非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的巖性分析及相關(guān)技術(shù)研究

潘玉嬌

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司，黑龍江大慶 163000）

以致密油、頁巖油和頁巖氣等為主的非常規(guī)油氣資源在世界能源結(jié)構(gòu)中的作用越來越重要[1]。然而，致密油儲(chǔ)層和頁巖儲(chǔ)層具有不同的巖性結(jié)構(gòu)和組成，并且具有超低的滲透率。其孔隙系統(tǒng)由高度異質(zhì)的納米到微米級(jí)孔隙主導(dǎo)。因此，與常規(guī)儲(chǔ)層相比，非常規(guī)儲(chǔ)層的錄井和測井響應(yīng)通常存在顯著差異，使用常規(guī)技術(shù)對非常規(guī)油氣藏進(jìn)行地質(zhì)評價(jià)具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性[2-4]。此外，非常規(guī)油藏儲(chǔ)層孔隙壓力較小，因此需要進(jìn)行水力壓裂以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。因此，工程特性（脆性和原位應(yīng)力狀態(tài)）已成為篩選水力壓裂層的關(guān)鍵巖石物理參數(shù)。

1 非常規(guī)油氣儲(chǔ)層巖性特點(diǎn)及表征方法

1.1 儲(chǔ)層巖性

非常規(guī)油氣資源主要儲(chǔ)集在細(xì)粒沉積巖中，由碳酸鹽、粉砂和粘土組成。在頁巖儲(chǔ)層中，包括長英質(zhì)、粘土、碳酸鹽甚至有機(jī)質(zhì)在內(nèi)的各種礦物成分可以形成復(fù)雜的紋層組合[5]。泥巖/頁巖構(gòu)成烴源巖層段，從微米級(jí)到納米級(jí)廣泛孔隙分布的粉砂巖和碳酸鹽巖薄層互層將作為儲(chǔ)集巖。可用于巖性識(shí)別和預(yù)測的技術(shù)包括GR、DEN、CNL、AC、電阻率和圖像測井。巖芯上黑色頁巖具有非常高的GR、高電阻率和高聲波傳播時(shí)間。含油飽和的粉砂巖電阻率也較高，但與頁巖相比，GR 較低，聲波傳播時(shí)間較短。此外，圖像測井揭示了頁巖的內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)（層理面）。巖石物理反演方法也可用于礦物成分和巖性預(yù)測。除了常規(guī)測井，包括Litho Scanner 測井和Quanti 元素測井分析測井處理方法在內(nèi)的先進(jìn)測井也可用于巖性識(shí)別。

1.2 儲(chǔ)層性質(zhì)和孔隙系統(tǒng)

巖石物理測量包括薄片、掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞毛細(xì)管壓力(MICP)、核磁共振波譜(NMR)和計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)[6]。

非常規(guī)油氣資源中，互層粉砂巖或砂巖以及碳酸鹽巖（白云巖等）孔隙度異常高。粉砂巖和砂巖段含有豐富的粒間孔和粒內(nèi)溶孔（見圖1）而白云巖（主要為白云巖）以晶間孔和晶間溶孔為主。裂縫和微裂縫（孔徑小于0.1mm）也是非常規(guī)油氣藏重要的儲(chǔ)層孔隙空間。頁巖具有超低孔隙率，孔隙空間（納米孔）通常低于光學(xué)顯微鏡的分辨率（10μm），但可以通過SEM圖像輕松檢測到。使用測井評價(jià)儲(chǔ)層質(zhì)量的目的是計(jì)算非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率?？紫抖群蜐B透率相對較高的儲(chǔ)層稱為“甜點(diǎn)區(qū)”。從測井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測孔隙度（包括有效孔隙度）、滲透率和含油飽和度是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)椴⒎撬袑佣蔚臄?shù)據(jù)都可用。

圖1 粉砂巖和砂巖段富含的粒間孔（A）和粒內(nèi)溶孔（B）

孔隙度可以使用密度測井計(jì)算。有效孔隙度，即沒有粘土束縛水的總孔隙度，可以使用密度中子交會(huì)圖方法以及核磁共振測井來計(jì)算。滲透率沒有直接的測井記錄，但滲透率可以從核磁共振測井中推導(dǎo)出來，有兩種經(jīng)典的模型模型：SDR模型（Shlumberger Doll 研究中心）和Timur-Coates 模型。此外，1993 年Amaefule等人提出的儲(chǔ)層質(zhì)量指數(shù)（RQI），是滲透率與孔隙度的平方根之比，可以將微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀儲(chǔ)層質(zhì)量聯(lián)系起來。

1.3 油性和含油性

2017 年吳華等人的研究成果認(rèn)為，可以將巖芯含油等級(jí)從低到高分為熒光（無可見油）、油跡、油斑、浸油等。熒光燈下的巖芯觀察將明顯揭示含油性（圖2）。巖芯的熒光掃描顯示了不同巖性的不同含油程度。碳酸鹽層段熒光強(qiáng)度強(qiáng)，粉砂巖和白云巖紋層也有熒光。

圖2 在普通光和熒光下拍攝的巖芯照片

顆粒間孔隙是非常規(guī)油氣藏的有利孔隙空間，顆粒邊緣幾乎都發(fā)出強(qiáng)熒光。由于碳酸鹽礦物（主要是微晶白云石）是油濕的（圖3），因此顆粒內(nèi)孔隙，尤其是碳酸鹽顆粒內(nèi)的孔隙是熒光的。有機(jī)質(zhì)孔隙以及與粘土礦物伴生的微孔發(fā)出散射的藍(lán)色熒光。微裂縫，尤其是那些保持開放狀態(tài)的，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的熒光。熒光薄片顯示頁巖中幾乎所有的孔隙系統(tǒng)都是熒光的。

圖3 平面偏振光和熒光下薄片圖像顯示的微觀含油特性

烴飽和度也是一個(gè)重要的巖石物理參數(shù)，但很難通過測井預(yù)測。在非常規(guī)油氣藏中，無損核磁共振測井與常規(guī)測井相比具有明顯的優(yōu)勢，因?yàn)樗梢蕴峁┛紫抖取B透率等巖石物理參數(shù)。因此，需要NMR 測井來準(zhǔn)確估算含油飽和度。眾所周知，烴主要與長T2組分有關(guān)。因此，將大于特定T2值的核磁共振T2信號(hào)幅度視為油氣信號(hào)，使用大于總有效孔隙度閾值的T2分量計(jì)算含油飽和度，計(jì)算出的含油飽和度也與巖芯實(shí)測含油飽和度一致。

1.4 裂縫

非常規(guī)油氣藏（尤其是頁巖）由于孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，固有的非均質(zhì)性強(qiáng)，不具備自然生產(chǎn)力。非常規(guī)儲(chǔ)層中廣泛存在天然裂縫，裂縫不僅為流體儲(chǔ)存提供了孔隙空間，而且極大地改善了儲(chǔ)層性能和油氣產(chǎn)能。此外，非常規(guī)油藏依賴水力壓裂改造，預(yù)先存在（開放模式）的天然裂縫將在改造過程中進(jìn)一步活化，從而提高油氣產(chǎn)能。裂縫的有效性由裂縫形態(tài)（高角度、低角度、水平裂縫和網(wǎng)狀裂縫）、裂縫規(guī)模（宏觀和微觀裂縫）和裂縫狀態(tài)（開放和閉合裂縫）決定。因此，地下裂縫的預(yù)測和評價(jià)對于非常規(guī)油氣藏評價(jià)具有重要意義。

垂直分辨率為5mm的隨鉆圖像測井對地層中的巖石成分、結(jié)構(gòu)和流體非常敏感。天然裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致電阻率迅速下降，裂縫面在成像測井上呈現(xiàn)正弦波。裂縫形態(tài)（傾角和傾角）、裂縫狀態(tài)（開放、封閉、部分封閉）和裂縫參數(shù)（裂縫長度、孔徑、孔隙度和密度）可以從圖像測井正弦曲線中提取出來。裂縫可分為導(dǎo)電型和電阻型，在成像測井解釋上可解釋為部分或完全開放和封閉的裂縫。高角度裂縫將作為正弦曲線追蹤，而平面或水平裂縫與圓形井筒相交。

與砂巖或碳酸鹽巖相比，非常規(guī)儲(chǔ)層（主要是細(xì)粒沉積巖）中平行（水平）裂縫更為普遍。層狀結(jié)構(gòu)在細(xì)粒沉積巖中很常見，是非常規(guī)資源的儲(chǔ)層。易張開的多紋層或弱層理界面有利于層理平行裂縫的形成。這些層理平行裂縫，以水平裂縫的形式出現(xiàn)，強(qiáng)烈影響流體流動(dòng)，從而影響碳?xì)浠衔锏膬?chǔ)存和生產(chǎn)力。除了常規(guī)測井和圖像測井外，聲波掃描測井對裂縫也很敏感。聲波傳播時(shí)間增加，全波振幅衰減，斷裂帶呈V形干涉條紋。

2 非常規(guī)油氣儲(chǔ)層的工程特性

由于非常規(guī)油氣資源的超低基質(zhì)滲透率，水平井鉆井和多級(jí)水力（體積）壓裂是有效開采非常規(guī)油氣資源所必需的。先進(jìn)鉆井和完井技術(shù)的實(shí)施顯著提高了碳?xì)浠衔锏牟沙雎?。工程屬性主要評估非常規(guī)油氣資源的脆性、壓裂性、地應(yīng)力各向異性和量級(jí)。脆性、地應(yīng)力狀態(tài)和大小是非常規(guī)油藏水力壓裂過程中優(yōu)化工程甜點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)。

脆性層比韌性層更容易形成斷裂網(wǎng)絡(luò)。最大水平應(yīng)力控制著天然裂縫系統(tǒng)的幾何形狀和水力裂縫擴(kuò)展方向，因此對于水力裂縫的設(shè)計(jì)很重要，工程性能評價(jià)主要關(guān)注脆性指數(shù)和地應(yīng)力場。

2.1 脆性指數(shù)

脆性指數(shù)高的脆性層更容易被壓裂（脆到足以引發(fā)裂縫）并保持裂縫開放。在地質(zhì)力學(xué)評估方面，脆性與彈性參數(shù)楊氏模量(E)和泊松比(v)密切相關(guān)。泊松比是橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值，衡量巖石在應(yīng)力下形成裂縫的能力。楊氏模量是應(yīng)力與應(yīng)變的比值，用于衡量巖石在處理后保持?jǐn)嗔训哪芰?。韌性巖石需要更多的能量/壓裂壓力才能破裂，而韌性巖石中水力壓裂形成的裂縫很容易愈合。從巖石物理學(xué)的角度來看，有兩種常用的方法來計(jì)算脆性指數(shù)。一是脆性礦物含量，二是彈性巖石參數(shù)（楊氏模量和泊松比）。脆性巖石具有較高的楊氏模量和較低的泊松比。高楊氏模量與低孔隙度但高脆性礦物（石英、碳酸鹽和長石）的層相關(guān)。將石英與所有礦物的質(zhì)量比定義為脆性指標(biāo)。然而，除了石英，碳酸鹽也是脆性礦物。彈性參數(shù)（V和E）可以從Vp、Vs和密度測井的測井曲線中計(jì)算出來。具有低泊松比和高楊氏模量的層為高脆性指數(shù)，它們有利于水力壓裂、裂縫的維持和擴(kuò)展。此外，ECS測井可以導(dǎo)出粘土、Q-F-M（石英、長石和云母）、碳酸鹽等巖石成分，可用于使用脆性礦物比的方法計(jì)算脆性指數(shù)。

2.2 原位應(yīng)力狀態(tài)和方向

地應(yīng)力場通常包括垂直應(yīng)力（Sv）、最大水平應(yīng)力（SHmax）和最小水平應(yīng)力（Shmin）的方向和大小，以及地層壓力（Pp）。

除脆性指數(shù)外，地應(yīng)力場在水力壓裂和水平井軌跡設(shè)計(jì)中也發(fā)揮著重要作用。對于工程“甜點(diǎn)”評估，脆性衡量形成裂縫和保持裂縫開放的能力，而地應(yīng)力場（方向和大?。┰u估水平井軌跡設(shè)計(jì)和水力裂縫的擴(kuò)展。大量高壓流體被注入地層以重新打開天然裂縫系統(tǒng)并在水力壓裂過程中形成新的水力裂縫。從而形成復(fù)雜的新型孔隙—裂縫網(wǎng)絡(luò)體系，使油氣向井筒運(yùn)移生產(chǎn)。因此，還需要確定原位應(yīng)力的大小和方向來優(yōu)化水力壓裂的預(yù)期層。地應(yīng)力場的方向決定了水平井的鉆進(jìn)方向和水力裂縫的擴(kuò)展。僅脆性不足以優(yōu)化勘探層，地應(yīng)力大小也是工程“甜點(diǎn)”優(yōu)化勘探層的重要指標(biāo)。水平應(yīng)力差較小的層狀結(jié)構(gòu)將形成復(fù)雜的、新的孔隙—裂縫系統(tǒng)。

地應(yīng)力方向影響天然裂縫的形成和保存，而地應(yīng)力場控制水力裂縫的萌生和擴(kuò)展。脆性巖石包含更多的天然裂縫，并且更容易被水力壓裂。此外，水力裂縫將沿最大水平應(yīng)力方向擴(kuò)展。水力裂縫遵循SH 最大值，直到它們遇到預(yù)先存在的天然裂縫，之后，水力裂縫將被阻止進(jìn)一步擴(kuò)展。因此，水平井沿最小水平應(yīng)力(Shmin)鉆探，水力增產(chǎn)將朝向SHmax方向。在這種情況下，沿SHmax方向會(huì)形成大量水力裂縫，這些誘導(dǎo)裂縫會(huì)與已有裂縫相交，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

3 小結(jié)

（1）致密油儲(chǔ)層和頁巖儲(chǔ)層具有不同的巖性結(jié)構(gòu)和組成，并且具有超低的滲透率，其孔隙系統(tǒng)由高度異質(zhì)的納米到微米級(jí)孔隙主導(dǎo)。因此，與常規(guī)儲(chǔ)層相比，非常規(guī)儲(chǔ)層的錄井和測井響應(yīng)存在顯著差異。

（2）非常規(guī)儲(chǔ)層的巖性可以通過常規(guī)和圖像測井來預(yù)測。孔隙度、滲透率和含油飽和度可以根據(jù)NMR測井與常規(guī)測井相結(jié)合來計(jì)算。儲(chǔ)層物性可以從巖性、儲(chǔ)層質(zhì)量和天然裂縫的存在來評價(jià)。

（3）工程屬性主要評估非常規(guī)油氣資源的脆性、壓裂性、地應(yīng)力各向異性和量級(jí)。脆性、地應(yīng)力狀態(tài)和大小是非常規(guī)油藏水力壓裂過程中優(yōu)化工程“甜點(diǎn)”的關(guān)鍵參數(shù)。儲(chǔ)層脆性不僅可以由楊氏模量確定，也可以由巖石成分確定。此外，還需要從水平井鉆井方向和優(yōu)化屬性水力壓裂層段方面充分了解地應(yīng)力方向和大小。