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    加拿大西加盆地頁巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)研究

    2018-03-26 04:50:21淮銀超曲良超譚玉涵夏朝輝
    中國(guó)礦業(yè) 2018年3期
    關(guān)鍵詞:氣量飽和度測(cè)井

    淮銀超,曲良超,張 銘,譚玉涵,夏朝輝

    (1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西 西安 710065;2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司油價(jià)評(píng)價(jià)中心,陜西 西安 710077)

    0 引 言

    頁巖氣是指賦存于富含有機(jī)質(zhì)的頁巖中的非常規(guī)天然氣,是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或二者的混合[1-2]。作為一種非常規(guī)天然氣,頁巖氣賦存形式有三種,吸附在頁巖干酪根的有機(jī)質(zhì)、黏土顆粒表面上、游離在頁巖裂隙和基質(zhì)孔隙中,溶解在頁巖的有機(jī)質(zhì)中或有機(jī)烴中。頁巖氣開發(fā)對(duì)于環(huán)境保護(hù),緩解化石能源危機(jī)和調(diào)整國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)、保障國(guó)家能源安全等具有十分重要的意義。

    在頁巖氣儲(chǔ)層眾多的評(píng)價(jià)方法中,測(cè)井評(píng)價(jià)是最直接、最有效的方法之一,對(duì)于頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重要意義[3]。由于頁巖氣儲(chǔ)層含氣復(fù)雜性以及“低孔低滲”等特點(diǎn),基于測(cè)井資料的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)在評(píng)價(jià)模型、方法以及思路等方面與常規(guī)油氣儲(chǔ)層存在不同。西加盆地作為加拿大頁巖氣的重要產(chǎn)地,不僅地質(zhì)儲(chǔ)量豐富,頁巖儲(chǔ)層品質(zhì)高、頁巖含氣量高,同時(shí)在工廠化鉆井、水平井分段壓裂等鉆井與儲(chǔ)層改造技術(shù)等方面處于領(lǐng)先地位,對(duì)于頁巖氣的測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)卻缺乏系統(tǒng)性研究。基于此,筆者以加拿大西加盆地頁巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象,利用測(cè)井資料的多元回歸擬合和體積模型法分別建立頁巖氣儲(chǔ)層物性參數(shù)、地球化學(xué)、含氣性以及骨架礦物組分等模型,確立研究區(qū)的頁巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)體系。通過與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性加以驗(yàn)證,從而為頁巖氣儲(chǔ)層后續(xù)改造、開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

    1 研究區(qū)概況

    加拿大西加盆地(west Canadian sediment basin,WCSB)是一個(gè)巨大的沉積盆地,面積1.4×106km2,分布在美國(guó)與加拿大之間的廣大區(qū)域內(nèi)。盆地的構(gòu)造演化運(yùn)動(dòng)發(fā)生在泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、晚二疊世、侏羅紀(jì)-早白堊世和中、晚侏羅世-第三紀(jì),其中晚二疊世和晚侏羅世-第三紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)決定著盆地規(guī)模、地層發(fā)育以及空間布局。西加盆地猶如一個(gè)巨大的楔狀體,向西延伸到太平洋沿岸的落基山,向東延伸到加拿大地盾。主要沉積地層有古生代至侏羅紀(jì)的碳酸鹽巖、泥頁巖以及中侏羅世至古新世間的之間的碎屑巖。本次的研究目的層即為泥盆紀(jì)的泥頁巖。

    研究區(qū)位于西加盆地西部,目的頁巖位于泥盆紀(jì)地層中,屬于深海相沉積,巖性以富瀝青質(zhì)暗色黑色、黑灰色硅質(zhì)、鈣質(zhì)泥頁巖、泥巖為主。目的頁巖厚度介于45~65 m,埋藏深度在2 500~3 500 m之間,總有機(jī)碳含量為3.54%,鏡質(zhì)體反射率為1.63%。

    2 儲(chǔ)層特征

    巖芯分析結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)頁巖的儲(chǔ)集空間為溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔和裂縫,孔隙度為3.35%。滲透率0.174×10-3μm2;X-ray diffraction(XRD)分析結(jié)果表明骨架礦物為石英、方解石、長(zhǎng)石,含有少量黃鐵礦;黏土礦物主要以伊蒙混層、綠泥石、伊利石為主,含有少量蒙脫石。

    在常壓和儲(chǔ)層溫度下測(cè)定研究區(qū)內(nèi)的含氣量,通過測(cè)定解吸罐中的氣體體積獲得解吸氣體積;利用USBM直線回歸方法確定散溢氣體積;粉碎樣品以獲得殘余氣體積。含氣量測(cè)定結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)含氣量平均值為1.59 cm3/g,屬于中-高含氣量?jī)?chǔ)層,表1為BB井的含氣量測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

    表1 研究區(qū)內(nèi)BB井含氣量測(cè)定結(jié)果

    3 頁巖氣儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)

    考慮到頁巖氣儲(chǔ)層“低孔低滲”、含氣性復(fù)雜以及頁巖氣儲(chǔ)層需要水平壓裂的特點(diǎn),將頁巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)模型分為四部分:儲(chǔ)層物性、總有機(jī)碳含量、含氣性以及骨架礦物組分。包括有效孔隙度、滲透率和含水飽和度、總有機(jī)碳含量、吸附氣含氣量、游離氣含氣量以及石英、鉀長(zhǎng)石、方解石、黃鐵礦含量等10個(gè)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)參數(shù)。通過頁巖氣儲(chǔ)層測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)研究,能夠更加全面認(rèn)識(shí)研究區(qū)內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層特征,為后續(xù)頁巖氣儲(chǔ)層“甜點(diǎn)區(qū)”優(yōu)選、資源量評(píng)價(jià)以及儲(chǔ)層改造奠定基礎(chǔ)。

    3.1 物性參數(shù)模型

    測(cè)井識(shí)別是頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)。研究區(qū)圍巖為灰?guī)r,相比于圍巖的“低伽瑪、高密度、低中子孔隙度、低聲波時(shí)差、高電阻率、高光電吸收系數(shù)”測(cè)井響應(yīng)[4],頁巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井曲線響應(yīng)特征表現(xiàn)為“中高伽瑪、中低補(bǔ)償密度、高中子孔隙度、高聲波時(shí)差、中低電阻率、低光電吸收系數(shù)以及高鈾,釷,鉀”。其中鈾對(duì)于頁巖中的有機(jī)質(zhì)反應(yīng)最為靈敏(圖1)。

    CALI-井徑;GR-自然伽馬;PEFZ-光電吸收界面;URAN-自然伽馬能譜-鈾;THOR-自然伽馬能譜-釷;POTA自然伽馬能譜-鉀;AC-聲波時(shí)差;NPHI中子孔隙度;RHOB-補(bǔ)償密度;LLD-深電阻率;LLS-中電阻率;MSFL-淺電阻率;TOC-總有機(jī)碳含量圖1 研究區(qū)頁巖測(cè)井響應(yīng)特征

    3.1.1 有效孔隙度

    有效孔隙度是頁巖氣儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)的最重要的參數(shù)之一,決定著游離氣儲(chǔ)能。研究區(qū)內(nèi)黃鐵含量較高以及黏土礦物中的束縛水,使用補(bǔ)償密度數(shù)據(jù)是計(jì)算有效孔隙度最有效方法。在有效孔隙度計(jì)算時(shí)須校正有機(jī)質(zhì)、黏土礦物對(duì)有效孔隙度的影響。具體計(jì)算模型見式(1)。

    (1)

    式中:φ為有效孔隙度,%;ρ為補(bǔ)償密度,g/cm3;ρma、ρf、ρsh、ρtoc為骨架、流體、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)密度,g/cm3;Vsh、Vtoc為黏土礦物、有機(jī)質(zhì)含量%。

    3.1.2 滲透率

    頁巖氣儲(chǔ)層滲透率決定著頁巖氣產(chǎn)能,同時(shí)準(zhǔn)確的滲透率評(píng)價(jià)對(duì)于儲(chǔ)層改造具有重要的指示意義。頁巖氣儲(chǔ)層中的充氣孔隙往往是頁巖氣儲(chǔ)層中相對(duì)較大的,使得氣體在孔隙中的流動(dòng)具有類似于達(dá)西運(yùn)動(dòng)的特性,從而與有效孔隙度有很好的相關(guān)性[5-7]。圖2的取芯分析結(jié)果也驗(yàn)證了滲透率與有效孔隙度間具有很好的相關(guān)性,說明基于巖芯分析成果建立的滲透率評(píng)價(jià)模型可靠,見式(2)所示。

    Perm=63.285×exp(0.248×φ)

    (2)

    式中:Perm為滲透率,10-6μm2;φ為有效孔隙度,%。

    圖2 有效孔隙度與滲透率關(guān)系

    3.1.3 含氣飽和度

    含氣飽和度是游離氣含氣量計(jì)算中的主要參數(shù)之一,與常規(guī)儲(chǔ)層不同,頁巖氣儲(chǔ)層中流體以束縛水為主,且液態(tài)烴含量極少??紤]到研究區(qū)內(nèi)的頁巖中的黏土礦物種類、分布形式以及不同含水飽和度的適用條件,確定利用阿爾奇公式計(jì)算含氣飽和度。

    黃鐵礦的存在使得頁巖段電阻率明顯偏低,會(huì)產(chǎn)生將含水飽和度值計(jì)算很高的“假象”。以“地層水視電阻率法”來降低黃鐵礦對(duì)含氣飽和度計(jì)算精度的影響。即在其余參數(shù)固定情況下,以實(shí)驗(yàn)室分析地層水電阻率為基礎(chǔ)和自變量,含水飽和度為因變量。通過調(diào)整地層水電阻率從而達(dá)到利用阿爾奇方法計(jì)算含水飽和度與分析含水飽和度差值的最小化,以此時(shí)的地層水電阻率作為“地層水視電阻率”來計(jì)算研究區(qū)的含氣飽和度,見式(3)~(4)。

    (3)

    Sg=1-Sw

    (4)

    式中:Sw、Sg為含水飽和度,含氣飽和度,%;Rw、Rt為地層水、視地層水電阻率,Ω·m;φ為有效孔隙度,%;a、b為地層膠結(jié)系數(shù);m、n電阻率放大系數(shù)。

    3.2 總有機(jī)碳含量模型

    總有機(jī)碳含量是頁巖氣儲(chǔ)層地球化學(xué)評(píng)價(jià)的重要參數(shù),對(duì)于烴源巖的生烴潛力確定、吸附氣含量預(yù)測(cè)有重要意義[8-9]。常用計(jì)算方法有自然伽瑪曲線法、密度曲線法、電阻率-孔隙度交會(huì)法、干酪根轉(zhuǎn)換方法[10-12]。電阻率-孔隙度交會(huì)法以相對(duì)成熟且準(zhǔn)確率較高的特點(diǎn),常用來定性識(shí)別頁巖氣儲(chǔ)層與定量計(jì)算總有機(jī)碳含量,電阻率-孔隙度交會(huì)法根據(jù)計(jì)算出電阻率與聲波時(shí)差疊合幅度差,擬合出總有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)模型,具體如式(5)~(6)所示。

    (5)

    TOC=0.414×ΔlogR+0.01×AC+1.08

    (6)

    式中:ΔlogR為聲波時(shí)差與電阻率曲線疊合幅度差;R、AC為實(shí)測(cè)的電阻率、聲波時(shí)差,Ω·m,μs/ft;R基線、AC基線為灰?guī)r段對(duì)應(yīng)的電阻率與聲波時(shí)差,Ω·m,μs/ft;TOC為總有機(jī)碳含量,%。

    黃鐵礦存在會(huì)影響電阻率-孔隙度交會(huì)法計(jì)算總有機(jī)碳含量的精度,而采用自然伽馬能譜不會(huì)受到黃鐵礦的影響,可以用來計(jì)算總有機(jī)碳含量。在自然伽瑪能譜中,鉀反映堿金屬元素含量,釷反映土族元素,鈾則代表地層氧還原特性[13-14]。頁巖氣儲(chǔ)層中的大量有機(jī)質(zhì)對(duì)鈾有很強(qiáng)吸附力,故而總有機(jī)碳含量與鈾元素有很好相關(guān)性(圖3),可以用鈾元素來計(jì)算總機(jī)碳含量,計(jì)算見式(7)。

    TOC=0.208×URAN+1.867

    (7)

    式中:TOC為總有機(jī)碳含量,%;URAN為鈾元素含量,10-6。

    圖3 總有機(jī)碳含量與自然伽瑪能譜-鈾的關(guān)系

    考慮到兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn),為了減少總有機(jī)碳含量的計(jì)算誤差以及提高計(jì)算精度,以兩種方法的計(jì)算結(jié)果平均值作為有機(jī)碳含量的最終結(jié)果。

    3.3 含氣性模型

    頁巖氣主要由三種類型組成:游離氣、吸附氣和溶解氣。溶解氣在頁巖氣資源評(píng)價(jià)上基本不考慮,含氣性主要考慮對(duì)象為吸附氣和游離氣,二者可以占到含氣量的95%以上。

    3.3.1 吸附氣

    在頁巖氣儲(chǔ)層中,吸附氣是含氣量中的絕大部分,吸附氣主要吸附在黏土礦物和有機(jī)質(zhì)表面[15-17]。吸附氣的常用的計(jì)算方法有等溫吸附模擬方法和巖芯分析回歸法,等溫吸附模擬方法需要大量取芯分析數(shù)據(jù)支持,而研究區(qū)內(nèi)的取芯分析數(shù)據(jù)有限,故而吸附氣含氣量計(jì)算只能采用巖芯分析回歸法。在加拿大西加盆地的頁巖氣儲(chǔ)層中,總有機(jī)碳含量對(duì)吸附氣吸附“貢獻(xiàn)”最大,與吸附氣具有很好的相關(guān)性?;诖?,采用總有機(jī)碳含量來回歸吸附氣含氣量,表達(dá)式見式(8)。

    GCad=0.414×TOC+0.258

    (8)

    式中:GCad為吸附氣含氣量,m3/t;TOC為總有機(jī)碳含量,%。

    3.3.2 游離氣

    游離氣是以自由氣體形態(tài)存在于頁巖裂隙和基質(zhì)孔隙中的天然氣,可以自由運(yùn)移。頁巖氣中的游離氣與常規(guī)儲(chǔ)層中的天然在富集,儲(chǔ)存規(guī)律等方面相似,主控因素為有效孔隙度與含氣飽和度[18-19],頁巖含氣量與頁巖有效孔隙度、含氣飽和度成正比,與頁巖地層密度成反比,構(gòu)建游離氣計(jì)算模型,表達(dá)式見式(9)。

    (9)

    式中:GCf為游離氣含氣量,cm3/g;Bg為游離氣體積系數(shù),為0.0216;φ為有效孔隙度,%;Sw為含水飽和度,%;ρ為頁巖氣儲(chǔ)層密度,g/cm3。

    3.3.3 含氣量

    以吸附氣與游離氣計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),含氣量為同一深度的吸附氣與游離氣之和。

    3.4 骨架礦物組分模型

    骨架礦物組分決定著頁巖脆性和硬度,而頁巖氣開發(fā)主要采用大型水力壓裂,因此骨架礦物含量對(duì)頁巖氣的開采具有重要意義[20]。同時(shí),骨架礦物含量在一定程度上影響著儲(chǔ)層滲透率與含氣性。XRD全巖分析表明研究區(qū)內(nèi)的頁巖的骨架礦物主要為石英、方解石、長(zhǎng)石,黃鐵礦作為一種特殊礦物,在骨架礦物含量的計(jì)算中不可或缺。

    3.4.1 黏土礦物含量

    黏土礦物含量是計(jì)算骨架礦物含量的先決條件,影響著骨架礦物含量計(jì)算準(zhǔn)確性。有機(jī)質(zhì)會(huì)影響到黏土礦物含量的計(jì)算結(jié)果,而去鈾伽瑪曲線能夠有效消除有機(jī)質(zhì)影響,是計(jì)算研究區(qū)內(nèi)黏土礦物含量的最佳方法,如式(10)~(11)所示。

    (10)

    (11)

    式中:SH為去鈾伽瑪相對(duì)值;KTH、KTHmin、KTHmax為分別為地層、灰?guī)r地層以及黏土礦物對(duì)應(yīng)的去鈾伽瑪,API。

    3.4.2 骨架礦物含量

    以礦物的巖石物理性質(zhì)為基礎(chǔ),測(cè)井曲線值是孔隙流體、黏土礦物、骨架礦物、有機(jī)質(zhì)的“貢獻(xiàn)”之和[21-22]??紤]到不同礦物對(duì)應(yīng)的測(cè)井曲線響應(yīng)特征,選擇自然伽瑪(GR)、聲波時(shí)差(AC)、補(bǔ)償密度(RHOB)、中子孔隙度(NPHI)和光電吸收系數(shù)(U)為輸入?yún)?shù),建立頁巖儲(chǔ)層的體積模型所,見式(12)。

    (12)

    式中:GR為自然伽馬,API;NPHI為中子孔隙度,%;RHOB為補(bǔ)償密度,g/cm3;AC為聲波時(shí)差,μs/m;U為光電吸收系數(shù),B/C3;Por為孔隙度,%;Vsh為泥質(zhì)含量,%;VToc為總有機(jī)碳含量,%;Vqt為石英含量,%;Vcal為方解石含量,%;Vab為長(zhǎng)石含量,%;Vpy為黃鐵礦含量,%;Xf為流體的X測(cè)井曲線響應(yīng)值;Xsh為泥巖的X測(cè)井曲線響應(yīng)值;XToc為有機(jī)碳的X測(cè)井曲線響應(yīng)值;Xqt為石英的X測(cè)井曲線響應(yīng)值;Xcal為方解石的X測(cè)井曲線響應(yīng)值;Xab為長(zhǎng)石的X測(cè)井曲線響應(yīng)值;Xpy為黃鐵礦的X測(cè)井曲線響應(yīng)值。

    通過聯(lián)立方程式,利用最優(yōu)化技術(shù),計(jì)算出石英、白云巖、長(zhǎng)石及黃鐵礦等骨架礦物含量。

    4 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果

    以建立的頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)模型對(duì)加拿大西加盆地研究區(qū)內(nèi)的頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià),圖4為加拿大西加盆地研究區(qū)內(nèi)的BB井頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果?;陧搸r氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)模型計(jì)算出研究區(qū)的頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度為3.62%;滲透率為0.293×10-3μm2;含水飽和度為7.66%,總有機(jī)碳含量為3.62%;吸附氣含氣量為1.59 cm3/g;游離氣含氣量為0.10 cm3/g;石英含量為30.31;方解石含量為23.52%;鉀長(zhǎng)石含量為8.59%;黃鐵礦含量為5.51%。黏土礦物含量為25.41%。

    圖4中的孔隙度、滲透率、總有機(jī)碳含量實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果與測(cè)井計(jì)算結(jié)果在趨勢(shì)和數(shù)值上具有很好的吻合性,表明加拿大西加盆地研究區(qū)內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)也說明了上述的評(píng)價(jià)模型能夠滿足頁巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井評(píng)價(jià)要求,可以為后續(xù)的開發(fā)工作奠定基礎(chǔ)。

    5 結(jié) 論

    1) 頁巖氣儲(chǔ)層屬于低價(jià)孔低滲的非常規(guī)儲(chǔ)層,在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)和方法上與常規(guī)儲(chǔ)層差異較大?;陧搸r氣儲(chǔ)層特征、取芯分析以及常規(guī)測(cè)井資料建立頁巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)體系。

    2) 形成基于頁巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征,分別建立頁巖氣儲(chǔ)層的基于取芯分析建立的儲(chǔ)層參數(shù)模性,主要的參數(shù)包括有效孔隙度、滲透率、含氣飽和度、總有機(jī)碳含量、吸附氣含氣量、游離氣含氣量,以及骨架礦物石英、方解石、長(zhǎng)石、黃鐵礦含量。

    圖4 加拿大西加盆地BB井頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果

    3) 由于常規(guī)測(cè)井資料及其精度的限制,骨架礦物的計(jì)算結(jié)果不夠理想。在未來的骨架評(píng)價(jià)模型中,可以考慮采用非常規(guī)測(cè)井資料(ECS、成像資料等),同時(shí)考慮開展具有針對(duì)性的物理實(shí)驗(yàn)以提高評(píng)價(jià)模型的精度。

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