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2015年10月总第六十四期—【斯伦贝谢地学软件专栏】栏目 斯伦贝谢页岩气资源潜力动态定量评价技术

□ 范泓澈 / 斯伦贝谢科技服务(北京)有限公司

经过多年的理论研究与先导实验,中国已经全面拉开了页岩气勘探开发的帷幕。自20世纪60年代以来,相继在松辽、渤海湾、四川、鄂尔多斯、柴达木等几乎所有的陆上含油气盆地中都发现了页岩油气藏,向全世界展示了中国页岩气巨大的资源潜力。然而,对页岩气资源量评价方法的研究仍然存在诸多问题,主要表现在:①对页岩气研究思路难以突破常规油气评价方法的老路。②缺失对页岩气吸附与解吸附过程的有效研究方法。③受实验条件和测试样品数量限制,难以对空间页岩气资源的非均质性分布进行准确预测。④仅关注TOC、厚度、脆性等静态要素,缺少评价页岩层内温压、孔渗、应力控烃作用的关键技术。

斯伦贝谢公司开发的PetroMod(IES)是目前全球应用最广泛的含油气系统模拟与资源量动态定量评价工具。针对页岩气的勘探研究,具有如下技术:①基于页岩专有的生烃动力学模型和岩性模板,快速重建页岩层的构造演化和完整的生排烃过程。②基于温度、压力场的准确计算,定量评价吸附气与游离气的资源量;③基于高级运移算法模拟油气在低渗透储层内的流动规律和相态变化,提高资源评价的客观程度;④基于区域岩石应力模拟技术,指导钻井与储层改造;⑤基于地震属性相精细刻画和嵌套模拟技术,提升模拟精度;⑥基于与Petrel平台的一体化整合技术,提供页岩气勘探-开发完整的解决方案。

动态定量研究的必要性

页岩气的赋存状态、分布、烃类组成受控于源岩演化、温压、孔渗、脆性、含油性、应力场及其匹配关系。随着温度、压力的升高,泥页岩层易产生大量裂缝,改善了天然气的储集空间,其富集机理类似于孔隙型储集层中的天然气聚集。伴随着天然气大量生成和生烃膨胀作用,使得天然气活塞式的向外运移、扩散,直至页岩层系表现为普遍的含气性。PetroMod基于含油气系统模拟技术,突破传统观念,实现从“静态研究”转向“动态研究”,以“顺藤摸瓜”方式揭示页岩层内各种地质要素与页岩气资源分布间的量化关系,着眼于非常规油气与常规油气在主控因素和关键技术上的差异,建立适用于中国不同页岩气探区标准的资源评价方法。

页岩生烃潜力评价

PetroMod 整合了全球各典型页岩盆地的经验参数,建立了多种页岩专有生烃动力学模型和岩性模板,所采用的模型样品均来自于:Boghead 煤(宾西法尼亚纪,俄亥俄)、Alaskan Tasmanite页岩 (侏罗纪,阿拉斯加)、Woodford 页岩 (泥盆纪/密西西比纪,俄克拉何马)、Kimmeridge 泥岩 (上侏罗纪,英国)、第三纪煤(中新世纪,印尼)、Teruel 油页岩(中新世纪,西班牙)、Toarcian 页岩 (下侏罗纪,德国)和 Brown 石灰岩 (麦斯特里希特阶、约旦)。即使在缺少足够的地化实验数据情况下,也可以直接调用与研究区在岩性、有机质类型、地质年代等相类似的生烃动力学模型,完成对页岩生烃潜力的评价工作。标准的岩性模板中附带的各种经验参数和实验规律,也往往成为国内页岩气最值得借鉴的研究成果。

随着地震资料在勘探中应用越来与多,PetroMod相细化技术允许将高分辨率的地震数据直接应用模型中,如反演类数据,改变了传统的手工绘制岩相的方式。嵌套模拟技术允许对感兴趣的地区进行网格加密,并对不同级别的模型实现嵌套模拟,适用于对页岩油分布特征的精细刻画。

页岩气温压场模拟

准确的温压场的模拟与计算,不仅可以有效降低钻前风险,也直接影响甲烷气体分子吸附在碳原子表面的能力。针对不同的勘探阶段,地壳热流工具提供计算模拟热流历史的简化五步式工具,通过确保边界条件的最佳设置来保证更高质量的模拟地温场的演化趋势。古地表温度工具基于工区坐标位置,可以根据古水深自动计算地质时期沉积物与水接触面的温度,同时允许基于井实测温度、成熟度等数据进行矫正,快速的实现对温度场的演化过程的推演。对地层压力的计算除遵循常规的欠压实理论外,还同时考虑有机质生烃增加作用及黏土矿物转化脱水对异常超压带分布的影响。对温度、压力的精确模拟也是PetroMod被广泛应用于水合物资源研究的技术优势之一。

页岩气资源评价

页岩气资源量包括自由气和吸附气两种,其中气体的吸附能力、相态与地下的温压场的变化、有机质的含量密切相关。PetroMod软件内置的页岩气专有生烃模型,支持使用固定的吸附系数或Langmuir 公式计算吸附烃量,允许进行2组分、4组分,甚至16组分的高精度的计算,精细分析不同组分烃类、非烃类气体的含量。油气的二次裂解模拟技术允许设定高碳组分在不同条件下的热裂解能力。全新的达西运移模拟算法,具有比传统达西更快速、更科学的处理低渗和高饱和度储层油气的近源扩散与压差运聚特性;达西与反向渗滤混合的模拟算法,针对页岩层内不同孔渗结构,自动匹配运移方式,适用于“源内”和“围源”立体非常规资源勘探。此外,现今TOC含量也可以借助软件,恢复到有机质生烃之前的状态(原始TOC),实现更加客观的对页岩气资源量进行评估。

页岩气风险评估

页岩气作为典型非常规油气,较常规油气具有更大的地质不确定性。PetroRisk风险管理与分析技术,基于蒙特卡罗的方法,以地质模型为基础,对将影响油气充注、圈闭和时空匹配的所有变量,加以量化,通过一次模拟实现多个地质结果,并自动与单井硬数据相拟合。对风险变量的敏感性分析,能够更好地掌握评价结果受控于数据的不确定性影响程度,实现预测和降低勘探的风险的目的,为后续井位设计和钻探方向提供可靠的决策依据。此外,对资料少,地质认识程度低的地区,PetroMod可以被用作实验推演工具,允许对不同的认识进行测试模拟,并根据与现今实测数据的吻合程度,深度剖析油气成藏机理、主控因素、分布特征。

页岩气应力场分析

岩石破裂位置、期次、油气运聚、调整受控于地质应力,近些年来,为地质学家广泛关注。一般使用油藏或井筒尺度的数据来预测近井的应力和张力,为井位设计提供依据;而常规的地质力学模拟器并不适用于整个地质时期的动态模拟。PetroMod提供了包括岩石封闭性、成岩作用和岩石应力在内的多种页岩岩性模板,也允许客户化修改。基于杨氏模量、剪切模量、波松比、毕奥系数、岩石骨架弹性参数和岩石强度参数设置,同时考虑岩石各项异性、孔隙度与杨氏模量之间的地质关系。对研究区围岩边界条件的设定,可参考井筒实际应力数据,不断优化参数设置,完成对地质应力动态定量评价。根据摩尔圆和主次应力方向等输出结果,预测岩石可能发生垮塌的区域,指导钻井方向与水力压裂设计。

页岩气勘探潜力评价

页岩气的勘探有利区的预测不仅要考虑地下油气的富集区域、埋藏深度、探明程度、脆性情况,还应结合四川、鄂尔多斯等地区复杂的地表构造、土地成本,以及水源和交通等现实因素,通过开展地下地上一体化的综合研究,将不同的地质因素进行概率量化,并进行多级耦合计算。对于存在多种不确定性的地质方案,也可以多方案的地质风险评估,实现基于多种地质要素对同一地区的勘探成功(或失败)概率得分计算,量化勘探组合风险,为页岩气选取提供最直接的依据。

Haynesville页岩气评价实例

Haynesville盆地位于美国南部,盆地面积9000平方公里,页岩气埋藏深度10,500~13.500英尺,厚度分布200~300英尺,含气饱和度中等。综合地球物理、岩芯录井、实验地化数据,通过一维、三维生排烃的模拟,在空间和时间上来研究页岩气吸附气、游离气的形成机制,含气饱和度分布特征、体积规模。模拟结果较单井统计绘制结果在平面上分布更加合理,有效促进了该区常规-非常规油气协同开发战略的成功实施。

结束语

PetroMod含油气系统模拟和动态定量评价工具以“顺藤摸瓜”的方式,综合地质认识、地球物理、测井、钻井数据,以地质模型为中心,以重建地质构造、温压、应力、源岩的演化及其相互耦合关系为技术核心,动态定量评价页岩气自由气和游离气的资源量及其分布特征,明确油气的有利富集区域和勘探潜力,展现出与传统研究流程具有无法比拟的技术优势。

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