二疊盆地Wolfcamp頁巖油層測(cè)井評(píng)價(jià)研究

任懷建, 張申, 段麥倫, 祝慶遠(yuǎn), 索超, 李志豪

(中化石油勘探開發(fā)有限公司, 北京 100031)

0 引 言

頁巖油氣發(fā)展對(duì)頁巖油氣藏測(cè)井評(píng)價(jià)提出了新的要求。孫建孟[1]以煤層氣、頁巖氣為研究對(duì)象,從沉積和成藏角度入手,總結(jié)出巖相與礦物組分特性、物性與孔隙結(jié)構(gòu)特性、地化特性、含氣與產(chǎn)氣特性、地層壓力與流體特性、射孔與壓裂優(yōu)化完井特性、測(cè)井屬性等新“七性”關(guān)系測(cè)井評(píng)價(jià)方法,為頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)提供了完整的思路和方法。張作清等[2]、郝建飛等[3]、莫修文等[4]通過調(diào)研,系統(tǒng)總結(jié)了頁巖氣層的測(cè)井特征、測(cè)井評(píng)價(jià)項(xiàng)目和方法,對(duì)頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)的發(fā)展方向提出了建議;劉雙蓮等[5]研究了頁巖氣和非常規(guī)油氣層測(cè)井評(píng)價(jià)方法的差異,提出了頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)的重點(diǎn);秦瑞寶等[6]以美國(guó)德克薩斯州南西灣盆地的頁巖儲(chǔ)層F為例,研究了利用測(cè)井資料建立多礦物體積模型評(píng)價(jià)儲(chǔ)層礦物組成以及孔隙度、總有機(jī)碳含量等參數(shù);楊小兵等[7]結(jié)合巖心分析資料,研究了頁巖氣層物性、生烴潛力、巖石脆性測(cè)井評(píng)價(jià)方法,制定了頁巖氣儲(chǔ)層定性劃分標(biāo)準(zhǔn);丁娛嬌等[8]在研究頁巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了頁巖有效儲(chǔ)層劃分和物性評(píng)價(jià)方法;黃兆輝等[9]調(diào)研了頁巖氣儲(chǔ)層物性和生烴潛力評(píng)價(jià)方法;趙銘海等[10]以羅家地區(qū)頁巖油氣層為例研究了儲(chǔ)層礦物和總有機(jī)碳含量(TOC)評(píng)價(jià)方法;李延鈞等[11]以四川盆地2口井的資料為基礎(chǔ)研究了ΔlgR與U(鈾)曲線重疊法評(píng)價(jià)總有機(jī)碳含量的應(yīng)用效果;Haryanto Adiguna等[12]以Barnett頁巖和Haynesville頁巖為例,研究了常規(guī)測(cè)井資料評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層礦物含量、物性、總有機(jī)碳含量的方法及應(yīng)用效果,建立了地區(qū)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Mayank Malik等[13]以Delaware盆地巖心分析和測(cè)井資料為基礎(chǔ),介紹了測(cè)井評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層礦物含量、總有機(jī)碳含量的方法和流程;Mehrnoosh Saneifar等[14]以Haynesville頁巖為例,研究了測(cè)井評(píng)價(jià)巖石力學(xué)參數(shù)及儲(chǔ)層分類方法,聶昕等[15]、Rick Rickman等[16]、王麗忱[17]研究了頁巖儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的測(cè)井評(píng)價(jià)方法,及其在鉆井、壓裂方面的應(yīng)用。前人的研究表明頁巖氣與頁巖油測(cè)井評(píng)價(jià)存在共同點(diǎn)和差異,研究多側(cè)重于頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià),或側(cè)重于儲(chǔ)層、烴源巖特性、力學(xué)性質(zhì)中的某些方面。

Wolfcamp頁巖是二疊盆地米德蘭次盆重要的頁巖油層,勘探開發(fā)程度高。研究區(qū)Wolfcamp頁巖儲(chǔ)層深度2 500～3 000 m,地層流體以油為主,含溶解氣。以Wolfcamp頁巖油層為例,借鑒、吸收前人研究成果,研究、總結(jié)頁巖油層測(cè)井評(píng)價(jià)方法、流程,根據(jù)實(shí)際資料建立Wolfcamp頁巖測(cè)井評(píng)價(jià)礦物含量、物性、含水飽和度、總有機(jī)碳含量及脆性指數(shù)等計(jì)算模型,為油田評(píng)價(jià)和開發(fā)提供依據(jù)。

1 頁巖油層測(cè)井評(píng)價(jià)流程

頁巖礦物成分復(fù)雜,除高嶺石、伊利石等黏土礦物外還混雜著石英、方解石、白云石、長(zhǎng)石等礦物。石英等脆性礦物含量高,而黏土礦物含量低的頁巖油層可以通過壓裂改造成為油氣產(chǎn)層。二疊盆地Wolfcamp頁巖層富含石英、方解石等脆性礦物,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層平均石英含量37.7%,方解石含量21.6%,黏土含量22.8%,孔隙度一般低于10%。

頁巖油藏在儲(chǔ)層特征、成藏機(jī)制及開發(fā)方式方面與常規(guī)油藏存在差異,決定了頁巖油層測(cè)井評(píng)價(jià)內(nèi)容和方法的不同。頁巖油層測(cè)井評(píng)價(jià)包含儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、地化參數(shù)評(píng)價(jià)和力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)三大方面(見圖1)。

2 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

2.1 礦物含量評(píng)價(jià)

脆性礦物(石英、方解石等)和黏土的含量影響儲(chǔ)層壓裂改造的效果,方解石含量影響鉆井周期。脆性礦物含量高、方解石含量較低的儲(chǔ)層鉆井周期短,易于壓裂改造,為有利儲(chǔ)層,礦物含量的評(píng)價(jià)對(duì)頁巖油層評(píng)價(jià)尤為重要。

元素俘獲測(cè)井(ECS)通過確定Si、Ca、S、K和Fe等元素的相對(duì)產(chǎn)額,根據(jù)元素豐度和礦物含量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系得到石英、方解石、長(zhǎng)石、硬石膏、黃鐵礦等礦物的含量。受測(cè)井條件和費(fèi)用限制,ECS測(cè)井一般僅在部分重點(diǎn)井中測(cè)量。

斯倫貝謝公司ELANPlus模塊以巖石體積模型為基本思想,采用最優(yōu)化技術(shù)和模型組合技術(shù)進(jìn)行測(cè)井評(píng)價(jià),應(yīng)用常規(guī)測(cè)井資料建立矛盾方程組,可同時(shí)求解1個(gè)或多個(gè)模型,按一定的概率組合,確定頁巖儲(chǔ)層主要礦物和流體體積的最優(yōu)組成比例[18],解決ECS測(cè)井資料較少的不足。圖2中第5、6、7道分別為測(cè)井評(píng)價(jià)石英、方解石、黏土礦物含量與巖心分析結(jié)果對(duì)比,二者吻合較好。

2.2 孔隙度評(píng)價(jià)

頁巖中含有一定量的有機(jī)質(zhì),其性質(zhì)接近于流體,但占據(jù)礦物骨架的體積,需要進(jìn)行孔隙度校正[18]。頁巖層縱向非均質(zhì)性強(qiáng),礦物組成差異導(dǎo)致骨架密度縱向上變化明顯,影響孔隙度評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。ECS測(cè)井在確定石英、方解石、長(zhǎng)石等礦物含量的基礎(chǔ)上,根據(jù)巖石體積模型計(jì)算儲(chǔ)層骨架密度,作為應(yīng)用常規(guī)測(cè)井資料評(píng)價(jià)孔隙度的巖石骨架值,結(jié)合有機(jī)質(zhì)校正可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙度。

ELANPlus模塊可以應(yīng)用常規(guī)測(cè)井資料評(píng)價(jià)石英、方解石、黏土等主要礦物含量,考慮到有機(jī)質(zhì)對(duì)孔隙度計(jì)算的影響,將有機(jī)質(zhì)作為特殊礦物與石英、方解石、黏土建立礦物評(píng)價(jià)模型,考慮了有機(jī)質(zhì)對(duì)孔隙度評(píng)價(jià)的影響校正,在常規(guī)測(cè)井資料評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層孔隙度中應(yīng)用效果好。圖2中第8道測(cè)井計(jì)算孔隙度與巖心分析孔隙度一致。

2.3 滲透率模型

儲(chǔ)層孔隙度和礦物組成影響地層的滲透性[18]。以巖心分析滲透率建立Wolfcamp頁巖儲(chǔ)層滲透率模型為

K=10[4.4-Vquar-1.5Vlime-1.5Vclay+3 lg φe-2 lg(1-φe)]

(1)

式中,K為儲(chǔ)層滲透率,mD;Vquar為石英含量,小數(shù);Vlime為方解石含量,小數(shù);Vclay為黏土含量,小數(shù);φe為有效孔隙度,小數(shù)。圖2中第9道計(jì)算滲透率與巖心分析滲透率具有較好的一致性。

2.4 含油飽和度評(píng)價(jià)

頁巖層黏土礦物含量通常較高,孔隙度低,應(yīng)用Archie公式評(píng)價(jià)含水飽和度受到限制。Eastwood等[19]介紹了Bardon-Pied改進(jìn)的Simandoux方程評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層束縛水飽和度,該方程假設(shè)儲(chǔ)層含水飽和度為1.0。

Simandoux公式、Indonesia公式等是為常規(guī)泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層建立的,考慮了黏土附加導(dǎo)電性的影響。以巖心分析含水飽和度刻度測(cè)井評(píng)價(jià)結(jié)果確定含水飽和度評(píng)價(jià)參數(shù),應(yīng)用Indonesia公式計(jì)算Wolfcamp頁巖層含水飽和度。圖2中第10道為測(cè)井計(jì)算孔隙度與巖心分析含油飽和度對(duì)比,評(píng)價(jià)結(jié)果與巖心分析飽和度結(jié)果一致。

(2)

(3)

式中,a為與巖性有關(guān)的系數(shù),取1;m為膠結(jié)指數(shù),取2.3;n為飽和度指數(shù),取2.1;Rw為地層水電阻率,取0.12 Ω·m;Rclay為泥巖層電阻率,Ω·m;R為測(cè)井電阻率,Ω·m。

3 地化參數(shù)評(píng)價(jià)

地化參數(shù)包含總有機(jī)碳含量TOC、鏡體質(zhì)組反射率Ro、熱成熟度指數(shù)Im等。

測(cè)井評(píng)價(jià)TOC常用Passey法,即聲波時(shí)差和電阻率曲線迭合法[2,12]。

(4)

TOCPassey=(ΔlogR)×10(2.297-0.1688LOM)

(5)

式中,RB為非烴源巖的電阻率,Ω·m;Δtc為縱波時(shí)差,μs/ft;ΔtcB為非烴源巖的聲波時(shí)差,μs/ft;LOM為Exxon公司使用的有機(jī)質(zhì)成熟度評(píng)價(jià)指標(biāo),取10.25(Ro=0.9)。

Passey法適用于富含石英、黏土的頁巖層,在Wolfcamp頁巖中,發(fā)育方解石含量高的層段,計(jì)算結(jié)果明顯偏高。應(yīng)用巖心分析TOC與密度測(cè)井曲線建立TOC評(píng)價(jià)模型

(6)

式中,DEN為測(cè)井密度,g/cm3。

根據(jù)儲(chǔ)層方解石含量確定體積密度法計(jì)算TOC權(quán)重(WDEN),綜合Passey法和體積密度法評(píng)價(jià)頁巖層TOC[見式(7)]。圖2中第11道為測(cè)井評(píng)價(jià)結(jié)果與巖心分析TOC結(jié)果,二者吻合程度高。

TOC=TOCPassey×(1-WDEN)+TOCDEN×WDEN

(7)

4 力學(xué)特征評(píng)價(jià)

4.1 巖石力學(xué)參數(shù)

巖石在一定的初載荷作用下可以視為彈性體。當(dāng)聲波強(qiáng)度在1～5 W/m2(幾個(gè)至幾十個(gè)大氣壓)范圍,巖體的形變和應(yīng)力呈線性關(guān)系,彈性模量和泊松比可以通過縱波、橫波時(shí)差確定。

(8)

(9)

式中,Δtc為縱波時(shí)差,s/m;Δts為橫波時(shí)差,s/m;E為彈性模量,Pa;μ為泊松比,無量綱;ρb為巖石密度,kg/m3。

4.2 脆性指數(shù)評(píng)價(jià)

巖石的脆性包含2方面的含義:外力作用下巖石破裂的難易和巖石破裂后裂縫保持開啟的難易[16],分別以泊松比和彈性模量評(píng)價(jià)。泊松比越小,外力作用下巖石越易于破裂;彈性模量越大,巖石產(chǎn)生裂縫后越利于保持開啟。

巖石的脆性通常以脆性指數(shù)表示,通過彈性模量和泊松比分別計(jì)算巖石的脆性指數(shù),取二者的平均值作為綜合的巖石脆性指數(shù)。泊松比和彈性模量的最大、最小值均通過實(shí)際資料確定(見圖3)。

BIE=100[(E-Emin)/(Emax-Emin)]

(10)

BIμ=100[(μ-μmax)/(μmin-μmax)]

(11)

BI=0.5[(BIE+BIμ)

(12)

式中,Emin為彈性模量最小值,GPa;Emax為彈性模量最大值,GPa;μmin為泊松比最小值;μmax為泊松比最大值;BIE為彈性模量計(jì)算巖石的脆性指數(shù),%;BIμ為泊松比計(jì)算巖石的脆性指數(shù),%;BI為巖石的脆性指數(shù),%。圖4中第6道為Wolfcamp頁巖脆性指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖3 Wolfcamp頁巖彈性模量與泊松比交會(huì)圖

圖4 Wolfcamp頁巖力學(xué)參數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)

4.3 地應(yīng)力評(píng)價(jià)

地應(yīng)力可歸結(jié)為3個(gè)相互垂直的主應(yīng)力,即三軸向主應(yīng)力,包括垂向應(yīng)力(用SZ表示)和最大、最小水平主應(yīng)力(分別用SH、Sh表示)。

垂向應(yīng)力由上覆巖層壓力產(chǎn)生,可利用密度測(cè)井資料計(jì)算

(13)

式中,SZ為總垂向應(yīng)力;Dt為真垂向深度,m;g為重力加速度,m/s2;Xoffset為偏移值。

水平應(yīng)力主要由構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)成,應(yīng)用研究區(qū)Wolfcamp層壓裂數(shù)據(jù),確定最大、最小水平主應(yīng)力計(jì)算模型

(14)

(15)

式中,SH為最大水平主應(yīng)力;Sh為最小水平主應(yīng)力;pφ為地層孔隙壓力。圖4第7道為Wolfcamp層地應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.4 最大水平主應(yīng)力方向

Wolfcamp層鉆井誘導(dǎo)縫方向(見圖5)為近東西向,表明研究區(qū)Wolfcamp層現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向。垂向應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力(見圖4),因此,最小主水平應(yīng)力方向?yàn)榘踩你@井方位[20-21],為保持井眼穩(wěn)定,水平井方向與最小水平主應(yīng)力方向平行。研究區(qū)塊內(nèi),Wolfcamp層已鉆的200多口水平井均采取南北向鉆井,水平段長(zhǎng)度1 500～3 000 m,井眼穩(wěn)定性好,鉆井成功率高。

圖5 Wolfcamp層鉆井誘導(dǎo)縫方位圖

5 結(jié) 論

(1) 頁巖油層測(cè)井評(píng)價(jià)內(nèi)容與常規(guī)儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)不同,包括儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、地化參數(shù)評(píng)價(jià)和力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)三大方面。

(2) 將有機(jī)質(zhì)視為礦物組成,應(yīng)用ELANPlus模塊建立模型,可以校正有機(jī)質(zhì)對(duì)孔隙度影響,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)主要礦物含量和孔隙度,基于ELANPlus價(jià)結(jié)果的礦物組分滲透率模型可以合理評(píng)價(jià)Wolfcamp頁巖滲透率。

(3) 基于Indonesia方程建立含油飽和度模型可以準(zhǔn)確計(jì)算Wolfcamp層含油飽和度。

(4) Passey法適合富石英及黏土頁巖,密度法適合富方解石頁巖,Passey法與密度法結(jié)合評(píng)價(jià)TOC適合于Wolfcamp頁巖層。

(5) 應(yīng)用測(cè)井資料可以評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層的脆性指數(shù)和地層主應(yīng)力,輔助選取有利壓裂段,并為水平井安全鉆井方向的確定提供依據(jù)。

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