高度裂缝性页岩的生成机制及基于随钻测井（LWD）的识别方法：以四川盆地五峰-龙马溪组为例

《ACS Omega》：Generation Mechanism and LWD-Based Identification Methods for Highly Fractured Shale: A Case Study of Wufeng–Longmaxi Formations, Sichuan Basin

　　

在页岩气田开发过程中，水平井钻遇高度裂缝性页岩地层易发生井壁坍塌和井漏等钻井异常情况，这显著增加了钻井风险和作业复杂性。因此，本研究通过分析钻井、随钻测井（LWD）、电缆测井和岩心分析数据，调查四川盆地五峰-龙马溪组页岩，以识别高度裂缝性页岩发育的具体层段及其发育特征。此外，研究人员分析了高度裂缝性页岩的生成机制和钻井异常情况的诱发原因，并开发了一种基于LWD技术的实时钻井识别方法。研究表明，五峰组顶部层段属于高度裂缝性页岩，其特征是异常情况频繁发生且产气贡献率低。此外，五峰组顶部的层理裂缝比上覆龙马溪组更为发育，且五峰组相对于龙马溪组表现出更强的非均质性。这导致在裂缝发育或岩性急剧变化处岩石强度不连续或不均匀，使得岩体在外部环境变化时易于破裂，从而形成高度裂缝性页岩。基于高度裂缝性页岩的LWD响应特征，可利用钻井工程理论建立机械比能（MSE）评价模型。将该模型与近钻头和远钻头伽马射线（GR）以及气测参数相结合，可有效识别高度裂缝性页岩，并通过现场案例验证了该方法的可行性。研究成果可满足现场工程师实时评价的需求，为高度裂缝性地层的评价提供了新方法和技术途径。

在页岩气开发中，水平井钻遇高度裂缝性地层常引发井壁坍塌、井漏等钻井异常，显著增加钻井风险与作业复杂性。针对四川盆地五峰-龙马溪组，尽管该层系地质甜点特性明确，但实际钻井揭示五峰组顶部异常高频出现，工程风险突出。目前缺乏对高度裂缝性页岩生成机制、发育规模及程度的专门研究，无法有效指导长水平段安全高效钻井。为此，研究人员开展了此项研究。

研究人员通过分析钻井、随钻测井（LWD）、电缆测井及岩心数据，识别五峰-龙马溪组高度裂缝性页岩的主要发育层段及其特征；分析其生成机制与钻井异常诱发原因；基于LWD响应特征建立机械比能（MSE）评价模型，结合近钻头与远钻头伽马射线（GR）及气测参数，形成实时识别方法，并通过现场案例验证。研究得出多项结论：五峰组顶部为高度裂缝性页岩发育层段，钻井异常频率是龙马溪组的4–5倍；层理裂缝更发育及岩性非均质性强是主因；钻井液对层理面强度影响大于页岩基体，诱发异常；基于LWD的MSE模型结合GR与气测参数可有效识别高度裂缝性页岩。该研究成果为高度裂缝性地层评价提供了新方法和技术途径，论文发表在《ACS Omega》。

主要关键技术方法包括：（1）通过钻井异常统计和产量剖面数据分析确定主要发育层段；（2）引入岩性非均质性指数（VGR）和物性非均质性指数（VDEN）定量评价非均质性（公式1-2）；（3）开展岩石力学实验，测试页岩基体与层理面在油基和水基钻井液浸泡后的内聚力和内摩擦角变化；（4）基于钻井工程理论建立机械比能（MSE）评价模型（公式9），并通过区域经验系数（a、b、c）标定，结合MSE比值（小于1.0指示裂缝发育段）、近/远钻头GR异常（近钻头GR峰值为远钻头GR的1.14倍以上）及气测参数（总烃与甲烷的波动尖峰特征）建立识别标准。样本数据来源于四川盆地平桥区块和宜昌区块共46口井。

**2.1 高度裂缝性页岩主要发育层段分析**：通过统计84口井产气剖面数据及平桥和宜昌区块水平井钻井异常事件，发现五峰组（sublayer 1）单位进尺产气贡献比（1.61）最高，但每发生一次异常的平均进尺（五峰组134 m/次）约为龙马溪组（667 m/次）的五分之一，证实五峰组既是地质甜点也是工程高风险层段。

**2.2 高度裂缝性页岩发育特征分析**：将五峰组划分为a、b、c、d四个小层，统计各小层钻井异常频率，d层（每34 m/次）和c层（每66 m/次）异常频率最高；结合产气贡献率（b层36.3%、c层38.7%）表明五峰组顶部属低产高风险区。

**3.1.1 五峰组层理裂缝比上覆地层更发育**：通过多口导眼井岩心统计，五峰组层理裂缝宽度（主为0.2–0.3 mm）、密度（500条/m）显著高于上覆龙马溪组（330–400条/m）及上覆地层（200条/m），且宽度和密度向上递减。其生成机制与烃源岩生烃超压在上覆地层剥蚀减压过程中沿层理面释放有关。

**3.1.2 五峰组非均质性更强**：计算导眼井JYA、JY182-F、JY191-B的VGR和VDEN，五峰组（sublayer 1）两项指数均高于龙马溪组（sublayer 3），反映页岩与介壳灰岩互层导致的岩性及物性强非均质性，使岩石力学性质不连续。

**3.2 钻井异常诱发原因**：岩石力学实验表明，钻井液浸泡后页岩基体与层理面内聚力和内摩擦角均降低，且水基钻井液对强度影响大于油基钻井液；层理面强度在浸泡初期即快速下降，而基体强度下降滞后。现场作业中，井底压差加剧流体沿高渗透层理面侵入，导致层理面水化强度降低，诱发井壁失稳与井漏。

**4.1 高度裂缝性页岩的LWD响应特征**：统计46口井中62次异常事件（井漏、卡钻）对应的LWD参数变化，发现近钻头GR波动异常（42次）和钻速ROP异常（33次）响应最显著，其次为气测参数（27次）、扭矩（28次）等。近钻头GR峰值超过远钻头GR的1.14倍可作为识别阈值。

**4.2 MSE评价模型建立**：基于钻头破碎岩石做功原理，推导包含静钻压（Y_j）、冲击钻压（Y_c）、扭矩（N）、转速（R）和钻时（Z）的MSE模型（公式9），通过分析钻速与Y_j、R乘积的关系确定区域经验系数（平桥区块a=56、b=48、c=0.5；宜昌区块a=86、b=70、c=1.2），并定义MSE比值（小于1.0指示裂缝发育或高度破碎段）。

**5.1 案例应用**：导眼井JY182-F（平桥区块）中MSE比值小于1.0的区域与电成像测井高裂缝密度段及岩心破碎段（五峰组0.6–0.9 m处薄片状岩心）高度吻合。生产井EYBHF（宜昌区块）中MSE比值小于1.0、近钻头GR波动峰值超过远钻头GR的1.14倍、气测参数呈连续宽幅波动尖峰特征的七个深度区间，均对应现场实际发生的井漏、井壁坍塌及卡钻事件，验证了方法的有效性。

**5.2 研究方法局限与未来发展方向**：LWD采样间隔1 m导致垂向分辨率较低；电成像测井虽直观准确但成本高且未广泛用于水平井。未来可建立“LWD-电缆测井-岩心分析”多尺度数据融合框架，以LWD数据为实时输入、高分辨率电缆测井为校准基准、岩心力学实验数据为约束，实现从“点-线-面”的地质-工程一体化评价。

**结论翻译**：
（1）五峰-龙马溪组是四川盆地最有利的页岩层序。与上覆龙马溪组相比，五峰组不仅是优质地质甜点，同时也是工程高风险层段。该层段钻井异常风险概率是龙马溪组的4–5倍，其中五峰组顶部风险最高。这主要与五峰组上部高度裂缝性页岩的发育有关。
（2）五峰组高度裂缝性页岩的生成机制主要涉及两个方面。首先，与上覆地层相比，五峰组层理裂缝更为发育。层理裂缝的发育不仅增强了储层的储集能力，还显著影响了页岩储层的水平渗流能力，这是导致井漏等异常的关键原因之一。其次，五峰组顶部广泛发育介壳灰岩，造成岩性非均质。五峰组的岩性非均质性指数和物性非均质性指数均高于上覆龙马溪组。这两个因素导致五峰组顶部裂缝发育或岩性急剧变化处岩石力学性质（岩石强度）不连续或不均匀。因此，岩体内聚力减弱，当外部环境变化时易发生破裂或使成岩产生的裂缝进一步扩展延伸，从而形成高度裂缝性页岩。
（3）无论使用水基还是油基钻井液，钻井液对层理面强度的影响都大于对页岩基体的影响。这导致现场钻井作业中流体首先沿层理面渗入岩体，引起层理面水化并使其强度初始降低。相反，页岩基体具有低渗透性和弱水敏性，其强度仅在长时间接触钻井液后才开始下降。因此，在高度裂缝性页岩储层中，实际钻井更容易诱发井壁失稳和井漏等钻井异常。
（4）通过将利用LWD数据建立的MSE模型与近/远钻头GR及气测参数（总烃和甲烷）相结合，可建立有效的高度裂缝性页岩LWD识别方法。该方法能够实现高度裂缝性地层的有效判别，便于钻井过程中的风险识别与评价，并为地质导向作业提供优化思路与方法。
（5）LWD技术具有实时性和工程响应直接性的优势，在识别高度裂缝性页岩方面效果显著。但其采样间隔为每米1次，存在垂向分辨率相对较低的局限。建立集成LWD、电缆测井和岩心分析的多尺度数据融合框架，将实现高度裂缝性页岩的地质-工程耦合评价体系，这是未来评价高度裂缝性页岩的良好发展方向。