頁巖氣測井評價技術特點及評價方法探討

劉雙蓮,陸黃生

(中國石化石油工程技術研究院,北京100101)

頁巖氣測井評價技術特點及評價方法探討

劉雙蓮,陸黃生

(中國石化石油工程技術研究院,北京100101)

測井技術是頁巖氣勘探開發的關鍵技術之一。從調研北美頁巖氣成功勘探開發實例入手,在儲層地質背景研究的基礎上,分析了頁巖氣與常規油氣層測井評價方法的主要差異。根據頁巖氣勘探開發需求,探討了中國頁巖氣測井系列的選擇依據與測井評價技術。提出頁巖礦物成分和儲層結構評價、頁巖儲層標準的建立、裂縫類型識別與巖石力學參數評價等方面的研究,可以作為頁巖氣測井技術評價的重點。研究表明,深層頁巖氣測井評價技術是中國與國外的最大差別,也是中國頁巖氣測井評價技術的核心問題。

測井評價;頁巖氣;礦物成分;儲層標準

0 引 言

測井技術是頁巖氣勘探開發的關鍵技術之一,頁巖氣與常規油氣層存在多方面巨大差異,決定了頁巖氣與常規油氣層測井評價方法不同。首先是儲集狀態的不同。頁巖氣具有低孔隙度、特低滲透率及自生自儲的特點,表明其測井解釋評價屬于低孔隙度低滲透率儲層的解釋評價范疇;其次是儲層流體的賦存狀態不同。頁巖氣常以吸附狀態賦存于頁巖中,游離氣少,表明儲層含氣的測井響應特點面臨新探索。第三是儲層巖性復雜且不同于常規油氣層。目前已知達到商業開采價值的頁巖氣儲層多為硅質含量大于28%、微裂縫發育的頁巖儲層,表明頁巖氣測井解釋模型將完全不同于常規油氣層。凡此種種,加之中國頁巖氣儲層埋藏深等因素,其測井評價技術必將成為中國頁巖氣勘探開發的核心問題之一。本文嘗試對世界(主要是美國)頁巖氣勘探開發成功實例進行調研,分析測井技術在頁巖氣勘探開發中的應用情況,探討適合中國頁巖氣的測井評價技術。

1 世界頁巖氣發展簡況分析

1.1 頁巖氣勘探開發現狀

頁巖氣于1821年[1-3]在美國阿帕拉契亞盆地發現,是國外最早認識的天然氣,至今已有近200年的歷史。同年在美國紐約州弗雷多尼亞市鉆了第1口商業性頁巖氣井,1880年發現Ohio頁巖氣(Sandy氣田)。1976年,美國能源部在美國東部啟動頁巖氣項目,開始頁巖氣資源的勘探開發,相對應的勘探開發技術也隨之發展。其中,水力壓裂技術發展于20世紀50、60年代,水平井技術于20世紀80年代在Ohio頁巖進行了實驗,而真正投入生產的第1口有效水平井是2003年對Barnett頁巖的鉆探,至2006年,該技術開始在全美國推廣。

頁巖氣勘探開發方面,常規測井技術在解決頁巖儲層識別、有效儲層厚度的確定等方面發揮了重要作用;一些特殊測井技術方法如元素俘獲能譜測井、成像測井等方法的應用,在一定程度上解決了頁巖礦物成分確定與儲層裂縫識別等難題。同時測井技術在確定頁巖氣資源量、頁巖儲層產能大小、壓裂層位、破裂壓力等參數方面,起著越來越重要的作用[4-8]。

1.2 主要產層的地質背景簡介

頁巖氣資源調查表明,全球頁巖氣資源潛力巨大,但頁巖氣開發很局限,僅美國與加拿大完成大量工作,其中美國開發技術最成功。以美國主要頁巖氣產氣盆地為例,北美地臺有101個盆地,油氣田數量大約35 000個,從寒武系至新近系均有油氣發現[9-12],產層及其分布與北美大陸地質背景密切相關。已知頁巖氣盆地主要分布在被動大陸邊緣演化為前陸盆地的區域和古生界克拉通地臺區,頁巖氣主要產自古生代較老巖層。北美含氣頁巖富集帶具有多種成熟程度,天然氣成因和沉積環境復雜。高質量傾油海相烴源巖(腐泥型和混合型)多發育在海進體系域時期/高水位體系域初期。頁巖儲層上/下發育的致密碳酸鹽巖,一方面阻止了油氣垂向運移,使之在黑色頁巖層系中得以保存;另一方面也有助于大型水力壓裂的裂縫控制[13-14]。

1.3 已發現頁巖氣的主要類型及其控制因素

按天然氣成因將頁巖氣藏分為熱成因型、生物成因型和混合成因型[15]。其中熱成因型頁巖氣藏主要受頁巖熱成熟度控制,生物成因型頁巖氣藏的主控因素為地層水鹽度和裂縫,目前生物氣為主的產區主要分布在盆地邊緣。

1.4 頁巖氣儲層特點

通常頁巖儲層致密、物性差,孔隙度約為4%～6%,基質滲透率小于0.001×10-3μm2,具有低壓、低含氣飽和度(一般30%左右)和低產特點,產層厚度幾十至幾百米。已開發頁巖產層中硅質含量很高(一般大于28%)且脆性大,微裂縫比大型裂縫更重要。實踐表明,儲層有機碳含量 TOC≥2時頁巖氣藏才具有商業價值(見表1)。

2 中國頁巖氣研究進展及存在問題

2.1 中國頁巖氣勘探開發主要面臨的問題

近幾年中國已開展頁巖氣資源普查工作,結果表明中國頁巖氣資源非常豐富。在中國南方、華北、東北、西北均大量分布。但與國外相比,中國頁巖氣勘探開發正處于起步階段。從中國頁巖氣資源分布和地質背景與國外頁巖氣資源相比,中國頁巖氣資源的開發還面臨以下幾方面的問題。

(1)形成背景復雜。中國頁巖氣儲層主要形成于海相與濱海相沉積環境條件下,頁巖黏土含量較高,儲層有效厚度、有機質成熟度、儲層有機碳含量等均異于美國[16-19],成藏與開采條件差異較大。

(2)儲層埋深大。國外已成功勘探開發的頁巖儲層埋深淺,中國頁巖儲層總體埋深大[20-22],如美國頁巖氣層深度在800～2 600 m,而四川盆地頁巖氣層埋深在2 000～3 500 m[23-26]。中國在頁巖氣的勘探開發相應配套技術少,開發難度大。

表1 美國主要含氣頁巖儲層特征統計

(3)缺乏核心技術。頁巖儲層具有低產、無自然產能、生產周期長的特點,以水平井、壓裂方式開采為主,測井判斷儲層產能難度大,中國這方面缺乏經驗。

2.2 測井技術在頁巖氣研究中的進展

(1)頁巖氣層識別。含氣頁巖測井響應與普通頁巖相比,具有自然伽馬強度高、電阻率大、地層體積密度和光電效應低的特點(見圖1),高自然伽馬強度被認為是頁巖中干酪根的函數。

圖1 頁巖儲層的測井曲線圖

(2)頁巖氣測井評價參數。運用相關測井評價系統對頁巖礦物成分、總孔隙度、有效孔隙度、含氣孔隙度、含水孔隙度、含水飽和度、總有機物含量、干酪根、游離氣和吸附氣等定量估算;在各有效參數估算基礎上,估算單井地質儲量和產量。

(3)頁巖氣儲層潛力評價。頁巖氣儲層的潛力評價主要體現在巖性(礦物)識別、有效厚度判定、有機碳含量與成熟度計算[27-28]、裂縫識別與地層壓力預測等方面。

(4)主要測井系列。從當前調研情況看,目前應用于頁巖氣儲層的測井系列主要為常規測井系列,包括自然伽馬、井徑、自然電位、聲波、密度、中子與電阻率測井主要目的是為了進行頁巖儲層的識別與儲層物性評價。在勘探階段應用了一些特殊測井系列,如為了精確分析頁巖的礦物成分,應用了元素俘獲能譜測井。

3 頁巖氣測井系列、解釋方法及研究方向

3.1 頁巖氣與其他儲層測井解釋的差異性分析

(1)成藏與存儲方式不同。頁巖具自生自儲的特點,頁巖氣主要以吸附狀態存在,游離氣較少;而常規油氣主要以游離狀態存在。

(2)儲層性質不同。頁巖氣儲層屬致密儲層,其巖性與裂縫是影響頁巖氣開發的重要因素,與常規油氣藏相比,巖石礦物組成與裂縫識別尤為重要(見表2)。

(3)評價側重不同。頁巖氣儲層有機碳含量、成熟度等相關參數的評價極為關鍵;常規油氣藏主要是評價其含油氣性。

(4)開采方式不同。頁巖氣儲層均需經過壓裂改造才能開發,因此對壓裂效果的預測至關重要。

3.2 頁巖氣測井技術系列探討

(1)常規測井系列。包括自然伽馬、自然電位、井徑、深淺側向電阻率、巖性密度、補償中子與聲波時差測井,能滿足頁巖儲層的識別要求。

表2 頁巖氣藏與其他天然氣藏的主要特征對比

自然伽馬強度能區分含氣頁巖與普通頁巖;自然電位能劃分儲層的有效性;深淺電阻率在一定程度上能反映頁巖的含氣性;巖性密度測井能定性區分巖性;補償中子與聲波時差在頁巖儲層為高值。通常密度隨著頁巖氣含量的增加變小、中子與聲波時差測井隨著頁巖氣含量的增加而變大[29],因此利用常規測井系列能有效地區分頁巖儲層。

但該系列對于頁巖儲層礦物成分含量的計算、裂縫識別與巖石力學參數的計算等方面存在不足,常規測井系列并不能完全滿足頁巖儲層評價的要求,因此還需開展特殊測井系列的應用。

(2)特殊測井系列。應用于頁巖儲層的特殊測井系列可選擇元素俘獲能譜(ECS)測井、偶極聲波測井、聲電成像測井等。

ECS元素測井可求取地層元素含量,由元素含量計算出巖石礦物成分。它所提供的豐富信息,能滿足評價地層各種性質、獲取地層物性參數、計算黏土礦物含量、區別沉積體系、劃分沉積相帶和沉積環境、推斷成巖演化、判斷地層滲透性等的需要。

偶極聲波測井能提供縱波時差、橫波時差資料,利用相關軟件可進行各向異性分析處理,判斷水平最大地層應力的方向,計算地層水平最大與最小地層應力,求取巖石泊松比、楊氏模量、剪切模量、破裂壓力等重要巖石力學參數,滿足巖石力學參數計算模型建立的要求,指導頁巖儲層的壓裂改造。

聲、電成像測井具有高分辨率、高井眼覆蓋率和可視性特點,在巖性與裂縫識別、構造特征分析方面具有良好的應用效果。識別頁巖儲層裂縫的類型,對指導頁巖氣的改造、評定頁巖儲層的開發效果有著重要的意義。

3.3 頁巖氣測井評價技術探討

(1)頁巖氣有效儲層評價技術。主要依托常規測井系列,可在一定程度上滿足頁巖氣儲層的孔隙度、滲透率、含氣飽和度的評價需要。

(2)巖石力學參數評價技術。主要依托特殊測井系列與巖石物理實驗[30-31],如全波列聲波測井、偶極聲波測井等,結合巖石物理分析,建立巖石力學計算模型,計算巖石力學參數,進行壓裂效果預測與壓裂效果檢測等。

(3)頁巖氣礦物成分和儲層結構評價技術。主要依托常規測井、特殊測井組合系列及巖石物理實驗[32-34],在巖石物理實驗的基礎上,利用巖心刻度測井技術,進行頁巖氣礦物成分分析和裂縫評價,確定頁巖礦物成分、裂縫類型,尋找高產穩產層。

(4)綜合測井評價解釋方法。綜合利用測井、巖心、錄井等資料[34],建立頁巖氣儲層參數的解釋模型,評價頁巖氣儲層的有機碳含量、有機質成熟度、有效厚度,建立頁巖儲層的評價標準。

頁巖礦物成分、儲層結構評價、頁巖儲層標準的建立、裂縫類型識別與巖石力學參數評價等方面的研究,是下一步頁巖氣測井評價技術的重點。

3.4 頁巖氣測井技術研究方向探討

中國頁巖氣儲層與國外相比,地質條件和分布特點存在重大差異。相對美國,中國頁巖氣黏土含量相對較高,硅質含量相對較低,脆性物質較少,埋藏深度深。因此,具有中國特點的地質問題成為制約中國頁巖氣研究及勘探的因素之一,故美國的頁巖氣產業發展模式難以復制。針對中國頁巖氣儲層的特點,建議關注4方面的頁巖氣測井技術研究。

(1)頁巖氣儲層巖石物理實驗研究。其目的重在探索建立適合中國地質背景的測井解釋模型,為測井解釋提供依據。主要體現為進行流體及儲集空間結構實驗研究。著手頁巖的物性參數、阿爾奇公式參數、飽和度、儲層礦物成分、裂縫特征描述、巖石力學參數分析等。

(2)頁巖礦物成分分析。其目的在于弄清頁巖儲層的礦物構成及確定儲層巖石骨架,為孔隙度等參數計算提供依據。頁巖氣儲層為低孔隙度特低滲透率致密儲層,頁巖氣的有效開發都需經過儲層改造,頁巖中脆性礦物成分含量的高低決定了儲層改造的效果,因此,對頁巖礦物成分的有效分析,為提高頁巖氣的開發效率有著重要的意義。

(3)巖石力學參數評價。其目的為水平井儲層壓裂提供參考依據。當前普遍認為頁巖儲層識別容易開采難。頁巖氣在儲層中主要以吸附氣存在,頁巖氣的開采主要以水平井開采技術為主。因此,側重巖石力學參數評價,可為鉆井、鉆井液及儲層改造提供其必需的參數。

(4)深層頁巖氣評價技術。其研究的主要目的在于為降低中國深層頁巖氣勘探開發風險提供技術依據。針對中國現狀,深層頁巖氣儲層的測井解釋技術不能完全借鑒國外成功經驗,需加強成像測井、元素俘獲能譜測井在頁巖氣評價技術中的應用,建立頁巖有效儲層研究方法、儲層產能評價與研究方法,建立適合中國深層頁巖特點的測井評價技術。

4 結 論

(1)中國頁巖儲層不同于國外頁巖儲層。中國頁巖儲層通常埋藏深度大,沉積環境差,頁巖儲層中硅質、鈣質等含量較低,黏土含量相對較高,國外頁巖儲層的評價方法不完全適用于中國,中國面臨的是深層頁巖儲層評價方法研究。

(2)頁巖氣儲層評價方法與評價重點不同于常規油氣。它們在沉積環境、成藏與儲存方式、儲層性質上都存在較大的差異,評價的側重點大不相同。現有測井評價方法主要針對常規油氣儲層而建立,主要計算儲層孔隙度、滲透率、含油氣飽和度等參數;而頁巖氣儲層評價還要參與頁巖礦物成分、儲層結構評價、有機質含量計算、裂縫類型識別與巖石力學參數評價等。

(3)頁巖儲層的測井解釋模型不同于常規油氣。頁巖氣主要以吸附狀態存在于儲層,游離狀態少,其巖性及物質構成不同于常規油氣,因此需要測井解釋模型的重新探索。

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Evaluation Methodsand Characteristics of Log Evaluation Technology in Shale Gas

L IU Shuanglian,LU Huangsheng
(Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing 100101,China)

Logging isone of the important technology in shale gas reservoir E&P.On the basisof North American successful E&P examp les,analyzed is themain difference between shale gas and conventional oil/gas evaluation.According to the demand of shale gas E&P,discussed is the basis of selecting logging seriesand item sof log evaluation technology,and pointed out the next key study on shale gas that ismainly around how to determinem ineral element of shale,evaluate reservoir structure,build reserve standard,identify typesof shale fracture,and evaluate parameters of rock mechanics,etc.Our study show s that logging evaluation on deep dep th is the biggest difference between China and overseas,and it′s also the co re question on shale gas logging evaluation in China.

log evaluation,shale gas,mineral element,reservoir standard

P631.84 文獻標識碼:A

劉雙蓮,女,1970年生,高級工程師,博士,從事測井解釋與評價工作。

2011-01-10 本文編輯 王小寧)