西加盆地都沃內頁巖氣測井評價技術

李冰,李劍平,侯秋元,包鑫,蔣新宇,曲鵬

(中國石油集團測井有限公司國際公司,北京102206)

0 引 言

作為非常規能源之一,頁巖氣既是常規天然氣的潛在替代能源,也是清潔環保能源。在北美地區,頁巖氣產量在數年內大幅增長[1]。頁巖氣表現為典型的原地成藏模式,頁巖既是生油巖,也是聚集和保存頁巖氣的儲層和蓋層。頁巖儲層致密,孔隙度一般為4%～6%,滲透率小于0.001 mD*[2]。不同地區的頁巖性質差異較大[2],其評價方法具有較強的區域特性。對頁巖氣藏進行評價,主要考慮它的生烴能力、儲集能力和力學性質。測井資料具有較易獲取、分辨率較高以及地質信息豐富等特點,在頁巖氣藏的綜合評價中起到了重要作用。通過多種測井方法的綜合應用,對頁巖氣藏進行全面評估。

本文以加拿大西加盆地K地區都沃內地層為研究目標,從烴源巖品質、儲層品質及完井品質等3個方面,開展了系統研究。對地化參數指標、礦物組分分析以及可壓裂性評價等3個環節進行闡述,使用巖心分析及微地震監測結果進行了驗證。對單井油氣資源量進行了綜合評價,同美國五大已開發盆地地質評價參數進行對比,通過多種可壓裂性評價手段,探討了測井資料在壓裂高度預測中的可行性,取得了較好的應用效果。

圖2 D1井都沃內地層巖心樣品熱解實驗成果

1 研究區頁巖氣藏特征

作為典型的海相頁巖氣藏,都沃內地層形成于中泥盆世晚期至晚泥盆世不斷的海侵運動過程中。在最大海侵時期,都沃內頁巖層沉積,同期伴隨勒杜克生物礁的生長,是盆地內常規儲層重要的烴源巖[3]。都沃內地層屬典型單斜構造,傾向西南至東北,埋深逐漸變淺。厚度在勒杜克生物礁發育位置達到最大,超過90 m[3],由盆地邊緣向向盆地中心厚度呈明顯變薄趨勢(見圖1)。在研究區域,目標層段厚度均大于25 m,大部分地區大于30 m。

圖1 目標研究區域相對位置圖

根據研究區D1井都沃內地層巖心樣品的熱解實驗結果分析,其總有機碳含量在1.48%～8.29%,平均為3.85%。能夠作為勘探目標的頁巖,其總有機碳含量(TOC)值一般為2%～10%[4]。D1井的TOC值指示該井所處區域資源潛力大。熱成熟度指標方面,鏡質體反射率分布在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項指標均指示,該井鉆遇的都沃內地層處于凝析窗口期(見圖2)。

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

圖3 D1井都沃內地層樣品X-衍射分析結果、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系

2 評價方法

2.1 評價技術路線

頁巖氣藏儲層地質參數可由測井資料通過模型反演得到,其多解性較強,且由于地質條件的多變以及技術的局限性,解釋方法及模型常常具有區域性。針對研究區頁巖氣藏的典型特征,本文確定了符合地區特征的研究技術路線(見圖4)。首先,收集區域資料,在質量控制、資料預處理及分析的基礎上,進行單井解釋,巖心資料用于解釋模型的建立及單井解釋結果的驗證。

圖4 研究區測井評價技術路線圖

2.2 地化參數指標

具有商業價值的頁巖氣藏,必須是有效的烴源巖[2]。本文使用有機質豐度和巖石熱解參數等地化參數指標,作為烴源巖品質評價的參數。其中,總有機碳含量TOC作為有機質豐度指標,國內外的專家學者進行了詳細的研究[5-6]。在研究區TOC的預測使用了伽馬能譜測井的鈾含量[5]和密度測井資料[7]。巖石熱解參數方面,主要使用氫指數HI進行評價,建立了HI同成熟度級別LOM[5]的擬合關系,并且建立了吸附烴含量(S1)和裂解烴含量(S2)的區域模型。

S1=0.4627e0.4027TOC

(1)

HI=-3.1345LOM2+28.287LOM+133.83

(2)

S2=HI×TOC

(3)

式中,TOC為總有機碳含量,%;S1為吸附烴含量,mg/g;HI為氫指數,mg/g;LOM為成熟度級別,根據Henderson轉換圖用鏡質體反射率求得;S2為裂解烴含量,mg/g。

圖5 研究區D1井黃鐵礦含量同與效孔隙度關系以及解釋的黃鐵礦含量同巖心分析結果對比

系統建立了研究區氫指數HI同凝析液氣比CGR的對應關系(見表1),用于判斷頁巖氣藏類型,為最終的甜點區域預測提供依據。根據表1,對研究區14口先導試驗井鉆遇都沃內地層的頁巖氣藏類型進行了定性判定,判定結果見表2(其中CGR的單位表示“桶/百萬立方英尺”,美國標準)。

表1 研究區HI同CGR對應關系表

2.3 礦物組分分析

隨著國內外多個頁巖氣盆地的成功開發,對頁巖氣藏礦物組分的定性識別及定量評價十分重要。礦物組分不僅是完井品質評價所需的重要參數,決定著儲層的改造能力,也在一定程度上影響著頁巖的孔隙度。

本文根據巖心樣品的X-衍射分析結果,將頁巖氣藏的無機礦物組分分為泥質、硅質、鈣質和黃鐵礦等4部分。在地層沉積過程中厭氧細菌分解硫酸鹽時釋放出硫化氫,黃鐵礦是硫化氫與沉積物中鐵元素發生反應的產物[8]。圖5(a)為D1井都沃內地層黃鐵礦含量與有效孔隙度的交會圖,當黃鐵礦含量達到0.027后,與有效孔隙度存在著正相關關系。通過主成分分析,應用多元線性擬合方法,預測黃鐵礦含量,優選體積光電吸收截面指數、密度、電阻率以及中子孔隙度等4類測井參數。預測的黃鐵礦含量同巖心分析結果對比,效果良好[見圖5(b)]。黃鐵礦含量的多元線性擬合關系如下

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,b/cm3;ρ為體積密度,g/cm3,RT為深探測電阻率,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,分別進行了泥質含量的計算,選用算術平均值作為最終的泥質含量。將得到的泥質含量、黃鐵礦含量加入非線性聯立方程組,配合其他測井資料,通過約束最優化算法,得到各組分的體積含量。與巖心數據對比(見圖6),計算精度可以滿足實際生產需求。

圖6 研究區D1井解釋參數同巖心參數對比圖

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

(5)

Sw=Vuma/φe

(6)

式中,Ct為測量電導率,S/m;Cucl為原狀地層黏土電導率,S/m;Vcl為黏土含量,V/V;ersh為由原狀地層黏土電導率計算原狀地層頁巖電導率的系數,該區設定為2;Vuma為原狀地層水百分含量,V/V;n為飽和度指數;swshe為西門杜公式頁巖影響系數,該區設定為1;Cuma為原狀地層水電導率,S/m;φe為有效孔隙度,V/V;a為巖性附加導電性校正系數;m為孔隙度指數,無量綱;mc2為膠結系數的孔隙度校正指數,該區設定為0;Sw為地層含水飽和度,V/V。

頁巖氣藏含氣量是經濟評價的關鍵參數,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并通過相關溫度校正[6]得到,游離氣含量由物性參數評價結果進行吸附氣附加校正[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 可壓裂性評價

研究區在壓裂生產過程中存在著壓裂能量丟失、無法達到預定壓裂效果的情況,需要通過可壓裂性評價[10]進行壓裂高度的預測,為壓裂增產措施的制定提供依據。本文通過理論閉合應力計算[11]、經驗閉合應力計算以及斷裂韌性計算相結合的方式進行壓裂高度預測,進而判斷可能的壓裂頂界。

經驗閉合應力計算方法是采用西加盆地都沃內地層的多個巖心數據點擬合而來,其計算方法如下

(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為閉合應力,MPa;Sv為垂直方向主應力,MPa;α為畢奧系數,該區設定為0.9;pp為孔隙壓力,MPa;Ed和Vd分別為利用測井資料計算的動態彈性模量和泊松比。

2.5 模型精度驗證

通過D1井的實際井處理,對模型在研究區的適用性進行了精度驗證,圖6為解釋參數同巖心分析參數的對比圖,對比參數包括:總有機碳含量、吸附烴含量、裂解烴含量,泥質含量、硅質含量以及鈣質含量。黃鐵礦含量的對比參見圖5(b)。通過對比發現:解釋參數同巖心參數對應性良好,模型精度高,能滿足現場實際生產需要。

3 應用效果

該技術在研究區多口井進行應用,對都沃內地層的烴源巖品質、儲層品質以及完井品質進行評價,精細評價單井油氣資源量,對壓裂高度進行預測,提供了可能壓裂頂界面,為研究區甜點區域的預測以及勘探開發方案的制定提供了重要的數據支撐。

3.1 油氣資源量評價

對研究區的14口先導試驗井的目標地層進行了測井綜合解釋,表2為解釋成果表。圖7為D1井的單井油氣資源量測井綜合評價成果圖。從表2及圖7可看出,研究區目標地層的油氣資源量縱橫向分布不均勻,展現出強非均質性特征。縱向上,頁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,指示海相地層發育,且TOC值較高;中子密度重疊、及ECS成果指示泥質含量低于上下圍巖;密度測井值減少,聲波測井值增大,指示目標層段孔隙發育;電阻率值明顯升高,指示含氣量豐富。橫向上研究區內的14口先導試驗井,單井控制油氣資源量分布在41.4～112.8 bcf/sec(美國標準,sec為section的簡稱,section為北美使用的網格面積單元,表示長寬均為1.6 km的正方形區域,bcf為billion cubic feet的簡稱,十億立方英尺),平均單井控制油氣資源量為78.9 bcf/sec,指示研究區內油氣資源量豐富。

表2 研究區14口井測井綜合解釋成果表

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

將研究區和美國五大已開發盆地的地質評價關鍵參數進行對比(見表3),對比結果表明:研究區Duvernay頁巖,埋深較其他頁巖氣盆地深;TOC基本相當,鏡質體反射率指示目標地層處于凝析氣階段;硅質含量適當,儲層改造能力強;含氣量豐富,氣含量與吸附氣占比均同Barnett相當。

表3 美國五大頁巖氣盆地與研究區地質評價參數統計表

3.2 壓裂高度預測

圖8 D1井可壓裂性評價成果圖及研究區微地震監測解釋成果側視圖

圖8(a)為D1井的可壓裂性評價成果圖。使用理論公式和經驗公式計算了閉合應力(最小水平主應力)剖面[參見圖8(a)第7和第8道],閉合應力表征微裂隙將閉未閉時,巖體內部產生的反作用力水平,低閉合應力(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)指示該段抵抗內部裂紋失穩擴展能力弱,易于壓裂。綜合考慮閉合應力預測和斷裂韌性計算結果,對不同壓裂期數下的裂縫高度進行預測,推測可能的壓裂頂界在-1 845 m(海拔深度)。

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

4 結 論

(1)通過先導試驗井分析,以及同美國五大頁巖氣盆地的地質評價參數對比,研究區有機質豐度高,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)通過測井資料進行可壓裂性分析,可以進行壓裂高度預測,從而判斷壓裂的可能頂界,預測結果經過微地震監測驗證合理,可用于指導下一步的壓裂方案設計。

(3)形成了一套適用于西加盆地都沃內海相頁巖氣的測井評價方法,針對烴源巖品質、儲層品質及完井品質這3個方面開展了系統研究,取得了良好的應用效果。