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页岩油气甜点识别的综合评价方法_祝彦贺

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页岩 油气 甜点 识别 综合 评价 方法 祝彦贺
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书书书第 45卷 第 2期中国矿业大学学报Vol.45 No.22016年 3月          Journal of China University of Mining &Technology         Mar.2016收稿日期 :2015-03-30基金项目 :中国海油 “十二五 ”重大专项课题 (CNOOC-KJ125ZDXM21ZY)通信作者 :祝彦贺 (1980-),男 ,黑龙江省大庆市人 ,高级工程师 ,博士 ,从事页岩油气地质方面的研究 .E-mail:zhuyanhe122@126.com  Tel:13811346272页岩油气甜点识别的综合评价方法祝彦贺 ,陈桂华 ,梁建设 ,陈晓智 ,韩刚 ,马晓强 ,张道旻(中海油研究总院 ,北京100028)摘要 :页岩油气的高效开发需要最大程度地识别出甜点所在.为了将地质甜点与工程甜点有效融合来识别和评价页岩油气甜点 ,在总结龙马溪组勘探成功经验的基础上 ,以美国某盆地A组页岩层为例 ,提出 “甜点体 ”的概念 ,其界定为体积压裂的对象.通过A组页岩储层纵向差异化研究 ,以及总有机碳 (TOC)数值 、脆性指数等地球物理预测方法的应用 ,结合甜点体非均质性变化对水平井产量影响的分析 ,建立了页岩油气甜点体的识别和综合评价方法 ,即五步法 :垂向评级 、平面划区 、体积雕刻 、差异压裂 、油藏定调.研究结果表明 :龙马溪组的TOC在2%~8%,含气量在1.7~4.8m3/t,脆性矿物质量分数在20%~70%,“甜点 ”划分的门槛值应是TOC大于3%,含气量大于2m3/t,脆性矿物质量分数大于40%.基于不同区域3个参数门槛值不同 ,该方法有利于区块内的勘探开发及钻完井技术适用性调整.关键词 :页岩油气 ;甜点 ;识别方法 ;评价流程中图分类号 :TE 132.2文献标志码 :A文章编号 :1000-1964(2016)02-0301-09Comprehensive evaluation methods of shaleoil and shale gas sweet spot identificationZHU Yanhe,CHEN Guihua,LIANG Jianshe,CHEN Xiaozhi,HAN Gang,MA Xiaoqiang,ZHANG Daomin(CNOOC Research Institute,Beijing,100028,China)Abstract:High-efficiencydevelopment of shale oil and shale gas mostlydepends on sweet spotidentification.This paper aims to identifyand evaluate sweet spot through integratingassess-ment parameters of geological and engineeringsweet spot.Based on summarizingthe successfulexploration experiences of Longmaxi formation in Yangtze area,and a case studyof shale bedsof A formation in certain American basin,the concept of sweet spot volume,which is definedas the object of volume fracturing,was put forward.Byapplyinggeophysical prediction meth-od of total organic carbon(TOC)level and brittleness index,a five-stepshale oil and gas sweetspot identification and comprehensive evaluation workflow was proposed on the basis of verticaldifferentiated studyof shale reservoir characteristics,and the impact analysis of heterogeneityon production difference of sweet spot.The first stepis to verticalystudyand classifyreser-voirs and ensure which layer is sweet spot;the second stepis to determinate the planar parti-tion of the target shale accordingto geophysical prediction results and geological parameters;the third stepis to describe and understand characteristics of sweet spot volume through geo-logical parameters and engineeringparameters;the forth stepis to optimize fracturingdesignfor everyhorizontal wel or one pad bylevel of understandingfor sweet spot volume character-                 中国矿业大学学报第 45卷istics;and the last stepis to judge development design of oil and gas field byproduction data a-nalysis.The results show that:the TOC of Longmaxi formation is within 2%—8%,the shalegas content is among 1.7—4.8m3/t,and the mass fraction of brittle minerals ranges from 20%to 70%.The threshold value for sweet spot identification is that the TOC should be larger than3%,with the shale gas content bigger than 2m3/t and the mass fraction of brittle mineralshigher than 40%.Because of different threshold value of three parameters in different areas,this workflow is favorable for applicabilityadjustment of shale oil and shale gas exploration,development,drilingand completion techniques.Keywords:shale oil and shale gas;sweet spot;identification method;evaluation workflow页岩油气勘探开发技术日新月异 ,持续推动美国产量走高 ,2014年美国页岩油气产量已超过5.0×108 t油当量.2013年 ,中国成为继美国 、加拿大之后世界上第3个将页岩气进行商业开采的国家 ,据国土资源部统计 ,截止2014年底 ,涪陵国家级页岩气示范区累计产气突破11×108 m3.正是中石化的勘探家们在上扬子地区找到了核心区 ,并明确了上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组的甜点位置 ,才促使中石化提出了2017年100×108 m3页岩气产能的宏伟目标.因此 ,“甜点 ”的勘探技术突破是实现非常规油气经济开采的关键[1-2].理论上讲 ,页岩气属于典型的 “原地 ”成藏系统[3-5],成藏上具有与致密气和煤层气相似的机理 :吸附 、游离 、水溶 ,又具有低孔超低渗透 、微米-纳米孔隙发育的致密特点 ,是一种连续性 、大规模 、低丰度 、广覆式发育的天然气聚集[6-8],只有通过水平井压裂技术实现体积开采才能实现商业价值 ,这其中 ,提高其高产命中率的关键是 “甜点 ”的识别与综合评价.国内外对于甜点的研究主要集中在地球物理预测 、资源评价和页岩储层特征评价等方面 ,少数涉及工程参数评价[2,7],针对即将进入开发阶段的区块 ,包括水平井着陆点 、开发范围 、开发方案设计依据等研究还相当薄弱.本文结合上扬子地区下志留统龙马溪组的研究认识和国外盆地页岩油气的勘探实践 ,通过井产量的差异性对比 ,总结出一套 “甜点 ”的识别方法及综合评价流程 ,以此指导不同区域内的水平开发井设计 ,丰富页岩油气研究内容.1 龙马溪组甜点形成的地质条件中国南方扬子地区发育两套最主要的富有机质页岩[9-11],筇竹寺组和龙马溪组.龙马溪组成为中国页岩气 “功勋勘探层 ”,得益于其良好的构造和沉积背景 ,以及优异的储层特征和保存条件[12-13].1.1 优越的地质条件成就优质烃源岩早志留世龙马溪期 ,经过晚奥陶世冰期后 ,冰川消融 、快速海侵 ,中国南方处于欠补偿沉积.此时华南东部挤压力增强 ,浙闽赣古陆逐渐隆起 ,向西挤压 ,江南断裂带控制南方地区岩相发育 ,以南的湘中 、赣北和皖南为斜坡相 ,以北的扬子地区为盆地相 ,可容空间增加 ,该区北部已是典型的浊流沉积[14].随着奥陶纪末期的主冰期及其内第二幕生物灭绝事件结束 ,高端生物尚未建构 ,低端生物勃发 ,发育一定程度欠补偿及缺氧层带并沉积保存 ,这一深水底部缺氧滞留 、欠补偿形成的还原环境有利于低等生物的恢复 、繁盛和保存 ,形成了龙马溪组底 部 的 黑 色 笔 石 页 岩 ,及之上的黑色碳质页岩[15-17].该套笔石页岩具有明显的三高特征 :高TOC、高硅质含量和高含气饱和度.从龙马溪组岩性组合来看 ,上部高位域时期的稳定加积段形成的黑色 、灰色泥页岩 ,成为很好的区域封盖层 ,在断裂错断时更容易发生涂抹效应而对页岩气保存有利.另一方面 ,上扬子地区已钻井的地层压力系数变化也说明了保存条件的优劣.统计显示 ,2 000m以深的地层压力系数多数大于1.0,在盆地内部稳定地区 ,其从1.0变化到2.25,相对应的产量比较可观 ,在盆缘改造区 ,压力系数小于1.0,不利于页岩气的保存 ,勘探效果不理想 ,产量不高 (图1).所以 ,相对海平面上升引起的可容空间增加成就了龙马溪期的深水陆棚沉积环境 ,该环境下的富硅质笔石页岩发育和地层内部超压都有利于气藏的动态平衡和后期的大规模压裂作业.203第 2期祝彦贺等 :页岩油气甜点识别的综合评价方法图 1四川盆地龙马溪组压力系数与产量关系Fig.1 Relationship between production and pressure coefficient of Longmaxi formation in Sichuan basin1.2 沉积环境微差异区别储层优劣龙马溪组底部笔石页岩含气量为1.73~3.28m3/t,资 源 丰 度 为1.00×108~2.50×108 m3/km2,所测游离气与解吸气含量比值为1.12~1.85[18-20].其较好的含气性依赖于储层内部的特征.1)丰富的微孔 、介孔和硅质生物通过过渡金属元素和稀土元素含量分析认为 ,龙马溪组底部的富有机质笔石页岩发育于缺氧环境[18],内部有大量的硅质海洋生物发育 ,包括放射虫 、海绵骨针 、笔石等化石 ,这些生物的存在有利于后期的压裂改造.同时 ,在镜下常见粒间孔 、粒内孔和有机质孔 ,以纳米-微米孔为主 ,基质孔隙为0.1~1.0μm,有机质孔隙为10~300nm,孔与孔之间有一定连通性 ,在超压环境中形成了纵横交错的微裂缝网络 ,这些为页岩气的储存提供了充足的空间.2)高TOC揭示高硅质含量 、高含气性龙马溪组笔石页岩为高熟-过熟烃源岩 ,成熟度Ro为2.4%~3.8%.已有钻井的开发层为该段底部30~90m富气层段 ,其垂向自下而上表现为TOC由7%~8%迅速变低为2%,孔隙度由8%~13%变为4%~6%,石英质量分数由50%~70%变为20%~40%.大量的岩心分析数据表明 ,其TOC与硅质含量 、孔容 (孔隙度 )呈正相关性[19-21],TOC反映了生烃基础 ,孔容代表了气体存储空间大小 ,硅质含量代表可压裂性.所以 ,龙马溪组页岩气富集的主控因素之一是TOC.在焦石坝地区 ,该套地层的高TOC还与高孔隙度 、高有效含气饱和度呈 良 好 的 耦 合 关 系 ,表明有机质孔隙含气性好[22-25].3)高TOC依赖环境的微变化五峰组-龙马溪组垂向TOC变化明显 ,由最高7%~8%迅速降低为2%~3%,这其中主要是原始有机质的生产力发生了变化.从五峰组底部到龙马溪顶部 ,硫含量表现为底部的高部震荡 ,中部的不连续增高到上部逐渐降低 ,反映了自下而上沉积环境从深水陆棚到浅水陆棚变化的过程 ,而碎屑物质的注入对有机质有稀释作用 ,原始有机质生产力变弱.δ13C值表现出底部偏轻 ,中上部增加并偏重 ,反映出水体变浅 ,营养物质减少 ,导致有机质原始生产力的下降 ,同时 ,水体含氧度增加 ,保存条件变差 ,有机质被氧化 ,有机碳含量变小.龙马溪组底部斑脱岩 (热液蚀变火山碎屑所形成 )的发育说明当时的沉积海底存在热液 ,这种热液也是该套地层高TOC的重要原因之一[26-27](图2).图 2龙马溪组下部沉积环境综合分析图 (据文献 [14-15]修改 )Fig.2 Comprehensive analysis of sedimentary environment in lower of Longmaxi formation1.3 笔石页岩聚集段成为开发甜点龙马溪组页岩纵向上储层特征变化较大 ,从焦石坝地区单井分析来看 ,可划分为5个小层.依据前面的认识结论 ,将TOC作为主要的参考指标 ,303                   中国矿业大学学报第 45卷结合硅质含量和含气量进行综合分层.其中A,C两层为高TOC、高含气量 、高硅质 ,归为I类气层 ,两层之间有一次短暂的水体变浅[28],TOC变低 ,为中TOC、低含气量 、中硅质含量的B层 ,D层为低TOC、中含气量 、低硅质含量 ,B,D两层归为II类气层 ,E层为中-低TOC、低含气量 、低硅质含量 ,归为III类气层 (图3).A,B,C这3个小层组成龙马溪组笔石页岩 ,已钻井的试气产量显示I类储层开发效果最好.四川盆地连井剖面显示3个小层厚度变化在30~90m之间 (图4),最厚地区在渝东南 ,向东北 、西南方向变薄至30m左右 ,涪陵示范区处于该分布区的东部 ,厚度在40~50m,长宁 —威远示范区在30~40m,即龙马溪组甜点分布范围主要集中在四川盆地东南缘盆内稳定区.图 3焦石坝地区龙马溪组储层特征Fig.3 Characteristics of Longmaxi formationshale reservoir in Jiaoshiba area图 4四川盆地东南部龙马溪组笔石页岩连井剖面Fig.4 Connecting-wel section of Longmaxi formation graptolite shale in southeast of Sichuan basin2 甜点识别方法应用龙马溪组研究获得的主要认识和方法 ,在储层垂向上细分小层 ,根据各段特征的差异性识别出不同级别的储层 ,聚焦垂向最优段 ,即甜点段 ,进而确定水平井侧钻点的位置 ,同时 ,应用地球物理手段划定平面甜点范围 ,结合开发生产数据 ,雕刻出 “甜点体 ”的轮廓.即利用地质参数和工程参数 ,以水平井压裂施工能影响到的不规则体积为空间范围 ,细化研究工程压裂对象 ———甜点块体 ,利用生产数据最终判断其生产效果 ,从而指导区块开发.该套思路在美国某盆地的页岩油气层研究中获得较好的成效.2.1 单井多参数识别甜点段研究对象为美国中部某盆地早白垩世沉积地层 ,该地层属浅海半封闭环境 ,发育多套厚层的暗色页岩 ,并夹多套海相砂岩 ,为常规油气和页岩油气的发育层位.上白垩统地层中的A组是美国主要的页岩油气产层 ,至今 ,在盆地南部共发现8个页岩油气田.A组从纵向特征来看 ,具有明显的差异性 ,即上部 、下部高TOC、中-高脆性度 、高 含 气 饱 和 度 ,为A1层 、A3层 ,中 部 低TOC、中-低脆性度 、低含气饱和度 ,为A2层.从厚度 、含气饱和度和脆性矿物含量来看 ,A3层划定为I类储层 ,厚度在50~70m,A1层是II类储层 ,较薄 ,小于20m,A2层为III类储层.同时 ,岩心分析数据显示 ,A组地层GR值与TOC呈明显的正相关性 (图5).403第 2期祝彦贺等 :页岩油气甜点识别的综合评价方法图 5美国某盆地下白垩统 A组储层特征Fig.5 Characteristics of the lower Cretaceous A formation reservoir in certain basin of America2.2 地球物理与油藏参数综合评价甜点体针对A3层的 “甜点 ”特性 ,应用地球物理技术预测TOC与脆性指数变化.三维工区内可用资料来自于B,C两口井 ,两井的纵横波速度比与TOC呈现明显的负相关性 ,在建立关系公式的基础上利用纵横波速度比预测TOC变化 ,结合泊松比和杨氏模量计算脆性指数 (归一化计算 )[28].本区纵横波时差计算的杨氏模量在22~53GPa,泊松比在0.20~0.37之间 ,脆性指数是力学参数推导而来 ,但实际上它是岩石脆性矿物含量多少的综合反映[28].地震反演结果揭示了A3层甜点范围 ,研究区中部 、东部是主要的高TOC、高脆性指数地区 ,其他地区含量均相对较低.对比了工区内6口水平井的产量数据可知 (6口水平井采用同一种压裂设计方案 ,图6),甜点区的生产井初始月平均日产量是非甜点区生产井的3.5~5倍 ,20a最终可采储量是4~16倍 (表1).造成该种差异的关键还是对甜点体的识别和精细描述不够 ,以及后期压裂设计单一化所致.图 6研究区 A3层 TOC、脆性指数预测结果Fig.6 TOC and brittleness index distribution of A3layer in study area表 1研究区 6口井产量数据Table 1 Production data of six wels in studyarea井名初始月平均日产量桶油当量最终可采储量千桶油当量单位水平段最终可采储量千桶油当量 /100mA  1 060.1  1 022.5  95.1B  898.2  366.5  35.8C  1 125.4  540.1  64.2D  224.3  65.4  5.9E  265.7  86.2  7.5F  195.4  62.9  6.23 甜点评价的多角度延伸从精细化研究角度来看 ,单井了解一个段 ,地球物理预测展示一个面 ,两者划定的体不是简单的长方体 ,而是不规则体.因为处于同一层段内的同一岩性组合 ,由于TOC、脆性矿物含量 、含气能力的不同 ,形成不同级别的储层 ,非均质性极强.从商业成功角度 ,页岩油气开发的关键在于高效的体积压裂 ,只有加深 “甜点体 ”的雕刻和非均质性认识 ,才能指导钻完井实现单位体积内的最大储量获得和最高的油气产出 ,这也是低油气价格下的技术创新思路.3.1 体积压裂中水平井水平段的甜点变化利用前面的预测成果 ,我们对比了该区2组处于同一个Pad(水平井组 )的临近生产井的产量差异 (位置见图6),看到在相邻井距100~150m的水平井之间 ,初始月平均日产量差异在1.5~2倍.503                   中国矿业大学学报第 45卷由于生产井只测量钻速 (ROP,单位 :m/h)和GR曲线 ,且不取样 ,我们利用GR与TOC呈正相关的特征 ,对比了两组Pad相邻生产井的水平段GR值差异 (图7).可以看到 ,第1组Pad(图7a)两口井初产IPO(初始月日平均油产量 ,单位 :桶 )相差350桶 ,IPOE(初始月日平均油当量 ,单位 :桶 )相差600多桶 ,产量差异在2倍多 ,水平段长度 、压裂级数 、总支撑剂量 、总液量都没有大的差异 (表2),且两井使用的是同一压裂工艺 ,但水平段的GR值差异较大 ,7H井明显钻遇的高GR段较多 ,属于资源丰度较高的储层 ,8H井钻遇的是丰度次之的储层.第2组Pad(图7b)油藏生产数据也反映了 “甜点体 ”极强的非均质性空间变化.所以 ,“甜点体 ”的差异化精细研究是钻探高效生产井的基本前提.对于一个开发区 ,针对如此小空间内的非均质性变化 ,可以适当调整压裂作业的工艺设计 ,从降低成本的角度出发 ,实现一井一设计或者多井一设计 ,减少不必要的压裂作业.图 7同一水平井组临近生产井的曲线差异性Fig.7 Difference of logging from nearby wels in one pad表 2两个水平井组的生产井产量及工程数据Table 2 Production and engineeringdata of wels in two pads井号IPO(初始月日平均油产量 )/桶IPG(初始月日平均气产量 )m3IPOE(初始月日平均油当量 )/桶水平段长度/m压裂级数/级总支撑剂/Mg总液量/桶7H 654  101 005  1 249  2 385  18  2 572  116 3238H 306  52 867  617  2 297  17  2 407  110 585I1H 765  59 889  1 118  2 115  21  3 794  140 420J2H 651  39 275  882  1 958  19  3 270  118 4193.2 甜点体综合评价流程地质认识的探索和创新是指导后续钻井工程高效作业 、降低成本的关键 ,利用龙马溪组研究总结出的经验指导美国页岩油气的甜点识别和生产井产量差异的地质因素分析 ,可以说是互惠互利.在体现勘探开发一体化理念 ,以低成本高效益为目标的非常规油气技术研究中 ,本文借助前面的综合认识 ,总结出一套页岩油气甜点体综合评价流程 ,即 “垂向评级 、平面划区 、体积雕刻 、差异压裂 、油藏定调 ”的五步法评价流程 :在垂向上应用岩石物理及各种分析测试结果划定主要富烃层段 ,评价出不同等级储层 ,综合筛选最优开发段 ,即纵向甜点段 ,之后 ,应用多井约束的地球物理手段预测开发段主要储层参数的平面分布范围 ,并进行多参数门限值的分区划块 ,在不同分区内雕刻出甜点体的空间展布 ,结合各甜点体的储层参数优劣和非均质性的变化设计不同的压裂工艺和施工对策 ,体现个性化 ,包括不同的水平段长度 、压裂级数 、簇数和射孔数 ,最后凭借水平井的油藏生产数据评价开发效果 ,逐步完善认识 ,调整各区的技术适用参数 ,优化开发规模 ,达到真正意义上的高效开发.4 结论页岩油气甜点体的深入认识和研究方法还比较单一 ,且影响水平井产量的因素极其复杂.从技术角度来看 ,各种因素都可能决定着一口井的产量变化 ,如有效压裂体积的大小 、连通孔隙的多少 、油气在微米-纳米孔缝中的渗流规律 ,以及生产制度的差异等等.地质甜点和工程甜点的创新认识 ,包括后期的经济评价 ,都不断地修正甜点体的内涵.通过研究笔者认为 :1)龙马溪组底部笔石页岩为富烃段 ,其下部 、上部为高TOC、高硅质含量 、高含气量的I类储层 ,该类储层在上扬子地区呈北东-南西向展布 ,603第 2期祝彦贺等 :页岩油气甜点识别的综合评价方法最厚地区分布在渝东南 ,厚度在50~90m,开发效果最佳.2)对甜点内涵进行延伸 ,推出 “甜点体 ”的空间概念 ,即水平井的体积压裂对象 ,它以工程改造可影响到的破碎空间为范围.地质甜点体的内部差异化特征是页岩油气地质研究领域的新方向 ,也是与开发 、工程专业进行衔接的一个主环节.3)“甜点体 ”的精细研究是钻探高效生产井的基本前提 ,针对小空间内的储层非均质性变化 ,可以适当调整压裂作业的设计 ,从降低成本的角度出发 ,实现一井一设计或者多井一设计 ,减少多余的压裂施工.4)页岩油气甜点体综合评价流程体现勘探开发一体化理念 ,包括 “垂向评级 、平面划区 、体积雕刻 、差异压裂 、油藏定调 ”,最终实现区块内的多技术适用性调整 ,形成不同条件下的技术应用体系和高效的井工厂开发.参考文献 :[1]周德华 ,焦方正 .页岩气 “甜点 ”评价与预测 :以四川盆地建南地区侏罗系为例 [J].石油实验地质 ,2012,34(2):109-114.ZHOU Dehua,JIAO Fangzheng.Evaluation and pre-diction of shale gas sweet spots:a case study in Juras-sic of Jiannan area,Sichuan basin[J].Petroleum Geol-ogy &Experiment,2012,34(2):109-114.[2]彭嫦姿 ,彭俊 ,陈燕辉 ,等 .四川盆地元坝地区大安寨段页岩气 “甜点 ”地震预测 [J].天然气工业 ,2014,34(6):42-47.PENG Changzi,PENG Jun,CHEN Yanhui,et al.Seismic prediction of sweet spot in the Da’anzhaishale play,Yuanba area,Sichuan 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