干热岩地热储层综合评价技术的建立与应用

杜淑艳, 孙 鑫, 秦仓林, 杜焕福, 王春伟, 刘桂华

(1.中石化经纬公司地质测控技术研究院,山东 青岛 067000; 2.中石化经纬公司中原测控公司,河南 濮阳 457001)

0 引言

随着社会经济的高速发展,能源和环境问题日益严峻[1]。煤炭、石油等不可再生化石能源能量转化过程伴生大量温室气体排放,加重了环保负担。因此,寻找可再生清洁能源,调整能源结构迫在眉睫。地热能作为一种空间分布广泛、运行稳定的清洁可再生能源,逐渐受到世界各国的关注[2-3]。地热能根据热介质可分为水热型和干热岩型两大类,其中干热岩储量巨大[4-5]。干热岩是指赋存于地下3～10 km,内部不存在流体或者仅有少量流体,且埋藏深度合理、能用换热技术来提取内部热量的高温致密岩体[6-7]。干热岩体含有较多放射性元素,这些元素在衰变的过程中持续向外释放能量,可进一步增加热能的供应。干热岩热能提取通常采用注入井配合生产井的多井采热模式,在注入井中将冷流体压入干热岩储层,通过热交换产生的热流体由生产井中排出用于供热、发电等[8],美国的干热岩试验电厂的发电量已经接近商业开发规模[9]。

干热岩岩性一般为花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩-花岗岩等,具有密度大、热传导率高、低孔隙度、低渗透率、存在裂缝孔隙等特征。干热岩所采用的注入井配合生产井的开采模式,主要依赖于干热岩岩体中存在的孔隙裂缝发育段在横向上形成的连通通道。但由于干热岩的岩石矿物成分复杂,储层发育的非均质性强,导致储层评价难度大、精度低,严重制约了对干热岩的准确认识及配套合理开发方案的制订。利用测井信息对干热岩的岩性、储层发育状况以及地层温度进行评价是干热岩储层开发利用的关键[10]。本文针对以上问题,通过综合运用测井及录井数据,对干热岩储层的岩性、温度、力学各向异性等进行了准确识别,并形成了干热岩储层分类标准,进而建立了干热岩地热储层综合评价技术,为地热能研究和开发利用提供技术参考。

1 研究区概况

研究区位于唐山市马头营凸起,区内具有京津冀地区埋藏最浅的干热岩储层[11]。马头营凸起位于华北断块东北部,黄骅坳陷的北部,是太古界潜山背斜上发育的第三系披覆构造[ 12]。凸起区地层主要为新生界、中生界沉积层,地势低平,西北高、东南低。研究区位于燕山褶皱带南缘,以马北断层为界,与乐亭凹陷相连; 西部以柏各庄断层为界,与南堡凹陷相接; 南部以红房子断层为界,与石臼坨凹陷相邻[13-14](图1(a))。

(a) 构造位置图 (b) 干热岩地质剖面

唐山马头营凸起3 965 m深处钻获了温度为150 ℃的适宜换热干热岩体。区块内主要钻遇地层为第四系(Q),新近系馆陶组(N1g)、新近系明化镇组(N2m)、太古界(Ar)(图1(b))。太古界基岩在3 500 m以下钻获了高温干热岩体,具有较高的大地热流值。研究区干热岩地热储层为太古界变质花岗岩或变质岩系,结晶岩体主要包括角闪岩、闪长岩、花岗岩和花岗角闪岩等中酸性岩体。初步评估研究区干热岩远景资源量较大,折合成标准煤可达上百亿吨。

太古界上部以变质角闪二长花岗岩为主,局部发育不同厚度的斜长角闪岩、角闪石岩包裹体,还有少量的变质花岗闪长岩、变质英云闪长岩。局部地层较为破碎,破碎岩层以斜长角闪岩为主,随着深度的增加,节理发育逐渐减少,主要以块状特征为主。

2 干热岩地热储层综合评价技术

由于干热岩主要通过热交换供应热能,需要对干热岩中的储层发育状况进行评价,评价储层发育状况就需要对岩性进行识别。因此对于干热岩地热储层的评价主要从以下4个方面进行: ①岩性的识别,通过录井岩屑的观察以及测井曲线特征的变化来识别岩性; ②根据岩性值特征值的变化判断储层的发育状况,以此来进行储集空间的判别以及储层的发育状况和储层参数的评价; ③根据测量的井温资料对地层温度进行推测,以此对地热井关键的地层温度进行评价; ④进行地应力评价,为后期的开发注采等提供重要基础数据[15]。

2.1 岩性识别

研究区干热岩勘探主要分布在太古界,钻井取心(图2)及录井岩屑资料显示,本区干热岩主要岩性为角闪岩和花岗岩两大类,还有少量变质花岗闪长岩以及混杂变质岩。其中,花岗岩以变质角闪二长花岗岩为主,颜色主要为浅青灰色和灰白色,成分以斜长石、钾长石为主,石英次之,角闪石少量,角闪石呈黑绿色,夹有乳白色钙质填充物; 角闪岩成分以角闪石为主,斜长石次之或者极少; 变质花岗闪长岩颜色为浅灰至灰绿色,成分以斜长石为主,角闪石次之,含少量石英; 花岗岩和角闪岩均有变晶结构,个别岩石夹有白色钙质填充物,推断为裂缝内部充填物。

图2 X井岩心照片(角闪二长花岗岩)Fig.2 Core photos of Well X (hornblende monzogranite)

不同岩性、矿物成分的岩石物理特征值差异比较大,所以在进行岩性识别时,可根据不同岩性的主要岩石组成,各类岩石的主要矿物组分,再依据各矿物的岩石物理特征值的差异来进行测井特征综合分析,从而建立岩性判别模式[16-17]。例如角闪岩类、和闪长岩类的岩石由于U、Th、K含量较低,自然伽马数值表现为低值,但当角闪岩中含有斜长石时,会使自然伽马数值升高。角闪石的岩石光电吸收截面指数(photoelectric absorption cross-section index,PE)数值较高,为5.99 b/e,同为斜长石类矿物的钠长石和钙长石PE数值差异较大,分别为1.7 b/e和3.1 b/e,而闪长岩和花岗岩的PE数值较低,小于2.8 b/e,所以各类岩石的物理特征差异与矿物含量的多少息息相关。

角闪岩的测井特征为自然伽马低值,多低于40 API,密度数值较高,在2.9 g/cm3以上,中子数值多大于10 P.U,PE大于3.5 b/e; 矿物成分相对单一的花岗岩自然伽马数值较高,在80 API以上,密度数值约为2.6 g/cm3,中子数值多小于5 P.U,PE约为2.2 b/e,当长石含量增加时,花岗岩的各项物理特征会有所变化[18]。研究区内各种岩石的岩石物理特征统计见表1。

表1 研究区太古界非储集层岩石物理特征值Tab.1 Petrophysical characteristics of Archean non-reservoir rocks in the study area

根据测井曲线特征、录井岩屑、钻井取心等资料综合分析识别,结合该区地层发育的主要岩性以及不同岩性特征值的差异,找出对岩性识别敏感的测井曲线,如自然伽马、声波、补偿中子和岩性密度等,应用二维或者三维交会图确定岩性(图3)。从自然伽马-补偿中子交会图(图3(a))、补偿中子-光电吸收截面指数交会图(图3(b))、补偿中子-密度交会图(图3(c))中可以看到,不同岩性分布在不同的区域,利用这些分布区域的差异能够很好区分岩性,准确地识别角闪岩、花岗岩、变质角闪二长花岗岩等。

(a) 自然伽马-补偿中子 (b) 补偿中子-光电吸收截面指数 (c) 补偿中子-密度图3 岩性识别交会图Fig.3 Cross plot diagram of lithology identification

2.2 储层测井识别

录井岩屑、钻井取心及薄片资料显示,研究区内干热岩储层岩性主要为角闪岩和变质花岗岩,块状构造,反映构造的层理或层界面相对较少。储层空间主要是裂缝和孔洞,有效裂缝主要是高导缝、不连续的(半)充填缝和微裂缝,局部存在孔洞。根据储集空间的发育程度,参考孔隙发育大小和裂缝发育程度,将干热岩储层分为I类、II类和III类(表2)。

表2 研究区太古界储层分类标准Tab.2 Classification standard of Archean reservoir in study area

从测井解释评价结果可以看到,其中发育I类层、II类层主要岩性为: 角闪岩、花岗-角闪岩,少量变质角闪二长花岗岩、花岗岩; 发育Ⅲ类层的主要岩性为: 变质角闪二长花岗岩、少量花岗岩、角闪岩。研究区太古界井的储层按厚度统计结果显示: 花岗-角闪岩类储层占27.4%、角闪-花岗岩类储层占58.9%、花岗岩占12.6%、角闪岩占1.1%。

2.2.1 常规测井曲线识别储层

不同岩性在测井曲线上反映的特征不同,研究区测井曲线在进入到太古界时整体自然伽马数值变化较大,角闪岩自然伽马值为低值,花岗岩自然伽马值为中高值,由于角闪石和长石含量的不同导致伽马数值变化较大。当干热岩储层孔隙度和裂缝不发育时,3种孔隙度曲线特征表现为中子测井值、声波时差低值,密度高值,电阻率呈现明显的高值特征,自然电位曲线比较平直。在裂缝和孔洞发育段出现电阻率低值,孔隙度数值偏离骨架值,向孔隙度增大方向变化,电阻率相对于致密层会有明显的下降。

(1)Ⅰ类层。受孔洞和裂缝发育的影响,储层被泥浆填充,显示为电阻率数值相对于围岩有明显下降,下降幅度较大,且存在明显的幅度差。3种孔隙度曲线数值偏离骨架值,声波时差和补偿中子测井值增大,密度数值减小,计算的孔隙度数值在10%以上; 自然电位曲线有较明显的负异常显示。图4中的169号和171号层,岩性为花岗闪长岩,电阻率数值在500 Ω·m以下,最低到130 Ω·m,围岩电阻率则在20 000 Ω·m以上,储层电阻率明显低于围岩电阻率,且深浅电阻率数值差异明显,具有明显幅度差,所以将169号和171号层评价为Ⅰ类层。

图4 X井常规测井资料显示储层特征Fig.4 Reservoir characteristics shown by conventional logging data of well X

(2)Ⅱ类层。测井曲线特征显示为电阻率数值相对于围岩有明显的下降,下降幅度中等,且存在较明显幅度差。3种孔隙度曲线数值偏离骨架值,声波时差和补偿中子测井值增大,密度数值减小,计算的孔隙度数值为5%～10%; 自然电位负异常幅度较 Ⅰ 类层略小。图4中167号层,相对于 Ⅰ 类层电阻率数值略高,幅度差也略小,3种孔隙度曲线显示孔隙度增大。电阻率下降略小,因此被评价为 Ⅱ 类储层。

(3)Ⅲ类层。相校Ⅰ类层和Ⅱ类层,Ⅲ类层电阻率数值较高,但低于围岩电阻率,相对围岩下降幅度较小,且具有幅度差。3种孔隙度曲线略有向孔隙度增大方向变化趋势,或者变化不明显,显示岩性较致密,自然电位正异常不明显,如图4中的166号层,电阻率相对于围岩有小幅度的下降,3种孔隙度曲线有增大趋势,但相对于Ⅰ类层和Ⅱ类层增大幅度要小。

2.2.2 电成像资料识别储层

电成像资料在测量过程中,沿井壁每0.254 cm进行一次采样,测量阵列电极上的电流强度反映出电流流过的地层由于岩石结构或电化学性质的差异而引起的微电阻率变化。电成像资料可以直观地描述地层特征,较其他测井具有相对明显优势[19]。通过成像测井资料结合常规测井、地质录井等资料进行分析表明,该区花岗岩和角闪岩,多呈块状构造,未见明显反映构造的层界面。高导缝、应力释放缝比较发育,见重泥浆压裂缝,裂缝轨迹多不完整,被不同程度地充填,还可见孔洞发育。

图5为该区Y井储层发育段中不同类型储层的电成像资料显示特征,图5(a)中,在亮色背景下的暗色团块状显示为花岗角闪岩中的孔洞发育段,说明该段地层孔洞比较发育,孔隙度较大,为孔洞型储层特征; 图5(b)中可看到亮色背景下明显的暗色条纹特征,连续的正弦线(红色)为典型的高导缝特征,被低阻泥浆、泥质或导电矿物充填所致; 有些正弦线轨迹不完整的(黑色)是高角度的半充填缝,还有一些微裂缝特征,是裂缝型储层特征; 图5(c)中显示成片的暗色特征,为溶蚀孔洞,同时伴有连续的正弦线,储层为孔洞-裂缝型储层。因此,利用电成像资料可以直观的根据裂缝和孔洞的发育层段,来进行储层划分。

(a) 孔洞型储层 (b) 裂缝型储层 (c) 孔洞-裂缝型储层

2.2.3 偶极声波测井识别储层

偶极声波测井是识别裂缝最有效的测井方法之一,偶极声波测井主要是利用滑行波信号产生纵波、横波、斯通利波的数值大小与波形幅度变化进行地层分析。在裂缝发育带,由于裂缝中充填的物质不同,导致在裂缝附近地层波阻抗相差大,会引起声波发生反射和散射,使得地层中传播的纵波、横波、以及斯通利波的速度、幅度和波形特征有所变化[20]。尤其是斯通利波,在无裂缝的岩石中,斯通利波能量变化不大,但当地层中存在与井眼相交的裂缝时,井内泥浆与地层中流体的相互流动会造成斯通利波能量的损失,能量曲线负向偏移,且变化剧烈,并在裂缝的边界形成反射,斯通利波波形此时会出现“人”字形状。裂缝段一般在单极变密度波具有如下特点: 条带颜色变浅,由于波的到达时间变长,波形向时间增大方向弯曲,同时有波形幅度衰减、纵横波扰动错断现象。纵波、横波、斯通利波幅度衰减程度与裂缝的充填物质有关,当流体充填裂缝之中,充填的流体会导致地层径向波阻抗数值明显减弱,衰减幅度也随之增大,裂缝则为有效裂缝。

图6为X井干热岩裂缝发育段偶极声波裂缝示意图。图中3 825～3 845 m井段波形出现明显波幅度衰减和向时间增大方向弯曲,有波形幅度衰减的响应特征,为典型的裂缝发育段特征。3 773～3 780 m、3 863～3 875 m相应层段纵、横波扰动错断现象,纵、横波及斯通利波有幅度衰减现象,裂缝特征明显。

图6 研究区X井偶极声波裂缝示意图Fig.6 Fracture schematic diagram of dipole acoustic fracture in Well X in the study area

2.3 储层分类标准划分

干热岩地热储层分类标准是以常规测井解释的岩性、电性特征和物性参数为基础,同时依据偶极声波测井和电成像资料解释的裂缝发育程度做出综合评价。孔隙度的增大和相对于围岩电阻率的下降可以表征储层的发育程度,鉴于该区前期未有明确的储层分类标准,参照类似储集空间类型的储层划分依据,建立研究区的储层分类标准。分类标准采用孔隙度-电阻率交会和自然伽马—电阻率相对值交会的方法进行划分(图7),本分类标准在后期地热投产井中应用效果好,证明适合本区域的储层评价。

(a) 孔隙度-电阻率交会 (b) 自然伽马-电阻率交会图7 研究区干热岩储层分类标准交会图Fig.7 Cross plot diagrams for classification standard of hot dry rock reservoir in study area

参考自然伽马曲线,依据孔隙度、电阻率、电阻率相对值等测井信息确定该区的储层分类标准: I类层孔隙度φ≥10.0%,电阻率相对值≥0.3; II类层5.0%<φ<10.0%,0.2≤电阻率相对值﹤0.3; III类层 2%≤φ≤5.0%,电阻率相对值﹤0.2(表2)。

2.4 各向异性分析

地应力的大小和方向是干热岩开发注采中注采井网部署、水力压裂设计和诱发地震评估等方面的重要基础数据[21]。通常在对干热岩进行水力压裂时,水力裂缝于井底裸眼处起裂,并沿平行于最大水平主应力方向扩展[22-23],地应力方向的确定对于确定地热井网分布很关键,可采用电成像资料的泥浆压裂缝或者诱导缝来判断地应力方向,也可采用横波在传播过程中的变化进行判断。快慢横波的分离程度能够反映地层各向异性的大小,快横波方位为地层各向异性的方向,因此可以利用偶极声波的横波测井资料分析地层的各向异性,判断地应力的大小。该区的成像资料和偶极声波资料显示: 整体上地应力以SWW—NEE向(方位约80°～260°)为主,由此判断最大水平主应力方向为SWW—NEE向或近EW向。

2.5 地层温度确定

干热岩地热储层构成的首要条件是地层具有高温特性,地层温度参数尤为重要。要从井筒内获得准确的地层温度需要钻井液静置7 d或者更长时间,使井筒温度与地层温度平衡,此时利用下测方式测量井温即可认为是地层温度,但这种方法时效低,很少采用。目前通常采用的方法是当地热井完钻时泥浆停止循环后,采用时间推移的方式获取同一深度的多次井温测量数据来外推求取地层的温度,此方法和常规电测井同时进行,不需要长时间关井恢复,可以节约时间成本。

假定油藏为一无限大、均质和各向同性的油藏,可以近似用地层压力恢复的原理计算井底温度,恢复满足下述关系[16]

(1)

式中:T0为地层原始温度,℃;T为测井在井底测量时间t的井底最高温度,℃;t为泥浆循环时间,可以从钻井记录上查出,h; Δt为泥浆停止循环后开始起钻时间计时开始,直到某次测井下到井底的时间为止,h;K为系数,无量纲。

根据多次测量的井底温度数据,利用外推法做T-Δt/(t+Δt)交会,求得Δt趋近无穷大(即Δt/(t+Δt)=1)时的井底温度即为该井井底的地层温度[24]。如图8所示,可以推算X井底地层温度为155 ℃。

图8 X井外推法地层温度分析Fig.8 Formation temperature analysis by extrapolation method in Well X

2.6 井组裂缝连通验证

沿着最大水平主应力方向设计X井与Y井一组生产井,电成像资料显示: X井诱导缝特征较明显,其走向反映测量段内主要为近SEE—NWW(方位约110°～290°)向; Y井诱导缝走向SEE—NWW向(方位约100°～280°)(图9)。通过常规测井资料和成像测井解释可以看出,两井在同一储层裂缝走向基本一致。经过两次压裂后投产,产出井水温高达100 ℃,证明压裂后裂缝连通性好。

(a) X井和Y井组合

3 结论

通过对研究区太古界干热岩地热储层综合分析得出4条结论。

(1)研究区太古界主要发育的干热岩岩性为角闪岩、角闪-花岗岩、花岗岩、花岗-角闪岩,利用3种孔隙度曲线、自然伽马和光电吸收截面指数等能有效地识别岩性。

(2)研究区干热岩储层的储集空间主要为裂缝和孔洞,综合评价成果表明: Ⅰ类层、Ⅱ类层主要岩性为角闪岩、花岗-角闪岩,少量为角闪二长花岗岩和花岗岩。

(3)应用常规测井、电成像资料以及偶极声波测井资料可以对储层发育段的裂缝和孔洞发育状况很好地识别。建立了干热岩地热储层的划分标准,适用于本研究区的储层分类评价,成果应用效果明显。

(4)该区利用最大水平地应力方向建立地热生产井组,通过电成像资料确定两口井裂缝的走向一致,投产后地热采出效果好。