层倾角等，重点对断层进行分类分析，远离通天断层及剥蚀区，并优选构造平稳、地层倾角较小的区域，作为页岩气保存有利区。
3.4.4 基于多维数据的多参数工程品质评价技术
钻井、压裂等工程实施是将页岩气勘探开发方案、研究决策思想由纸面向现实转化的桥梁，是将地下储量变为地面产量的有效途经，有利的工程品质是页岩气高效开发的核心，决定着钻井和压裂工程实施效果。昭通示范区“强改造、高杂（剪）应力”的特殊地质条件，对钻井和压裂工程存在较大挑战，微断裂、脆性指数、地应力和孔隙压力等是影响工程品质好坏的重要参数，其中微断裂对工程实施的影响最大。
复杂地质条件下十分发育的微断裂，是影响水平钻井和压裂施工的重要因素，一方面微断裂的发育可导致水平井钻井遭遇泥浆漏失、遇阻等工程风险，在微断裂认识不清的情况下，会带来钻遇率的降低，水平井轨迹复杂，不利于井筒的完整性，另一方面微断裂识别精度制约压裂方案的设计及优化，微断裂发育程度直接影响页岩气富集程度与压裂改造效果，一般而言，天然裂缝发育区，可压性较好，容易压开，但是大尺度的裂缝过多，往往容易造成不利影响。另外，天然裂缝带与最大主应力的夹角对水力裂缝形态的影响较大，当夹角越小时，裂缝越长，形态越简单，容易形成“双翼缝”，体积改造效果较差，当夹角越大时，裂缝越短，形态越复杂，体积改造效果较好。因此微断裂预测对水平钻井和体积压裂来说都至关重要。
脆性指数是反映储层工程品质中压裂品质的重要参数，在很大程度上决定着压裂的难易程度和压裂改造缝的形态，页岩脆性越好，越易形成复杂的裂缝网络，改造效果越理想。基于精细的叠前反演成果求取泊松比和杨氏模量等参数，运用泊杨法计算脆性指数是目前较为有效的地震预测脆性的方法，该方法综合了岩石力学参数泊松比和杨氏模量，是岩石整体力学的反映。
地应力的方向不仅影响水平井轨迹部署方位，而且影响压裂缝的延伸方向，一般压裂缝沿着最小水平主应力起裂；而水力裂缝形态受水平地应力差异系数的影响较大，当应力差异系数较小时，裂缝形态越复杂，改造范围越大。地应力预测包括方向及大小，其中地应力方向预测可以基于OVG道集规则化处理后进行方位离散法统计［30］，分析由于方位各向异性造成的响应特征，然后根据应力机制理论和裂缝破裂准则，应用方位各向异性解释的响应方向指示地应力方向，经实践证实与钻井解释地应力方向吻合度较高。利用测井数据求取地应力大小的方法由于所需资料及参数较为苛刻，实用性差，且难以推广到地震资料应用中，结合生产实践，压裂中最小水平闭合应力可以较好地描述地层可压性，可以近似看成是水平最小主应力，在实际中对最小闭合应力公式进行适当的简化［式（1） ］，
式中：σxx是最小水平闭合应力；μ是泊松比；p p是孔隙压力，MPa；σ zz是上覆地层压力，MPa；公式中孔隙压力和上覆地层压力通过基于地震叠前反演得到的层速度体和密度体计算可以得到［32］。
综合微断裂、脆性指数、地应力和孔隙压力等参数，分析对水平钻井和压裂工程的影响，优选工程品质有利区，规避或降低不利因素的影响，提高钻探效果。
4 结论
（1）昭通国家级页岩气示范区作为复杂山地页岩气的典型代表，其“甜点”主要受控于三大要素：①优越的储层指标（TOC、总含气量、孔隙度和优质页岩厚度等）是复杂山地页岩气富集高产的物质基础；②良好的保存条件（构造、断裂、地层倾角和顶底板等）是复杂山地页岩气“成藏控产”的关键；③有利的工程品质（裂缝、地应力、脆性和可压性等）是复杂山地页岩气高效开发的核心。鉴于盆外特殊的地质背景，特别需要高度重视保存条件和工程品质的深入分析，其在很大程度上影响页岩储层的“甜度”。
（2）在地质工程一体化理念的指导下，基于“甜点”主控因素的页岩气储层综合评价技术在复杂地区“甜点”选区中显得尤为重要。在钻测井和实验分析的基础上，充分发挥地球物理技术优势，高度重视地震的基础作用，运用基于数据优化处理的叠前储层指标预测技术、基于复杂构造精细解释的保存条件分析技术、基于多维数据的多参数工程品质评价技术，针对页岩气储层指标、保存条件、工程品质三方面12个要素分地质和工程“甜点”进行一体化评价，最终达到地质和工程“甜点”合二为一，从而落实“甜点区”，为井位部署和工程高效实施奠定坚实基础。
（3）随着南方山地页岩气地面地下“双复杂”的先天地质条件越来越明显，地球物理的基石作用将会越来越凸显，工程实施对地球物理技术应用进入刚性诉求阶段，地质地球物理工程一体化将是未来非常规油气高效开发的必由之路。
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