潘玉嬌

（大慶鉆探工程公司地質錄井一公司，黑龍江大慶 163000）

以致密油、頁巖油和頁巖氣等為主的非常規(guī)油氣資源在世界能源結構中的作用越來越重要[1]。然而，致密油儲層和頁巖儲層具有不同的巖性結構和組成，并且具有超低的滲透率。其孔隙系統(tǒng)由高度異質的納米到微米級孔隙主導。因此，與常規(guī)儲層相比，非常規(guī)儲層的錄井和測井響應通常存在顯著差異，使用常規(guī)技術對非常規(guī)油氣藏進行地質評價具有很強的挑戰(zhàn)性[2-4]。此外，非常規(guī)油藏儲層孔隙壓力較小，因此需要進行水力壓裂以實現(xiàn)工業(yè)生產。因此，工程特性（脆性和原位應力狀態(tài)）已成為篩選水力壓裂層的關鍵巖石物理參數(shù)。

1 非常規(guī)油氣儲層巖性特點及表征方法

1.1 儲層巖性

非常規(guī)油氣資源主要儲集在細粒沉積巖中，由碳酸鹽、粉砂和粘土組成。在頁巖儲層中，包括長英質、粘土、碳酸鹽甚至有機質在內的各種礦物成分可以形成復雜的紋層組合[5]。泥巖/頁巖構成烴源巖層段，從微米級到納米級廣泛孔隙分布的粉砂巖和碳酸鹽巖薄層互層將作為儲集巖?？捎糜趲r性識別和預測的技術包括GR、DEN、CNL、AC、電阻率和圖像測井。巖芯上黑色頁巖具有非常高的GR、高電阻率和高聲波傳播時間。含油飽和的粉砂巖電阻率也較高，但與頁巖相比，GR 較低，聲波傳播時間較短。此外，圖像測井揭示了頁巖的內部層狀結構（層理面）。巖石物理反演方法也可用于礦物成分和巖性預測。除了常規(guī)測井，包括Litho Scanner 測井和Quanti 元素測井分析測井處理方法在內的先進測井也可用于巖性識別。

1.2 儲層性質和孔隙系統(tǒng)

巖石物理測量包括薄片、掃描電子顯微鏡(SEM)、壓汞毛細管壓力(MICP)、核磁共振波譜(NMR)和計算機斷層掃描(CT)[6]。

非常規(guī)油氣資源中，互層粉砂巖或砂巖以及碳酸鹽巖（白云巖等）孔隙度異常高。粉砂巖和砂巖段含有豐富的粒間孔和粒內溶孔（見圖1）而白云巖（主要為白云巖）以晶間孔和晶間溶孔為主。裂縫和微裂縫（孔徑小于0.1mm）也是非常規(guī)油氣藏重要的儲層孔隙空間。頁巖具有超低孔隙率，孔隙空間（納米孔）通常低于光學顯微鏡的分辨率（10μm），但可以通過SEM圖像輕松檢測到。使用測井評價儲層質量的目的是計算非常規(guī)油氣儲層的孔隙度和滲透率?？紫抖群蜐B透率相對較高的儲層稱為“甜點區(qū)”。從測井數(shù)據(jù)預測孔隙度（包括有效孔隙度）、滲透率和含油飽和度是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，因為并非所有層段的數(shù)據(jù)都可用。

圖1 粉砂巖和砂巖段富含的粒間孔（A）和粒內溶孔（B）

孔隙度可以使用密度測井計算。有效孔隙度，即沒有粘土束縛水的總孔隙度，可以使用密度中子交會圖方法以及核磁共振測井來計算。滲透率沒有直接的測井記錄，但滲透率可以從核磁共振測井中推導出來，有兩種經典的模型模型：SDR模型（Shlumberger Doll 研究中心）和Timur-Coates 模型。此外，1993 年Amaefule等人提出的儲層質量指數(shù)（RQI），是滲透率與孔隙度的平方根之比，可以將微觀孔隙結構與宏觀儲層質量聯(lián)系起來。

1.3 油性和含油性

2017 年吳華等人的研究成果認為，可以將巖芯含油等級從低到高分為熒光（無可見油）、油跡、油斑、浸油等。熒光燈下的巖芯觀察將明顯揭示含油性（圖2）。巖芯的熒光掃描顯示了不同巖性的不同含油程度。碳酸鹽層段熒光強度強，粉砂巖和白云巖紋層也有熒光。

圖2 在普通光和熒光下拍攝的巖芯照片

顆粒間孔隙是非常規(guī)油氣藏的有利孔隙空間，顆粒邊緣幾乎都發(fā)出強熒光。由于碳酸鹽礦物（主要是微晶白云石）是油濕的（圖3），因此顆粒內孔隙，尤其是碳酸鹽顆粒內的孔隙是熒光的。有機質孔隙以及與粘土礦物伴生的微孔發(fā)出散射的藍色熒光。微裂縫，尤其是那些保持開放狀態(tài)的，會發(fā)出強烈的熒光。熒光薄片顯示頁巖中幾乎所有的孔隙系統(tǒng)都是熒光的。

圖3 平面偏振光和熒光下薄片圖像顯示的微觀含油特性

烴飽和度也是一個重要的巖石物理參數(shù)，但很難通過測井預測。在非常規(guī)油氣藏中，無損核磁共振測井與常規(guī)測井相比具有明顯的優(yōu)勢，因為它可以提供孔隙度、滲透率等巖石物理參數(shù)。因此，需要NMR 測井來準確估算含油飽和度。眾所周知，烴主要與長T2組分有關。因此，將大于特定T2值的核磁共振T2信號幅度視為油氣信號，使用大于總有效孔隙度閾值的T2分量計算含油飽和度，計算出的含油飽和度也與巖芯實測含油飽和度一致。

1.4 裂縫

非常規(guī)油氣藏（尤其是頁巖）由于孔隙結構復雜，固有的非均質性強，不具備自然生產力。非常規(guī)儲層中廣泛存在天然裂縫，裂縫不僅為流體儲存提供了孔隙空間，而且極大地改善了儲層性能和油氣產能。此外，非常規(guī)油藏依賴水力壓裂改造，預先存在（開放模式）的天然裂縫將在改造過程中進一步活化，從而提高油氣產能。裂縫的有效性由裂縫形態(tài)（高角度、低角度、水平裂縫和網(wǎng)狀裂縫）、裂縫規(guī)模（宏觀和微觀裂縫）和裂縫狀態(tài)（開放和閉合裂縫）決定。因此，地下裂縫的預測和評價對于非常規(guī)油氣藏評價具有重要意義。

垂直分辨率為5mm的隨鉆圖像測井對地層中的巖石成分、結構和流體非常敏感。天然裂縫的存在會導致電阻率迅速下降，裂縫面在成像測井上呈現(xiàn)正弦波。裂縫形態(tài)（傾角和傾角）、裂縫狀態(tài)（開放、封閉、部分封閉）和裂縫參數(shù)（裂縫長度、孔徑、孔隙度和密度）可以從圖像測井正弦曲線中提取出來。裂縫可分為導電型和電阻型，在成像測井解釋上可解釋為部分或完全開放和封閉的裂縫。高角度裂縫將作為正弦曲線追蹤，而平面或水平裂縫與圓形井筒相交。

與砂巖或碳酸鹽巖相比，非常規(guī)儲層（主要是細粒沉積巖）中平行（水平）裂縫更為普遍。層狀結構在細粒沉積巖中很常見，是非常規(guī)資源的儲層。易張開的多紋層或弱層理界面有利于層理平行裂縫的形成。這些層理平行裂縫，以水平裂縫的形式出現(xiàn)，強烈影響流體流動，從而影響碳氫化合物的儲存和生產力。除了常規(guī)測井和圖像測井外，聲波掃描測井對裂縫也很敏感。聲波傳播時間增加，全波振幅衰減，斷裂帶呈V形干涉條紋。

2 非常規(guī)油氣儲層的工程特性

由于非常規(guī)油氣資源的超低基質滲透率，水平井鉆井和多級水力（體積）壓裂是有效開采非常規(guī)油氣資源所必需的。先進鉆井和完井技術的實施顯著提高了碳氫化合物的采出率。工程屬性主要評估非常規(guī)油氣資源的脆性、壓裂性、地應力各向異性和量級。脆性、地應力狀態(tài)和大小是非常規(guī)油藏水力壓裂過程中優(yōu)化工程甜點的關鍵參數(shù)。

脆性層比韌性層更容易形成斷裂網(wǎng)絡。最大水平應力控制著天然裂縫系統(tǒng)的幾何形狀和水力裂縫擴展方向，因此對于水力裂縫的設計很重要，工程性能評價主要關注脆性指數(shù)和地應力場。

2.1 脆性指數(shù)

脆性指數(shù)高的脆性層更容易被壓裂（脆到足以引發(fā)裂縫）并保持裂縫開放。在地質力學評估方面，脆性與彈性參數(shù)楊氏模量(E)和泊松比(v)密切相關。泊松比是橫向應變與軸向應變的比值，衡量巖石在應力下形成裂縫的能力。楊氏模量是應力與應變的比值，用于衡量巖石在處理后保持斷裂的能力。韌性巖石需要更多的能量/壓裂壓力才能破裂，而韌性巖石中水力壓裂形成的裂縫很容易愈合。從巖石物理學的角度來看，有兩種常用的方法來計算脆性指數(shù)。一是脆性礦物含量，二是彈性巖石參數(shù)（楊氏模量和泊松比）。脆性巖石具有較高的楊氏模量和較低的泊松比。高楊氏模量與低孔隙度但高脆性礦物（石英、碳酸鹽和長石）的層相關。將石英與所有礦物的質量比定義為脆性指標。然而，除了石英，碳酸鹽也是脆性礦物。彈性參數(shù)（V和E）可以從Vp、Vs和密度測井的測井曲線中計算出來。具有低泊松比和高楊氏模量的層為高脆性指數(shù)，它們有利于水力壓裂、裂縫的維持和擴展。此外，ECS測井可以導出粘土、Q-F-M（石英、長石和云母）、碳酸鹽等巖石成分，可用于使用脆性礦物比的方法計算脆性指數(shù)。

2.2 原位應力狀態(tài)和方向

地應力場通常包括垂直應力（Sv）、最大水平應力（SHmax）和最小水平應力（Shmin）的方向和大小，以及地層壓力（Pp）。

除脆性指數(shù)外，地應力場在水力壓裂和水平井軌跡設計中也發(fā)揮著重要作用。對于工程“甜點”評估，脆性衡量形成裂縫和保持裂縫開放的能力，而地應力場（方向和大?。┰u估水平井軌跡設計和水力裂縫的擴展。大量高壓流體被注入地層以重新打開天然裂縫系統(tǒng)并在水力壓裂過程中形成新的水力裂縫。從而形成復雜的新型孔隙—裂縫網(wǎng)絡體系，使油氣向井筒運移生產。因此，還需要確定原位應力的大小和方向來優(yōu)化水力壓裂的預期層。地應力場的方向決定了水平井的鉆進方向和水力裂縫的擴展。僅脆性不足以優(yōu)化勘探層，地應力大小也是工程“甜點”優(yōu)化勘探層的重要指標。水平應力差較小的層狀結構將形成復雜的、新的孔隙—裂縫系統(tǒng)。

地應力方向影響天然裂縫的形成和保存，而地應力場控制水力裂縫的萌生和擴展。脆性巖石包含更多的天然裂縫，并且更容易被水力壓裂。此外，水力裂縫將沿最大水平應力方向擴展。水力裂縫遵循SH 最大值，直到它們遇到預先存在的天然裂縫，之后，水力裂縫將被阻止進一步擴展。因此，水平井沿最小水平應力(Shmin)鉆探，水力增產將朝向SHmax方向。在這種情況下，沿SHmax方向會形成大量水力裂縫，這些誘導裂縫會與已有裂縫相交，形成復雜的裂縫網(wǎng)絡。

3 小結

（1）致密油儲層和頁巖儲層具有不同的巖性結構和組成，并且具有超低的滲透率，其孔隙系統(tǒng)由高度異質的納米到微米級孔隙主導。因此，與常規(guī)儲層相比，非常規(guī)儲層的錄井和測井響應存在顯著差異。

（2）非常規(guī)儲層的巖性可以通過常規(guī)和圖像測井來預測?？紫抖?、滲透率和含油飽和度可以根據(jù)NMR測井與常規(guī)測井相結合來計算。儲層物性可以從巖性、儲層質量和天然裂縫的存在來評價。

（3）工程屬性主要評估非常規(guī)油氣資源的脆性、壓裂性、地應力各向異性和量級。脆性、地應力狀態(tài)和大小是非常規(guī)油藏水力壓裂過程中優(yōu)化工程“甜點”的關鍵參數(shù)。儲層脆性不僅可以由楊氏模量確定，也可以由巖石成分確定。此外，還需要從水平井鉆井方向和優(yōu)化屬性水力壓裂層段方面充分了解地應力方向和大小。