王志戰(zhàn)

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

非常規(guī)油氣資源勘控開發(fā)潛力巨大，正處于高速發(fā)展時期，是未來世界油氣工業(yè)發(fā)展的方向[1]。目前的非常規(guī)油氣以致密砂巖油氣和頁巖油氣為主，其地質和工程特點主要包括納米級孔隙、源儲一體或緊鄰、油基鉆井液、水平井和體積壓裂等5個方面[2]，其地質評價參數(shù)多達10～15項[3-4]，給錄井帶來的挑戰(zhàn)主要有4個方面：探測分辨率(元素組成、流體成分、孔喉尺度等)、數(shù)據(jù)質量(地質、工程、儀器等因素的影響)、錄取參數(shù)的齊全度和評價方法的有效性。為此，錄井工程圍繞化學地層剖面的建立與應用、儲層物性及孔隙結構快速識別評價、水平井地質導向及油基鉆井液條件下的油氣識別和非常規(guī)油氣錄井綜合評價與工程應用等方面進行了深入研究，在高分辨率錄井技術研發(fā)、非常規(guī)儲層錄井綜合評價等方面取得了顯著進展，為發(fā)揮錄井的“多、快、好、省”技術優(yōu)勢[5]及地質與工程一體化的“橋梁”作用、推動非常規(guī)油氣的勘探突破、增儲上產、降本增效業(yè)已并將繼續(xù)產生重要影響。

1 錄井技術進展

圍繞非常規(guī)油氣的地質與工程需求及非常規(guī)油氣對錄井技術所提出的挑戰(zhàn)，著重開展了4項技術的研發(fā)，分別是元素錄井、鉆井液核磁共振在線錄井、小型化高分辨率三維核磁共振錄井和前置式高分辨率氣測錄井，其所解決的問題與地層的對應關系如圖1所示。其中，元素錄井通過檢測巖屑中的元素成分進行巖石學、巖石地球化學、巖石力學的評價；小型化高分辨率三維核磁共振錄井在檢測巖樣孔隙流體信息的基礎上進行物性和孔隙結構評價；鉆井液核磁共振在線錄井和前置式高分辨率氣測錄井則是在井口在線檢測地層鉆開后進入鉆井液中的地層流體信息。

圖1 非常規(guī)錄井儀器研發(fā)與檢測對象的對應關系Fig.1 The relationship between the development of unconventional logging instrument and detecting objects

1.1 高分辨率元素錄井技術

元素是巖石的基本組成成分，是巖性識別與地層對比的基礎，也是非常規(guī)地層可鉆性與可壓裂性評價的重要指標。國外的代表性技術有2項[5]：一是激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術，二是X射線熒光(XRF)技術或X射線能譜分析儀(EDS)與掃描電鏡(SEM)的集成技術，如LithoSCAN、RoqSCAN等，這2項技術可在頁巖地層中采集45種以上的元素。國內錄井公司研發(fā)了2種元素錄井儀：一種是基于XRF原理的能量散射型(ED-XRF)元素錄井儀，已實現(xiàn)工業(yè)化應用。這項技術的初始研發(fā)目的，是為了解決PDC鉆頭、空氣鉆條件下細小巖屑的巖性識別難題，采集的元素種類只有12種[6]；隨著頁巖氣的勘探開發(fā)，為了更加精細地指導地質導向與分段壓裂，將能采集到的元素種類擴充到20種左右[7]，但是受儀器原理及小型化的局限，有些元素采集不到，有些元素測量精度偏低。另一種是基于LIBS原理的元素錄井儀，目前能采集22種元素[8]，儀器體積較大，尚未實現(xiàn)工業(yè)化應用。

元素錄井作為一項重要的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術，Halliburton、Baker Hughes等公司均實現(xiàn)了商業(yè)化應用，前者將其LIBS技術定義為井場化學地層服務技術，后者將其RoqSCAN技術定義為地層精細評價與壓裂優(yōu)化技術[5]。在國內，該項技術主要用于地質領域，除了用于巖性識別、地層對比(沉積旋回劃分、層位或深度卡取和地質導向)外，還可應用于非常規(guī)地層的礦物轉化[9]、脆性評價[10]、沉積環(huán)境識別、總有機碳含量(TOC)計算、Si成因判別及基于上述評價參數(shù)的頁巖品質綜合評價[11]等，是甜點評價、分段壓裂設計與優(yōu)化的重要技術。其中，由元素到礦物的轉化是元素錄井的基本功能，借鑒這種思想，元素錄井已能實現(xiàn)石英、長石、白云石、方解石、綠泥石、高嶺石、伊利石和蒙脫石等8種主要礦物及黏土礦物的轉化。脆性評價的方法有20多種，本著統(tǒng)一標準的原則，錄井評價脆性的方法有2種：一是通過礦物含量計算脆性指數(shù)；二是統(tǒng)計脆性礦物的含量。在TOC、巖石力學等參數(shù)的計算方面，根據(jù)地層特性及儀器所能采集到的敏感元素，建立相應的計算模型，但計算模型具有差異性。

1.2 鉆井液核磁共振在線錄井技術

鉆井液含油量的檢測長期以來一直是錄井的空白。致密油層、低氣油比油層及PDC鉆頭、熒光鉆井液的使用對鉆井液含油量錄井提出了迫切需求與高度要求。經過試驗與比較，發(fā)現(xiàn)低場核磁共振在鉆井液含油量檢測方面具有其他技術所無法比擬的優(yōu)勢，如：1種純流體只有1個弛豫峰，解決了因譜峰疊加導致混合流體識別難的問題，且譜峰的位置及面積信息與流體的黏度或密度相比于其他錄井技術具有更好的相關性。在確保該項技術應用于鉆井液錄井可行的基礎上，將該項技術實現(xiàn)了在線錄井，成為繼氣測錄井之后，第二項含油氣在線錄井技術。儀器由自清潔在線自動進樣裝置、小型化核磁共振傳感器、控制與反演模塊等部分組成，由于采取了特殊的磁體結構設計，磁場強度達到0.5 T，儀器質量約20 kg；采取T2譜檢測，分析周期小于1 min，含油率檢測下限達40 mg/L。目前，該項技術正在推廣階段。

聚磺鉆井液、混油鉆井液和油基鉆井液等具有熒光的鉆井液體系有利于鉆井提速提效，但不利于油氣顯示發(fā)現(xiàn)，為了突破該瓶頸，進行了長期的錄井技術研究和實踐，主要是根據(jù)扣除背景值的譜圖變化特征來判別真假油氣顯示[12]，研究方法有一定的效果，但難以定量，對于混入同源的原油、油基鉆井液更是無能為力。為此，創(chuàng)新性地采用低場核磁共振技術，分別建立了聚磺鉆井液[13]、混油鉆井液[14]和油基鉆井液[15]3種熒光鉆井液體系下的油層識別模型及地層含油率反演模型、油質評價模型，實現(xiàn)了熒光鉆井液條件下油層隨鉆判識的突破：首次發(fā)現(xiàn)磺化瀝青等粉末狀熒光添加劑不產生核磁共振烴類信號，對采用核磁共振技術發(fā)現(xiàn)油層沒有影響，從而徹底解放對該類添加劑的使用限制；混油鉆井液為水包油體系，鉆井液中的添加油與地層油不相混合，在T2譜上呈現(xiàn)彼此獨立的峰，從而實現(xiàn)了油層的直觀判別與定量評價；油基鉆井液為油包水體系，地層油進入井筒后與鉆井液基油混合，在T2譜上不出現(xiàn)新峰，但通過對含油率、含油性的精細評價，可有效判別油層[16]。

1.3 高分辨率三維核磁共振錄井技術

具有低滲透特性的非常規(guī)油氣藏對常規(guī)一維(T2)核磁共振錄井的孔喉尺度分辨率、孔隙流體分辨率提出了更高的要求，通過浸泡弛豫劑來測量含油飽和度的方法變得不可行，二維(T1-T2、T2-D)及三維(T1-T2-D)核磁共振展現(xiàn)出無需弛豫劑浸泡就能直接區(qū)分不同孔隙流體的優(yōu)勢，但實驗室用的高分辨率三維核磁共振儀器體積大、質量大(1.5～3.0 t)，無法用于錄井現(xiàn)場。為此，在保持大型儀器分辨率的基礎上，通過特殊的磁體結構設計及采用固定梯度磁場，實現(xiàn)了儀器的小型化，磁場強度為0.25 T，儀器質量約40 kg，回波間隔為0.06 ms，相比常規(guī)錄井核磁，孔喉尺度及孔隙流體分辨率均提高了10倍，致密砂巖、頁巖的孔隙度測量結果與大型核磁儀器、覆壓孔滲儀測量結果的相關系數(shù)達到0.90以上，T2-D譜的測量周期小于2 min。該項技術在錄井領域首次實現(xiàn)了核磁共振的二維及三維測量。

非常規(guī)儲層具有納米級孔隙，高分辨率三維核磁共振錄井技術在T2譜上能夠實現(xiàn)1.5 nm(按表面弛豫率50 nm/ms計算)的孔喉尺度探測，如圖2(a)所示，在T2-D二維譜上能夠實現(xiàn)300 nm的孔隙流體探測。三維核磁共振能夠給出1個三維譜(T1-T2-D)、3個二維譜(T1-T2、T1-D、T2-D)和3個一維譜(T1、T2、D)，如圖2(b)所示。目前在巖樣核磁共振錄井領域主要用的是T2-D二維譜和T2一維譜。在分析國外核磁共振最新研究成果及相關領域國內、外分析測試成果[17]的基礎上，初步建立了基于T2譜的頁巖孔隙結構、物性精細評價模型及基于T2-D二維譜的孔隙流體、潤濕性評價方法。頁巖孔隙按成因分為有機孔、無機孔和微裂縫，按尺度分為微孔、介孔和宏孔；孔隙流體按可動性或賦存形式分為束縛(吸附)、可動(游離)2種狀態(tài)。核磁共振孔隙結構模型的建立取決于不同成因孔隙類型的孔徑分布范圍是否界限分明，孔隙流體模型的建立取決于流體賦存狀態(tài)的主控因素或不同賦存狀態(tài)流體的分布規(guī)律，模型的建立同時受表面弛豫率、膠結因子、受限擴散和內部梯度等因素的影響[17-18]。

圖2 核磁共振孔喉尺度與孔隙流體探測分辨率的提高Fig.2 Enhancement of detection resolution on NMR pore sizes and pore fluids

1.4 前置式高分辨率氣測錄井技術

相比傳統(tǒng)的氣測錄井技術，前置式高分辨率氣測錄井技術采用模塊化小型氣相色譜儀，在井口直接檢測鉆井液中的氣體組分，減少了氣體從井口傳輸?shù)絻x器房內的管路延遲時間，并將測量參數(shù)從傳統(tǒng)的C1—C5、CO2、H2S拓展到C1—C10、苯、甲苯、CO2、O2、H2S、H2、N2等，苯及甲苯有助于識別水層或油(氣)水界面，C5以上的重組分可更有效地識別與評價油層，分析周期為C1—C5小于24 s，C1—C8小于50 s，C1—C10小于120 s，并研發(fā)了與之相配套的半透膜脫氣器和機械式定量脫氣器[19]。半透膜脫氣器的優(yōu)勢在于隔絕了與空氣的接觸；定量脫氣器實現(xiàn)了脫氣鉆井液的恒容、恒溫與恒壓輸送。該技術達到了國際先進水平，已實現(xiàn)工業(yè)化應用。

2 綜合評價方法進展

錄井綜合評價方法的進展主要包括水平井綜合地質導向、致密砂巖油氣層錄井綜合評價和頁巖油氣層錄井綜合評價3個方面。

2.1 水平井綜合地質導向

水平井是非常規(guī)油氣藏的主要開發(fā)模式，而地質導向則是提高水平井優(yōu)質儲層鉆遇率及井身質量的保證。水平井綜合地質導向是人與技術的有機結合，經過多年的發(fā)展，管理上實現(xiàn)了地質、鉆井、錄井、定向、測井等多專業(yè)的融合，隊伍上實現(xiàn)了定、錄、導一體化，架構上實現(xiàn)了井場綜合信息平臺、三維地質導向系統(tǒng)、隨鉆技術支持系統(tǒng)的對接。水平井地質導向的關鍵技術有2項：進入目的層前的地層對比和預測技術、進入目的層后的地質解釋與導向技術[20]。前者主要依據(jù)綜合地質建模與精細地層對比，提高入靶準確率；后者主要是結合地震及隨鉆資料準確解釋鉆遇地層的地質情況并指導鉆頭的前行方向，提高儲層鉆遇率[21]。在大量實踐的基礎上，復雜油氣藏的導向模式主要劃分為底水型[22]、傾伏型[21]、階梯型[23]和斷續(xù)型[21]等4種類型，如圖3所示。

圖3 水平井地質導向中的4種復雜油氣藏類型Fig.3 Four types of complex reservoirs produced using horizontal wells and drilled via geosteering

2.2 致密砂巖油氣層錄井綜合評價

對于致密砂巖儲層，靠一張圖版來解釋圖3中的油氣層類型，符合率難以滿足要求。為此，將油氣層綜合解釋分解為“三個識別”和“四個評價”，針對每個識別或評價問題建立或采用相應的圖版或標準。“三個識別”的內容和步驟是有效儲層識別、含水性識別[24]、油氣識別(圖4)；“四個評價”的內容及步驟是物性評價、流體飽和度評價、油氣性質評價、油氣產能評價?！叭齻€識別”與“四個評價”的有機結合，大幅度提高了致密砂巖儲層的錄井解釋符合率及解釋水平。

圖4 油氣層解釋中的“三個識別”Fig.4 “Three recognitions” in oil and gasstrata interpretation

確定有效儲層下限值的錄井方法主要有2種：一種是產層類型法，將同一層位各試油段的孔隙度及滲透率依據(jù)試油結論的不同繪制在同一坐標系內，確定有效儲層孔隙度及滲透率下限值；另一種是油氣產能法，建立單井日產油(氣)量與物性參數(shù)或含油氣參數(shù)之間的關系圖版，依據(jù)相應的標準確定有效儲層的物性參數(shù)或含油氣參數(shù)下限值，有效儲層的識別過程也是對產能進行評價的過程。錄井識別含水性的手段及方法很多，主要有3類方法：第一類是巖心滴水試驗；第二類是根據(jù)圖版進行識別；第三類是根據(jù)數(shù)據(jù)、曲線、譜圖和圖像的變化或特征進行識別。油、氣識別主要有3種方法：一是組分或譜圖特征法，主要看組分齊全程度及含油氣豐度；二是圖版法，如皮克斯勒圖版、三角圖版等；三是曲線特征法，如3H法等。通過上述思路與方法的有機結合，將圖版應用于“三個識別”與“四個評價”的流程中，在勝利油田的應用結果顯示，解釋符合率由73.5%提高到91.9%。

2.3 頁巖油氣層錄井綜合評價

針對頁巖油氣儲層評價的多個參數(shù)，不同的單位或學者采用不同的分類及方法進行有利區(qū)帶評價、目標評價和甜點評價。常見的參數(shù)分類有二分法(地質參數(shù)、工程參數(shù)，或儲層品質、完井品質)[25]、三分法(含油氣性條件、工程技術條件、經濟條件，或儲層品質、完井品質、驅動力，或生油條件、儲集條件、開采條件)[26]和四分法(烴源巖質量、儲層質量、潛力與前景、生產方式與產能)[27]。常見的評價方法是在參數(shù)分類的基礎上，進行賦分或先賦權重再賦分，根據(jù)分值先對每類條件進行評價，再進行總的評價，評價結論分為3類?；谠u價參數(shù)間的相關性及錄井評價的可操作性，建立了基于孔隙度、總有機碳、含油率/含氣量和脆性礦物含量等4項參數(shù)的頁巖油氣錄井綜合評價方法，根據(jù)參數(shù)值的區(qū)間范圍分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類層，分別對應產能的高、中、低，并已形成行業(yè)標準[28]，評價指標與相關的頁巖氣國家標準[29]、行業(yè)標準[30]一致(見表1)。

表1頁巖氣層錄井評價標準

Table1Standardsformudloggingevaluationforshalegasreservoir

評價參數(shù)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類總有機碳含量,%≥42～4<2孔隙度,%≥52～5<2含氣量/(m3·t-1)≥52～5<2脆性礦物含量,%≥4030～40<30

3 發(fā)展趨勢

中國的頁巖氣勘探開發(fā)已邁向常壓、深層，致密油氣的開發(fā)也在向超深層發(fā)展，這對鉆井提速、降本增效和增產增效提出了更高的要求，同時對錄井提出了新的或更高的要求與挑戰(zhàn)，錄井技術與方法為滿足勘探開發(fā)與石油工程的需要而創(chuàng)新發(fā)展，也將在實踐中得以檢驗、完善和提升，只有最經濟有效的錄井技術與方法才能持續(xù)發(fā)展。

3.1 錄井技術發(fā)展趨勢

非常規(guī)油氣開發(fā)屬于低成本戰(zhàn)略，錄井項目尤其是開發(fā)井的錄井項目被大幅度壓縮，這就要求充分挖掘單項錄井技術的潛力，派生更多的參數(shù)，實現(xiàn)更多的應用，解決更多的難題。元素錄井技術的元素采集以功能與結果為出發(fā)點，優(yōu)選最有效的技術，不斷提高采集元素的種類與精度，實現(xiàn)采集與成像功能的一體化，在采集過程中輸出更多的派生參數(shù)與曲線，如礦物、伽馬、孔隙度、總有機碳含量、楊氏模量和泊松比等，可以在工程甜點評價方面實現(xiàn)新的突破，同時可應用于地層可鉆性評價，為鉆頭選型、井壁穩(wěn)定和參數(shù)優(yōu)化提供有力支撐；與隨鉆測井、地震等資料相結合，則可實現(xiàn)對鉆頭前方地層的預測與評價。2項高分辨率核磁共振錄井技術在不斷完善的基礎上將向技術一體化、操作傻瓜化和控制智能化的方向發(fā)展。前置式高分辨率氣測錄井技術則應在不斷提高定量采集程度及規(guī)?；瘧玫幕A上，建立并集成不同油氣層類型的解釋圖版與標準，充分發(fā)揮定量、快速和高分辨率的技術優(yōu)勢。

在不斷發(fā)展與完善上述技術的同時，需要盡快發(fā)展儲層微觀孔隙結構探測[31]、碳同位素分析等錄井技術。儲層微觀孔隙結構探測以巖屑為分析對象，實現(xiàn)對巖石骨架結構及孔隙流體的立體觀測，將數(shù)字巖心的功能移植到錄井現(xiàn)場。該技術已在研發(fā)過程中，并取得了一定成果。碳同位素錄井技術在國內尚屬空白，國外主要有2種設備：一種是對鉆井液氣進行C1[32]或C1-C3[33]同位素在線分析，另一種是對鉆井液氣及罐頂氣進行C1-C3同位素離線分析，前者已在國內的海上油氣井進行了多年的錄井作業(yè)，后者正在國內頁巖氣井進行應用研究。在調研與應用的基礎上，同位素錄井可以用于評價油氣成因與成熟度和儲層連通性，實現(xiàn)滲透性、油氣產能等方面的評價突破與儀器國產化的研發(fā)突破。

在不斷完善與深化單項錄井技術的基礎上，從激發(fā)系統(tǒng)耦合和檢測系統(tǒng)耦合2個方面進行創(chuàng)新，實現(xiàn)2項或多項錄井儀器的一體化。激發(fā)系統(tǒng)耦合有白光與熒光一體化；檢測系統(tǒng)耦合包括XRF與X射線衍射(XRD)一體化、EDS與SEM一體化、色譜與光譜一體化、色譜與質譜一體化和波譜與光譜一體化等[34]。

3.2 錄井方法發(fā)展趨勢

非常規(guī)油氣錄井評價的目的有2個：一是準確評價甜點；二是為鉆完井和儲層改造提供技術支撐。水平井綜合地質導向的發(fā)展趨勢是增強對隨鉆測井資料的處理與綜合評價，實現(xiàn)三維立體導向。頁巖的地層壓力成因機制主要有欠壓實作用與生烴作用，而裂縫性頁巖的地層壓力成因則更為復雜，其預監(jiān)測的難度與意義更大，需要建立基于不同成因壓力貢獻的綜合性評價模型。在頁巖氣錄井評價方面，將逐步建立深層頁巖氣、常壓頁巖氣的評價標準，形成針對不同頁巖氣對象的評價標準系列，實現(xiàn)評價指標與業(yè)界的統(tǒng)一。

4 結 論

1) 國內錄井行業(yè)以需求為導向，以創(chuàng)新為引領，研發(fā)了高分辨率元素錄井、鉆井液核磁共振在線錄井、高分辨率三維核磁共振錄井和前置式高分辨率氣測錄井等4項適用于非常規(guī)油氣的錄井新技術及水平井地質導向、致密砂巖油氣層錄井評價和頁巖油氣層錄井評價等3套綜合評價方法?？紫督Y構微觀探測、氣體碳同位素檢測2項錄井新技術及裂縫性頁巖孔隙壓力隨鉆預監(jiān)測方法正在研發(fā)之中。

2) 隨著非常規(guī)油氣的發(fā)展，錄井儀器將向技術一體化、操作傻瓜化和控制智能化的方向發(fā)展，錄井方法將向應用多元化、評價精細化和指標統(tǒng)一化的方向發(fā)展。

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