劉雙蓮,陸黃生

(中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)

頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)特點(diǎn)及評(píng)價(jià)方法探討

劉雙蓮,陸黃生

(中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101)

測(cè)井技術(shù)是頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。從調(diào)研北美頁巖氣成功勘探開發(fā)實(shí)例入手,在儲(chǔ)層地質(zhì)背景研究的基礎(chǔ)上,分析了頁巖氣與常規(guī)油氣層測(cè)井評(píng)價(jià)方法的主要差異。根據(jù)頁巖氣勘探開發(fā)需求,探討了中國頁巖氣測(cè)井系列的選擇依據(jù)與測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)。提出頁巖礦物成分和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)、頁巖儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)的建立、裂縫類型識(shí)別與巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)等方面的研究,可以作為頁巖氣測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。研究表明,深層頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)是中國與國外的最大差別,也是中國頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)的核心問題。

測(cè)井評(píng)價(jià);頁巖氣;礦物成分;儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)

0 引 言

測(cè)井技術(shù)是頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一,頁巖氣與常規(guī)油氣層存在多方面巨大差異,決定了頁巖氣與常規(guī)油氣層測(cè)井評(píng)價(jià)方法不同。首先是儲(chǔ)集狀態(tài)的不同。頁巖氣具有低孔隙度、特低滲透率及自生自儲(chǔ)的特點(diǎn),表明其測(cè)井解釋評(píng)價(jià)屬于低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層的解釋評(píng)價(jià)范疇;其次是儲(chǔ)層流體的賦存狀態(tài)不同。頁巖氣常以吸附狀態(tài)賦存于頁巖中,游離氣少,表明儲(chǔ)層含氣的測(cè)井響應(yīng)特點(diǎn)面臨新探索。第三是儲(chǔ)層巖性復(fù)雜且不同于常規(guī)油氣層。目前已知達(dá)到商業(yè)開采價(jià)值的頁巖氣儲(chǔ)層多為硅質(zhì)含量大于28%、微裂縫發(fā)育的頁巖儲(chǔ)層,表明頁巖氣測(cè)井解釋模型將完全不同于常規(guī)油氣層。凡此種種,加之中國頁巖氣儲(chǔ)層埋藏深等因素,其測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)必將成為中國頁巖氣勘探開發(fā)的核心問題之一。本文嘗試對(duì)世界(主要是美國)頁巖氣勘探開發(fā)成功實(shí)例進(jìn)行調(diào)研,分析測(cè)井技術(shù)在頁巖氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用情況,探討適合中國頁巖氣的測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)。

1 世界頁巖氣發(fā)展簡(jiǎn)況分析

1.1 頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀

頁巖氣于1821年[1-3]在美國阿帕拉契亞盆地發(fā)現(xiàn),是國外最早認(rèn)識(shí)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(yè)性頁巖氣井,1880年發(fā)現(xiàn)Ohio頁巖氣(Sandy氣田)。1976年,美國能源部在美國東部啟動(dòng)頁巖氣項(xiàng)目,開始頁巖氣資源的勘探開發(fā),相對(duì)應(yīng)的勘探開發(fā)技術(shù)也隨之發(fā)展。其中,水力壓裂技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)50、60年代,水平井技術(shù)于20世紀(jì)80年代在Ohio頁巖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),而真正投入生產(chǎn)的第1口有效水平井是2003年對(duì)Barnett頁巖的鉆探,至2006年,該技術(shù)開始在全美國推廣。

頁巖氣勘探開發(fā)方面,常規(guī)測(cè)井技術(shù)在解決頁巖儲(chǔ)層識(shí)別、有效儲(chǔ)層厚度的確定等方面發(fā)揮了重要作用;一些特殊測(cè)井技術(shù)方法如元素俘獲能譜測(cè)井、成像測(cè)井等方法的應(yīng)用,在一定程度上解決了頁巖礦物成分確定與儲(chǔ)層裂縫識(shí)別等難題。同時(shí)測(cè)井技術(shù)在確定頁巖氣資源量、頁巖儲(chǔ)層產(chǎn)能大小、壓裂層位、破裂壓力等參數(shù)方面,起著越來越重要的作用[4-8]。

1.2 主要產(chǎn)層的地質(zhì)背景簡(jiǎn)介

頁巖氣資源調(diào)查表明,全球頁巖氣資源潛力巨大,但頁巖氣開發(fā)很局限,僅美國與加拿大完成大量工作,其中美國開發(fā)技術(shù)最成功。以美國主要頁巖氣產(chǎn)氣盆地為例,北美地臺(tái)有101個(gè)盆地,油氣田數(shù)量大約35 000個(gè),從寒武系至新近系均有油氣發(fā)現(xiàn)[9-12],產(chǎn)層及其分布與北美大陸地質(zhì)背景密切相關(guān)。已知頁巖氣盆地主要分布在被動(dòng)大陸邊緣演化為前陸盆地的區(qū)域和古生界克拉通地臺(tái)區(qū),頁巖氣主要產(chǎn)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(huán)境復(fù)雜。高質(zhì)量?jī)A油海相烴源巖(腐泥型和混合型)多發(fā)育在海進(jìn)體系域時(shí)期/高水位體系域初期。頁巖儲(chǔ)層上/下發(fā)育的致密碳酸鹽巖,一方面阻止了油氣垂向運(yùn)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(fā)現(xiàn)頁巖氣的主要類型及其控制因素

按天然氣成因?qū)㈨搸r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(chǎn)區(qū)主要分布在盆地邊緣。

1.4 頁巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)

通常頁巖儲(chǔ)層致密、物性差,孔隙度約為4%～6%,基質(zhì)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(chǎn)特點(diǎn),產(chǎn)層厚度幾十至幾百米。已開發(fā)頁巖產(chǎn)層中硅質(zhì)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(shí)踐表明,儲(chǔ)層有機(jī)碳含量 TOC≥2時(shí)頁巖氣藏才具有商業(yè)價(jià)值(見表1)。

2 中國頁巖氣研究進(jìn)展及存在問題

2.1 中國頁巖氣勘探開發(fā)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(jié)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(fā)正處于起步階段。從中國頁巖氣資源分布和地質(zhì)背景與國外頁巖氣資源相比,中國頁巖氣資源的開發(fā)還面臨以下幾方面的問題。

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

(2)儲(chǔ)層埋深大。國外已成功勘探開發(fā)的頁巖儲(chǔ)層埋深淺,中國頁巖儲(chǔ)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(fā)相應(yīng)配套技術(shù)少,開發(fā)難度大。

表1 美國主要含氣頁巖儲(chǔ)層特征統(tǒng)計(jì)

(3)缺乏核心技術(shù)。頁巖儲(chǔ)層具有低產(chǎn)、無自然產(chǎn)能、生產(chǎn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn),以水平井、壓裂方式開采為主,測(cè)井判斷儲(chǔ)層產(chǎn)能難度大,中國這方面缺乏經(jīng)驗(yàn)。

2.2 測(cè)井技術(shù)在頁巖氣研究中的進(jìn)展

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

圖1 頁巖儲(chǔ)層的測(cè)井曲線圖

(2)頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)參數(shù)。運(yùn)用相關(guān)測(cè)井評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)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(jī)物含量、干酪根、游離氣和吸附氣等定量估算;在各有效參數(shù)估算基礎(chǔ)上,估算單井地質(zhì)儲(chǔ)量和產(chǎn)量。

(3)頁巖氣儲(chǔ)層潛力評(píng)價(jià)。頁巖氣儲(chǔ)層的潛力評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)在巖性(礦物)識(shí)別、有效厚度判定、有機(jī)碳含量與成熟度計(jì)算[27-28]、裂縫識(shí)別與地層壓力預(yù)測(cè)等方面。

(4)主要測(cè)井系列。從當(dāng)前調(diào)研情況看,目前應(yīng)用于頁巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井系列主要為常規(guī)測(cè)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(cè)井主要目的是為了進(jìn)行頁巖儲(chǔ)層的識(shí)別與儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)。在勘探階段應(yīng)用了一些特殊測(cè)井系列,如為了精確分析頁巖的礦物成分,應(yīng)用了元素俘獲能譜測(cè)井。

3 頁巖氣測(cè)井系列、解釋方法及研究方向

3.1 頁巖氣與其他儲(chǔ)層測(cè)井解釋的差異性分析

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

(2)儲(chǔ)層性質(zhì)不同。頁巖氣儲(chǔ)層屬致密儲(chǔ)層,其巖性與裂縫是影響頁巖氣開發(fā)的重要因素,與常規(guī)油氣藏相比,巖石礦物組成與裂縫識(shí)別尤為重要(見表2)。

(3)評(píng)價(jià)側(cè)重不同。頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)碳含量、成熟度等相關(guān)參數(shù)的評(píng)價(jià)極為關(guān)鍵;常規(guī)油氣藏主要是評(píng)價(jià)其含油氣性。

(4)開采方式不同。頁巖氣儲(chǔ)層均需經(jīng)過壓裂改造才能開發(fā),因此對(duì)壓裂效果的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。

3.2 頁巖氣測(cè)井技術(shù)系列探討

(1)常規(guī)測(cè)井系列。包括自然伽馬、自然電位、井徑、深淺側(cè)向電阻率、巖性密度、補(bǔ)償中子與聲波時(shí)差測(cè)井,能滿足頁巖儲(chǔ)層的識(shí)別要求。

表2 頁巖氣藏與其他天然氣藏的主要特征對(duì)比

自然伽馬強(qiáng)度能區(qū)分含氣頁巖與普通頁巖;自然電位能劃分儲(chǔ)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(cè)井能定性區(qū)分巖性;補(bǔ)償中子與聲波時(shí)差在頁巖儲(chǔ)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(shí)差測(cè)井隨著頁巖氣含量的增加而變大[29],因此利用常規(guī)測(cè)井系列能有效地區(qū)分頁巖儲(chǔ)層。

但該系列對(duì)于頁巖儲(chǔ)層礦物成分含量的計(jì)算、裂縫識(shí)別與巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算等方面存在不足,常規(guī)測(cè)井系列并不能完全滿足頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的要求,因此還需開展特殊測(cè)井系列的應(yīng)用。

(2)特殊測(cè)井系列。應(yīng)用于頁巖儲(chǔ)層的特殊測(cè)井系列可選擇元素俘獲能譜(ECS)測(cè)井、偶極聲波測(cè)井、聲電成像測(cè)井等。

ECS元素測(cè)井可求取地層元素含量,由元素含量計(jì)算出巖石礦物成分。它所提供的豐富信息,能滿足評(píng)價(jià)地層各種性質(zhì)、獲取地層物性參數(shù)、計(jì)算黏土礦物含量、區(qū)別沉積體系、劃分沉積相帶和沉積環(huán)境、推斷成巖演化、判斷地層滲透性等的需要。

偶極聲波測(cè)井能提供縱波時(shí)差、橫波時(shí)差資料,利用相關(guān)軟件可進(jìn)行各向異性分析處理,判斷水平最大地層應(yīng)力的方向,計(jì)算地層水平最大與最小地層應(yīng)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(xué)參數(shù),滿足巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型建立的要求,指導(dǎo)頁巖儲(chǔ)層的壓裂改造。

聲、電成像測(cè)井具有高分辨率、高井眼覆蓋率和可視性特點(diǎn),在巖性與裂縫識(shí)別、構(gòu)造特征分析方面具有良好的應(yīng)用效果。識(shí)別頁巖儲(chǔ)層裂縫的類型,對(duì)指導(dǎo)頁巖氣的改造、評(píng)定頁巖儲(chǔ)層的開發(fā)效果有著重要的意義。

3.3 頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)探討

(1)頁巖氣有效儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)。主要依托常規(guī)測(cè)井系列,可在一定程度上滿足頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率、含氣飽和度的評(píng)價(jià)需要。

(2)巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)技術(shù)。主要依托特殊測(cè)井系列與巖石物理實(shí)驗(yàn)[30-31],如全波列聲波測(cè)井、偶極聲波測(cè)井等,結(jié)合巖石物理分析,建立巖石力學(xué)計(jì)算模型,計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù),進(jìn)行壓裂效果預(yù)測(cè)與壓裂效果檢測(cè)等。

(3)頁巖氣礦物成分和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)技術(shù)。主要依托常規(guī)測(cè)井、特殊測(cè)井組合系列及巖石物理實(shí)驗(yàn)[32-34],在巖石物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用巖心刻度測(cè)井技術(shù),進(jìn)行頁巖氣礦物成分分析和裂縫評(píng)價(jià),確定頁巖礦物成分、裂縫類型,尋找高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)層。

(4)綜合測(cè)井評(píng)價(jià)解釋方法。綜合利用測(cè)井、巖心、錄井等資料[34],建立頁巖氣儲(chǔ)層參數(shù)的解釋模型,評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、有效厚度,建立頁巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

頁巖礦物成分、儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)、頁巖儲(chǔ)層標(biāo)準(zhǔn)的建立、裂縫類型識(shí)別與巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)等方面的研究,是下一步頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)的重點(diǎn)。

3.4 頁巖氣測(cè)井技術(shù)研究方向探討

中國頁巖氣儲(chǔ)層與國外相比,地質(zhì)條件和分布特點(diǎn)存在重大差異。相對(duì)美國,中國頁巖氣黏土含量相對(duì)較高,硅質(zhì)含量相對(duì)較低,脆性物質(zhì)較少,埋藏深度深。因此,具有中國特點(diǎn)的地質(zhì)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(chǎn)業(yè)發(fā)展模式難以復(fù)制。針對(duì)中國頁巖氣儲(chǔ)層的特點(diǎn),建議關(guān)注4方面的頁巖氣測(cè)井技術(shù)研究。

(1)頁巖氣儲(chǔ)層巖石物理實(shí)驗(yàn)研究。其目的重在探索建立適合中國地質(zhì)背景的測(cè)井解釋模型,為測(cè)井解釋提供依據(jù)。主要體現(xiàn)為進(jìn)行流體及儲(chǔ)集空間結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究。著手頁巖的物性參數(shù)、阿爾奇公式參數(shù)、飽和度、儲(chǔ)層礦物成分、裂縫特征描述、巖石力學(xué)參數(shù)分析等。

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

(3)巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)。其目的為水平井儲(chǔ)層壓裂提供參考依據(jù)。當(dāng)前普遍認(rèn)為頁巖儲(chǔ)層識(shí)別容易開采難。頁巖氣在儲(chǔ)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(shù)為主。因此,側(cè)重巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià),可為鉆井、鉆井液及儲(chǔ)層改造提供其必需的參數(shù)。

(4)深層頁巖氣評(píng)價(jià)技術(shù)。其研究的主要目的在于為降低中國深層頁巖氣勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)提供技術(shù)依據(jù)。針對(duì)中國現(xiàn)狀,深層頁巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井解釋技術(shù)不能完全借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn),需加強(qiáng)成像測(cè)井、元素俘獲能譜測(cè)井在頁巖氣評(píng)價(jià)技術(shù)中的應(yīng)用,建立頁巖有效儲(chǔ)層研究方法、儲(chǔ)層產(chǎn)能評(píng)價(jià)與研究方法,建立適合中國深層頁巖特點(diǎn)的測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)。

4 結(jié) 論

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

(2)頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)重點(diǎn)不同于常規(guī)油氣。它們?cè)诔练e環(huán)境、成藏與儲(chǔ)存方式、儲(chǔ)層性質(zhì)上都存在較大的差異,評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)大不相同。現(xiàn)有測(cè)井評(píng)價(jià)方法主要針對(duì)常規(guī)油氣儲(chǔ)層而建立,主要計(jì)算儲(chǔ)層孔隙度、滲透率、含油氣飽和度等參數(shù);而頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)還要參與頁巖礦物成分、儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)、有機(jī)質(zhì)含量計(jì)算、裂縫類型識(shí)別與巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)等。

(3)頁巖儲(chǔ)層的測(cè)井解釋模型不同于常規(guī)油氣。頁巖氣主要以吸附狀態(tài)存在于儲(chǔ)層,游離狀態(tài)少,其巖性及物質(zhì)構(gòu)成不同于常規(guī)油氣,因此需要測(cè)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

劉雙蓮,女,1970年生,高級(jí)工程師,博士,從事測(cè)井解釋與評(píng)價(jià)工作。

2011-01-10 本文編輯 王小寧)