西加盆地都沃内页岩气测井评价技术

李冰,李剑平,侯秋元,包鑫,蒋新宇,曲鹏

(中国石油集团测井有限公司国际公司,北京102206)

0 引 言

作为非常规能源之一,页岩气既是常规天然气的潜在替代能源,也是清洁环保能源。在北美地区,页岩气产量在数年内大幅增长[1]。页岩气表现为典型的原地成藏模式,页岩既是生油岩,也是聚集和保存页岩气的储层和盖层。页岩储层致密,孔隙度一般为4%～6%,渗透率小于0.001 mD*[2]。不同地区的页岩性质差异较大[2],其评价方法具有较强的区域特性。对页岩气藏进行评价,主要考虑它的生烃能力、储集能力和力学性质。测井资料具有较易获取、分辨率较高以及地质信息丰富等特点,在页岩气藏的综合评价中起到了重要作用。通过多种测井方法的综合应用,对页岩气藏进行全面评估。

本文以加拿大西加盆地K地区都沃内地层为研究目标,从烃源岩品质、储层品质及完井品质等3个方面,开展了系统研究。对地化参数指标、矿物组分分析以及可压裂性评价等3个环节进行阐述,使用岩心分析及微地震监测结果进行了验证。对单井油气资源量进行了综合评价,同美国五大已开发盆地地质评价参数进行对比,通过多种可压裂性评价手段,探讨了测井资料在压裂高度预测中的可行性,取得了较好的应用效果。

图2 D1井都沃内地层岩心样品热解实验成果

1 研究区页岩气藏特征

作为典型的海相页岩气藏,都沃内地层形成于中泥盆世晚期至晚泥盆世不断的海侵运动过程中。在最大海侵时期,都沃内页岩层沉积,同期伴随勒杜克生物礁的生长,是盆地内常规储层重要的烃源岩[3]。都沃内地层属典型单斜构造,倾向西南至东北,埋深逐渐变浅。厚度在勒杜克生物礁发育位置达到最大,超过90 m[3],由盆地边缘向向盆地中心厚度呈明显变薄趋势(见图1)。在研究区域,目标层段厚度均大于25 m,大部分地区大于30 m。

图1 目标研究区域相对位置图

根据研究区D1井都沃内地层岩心样品的热解实验结果分析,其总有机碳含量在1.48%～8.29%,平均为3.85%。能够作为勘探目标的页岩,其总有机碳含量(TOC)值一般为2%～10%[4]。D1井的TOC值指示该井所处区域资源潜力大。热成熟度指标方面,镜质体反射率分布在1.09%～1.58%,平均为1.34%;最大热解峰温分布在458～486 ℃,平均为472 ℃;以上2项指标均指示,该井钻遇的都沃内地层处于凝析窗口期(见图2)。

D1井都沃内地层岩心样品的X-衍射分析结果[见图3(a)]显示:该段泥质含量平均为26%,硅质和钙质的含量分别为38%和32%,黄铁矿的含量为4%。D1井都沃内地层岩心样品的致密岩分析(Tight Rock Analysis,TRA)结果表明:都沃内地层孔隙度主要分布在2%～6%,平均为3.6%[见图3(b)]。尽管样品孔隙度较低,但通过扫描电镜分析,其孔隙均为有效孔隙[见图3(c)],且含烃孔隙度同有效孔隙度具有正相关关系[见图3(d)]。

图3 D1井都沃内地层样品X-衍射分析结果、样品孔隙度分布、扫描电镜成果及有效孔隙度与含烃孔隙度的关系

2 评价方法

2.1 评价技术路线

页岩气藏储层地质参数可由测井资料通过模型反演得到,其多解性较强,且由于地质条件的多变以及技术的局限性,解释方法及模型常常具有区域性。针对研究区页岩气藏的典型特征,本文确定了符合地区特征的研究技术路线(见图4)。首先,收集区域资料,在质量控制、资料预处理及分析的基础上,进行单井解释,岩心资料用于解释模型的建立及单井解释结果的验证。

图4 研究区测井评价技术路线图

2.2 地化参数指标

具有商业价值的页岩气藏,必须是有效的烃源岩[2]。本文使用有机质丰度和岩石热解参数等地化参数指标,作为烃源岩品质评价的参数。其中,总有机碳含量TOC作为有机质丰度指标,国内外的专家学者进行了详细的研究[5-6]。在研究区TOC的预测使用了伽马能谱测井的铀含量[5]和密度测井资料[7]。岩石热解参数方面,主要使用氢指数HI进行评价,建立了HI同成熟度级别LOM[5]的拟合关系,并且建立了吸附烃含量(S1)和裂解烃含量(S2)的区域模型。

S1=0.4627e0.4027TOC

(1)

HI=-3.1345LOM2+28.287LOM+133.83

(2)

S2=HI×TOC

(3)

式中,TOC为总有机碳含量,%;S1为吸附烃含量,mg/g;HI为氢指数,mg/g;LOM为成熟度级别,根据Henderson转换图用镜质体反射率求得;S2为裂解烃含量,mg/g。

图5 研究区D1井黄铁矿含量同与效孔隙度关系以及解释的黄铁矿含量同岩心分析结果对比

系统建立了研究区氢指数HI同凝析液气比CGR的对应关系(见表1),用于判断页岩气藏类型,为最终的甜点区域预测提供依据。根据表1,对研究区14口先导试验井钻遇都沃内地层的页岩气藏类型进行了定性判定,判定结果见表2(其中CGR的单位表示“桶/百万立方英尺”,美国标准)。

表1 研究区HI同CGR对应关系表

2.3 矿物组分分析

随着国内外多个页岩气盆地的成功开发,对页岩气藏矿物组分的定性识别及定量评价十分重要。矿物组分不仅是完井品质评价所需的重要参数,决定着储层的改造能力,也在一定程度上影响着页岩的孔隙度。

本文根据岩心样品的X-衍射分析结果,将页岩气藏的无机矿物组分分为泥质、硅质、钙质和黄铁矿等4部分。在地层沉积过程中厌氧细菌分解硫酸盐时释放出硫化氢,黄铁矿是硫化氢与沉积物中铁元素发生反应的产物[8]。图5(a)为D1井都沃内地层黄铁矿含量与有效孔隙度的交会图,当黄铁矿含量达到0.027后,与有效孔隙度存在着正相关关系。通过主成分分析,应用多元线性拟合方法,预测黄铁矿含量,优选体积光电吸收截面指数、密度、电阻率以及中子孔隙度等4类测井参数。预测的黄铁矿含量同岩心分析结果对比,效果良好[见图5(b)]。黄铁矿含量的多元线性拟合关系如下

VPYR=0.0038UMA-0.0495ρ-

0.0162logRT-0.0009CN+0.1394

(4)

式中,VPYR为黄铁矿的体积含量,V/V;UMA为体积光电吸收截面指数,b/cm3;ρ为体积密度,g/cm3,RT为深探测电阻率,Ω·m;CN为中子孔隙度,V/V。

使用中子密度重叠方法和声波密度重叠方法,分别进行了泥质含量的计算,选用算术平均值作为最终的泥质含量。将得到的泥质含量、黄铁矿含量加入非线性联立方程组,配合其他测井资料,通过约束最优化算法,得到各组分的体积含量。与岩心数据对比(见图6),计算精度可以满足实际生产需求。

图6 研究区D1井解释参数同岩心参数对比图

孔隙度是矿物组分分析的成果之一,其数值等于各流体组分含量之和。除孔隙度之外,饱和度也是计算地层游离气含量的重要参数。研究区都沃内地层的含水饱和度计算公式如下

(5)

Sw=Vuma/φe

(6)

式中,Ct为测量电导率,S/m;Cucl为原状地层黏土电导率,S/m;Vcl为黏土含量,V/V;ersh为由原状地层黏土电导率计算原状地层页岩电导率的系数,该区设定为2;Vuma为原状地层水百分含量,V/V;n为饱和度指数;swshe为西门杜公式页岩影响系数,该区设定为1;Cuma为原状地层水电导率,S/m;φe为有效孔隙度,V/V;a为岩性附加导电性校正系数;m为孔隙度指数,无量纲;mc2为胶结系数的孔隙度校正指数,该区设定为0;Sw为地层含水饱和度,V/V。

页岩气藏含气量是经济评价的关键参数,等于孔隙中的游离气和吸附气含量的和[2]。吸附气含量由兰格缪尔等温吸附试验并通过相关温度校正[6]得到,游离气含量由物性参数评价结果进行吸附气附加校正[9]后得到,含气量为校正后的游离气含量与吸附气含量的和。

2.4 可压裂性评价

研究区在压裂生产过程中存在着压裂能量丢失、无法达到预定压裂效果的情况,需要通过可压裂性评价[10]进行压裂高度的预测,为压裂增产措施的制定提供依据。本文通过理论闭合应力计算[11]、经验闭合应力计算以及断裂韧性计算相结合的方式进行压裂高度预测,进而判断可能的压裂顶界。

经验闭合应力计算方法是采用西加盆地都沃内地层的多个岩心数据点拟合而来,其计算方法如下

(7)

Eh=0.5658Ev+22.915

(8)

Vv=Vd

(9)

Vh=1.05Vv

(10)

(11)

式中,Ev为垂直方向静弹性模量,GPa;Eh为水平方向静弹性模量,GPa;Vv为垂直方向的静泊松比;Vh为水平方向的静泊松比;Sc为闭合应力,MPa;Sv为垂直方向主应力,MPa;α为毕奥系数,该区设定为0.9;pp为孔隙压力,MPa;Ed和Vd分别为利用测井资料计算的动态弹性模量和泊松比。

2.5 模型精度验证

通过D1井的实际井处理,对模型在研究区的适用性进行了精度验证,图6为解释参数同岩心分析参数的对比图,对比参数包括:总有机碳含量、吸附烃含量、裂解烃含量,泥质含量、硅质含量以及钙质含量。黄铁矿含量的对比参见图5(b)。通过对比发现:解释参数同岩心参数对应性良好,模型精度高,能满足现场实际生产需要。

3 应用效果

该技术在研究区多口井进行应用,对都沃内地层的烃源岩品质、储层品质以及完井品质进行评价,精细评价单井油气资源量,对压裂高度进行预测,提供了可能压裂顶界面,为研究区甜点区域的预测以及勘探开发方案的制定提供了重要的数据支撑。

3.1 油气资源量评价

对研究区的14口先导试验井的目标地层进行了测井综合解释,表2为解释成果表。图7为D1井的单井油气资源量测井综合评价成果图。从表2及图7可看出,研究区目标地层的油气资源量纵横向分布不均匀,展现出强非均质性特征。纵向上,页岩气富集层段具有如下特征:去铀伽马和能谱伽马差别明显,铀含量高,指示海相地层发育,且TOC值较高;中子密度重叠、及ECS成果指示泥质含量低于上下围岩;密度测井值减少,声波测井值增大,指示目标层段孔隙发育;电阻率值明显升高,指示含气量丰富。横向上研究区内的14口先导试验井,单井控制油气资源量分布在41.4～112.8 bcf/sec(美国标准,sec为section的简称,section为北美使用的网格面积单元,表示长宽均为1.6 km的正方形区域,bcf为billion cubic feet的简称,十亿立方英尺),平均单井控制油气资源量为78.9 bcf/sec,指示研究区内油气资源量丰富。

表2 研究区14口井测井综合解释成果表

图7 研究区D1井油气资源量测井综合成果图*非法定计量单位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J;1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

将研究区和美国五大已开发盆地的地质评价关键参数进行对比(见表3),对比结果表明:研究区Duvernay页岩,埋深较其他页岩气盆地深;TOC基本相当,镜质体反射率指示目标地层处于凝析气阶段;硅质含量适当,储层改造能力强;含气量丰富,气含量与吸附气占比均同Barnett相当。

表3 美国五大页岩气盆地与研究区地质评价参数统计表

3.2 压裂高度预测

图8 D1井可压裂性评价成果图及研究区微地震监测解释成果侧视图

图8(a)为D1井的可压裂性评价成果图。使用理论公式和经验公式计算了闭合应力(最小水平主应力)剖面[参见图8(a)第7和第8道],闭合应力表征微裂隙将闭未闭时,岩体内部产生的反作用力水平,低闭合应力(红色)指示该段易于压裂;第9道为断裂韧性剖面,低断裂韧性(红色)指示该段抵抗内部裂纹失稳扩展能力弱,易于压裂。综合考虑闭合应力预测和断裂韧性计算结果,对不同压裂期数下的裂缝高度进行预测,推测可能的压裂顶界在-1 845 m(海拔深度)。

图8(b)为D1井所在平台的微地震监测[12]解释成果图,从图8(b)可看出,在压裂结束后,纵向上裂缝沿着地层向上延伸,海拔深度在-1 850 m左右,同本方法的预测结果基本吻合,验证了本方法在压裂高度预测中的可行性。

4 结 论

(1)通过先导试验井分析,以及同美国五大页岩气盆地的地质评价参数对比,研究区有机质丰度高,成熟度高,含气量及单井资源量丰富,具有良好的勘探前景。

(2)通过测井资料进行可压裂性分析,可以进行压裂高度预测,从而判断压裂的可能顶界,预测结果经过微地震监测验证合理,可用于指导下一步的压裂方案设计。

(3)形成了一套适用于西加盆地都沃内海相页岩气的测井评价方法,针对烃源岩品质、储层品质及完井品质这3个方面开展了系统研究,取得了良好的应用效果。