頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)與技術(shù)支撐

頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)與技術(shù)支撐

2020年，中國的天然氣供需差預(yù)計(jì)超過80.108m3。作為一種清潔能源，黃巖氣具有良好的開采壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。如果我們打破形成規(guī)模，對(duì)緩解中國的石油和天然氣資源緊張的壓力起到了重大影響。據(jù)專家估算,我國頁巖氣可采資源量約為26×1012m3,與美國大致相當(dāng),主要分布在我國南方、華北及塔里木海相盆地,以及北方大片陸相盆地。資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明,四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組、下寒武統(tǒng)筇竹寺組海相頁巖氣潛力巨大,頁巖氣資源與整個(gè)四川盆地常規(guī)資源量相當(dāng)。從目前勘探準(zhǔn)備和可能提交儲(chǔ)量情況分析,四川盆地及其周緣川渝黔鄂將是近期頁巖氣開發(fā)的主陣地,“十二五”期間力爭(zhēng)在盆地南部頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)取得突破。我國頁巖氣資源勘探開發(fā)尚處于資源評(píng)估和勘探探索啟動(dòng)階段。當(dāng)務(wù)之急,就是要通過借鑒國外的頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù),進(jìn)行多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān),逐步形成頁巖氣勘探開發(fā)配套技術(shù),如地質(zhì)選區(qū)技術(shù)、地震勘探技術(shù)、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)技術(shù)、鉆完井技術(shù)、儲(chǔ)層改造技術(shù)、資源評(píng)價(jià)技術(shù)等。2010年首次分別在四川盆地南部完鉆了頁巖氣井Wx井和Nx井,繼而又開始了水平分支井的實(shí)施。Wx井龍馬溪組、九老洞組和Nx井筇竹寺組頁巖氣藏的地質(zhì)特征指標(biāo)與美國Barnett頁巖氣藏的深度、總有機(jī)碳含量、有效孔隙度、含氣孔隙度、吸附氣含量、氣藏壓力及氣蘊(yùn)藏量等指標(biāo)具有較好可比性,經(jīng)壓裂儲(chǔ)層改造后均獲得大于1.0×104m3/d的工業(yè)氣流,向頁巖氣勘探開發(fā)邁出了成功的一步,特別是在頁巖氣地質(zhì)選區(qū)、鉆完井技術(shù)、儲(chǔ)層改造技術(shù)等方面有了初步的認(rèn)識(shí),同時(shí)對(duì)利用測(cè)井和地震勘探等地球物理方法進(jìn)行頁巖氣高產(chǎn)富集區(qū)識(shí)別預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià),以及為鉆井軌跡設(shè)計(jì)和儲(chǔ)層改造目標(biāo)提供技術(shù)支撐方面提出了迫切要求。1巖氣地質(zhì)特征及勘探開發(fā)1.1頁巖氣藏關(guān)鍵參數(shù)頁巖氣藏與常規(guī)天然氣成藏機(jī)理和聚集方式有很大差別(表1),頁巖氣既是烴源巖又是儲(chǔ)層,呈區(qū)域性分布,缺少明顯的蓋層,無圈閉,無明顯氣水界面(不含水或極少含水)。據(jù)美國頁巖氣勘探開發(fā)表明,地質(zhì)預(yù)測(cè)頁巖氣藏關(guān)鍵參數(shù)的最小值:有機(jī)碳含量大于2%、熱成熟度(Ro)大于0.4%、孔隙度大于1%、滲透率大于1mD、厚度大于9m。與常規(guī)氣藏相比,具有弱敏感地球物理參數(shù)特征,要求利用地球物理技術(shù)方法識(shí)別雕刻出頁巖氣藏特征,大大增加了難度和提高了精度要求。1.2低滲透儲(chǔ)層的孔隙發(fā)育頁巖氣主體上是以吸附或游離狀態(tài)存在于泥巖、高碳泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)巖類夾層中的天然氣。頁巖氣儲(chǔ)集層是由巖化的黏土、有機(jī)物質(zhì)和礦物質(zhì)混合而成。頁巖產(chǎn)層厚度一般為15~100m,儲(chǔ)集空間由孔隙和微裂縫組成,頁巖以小粒徑物質(zhì)為主,一般以黏土(粒徑小于5μm)和泥質(zhì)(粒徑5~63μm)為其最主要組分,砂(大于63μm)所占的組分相對(duì)較少。具典型的低孔、低滲物性特征,孔隙度一般為4%~6%,滲透率小于0.001mD,最低可達(dá)10-9mD,處于斷裂帶或裂縫發(fā)育帶的頁巖儲(chǔ)層滲透率可以增加,孔隙度最高可達(dá)11%,滲透率可達(dá)1mD。頁巖氣的生產(chǎn)是通過地層壓力降低不斷解吸吸附氣為游離氣獲得的,因此,利用常規(guī)天然氣勘探開發(fā)技術(shù)難以有效獲得頁巖氣,成為頁巖氣勘探開發(fā)的技術(shù)瓶頸,也給利用地球物理方法識(shí)別評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)提出了新的挑戰(zhàn)。2頁巖氣勘探的關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)國外勘探開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn),頁巖氣井初始無阻流量沒有工業(yè)價(jià)值,其經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量依賴于天然裂縫發(fā)育程度、頁巖脆性以及鉆、完井技術(shù),頁巖的孔隙度、基巖滲透率都非常低,必然要考慮如何提高系統(tǒng)的滲透率,水平井及多級(jí)壓裂改造等工藝技術(shù)便成為頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。如何指導(dǎo)頁巖氣鉆井部署和儲(chǔ)層改造優(yōu)化方面,地球物理技術(shù)是必要的手段,作為技術(shù)支撐具有舉足輕重的作用,能貫穿始終服務(wù)和指導(dǎo)勘探開發(fā)工程。2.1儲(chǔ)層改造設(shè)計(jì)1)通過地球物理技術(shù)選擇最佳鉆井目標(biāo)和鉆進(jìn)延伸方向。在頁巖氣宏觀區(qū)帶選擇和目標(biāo)確定時(shí),需要全面分析預(yù)測(cè)有利的頁巖氣生儲(chǔ)地質(zhì)條件分布范圍。鉆井目標(biāo)應(yīng)選擇在有機(jī)質(zhì)與硅質(zhì)富集、孔隙度及裂縫發(fā)育程度高的頁巖區(qū)及層位,鉆井軌跡應(yīng)選擇大致沿頁巖最大水平應(yīng)力即垂直于主要裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方位鉆井,能夠生成眾多橫向誘導(dǎo)裂縫,使天然或誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)彼此聯(lián)通,提高頁巖氣鉆探成功率。2)結(jié)合地球物理技術(shù)分析如何在儲(chǔ)層改造中獲得最有效的多層裂縫。根據(jù)巖石力學(xué)脆性選擇壓裂模式,通過加砂水力壓裂改造,盡可能多的溝通天然裂縫,形成一定導(dǎo)流能力的網(wǎng)狀裂縫,產(chǎn)生較大的裂縫與地層接觸面積,使氣藏的壓力降低可能傳遞到更大的區(qū)域,使更多的吸附氣解吸出來,從而提高頁巖氣產(chǎn)量。3)利用地球物理方法在設(shè)計(jì)中指導(dǎo)鉆井避開大斷層、復(fù)雜地層和水層,防止壓裂裂縫高度溝通可能的巖溶。2.2壓裂裂縫檢測(cè)利用地球物理方法確定儲(chǔ)層壓裂是否成功和下一步開發(fā)目標(biāo)。在壓裂后必須診斷壓裂裂縫數(shù)據(jù)和落實(shí)壓裂效果,壓裂是否成功,并實(shí)現(xiàn)頁巖氣藏多級(jí)改造部署的優(yōu)化。還可利用這些診斷信息,改善油氣藏管理,減少壓裂未波及產(chǎn)層和不必要的鉆進(jìn),用于確定有效的布井方案,實(shí)現(xiàn)加密鉆井開發(fā)等。3黃巖氣勘探井識(shí)別與評(píng)價(jià)技術(shù)3.1巖氣管理參數(shù)分析方法就是要形成對(duì)頁巖氣層的生烴能力、儲(chǔ)集能力和開發(fā)生產(chǎn)能力的測(cè)井評(píng)價(jià)配套技術(shù)系列,主要包括以下方面:1)分析建立頁巖含氣儲(chǔ)層巖—電評(píng)價(jià)關(guān)系參數(shù),建立巖石物性參數(shù)測(cè)井計(jì)算模型。2)研究選擇有效的頁巖氣測(cè)井配套系列,建立含氣頁巖敏感的地球物理參數(shù)測(cè)井響應(yīng)特征和識(shí)別評(píng)價(jià)方法。3)建立頁巖中總有機(jī)碳(TOC)、熱成熟度(Ro)計(jì)算及評(píng)價(jià)方法。4)建立含氣頁巖孔隙度、孔隙壓力及滲透率等儲(chǔ)層特征參數(shù)計(jì)算及儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)方法。5)建立頁巖氣儲(chǔ)層游離氣、吸附氣、含氣飽和度及天然氣總量計(jì)算及評(píng)價(jià)方法。6)進(jìn)行頁巖泥質(zhì)、含砂量、黏土礦物組成及脆性礦物(石英、方解石、長(zhǎng)石等)含量計(jì)算。7)確定頁巖巖石力學(xué)參數(shù),形成定量識(shí)別含氣頁巖裂縫和地層應(yīng)力評(píng)價(jià)技術(shù)。3.2未取得的工作方向結(jié)合國外經(jīng)驗(yàn)及在Wx井、Nx井等頁巖氣儲(chǔ)層測(cè)井識(shí)別評(píng)價(jià)實(shí)踐結(jié)果,目前已取得頁巖氣測(cè)井技術(shù)系列初步認(rèn)識(shí)并有待進(jìn)一步發(fā)展完善。圖1中Wx井龍馬溪組共發(fā)育1套頁巖儲(chǔ)層,裂縫不發(fā)育,主要以基質(zhì)孔隙為主,深度為1503.6~1543.3m。3.2.1頁巖氣中的有機(jī)質(zhì)含量及放射性元素鈾含量頁巖氣與常規(guī)氣一樣,是不導(dǎo)電介質(zhì),具有密度值很小、含氫指數(shù)低、傳播速度慢等物理特性。與普通頁巖相比,頁巖氣中有機(jī)質(zhì)含量較高,放射性元素鈾含量比較高,干酪根的密度較低,通常介于0.95~1.05g/cm3之間。含氣頁巖測(cè)井響應(yīng)為“四高兩低”特征(圖1),即高伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、高中子孔隙度,低密度、低光電效應(yīng)。3.2.2自然采用自然空間來測(cè)碳干酪根的形成多是在一個(gè)放射性元素鈾含量比較高的還原環(huán)境,因而它使自然伽馬曲線出現(xiàn)高值。利用自然伽馬測(cè)井,通過ECS測(cè)井測(cè)得自然伽馬能譜分析鉀、鈾、釷主要元素的豐度,可以定量確定總有機(jī)碳的含量。中子—密度法可以指示鏡質(zhì)體反射率(Ro)。3.2.3含氣頁巖孔隙度的計(jì)算根據(jù)補(bǔ)償聲波和長(zhǎng)源距聲波、補(bǔ)償中子、體積密度密度評(píng)價(jià)孔隙度?？筛鶕?jù)QFM模型由ECS測(cè)得的元素含量換算有關(guān)骨架參數(shù)的方法(Michael,2002)來計(jì)算含氣頁巖的孔隙度。微電阻率掃描成像測(cè)井和核磁共振測(cè)井對(duì)天然縫、誘導(dǎo)縫以及斷層等,都有著良好的分辨能力。壓裂后裂縫識(shí)別評(píng)價(jià)可采用井溫測(cè)井、同位素測(cè)井或交叉偶極橫波測(cè)井來識(shí)別評(píng)價(jià)裂縫高度和長(zhǎng)度。3.2.4游離氣飽和度的計(jì)算利用雙側(cè)向、感應(yīng)測(cè)井、CMR核磁共振測(cè)井等來估算。另外還可根據(jù)等溫吸附曲線和測(cè)井得到地層溫度、壓力計(jì)算地層的吸附氣含量,在精確得到黏土礦物含量及其類型和地層孔隙度的基礎(chǔ)上,計(jì)算游離氣飽和度。3.2.5關(guān)于巖石滲透性的評(píng)價(jià)利用自然電位、自然伽馬能譜、微電極、CMR核磁共振測(cè)井等來評(píng)價(jià)。3.2.6研究水景地質(zhì)成分ECS元素俘獲能譜測(cè)井是一種很好的方法,其ECS探頭應(yīng)用中子感生的俘獲自然伽馬能譜測(cè)定礦物硅、鈣、硫、鐵、鈦、釓、氯、鋇和氫的含量,可以獲得準(zhǔn)確的地層成分評(píng)價(jià)結(jié)果,包括黏土、碳酸鹽、硬石膏、石英、長(zhǎng)石和云母等。3.2.7計(jì)算巖漿巖力學(xué)參數(shù)的參數(shù)根據(jù)聲波掃描測(cè)井、中子密度、成像測(cè)井來綜合計(jì)算巖石彈性參數(shù)(泊松比、楊氏模量),確定地層應(yīng)力和最大主應(yīng)力方位。3.3實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理隨鉆測(cè)井可在水平井整個(gè)井筒長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行自然伽馬、電阻率、成像測(cè)井和井筒地層傾角分析,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控關(guān)鍵鉆井參數(shù)、進(jìn)行控制和定位,可以將井?dāng)?shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,避開已知有井漏問題和斷層的區(qū)域。及時(shí)提供構(gòu)造信息、地層信息、力學(xué)特性信息,將天然裂縫和鉆井誘發(fā)裂縫進(jìn)行比較,用于優(yōu)化完井作業(yè)、幫助作業(yè)者確定射孔和氣井增產(chǎn)的最佳目標(biāo)。4巖漿巖地震預(yù)測(cè)及地震監(jiān)測(cè)技術(shù)4.1巖氣地震勘探目標(biāo)自2009年至今,川渝鄂已經(jīng)開展了蜀南、富順—永川、長(zhǎng)寧、昭通等4個(gè)區(qū)塊頁巖氣二維地震項(xiàng)目,威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧2個(gè)頁巖氣三維地震項(xiàng)目,從采集到處理解釋全面攻關(guān)。旨在通過獲取高信噪比地震資料,結(jié)合頁巖氣地質(zhì)地震條件形成南方海相頁巖氣藏地震勘探技術(shù)。該環(huán)節(jié)的技術(shù)進(jìn)步將會(huì)帶來對(duì)一大批頁巖氣勘探目標(biāo)的重新認(rèn)識(shí),通過對(duì)地下目標(biāo)客觀處理和成像實(shí)現(xiàn)可優(yōu)化井位部署,以提高頁巖氣勘探成功率,降低頁巖氣勘探風(fēng)險(xiǎn),加快頁巖氣資源向儲(chǔ)量和產(chǎn)能的轉(zhuǎn)化。巖氣地震描述及氣藏評(píng)價(jià)目標(biāo)主要包括以下幾方面:1)地層特征包括目標(biāo)泥頁巖層發(fā)育特征、埋深及橫向變化及可能存在的水層、巖溶和隔擋層。2)構(gòu)造特征包括目標(biāo)泥頁巖層區(qū)塊地層構(gòu)造位置、構(gòu)造演化特征、構(gòu)造發(fā)育特征。3)區(qū)域沉積特征包括目標(biāo)泥頁巖層區(qū)域地層沉積環(huán)境及沉積相劃分。4)頁巖氣層段分布特征包括頁巖氣層段縱、橫向分布變化及埋藏深度。5)頁巖氣層段儲(chǔ)層特征包括頁巖氣層段孔隙、裂縫發(fā)育及展布特征。6)石力學(xué)特征包括目標(biāo)頁巖氣層段彈性參數(shù)泊松比、楊氏模量等及地層應(yīng)力特征。4.2探技術(shù)基礎(chǔ)目前國內(nèi)的頁巖氣地震識(shí)別、綜合預(yù)測(cè)及儲(chǔ)層改造監(jiān)測(cè)都尚處于摸索階段。其發(fā)展方向?yàn)?①頁巖氣地震勘探技術(shù),即二維地震勘探主要是為頁巖氣勘探選區(qū)工作提供方向,三維地震勘探才是頁巖氣勘探的有效途徑,它能為頁巖氣水平井部署和提高單井產(chǎn)量提供良好的技術(shù)支撐;②頁巖氣井中地震技術(shù),即借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn),該項(xiàng)技術(shù)能有效監(jiān)測(cè)壓裂效果,為壓裂工藝提供部署優(yōu)化技術(shù)支撐,這是頁巖氣勘探開發(fā)的必要手段。4.2.1精細(xì)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查與觀測(cè)系統(tǒng)的確定在頁巖氣地震勘探中,鑒于與碎屑巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層不同,屬于低孔、低滲氣藏,因此,要做到精益求精,在實(shí)現(xiàn)地震的“采集、處理、解釋和建模一體化”條件下,做好精細(xì)表層結(jié)構(gòu)調(diào)查,優(yōu)化激發(fā)接收參數(shù),選擇合理有效的觀測(cè)系統(tǒng),包括面元大小、道距、覆蓋次數(shù)、最大炮檢距等。在保證經(jīng)濟(jì)允許的前提下,最大限度提高地震資料的分辨能力,真正做到“振幅保真、信噪比高、分辨率高”,獲得高品質(zhì)原始地震資料,以能夠較好地滿足疊前反演的要求。4.2.2多參數(shù)疊前時(shí)間偏移處理頁巖氣氣藏與常規(guī)的構(gòu)造型油氣藏和砂巖巖性油氣藏有差異。針對(duì)頁巖氣埋藏淺、低波阻抗、弱反射,頁巖氣儲(chǔ)層與有效厚度及裂縫發(fā)育帶有密切關(guān)系,頁巖氣地質(zhì)目標(biāo)要求地震資料實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的保幅和提高分辨率處理;進(jìn)行各向同性疊前時(shí)間偏移和各向同性疊前時(shí)間偏移處理,保護(hù)地震資料中所“隱藏的”小斷層,保護(hù)儲(chǔ)層弱信息,有效提高優(yōu)質(zhì)頁巖層和可能的薄砂體的識(shí)別能力和精度;開展多參數(shù)疊前反演提取頁巖氣有效的地球物理和巖石物理信息;利用井間地震(或VSP)資料提取井周高分辨信息;搞好井地聯(lián)合處理,提高三維地震的分辨率。4.2.3開發(fā)綜合開發(fā)技術(shù)對(duì)中小企業(yè)的氣地震識(shí)別4.2.3.地震資料解釋借鑒過去相對(duì)成熟的常規(guī)油氣勘探地震描述技術(shù),從井震聯(lián)合層位標(biāo)定入手,分析建立頁巖氣目標(biāo)層及優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的地震反射波形特征(圖2),在地震剖面上進(jìn)行常規(guī)精細(xì)資料解釋,確定目標(biāo)頁巖層及優(yōu)質(zhì)頁巖層深度、厚度及分布范圍,并獲得頁巖層構(gòu)造形態(tài)、斷層展布及可能的水層和溶巖等特征。另外,發(fā)現(xiàn)含氣頁中的粉砂也很重要,粉砂顆粒組分(特別是石英)提供了很大的空隙度,這對(duì)于水力壓裂早期高采收率非常重要。圖2中筇竹寺組表現(xiàn)為:整段為優(yōu)質(zhì)頁巖與普通頁巖互層發(fā)育,它們之間具有一定波阻抗差,形成較為穩(wěn)定的界面,整體表現(xiàn)為平行—亞平行反射。4.2.3.頁巖氣儲(chǔ)層地震資料及解釋以測(cè)井巖—電關(guān)系為基礎(chǔ),建立頁巖氣儲(chǔ)層特征與地震反射波響應(yīng)特征及地震反射波敏感動(dòng)力學(xué)參數(shù)關(guān)系,形成頁巖氣儲(chǔ)層分析技術(shù)及解釋模型,利用多屬性融合技術(shù)及多參數(shù)疊前反演技術(shù)預(yù)測(cè)優(yōu)質(zhì)頁巖氣層發(fā)育區(qū)域。4.2.3.地層應(yīng)力方向通過地震屬性相干分析、曲率研究,分析含氣頁巖裂縫密度、方位、裂縫強(qiáng)度及地層最大水平主應(yīng)力方向等;通過分方位疊前波阻抗反演和泊松比反演等,分析含氣頁巖巖石密度,孔隙度趨勢(shì),確定頁巖氣層地震各向異性等。4.2.3.鉆井工程目標(biāo)利用地震識(shí)別和綜合預(yù)測(cè)成果,采用三維地震可視化技術(shù)設(shè)計(jì)水平井軌跡,直觀、準(zhǔn)確地確定鉆探目標(biāo),指導(dǎo)鉆井在構(gòu)造相對(duì)平緩的區(qū)域,避開大斷層、復(fù)雜結(jié)構(gòu)地層和解釋可能的地層溶巖(會(huì)抑制和破壞頁巖氣的生產(chǎn)),穿過優(yōu)質(zhì)頁巖厚度較大、小斷層及微裂縫較為發(fā)育區(qū)域,以沿垂直于裂縫發(fā)育方向穿過,盡量增加井筒與裂縫連接的可能性,以提高鉆探成功率和開發(fā)效益。4.3地震勘探的地質(zhì)與地質(zhì)結(jié)合井中地震技術(shù)是在地面地震技術(shù)基礎(chǔ)上向“高分辨率、高信噪比、高保真”發(fā)展的一種地球物理手段,在油氣勘探開發(fā)中,可將鉆、測(cè)井和地震技術(shù)很好的結(jié)合起來,成為有機(jī)聯(lián)系鉆測(cè)井資料和地面地震資料對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行綜合解釋的有效途徑。4.3.1地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)微地震監(jiān)測(cè)是一種用于油氣田開發(fā)的新地震方法,該方法優(yōu)于利用測(cè)井方法監(jiān)測(cè)壓裂裂縫效果,在壓裂施工中,可在鄰井(或在增產(chǎn)壓裂措施井中)布置井下地震檢波器,也可在地面布設(shè)常規(guī)地震檢波器,監(jiān)測(cè)壓裂過程中地下巖石破裂所產(chǎn)生的微地震事件,記錄在壓裂期間由巖石剪切造成的微地震或聲波傳播情況,通過處理微地震數(shù)據(jù)確定壓裂效果,實(shí)時(shí)提供壓裂施工過程中所產(chǎn)生的裂縫位置、裂縫方位、裂縫大小(長(zhǎng)度、寬度和高度)、裂縫復(fù)雜程度,評(píng)價(jià)增產(chǎn)方案的有效性,并優(yōu)化頁巖氣藏多級(jí)改造的方案。圖3、4以直井為列展示了微地震監(jiān)測(cè)壓裂裂縫的微地震事件。從圖4可以看出微地震活動(dòng)性表征的復(fù)雜裂縫系統(tǒng)顯示,