頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法

自1821年美國(guó)第一個(gè)開口的黃巖氣田開采以來(lái)，黃巖氣田的開發(fā)已有190年的歷史。特別是近幾年來(lái)，由于水平井開挖技術(shù)和水平井多段壓裂技術(shù)的進(jìn)步，黃巖氣田在北美地區(qū)取得了巨大成功。根據(jù)美國(guó)能源部（aa）的數(shù)據(jù)，2011年美國(guó)巖氣產(chǎn)量達(dá)到1580823m3，占天然氣總面積的34%，嚴(yán)重改變了美國(guó)的能源結(jié)構(gòu)。我國(guó)頁(yè)巖氣資源非常豐富,初步估計(jì)可采資源量約為(15~30)×1012m3,但對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)正處于起步階段.與常規(guī)油氣藏相比,頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)獨(dú)特,國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層性質(zhì)研究相對(duì)較少,還無(wú)法做到對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的精確評(píng)估.為加深對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層性質(zhì)及氣體賦存流動(dòng)狀態(tài)的認(rèn)識(shí),筆者在查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,從常規(guī)儲(chǔ)層研究思路入手,介紹了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),概括了頁(yè)巖礦物組成及研究方法,對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)分析.1測(cè)試巖石儲(chǔ)層的評(píng)估1.1致密儲(chǔ)層氣藏水氣藏宏觀有機(jī)孔道理論非常規(guī)油氣藏與常規(guī)油氣藏類似,具有非常復(fù)雜的地質(zhì)特征、巖石物理性質(zhì)和很強(qiáng)的非均質(zhì)性.所不同的是,非常規(guī)油氣儲(chǔ)層巖石顆粒和層理結(jié)構(gòu)精細(xì),氣體儲(chǔ)集流動(dòng)特征獨(dú)特:孔隙吼道尺寸分布在納米級(jí),有機(jī)質(zhì)和黏土成分為氣體吸附提供條件,且其各向異性影響力學(xué)特征和流動(dòng)性質(zhì).致密氣藏孔隙尺寸一般為微米級(jí)甚至更大,而頁(yè)巖氣藏孔隙為納米到微米范圍,二者在基質(zhì)的孔隙中都有游離氣存在,不同的是頁(yè)巖氣具有吸附特征,且與吸附表面的有機(jī)成分和黏土含量有關(guān).Bustin認(rèn)為:吸附氣與游離氣之比反應(yīng)了有機(jī)質(zhì)含量、孔隙分布、礦物組成、成巖作用、巖石結(jié)構(gòu)以及儲(chǔ)藏壓力與溫度的關(guān)系.因此,非常規(guī)油氣藏指含有吸附氣成分的油氣藏,包括頁(yè)巖氣、煤層氣和天然氣水合物,而把致密砂巖氣藏劃為常規(guī)油氣藏.頁(yè)巖氣藏作為非常規(guī)油氣藏的典型代表,具有非常規(guī)天然氣藏的基本特征.1.2頁(yè)巖氣藏評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)頁(yè)巖氣藏開采首先要對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),充分考慮其儲(chǔ)層性質(zhì)和開采能力.儲(chǔ)層性質(zhì)主要通過(guò)儲(chǔ)層參數(shù)來(lái)描述,通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的分析評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的生產(chǎn)能力,制定相應(yīng)的增產(chǎn)措施和開采方案.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖氣藏進(jìn)行評(píng)價(jià)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),主要通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和壓力測(cè)試(微壓裂測(cè)試)等方法來(lái)獲得頁(yè)巖儲(chǔ)層物性參數(shù),借鑒煤層氣和常規(guī)油氣藏的評(píng)價(jià)方法來(lái)對(duì)頁(yè)巖氣藏進(jìn)行評(píng)價(jià).筆者結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)和世界各大石油天然氣公司對(duì)頁(yè)巖氣商業(yè)性開采的評(píng)價(jià),列舉頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),其中包括儲(chǔ)層物性及巖石物理性質(zhì)參數(shù)(表1).2由巖石礦組成2.1頁(yè)巖礦物組成頁(yè)巖礦物組成非常復(fù)雜,主要分為石英類、碳酸鹽巖類和黏土類3種,除了常見的伊利石、蒙皂石、高嶺石等黏土類礦物,還混雜有石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦、磷灰石、云母等.由于頁(yè)巖礦物成分復(fù)雜,且富含有機(jī)質(zhì),對(duì)頁(yè)巖礦物組成的測(cè)定非常困難.礦物組成的測(cè)定方法主要有以下幾種:X-射線衍射、紅外光譜分析(FT-IR)、通過(guò)X射線熒光分析或元素捕獲設(shè)備獲得基本礦物元素豐度來(lái)進(jìn)行礦物重構(gòu).實(shí)驗(yàn)室常用色譜儀或生油巖評(píng)價(jià)分析儀來(lái)測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量,而在現(xiàn)場(chǎng)則根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析.X射線衍射可用于確定主要礦物,但是在黏土含量高時(shí)測(cè)定的石英含量偏低,因此,需要將黏土成分分離出來(lái);紅外光譜分析能夠彌補(bǔ)X射線衍射方法的不足,它不需要將黏土分離出來(lái),但需要將有機(jī)成分分開單獨(dú)進(jìn)行分析.頁(yè)巖礦物組成和有機(jī)質(zhì)分布決定著巖石物理性質(zhì)以及天然氣賦存和流動(dòng)性質(zhì).礦物組成影響巖石斷裂能力和脆性指數(shù);有機(jī)含量和熱成熟度則對(duì)游離氣和吸附氣含量的分析非常重要.2.2巖心礦物成分頁(yè)巖礦物組成主要分石英、碳酸鹽巖和黏土3類,其相對(duì)含量對(duì)頁(yè)巖巖石物理性質(zhì)(如頁(yè)巖脆性、酸敏性以及流體敏感性等)影響很大,是進(jìn)行水力壓裂設(shè)計(jì)的基本資料.根據(jù)巖心礦物分析可以確定其脆性指數(shù)(Brit),計(jì)算方法如下:脆性指數(shù)=石英含量/(石英含量+碳酸鹽巖含量+黏土含量)×100%.由上式可知,頁(yè)巖脆性隨石英含量增加而增大,隨黏土比例上升而減小.因此,石英含量高的地層是頁(yè)巖氣開發(fā)的有利選區(qū).2.3頁(yè)巖氣藏測(cè)井響應(yīng)特征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層識(shí)別所利用的常規(guī)測(cè)井方法有:自然伽馬測(cè)井、聲波時(shí)差測(cè)井、體密度測(cè)井、中子密度測(cè)井、巖性密度測(cè)井、電阻率測(cè)井、井徑測(cè)井等.根據(jù)測(cè)井資料可以定量分析頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖性,確定孔隙度、滲透率及飽和度等基本物性參數(shù).分析頁(yè)巖礦物組成及儲(chǔ)層性質(zhì)可得到各種測(cè)井方法的頁(yè)巖氣藏測(cè)井響應(yīng)特征(表2).3巖質(zhì)3.1儲(chǔ)層有效孔隙度法通過(guò)巖性密度測(cè)井方法能夠獲取孔隙度,但是由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層極為復(fù)雜,有機(jī)質(zhì)密度低,頁(yè)巖密度變化大,流體分布不均,通過(guò)密度測(cè)井很難準(zhǔn)確求取頁(yè)巖氣藏孔隙度.C.H.Sondergeld等提出根據(jù)頁(yè)巖礦物組成來(lái)求孔隙度的方法,計(jì)算公式如下:其中:將式(2)和式(3)代入式(1)可得頁(yè)巖總孔隙度計(jì)算公式:式中:φTOC為總有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù);wTOC為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù);ΦT為巖石總孔隙度;ρb為地層條件下巖石密度,g/cm3;ρg為氣體密度,g/cm3;SwT為含水飽和度;ρw為地層水密度,g/cm3;ρm為巖石骨架密度,g/cm3;ρTOC為有機(jī)質(zhì)密度,g/cm3;ρfl為流體(水和氣體)的密度,g/cm3.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有效孔隙度可根據(jù)以下公式得到:式中:ΦTClay為黏土束縛水孔隙度;φcl為黏土體積分?jǐn)?shù);ρDryClay為干黏土密度,g/cm3;ρWetClay為濕黏土密度,g/cm3.ρDryClay和ρWetClay可由X-射線衍射、紅外光譜分析以及經(jīng)典的中子密度交會(huì)圖得到.3.2連通孔隙流體力學(xué)模型頁(yè)巖氣儲(chǔ)層基質(zhì)的滲透率極低,一般小于10-7μm2,頁(yè)巖氣的賦存和流動(dòng)受孔隙和裂縫尺寸及連通狀態(tài)的控制.頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存形式主要有3種:連通微孔隙裂縫中的游離氣、有機(jī)質(zhì)和泥巖黏土表面的吸附氣以及固體有機(jī)質(zhì)中的溶解氣.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層非常復(fù)雜,孔隙裂縫分布在10-6~10-10m.氣體流動(dòng)狀態(tài)主要分為2種:在較大的連通孔隙中流動(dòng)為連續(xù)流,符合達(dá)西定律;在納米級(jí)孔隙中為非連續(xù)流動(dòng)且有滑脫效應(yīng),受表面擴(kuò)散作用的影響.有學(xué)者將頁(yè)巖氣儲(chǔ)層空隙結(jié)構(gòu)劃分為4級(jí),并將流動(dòng)狀態(tài)分為5種類型,提出了頁(yè)巖氣賦存流動(dòng)模型及運(yùn)動(dòng)機(jī)理(圖1).在低壓條件下,氣體滑移現(xiàn)象和擴(kuò)散作用非常明顯.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下,當(dāng)巖樣孔隙直徑為1μm時(shí),流體主要是瞬變不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)采用分子直徑更小的氣體(如氦氣)時(shí)不穩(wěn)定流動(dòng)更容易發(fā)生.且試驗(yàn)使用的氣體密度或濃度越小,氣體滲透率的變化越大,受滑移流動(dòng)和擴(kuò)散作用影響更明顯.吸附作用對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響很大,儲(chǔ)層條件下若不考慮干酪根和黏土表面吸附的影響,滲透率將會(huì)被嚴(yán)重低估.干酪根對(duì)氣體吸附得到了廣泛的認(rèn)可,但黏土吸附氣體的研究卻不是很多,國(guó)外學(xué)者基于等溫吸附理論,提出了有效吸附孔隙度的概念,考慮了吸附作用對(duì)滲透率的影響.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明,壓力越低有效吸附孔隙度越大,同時(shí)若不考慮吸附作用影響也就越低估了滲透率,相對(duì)誤差可達(dá)60%.因此可以看出,若采用不完整的流動(dòng)模型或不考慮擴(kuò)散或吸附的影響,則會(huì)產(chǎn)生很大誤差.3.3常規(guī)測(cè)井地震資料掌握頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的巖石力學(xué)性質(zhì)是對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),楊氏模量(Eb)和泊松比(PRb)是2個(gè)基本的巖石力學(xué)參數(shù).通過(guò)巖心礦物分析可以對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定性描述,而根據(jù)測(cè)井資料獲得巖石力學(xué)參數(shù)來(lái)分析巖石的力學(xué)性質(zhì)更為普遍.國(guó)外學(xué)者給出了利用多種常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算綜合彈性模量Ec和泊松比PRc的方法,該方法可以在缺少偶極子聲波測(cè)井資料的情況下使用.通過(guò)楊氏模量和泊松比可以定量地表征頁(yè)巖的脆性,其計(jì)算公式如下:式中:Ec為綜合測(cè)定的楊氏模量,MPa;PRc為綜合測(cè)定的泊松比.根據(jù)楊氏模量和泊松比可以將頁(yè)巖劃分為脆性頁(yè)巖和塑性頁(yè)巖(如圖2).脆性頁(yè)巖有利于天然裂縫發(fā)育和水力壓裂形成裂縫網(wǎng)絡(luò),脆性越強(qiáng)裂縫系統(tǒng)越復(fù)雜.塑性頁(yè)巖不是氣體良好的儲(chǔ)層,其中含有的天然裂縫或水力裂縫容易閉合,但密封性很好,能將氣體封閉在脆性巖層中,可以作為良好的蓋層.4儲(chǔ)層壓裂改造的必要性(1)頁(yè)巖礦物組成非常復(fù)雜,主要分為石英類、碳酸鹽巖類和