馬 林,蔣夏妮,龔勁松
(1.中國(guó)石化華東石油工程有限公司測(cè)井分公司,江蘇揚(yáng)州 225007;2.中國(guó)石化華東石油技師學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225129)
富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖測(cè)井響應(yīng)特征與普通泥頁(yè)巖差異明顯,測(cè)井可以獲取大量巖石物理信息,因而在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中具有重要作用。石文睿等[1]利用回歸法確定焦石壩地區(qū)頁(yè)巖巖性、物性和地化等儲(chǔ)層地質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法。劉雙蓮[2]針對(duì)頁(yè)巖頁(yè)理對(duì)測(cè)井響應(yīng)及巖石力學(xué)參數(shù)影響進(jìn)行了分析研究。顏磊[3]系統(tǒng)闡述了川南海相頁(yè)巖氣測(cè)井綜合評(píng)價(jià)技術(shù)。夏宏泉等[4]利用測(cè)井多參數(shù)兩向量法識(shí)別頁(yè)巖氣地質(zhì)“甜點(diǎn)”。徐春露等[5]在考慮孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量和有效應(yīng)力對(duì)聲波速度影響的基礎(chǔ)上,提出了一套基于聲波速度模型的頁(yè)巖氣孔隙壓力預(yù)測(cè)方法。王濡岳等[6]通過(guò)選取富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖響應(yīng)敏感的測(cè)井曲線疊合與交會(huì)分析進(jìn)行優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層識(shí)別。王玉滿等[7]研究了有機(jī)質(zhì)炭化與電阻率響應(yīng)特征之間的關(guān)系。赫志兵[8]總結(jié)了有效烴源巖測(cè)井識(shí)別與評(píng)價(jià)方法。陳亞秋等[9]開(kāi)展深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)指標(biāo)分析研究。冷玥等[10]對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析,張慶國(guó)等[11]開(kāi)展了基于地化參數(shù)的頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度解釋模型研究,以上研究均對(duì)深層頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有借鑒作用。
現(xiàn)有測(cè)井評(píng)價(jià)方法能夠進(jìn)行頁(yè)巖儲(chǔ)層參數(shù)定量綜合評(píng)價(jià),但由于頁(yè)巖礦物組分復(fù)雜以及吸附和游離狀態(tài)共存的含氣性、低孔低滲的儲(chǔ)層特征,再加上現(xiàn)有測(cè)井儀器測(cè)量精度、實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的局限性,造成利用測(cè)井進(jìn)行頁(yè)巖骨架參數(shù)確定和含氣性、物性和礦物組分精確評(píng)價(jià)仍存在一定難度。
以川東南海相頁(yè)巖氣井測(cè)井資料為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)以及試氣等資料,通過(guò)開(kāi)展頁(yè)巖儲(chǔ)層礦物組分、地化參數(shù)、物性參數(shù)、含氣量和地層壓力等關(guān)鍵參數(shù)與測(cè)井信息的相關(guān)性分析,提取最能夠反映優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)頁(yè)巖的測(cè)井元素,圍繞以有機(jī)質(zhì)成熟度為核心的地質(zhì)參數(shù)和以地層壓力為核心的工程參數(shù),形成一套優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)頁(yè)巖測(cè)井判別流程。伽馬能譜、補(bǔ)償中子和補(bǔ)償密度等放射性測(cè)井系列可準(zhǔn)確識(shí)別高有機(jī)質(zhì)豐度、高孔隙度和高脆性礦物層段,電性特征是有機(jī)質(zhì)演化特性最可靠的指示,可以確定儲(chǔ)層品質(zhì)和地質(zhì)“甜點(diǎn)”。偶極聲波和電成像特殊測(cè)井可評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層在演化過(guò)程中成巖和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后儲(chǔ)層應(yīng)力狀態(tài)及裂縫發(fā)育特征,是儲(chǔ)層保存條件和地層壓力的指示,進(jìn)而反映了頁(yè)巖工程“甜點(diǎn)”和產(chǎn)能,為頁(yè)巖氣井鉆完井方案決策和氣藏資源潛力評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。
川東南地區(qū)頁(yè)巖實(shí)驗(yàn)分析和產(chǎn)氣剖面測(cè)試結(jié)果都顯示頁(yè)巖高產(chǎn)氣層段主要分布在有機(jī)質(zhì)含量高、孔隙度大、脆性礦物含量高以及含氣量高的層段,這些層段在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率、高鈾含量以及相對(duì)低密度、低中子和低無(wú)鈾伽馬“四高三低”的測(cè)井響應(yīng)特征,利用測(cè)井曲線交會(huì)圖(圖1)和曲線重疊方法(圖2)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣層段測(cè)井識(shí)別。結(jié)果顯示龍馬溪—五峰組頁(yè)巖從上至下,中子、密度曲線數(shù)值均呈由高漸低的變化,至底部含氣性好的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段低密度、低中子曲線具有明顯的幅差。伽馬能譜測(cè)井顯示普通泥巖釷鈾比大于3,一般頁(yè)巖釷鈾比為2~3,優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖釷鈾比小于1。頁(yè)巖段產(chǎn)氣剖面測(cè)試結(jié)果顯示:總有機(jī)碳含量(TOC)高、含氣量高、脆性礦物含量高和孔滲條件好的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖是主要產(chǎn)氣貢獻(xiàn)段,是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的“甜點(diǎn)”,利用測(cè)井技術(shù)獲取頁(yè)巖氣資源和地質(zhì)“甜點(diǎn)”分布狀況,有利于全面發(fā)揮地質(zhì)導(dǎo)向在頁(yè)巖氣鉆井中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[12-14]。通過(guò)巖心標(biāo)定測(cè)井,將測(cè)井計(jì)算的脆性礦物含量、孔隙度和TOC進(jìn)行歸一化,將3 個(gè)有利因素累加,構(gòu)成頁(yè)巖“甜點(diǎn)”的定量指標(biāo),即“甜點(diǎn)”指數(shù)。圖2 中第9 道為“甜點(diǎn)”的定量參數(shù),數(shù)值高處即為測(cè)量段內(nèi)的地質(zhì)甜點(diǎn)位置。
圖1 川東地區(qū)五峰組—龍馬溪組測(cè)井曲線交會(huì)圖Fig.1 Crossplot of logging curves of Wufeng-Longmaxi Formation in eastern Sichuan
圖2 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層測(cè)井曲線重疊識(shí)別Fig.2 Log overlap identification of high-quality shale formation
謝小國(guó)等[15]探討了電阻率與有機(jī)質(zhì)關(guān)系,影響頁(yè)巖導(dǎo)電性的因素包括有機(jī)質(zhì)演化程度、地層束縛水、黃鐵礦和頁(yè)巖層理縫等。有機(jī)質(zhì)是電的不良導(dǎo)體,富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖常表現(xiàn)為高電阻率特征。但當(dāng)演化程度達(dá)到一定階段時(shí),電阻率反而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。其原因在于有機(jī)質(zhì)的存在,一方面會(huì)增加陽(yáng)離子交換量及有效表面積,另一方面,還會(huì)影響巖樣的孔隙結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響巖樣的導(dǎo)電性質(zhì);另外受地質(zhì)綜合因素影響,高成熟度有機(jī)質(zhì)炭化,內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,最后變成導(dǎo)電能力強(qiáng)的石墨使得地層電阻率低[16-17],導(dǎo)致過(guò)成熟有機(jī)物含量越高,頁(yè)巖電阻率反而越低,如W1和C1井(圖3)。綜合說(shuō)明影響頁(yè)巖電阻率因素雖多,但有機(jī)質(zhì)的存在是影響電性特征的主要因素,是頁(yè)巖含氣性的綜合反映。
圖3 電阻率與鏡質(zhì)體反射率、有機(jī)碳、含氣量和產(chǎn)氣量交會(huì)圖Fig.3 Cross plot of resistivity and vitrinite reflectance,organic carbon,gas content and gas production
結(jié)合頁(yè)巖氣井含氣性和產(chǎn)氣測(cè)試資料,利用電性特征可將頁(yè)巖劃分3類:Ⅰ類低阻(小于10 Ω·m),低含氣量和產(chǎn)氣量,有機(jī)質(zhì)過(guò)成熟,含氣性和產(chǎn)氣性均差;Ⅱ類中高電阻(10~200 Ω·m),有機(jī)質(zhì)處于生氣和產(chǎn)氣有利階段,含氣性和產(chǎn)氣性較好;Ⅲ類高或特高電阻(大于200 Ω·m),儲(chǔ)層偏致密,孔滲性差,不利開(kāi)采。
為研究有機(jī)質(zhì)對(duì)電阻率的影響,通過(guò)上部普通泥巖段電阻率曲線與三孔隙度和伽馬曲線相關(guān)性分析,重構(gòu)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段電阻率值(圖4),通過(guò)實(shí)測(cè)電阻率與重構(gòu)電阻率對(duì)比,進(jìn)而間接反映有機(jī)質(zhì)的賦存對(duì)頁(yè)巖導(dǎo)電性的影響。11 口井統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的實(shí)測(cè)電阻率與重構(gòu)電阻率比值分布在1~3,大于3 意味著有機(jī)質(zhì)過(guò)了最佳生氣和產(chǎn)氣階段,如R1、L2和L3井,巖心現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量和測(cè)試產(chǎn)量均相對(duì)較差。
圖4 彭水地區(qū)L2井實(shí)測(cè)電阻率與重構(gòu)電阻率對(duì)比Fig.4 Comparison of measured resistivity and reconstructed resistivity in Well-L2 of Pengshui area
通過(guò)制作同區(qū)塊富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖與普通泥巖電阻率比與密度交會(huì)圖(圖5),儲(chǔ)層模式可分為兩類:第一類是與頂板普通泥巖相比,頁(yè)巖層電阻率隨密度減小變化不大且數(shù)值比泥巖略高,這類密度小、TOC高的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有較好的產(chǎn)氣性(L1 井);第二類是與頂板普通泥巖相比,頁(yè)巖層電阻率隨密度減小而降低,且低密度、高TOC層段電阻率值明顯低于普通泥巖,這類頁(yè)巖儲(chǔ)層自然產(chǎn)氣性就相對(duì)較差(L2、L3井)。
圖5 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖與泥巖電阻率比與密度交會(huì)圖Fig.5 Cross plot of resistivity ratio and density of shale with rich organic matter
超壓系統(tǒng)有效地支撐了孔隙結(jié)構(gòu),地層壓力系數(shù)越高,頁(yè)巖孔隙越好,超壓系統(tǒng)有利于有機(jī)孔隙保存[18],地層壓力是影響頁(yè)巖氣產(chǎn)能的主要因素,也是判斷頁(yè)巖保存條件的主要標(biāo)志。
有機(jī)質(zhì)生烴作用,特別是烴類裂解生氣作用是形成頁(yè)巖超壓的主要原因[19-21],此類成因的超壓,在超壓段沒(méi)有孔隙度異常,測(cè)井系列上表現(xiàn)為聲波傳播速度低。利用聲波和密度測(cè)井交會(huì)圖可以區(qū)分不同成因的超壓[22],欠壓實(shí)段的密度和聲波速度變化趨勢(shì)一致,數(shù)據(jù)點(diǎn)落在正常壓實(shí)曲線上,而生烴超壓由于降低了巖石的有效應(yīng)力,因此,表現(xiàn)為聲波速度降低,但是巖石密度不會(huì)發(fā)生明顯的變化。
根據(jù)巖性、電性、物性和含氣性特征,龍馬溪組—五峰組底部頁(yè)巖都可以分為4個(gè)亞段,自下而上的巖性分別為高硅高碳頁(yè)巖段、中硅高碳頁(yè)巖段、含碳粉砂巖段和中低碳泥頁(yè)巖段4個(gè)巖性段,優(yōu)質(zhì)含氣層段都集中在底部高硅高碳頁(yè)巖段。
從J3 井和P1 井密度-聲波速度交會(huì)圖可見(jiàn)超壓地層流體膨脹,超壓地層段的密度變化較小,而聲波速度明顯降低(圖6);常壓地層的密度和聲波速度變化趨勢(shì)一致,密度和聲波速度同時(shí)增大(圖7)。
圖6 彭水地區(qū)J3井超壓地層密度-聲波速度交會(huì)圖Fig.6 Crossplot of density and acoustic velocity of overpressure formation in Well-J3 of Pengshui area
圖7 彭水地區(qū)P1井常壓地層密度-聲波速度交會(huì)圖Fig.7 Crossplot of density and acoustic velocity of normal pressure formation in Well-P1 of Pengshui area
頁(yè)巖地層異??紫秹毫Τ梢驒C(jī)理復(fù)雜,異常高壓成因不再以不平衡壓實(shí)為主,氣體的生成可使得孔隙壓力增大。因此,傳統(tǒng)的地層聲波時(shí)差等效深度孔隙壓力預(yù)測(cè)方法針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙壓力預(yù)測(cè)適應(yīng)性變差。
為避免巖性差異對(duì)聲波時(shí)差的影響,選取龍馬溪組上部巖石礦物組成與底部含氣頁(yè)巖相近的普通泥頁(yè)巖作對(duì)比,縱波、橫波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)關(guān)系顯示,在不受氣體影響的情況下,縱波時(shí)差和橫波時(shí)差之間呈現(xiàn)出清晰的變化規(guī)律,與無(wú)氣體影響時(shí)的規(guī)律相比較,含氣層段的縱波、橫波時(shí)差變化趨勢(shì)偏離無(wú)氣體影響時(shí)的趨勢(shì),縱波時(shí)差值明顯低于無(wú)氣體影響時(shí)的值,氣體對(duì)聲波的影響主要表現(xiàn)在縱波時(shí)差上,而橫波時(shí)差對(duì)流體不敏感,受氣體影響相對(duì)較小。所以當(dāng)儲(chǔ)層中含有不同壓力氣體時(shí),縱波時(shí)差呈現(xiàn)不同幅度的降低,而橫波時(shí)差受影響較小,所以縱橫波交會(huì)趨勢(shì)線對(duì)比可以反映孔隙壓力狀況。
縱、橫波時(shí)差交會(huì)特征在普通頁(yè)巖與含氣頁(yè)巖段中具有不同的斜率,統(tǒng)計(jì)平橋地區(qū)、東勝地區(qū)、彭水地區(qū)和武隆地區(qū)不同縱、橫波時(shí)差在普通頁(yè)巖和含氣頁(yè)巖段的斜率發(fā)現(xiàn),普通泥巖段縱、橫波時(shí)差斜率大,而含氣頁(yè)巖段縱、橫波時(shí)差斜率?。▓D8),與含氣段縱波衰減明顯強(qiáng)于橫波衰減相關(guān),二者斜率的比值與地層壓力系數(shù)具有較好的相關(guān)性(表1)。P1 和L1 井顯示為常壓頁(yè)巖氣層,水平井日產(chǎn)量(2~5)×104m3。其余井測(cè)井預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)大于1.2,水平井日產(chǎn)量大于10×104m3。
圖8 彭水地區(qū)S1、L1、J3和P1井縱、橫波時(shí)差交會(huì)圖Fig.8 Crossplot of longitudinal and shear wave time difference in Well-S1,Well-L1,Well-J3 and Well-P1 of Pengshui area
表1 地層孔隙壓力系數(shù)測(cè)井預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)對(duì)比Table 1 Comparison between logging prediction and field measurement of pressure coefficient of formation pore
聲波掃描測(cè)井解釋結(jié)果顯示頁(yè)巖地層的水平主應(yīng)力差越小,壓力推進(jìn)過(guò)程中受到的阻力也越小,從而使裂縫的延伸性也更好,且水力壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的可能性也越高,因此,可壓性也越好。分析對(duì)比偶極聲波測(cè)井確定的龍馬溪—五峰組底部①—③號(hào)層最大和最小水平主應(yīng)力平均值,常壓頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最大與最小地應(yīng)力差異系數(shù)較大,普遍大于20%,有機(jī)質(zhì)生氣造成的壓力又因裂縫發(fā)育被釋放掉,壓力難以保持。超壓頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最大與最小地應(yīng)力差異系數(shù)相對(duì)較小,一般在10%左右(表2),更有利于儲(chǔ)層改造后網(wǎng)狀縫的形成。
表2 差異系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistic of coefficient of difference
在強(qiáng)擠壓應(yīng)力條件下或強(qiáng)壓實(shí)條件下,擠壓應(yīng)力增加意味著等效深度或等效負(fù)載壓力增加,黏土孔隙度急劇降低,黏土束縛水含量降低,因此,在地層水礦化度和泥巖組分相對(duì)穩(wěn)定情況下,地應(yīng)力變化是電阻率變化的主要因素[23],因此,泥巖電阻率能夠靈敏地反映地應(yīng)力集中狀態(tài)(圖9),可以利用這種響應(yīng)特征對(duì)地應(yīng)力分布狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)層品質(zhì)及含氣性進(jìn)行定性、定量評(píng)價(jià)。
圖9 頁(yè)巖頂板泥巖電阻率與最大主應(yīng)力關(guān)系Fig.9 Relation between resistivity and maximum principal stress of shale roof and mudstone
地應(yīng)力分布與儲(chǔ)層品質(zhì)有著密切的關(guān)系,由于構(gòu)造擠壓應(yīng)力強(qiáng)烈,致使儲(chǔ)層致密,孔滲性能差,常常難以形成優(yōu)質(zhì)氣層。同一構(gòu)造帶優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層往往發(fā)育于構(gòu)造帶局部弱擠壓應(yīng)力區(qū),此處有利于儲(chǔ)層保持較高的原生孔滲條件(圖10)。
圖10 頁(yè)巖頂板泥巖電阻率與日產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.10 Relation between shale resistivity and daily gas production in shale roof
以構(gòu)造作用為主形成的天然裂縫,對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層的形成和改造具有重要作用,對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)滲具有現(xiàn)實(shí)意義。如常壓頁(yè)巖氣P1 井高導(dǎo)縫很發(fā)育,且裂縫角度較大,①—⑤小層發(fā)育裂縫傾角集中在80°~90°,說(shuō)明早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)該井的影響較強(qiáng),在裂縫被充填之前氣體有滲漏。即便裂縫被后期礦物充填,也難以充滿整個(gè)裂縫網(wǎng),真正形成有效隔檔和有利于儲(chǔ)層壓力保存。優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)頁(yè)巖儲(chǔ)層高導(dǎo)縫不發(fā)育,發(fā)育低角度小規(guī)模高阻縫,利于氣體短距離滲流。
研究區(qū)位于四川盆地及周緣,沉積環(huán)境主要為深水陸棚相,龍馬溪—五峰組頁(yè)巖縱向上從上至下黏土含量逐漸降低,硅質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)豐度逐漸升高,頁(yè)巖物性、含氣性和頁(yè)巖品質(zhì)變好。橫向上盆內(nèi)頁(yè)巖氣藏以超壓為主,測(cè)試產(chǎn)量較高,盆外氣藏以常壓為主,測(cè)試日產(chǎn)量(2~5)×104m3。S2 井(圖11)位于盆內(nèi),底部伽馬呈高值、電阻率呈中高值,中子和密度值相對(duì)低,聲波時(shí)差相對(duì)較大,測(cè)井曲線重疊面積最大、脆性礦物含量和“甜點(diǎn)”指數(shù)都較高,楊氏模量相對(duì)較高,泊松比相對(duì)較低,綜合顯示頁(yè)巖底部為本井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段,偶極聲波測(cè)井評(píng)價(jià)地應(yīng)力差異系數(shù)為10.5%,測(cè)井預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)為1.39,電成像測(cè)井顯示優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段發(fā)育少量高阻縫,測(cè)井綜合判斷該井屬于優(yōu)質(zhì)超壓頁(yè)巖氣井,后期測(cè)試日產(chǎn)氣32×104m3,與測(cè)井判定結(jié)果一致。
圖11 東勝背斜S2井頁(yè)巖儲(chǔ)層測(cè)井綜合評(píng)價(jià)成果Fig.11 Log comprehensive evaluation result of shale reservoir in Well-S2 of Dongsheng anticline
1)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層在測(cè)井曲線上表現(xiàn)“四高三低”的測(cè)井響應(yīng)特征,伽馬能譜、中子和密度等放射性測(cè)井系列可以評(píng)價(jià)頁(yè)巖巖性、物性和有機(jī)質(zhì)豐度等關(guān)鍵參數(shù),測(cè)井曲線交會(huì)圖和重疊圖能有效識(shí)別頁(yè)巖地質(zhì)“甜點(diǎn)”段。
2)頁(yè)巖儲(chǔ)層電性特征是判別頁(yè)巖品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo),高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖電阻率主要介于10~200 Ω·m,重構(gòu)電阻率顯示有機(jī)質(zhì)影響因素值分布在1~3;頂板的龍一段底部普通泥巖電阻率值相對(duì)較低。
3)偶極聲波和電成像等特殊測(cè)井能夠評(píng)價(jià)儲(chǔ)層裂縫和應(yīng)力特征,反映儲(chǔ)層保存條件,高產(chǎn)頁(yè)巖氣井普遍具有高孔隙壓力特征。不同孔隙壓力儲(chǔ)層縱、橫波速度衰減系數(shù)存在差異,高產(chǎn)頁(yè)巖氣井孔隙壓力系數(shù)普遍高于1.15,最大與最小水平主應(yīng)力差異系數(shù)小于20%,處于構(gòu)造弱地應(yīng)力區(qū),儲(chǔ)層發(fā)育低角度小規(guī)模高阻縫。
油氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)2022年3期