丁娛嬌, 郭保華, 燕興榮, 李健, 盧琦

(1.中國石油渤海鉆探工程有限公司測井分公司, 天津 300280; 2.中國石油長城鉆探工程有限公司測井公司國際業(yè)務(wù)項(xiàng)目部, 北京 100101)

0 引 言

頁巖油氣藏油氣成藏特征與儲集特征明顯不同于常規(guī)油氣藏。頁巖既是源巖又是儲集層,具有典型的自生自儲成藏特征,這種油氣藏是在油氣生成之后在源巖內(nèi)部或附近就近聚集的結(jié)果[1-2]。頁巖油氣藏的儲集空間復(fù)雜,同時(shí)存在原生孔隙、次生孔隙和微裂縫;頁巖的基質(zhì)孔隙度和滲透率非常低,大量天然裂縫的存在可有效改善頁巖油氣藏的儲集性能。運(yùn)用常規(guī)油氣藏的測井評價(jià)方法難以滿足頁巖油氣藏的綜合評價(jià)。頁巖油氣藏測井評價(jià)主要圍繞頁巖的生烴能力、儲集性能和可壓性等3個(gè)方面開展。前人在生烴能力評價(jià)方面做了大量的工作,但是在儲集性能評價(jià)方面還處于定性識別階段[3-7]。本文在分析大量頁巖巖樣巖石物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立了一套利用核磁共振測井資料進(jìn)行頁巖儲層類型評價(jià)與物性參數(shù)定量計(jì)算的儲層有效性評價(jià)方法,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 頁巖儲層儲集空間及有效性評價(jià)方法

圖1 頁巖巖樣不同放大倍數(shù)電鏡掃描圖

鄒才能等[8]通過對頁巖樣品進(jìn)行氬離子拋光、高分辨率場發(fā)射掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)分析在頁巖中發(fā)現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)演化孔、粒間孔、粒內(nèi)孔等納米級孔隙,孔隙形狀呈圓形、橢圓形、不規(guī)則形等,孔隙直徑一般100 nm左右。鐘太賢[9]通過觀察描述和物理測試2類方法指出,納米級孔隙是致密儲層連通性儲集空間的主體,以干酪根納米孔、顆粒間納米孔、礦物晶間納米孔、溶蝕納米孔為主,喉道呈席狀、彎曲片狀,孔隙直徑介于10～1 000 nm,主體范圍為30～100 nm;按孔徑大小,將頁巖儲集空間分為5種類型:裂隙(孔徑大于10 000 nm)、大孔(孔徑介于1 000～10 000 nm)、中孔(孔徑介于100～1 000 nm)、過渡孔(孔徑介于10～100 nm)、微孔(孔徑小于10 nm)。焦淑靜等[10]通過對某地區(qū)50余塊頁巖巖樣電鏡掃描分析發(fā)現(xiàn),測量頁巖巖樣結(jié)構(gòu)致密,少量微孔小于1 μm,大量微孔在1～2 μm之間,少量微孔在3～6 μm之間,裂縫寬1～2 μm,長十幾到幾十微米。頁巖儲層孔隙尺寸非常小,以納米級為主,最大孔徑尺寸也在10 μm以內(nèi),裂縫的孔喉尺寸明顯大于基質(zhì)孔隙,只有大量發(fā)育微裂縫時(shí)才能夠形成有效的儲集層。圖1為頁巖儲層2塊巖樣的電鏡掃描照片對比,2塊巖樣的孔隙度差別不大,巖樣a的孔隙度為5.16%,巖樣b的孔隙度為4.01%,但是二者的滲透率差異高達(dá)近40倍,巖樣a的滲透率為0.012 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,巖樣b的滲透率為0.475 mD;從巖樣放大200倍電鏡掃描照片可見2塊巖樣全貌,他們均為結(jié)構(gòu)致密儲層,基質(zhì)孔隙非常低,稍微存在差異之處是巖樣b可見微裂縫存在;從巖樣放大2 400倍電鏡掃描照片可見2塊巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是存在較大差異,巖樣a發(fā)育1～5 μm微孔隙,其中1～2 μm微孔隙居多,少量2～5 μm微孔隙;巖樣b常見的微孔隙多在1～2 μm,少量2～3 μm,同時(shí)還發(fā)育微裂縫,縫寬1～2 μm,縫長十幾到幾十微米不等?？梢?裂縫是頁巖儲層產(chǎn)能的主控因素之一,還是運(yùn)移通道、儲集空間。因此,頁巖儲層儲集空間類型識別對滲透率及儲層有效性評價(jià)至關(guān)重要。

1.1 頁巖儲層儲集空間類型識別方法

核磁共振測井可以有效反映孔隙孔徑尺寸分布,大孔徑在核磁共振T2譜時(shí)間刻度上靠右,小孔徑在核磁共振T2譜時(shí)間刻度上靠左[11]。由頁巖儲層儲集空間特征可知,頁巖儲層基質(zhì)孔隙以納米級為主,存在少量微米級基質(zhì)孔隙,且裂縫的孔喉尺寸明顯大于孔隙的孔徑尺寸,在核磁共振T2譜上顯示,短T2譜分布應(yīng)該代表孔隙的信息,長T2譜分布應(yīng)該代表裂縫的信息。通過分析某地區(qū)70余塊頁巖巖樣的實(shí)驗(yàn)室核磁共振測量、裂縫飽和度測量和束縛水飽和度測量結(jié)果發(fā)現(xiàn),核磁共振T2譜形態(tài)與上述假設(shè)吻合性非常好,據(jù)此提出了基于T2譜形態(tài)特征的儲集空間類型識別方法。

圖2(a)至圖2(e)為不同裂縫飽和度巖樣的核磁共振T2譜形態(tài)分布圖。當(dāng)裂縫飽和度為0時(shí),T2譜為典型的正態(tài)單峰分布,且位置非?？孔?顯示儲集空間類型為小孔徑基質(zhì)孔隙;當(dāng)儲層出現(xiàn)裂縫時(shí)(裂縫飽和度大于0),T2譜形態(tài)為典型的雙峰或多峰分布,且第2峰分布范圍均在10 ms之后,且隨著裂縫飽和度增加,第2、第3峰包絡(luò)面積增大,呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。所以可以利用T2譜形態(tài)特征和第2、第3峰包絡(luò)面積識別儲層是否發(fā)育裂縫以及裂縫發(fā)育程度。具體方法是首先判別T2譜形態(tài)為單峰分布還是多峰分布,如果是單峰分布,且峰值在10 ms之內(nèi)則為孔隙型儲層;如果為多峰分布且在10 ms之后存在1個(gè)或多個(gè)峰值則顯示儲層可能存在裂縫;然后計(jì)算10 ms之后的波谷拐點(diǎn)之后的T2譜包絡(luò)面積與總T2譜包絡(luò)面積之比值,該值可有效描述裂縫發(fā)育程度,與實(shí)驗(yàn)室測量得到的裂縫飽和度基本一致。圖2(f)為實(shí)驗(yàn)室測量的裂縫飽和度和束縛水飽和度關(guān)系圖。可見當(dāng)裂縫飽和度小于5%時(shí),束縛水飽和度與裂縫飽和度關(guān)系不明顯,說明此時(shí)裂縫對儲層性能影響不明顯;當(dāng)裂縫飽和度大于5%時(shí),隨著裂縫飽和度增加,束縛水飽和度迅速遞減,說明裂縫此時(shí)已經(jīng)對儲層性能起到改善作用。結(jié)合T2譜形態(tài)和裂縫飽和度將頁巖儲層儲集空間分為2類:①孔隙型,儲集空間以基質(zhì)孔隙為主,偶見微量微裂縫,T2譜為單峰分布或第2、第3峰幅度非常低的多峰分布,峰值在10 ms之內(nèi),裂縫飽和度低于5%;②孔隙-裂縫型,儲集空間為孔隙、微裂縫同時(shí)發(fā)育,T2譜為典型的雙峰或多峰分布,第2峰位置在10 ms之后,裂縫飽和度大于5%,束縛水飽和度小于90%。

圖2 不同裂縫飽和度巖樣T2譜及束縛水飽和度分布圖

1.2 頁巖儲層分類及有效性評價(jià)方法

通過頁巖巖樣的滲透率與孔隙度、微裂縫飽和度以及飽和水核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn),頁巖儲層滲透性與T2譜位置、形態(tài)特征、孔隙度、裂縫飽和度關(guān)系密切。T2譜位置越靠左其滲透性越差;孔隙度越大,滲透性越好;微裂縫不發(fā)育,以基質(zhì)孔隙為主時(shí),滲透性非常差,滲透率最高不超過0.1 mD;微裂縫發(fā)育時(shí),滲透性明顯增加,裂縫越發(fā)育,滲透率增加越明顯。根據(jù)70余塊頁巖巖樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以將頁巖儲層分為3類:①第Ⅰ類,孔隙-裂縫型,T2譜形態(tài)為典型的雙峰或多峰分布,第1峰(左峰)位置一般在2 ms界限的左側(cè),幅度相對較高,第2、第3峰幅度相對較低,T2譜形態(tài)相對于第1峰變緩,該類儲層滲透率一般大于0.000 1 mD,孔隙、微裂縫均發(fā)育,為頁巖油氣藏最佳儲集空間組合,為優(yōu)質(zhì)有效儲層;②第Ⅱ類,孔隙型,T2譜形態(tài)為典型單峰分布,譜峰位置在2 ms右側(cè),滲透率在0.000 1～0.1 mD,該類儲層以孔隙為主,裂縫不發(fā)育,該類儲層儲集性能明顯不如Ⅰ類儲層,為相對較差儲層;③第Ⅲ類,孔隙型,T2形態(tài)同Ⅱ類一樣為單峰分布,但其T2譜峰位置相對于Ⅱ類明顯靠左,在2 ms界限左側(cè),滲透率在0.000 1 mD以下,微裂縫不發(fā)育,為典型的非有效儲層(見圖3)。參考中石油有效儲層分類標(biāo)準(zhǔn),將滲透率0.1 mD作為本文有效儲層下限標(biāo)準(zhǔn),有效儲層均發(fā)育在Ⅰ類儲層之中。

2 頁巖儲層物性參數(shù)定量評價(jià)方法

頁巖儲集空間由基質(zhì)孔隙和微裂縫共同構(gòu)成。在其物性參數(shù)定量評價(jià)方面應(yīng)該同時(shí)考慮到基質(zhì)孔隙和裂縫的影響。在以往生產(chǎn)應(yīng)用中,頁巖儲層物性定量評價(jià)僅僅是利用密度、聲波、中子三孔隙度測井資料進(jìn)行基質(zhì)孔隙度的計(jì)算,未考慮到裂縫的影響;而且由于有機(jī)碳和復(fù)雜礦物成分的影響,使得三孔隙度測井資料的骨架參數(shù)非常難以準(zhǔn)確確定,計(jì)算得到的孔隙度測井資料難以滿足生產(chǎn)的需求。由前文分析可知,

核磁共振T2譜能夠有效反映微裂縫的信息,且核磁共振測量的總孔隙度不受巖性和有機(jī)碳含量的影響。利用核磁共振測量可以同時(shí)考慮基質(zhì)孔隙度和裂縫影響,準(zhǔn)確進(jìn)行頁巖儲層物性參數(shù)定量評價(jià)

圖3 不同類型頁巖儲層巖石物理響應(yīng)特征

。

2.1 基于核磁共振測量的頁巖儲層孔隙度、束縛水飽和度定量評價(jià)

圖4 核磁共振T2譜確定各種孔隙度

CMR、MREx、MRIL-P等核磁共振測井儀器均能夠記錄到黏土束縛流體信息,提供總孔隙度信息。核磁共振測量的對象是孔隙流體中氫核的信息,避開了巖性和有機(jī)碳的影響,可以有效測量各類儲層的總孔隙度[11-12]。當(dāng)巖樣飽和單相流體時(shí),核磁共振T2譜與毛細(xì)管壓力微分曲線存在較好的對應(yīng)性(見圖4),因此,通過一定的界限值在T2譜上可以有效區(qū)分黏土束縛流體、毛細(xì)管束縛流體和可動流體,從而得到有效孔隙度和束縛水飽和度等信息。利用核磁共振準(zhǔn)確確定有效孔隙度、總束縛水飽和度的關(guān)鍵是黏土束縛流體T2截止值和毛細(xì)管束縛流體T2截止值的確定。對于毛細(xì)管束縛流體T2截止值的確定前人做了大量的工作[13],提出了各種方法,對于黏土束縛流體T2截止值的確定卻基本沒有開展什么研究工作,一直沿用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值4 ms。圖5顯示了由實(shí)驗(yàn)室得到的部分頁巖巖樣毛細(xì)管束縛流體T2截止值。圖5(a)為34塊巖樣毛細(xì)管束縛流體T2截止值統(tǒng)計(jì)圖。34塊巖樣毛細(xì)管束縛流體T2截止值分布范圍在1.89～10.71 ms變化,部分巖樣毛細(xì)管束縛流體T2截止值小于3 ms,平均毛細(xì)管束縛流體T2截止值為3.88 ms,由此可知利用4 ms的黏土束縛流體T2截止值計(jì)算頁巖儲層有效孔隙度將使得儲層有效孔隙度嚴(yán)重偏低,該結(jié)論已經(jīng)在實(shí)際測井應(yīng)用中得到證實(shí)。為準(zhǔn)確獲得頁巖儲層有效孔隙度,其關(guān)鍵參數(shù)是必須準(zhǔn)確確定黏土束縛流體T2截止值。

目前通過實(shí)驗(yàn)方法很難直接測量得到黏土束縛流體T2截止值。本文提出了一種利用巖心刻度測井獲得有效黏土束縛流體T2截止值的間接方法,具體實(shí)現(xiàn)思路:由于實(shí)驗(yàn)室所用巖心是將巖心進(jìn)行各種預(yù)處理,烘干后再飽和水測量得到孔隙度,提供的孔隙度為有效孔隙度;而核磁共振測井提供的是總孔隙度,二者之間的差異即為黏土束縛流體體積;利用等面積原理,將核磁共振測井T2譜從右到左累積,當(dāng)累積孔隙度等于有效孔隙度時(shí),其對應(yīng)的T2譜時(shí)間刻度即為黏土束縛流體T2截止值。通過大量巖心與測井對比分析發(fā)現(xiàn),頁巖儲層黏土束縛流體T2截止值大約在1.5 ms左右,應(yīng)用該截止值可有效進(jìn)行頁巖儲層有效孔隙度計(jì)算。圖5(b)至圖5(d)為部分典型巖樣的T2截止值與T2譜形態(tài)特征的關(guān)系,可見不同巖樣毛細(xì)管束縛流體T2截止值不同,毛細(xì)管束縛流體T2截止值位置與飽和水巖樣T2譜形態(tài)特征存在良好的對應(yīng)關(guān)系,故可以利用T2譜形態(tài)特征有效確定毛細(xì)管束縛流體T2截止值,從而進(jìn)行準(zhǔn)確的束縛水飽和度評價(jià)。

2.2 頁巖儲層滲透率定量評價(jià)

頁巖儲層微裂縫發(fā)育,準(zhǔn)確的滲透率計(jì)算一直是頁巖儲層評價(jià)面臨的一大難題。圖3可見,隨著裂縫飽和度增加,巖樣滲透率迅速增加,儲層滲透率受孔隙度和裂縫飽和度雙重控制。裂縫對儲層滲透性的影響主要是通過增加可動流體部分改善儲層滲透性。從圖2(f)可見隨著裂縫飽和度的增加,束縛水飽和度迅速降低,反映可動流體體積明顯增加,故在微裂縫發(fā)育的儲層滲透率關(guān)鍵控制因素中可以利用束縛水飽和度來表征裂縫的發(fā)育程度。

頁巖儲層滲透率主要受孔隙度和束縛水飽和度雙重控制,利用實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測量數(shù)據(jù)建立了滲透率與孔隙度、束縛水飽和度關(guān)系圖(見圖6)。圖6(a)為滲透率與孔隙度關(guān)系圖,其中裂縫飽和度小于5%的數(shù)據(jù)點(diǎn)代表孔隙型儲層,裂縫飽和度大于5%的數(shù)據(jù)點(diǎn)代表孔隙-裂縫型儲層?？梢?不同類型儲層孔隙度與滲透率關(guān)系明顯不同。利用孔隙度建立滲透率計(jì)算模型時(shí)應(yīng)分儲層類型進(jìn)行建模。圖6(b)為滲透率與束縛水飽和度關(guān)系圖,無論是孔隙型儲層還是裂縫型儲層,隨著束縛水飽和度增加,滲透率呈現(xiàn)整體下降的趨勢。在滲透率計(jì)算建模時(shí)必須考慮束縛水飽和度的影響。

利用圖6中巖心分析數(shù)據(jù)分儲層類型建立了頁巖儲層滲透率計(jì)算方法。

孔隙型儲層

圖6 滲透率與孔隙度、束縛水飽和度關(guān)系圖

(1)

裂縫型儲層

(2)

式中,K為滲透率,mD;φ為孔隙度,%;Swi為束縛水飽和度,%。

圖7為本文計(jì)算方法與巖心分析滲透率對比圖?？梢姛o論是孔隙型儲層還是裂縫型儲層,本文方法計(jì)算得到的滲透率與巖心分析測量結(jié)果對比均均勻分布在45 °對角線兩側(cè),且誤差范圍在同一數(shù)量級以內(nèi),說明該方法計(jì)算精度較高,可滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖7 計(jì)算滲透率與巖心分析滲透率對比圖

3 應(yīng)用實(shí)例

圖8為利用核磁共振測井進(jìn)行有效儲層識別和物性參數(shù)定量評價(jià)與巖心測量結(jié)果對比實(shí)例。圖8中第6道為利用核磁共振測井計(jì)算孔隙度與巖心分析孔隙度對比;第7道為核磁共振測井計(jì)算裂縫飽和度與巖心分析裂縫飽和度對比;第8道為計(jì)算滲透率與巖心分析滲透率對比;第9道為儲層分類及有效性評價(jià)結(jié)果。從圖8中測井計(jì)算孔隙度、裂縫飽和度、滲透率與巖心分析對比結(jié)果來看,計(jì)算結(jié)果與巖心分析結(jié)果一致性非常好,說明本文方法計(jì)算結(jié)果可靠。

圖9為頁巖儲層綜合評價(jià)成果圖。從常規(guī)測井曲線上很難將儲層與非儲層區(qū)分開來,更不用說識別有效儲層,但是通過核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜分布形態(tài)可以明顯看出,3 399.5～3 400.9 m、3 404～3 425 m儲層空間類型為孔隙-裂縫型,從裂縫飽和度計(jì)算結(jié)果來看,這2個(gè)段的裂縫飽和度均達(dá)到20%,束縛水飽和度小于70%,應(yīng)該發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲層,結(jié)合滲透率定量評價(jià)結(jié)果,解釋6個(gè)油層。對3 404～3 425 m井段常規(guī)測試,射孔平均液面1 488 m,折合日產(chǎn)液10.7 t,洗井出油7.45 m3,出水4.04 m3。一般頁巖儲層均需要壓裂改造才能獲得產(chǎn)能,而該井常規(guī)試油即獲得了工業(yè)產(chǎn)能,說明該頁巖儲層滲透性應(yīng)該非常好,與計(jì)算滲透率在1～20 mD之間比較吻合,說明該方法能夠有效應(yīng)用于頁巖儲層的物性參數(shù)定量評價(jià)和儲層有效性評價(jià),并能夠獲得比較準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果。

圖8 頁巖儲層測井計(jì)算與巖心分析結(jié)果對比圖

圖9 頁巖儲層綜合評價(jià)成果圖

4 結(jié) 論

(1) 頁巖油氣藏作為一種非常規(guī)油氣藏其油氣成藏特征與儲集特征明顯不同于常規(guī)油氣藏。

(2) 頁巖油氣藏的儲集空間復(fù)雜,同時(shí)存在原生孔隙、次生孔隙和微裂縫;頁巖的基質(zhì)孔隙度和滲透率非常低,大量天然裂縫的存在可有效改善頁巖油氣藏的儲集性能。

(3) 由于裂縫的存在,使得頁巖儲層有效性評價(jià)和滲透率定量計(jì)算變得極為復(fù)雜。進(jìn)行儲層有效性評價(jià)和物性參數(shù)定量評價(jià)必須考慮裂縫對儲層的影響。

(4) 綜合分析實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測量的核磁共振、孔隙度、滲透率、裂縫飽和度等資料,建立了一套利用核磁共振測井標(biāo)準(zhǔn)T2譜進(jìn)行頁巖儲層儲集空間類型識別、有效儲層評價(jià)和分儲層類型的滲透率定量評價(jià)方法,在生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。

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