任怀建, 张申, 段麦伦, 祝庆远, 索超, 李志豪

(中化石油勘探开发有限公司, 北京 100031)

0 引 言

页岩油气发展对页岩油气藏测井评价提出了新的要求。孙建孟[1]以煤层气、页岩气为研究对象,从沉积和成藏角度入手,总结出岩相与矿物组分特性、物性与孔隙结构特性、地化特性、含气与产气特性、地层压力与流体特性、射孔与压裂优化完井特性、测井属性等新“七性”关系测井评价方法,为页岩气测井评价提供了完整的思路和方法。张作清等[2]、郝建飞等[3]、莫修文等[4]通过调研,系统总结了页岩气层的测井特征、测井评价项目和方法,对页岩气测井评价的发展方向提出了建议;刘双莲等[5]研究了页岩气和非常规油气层测井评价方法的差异,提出了页岩气测井评价的重点;秦瑞宝等[6]以美国德克萨斯州南西湾盆地的页岩储层F为例,研究了利用测井资料建立多矿物体积模型评价储层矿物组成以及孔隙度、总有机碳含量等参数;杨小兵等[7]结合岩心分析资料,研究了页岩气层物性、生烃潜力、岩石脆性测井评价方法,制定了页岩气储层定性划分标准;丁娱娇等[8]在研究页岩储层微观孔隙结构的基础上提出了页岩有效储层划分和物性评价方法;黄兆辉等[9]调研了页岩气储层物性和生烃潜力评价方法;赵铭海等[10]以罗家地区页岩油气层为例研究了储层矿物和总有机碳含量(TOC)评价方法;李延钧等[11]以四川盆地2口井的资料为基础研究了ΔlgR与U(铀)曲线重叠法评价总有机碳含量的应用效果;Haryanto Adiguna等[12]以Barnett页岩和Haynesville页岩为例,研究了常规测井资料评价页岩储层矿物含量、物性、总有机碳含量的方法及应用效果,建立了地区经验模型;Mayank Malik等[13]以Delaware盆地岩心分析和测井资料为基础,介绍了测井评价页岩储层矿物含量、总有机碳含量的方法和流程;Mehrnoosh Saneifar等[14]以Haynesville页岩为例,研究了测井评价岩石力学参数及储层分类方法,聂昕等[15]、Rick Rickman等[16]、王丽忱[17]研究了页岩储层力学性质的测井评价方法,及其在钻井、压裂方面的应用。前人的研究表明页岩气与页岩油测井评价存在共同点和差异,研究多侧重于页岩气测井评价,或侧重于储层、烃源岩特性、力学性质中的某些方面。

Wolfcamp页岩是二叠盆地米德兰次盆重要的页岩油层,勘探开发程度高。研究区Wolfcamp页岩储层深度2 500～3 000 m,地层流体以油为主,含溶解气。以Wolfcamp页岩油层为例,借鉴、吸收前人研究成果,研究、总结页岩油层测井评价方法、流程,根据实际资料建立Wolfcamp页岩测井评价矿物含量、物性、含水饱和度、总有机碳含量及脆性指数等计算模型,为油田评价和开发提供依据。

1 页岩油层测井评价流程

页岩矿物成分复杂,除高岭石、伊利石等黏土矿物外还混杂着石英、方解石、白云石、长石等矿物。石英等脆性矿物含量高,而黏土矿物含量低的页岩油层可以通过压裂改造成为油气产层。二叠盆地Wolfcamp页岩层富含石英、方解石等脆性矿物,优质储层平均石英含量37.7%,方解石含量21.6%,黏土含量22.8%,孔隙度一般低于10%。

页岩油藏在储层特征、成藏机制及开发方式方面与常规油藏存在差异,决定了页岩油层测井评价内容和方法的不同。页岩油层测井评价包含储层评价、地化参数评价和力学性质评价三大方面(见图1)。

2 储层评价

2.1 矿物含量评价

脆性矿物(石英、方解石等)和黏土的含量影响储层压裂改造的效果,方解石含量影响钻井周期。脆性矿物含量高、方解石含量较低的储层钻井周期短,易于压裂改造,为有利储层,矿物含量的评价对页岩油层评价尤为重要。

元素俘获测井(ECS)通过确定Si、Ca、S、K和Fe等元素的相对产额,根据元素丰度和矿物含量之间的统计关系得到石英、方解石、长石、硬石膏、黄铁矿等矿物的含量。受测井条件和费用限制,ECS测井一般仅在部分重点井中测量。

斯伦贝谢公司ELANPlus模块以岩石体积模型为基本思想,采用最优化技术和模型组合技术进行测井评价,应用常规测井资料建立矛盾方程组,可同时求解1个或多个模型,按一定的概率组合,确定页岩储层主要矿物和流体体积的最优组成比例[18],解决ECS测井资料较少的不足。图2中第5、6、7道分别为测井评价石英、方解石、黏土矿物含量与岩心分析结果对比,二者吻合较好。

2.2 孔隙度评价

页岩中含有一定量的有机质,其性质接近于流体,但占据矿物骨架的体积,需要进行孔隙度校正[18]。页岩层纵向非均质性强,矿物组成差异导致骨架密度纵向上变化明显,影响孔隙度评价准确性。ECS测井在确定石英、方解石、长石等矿物含量的基础上,根据岩石体积模型计算储层骨架密度,作为应用常规测井资料评价孔隙度的岩石骨架值,结合有机质校正可以准确评价储层孔隙度。

ELANPlus模块可以应用常规测井资料评价石英、方解石、黏土等主要矿物含量,考虑到有机质对孔隙度计算的影响,将有机质作为特殊矿物与石英、方解石、黏土建立矿物评价模型,考虑了有机质对孔隙度评价的影响校正,在常规测井资料评价页岩储层孔隙度中应用效果好。图2中第8道测井计算孔隙度与岩心分析孔隙度一致。

2.3 渗透率模型

储层孔隙度和矿物组成影响地层的渗透性[18]。以岩心分析渗透率建立Wolfcamp页岩储层渗透率模型为

K=10[4.4-Vquar-1.5Vlime-1.5Vclay+3 lg φe-2 lg(1-φe)]

(1)

式中,K为储层渗透率,mD;Vquar为石英含量,小数;Vlime为方解石含量,小数;Vclay为黏土含量,小数;φe为有效孔隙度,小数。图2中第9道计算渗透率与岩心分析渗透率具有较好的一致性。

2.4 含油饱和度评价

页岩层黏土矿物含量通常较高,孔隙度低,应用Archie公式评价含水饱和度受到限制。Eastwood等[19]介绍了Bardon-Pied改进的Simandoux方程评价页岩储层束缚水饱和度,该方程假设储层含水饱和度为1.0。

Simandoux公式、Indonesia公式等是为常规泥质砂岩储层建立的,考虑了黏土附加导电性的影响。以岩心分析含水饱和度刻度测井评价结果确定含水饱和度评价参数,应用Indonesia公式计算Wolfcamp页岩层含水饱和度。图2中第10道为测井计算孔隙度与岩心分析含油饱和度对比,评价结果与岩心分析饱和度结果一致。

(2)

(3)

式中,a为与岩性有关的系数,取1;m为胶结指数,取2.3;n为饱和度指数,取2.1;Rw为地层水电阻率,取0.12 Ω·m;Rclay为泥岩层电阻率,Ω·m;R为测井电阻率,Ω·m。

3 地化参数评价

地化参数包含总有机碳含量TOC、镜体质组反射率Ro、热成熟度指数Im等。

测井评价TOC常用Passey法,即声波时差和电阻率曲线迭合法[2,12]。

(4)

TOCPassey=(ΔlogR)×10(2.297-0.1688LOM)

(5)

式中,RB为非烃源岩的电阻率,Ω·m;Δtc为纵波时差,μs/ft;ΔtcB为非烃源岩的声波时差,μs/ft;LOM为Exxon公司使用的有机质成熟度评价指标,取10.25(Ro=0.9)。

Passey法适用于富含石英、黏土的页岩层,在Wolfcamp页岩中,发育方解石含量高的层段,计算结果明显偏高。应用岩心分析TOC与密度测井曲线建立TOC评价模型

(6)

式中,DEN为测井密度,g/cm3。

根据储层方解石含量确定体积密度法计算TOC权重(WDEN),综合Passey法和体积密度法评价页岩层TOC[见式(7)]。图2中第11道为测井评价结果与岩心分析TOC结果,二者吻合程度高。

TOC=TOCPassey×(1-WDEN)+TOCDEN×WDEN

(7)

4 力学特征评价

4.1 岩石力学参数

岩石在一定的初载荷作用下可以视为弹性体。当声波强度在1～5 W/m2(几个至几十个大气压)范围,岩体的形变和应力呈线性关系,弹性模量和泊松比可以通过纵波、横波时差确定。

(8)

(9)

式中,Δtc为纵波时差,s/m;Δts为横波时差,s/m;E为弹性模量,Pa;μ为泊松比,无量纲;ρb为岩石密度,kg/m3。

4.2 脆性指数评价

岩石的脆性包含2方面的含义:外力作用下岩石破裂的难易和岩石破裂后裂缝保持开启的难易[16],分别以泊松比和弹性模量评价。泊松比越小,外力作用下岩石越易于破裂;弹性模量越大,岩石产生裂缝后越利于保持开启。

岩石的脆性通常以脆性指数表示,通过弹性模量和泊松比分别计算岩石的脆性指数,取二者的平均值作为综合的岩石脆性指数。泊松比和弹性模量的最大、最小值均通过实际资料确定(见图3)。

BIE=100[(E-Emin)/(Emax-Emin)]

(10)

BIμ=100[(μ-μmax)/(μmin-μmax)]

(11)

BI=0.5[(BIE+BIμ)

(12)

式中,Emin为弹性模量最小值,GPa;Emax为弹性模量最大值,GPa;μmin为泊松比最小值;μmax为泊松比最大值;BIE为弹性模量计算岩石的脆性指数,%;BIμ为泊松比计算岩石的脆性指数,%;BI为岩石的脆性指数,%。图4中第6道为Wolfcamp页岩脆性指数评价结果。

图3 Wolfcamp页岩弹性模量与泊松比交会图

图4 Wolfcamp页岩力学参数测井评价

4.3 地应力评价

地应力可归结为3个相互垂直的主应力,即三轴向主应力,包括垂向应力(用SZ表示)和最大、最小水平主应力(分别用SH、Sh表示)。

垂向应力由上覆岩层压力产生,可利用密度测井资料计算

(13)

式中,SZ为总垂向应力;Dt为真垂向深度,m;g为重力加速度,m/s2;Xoffset为偏移值。

水平应力主要由构造应力构成,应用研究区Wolfcamp层压裂数据,确定最大、最小水平主应力计算模型

(14)

(15)

式中,SH为最大水平主应力;Sh为最小水平主应力;pφ为地层孔隙压力。图4第7道为Wolfcamp层地应力评价结果。

4.4 最大水平主应力方向

Wolfcamp层钻井诱导缝方向(见图5)为近东西向,表明研究区Wolfcamp层现今最大水平主应力方向为近东西向。垂向应力大于最大水平主应力(见图4),因此,最小主水平应力方向为安全的钻井方位[20-21],为保持井眼稳定,水平井方向与最小水平主应力方向平行。研究区块内,Wolfcamp层已钻的200多口水平井均采取南北向钻井,水平段长度1 500～3 000 m,井眼稳定性好,钻井成功率高。

图5 Wolfcamp层钻井诱导缝方位图

5 结 论

(1) 页岩油层测井评价内容与常规储层测井评价不同,包括储层评价、地化参数评价和力学性质评价三大方面。

(2) 将有机质视为矿物组成,应用ELANPlus模块建立模型,可以校正有机质对孔隙度影响,准确评价主要矿物含量和孔隙度,基于ELANPlus价结果的矿物组分渗透率模型可以合理评价Wolfcamp页岩渗透率。

(3) 基于Indonesia方程建立含油饱和度模型可以准确计算Wolfcamp层含油饱和度。

(4) Passey法适合富石英及黏土页岩,密度法适合富方解石页岩,Passey法与密度法结合评价TOC适合于Wolfcamp页岩层。

(5) 应用测井资料可以评价页岩储层的脆性指数和地层主应力,辅助选取有利压裂段,并为水平井安全钻井方向的确定提供依据。

参考文献:

[1] 孙建孟. 基于新“七性”关系的煤层气、页岩气测井评价 [J]. 测井技术, 2013, 37(5): 457-465.

[2] 张作清, 孙建孟. 页岩气测井评价进展 [J]. 石油天然气学报, 2013, 35(3): 90-95.

[3] 郝建飞, 周灿灿, 李霞, 等. 页岩气地球物理测井评价综述 [J]. 地球物理学进展, 2012, 27(4): 1624-1632.

[4] 莫修文, 李舟波, 潘保芝. 页岩气测井地层评价的方法与进展 [J]. 地质通报, 2011, 30(2/3): 400-405.

[5] 刘双莲, 陆黄生. 页岩气测井评价技术特点及评价方法探讨 [J]. 工程地球物理学报, 2012, 9(4): 433-438.

[6] 秦瑞宝, 余杰. 多矿物处理方法在北美页岩油气藏测井评价中的应用 [J]. 石油地球物理勘探, 2013, 48(增刊1): 175-180.

[7] 杨小兵, 杨争发, 谢冰, 等. 页岩气储层测井解释评价技术 [J]. 地质勘探, 2013, 32(9): 33-36.

[8] 丁娱娇, 郭保华, 燕兴荣, 等. 页岩储层有效性识别及物性参数定量评价方法 [J]. 测井技术, 2014, 38(3): 297-303.

[9] 黄兆辉, 邹长春, 聂昕, 等. 页岩气储层参数的测井评价方法 [C]∥ 中国地球物理第28届年会, 2012: 409-410.

[10] 赵铭海, 傅爱兵, 关丽, 等. 罗家地区页岩油气测井评价方法 [J]. 油气地质与采收率, 2012, 19(6): 20-24.

[11] 李延钧, 张烈辉, 冯媛媛, 等. 页岩有机碳含量测井评价方法及其应用 [J]. 天然气地球科学, 2013, 24(1): 169-175.

[12] Adiguna H, Torres-Verdin C. Comparative Study for the Interpretation of Mineral Concentrations, Total Porosity, and TOC in Hydrocarbon-Bearing Shale from Conventional Well Logs [C]∥SPE 116139, 2013.

[13] Malik M, Schmidt C, Stockhausen E, et al. Integrated Petrophysical Evaluation of Unconventional Reservoirs in the Delaware Basin [C]∥SPE 166264, 2013.

[14] Saneifar M, Aranibar A, et al. Rock Classification in the Haynesville Shale-gas Formation Based on Petrophysical and Elastic Rock Properties Estimated from Well Logs [C]∥SPE 166328, 2013.

[15] 聂昕, 邹长春, 杨玉卿, 等. 测井技术在页岩气储层力学性质评价中的应用 [J]. 工程地球物理学报, 2012, 9(4): 433-438.

[16] Rickman R, Mullen M, et al. A Practical Use of Shale Petrophysics for Stimulation Design Optimization: All Shale Plays are not Clones of the Barnett Shale [C]∥SPE 115258, 2008.

[17] 王丽忱. 页岩气藏岩石力学性质的测井评价方法与应用 [D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2013: 1-67.

[18] 张晋言, 孙建孟. 利用测井资料评价泥页岩油气“五性”指标 [J]. 测井技术, 2012, 36(2): 146-153.

[19] Eastwood L R, Ursula H. Log Model Development for the Bossier and Haynesville Shales [C]∥SPWLA 52nd Annual Logging Symposium, Colorado, 2011.

[20] 陈朝伟, 张辉, 申彪, 等. 水平井安全和危险钻井方位 [J]. 石油学报, 2013, 34(1): 164-168.

[21] 金娟, 刘建东, 沈露禾, 等. 斜井水平井优势钻井方位确定方法研究 [J]. 石油钻采工艺, 2009, 31(3): 26-29.