石油天然氣工程

基于CT掃描技術研究頁巖水化細觀損傷特性

馬天壽，陳平

摘要：目的：井壁失穩問題是鉆井工程中經常遇到的復雜問題之一，在硬脆性頁巖地層鉆水平井使井壁失穩問題更加突出，容易導致卡鉆和埋鉆等井下復雜事故，嚴重時甚至導致井眼報廢，造成巨大的經濟損失。泥頁巖井壁穩定研究難點在于力學-化學的耦合，其中頁巖水化問題是研究的關鍵，但現有方法并不能有效解決該問題。利用CT掃描技術和數字圖像處理技術，探索建立定量評價頁巖水化引起的細觀損傷特性的方法，以期為定量研究頁巖水化問題提供新的思路和方法。方法：為了研究頁巖水化過程中的細觀損傷特性，將巖樣在常溫、常壓環境中以清水進行浸泡，并在不同的水化階段（初始、5 d后、10 d后和15 d后），采用MicroXCT-400型CT掃描儀沿垂直方向對巖樣進行上、中、下3個斷面的掃描。通過對CT掃描圖像進行灰度圖像直觀分析、偽彩色增強處理，揭示頁巖水化過程中微裂隙起裂到宏觀破壞的演化過程；采用最大方差自動取閾值方法對CT掃描圖像進行分割處理，并以完整度與破損度計算、灰度直方圖分析輔助確定最佳分割閾值。選擇以空隙面積為基準的損傷變量來定量描述頁巖水化細觀損傷特性，并根據CT圖像分割處理后得到的二值化圖像，統計計算頁巖水化過程中出現的微裂隙、孔隙等純白色區域的像素數，從而得到損傷變量的演化規律。結果：從CT掃描圖像及其灰度直方圖分析發現：浸泡前期巖樣內部微裂隙快速形成，這是產生水化損傷的主要時期；隨著浸泡時間的增加，主要發生微裂隙的拓展，但拓展過程十分緩慢；CT灰度圖像可以比較直觀地顯示頁巖巖樣內部的細觀損傷及其拓展情況，通過CT圖像灰度直方圖可以動態、定量地分析頁巖水化損傷的演化過程，灰度直方圖由單峰型變為雙峰型是頁巖內部損傷急劇增加的標志。采用CT圖像偽彩色增強技術和CT圖像完整度與破損度分析技術，可以提高肉眼對CT掃描結果的視覺分辨力，且CT圖像完整度和破損度是對CT數的歸一化處理，便于定量分析頁巖水化細觀損傷。采用最大方差自動取閾值方法對不同水化階段頁巖巖樣的CT圖像進行了分割，得到二值化圖像。在此基礎上，選擇以空隙面積為基準的損傷變量，根據損傷變量的定義，對二值化圖像進行統計分析，得到了水化過程中損傷變量與浸泡時間的關系，形成了定量描述頁巖水化損傷特性的新方法。損傷變量定量分析結果表明：頁巖巖樣在清水中浸泡后，損傷變量逐漸增加，增加幅度隨浸泡時間的增加而變緩；頁巖水化后的細觀損傷主要發生在浸泡前期，這一階段是細觀損傷的起始階段和快速演化階段，此后，隨著損傷變量持續而緩慢的增加，頁巖巖樣最終將發生宏觀破壞。結論：針對頁巖地層鉆井井壁穩定研究中的頁巖水化問題，提出了基于CT掃描技術的頁巖水化細觀損傷特性定量評價方法，通過定量描述頁巖水化過程中產生的細觀損傷，可揭示頁巖水化的本質原因及其演化的機理，可為定量研究頁巖水化問題提供新的思路和方法。

來源出版物：石油勘探與開發, 2014, 41(2): 227-233

入選年份：2015

新型大斜度井同心分層注水技術

劉合，肖國華，孫福超，等

摘要：目的：針對現有偏心分層注水工藝井下水嘴投撈成功率低、儀器與水嘴對接效率低以及分層流量測試精度低、難以滿足大斜度井分注和測調需要的問題，提出了新型大斜度井同心分層注水工藝技術，為解決大斜度井的分層注水和測調難題提供了一種新的工程技術手段。方法：該技術采用同心測調方案，測試儀器與井下配水器采用四筆尖定位設計，井下電纜控制儀到達筆尖位置后，無需旋轉導向，直接導入定位臺階，實現井下儀器與配水器同心精確定位，大斜度井對接成功率高。井下可調配水器、電纜直讀驗封儀和電纜直讀儀是技術的核心。井下配水器采用同心調偏心閥結構設計，在中心通道調節，滿足大斜度井儀器對接的需要，水量調節采用偏心閥設計，通過閥芯和閥套的相對開度來調整注水量。這種結構設計使得井下可調配水器全關狀態漏失量小，調節扭矩小，同等壓差條件下阻力小，配水更加容易。采用橋式通道設計，可以有效消除層間干擾的影響，提高測調效率。在封隔器驗封方面，設計了集成油管壓力、地層壓力和皮囊壓力等3個壓力傳感器的電動直讀驗封儀器，可以實現在線直讀驗封，在線監測井下儀器的工作狀態和封隔器的密封狀態，一次下井完成全部驗封作業。在測調方面，兼容集流測試和非集流測試功能，滿足不同注水量的測試需求。測調儀具有電動控制的雙皮囊，主動密封和解封，坐封解封可靠，結合井下高精度電磁流量計實現了分層流量的直接測試，無需逐層遞減計算流量。同時，集流測試過程中，儀器在大斜度井能夠確保處于居中狀態，流量測試精度不受井斜和油管內壁結垢影響，流量測試精度高，對小水量測試適應性更強。測調期間可以實現任意層段分層流量、壓力、溫度等多個參數的在線直讀測試以及配注量的自動測調，無需投撈作業，顯著提高了測調效率。結果：該技術自2014年4月以來，在中國石油冀東、吉林等油田現場試驗11口井，最大井斜55°，新型大斜度井分層注水工藝最多實現了5個層段的分層注水，儀器測得最高溫度135℃，最高壓力57 MPa，最小注入量7 m3/d。11口井的儀器與配水器一次對接成功率達100%，調配電流50～80 mA，流量測試實現了單層直讀測試，無需逐層遞減計算流量，減少遞減法測試帶來的誤差，室內實驗流量測試誤差在5%以內，3000 m井深、3層段注水井平均測調時間在1 d以內，與采用現有偏心技術的大斜度井測調工藝相比，測調效率提高了40%～60%，測試精度提高了30%～50%。結論：提出一種新型大斜度井分層注水工藝技術，介紹了核心工具設計和儀器設計，并給出典型應用案例。這套工藝具有同心對接、同心調整、偏心閥設計、橋式通道、電纜直讀測調、電纜直讀驗封等特點。井下連續可調配水器漏失小，調節扭矩小，同等壓差條件下更容易調動。電纜直讀測調儀能實現單層流量直接測試，無需逐層遞減計算流量，流量穩定性好，測試精度高，且流量測試不受井斜和油管內壁結垢影響。電纜直讀驗封儀采用三壓力傳感器，井下皮囊密封狀態可通過皮囊壓力傳感器實現監測，驗封過程直觀、準確，密封狀態可監測，一次下井完成全部驗封作業。現場試驗表明：這項技術在施工成功率、測調效率和測試精度等方面都比現有偏心分層注水技術有較大幅度的提高。

來源出版物：石油勘探與開發, 2015, 42(4): 512-517

入選年份：2015

深層油氣地質理論研究進展與主要發展方向

賈承造，龐雄奇

摘要：目的：含油氣盆地深層系指埋深超過4500 m的地層領域。截至2010年，全球已發現200個埋深超過4500 m的含油氣盆地，發現了1477個深層油氣藏。中國塔里木盆地在深層和超深層發現的石油天然氣儲量所占比率已從2000年的66%上升到2013年的92%，勘探前景廣闊。隨油氣勘探工作的日益深入和含油氣盆地中淺層大部分油氣藏被勘探和開發，油氣勘探逐步走向深部，已成為一種必然的選擇，開展深部油氣資源研究，揭示深層油氣藏的油氣地質特征、研究深層油氣最新進展、探討深層油氣地質與勘探發展方向對于增大油氣后備儲量，緩解中國油氣短缺壓力，降低能源風險具有迫切的現實意義。方法：以全球深部油氣勘探的最新資料為基礎，對世界含油氣盆地深部油氣地質特征和油氣藏研究進展進行了歸納和總結，就國內外學者在含油氣盆地深部油氣地質與油氣成藏方面的研究進展和發展方向予以總結和介紹。結果：研究表明，含油氣盆地深層油氣成藏條件獨特，已發現油氣藏的地質特征和分布特征與中淺層油氣藏有顯著差異。首先，含油氣盆地深層油氣成藏具有4方面獨特地質條件：具有較高溫度和較高壓力成藏條件、具有相對致密的介質條件、具有更加封閉的還原環境、具有廣泛連續的成藏空間。其次，含油氣盆地深層油氣藏顯現出四大地質特征：深層油氣藏儲集層巖石類型多種多樣，但以碎屑巖和碳酸鹽巖為主；深層已發現油氣藏的孔滲特征變化范圍大，與常規油氣藏類同；深層油氣相態特征復雜，但具有隨埋深增大含氣量比率增加的總趨勢；油氣藏溫壓變化范圍較常規油氣藏大。最后，含油氣盆地深層油氣藏分布具有3方面特征：主要分布在3類含油氣盆地之中（被動陸緣盆地、前陸盆地和裂谷盆地）；主要分布在5套目的層系內（新近系、古近系、白堊系、侏羅系、上古生界）；主要分布在深部埋深相對較淺（4500～6000 m）的地層之中。近20年來，在含油氣盆地深層構造與地質環境、深層碎屑巖有效儲層和碳酸鹽巖有效儲層、深層油氣來源與評價方法、深層油氣成藏與分布規律、深部油氣相態特征與油氣藏保存等6個方面的研究取得了重要進展。目前深層油氣勘探面臨系列挑戰，突破當前困局需要開展7個方面的研究，包括：提高深層資料品質、增加深層信息探測手段和數據處理技術、強化構造過程與溫壓場演化歷史研究、開展儲油氣層演化動力學過程研究、加強油氣地球化學與油氣資源評價研究、揭示高溫高壓和低孔低滲等非常規條件下油氣藏成因機制研究、建立深層油氣地質學與深層油氣勘探新理論并研發配套新技術。結論：含油氣盆地深層油氣成藏具有獨特的與含油氣盆地淺層有顯著差異的地質條件、地質特征和油氣藏分布特征，因此不能套用中淺層油氣成模式與勘探經驗指導深層油氣藏預測與勘探；油氣地質理論的研究主要在含油氣盆地構造分析、沉積儲層預測與評價、油氣生成與運聚成藏、油氣藏分布規律與勘探方法等6個方面取得了重要進展，但深層油氣勘探依然面臨著諸多挑戰，要提高深層油氣勘探成效就必須面對當前挑戰并解決好相關問題，堅持從7個方面的研究進行突破，這是油氣地質與勘探研究人員應該擔當的責任。

來源出版物：石油學報, 2015, 36(12): 1457-1469

入選年份：2015

應用CT分析及核磁測井預測碳酸鹽巖產氣量

李寧，王克文，張宮，等

摘要：目的：產氣量預測是目前中國中西部深層碳酸鹽巖儲集層測井評價的核心任務之一，但產氣量準確定量評價非常困難，對孔隙結構復雜、非均質性強的碳酸鹽巖儲集層而言，評價難度更大。儲集層孔隙度與滲透率特性是控制產氣量最重要的因素，本文擬建立一種以客觀評價碳酸鹽巖儲集層孔隙度與滲透率特性為核心的產氣量預測方法，以提高碳酸鹽巖儲集層測井評價精度，有效指導試油選層。方法：應用高分辨率CT測試獲取碳酸鹽巖巖心三維孔隙結構。綜合考慮碳酸鹽巖非均質孔隙結構特征和目前工業CT測量的分辨率，定義CT70孔隙度為直徑大于70 mm的孔隙體積占整個巖樣體積的百分比，用以客觀描述非均質碳酸鹽巖孔隙特性。通過對四川盆地重點探區碳酸鹽巖三維CT數據及試氣資料分析，明確產氣量與CT70孔隙度之間的函數關系，建立產氣量預測模型。利用雙重介質有效介質近似理論進一步驗證所建立的產氣量預測模型，并分析了其參數的物理意義和取值規律。通過巖心CT與核磁T2譜相關關系的分析，建立了利用核磁T2譜確定模型參數、預測產氣量的方法。最后，利用實際測井資料及試氣結果，分析討論預測方法的準確性及適用條件。結果：四川盆地重點探區A1、A2和A3井碳酸鹽巖CT70孔隙度與試氣資料分析表明，儲集層單位有效厚度日產氣量與CT70孔隙度具有很好的相關性，即隨著CT70孔隙度增大，單位有效厚度日產氣量顯著增加，二者之間存在指數函數（以e為底）關系。據此建立了基于CT70孔隙度的產氣量預測模型，該模型包含a和b兩個待定參數。研究區另外3口重點探井的試氣結果驗證了預測模型的可靠性。雙重介質有效介質近似理論分析結果證明孔洞型儲集層產氣量與CT70孔隙度之間確實存在指數函數關系。進一步數值分析表明產氣量預測模型中參數a主要反映均勻基質的特性，其數值大小主要受基質滲透率K1影響；參數b主要反映高滲透孔洞體系對有效滲透率提高的幅度，其大小取決于孔洞體系滲透率K2與基質滲透率K1的比值（K2/K1）。巖心CT、核磁T2譜之間相關關系分析表明二者表征孔隙總體分布規律一致：CT測量的大孔隙對應于核磁T2譜右端（孔隙半徑較大），CT測量的小孔隙對應于核磁T2譜左端（孔隙半徑較小）。基于這一相關關系建立了CT-核磁同比例轉換關系式。巖心CT、核磁資料分析結果表明與CT70孔隙度對應的巖心核磁特征值為20 ms。巖心CT與核磁測井資料分析表明CMR型核磁儀器CT70孔隙度核磁特征值為20 ms，P型核磁儀器CT70孔隙度核磁特征值較大，為54 ms。利用CT-核磁同比例轉換關系建立了利用核磁測井資料進行產氣量預測的方法，主要步驟為：（1）根據核磁儀器的類型確定與CT70孔隙度對應的核磁T2特征值；（2）利用核磁測井資料計算各試油層段的CT70孔隙度；（3）利用預測模型進行產氣量預測。結論：CT70孔隙度既反映儲集層主要儲集空間也反映儲集層滲流能力。對于非均質孔隙-孔洞型碳酸鹽巖儲集層，其產氣量與CT70孔隙度之間存在指數函數關系。通過CT-核磁同比例轉換可確定與CT70孔隙度對應的核磁孔隙度及核磁T2特征值，從而利用核磁測井資料預測產氣量。應用CT70孔隙度預測產氣量方法考慮了影響產氣量最核心、最關鍵的因素，且模型簡單，參數易于確定，重點探區試氣結果證明該方法可靠。CT70孔隙度產氣量預測主要適用于含氣飽和度高且相對穩定的孔隙型和孔隙-孔洞型儲集層。孔隙-微裂縫型儲集層慎用，裂縫型儲集層則不適用。

來源出版物：石油勘探與開發, 2015, 42(2): 150-157

入選年份：2015

滇黔北地區筇竹寺組高演化頁巖氣儲層微觀孔隙特征及其控制因素

梁興，張廷山，楊洋，等

摘要：目的：揚子板塊及其周緣下寒武統筇竹寺組黑色、灰黑色泥頁巖，是華南地區海相地層的優質烴源巖之一，具有良好的生烴潛力和頁巖氣資源潛力。近年來，國內許多學者對頁巖氣賦存狀態、成藏條件等進行了研究，但對優質泥頁巖沉積環境精細研究、頁巖氣微觀儲集空間特征及其發育機理、富氣程度等方面研究相對較少，而且已鉆井揭示揚子地區下寒武統筇竹寺組頁巖層富氣程度明顯不如下志留統龍馬溪組。為查明這種狀況的原因，開展了滇黔北地區筇竹寺組高演化頁巖氣儲層微觀孔隙特征及其控制因素的研究，為弄清筇竹寺組泥頁巖儲氣本質以及頁巖氣的勘探開發提供有力技術保障。方法：以滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區地震勘探、地質調查、鉆測井等資料成果為基礎，在區域構造地質背景、沉積微相研究基礎上，采用環境掃描電鏡、原子力顯微鏡以及比表面積測試等系統方法，一體化開展筇竹寺組頁巖儲層微觀孔隙類型、結構特征、定量統計分析，剖析微孔隙發育的控制因素。結果：滇黔北地區筇竹寺組分為兩個巖性段，下段以灰黑、黑色泥頁巖為主，底部見硅質泥頁巖，為深水陸棚沉積，上段顏色變淺、灰質、粉砂質含量增加，巖性主要為灰色深灰色泥頁巖，為淺水陸棚沉積。泥頁巖主要發育納米級為主的微觀孔隙，發育黏土礦物層間孔、有機質孔、晶間孔、礦物鑄模孔、次生溶蝕孔等多類型的基質微觀孔隙。液氮吸附分析顯示頁巖比表面積為1.915～7.691 m2/g，平均為5.185 m2/g；孔體積為0.0051～0.0108 mL/g，平均為0.0080 mL/g；平均孔徑為538～10.85 nm。利用ArcGIS對AFM和SEME圖像分析，顯示筇竹寺組孔隙面積為167～122069 nm2，平均為4016～5586 nm2，面孔率為4.575%～4.582%，與龍馬溪組頁巖相比，筇竹寺組頁巖具有微觀孔隙數量多、孔徑小、單孔面積小、面孔率大的特征。結論：滇黔北探區呈過成熟狀態的筇竹寺組富有機質的優質泥頁巖主要形成于厭氧泥質深水陸棚相帶。液氮吸附實驗結果表明筇竹寺組泥頁巖比表面積和孔體積均較大，并具有良好的正相關性，主要發育小于10 nm的小孔，孔徑范圍在1～8 nm的孔隙對比表面積、孔體積的貢獻最大。采用比表面積與孔體積測試、掃描電鏡、原子力顯微鏡相分析相結合的方法和ArcGIS統計工具顯示，筇竹寺組泥頁巖微孔隙具有數量多、面孔率大、孔比表面積較大的孔隙特征。筇竹寺組頁巖氣儲層微觀孔隙發育演化主要受控于TOC、干酪根類型、黏土礦物類型與含量、熱演化程度等因素，其中以熱演化程度的影響最為明顯——頁巖在達到過成熟狀態之后，其比表面積和孔體積急劇減小，影響了頁巖氣的吸附儲集能力。對于研究區已處于過成熟中后期的該區筇竹寺組頁巖層，長期的地質作用過程和過高熱演化程度嚴重制約了其微觀孔隙發育，呈現微孔隙驟減和比表面積、孔體積明顯較小的情形，不利于頁巖氣的吸附儲集，由此導致該區筇竹寺組頁巖氣富集程度不如龍馬溪組的結局。其他：滇黔北探區呈過成熟狀態的筇竹寺組頁巖氣儲層微觀孔隙發育演化主要受控于TOC、干酪根類型、黏土礦物類型與含量、熱演化程度等因素。其中以熱演化程度的影響最為明顯，因此長期的持續深埋地質作用過程和過高熱演化程度嚴重制約了其儲集性能，并導致筇竹寺組頁巖氣富集程度不如龍馬溪組的狀況。后期研究中應針對筇竹寺組頁巖層含氣非均質性、孔隙結構特征及主控因素，完善有利區優選的方案，優選出可能存在的頁巖氣勘探有利區。推薦意見：中國目前的頁巖氣勘探甜點區主要集中在華南地區的古老海相地層，目的層包括下志留統龍馬溪組和下寒武統筇竹寺組，已鉆井揭示后者頁巖層富氣程度明顯不如前者。分析并查明了產生這種差異性的原因，為弄清筇竹寺組泥頁巖儲氣本質以及頁巖氣勘探開發選區提供了有力的技術支撐。

來源出版物：天然氣工業, 2014, 34(2): 18-26

入選年份：2015