页岩储层有效性识别及物性参数定量评价方法

2014-05-10丁娱娇郭保华燕兴荣李健卢琦

测井技术 2014年3期

丁娱娇, 郭保华, 燕兴荣, 李健, 卢琦

(1.中国石油渤海钻探工程有限公司测井分公司, 天津 300280; 2.中国石油长城钻探工程有限公司测井公司国际业务项目部, 北京 100101)

0 引言

页岩油气藏油气成藏特征与储集特征明显不同于常规油气藏。页岩既是源岩又是储集层,具有典型的自生自储成藏特征,这种油气藏是在油气生成之后在源岩内部或附近就近聚集的结果[1-2]。页岩油气藏的储集空间复杂,同时存在原生孔隙、次生孔隙和微裂缝;页岩的基质孔隙度和渗透率非常低,大量天然裂缝的存在可有效改善页岩油气藏的储集性能。运用常规油气藏的测井评价方法难以满足页岩油气藏的综合评价。页岩油气藏测井评价主要围绕页岩的生烃能力、储集性能和可压性等3个方面开展。前人在生烃能力评价方面做了大量的工作,但是在储集性能评价方面还处于定性识别阶段[3-7]。本文在分析大量页岩岩样岩石物理实验的基础上,建立了一套利用核磁共振测井资料进行页岩储层类型评价与物性参数定量计算的储层有效性评价方法,并在实际应用中取得了良好的效果。

1 页岩储层储集空间及有效性评价方法

图1 页岩岩样不同放大倍数电镜扫描图

邹才能等[8]通过对页岩样品进行氩离子抛光、高分辨率场发射扫描电镜等实验分析在页岩中发现了有机质演化孔、粒间孔、粒内孔等纳米级孔隙,孔隙形状呈圆形、椭圆形、不规则形等,孔隙直径一般100 nm左右。钟太贤[9]通过观察描述和物理测试2类方法指出,纳米级孔隙是致密储层连通性储集空间的主体,以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主,喉道呈席状、弯曲片状,孔隙直径介于10～1 000 nm,主体范围为30～100 nm;按孔径大小,将页岩储集空间分为5种类型:裂隙(孔径大于10 000 nm)、大孔(孔径介于1 000～10 000 nm)、中孔(孔径介于100～1 000 nm)、过渡孔(孔径介于10～100 nm)、微孔(孔径小于10 nm)。焦淑静等[10]通过对某地区50余块页岩岩样电镜扫描分析发现,测量页岩岩样结构致密,少量微孔小于1 μm,大量微孔在1～2 μm之间,少量微孔在3～6 μm之间,裂缝宽1～2 μm,长十几到几十微米。页岩储层孔隙尺寸非常小,以纳米级为主,最大孔径尺寸也在10 μm以内,裂缝的孔喉尺寸明显大于基质孔隙,只有大量发育微裂缝时才能够形成有效的储集层。图1为页岩储层2块岩样的电镜扫描照片对比,2块岩样的孔隙度差别不大,岩样a的孔隙度为5.16%,岩样b的孔隙度为4.01%,但是二者的渗透率差异高达近40倍,岩样a的渗透率为0.012 mD*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,岩样b的渗透率为0.475 mD;从岩样放大200倍电镜扫描照片可见2块岩样全貌,他们均为结构致密储层,基质孔隙非常低,稍微存在差异之处是岩样b可见微裂缝存在;从岩样放大2 400倍电镜扫描照片可见2块岩样内部结构还是存在较大差异,岩样a发育1～5 μm微孔隙,其中1～2 μm微孔隙居多,少量2～5 μm微孔隙;岩样b常见的微孔隙多在1～2 μm,少量2～3 μm,同时还发育微裂缝,缝宽1～2 μm,缝长十几到几十微米不等。可见,裂缝是页岩储层产能的主控因素之一,还是运移通道、储集空间。因此,页岩储层储集空间类型识别对渗透率及储层有效性评价至关重要。

1.1 页岩储层储集空间类型识别方法

核磁共振测井可以有效反映孔隙孔径尺寸分布,大孔径在核磁共振T2谱时间刻度上靠右,小孔径在核磁共振T2谱时间刻度上靠左[11]。由页岩储层储集空间特征可知,页岩储层基质孔隙以纳米级为主,存在少量微米级基质孔隙,且裂缝的孔喉尺寸明显大于孔隙的孔径尺寸,在核磁共振T2谱上显示,短T2谱分布应该代表孔隙的信息,长T2谱分布应该代表裂缝的信息。通过分析某地区70余块页岩岩样的实验室核磁共振测量、裂缝饱和度测量和束缚水饱和度测量结果发现,核磁共振T2谱形态与上述假设吻合性非常好,据此提出了基于T2谱形态特征的储集空间类型识别方法。

图2(a)至图2(e)为不同裂缝饱和度岩样的核磁共振T2谱形态分布图。当裂缝饱和度为0时,T2谱为典型的正态单峰分布,且位置非常靠左,显示储集空间类型为小孔径基质孔隙;当储层出现裂缝时(裂缝饱和度大于0),T2谱形态为典型的双峰或多峰分布,且第2峰分布范围均在10 ms之后,且随着裂缝饱和度增加,第2、第3峰包络面积增大,呈现正相关关系。所以可以利用T2谱形态特征和第2、第3峰包络面积识别储层是否发育裂缝以及裂缝发育程度。具体方法是首先判别T2谱形态为单峰分布还是多峰分布,如果是单峰分布,且峰值在10 ms之内则为孔隙型储层;如果为多峰分布且在10 ms之后存在1个或多个峰值则显示储层可能存在裂缝;然后计算10 ms之后的波谷拐点之后的T2谱包络面积与总T2谱包络面积之比值,该值可有效描述裂缝发育程度,与实验室测量得到的裂缝饱和度基本一致。图2(f)为实验室测量的裂缝饱和度和束缚水饱和度关系图。可见当裂缝饱和度小于5%时,束缚水饱和度与裂缝饱和度关系不明显,说明此时裂缝对储层性能影响不明显;当裂缝饱和度大于5%时,随着裂缝饱和度增加,束缚水饱和度迅速递减,说明裂缝此时已经对储层性能起到改善作用。结合T2谱形态和裂缝饱和度将页岩储层储集空间分为2类:①孔隙型,储集空间以基质孔隙为主,偶见微量微裂缝,T2谱为单峰分布或第2、第3峰幅度非常低的多峰分布,峰值在10 ms之内,裂缝饱和度低于5%;②孔隙-裂缝型,储集空间为孔隙、微裂缝同时发育,T2谱为典型的双峰或多峰分布,第2峰位置在10 ms之后,裂缝饱和度大于5%,束缚水饱和度小于90%。

图2 不同裂缝饱和度岩样T2谱及束缚水饱和度分布图

1.2 页岩储层分类及有效性评价方法

通过页岩岩样的渗透率与孔隙度、微裂缝饱和度以及饱和水核磁共振标准T2谱的相关性研究发现,页岩储层渗透性与T2谱位置、形态特征、孔隙度、裂缝饱和度关系密切。T2谱位置越靠左其渗透性越差;孔隙度越大,渗透性越好;微裂缝不发育,以基质孔隙为主时,渗透性非常差,渗透率最高不超过0.1 mD;微裂缝发育时,渗透性明显增加,裂缝越发育,渗透率增加越明显。根据70余块页岩岩样统计结果,可以将页岩储层分为3类:①第Ⅰ类,孔隙-裂缝型,T2谱形态为典型的双峰或多峰分布,第1峰(左峰)位置一般在2 ms界限的左侧,幅度相对较高,第2、第3峰幅度相对较低,T2谱形态相对于第1峰变缓,该类储层渗透率一般大于0.000 1 mD,孔隙、微裂缝均发育,为页岩油气藏最佳储集空间组合,为优质有效储层;②第Ⅱ类,孔隙型,T2谱形态为典型单峰分布,谱峰位置在2 ms右侧,渗透率在0.000 1～0.1 mD,该类储层以孔隙为主,裂缝不发育,该类储层储集性能明显不如Ⅰ类储层,为相对较差储层;③第Ⅲ类,孔隙型,T2形态同Ⅱ类一样为单峰分布,但其T2谱峰位置相对于Ⅱ类明显靠左,在2 ms界限左侧,渗透率在0.000 1 mD以下,微裂缝不发育,为典型的非有效储层(见图3)。参考中石油有效储层分类标准,将渗透率0.1 mD作为本文有效储层下限标准,有效储层均发育在Ⅰ类储层之中。

2 页岩储层物性参数定量评价方法

页岩储集空间由基质孔隙和微裂缝共同构成。在其物性参数定量评价方面应该同时考虑到基质孔隙和裂缝的影响。在以往生产应用中,页岩储层物性定量评价仅仅是利用密度、声波、中子三孔隙度测井资料进行基质孔隙度的计算,未考虑到裂缝的影响;而且由于有机碳和复杂矿物成分的影响,使得三孔隙度测井资料的骨架参数非常难以准确确定,计算得到的孔隙度测井资料难以满足生产的需求。由前文分析可知,

核磁共振T2谱能够有效反映微裂缝的信息,且核磁共振测量的总孔隙度不受岩性和有机碳含量的影响。利用核磁共振测量可以同时考虑基质孔隙度和裂缝影响,准确进行页岩储层物性参数定量评价

图3 不同类型页岩储层岩石物理响应特征

。

2.1 基于核磁共振测量的页岩储层孔隙度、束缚水饱和度定量评价

图4 核磁共振T2谱确定各种孔隙度

CMR、MREx、MRIL-P等核磁共振测井仪器均能够记录到黏土束缚流体信息,提供总孔隙度信息。核磁共振测量的对象是孔隙流体中氢核的信息,避开了岩性和有机碳的影响,可以有效测量各类储层的总孔隙度[11-12]。当岩样饱和单相流体时,核磁共振T2谱与毛细管压力微分曲线存在较好的对应性(见图4),因此,通过一定的界限值在T2谱上可以有效区分黏土束缚流体、毛细管束缚流体和可动流体,从而得到有效孔隙度和束缚水饱和度等信息。利用核磁共振准确确定有效孔隙度、总束缚水饱和度的关键是黏土束缚流体T2截止值和毛细管束缚流体T2截止值的确定。对于毛细管束缚流体T2截止值的确定前人做了大量的工作[13],提出了各种方法,对于黏土束缚流体T2截止值的确定却基本没有开展什么研究工作,一直沿用经验数值4 ms。图5显示了由实验室得到的部分页岩岩样毛细管束缚流体T2截止值。图5(a)为34块岩样毛细管束缚流体T2截止值统计图。34块岩样毛细管束缚流体T2截止值分布范围在1.89～10.71 ms变化,部分岩样毛细管束缚流体T2截止值小于3 ms,平均毛细管束缚流体T2截止值为3.88 ms,由此可知利用4 ms的黏土束缚流体T2截止值计算页岩储层有效孔隙度将使得储层有效孔隙度严重偏低,该结论已经在实际测井应用中得到证实。为准确获得页岩储层有效孔隙度,其关键参数是必须准确确定黏土束缚流体T2截止值。

目前通过实验方法很难直接测量得到黏土束缚流体T2截止值。本文提出了一种利用岩心刻度测井获得有效黏土束缚流体T2截止值的间接方法,具体实现思路:由于实验室所用岩心是将岩心进行各种预处理,烘干后再饱和水测量得到孔隙度,提供的孔隙度为有效孔隙度;而核磁共振测井提供的是总孔隙度,二者之间的差异即为黏土束缚流体体积;利用等面积原理,将核磁共振测井T2谱从右到左累积,当累积孔隙度等于有效孔隙度时,其对应的T2谱时间刻度即为黏土束缚流体T2截止值。通过大量岩心与测井对比分析发现,页岩储层黏土束缚流体T2截止值大约在1.5 ms左右,应用该截止值可有效进行页岩储层有效孔隙度计算。图5(b)至图5(d)为部分典型岩样的T2截止值与T2谱形态特征的关系,可见不同岩样毛细管束缚流体T2截止值不同,毛细管束缚流体T2截止值位置与饱和水岩样T2谱形态特征存在良好的对应关系,故可以利用T2谱形态特征有效确定毛细管束缚流体T2截止值,从而进行准确的束缚水饱和度评价。

2.2 页岩储层渗透率定量评价

页岩储层微裂缝发育,准确的渗透率计算一直是页岩储层评价面临的一大难题。图3可见,随着裂缝饱和度增加,岩样渗透率迅速增加,储层渗透率受孔隙度和裂缝饱和度双重控制。裂缝对储层渗透性的影响主要是通过增加可动流体部分改善储层渗透性。从图2(f)可见随着裂缝饱和度的增加,束缚水饱和度迅速降低,反映可动流体体积明显增加,故在微裂缝发育的储层渗透率关键控制因素中可以利用束缚水饱和度来表征裂缝的发育程度。

页岩储层渗透率主要受孔隙度和束缚水饱和度双重控制,利用实验室岩心测量数据建立了渗透率与孔隙度、束缚水饱和度关系图(见图6)。图6(a)为渗透率与孔隙度关系图,其中裂缝饱和度小于5%的数据点代表孔隙型储层,裂缝饱和度大于5%的数据点代表孔隙-裂缝型储层。可见,不同类型储层孔隙度与渗透率关系明显不同。利用孔隙度建立渗透率计算模型时应分储层类型进行建模。图6(b)为渗透率与束缚水饱和度关系图,无论是孔隙型储层还是裂缝型储层,随着束缚水饱和度增加,渗透率呈现整体下降的趋势。在渗透率计算建模时必须考虑束缚水饱和度的影响。

利用图6中岩心分析数据分储层类型建立了页岩储层渗透率计算方法。

孔隙型储层

图6 渗透率与孔隙度、束缚水饱和度关系图

(1)

裂缝型储层

(2)

式中,K为渗透率,mD;φ为孔隙度,%;Swi为束缚水饱和度,%。

图7为本文计算方法与岩心分析渗透率对比图。可见无论是孔隙型储层还是裂缝型储层,本文方法计算得到的渗透率与岩心分析测量结果对比均均匀分布在45 °对角线两侧,且误差范围在同一数量级以内,说明该方法计算精度较高,可满足实际生产需求。

图7 计算渗透率与岩心分析渗透率对比图

3 应用实例

图8为利用核磁共振测井进行有效储层识别和物性参数定量评价与岩心测量结果对比实例。图8中第6道为利用核磁共振测井计算孔隙度与岩心分析孔隙度对比;第7道为核磁共振测井计算裂缝饱和度与岩心分析裂缝饱和度对比;第8道为计算渗透率与岩心分析渗透率对比;第9道为储层分类及有效性评价结果。从图8中测井计算孔隙度、裂缝饱和度、渗透率与岩心分析对比结果来看,计算结果与岩心分析结果一致性非常好,说明本文方法计算结果可靠。

图9为页岩储层综合评价成果图。从常规测井曲线上很难将储层与非储层区分开来,更不用说识别有效储层,但是通过核磁共振标准T2谱分布形态可以明显看出,3 399.5～3 400.9 m、3 404～3 425 m储层空间类型为孔隙-裂缝型,从裂缝饱和度计算结果来看,这2个段的裂缝饱和度均达到20%,束缚水饱和度小于70%,应该发育优质储层,结合渗透率定量评价结果,解释6个油层。对3 404～3 425 m井段常规测试,射孔平均液面1 488 m,折合日产液10.7 t,洗井出油7.45 m3,出水4.04 m3。一般页岩储层均需要压裂改造才能获得产能,而该井常规试油即获得了工业产能,说明该页岩储层渗透性应该非常好,与计算渗透率在1～20 mD之间比较吻合,说明该方法能够有效应用于页岩储层的物性参数定量评价和储层有效性评价,并能够获得比较准确的评价结果。