西加盆地都沃內(nèi)頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)

李冰,李劍平,侯秋元,包鑫,蔣新宇,曲鵬

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司國(guó)際公司,北京102206)

0 引 言

作為非常規(guī)能源之一,頁(yè)巖氣既是常規(guī)天然氣的潛在替代能源,也是清潔環(huán)保能源。在北美地區(qū),頁(yè)巖氣產(chǎn)量在數(shù)年內(nèi)大幅增長(zhǎng)[1]。頁(yè)巖氣表現(xiàn)為典型的原地成藏模式,頁(yè)巖既是生油巖,也是聚集和保存頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層和蓋層。頁(yè)巖儲(chǔ)層致密,孔隙度一般為4%～6%,滲透率小于0.001 mD*[2]。不同地區(qū)的頁(yè)巖性質(zhì)差異較大[2],其評(píng)價(jià)方法具有較強(qiáng)的區(qū)域特性。對(duì)頁(yè)巖氣藏進(jìn)行評(píng)價(jià),主要考慮它的生烴能力、儲(chǔ)集能力和力學(xué)性質(zhì)。測(cè)井資料具有較易獲取、分辨率較高以及地質(zhì)信息豐富等特點(diǎn),在頁(yè)巖氣藏的綜合評(píng)價(jià)中起到了重要作用。通過(guò)多種測(cè)井方法的綜合應(yīng)用,對(duì)頁(yè)巖氣藏進(jìn)行全面評(píng)估。

本文以加拿大西加盆地K地區(qū)都沃內(nèi)地層為研究目標(biāo),從烴源巖品質(zhì)、儲(chǔ)層品質(zhì)及完井品質(zhì)等3個(gè)方面,開(kāi)展了系統(tǒng)研究。對(duì)地化參數(shù)指標(biāo)、礦物組分分析以及可壓裂性評(píng)價(jià)等3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述,使用巖心分析及微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)單井油氣資源量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),同美國(guó)五大已開(kāi)發(fā)盆地地質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)多種可壓裂性評(píng)價(jià)手段,探討了測(cè)井資料在壓裂高度預(yù)測(cè)中的可行性,取得了較好的應(yīng)用效果。

圖2 D1井都沃內(nèi)地層巖心樣品熱解實(shí)驗(yàn)成果

1 研究區(qū)頁(yè)巖氣藏特征

作為典型的海相頁(yè)巖氣藏,都沃內(nèi)地層形成于中泥盆世晚期至晚泥盆世不斷的海侵運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。在最大海侵時(shí)期,都沃內(nèi)頁(yè)巖層沉積,同期伴隨勒杜克生物礁的生長(zhǎng),是盆地內(nèi)常規(guī)儲(chǔ)層重要的烴源巖[3]。都沃內(nèi)地層屬典型單斜構(gòu)造,傾向西南至東北,埋深逐漸變淺。厚度在勒杜克生物礁發(fā)育位置達(dá)到最大,超過(guò)90 m[3],由盆地邊緣向向盆地中心厚度呈明顯變薄趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)。在研究區(qū)域,目標(biāo)層段厚度均大于25 m,大部分地區(qū)大于30 m。

圖1 目標(biāo)研究區(qū)域相對(duì)位置圖

根據(jù)研究區(qū)D1井都沃內(nèi)地層巖心樣品的熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,其總有機(jī)碳含量在1.48%～8.29%,平均為3.85%。能夠作為勘探目標(biāo)的頁(yè)巖,其總有機(jī)碳含量(TOC)值一般為2%～10%[4]。D1井的TOC值指示該井所處區(qū)域資源潛力大。熱成熟度指標(biāo)方面,鏡質(zhì)體反射率分布在1.09%～1.58%,平均為1.34%;最大熱解峰溫分布在458～486 ℃,平均為472 ℃;以上2項(xiàng)指標(biāo)均指示,該井鉆遇的都沃內(nèi)地層處于凝析窗口期(見(jiàn)圖2)。

D1井都沃內(nèi)地層巖心樣品的X-衍射分析結(jié)果[見(jiàn)圖3(a)]顯示:該段泥質(zhì)含量平均為26%,硅質(zhì)和鈣質(zhì)的含量分別為38%和32%,黃鐵礦的含量為4%。D1井都沃內(nèi)地層巖心樣品的致密巖分析(Tight Rock Analysis,TRA)結(jié)果表明:都沃內(nèi)地層孔隙度主要分布在2%～6%,平均為3.6%[見(jiàn)圖3(b)]。盡管樣品孔隙度較低,但通過(guò)掃描電鏡分析,其孔隙均為有效孔隙[見(jiàn)圖3(c)],且含烴孔隙度同有效孔隙度具有正相關(guān)關(guān)系[見(jiàn)圖3(d)]。

圖3 D1井都沃內(nèi)地層樣品X-衍射分析結(jié)果、樣品孔隙度分布、掃描電鏡成果及有效孔隙度與含烴孔隙度的關(guān)系

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)技術(shù)路線

頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)可由測(cè)井資料通過(guò)模型反演得到,其多解性較強(qiáng),且由于地質(zhì)條件的多變以及技術(shù)的局限性,解釋方法及模型常常具有區(qū)域性。針對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖氣藏的典型特征,本文確定了符合地區(qū)特征的研究技術(shù)路線(見(jiàn)圖4)。首先,收集區(qū)域資料,在質(zhì)量控制、資料預(yù)處理及分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行單井解釋,巖心資料用于解釋模型的建立及單井解釋結(jié)果的驗(yàn)證。

圖4 研究區(qū)測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)路線圖

2.2 地化參數(shù)指標(biāo)

具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣藏,必須是有效的烴源巖[2]。本文使用有機(jī)質(zhì)豐度和巖石熱解參數(shù)等地化參數(shù)指標(biāo),作為烴源巖品質(zhì)評(píng)價(jià)的參數(shù)。其中,總有機(jī)碳含量TOC作為有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo),國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了詳細(xì)的研究[5-6]。在研究區(qū)TOC的預(yù)測(cè)使用了伽馬能譜測(cè)井的鈾含量[5]和密度測(cè)井資料[7]。巖石熱解參數(shù)方面,主要使用氫指數(shù)HI進(jìn)行評(píng)價(jià),建立了HI同成熟度級(jí)別LOM[5]的擬合關(guān)系,并且建立了吸附烴含量(S1)和裂解烴含量(S2)的區(qū)域模型。

S1=0.4627e0.4027TOC

(1)

HI=-3.1345LOM2+28.287LOM+133.83

(2)

S2=HI×TOC

(3)

式中,TOC為總有機(jī)碳含量,%;S1為吸附烴含量,mg/g;HI為氫指數(shù),mg/g;LOM為成熟度級(jí)別,根據(jù)Henderson轉(zhuǎn)換圖用鏡質(zhì)體反射率求得;S2為裂解烴含量,mg/g。

圖5 研究區(qū)D1井黃鐵礦含量同與效孔隙度關(guān)系以及解釋的黃鐵礦含量同巖心分析結(jié)果對(duì)比

系統(tǒng)建立了研究區(qū)氫指數(shù)HI同凝析液氣比CGR的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)表1),用于判斷頁(yè)巖氣藏類型,為最終的甜點(diǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)提供依據(jù)。根據(jù)表1,對(duì)研究區(qū)14口先導(dǎo)試驗(yàn)井鉆遇都沃內(nèi)地層的頁(yè)巖氣藏類型進(jìn)行了定性判定,判定結(jié)果見(jiàn)表2(其中CGR的單位表示“桶/百萬(wàn)立方英尺”,美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))。

表1 研究區(qū)HI同CGR對(duì)應(yīng)關(guān)系表

2.3 礦物組分分析

隨著國(guó)內(nèi)外多個(gè)頁(yè)巖氣盆地的成功開(kāi)發(fā),對(duì)頁(yè)巖氣藏礦物組分的定性識(shí)別及定量評(píng)價(jià)十分重要。礦物組分不僅是完井品質(zhì)評(píng)價(jià)所需的重要參數(shù),決定著儲(chǔ)層的改造能力,也在一定程度上影響著頁(yè)巖的孔隙度。

本文根據(jù)巖心樣品的X-衍射分析結(jié)果,將頁(yè)巖氣藏的無(wú)機(jī)礦物組分分為泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)和黃鐵礦等4部分。在地層沉積過(guò)程中厭氧細(xì)菌分解硫酸鹽時(shí)釋放出硫化氫,黃鐵礦是硫化氫與沉積物中鐵元素發(fā)生反應(yīng)的產(chǎn)物[8]。圖5(a)為D1井都沃內(nèi)地層黃鐵礦含量與有效孔隙度的交會(huì)圖,當(dāng)黃鐵礦含量達(dá)到0.027后,與有效孔隙度存在著正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)主成分分析,應(yīng)用多元線性擬合方法,預(yù)測(cè)黃鐵礦含量,優(yōu)選體積光電吸收截面指數(shù)、密度、電阻率以及中子孔隙度等4類測(cè)井參數(shù)。預(yù)測(cè)的黃鐵礦含量同巖心分析結(jié)果對(duì)比,效果良好[見(jiàn)圖5(b)]。黃鐵礦含量的多元線性擬合關(guān)系如下

VPYR=0.0038UMA-0.0495ρ-

0.0162logRT-0.0009CN+0.1394

(4)

式中,VPYR為黃鐵礦的體積含量,V/V;UMA為體積光電吸收截面指數(shù),b/cm3;ρ為體積密度,g/cm3,RT為深探測(cè)電阻率,Ω·m;CN為中子孔隙度,V/V。

使用中子密度重疊方法和聲波密度重疊方法,分別進(jìn)行了泥質(zhì)含量的計(jì)算,選用算術(shù)平均值作為最終的泥質(zhì)含量。將得到的泥質(zhì)含量、黃鐵礦含量加入非線性聯(lián)立方程組,配合其他測(cè)井資料,通過(guò)約束最優(yōu)化算法,得到各組分的體積含量。與巖心數(shù)據(jù)對(duì)比(見(jiàn)圖6),計(jì)算精度可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖6 研究區(qū)D1井解釋參數(shù)同巖心參數(shù)對(duì)比圖

孔隙度是礦物組分分析的成果之一,其數(shù)值等于各流體組分含量之和。除孔隙度之外,飽和度也是計(jì)算地層游離氣含量的重要參數(shù)。研究區(qū)都沃內(nèi)地層的含水飽和度計(jì)算公式如下

(5)

Sw=Vuma/φe

(6)

式中,Ct為測(cè)量電導(dǎo)率,S/m;Cucl為原狀地層黏土電導(dǎo)率,S/m;Vcl為黏土含量,V/V;ersh為由原狀地層黏土電導(dǎo)率計(jì)算原狀地層頁(yè)巖電導(dǎo)率的系數(shù),該區(qū)設(shè)定為2;Vuma為原狀地層水百分含量,V/V;n為飽和度指數(shù);swshe為西門(mén)杜公式頁(yè)巖影響系數(shù),該區(qū)設(shè)定為1;Cuma為原狀地層水電導(dǎo)率,S/m;φe為有效孔隙度,V/V;a為巖性附加導(dǎo)電性校正系數(shù);m為孔隙度指數(shù),無(wú)量綱;mc2為膠結(jié)系數(shù)的孔隙度校正指數(shù),該區(qū)設(shè)定為0;Sw為地層含水飽和度,V/V。

頁(yè)巖氣藏含氣量是經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù),等于孔隙中的游離氣和吸附氣含量的和[2]。吸附氣含量由蘭格繆爾等溫吸附試驗(yàn)并通過(guò)相關(guān)溫度校正[6]得到,游離氣含量由物性參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行吸附氣附加校正[9]后得到,含氣量為校正后的游離氣含量與吸附氣含量的和。

2.4 可壓裂性評(píng)價(jià)

研究區(qū)在壓裂生產(chǎn)過(guò)程中存在著壓裂能量丟失、無(wú)法達(dá)到預(yù)定壓裂效果的情況,需要通過(guò)可壓裂性評(píng)價(jià)[10]進(jìn)行壓裂高度的預(yù)測(cè),為壓裂增產(chǎn)措施的制定提供依據(jù)。本文通過(guò)理論閉合應(yīng)力計(jì)算[11]、經(jīng)驗(yàn)閉合應(yīng)力計(jì)算以及斷裂韌性計(jì)算相結(jié)合的方式進(jìn)行壓裂高度預(yù)測(cè),進(jìn)而判斷可能的壓裂頂界。

經(jīng)驗(yàn)閉合應(yīng)力計(jì)算方法是采用西加盆地都沃內(nèi)地層的多個(gè)巖心數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合而來(lái),其計(jì)算方法如下

(7)

Eh=0.5658Ev+22.915

(8)

Vv=Vd

(9)

Vh=1.05Vv

(10)

(11)

式中,Ev為垂直方向靜彈性模量,GPa;Eh為水平方向靜彈性模量,GPa;Vv為垂直方向的靜泊松比;Vh為水平方向的靜泊松比;Sc為閉合應(yīng)力,MPa;Sv為垂直方向主應(yīng)力,MPa;α為畢奧系數(shù),該區(qū)設(shè)定為0.9;pp為孔隙壓力,MPa;Ed和Vd分別為利用測(cè)井資料計(jì)算的動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比。

2.5 模型精度驗(yàn)證

通過(guò)D1井的實(shí)際井處理,對(duì)模型在研究區(qū)的適用性進(jìn)行了精度驗(yàn)證,圖6為解釋參數(shù)同巖心分析參數(shù)的對(duì)比圖,對(duì)比參數(shù)包括:總有機(jī)碳含量、吸附烴含量、裂解烴含量,泥質(zhì)含量、硅質(zhì)含量以及鈣質(zhì)含量。黃鐵礦含量的對(duì)比參見(jiàn)圖5(b)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):解釋參數(shù)同巖心參數(shù)對(duì)應(yīng)性良好,模型精度高,能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需要。

3 應(yīng)用效果

該技術(shù)在研究區(qū)多口井進(jìn)行應(yīng)用,對(duì)都沃內(nèi)地層的烴源巖品質(zhì)、儲(chǔ)層品質(zhì)以及完井品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),精細(xì)評(píng)價(jià)單井油氣資源量,對(duì)壓裂高度進(jìn)行預(yù)測(cè),提供了可能壓裂頂界面,為研究區(qū)甜點(diǎn)區(qū)域的預(yù)測(cè)以及勘探開(kāi)發(fā)方案的制定提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

3.1 油氣資源量評(píng)價(jià)

對(duì)研究區(qū)的14口先導(dǎo)試驗(yàn)井的目標(biāo)地層進(jìn)行了測(cè)井綜合解釋,表2為解釋成果表。圖7為D1井的單井油氣資源量測(cè)井綜合評(píng)價(jià)成果圖。從表2及圖7可看出,研究區(qū)目標(biāo)地層的油氣資源量縱橫向分布不均勻,展現(xiàn)出強(qiáng)非均質(zhì)性特征?？v向上,頁(yè)巖氣富集層段具有如下特征:去鈾伽馬和能譜伽馬差別明顯,鈾含量高,指示海相地層發(fā)育,且TOC值較高;中子密度重疊、及ECS成果指示泥質(zhì)含量低于上下圍巖;密度測(cè)井值減少,聲波測(cè)井值增大,指示目標(biāo)層段孔隙發(fā)育;電阻率值明顯升高,指示含氣量豐富。橫向上研究區(qū)內(nèi)的14口先導(dǎo)試驗(yàn)井,單井控制油氣資源量分布在41.4～112.8 bcf/sec(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn),sec為section的簡(jiǎn)稱,section為北美使用的網(wǎng)格面積單元,表示長(zhǎng)寬均為1.6 km的正方形區(qū)域,bcf為billion cubic feet的簡(jiǎn)稱,十億立方英尺),平均單井控制油氣資源量為78.9 bcf/sec,指示研究區(qū)內(nèi)油氣資源量豐富。

表2 研究區(qū)14口井測(cè)井綜合解釋成果表

圖7 研究區(qū)D1井油氣資源量測(cè)井綜合成果圖*非法定計(jì)量單位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J;1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

將研究區(qū)和美國(guó)五大已開(kāi)發(fā)盆地的地質(zhì)評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表3),對(duì)比結(jié)果表明:研究區(qū)Duvernay頁(yè)巖,埋深較其他頁(yè)巖氣盆地深;TOC基本相當(dāng),鏡質(zhì)體反射率指示目標(biāo)地層處于凝析氣階段;硅質(zhì)含量適當(dāng),儲(chǔ)層改造能力強(qiáng);含氣量豐富,氣含量與吸附氣占比均同Barnett相當(dāng)。

表3 美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地與研究區(qū)地質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 壓裂高度預(yù)測(cè)

圖8 D1井可壓裂性評(píng)價(jià)成果圖及研究區(qū)微地震監(jiān)測(cè)解釋成果側(cè)視圖

圖8(a)為D1井的可壓裂性評(píng)價(jià)成果圖。使用理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了閉合應(yīng)力(最小水平主應(yīng)力)剖面[參見(jiàn)圖8(a)第7和第8道],閉合應(yīng)力表征微裂隙將閉未閉時(shí),巖體內(nèi)部產(chǎn)生的反作用力水平,低閉合應(yīng)力(紅色)指示該段易于壓裂;第9道為斷裂韌性剖面,低斷裂韌性(紅色)指示該段抵抗內(nèi)部裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力弱,易于壓裂。綜合考慮閉合應(yīng)力預(yù)測(cè)和斷裂韌性計(jì)算結(jié)果,對(duì)不同壓裂期數(shù)下的裂縫高度進(jìn)行預(yù)測(cè),推測(cè)可能的壓裂頂界在-1 845 m(海拔深度)。

圖8(b)為D1井所在平臺(tái)的微地震監(jiān)測(cè)[12]解釋成果圖,從圖8(b)可看出,在壓裂結(jié)束后,縱向上裂縫沿著地層向上延伸,海拔深度在-1 850 m左右,同本方法的預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了本方法在壓裂高度預(yù)測(cè)中的可行性。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)先導(dǎo)試驗(yàn)井分析,以及同美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地的地質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比,研究區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度高,成熟度高,含氣量及單井資源量豐富,具有良好的勘探前景。

(2)通過(guò)測(cè)井資料進(jìn)行可壓裂性分析,可以進(jìn)行壓裂高度預(yù)測(cè),從而判斷壓裂的可能頂界,預(yù)測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)微地震監(jiān)測(cè)驗(yàn)證合理,可用于指導(dǎo)下一步的壓裂方案設(shè)計(jì)。

(3)形成了一套適用于西加盆地都沃內(nèi)海相頁(yè)巖氣的測(cè)井評(píng)價(jià)方法,針對(duì)烴源巖品質(zhì)、儲(chǔ)層品質(zhì)及完井品質(zhì)這3個(gè)方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究,取得了良好的應(yīng)用效果。