蔣裕強 付永紅 謝 軍 董大忠 周克明程曉艷 漆 麟 張海杰 陳 超 馬廷虎 谷一凡
1. 西南石油大學地球科學與技術學院 2. 中國石油非常規重點實驗室儲層評價實驗室 3. 中國石油西南油氣田公司4. 中國石油勘探開發研究院 5. 四川頁巖氣勘探開發有限責任公司6. 中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院 7. 重慶頁巖氣勘探開發有限責任公司
頁巖氣儲層評價一直是頁巖氣地質評價選區、“甜點區”及建產核心區優選的關鍵,明確儲層靜態基本屬性特征和開發動態參數變化規律,對于實現頁巖氣高效開發具有重要的意義。隨著中國頁巖氣勘探開發快速有序地向著頁巖氣規模化開采推進[1],對儲層評價又提出了更高的需求。為什么部分儲層品質較好甚至相當好的頁巖氣井出現低產,而儲層品質略差的頁巖氣井卻出現高產,是亟待解答的問題。因此,完善儲層評價內容與標準,使頁巖氣選區、選層更加精準,有助于頁巖氣的有效開發,促進頁巖氣增產和上產,推動頁巖氣產業的大發展。
2010年,Sondergeld等[2]從巖石物理性質方面進行了頁巖氣儲層評價,分為儲集能力、氣體流動能力和儲層改造能力等3大類,包含了巖石礦物組成、總有機碳含量(TOC)、孔隙度、含水飽和度、滲透率和可改造性質;Chelini等[3]在原儲層評價內容的基礎上新增了頁巖氣儲層非均質性;蔣裕強等[4]通過對比美國頁巖氣儲層與我國南方海相頁巖氣儲層特征與差異性,率先提出了頁巖氣儲層評價內容與標準,該標準系統性地涵蓋了頁巖氣儲層的有效厚度、儲層地球化學指標(TOC和Ro)、儲層儲集指標(孔隙度、滲透率、含氣性、含水飽和度)及可壓裂性指標(脆性礦物組成、泊松比、楊氏模量)。2011—2012年,Clarkson等[5-6]在前人的儲層評價基礎上增加了孔徑分布、毛細管壓力、相對滲透率、電學性質、吸附氣含量等參數,并形成了較為全面的儲層評價流程。2015年,Miriam等[7]提出了一種采用熱解—傅里葉變換紅外光譜法快速評價頁巖氣儲層含氣靶體位置和質量的方法。此后的頁巖氣儲層評價內容都是在以上儲層評價內容基礎上針對某個指標或某個參數進行深入研究,例如:含氣性多研究游離氣和吸附氣的比例;孔徑分布主要研究有機孔多少及孔徑分布范圍及其控制因素;可壓裂性由脆性指數和韌性指數直接評價,同時也加入了水平主應力差等。隨著頁巖氣勘探開發不斷深入,逐漸認識到現有儲層評價內容均為水力壓裂前的靜態參數指標,缺乏頁巖氣儲層有效性和壓后動態參數評價內容。目前儲層評價只能反映出儲層內是否有豐富的頁巖氣資源和可壓裂能力,并不能回答哪些孔隙的頁巖氣能有效開發、哪些屬性是影響壓后頁巖氣開采的關鍵因素以及壓后排采措施是否合理等難題。因此,完善儲層評價內容與標準,評價儲層有效性、評價“自動緩解水鎖”潛力,優化壓裂液體系和排采措施,有利于更好實現地質—工程一體化進程,推進頁巖氣的高效開發及頁巖氣產業的大發展。
為此,筆者基于現有的頁巖氣儲層評價方法,分析頁巖氣儲層靜態評價的不足及其面臨的挑戰,初步探討了頁巖氣儲層有效性評價方法,嘗試建立頁巖壓后動態評價參數體系,提出了一套適合我國海相頁巖氣儲層“靜—動”結合的頁巖氣儲層綜合評價方案,使地質與工程有機結合,以期為頁巖氣的高效勘探開發提供科學的依據。
孔隙度是頁巖氣儲層評價的關鍵,包含總孔隙度和有效孔隙度。目前,頁巖氣儲層總孔隙度和有效孔隙度的理解及測量方法尚無統一標準,不同實驗室或不同測量方法對同一樣品的孔隙度測量結果差異顯著(圖1、表1),該差異可達1~3倍[2],給儲層評價帶來了困難。

圖1 不同方法測量Z202井頁巖孔隙度結果對比圖

表1 不同頁巖樣品閉孔率計算結果統計表
國內外頁巖氣儲層孔隙度測量認可度較高的巖心分析方法有兩種:GRI方法和GB/T 29172—2012巖心分析方法。前者測量孔隙度時會將巖石破碎,可探測巖石中大量不連通的孔隙空間;后者測量柱塞樣孔隙度,無法探測不連通孔隙空間。因此,GRI方法孔隙度可認為是巖石總孔隙度,柱塞樣孔隙度可認為是連通孔隙度。此外,國內常常以干燥90 ℃后的柱塞樣孔隙度作為頁巖總孔隙度,導致有效孔隙度認識差異較大。頁巖礦物組分多樣, 黏土礦物含量高,黏土礦物束縛水含量有較大差異(圖2)。以下問題亟待解答:測量孔隙度時,黏土礦物束縛水是否應該去除?頁巖孔隙結構復雜,孔徑小,吸附能力強,測量氦氣孔隙度是否需要抽真空?氦氣注入壓力多高才能充分飽和樣品等。

圖2 不同井頁巖干燥90 ℃后核磁共振T2譜圖
頁巖氣儲層分類評價通常劃分為Ⅰ~Ⅲ類儲層,各類儲層的孔隙度下限各不相同,尤其是Ⅲ類儲層孔隙度下限值較小(小于2%)[1]。如果不能準確測量頁巖有效孔隙度,或評價有效孔隙度結果誤差較大,將直接影響到頁巖氣儲層分級的準確性。針對頁巖氣儲層礦物組分、潤濕性和孔隙結構的特殊性,總孔隙度和有效孔隙度評價需進一步完善,才能為頁巖氣儲量計算、有效評價儲層及采收率評價提供準確的數據。
1972年,國際理論和應用化學協會(IUРAC)根據孔隙的絕對大小將孔隙分為微孔(小于2 nm)、中孔(2~ 50 nm)和大孔或宏孔(大于 50 nm)。2012年,Loucks等[9]提出了一個泥頁巖儲層基質孔隙三端元分類方案,把基質孔隙劃分為3種類型:粒間孔隙、粒內孔隙和有機質孔隙。2017年,張鵬飛等[10]基于孔隙孔徑大小建立了頁巖油儲層的孔徑分級方案:微孔—Ⅰ(0~25 nm)、微孔—Ⅱ(25~100 nm)、介孔(100 ~ 1 000 nm)和宏孔(大于 1 000 nm)。3類主流分類方法是以孔徑大小或孔隙成因為參考依據進行劃分,無法反映頁巖氣儲層中流體的運移特征,僅從靜態的角度評價頁巖孔隙特征難以滿足頁巖氣有效開發的需求。常規儲層通常采用離心+核磁共振的方法評價孔隙有效性,但是否適用于頁巖氣儲層尚不明確。圖3-a顯示離心8 000 r/min后的核磁共振T2譜基本保持穩定,其譜峰面積占飽和核磁共振T2譜峰面積的30%左右,故離心方法可有效劃分致密砂巖儲層有效性。頁巖離心后的核磁共振T2譜下降趨勢緩慢,且下降程度小(圖3-b、c),所以離心+核磁共振的方法難以劃分頁巖氣儲層中的毛細管束縛水。由于頁巖氣開發通常采用大型水力壓裂技術,毛細管束縛水占據的空間可能被有效開發,使離心+核磁共振方法評價頁巖氣儲層有效性略有不足。因此,針對頁巖氣儲層孔隙有效性及孔隙系統定量分級需有技術攻關。

圖3 頁巖和致密砂巖不同離心轉速核磁共振T2譜圖
Testamanti等[11]采用漸變干燥方式確定頁巖氣儲層黏土礦物束縛水的T2截止值。Liu Yong等[12]利用離心和漸變干燥方法對頁巖氣儲層進行分級,認識到流體在孔隙空間中流動性質的重要性。但頁巖氣開發需采用大型水力壓裂,不連通孔隙是否被開采仍需研究(不連通孔隙占總孔隙比例最高可達69%[8])。頁巖中孔隙形狀多樣,頁巖壓裂后大量的“喇叭狀”不連通孔隙可能變成有效孔隙而被開發,正是這些閉孔或“喇叭狀”不連通孔隙的存在,為頁巖氣儲層有效性評價與劃分增加了難度。測量頁巖孔徑分布均是采用頁巖碎樣顆粒,如氮氣吸附、二氧化碳吸附、核磁凍融等實驗,但是每種測量方法的樣品顆粒大小各不相同,造成測量結果表達連通孔隙和不連通孔隙的信息不同,最終導致柱塞樣測量的孔徑分布和碎樣顆粒測量的孔徑分布匹配度低。頁巖氣儲層存在大量的不連通孔隙必將限制頁巖氣在儲層基質中的流動,這些不連通孔隙在頁巖氣開發過程中是否可采尚待深入研究。
大型水力壓裂已經成為頁巖氣成功開發和增產的主要技術手段,2×104~3×104m3壓裂液泵入頁巖氣儲層中,而壓裂液返排率往往較低(5%~40%)[13]。成千上萬噸壓裂液滯留于地層中的孔隙、裂縫中,勢必嚴重影響頁巖氣在地層中的流動。相關研究表明,壓裂液注入地層主要存在形式有3種:游離于壓裂主裂縫、游離于大孔隙及束縛于大量微孔隙[14-15],受到儲層礦物組成、孔隙含量及連通性的影響,導致不同屬性的頁巖氣儲層滯留壓裂液能力存在差異,進而影響壓裂液返排和單井產量。基于常規儲層水鎖傷害認識,提高壓裂液返排率將對降低儲層傷害至關重要[16-18],但頁巖氣儲層開發過程中表現出了明顯不同的情況。頁巖氣儲層中不僅滯留大量的壓裂液,而且黏土礦物吸水膨脹將產生大量的微裂縫[19-21],使頁巖氣儲層的滲流能力大大增加,促進頁巖氣在儲層中的滲流。美國Нorn River盆地的頁巖氣井通過延長壓裂后的關井時間(悶井)有效地提高了產氣量,說明壓裂液滲吸對氣體具有交換作用,已得到了實驗和現場驗證[22-23],表明部分頁巖氣儲層壓后具有“自動緩解水鎖”潛力。然而,“自動緩解水鎖”主要與儲層與壓裂液的相互作用密切相關,僅靠TOC、孔隙度、滲透率、孔隙結構等頁巖氣儲層評價參數不足以評價頁巖氣儲層“自動緩解水鎖”的潛力。
申潁浩等[19]認為,頁巖“自動緩解水鎖”潛力與頁巖氣儲層吸水能力、擴散能力、初始飽和度、黏土礦物含量、類型及離子含量、微裂隙形成能力相關。蔣裕強等[20]的研究表明,除了以上參數外,頁巖氣儲層潤濕性、孔隙結構和不連通孔隙多少也與“自動緩解水鎖”密切相關。雖然研究認識到部分頁巖具有“自動緩解水鎖”潛力,但不同屬性儲層的“自動緩解水鎖”潛力強弱關系不清,極大地制約了頁巖氣儲層產氣率。目前的“自動緩解水鎖”潛力評價參數和評價體系未統一,難以對頁巖氣開發提供實質性的指導。
頁巖氣儲層與常規儲層在開發方式上具有明顯差異。適合中國頁巖氣排采機制主要包含“壓后悶井”和“控壓限產”兩大排采新機制[24]。兩種排采機制都被認為具有以下優勢:①持續產生微裂縫,改善頁巖氣解吸與擴散能力,增加泄氣面積;②增加地層吸水量,減少主裂縫壓裂液含量,促進裂縫進一步擴展;③維持儲層超高能量,增加氣體彈性能;進而有效提高了頁巖氣單井產量。以上排采制度對頁巖氣儲層開發具有顯著效果,但效果差異顯著。不同“自動緩解水鎖”潛力的頁巖氣井是否應當采用相同的排采措施或悶井時長?因此,不同儲層屬性的頁巖氣井壓后釋壓與悶井時長等參數有待深入研究。針對不同屬性頁巖氣儲層,尚未提出相關排采制度與措施,對現有頁巖氣儲層評價提出了新的要求。
現有頁巖氣儲層評價內容主要針對頁巖氣勘探開發前期的選區、選層和選“甜點”,集中體現為優選地質甜點、工程甜點和經濟甜點。但缺乏頁巖氣儲層有效性評價和壓后動態參數評價,導致頁巖氣儲層評價內容不能滿足頁巖氣快速勘探開發的需求。因此,頁巖氣儲層評價內容需更加精細化,并向著頁巖壓后動態參數體系評價拓展。
頁巖氣儲層評價內容主要包含頁巖氣儲層生氣能力、儲集能力和可壓裂能力,這3方面的評價參數均是壓裂前儲層基本靜態參數,如TOC、孔隙度、含氣性、巖石礦物組分等。為更好地滿足頁巖氣勘探開發需求,部分靜態參數需要進一步挖掘,如總孔隙度、有效孔隙及孔隙系統等,進一步提高評價頁巖氣儲層的有效性。
總孔隙度是計算頁巖氣地質儲量的基本參數,若總孔隙度測量結果偏小,將導致頁巖氣地質儲量嚴重偏低。有效孔隙度是計算頁巖氣儲層探明儲量必不可少的參數,在一定程度上可反映頁巖氣的可采儲量。由于頁巖中存在大量的不連通孔隙,采用柱塞樣的方式測量頁巖的孔隙度通常只能表達出連通孔隙的孔隙體積,而忽略了不連通孔隙體積。若將頁巖巖心粉碎至一定程度,勢必打開大量的不連通孔隙,使碎樣孔隙體積大于柱塞樣孔隙體積,其差值可表達出不連通孔隙體積,也從側面反映出頁巖孔隙結構的復雜性。圖1示出,核磁共振孔隙度較氦氣孔隙度大,原因可能為:①核磁共振實驗過程中,樣品經過長時間的抽真空處理,而氦孔法沒有對樣品進行抽真空,樣品孔隙中有氣體存在,這些氣體占據了部分孔隙空間;②頁巖孔隙細小,氦氣分子在較小的注入壓力下難以充分飽和,導致氦氣孔隙度偏小。為了準確測量頁巖連通孔隙度,需建立一套抽真空和高壓飽和氦氣的實驗方法,為計算有效孔隙奠定基礎。因此,碎樣孔隙度可視為頁巖的總孔隙,柱塞樣孔隙可視為連通孔隙度。
頁巖孔隙中含有較高的含水飽和度,儲層中的水勢必將影響天然氣在孔隙中的流動[25],尤其是黏土礦物束縛水,其所占體積直接影響了可采空間的評估。圖4顯示,頁巖飽和水后的核磁孔隙度經不同溫度干燥處理測量變化可劃分為3個階段,具有3個不同的下降斜率。依據吉布斯—托馬斯方程,在一定溫度下水蒸氣分子逃逸出孔隙的能力與其受束縛力的大小呈反比。頁巖氣儲層中自由水、毛細管束縛水、黏土礦物束縛水在孔隙中賦存方式不同,受到的束縛力差異顯著。因此可根據孔隙度變化斜率差異區分不同的干燥溫度節點,進而劃分不同流體占據的孔隙空間。第①階段孔隙度下降較快,表明巖心損失的孔隙水主要以可動水和毛細管束縛水為主;第②階段孔隙度基本保持不變,這主要由黏土礦物束縛水的束縛力較強引起,故而需要更高的干燥溫度;第③階段,溫度高于120 ℃,黏土礦物束縛水開始大量損失。因此,第①階段干燥80 ℃可劃分可動水+毛細管束縛水組合;第②階段巖心基本不損失水;第③階段干燥120 ℃可劃分黏土礦物束縛水。通常情況下,可動水和毛細管束縛水可通過高速離心的方法進行確定。在此基礎上,結合漸變干燥的巖心處理方式,應用核磁共振技術將頁巖氣儲層孔隙系統進行定量分級劃分(圖5)。

圖4 不同井頁巖樣品飽和水不同干燥溫度后的核磁孔隙度變化圖

圖5 頁巖氣儲層孔隙系統劃分示意圖
采用大型水力壓裂技術實現了頁巖氣工業化開采,大規模壓裂必將打開大量不連通孔隙。因此,在評價頁巖氣儲層有效性時需建立頁巖孔隙下限,結合孔徑(連通孔隙和不連通孔隙)測試手段確定不連通孔隙的主要孔徑分布范圍,再論證不連通孔隙的壓后開采性,最終實現頁巖氣儲層孔隙有效性評價。通過計算的有效孔隙下限值,統計大于有效孔隙下限的有效孔隙體積大小(包含不連通孔隙部分),進而確定有效孔隙度。
應頁巖氣高效開發需求,壓后可開采性評價越來越被重視。目前,微地震廣泛應用于壓裂效果評估,但并不能很好地指導頁巖氣壓后的增產和排采措施。為了將儲層評價更好地為現場生產服務,就必須探尋頁巖氣儲層壓后動態評價及評價參數。
為了分析頁巖氣儲層“自動緩解水鎖”潛力差異,筆者選取川南地區深層頁巖氣井Н202井和R203井頁巖儲層巖心(巖心樣品具有相似的TOC和孔隙度,且未見裂縫;R203井黏土礦物含量略高)進行吸水膨脹測試,結果顯示出兩口井吸水量和膨脹系數具有顯著差異(圖6)。Н202井儲層單位質量巖心具有更高的吸水能力,且吸水膨脹具有持續漸變特征,持續吸水時間長。經過悶井后儲層吸水、膨脹及產生微裂縫是一個持續過程,對減少主裂縫中液體具有顯著作用。R203井儲層單位質量巖心吸水能力較弱,而吸水膨脹表現為突變特征。經悶井后,儲層吸水、膨脹及產生微裂縫快速定型,儲層孔隙或裂縫空間被壓裂液充注,基質吸收量少,不利于氣體的流動。圖7顯示,Н202井巖心自吸水后核磁共振T2譜峰出現明顯向右偏移,說明該井吸水產生微裂縫能力較強,由此可見該井可能具有較強“自動緩解水鎖”潛力;而R203井巖心自吸水后核磁共振T2譜峰并未出現明顯右移現象,表明其吸水產生微裂縫能力弱。頁巖氣儲層壓裂后具有依靠毛細管力吸水的特征,儲層潤濕性偏向(親油、親水和混合型潤濕)影響毛細管力的大小,是決定吸水滯留能力的又一影響因素,進而影響頁巖氣儲層吸水后膨脹強度和產生微裂縫的能力。由此可見,影響“自動緩解水鎖”潛力的因素包含潤濕性、吸水能力、膨脹能力、膨脹方式及吸水產生微裂縫的能力。
頁巖具有較強的吸水滯留能力才能減少壓裂主裂縫中壓裂液的體積,吸水膨脹能力強且具有持續性,才有可能促進微裂縫產生,擴展微裂縫波及范圍,增加頁巖氣泄氣面積,提高頁巖氣的采收率。“自動緩解水鎖”潛力強的頁巖氣儲層有利于減少主裂縫中壓裂液含量,提高頁巖氣流動能力(圖8)。儲層基本靜態屬性的差異將影響吸水滯留能力、吸水膨脹方式、膨脹率和吸水產生裂縫能力。通常,頁巖氣儲層壓裂后自吸過程中具有先吸水再膨脹,持續產生微裂縫,增加吸水波及范圍,其先后順序決定了頁巖氣儲層壓后動態評價參數權重的重要性,筆者提出的4大評價參數可評價頁巖氣儲層“自動緩解水鎖”潛力。

圖6 龍一11小層頁巖吸水膨脹實驗圖

圖7 龍一11小層頁巖吸水過程核磁共振監測圖

圖8 頁巖“自動緩解水鎖”示意圖
頁巖氣勘探與開發體現為先勘探找甜點,后開發評價動態特征,欲建立完整的頁巖氣儲層評價體系,離不開頁巖氣儲層靜態地質評價和壓后動態評價。因此,頁巖氣儲層靜態評價是基礎,壓后動態評價為補充。只有保障了頁巖氣儲層質量,才能實現頁巖氣工業化開采;只有建立了“靜—動”結合的儲層評價體系,才能有效地指導頁巖氣高效勘探與開發。
為了進一步實現頁巖氣儲層有效性評價和壓后動態評價,提出合理增產措施和排采制度是現階段頁巖氣勘探開發的重點。Н202井和R203井孔隙有效性及孔隙系統劃分表明,Н202井可動水及毛細管束縛水所占有效孔隙體積較大(表2)。圖6、7顯示出Н202井具有較強的吸水滯留能力、持續漸變膨脹方式、吸水產生裂縫能力強等特征,展示出較強的“自動緩解水鎖”潛力。“自動緩解水鎖”潛力弱的R203井需進一步改善壓裂液性質或其他工藝措施,以提高微裂縫產生能力。在返排措施上,由于R203井吸水能力弱,膨脹速度快,容易造成主裂縫被壓裂液充注,建議采取先排液后悶井,有利于頁巖基質對主裂縫壓裂液的吸收,從而緩解水鎖。而Н202井“自動緩解水鎖”潛力大,可適當延長壓后悶井時間,促進微裂縫在悶井過程中充分產生,增加更多的頁巖氣泄氣面積。
為了實現頁巖氣高效勘探開發,須建立“靜—動”結合的儲層評價體系,主要包含生氣能力、儲集能力、可壓裂能力、儲層有效性、“自動緩解水鎖”潛力等方面的評價參數。該評價體系既能體現頁巖氣儲層品質,又能反映儲層可采性。
基于以上分析,頁巖氣儲層綜合評價體系正從“靜態”評價向著“靜—動”結合的綜合評價體系發展,不僅包含生氣能力、儲集能力、可壓裂能力等靜態儲層評價內容,而且納入了儲層有效性和“自動緩解水鎖”潛力動態評價內容。靜態評價內容主要評價頁巖氣儲層儲氣量大小和儲層是否易于改造;動態評價內容主要評價頁巖氣儲層壓后可采出能力和采用何種排采措施等。目前,頁巖儲層動態參數評價仍處于探索研究過程中,研究的井數量有限,只能采用定性描述。要實現定量評價還需在頁巖氣儲層勘探開發過程中不斷實踐完善,故初步推薦的頁巖氣儲層綜合評價標準見表3。

表2 Н202井、R203井儲層有效性評價結果表

表3 頁巖氣儲層綜合評價標準表(據本文參考文獻[4]修改完善)
在頁巖氣勘探開發過程中,首要評價頁巖氣儲層靜態屬性特征,反映頁巖氣儲層的儲氣量大小和可改造難易程度。滿足了頁巖氣儲層壓裂開采的最低經濟指標后,再評價頁巖氣儲層動態屬性特征,反映頁巖氣壓后采出難易程度。綜合靜態和動態評價,更有利于明確頁巖氣井產氣量差異,進而為返排措施制定提供理論和技術支撐。
1)頁巖氣快速上產,給頁巖氣儲層評價提出了新挑戰,主要表現為“儲層有效性、壓后動態評價參數體系、壓后排采措施”研究不夠深入,導致現有頁巖氣儲層評價體系相對于實際生產具有嚴重滯后性。
2)儲層有效性評價主要表現在有效孔隙下限評價,集中體現為黏土礦物束縛水和不連通孔隙對頁巖氣開發的影響。通過測量離心狀態和不同干燥溫度狀態的核磁共振T2譜,初步建立了頁巖氣有效性評價方法,定量劃分了孔隙系統。
3)通過Н202井和R203井對比分析,初步確定了“潤濕性、吸水滯留能力、吸水膨脹方式、膨脹率和吸水產生裂縫能力”等“自動緩解水鎖”潛力評價體系,評價權重具有依次遞進性。
4)頁巖氣儲層靜態評價是基礎,壓后動態評價是補充。靜態評價內容主要包含頁巖氣儲層儲氣量大小和儲層改造難易程度;動態評價內容主要包含頁巖氣儲層壓后可采能力和采用何種排采措施。只有建立“靜—動”結合的頁巖氣儲層評價體系,才能有效地降低頁巖氣勘探開發風險。