巖石熱解錄井資料在頁巖油氣水平井地質導向中的應用

2015-07-02 01:40:25方錫賢翟東曉許德云李辛來李北洋吳愛紅

石油地質與工程 2015年2期

方錫賢，翟東曉，許德云,李辛來,李北洋，吳愛紅

(1.中國石化河南石油工程有限公司地質錄井公司，河南南陽 473132；2.中國石化石油工程地球物理有限公司河南分公司；3.中國石化河南石油工程有限公司測井公司)

方錫賢1，翟東曉2，許德云1,李辛來1,李北洋1，吳愛紅3

傳統的水平井地質導向更多地依賴于巖性、氣測、隨鉆測井資料。在分析巖石熱解錄井資料的價值、縱橫向剖面有機質特點以及巖石熱解錄井各項資料后，提出了采用巖石熱解錄井S2數據進行頁巖油氣水平井地質導向的新思維。介紹了巖石熱解錄井資料在選擇 “對比標志層”、缺少對比參照井的水平段導向、有參照井的水平段地質導向的應用方法，對巖石熱解錄井分析密度提出了相應建議。

頁巖油氣水平井；巖石熱解S2數據；地質導向

涪陵頁巖氣勘探取得突破，標志著中國頁巖氣商業開發階段的到來。而頁巖油氣勘探開發主要技術之一就是“長井段水平井+分級壓裂”。頁巖油氣水平井地質導向資料除了反映井斜軌跡外，反映地層的資料主要是隨鉆測井資料、巖性資料和氣測資料，這些資料各有優點[1-2]，本文不再贅述。不同資料從不同側面反映地層信息，井場錄取到的每一項資料都有其價值，巖石熱解錄井資料具有自身的特點，在頁巖油氣水平井地質導向上具有獨特的作用。

1 巖石熱解錄井資料應用于頁巖油氣水平井導向中的可能性分析

1.1 巖石熱解錄井技術為頁巖油氣井錄井基本技術

巖石熱解錄井資料被廣泛應用于儲油巖評價中，但早期巖石熱解錄井及目前實驗室分析所獲得的巖石熱解資料主要是用于烴源巖評價[3]。好的頁巖氣層首先應是好的烴源巖層，由于有機質豐度(TOC)、有機質成熟度兩個評價頁巖氣必選指標[4-5]均可通過現場巖石熱解錄井獲得，因此巖石熱解錄井成為頁巖油氣勘探開發的基本錄井技術，這為利用巖石熱解錄井資料開展水平井地質導向提供了資料基礎。

1.2 縱向剖面有機質存在著非均一性

1.2.1 不同時間單位沉積的頁巖層有機質含量不同

頁巖沉積成巖是一個復雜漫長的過程，黏土沉積物、有機質沉積后要經過壓實、黏土礦物轉化、黏土礦物脫水作用等過程。在這個漫長的成巖過程中，不同時間沉積環境的不同，導致不同時間單位巖層有機質含量不同。

從圖1可以發現，巖層中的TOC含量與黏土礦物含量呈正相關，與石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物含量呈負相關。

圖1 Y1井巖石熱解錄井TOC及S2數據與礦物含量對比

1.2.2 同一巖層縱向上排烴能力存在著差異

烴源巖中的有機質成烴以后，烴源巖生成的油氣要從烴源巖排出，通常情況下，烴源巖頂底部由于接近儲集巖較容易排出，而烴源巖中部生烴的油氣必須先運移到烴源巖頂底才能向外排出，因此相對于烴源巖頂底部，位于中部的烴源巖排烴較困難。Tissot、Pelet分析了阿爾及利亞泥盆系生油巖中有機抽提物的族組分含量，發現頁巖邊部14 m厚度中烴類的含量向儲集層方向減少[6]，上述遞減現象的出現反映同一巖層縱向排烴能力存在差異。

1.3 同一區域同一時間沉積地層的有機質相近

在頁巖油氣水平井地質導向中，常采用鉆“導眼井”或采用鄰井作為地層對比依據，“導眼井”、鄰井與水平井A、B靶的水平距離通常不會超過4 km，由于距離較短，并且頁巖沉積反映的是靜水環境，遠離岸邊，在這樣距離與水體環境下，同一沉積時間的生物種類、豐度相近，古氣候、營養物質、水體環境、物源相同，沉積后經歷的成巖作用相同，因此，同一時間單位頁巖層有機質豐度、類型、成熟度相近。

縱向上不同時間單位沉積的頁巖有機質含量存在著差異，與橫向上鄰井之間頁巖有機質指標相近，這為對比分析提供了依據。

2 地質導向中的巖石熱解錄井資料應用選擇

巖石熱解錄井烴源巖評價通常包括S0、S1、S2、S4、Tmax等原始參數及一系列派生參數，其中S0反映的是氣態烴(C1～C7)的殘余量，S1反映的是液態烴 (C8～C32)含量，S2反映的是在300～600 ℃溫度下C33及以上有機質(干酪根、瀝青質、膠質等高聚合有機質)含量；S4反映在 600℃ 下不能裂解的殘余有機碳；Tmax為S2峰的最高點相對應的溫度，反映的是頁巖中有機質的成熟度。

從鉆頭破碎巖石到巖屑上返井口的取樣分析過程中，受鉆井液沖刷、烴類物質逸出巖屑進入鉆井液、空氣的影響，巖石熱解錄井分析結果并不能真實地反映地層有機質含量。有機質損失程度與有機質豐度、樣品顆粒大小、油質、分析及時性有關，有機質含量越高、樣品顆粒越小、油質越好、分析越晚，有機質損失量越大[7]。巖石熱解錄井分析的S0、S1、S2參數中，S0值損失最大，完全不能反映地層真實吸附氣量；S1值損失較大，在分析及時情況下，依據相關參數進行恢復可以一定程度上反映地層S1值；S2值只有在高溫下才能分析得到，在低溫條件下S2值不受擱置時間影響[3]，因此，最能真實反映地層的是S2值。

頁巖巖石熱解錄井分析結果TPI值較低，S2值與S0、S1值相比占絕對優勢，S2值與TOC呈正相關，且相關性強(圖1)，S2值又具有穩定性，不受擱置時間影響，便于新老井對比的優勢，故應用巖石熱解資料進行頁巖油氣水平井地質導向時主要選取S2資料作為導向參數。

3 在選擇對比標志層上的應用

對導眼井或鄰井資料進行對比分析，掌握縱向上地化資料特征，結合巖性資料、氣測資料選取“對比標志層”。

巖石熱解錄井“對比標志層”原則是選取泥頁巖層，其地化分析值平面分布相對穩定，縱向上與上下地層具有明顯差異(高或低)。特別是要注重選取巖性、顏色沒有明顯變化，但地化S2值有明顯變化的地層，用于作為巖性“對比標志層”的輔助。同時選擇“對比標志層”時應注意大段與小層結合，大段用來判斷變化趨勢，小層用于跟蹤對比。

4 在水平段地質導向中的應用

頁巖地層為靜水環境沉積，遠離物源，層內巖性差異少，單純依據巖性資料難以準確識別鉆井軌跡在巖層內的縱向位置、判斷地層產狀、調整鉆井軌跡。通過對巖屑樣品連續巖石熱解分析，利用縱向上地層有機質含量的變化，可以彌補巖性識別的不足，確定靶軸深度，保證鉆井軌跡在層內最佳位置鉆進。

4.1 缺少對比參照井時巖石熱解錄井資料的應用

當缺少參照井(鄰井、導眼井)或參照井較遠時，利用錄井資料判斷水平段地層產狀、確定靶軸在頁巖層內縱向的位置就顯得更為重要。

一定的地層形成于一定的地質環境，地層界線與一定的地質事件相關。不同的地質事件影響著生物的生存與地層的變化，從而導致不同地質時期沉積巖有機質豐度、類型、成熟度發生突變。

將隨鉆巖石熱解錄井資料和巖性剖面資料與區域上不同地層界線識別標志進行對比，可以確定實鉆不同地層界面的深度，并與地震資料、設計預測資料對比，依據其差異調整預測深度。在接近目標地層過程中，結合區域性標準層資料，逐漸精準預測目的頁巖層埋深，然后結合預測地層產狀，選擇合適的角度探鉆目的頁巖層。

由于頁巖氣以吸附、游離兩種狀態蘊藏于頁巖地層中，好的頁巖氣層段氣測值、地化S0值均較高。在缺少對比參照井時，應采用鉆穿巖層內縱向氣測異常顯示最好、巖石熱解錄井S0值相對較高的層段,然后鉆井軌跡反轉、向上鉆井的方式來判斷水平層段地層視傾角。由于同一時間單位沉積地層有機質含量及S2值在橫向上具有穩定性，通過繪制軌跡跟蹤圖(圖2)，對比不同鉆井軌跡的S2曲線，可以較好地確定同一頁巖層縱向上同一沉積時間沉積地層的高差、位移差，兩個差值的比值就是地層上升(下降)速率，利用地層上升(下降)速率，可以計算不同水平位移下氣測、地化S0最好層段的深度，將其作為靶軸，用于調整鉆井軌跡。

圖2 Y1HF井地質導向跟蹤軌跡

圖2是Y1HF井實鉆導向圖，結合其它資料可以將目的層劃分3個層段，其中第1、3層段氣測異常、巖石熱解錄井S2異常明顯，本井下穿鉆到第3段地層時，氣測、地化異常明顯變差，決定將軌跡重新調整至第1段地層內。從圖2中可以發現，鉆井軌跡向上鉆進過程的地化S2曲線與向下鉆進過程的地化S2曲線對比性良好。通過分析鉆井軌跡上、下行過程S2曲線相同特征點，結合不同對比點位移及垂深變化，計算地層軌跡方向地層下降速率2.4m/100m，依據這一數據準確地預測不同位移下靶軸的垂深數據，沿這一數據鉆進，巖石熱解錄井S2異常數據基本保持一致，氣測也處于明顯異常顯示(高值)狀態，順利完成本井地質導向工作。

4.2 有參照井時地化資料的應用

在鄰井較近或有導眼井時,采用巖石熱解錄井資料進行水平井導向就較為簡單,除采用上述軌跡方法判斷地層視傾角外,較常用的是厚度法。

4.2.1 不同標志層之間的厚度變化

將實鉆斜井段兩個巖石熱解錄井標志層對比點深度換算成“垂深”，將兩個“垂深”差與參照井(直導眼井或直鄰井)兩個標志層相同對比點之間厚度加以比較，利用兩井之間的厚度差與斜井段鉆遇兩個標志層對比點之間位移差相比，可以求得本井兩個標志層地層的地層上傾(下降)速率，進而采用“等厚法”、“虛似井完善微構造圖法”預測A、B靶埋深，具體方法在本刊的“非常規油氣水平井地質導向方法探討”[8]、“水平井地質導向技術在油氣目的層預測中的應用”[9]等文章中有較多介紹，本文不再贅述。

4.2.2 頁巖目的層內的厚度變化

頁巖為靜水沉積，地層沉積厚度基本相同，沉積后作用基本相同，因此平面上頁巖較為穩定，厚度變化較小，這為層內采用厚度法判斷地層產狀奠定了基礎。

正如上文所述，頁巖油氣目的層內有機質含量縱向上有差異，表現在巖石熱解錄井資料上就是S2等參數在縱向上有變化，通過對參照井地化資料的分析，形成垂深S2曲線用于標定地層，可以實現伽馬、電阻曲線部分地層對比功能，彌補頁巖地層巖性差異不明顯、難以識別縱向剖面上同一巖層內不同部位地層的不足。實鉆過程將S2分析值結合井斜資料制成“校直”曲線，將參照井S2曲線與實鉆目的頁巖層S2曲線對比，可以簡易地判斷鉆頭在頁巖層縱向的位置。計算本井兩個對比點之間的厚度與鄰井對應對比點之間的厚度差及本井鉆達兩個對比點間的位移，依據“水平井地質導向技術在油氣目的層預測中的應用”[9]介紹的方法，計算出地層視傾角，進而預測不同位移靶軸深度。

Y1井是一口頁巖油氣井(圖3)，其剖面圖是“校直圖”，S1井是Y1井的鄰井，其剖面圖是直井圖。從中可以看出，Y1井校直厚度與S1井一致，說明Y1井水平段呈水平狀態。對比兩井S2曲線，可以發現Y1井2 404 m處對應S1井2 490 m處(頁巖油氣層靶層頂界，這一對比方案與采用電測曲線對比結果一致)。從中可以看出，Y1井最低點處(2 445.8 m井深)正好對應S1井本頁巖層底界(2 509.5 m井深)，其后鉆井軌跡開始上行，達到預期目的。