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致密气藏地层评价中的矿物学、裂缝及构造分析

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致密 地层 评价 中的 矿物学 裂缝 构造 分析
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致密气藏地层评价中的矿物学、裂缝及构造分析摘要致密气藏通常被定义为渗透率低于 达西,需要水力压裂以实现商业性生产。复杂的成岩历史过程中压实和矿物成长减小了孔隙和孔喉尺寸,从而造成低渗透率。致密含气砂岩也通常深埋地下,承受巨大的压力。一次这种储层的地层评价过程包含 5 个部分:岩性(矿物学) 、纹理、沉积环境、现在压力和构造历史(裂缝类型和方位) 。有必要成功结合这些地质、岩石物理、地质力学等学科评价这类储层。由于它们的矿物及纹理的非均质性和低孔隙度,与那些常规储层相比致密气藏的流体和储层特性评价更为困难。早期储层评价的目标—完井前进行先考虑确定那些需要水力裂缝压裂的地区而不是静态储层评价(孔隙度、饱和度) 。操作人员通常这样描述致密气藏评价的策略:(1)确定烃的位置(2 )确定流动性以及( 3)进行储层表征(孔隙度,饱和度)(参考文献 1) 。其他人这样描述他们所担心的 “在没有气体显示的情况下水力裂缝的策略又是什么?”很明显,致密气层烃的体积以及储层生产力的评价需要针对性的测量和评价方法来定位并且量化油气,并在水力裂缝压力之前和之后确定储层生产力。在这里我们提出几种致密气层砂岩的评价的概念和方法,我们并非描述地质力学的方法或者地层测试和取样,我们也不详谈由于低孔隙度和可能的坏井眼条件带来的评价的不确定性。矿物学致密砂岩储层的矿物学组成可能会很复杂。尽管矿物学复杂性是纹理复杂性的一个特征,致密砂岩的矿物学可能很简单,但是仍然体现出复杂的纹理和相对应的低渗透率。南非的低渗透率储层证实了这一点(图 1) 。尽管不同的矿物组成和孔隙度,这 2 种砂岩显示出相似的低渗透率,同时两个都需要水力裂缝压裂已达到商业性开采。·哈姆拉石英岩地层(阿尔及利亚,奥陶系时期)含有 98%的石英颗粒和石英附晶生长,颗粒密度达到 在大概 3500m 处平均孔隙度低于 5%,3/ 毫达西。·阿卡库斯地层(突尼斯,志留纪时期)的岩性复杂,包括石英、颗粒连接线中的绿泥石、菱铁矿胶结,颗粒密度 在大概 3500m 处这组3/4%,渗透率为 达西。对于每一种储层的地层评价都具有挑战性。尽管哈姆拉石英岩中矿物成分简单并且缺少泥质矿物,它的很低的孔隙度增加了计算油气体积的不确定性。除此之外,孔隙网络的复杂的纹理—由于压实作用、石英次生加大(附晶生长)和孔喉的临近遮挡如孔隙度卡库斯地层的复杂岩性同时影响颗粒密度和岩石渗透率。在埋藏初期沉淀的颗粒连接线中的绿泥石,优于压实作用能够保存储层的孔隙度,使得埋深3500m 处的孔隙度分布在 10%到 25%之间。尽管如此,绿泥石可能也会阻塞孔喉,显著地降低渗透率。富含铁的绿泥石(就像菱铁矿胶结)同样会增大颗粒密度并且为电阻率仪器的电流流动提供路径。这类砂岩储层的测井分析家就会面临高达 骨架密度(相比哈姆拉石英岩为 ,而且3/(含水砂岩电阻率为 1 ) 。为了进一步证明矿物学对致密砂岩特性的影响,我们比较限定压力对孔隙度和渗透率、含气气盐水和汞的注入毛管压力、来源于比较年轻的沉积物的岩石垩纪时期)等的影响。这两种致密砂岩储层岩石显示出相似的孔隙度、渗透率和泥岩体积,但是不同的纹理和矿物特征。图 2 显示了岩心切片的图像,切片和受损表面的薄的截面和矿物组成表。左侧的 层(英国哥伦比亚、 ,加拿大)是灰的碎石纹理,并且固结十分良好。在右侧的 91岩上层地层(南非)是淡灰色,砾岩中的主要泥质是高岭石(60%) ,伊利石(60%)则存在于细的颗粒砂岩中。除此之外,非粘土部分为纯净石英(97%) ,细颗粒非均质砂岩包含 9%的菱铁矿,斜长石、含铁白云岩和黄铁矿,所以石英组分仅有 83%。图三中显示了这两种砂岩孔隙中与限定压力相比的最初的孔隙度和最初的渗透率的百分数。限定压力为 5000,在表面条件下,砾岩孔隙度降到 72%,渗透率降到最初值的 11%,而相对于在同样的限定压力条件下,细颗粒砂岩的孔隙度和渗透率只降到了 95%和 70%。尽管颗粒填充较好的固结,砾岩渗透率在高的有效压力条件下会降低,比如储层压力耗竭或者高的水位降深下的流量测试。图四中,可我可以看出两种砂岩岩石的含气盐水毛管压力和汞的注入毛管压力的引流剖面相对于湿相(水)饱和度。含气盐水剖面显示不可约的含水饱和度在砾岩中(55%)要比在细砂岩中(37% )大,而且在两种岩石中,过渡带高度相当于自由水平面以上 120各种成分的大量盐水注入到孔隙中,岩石 5)记录了原始渗透率的降低。当盐水注入,砾岩岩石渗透率持续下降,但是对于淡水的注入就不那么敏感。与此相反,各种成分的盐水注入时,细颗粒砂岩渗透率则不受影响,但是一旦注入淡水,渗透率显著下降到低于原始渗透率的 20%。逆转淡水流动后,渗透率不会恢复。我们发现这种损伤来源于淡水和岩石矿物的化学接触(泥岩膨胀) ,而不是细粒的力学活化。这两种岩石的特殊岩心分析显示具有相似孔隙度、泥质含量和本征渗透率的致密砂岩可能会有完全不同的动态特性。它们的骨架和泥质含量的矿物学以及纹理的不同导致在低压下流动能力、不可约的含水饱和度、对侵入流体的敏感性等的重要不同。为了表征致密含气砂岩的特性,并且分别预测在动态条件下的行为,我们需要知道他们的矿物学特征和纹理。核磁捕获光谱学提供了精确地岩性和骨架特性,这使得我们更能简单的直接应用科学导电性和渗透率模型进行岩石物理评价,并结合传统密度、中子、和电阻率测井(参考文献 3) 。元素富集用于计算硅酸盐(石英) ,碳酸盐( 方解石 、白云岩、菱铁矿)、长石、云母、泥质(高岭石、绿泥石、伊利石、蒙脱石) 、蒸发岩(岩盐、硬石膏) 、硫化物(黄铁矿)和煤等的精确的矿物重量分数。元素富集同样可以用来计算骨架颗粒密度,骨架调整密度和中子孔隙度,透率 (计算动态有关的孔隙度的有效直径)。参考文献 3 中的作者这样写到尽管“在更复杂的低渗透率孔隙系统,一些孔隙开始变成非有效流动通道。并且必须选择针对低渗透率(低于 100 毫达西)的 透率算法。核磁捕获光谱学是一种体积的分析,尽管在矿物成分和碎屑岩纹理之间显示出良好的相关性,但是表征致密含气储层的动态流动特性只靠矿物评价是远远不够的。我们需要裂缝和纹理分析。裂缝和纹理分析致密含气储层的裂缝,不管是天然形成的还是人为诱导的,对于产能是主要的贡献者。我们需要将在井眼中探测到的裂缝分类成钻进过程中诱导形成的还是天然产生的。天然产生的裂缝又被分为以方位为基础的清晰集合和类型(岩性约束、连续性、闭合、部分缝合或者合成角砾岩) 。裂缝密度和长度在以任何流体为钻井液的井中都能够测量得出。水基泥浆钻井时,每一种单一裂缝或者裂缝集合的裂缝孔和孔隙度(有时是裂缝渗透率)都能够在钻井时计算出来并且还可以进行为电阻率成像测量。井眼中的有代表性的自然裂缝可分为两种主要的集合,开启的和闭合的。开启的裂缝还可以再被分为岩性限制、或者部分闭合裂缝的独立的集合。这些集合然后还可以进一步按照原始方位分类。从开启逢获得的最重要的测量是地层中的裂缝孔、裂缝密度和裂缝长度。区分井眼中的裂缝密度(可由成像测井测得)和地层中的裂缝密度十分重要。井眼中测量的裂缝密度需要进行裂缝走向、倾角、几眼方位的校正以求取裂缝密度。在水平井中,如果井眼钻井时与裂缝正交,井眼和底层裂缝密度在没有矫正的情况下会相等。这种校正需要对每一个有不同方位或者不同裂缝类型的单一裂缝进行。与裂缝相连的,储层内的纹理的变化对于产层的影响占第二个主导地位。这些纹理的分类可能与前面提到的演示矿物没有联系。当岩石纹理变化与矿物变化无关时,精细的岩性分析仍然不够,需要纹理测井资料。从井眼微电阻率成像或者核磁孔隙尺寸分布中都可以得到纹理测井资料。纹理变化的类型和探测算法随岩性而变化。在碳酸盐岩储层,产能的主要控制因素是二级孔隙度的数量和连通性。在碎屑岩储层主要的纹理变化与颗粒大小和颗粒分选有关。这两种变化都可以通过高分辨率微电阻率井眼成像测量得到。碳酸盐岩孔隙度可以分为三种孔隙类型:微孔隙、中孔隙和大孔隙。致密碳酸盐岩的产能受控于总孔隙分布范围的大孔隙成分,而中孔隙贡献较小。碳酸盐岩中,我们使用标准化后的井眼微电阻率成像来做出沿井眼周围的孔隙度直方图。假设冲洗带孔隙都被泥浆滤液充满,从测量的冲洗带的 192 个测量信号就可以计算出孔隙度。这种假设几乎已经在所有水基泥浆钻井的碳酸盐岩储层中得到证实。然后利用孔隙度直方图来分析孔隙度的变化和范围。如果碳酸盐岩存在基质(单峰)孔隙度,在直方图中就观察到一个单峰。然而,在复杂碳酸盐岩孔隙系统,直方图会有多个锋。直方图可以分成原生(基质)孔隙度和次生孔隙度。单一或者复杂孔隙系统中,对于每一种岩石主分,直方图中可能会有相等的百分比。比如 20%的岩石主分有 2~3%的孔隙度变化范围以及 20%的有 15~18 的孔隙度变化范围。处理结果的输出包含孔隙度分数以及次生孔隙度(大孔隙度)曲线。大孔隙度曲线能够提高传统岩石物理的计算精度,能够识别潜在的多产层进行地层测试或者射孔。在碎屑岩储集层,我们从微电阻率井眼成像资料提取颗粒尺寸的大小程度。与前面描述的碳酸盐岩方法类似,第一步就是在小间隔内(1寸,取决于使用的电成像的类型)计算环井眼电阻率频谱。这些数据点能够作为单一电阻率直方图显示出来,或者作为电阻率的连续变化的密度测井。变化的密度测井值显示了井眼微电阻率群密度的变化。颜色谱从绿色到红色变化,以说明增加的群密度。绿色越淡,说明电阻率分布越广,红色越暗,说明电阻率分布越窄。如果在井眼成像中探测到视倾角,必须要将视倾角从成像资料上消除,并且在做直方图之前要将井眼成像做平滑处理。变密度显示在二维空间可以很方便的观察大量数据。下一步就是从电阻率成像直方图的百分比分布计算成像的非均质指数。 (为了方便起见,在本文中我们可以使用非均质指数的概念并且选取非均质指数。 )观察碎屑岩储集层岩心发现,在井眼成像中观察到的微电阻率的变化与颗粒尺寸分选变化相同。记录提取的等级为:分选良好,分选很差,介于二者之间的,即或高,或低,或者没有偏移。分选指数计算是关于井眼成像的微电阻率百分比分布的简单方程。在这种形式中,分选系数与绝对电阻率值无关,并且在低阻和高阻地层会有相似的响应。从这种模式(某一值值经常出现)以及微电阻率直方图的百分比限制,可以计算峰值和井眼分选分布的界限。这些分布可以分成 3 个组分:井眼分选组分,比井眼分选组分较高或较低的电阻率组分。分析的最后一步结合高分辨率成像数据和其他测井数据来生成相描述,这将会捕获大量的成像资料的构造信息。在这一步中引入外界数据并且开始纹理结果解释。外部信息—使用者选择的典型泥岩指示—用来区别 4 个主要相。在图 8 中,显示的 4 个相视砂岩(黄色) ,砂质各项异性(橙色) ,泥质各向异性(绿色)和泥岩(灰色) 。每一个主项都会根据应用的分选指数曲线的截止值被分成许多亚相。这些亚相详述了构造组成,而这些构造是基于传统测井数据的其他无特殊特征的相的组成。例如砂岩相可以被分为分选良好的砂岩,分选中等的砂岩和分选很差的砂岩。截止值的数目要应用到分选指数中,截止值取决于储集层特征和需要细节的水平。井眼成像和测井相描述可以被核实并且调整以匹配岩心数据描述。在致密气层应用 井的岩石纹理不论岩石矿物组成如何,井(核磁共振测井)也能够测量致密气层的构造特性。从 井中得到的岩石孔隙大小分布可以用来评价毛管束缚水体积,岩石渗透率甚至伪毛管压力剖面,这个剖面能够校准到连续含水饱和度的剖面中,而与地层电阻率和电学(数无关。当孔隙中饱含润湿性的流体时, (横向弛豫时间)提供了孔隙尺寸分布的指示。通常砂岩石水湿的,当测到水层或者水基泥浆钻井、含水滤液侵入,这种情况就会得到重视。油层中可动水滤液侵入或者油基泥浆侵入,自由流体体积部分就会被油体积弛豫扭曲(自由流体 代表了油过滤的速度,而不是孔隙尺寸) ,但是 布的束缚流体部分仍然受泥岩颗粒大小和秒习惯孔隙尺寸的控制。水基泥浆钻井的致密气层,布通常能偶很好的代表孔隙尺寸的分布,甚至在气柱中也有很好显示,因为 量的是侵入带的信号。吸汞压力剖面测量孔喉尺寸分布,因为 面测量孔隙大小分布。尽管存在差异,这两种测量提供了类似的岩石纹理的信息。图 9 中展示了一个例子。较高的吸入压力与较短的 相对应,并且代表了较小毛管和喉道的纹理,而就是它们持有不可流动流体。为了准确测量这项重要信息,推荐利用专用脉冲序列记录 括短脉冲回波间隔(200 ) 。较低的吸入s压力,包括进汞压力(最小进汞压力,开始排驱润湿相的流体较高的 相对应。汞的吸入和 伪毛管压力剖面之间的相关性质量可以通过它们各自进汞压力和束缚流体饱和度来评估。岩心离心到预先设定好的等值压力后, 是在 100%饱和盐水和部分饱和盐水的情况下测量的(图 9,右侧) 。可动水从样品中排出后,视隙度下降,只有泥岩束缚水和毛管束缚水体积和 分布存在。降饱和压力的幅度(离心的速度)可以调整以和样品所在井深度处的毛管压力匹配。调整后,离心后的束缚流体体积代表了真实不可动水的体积和在岩心深度处的毛管压力。100%含盐水和部分含盐水的 面和 100%含油饱和度的这两种砂岩储层岩石如图 10 所示。我们注意到尽管它们的纹理和矿物学存在差异,这两种孔隙展示了束缚水和自由流体类似的 止值(20。我们可借助 面计算每一个测井样品的伪毛管压力剖面。我们将 r, 面的管状孔隙的半径,等同于岩石毛细管的半径 r。通过这样的描述,我们可以通过估计 表面弛豫、接触角、表面张力、流体密度差异和自由水面之上的高度来提取 间的关系。将 刻度矫正到 刻度上之后,我们就能够计算连续毛管压力和含水饱和度剖面。图 12 中所示为 毛管压力和饱和度剖面的一个例子。这个插图将利用孔隙度- 电阻率分析得到的现在饱和度剖面与原始饱和度剖面进行对比,原始饱和度信息来源于排汞压力和自由水位。曲线记录了 毛管压力剖面和2 截止值曲线,2 截止值曲线可以在自由水位描绘毛管束缚水和毛管自由水。这种方法与连续计算地层原生水、并相比毛管压力和自由水位之上的高度的方法等同。透率算法利用了碎屑岩岩石孔隙尺寸和孔喉尺寸之间的很好的相关性,并且提供了大部分泥质砂岩中的精确、一致的结果。具有受限或者甚至封堵孔喉结构低孔隙度砂岩,孔隙到孔喉尺寸的相关性可能会与大部分常规砂岩的相关性不同。而且 透率方程需要改进,或者变形。在碳酸盐岩储层,隙度可以分为微孔隙、中孔隙和大孔隙组分,这些孔隙组分与从吸汞得到的孔喉相关性较好,并且能够为这些复杂纹理特征的演示建立强壮的渗透率计算算法。推荐使用地层测试器的流体特性的动态评价。使用机械预检驱动和活塞装配,新一代地层测试器能够记录预测最低渗透率 压控制的双封隔器地层测试器能够记录的最小渗透率为 力和沉积环境井眼成像和声波测量能够确定施加在井眼的压力。井眼成像能够帮助我们确定井眼变形的类型或者由于压力造成的井眼成像的失败。变形和失败可以通过井眼处的正切、轴向和径向压力的变化来确定,并且可以将这种失败分类比如扩径、缩径、高雁列式裂缝倾角和拉伸断裂裂缝。这些变形和失败将会建立日压力取向,从而反过来确定裂缝受压的位置以及对产能有贡献的裂缝。在直井中,破裂方向确定了最小水平压力,并且钻井诱导缝的走向可以确定最大水平压力。最大水平压力可以确定模拟裂缝的方向的延伸以及天然受压的裂缝集合。图 13 所示为按方位分类的两种裂缝集合;原理图说明确定地层裂缝的密度和裂缝集合受压的位置的重要性。不同的井眼轨迹会观测到不同的地层裂缝密度。在这个例子中,红色的集合比蓝色的集合裂缝密度要低,但是红色的裂缝所受压力以日最大水平压力的形式都在一个方位。这种状态下的压力,红色裂缝 要优先开启而蓝色裂缝优先闭合。因此原始压力密度计算就需要结合现在日压力方向进行分析,以便确定是否会有天然裂缝集合优先对产能做出贡献。如果在现在日压力和天然裂缝方向之间存在变化的话,这些变化也可以确定液压裂缝平面的复杂性(图 14) 。当设计一个模拟工作时,碎屑岩的沉积环境是很重要的因素。相类型和方位有关的知识可以设计出合适的增产措施,这样断层就不会横向延伸到储层外侧。井眼成像可以结合其他其它数据确定相的类型,并且定位每一个独立的砂体。如果两个地区有类似的岩石物理参数透率,储层深度和断裂屏障似的增产措施就会有不同的结果。如图15 所示,如果砂岩体方位平行于最大应力方向,在储层内部就会有很长的一段断裂。然而,如果最大应力方向垂直于砂体方位,同样的断裂就会在储层中出现,并且可能导致早期裂缝工作的滤砂。虽然这两个地区具有相同的岩石物理特性,但是在设计增产措施的时候也应该把他们的地质相和方位考虑在内。结论孔隙度和泥质体积不足以刻画致密气层砂岩的特征。这些储层的矿物学特征,不管简单还是复杂,都是它们广泛的成岩作用的产物,并且影响它们的静态和动态的流动特性。核磁捕获谱测井提供精细的矿物分析、基质特性和渗透率预测,但是完整的分析仍然需要裂缝和构造分析。隙尺寸分布提供地层的纹理信息而与矿物组成无关。毛管压力剖面和饱和度、不可动水饱和度和渗透率预测在致密气层动态流动特性中是很重要的参数。具有复杂孔隙结构的砂岩中,新的 透率变换式与碳酸盐岩储层变换式类似使用了孔隙尺寸分类,但是仍然需要改进。井眼成像在致密气层评价中有很多的应用:然缝需要根据在地层中的类型、方位和裂缝密度进行分类。测具有潜在最多产能的区域。获得碎屑岩分选指数,看是否会有类似的岩石物理特性,以便精细分析储层。井眼成像测量钻井诱导缝和井眼破裂的方位。这些测量提供现有的重要的水平压力的方位,这些方位又可以确定液压裂缝增产的方位。结合现在压力方位和天然缝的类型和方位,识别严重受压(和优先开启)的裂缝。这些成像资料也能够帮助确定砂岩体的方位,因为它影响液压裂缝增产的设计,并且依赖于各自的砂体和最大水平应力的方位。
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