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2014年2月总第五十四期——【IT石油&IT应用】栏目 斯伦贝谢:利用综合勘探技术破解页岩气藏难题

□ 许建华 / 斯伦贝谢科技服务(北京)有限公司

水平钻井和多段压裂等工程技术是页岩气田成功开发的必要条件,但作为工程技术成功的前提,寻找较好的页岩气区块,从地质上页岩达到生气阶段,有机质的丰度较高,地质评价是页岩气勘探的充分条件。这就对研究工作提出了较高的要求,即在钻井等工程工作进行之前,首先通过区域地质研究,对地下页岩的基础地质情况进行分析与预测,为后期的工程施工提供依据,减少钻井和压裂的风险。

针对页岩气勘探的技术系列

目前勘探难点主要表现在页岩气资源评价存在很大不确定性,页岩气勘探开发技术缺失成熟的行业标准,以及页岩气开采投入大、成本高、气价低,经济风险较大。

针对页岩气上述勘探难点,斯伦贝谢公司研发和整合了所有勘探软件系列,形成了以模型为中心的页岩气勘探技术系列。该技术系列主要包括以下主要内容:

数据整合阶段         与常规油气藏相比,页岩气区块除了收集地震资料和井数据外,还需要收集地化数据,如总有机碳、烃源岩厚度和干酪根类型,同时需要对岩石物理数据和岩石力学数据进行收集和整理。

地质模型的建立         不同勘探阶段,建立的地质模型精度不同。从区域地质资料建立的概念模型到根据地震和井数据建立的三维模型。随着数据的增加,模型的精度也逐渐增加。

地质演化模拟         使用现今的地质模型,可以恢复古构造,进行页岩成熟度、生烃量(包括自由气和吸附气)模拟;同时,可以模拟孔隙演化史,模拟整个模型的应力场的分布和演化。

甜点预测         以模型为中心,可以整合地质、地球物理、测井和工程等多专业、多领域内的研究成果,综合储层质量、完井潜力两类对页岩气评价至关重要的数据,进行有利区评价,为井位设计提供依据。

有利区评价         对页岩区块的资源量进行不确定性分析,得出勘探成功概率曲线。随后根据勘探部署,进行经济评价,为勘探决策和投资提供参考。

针对页岩气勘探的特殊性,在上述勘探技术系列中,关键的技术包括页岩气资源量评价、单井岩芯-测井综合评价、各领域研究成果的整合、地质风险分析与经济评价。

阶段部署页岩气资源量评价方法

无论对于页岩气,还是常规油气藏,烃源岩的研究是整个研究的基础。对于页岩气来讲,该项研究更为重要,研究的程度应该更深入。具体的研究内容包括:

盆地演化与页岩成熟度研究         在盆地构造演化的基础上,研究页岩的演化,包括物性和成熟度,划分页岩的成岩演化阶段,为勘探选区提供依据。页岩孔隙度演化除遵循常规的机械压实规律外,还与有机质的演化相关,通过PetroMod软件的模拟技术,可以建立页岩孔隙度与有机质成熟度之间的关系,有效地研究页岩孔隙度的演化规律,预测页岩物性有利分布区。

页岩气资源量评价         页岩气资源量包括自由气和吸附气两种,PetroMod软件内置页岩气生烃模型,支持使用固定的吸附系数或Langmuir公式自动计算吸附量。不同勘探阶段,能获得的资料不同,因此进行页岩气资源量评价的方法也不同。

在页岩气勘探初期的盆地优选阶段,主要利用收集到的野外露头、区域地质图、柱状图为基础数据,根据地层柱状图建立进行一维模型,制作埋藏史曲线,划分生油气窗,以确定主要页岩层位在生气窗内(如图1),同时可以得到单位面积内生气量(生烃强度),为页岩气选区提供依据。

页岩气区块购买后,会进行初步的勘探部署,如野外地质调查、部署二维地震测线。通过这些资料,可以获得页岩气区块基本的地层、构造信息。此时,可以建立二维地质模型,研究构造演化,温压演化,在此基础上,研究页岩气的成熟度、生烃量和滞留烃量(包括自由气和吸附气),以确定页岩气富集的区带。同时,可以模拟地应力场的分布。

图1一维/二维模型-页岩气资源量计算

随着钻井的增加和三维地震的部署,可以建立三维地质模型。在地层、构造研究的基础上,利用三维地震解释成果,建立精细的三维地质模型。三维地质模型模拟可以得到较准确页岩的生烃量、排烃量以及页岩内的滞留量,为页岩气勘探井位部署提供依据。

总之,使用盆地及含油气系统模拟的方法,在不同勘探阶段建立相应的一维、二维和三维地质模型,在盆地演化的基础上,可以综合研究页岩成熟度和物性演化,对资源量进行模拟评价。同时,可以对整个页岩气藏的地应力进行预测,为后期工程改造提供依据。

页岩井筒综合评价

对于页岩这种特低孔、特低渗气藏,其单井评价,需要以先进的测井解释技术为核心,进行多领域综合分析,即将岩芯分析与测井研究,宏观与微观等不同类型和尺度的多种数据整合在一体,进行综合分析与研究。测井评价包括常规测井解释,如孔隙度、渗透率、饱和度、游离气等参数;通过岩芯与测井曲线的标定,建立测井解释模板,进行针对页岩气的特殊测井解释,包括分析页岩的有机质、矿物成分和流体组成,计算页岩气含量(如图2)。

此外,还可以进行孔隙压力预测和井眼稳定性分析,计算地层应力和岩石破裂参数,预测钻井异常高压带,确定安全钻井的最佳泥浆窗,指导各种井下工程作业。

甜点预测

在单井评价的基础上,如何对平面上的页岩气藏储层性质进行预测?这是页岩气藏的一个重点,也是一个难点。因为页岩的非均质性非常强。Petrel软件为斯伦贝谢公司勘探开发一体化的平台,在早期油藏地质建模功能的基础上,现今Petrel软件可以进行地震解释、地震属性计算、地质研究等多项功能,同时在该平台上,可以将勘探数据如PetroMod盆地模拟结果和Techlog单井评价结果导入Petrel,进行综合研究。使用Petrel软件的地震属性功能,可以在平面上预测页岩气储层的分布。同时,Petrel软件内部的多种裂缝建模技术,如地质因素、地震因素、地质力学和应力因素,可以有效的预测页岩内部裂缝的发育,为后期工程改造提供依据。

Petrel作为页岩气综合研究平台,最大的优势是该平台不仅能将勘探领域的地质、物探、测井三个专业有机的结合在一起,同时也可以将开发、生产,甚至工程的成果加进来,实现了页岩气勘探地质研究与工程技术两个难点真正意义上的整合。从而在井位部署时,综合地质综合研究成果-储层质量和地应力研究成果-完井潜力,预测甜点。同时,可以显示微地震数据,进行压裂的效果进行评价评价(如图3)。

地质风险分析与经济评价

页岩气作为一种非常规的气藏,其资源量评价不同与常规油气藏。因此无论用何种算法,其资源量具有很大的地质不确定性,如何在钻前对其地质风险进行分析,让管理层在做决策时作为参考,对于页岩气勘探尤其必要。同时页岩气的产能较低,一般通过增加开发井数提高气田的总产能,但钻井数增加,成本就增加,相应的投资收回的周期就增长。因此,对于页岩气田,其投资风险较高,较常规油气田,经济评价更具重要性。GeoX为斯伦贝谢公司的勘探风险和经济评价系统,在对页岩气资源量不确定性分析的基础上,根据管理层的勘探部署,对未来整个页岩气区块进行经济评价。

综上所述,斯伦贝谢公司以模型为中心的页岩气勘探技术归纳为,以Petrel为页岩气勘探的平台,PetroMod一维、二维、三维含油气系统模拟和Techlog井筒综合研究为依托,GeoX分析地质风险和经济评价。

Haynesville应用实例

以模型为中心的斯伦贝谢页岩气勘探技术已经应用于国内外的页岩气勘探中。2012年中石化研究院和中科院广州地化所分别购买勘探技术系列的PetroMod软件,用于页岩气资源的研究。在国外,斯伦贝谢应用页岩气勘探技术完成了对Haynesville盆地页岩气资源的评价工作,其主要工作流程和成果如下:

模型建立         Haynesville盆地位于美国南部,相对于美国其它页岩气盆地而言,其盆地面积9000平方公里,页岩埋藏深度大(10,500~13,500英尺),但其厚度分布均匀(200~300英尺),气饱和度中等,原始页岩气资源量和可采资源量均较好。

建模所需的数据大多来自于公开数据,地质框架参数包括各地层地质年代、岩性,地表地形、各层位构造图。烃源岩参数包括厚度、有机质丰度、干酪跟类型,主要来源于野外露头和岩芯分析数据,或参考临区烃源岩参数。井数据包括地层孔隙度、温度和镜质体反射率等,来自于一口井,主要用于标定模拟结果。基于上述数据,建立了页岩气勘探的三维地质模型。该模型面积为270×180公里,包括24各地层,模型的精度为3×3公里(如图4)。

页岩气勘探烃源岩的设置有别于常规油气藏,需要设置多组分生烃模型,设置吸附参数。本研究实例采用四组分生烃模型(Behar et al.19997 TII-S Kinetics),即甲烷、C2-C5,C6-C14和C15+,氢指数HI为300(如图5)。

模型标定         页岩气资源量模拟是在温度、压力的基础上,进行烃源岩的生、排烃模拟。因此,首先使用井数据如温度、压力等来标定模拟结果,才能保证最终页岩气资源量计算的准确性。

模型模拟结果分析         在标定的基础上,使用达西模拟算法,来计算页岩的生烃量、排烃量和最终保存在烃源岩内的页岩气量。

使用地质模型模拟计算页岩气资源量(图6左)后,与通过单井统计绘制的页岩气资源量(图6右)对比,可以看出,通过地质模型计算获得的页岩气资源量在平面上分布更合理,符合地质规律;而井统计平面图明显受井分布的控制,在平面上资源量高的地区呈现孤立分布的特征。因此,使用以模型为中心的页岩气勘探技术来预测页岩气资源量在专业上更合理。

作者简介:许建华(1972-),斯伦贝谢公司高级勘探技术专家,中科院地质与地球物理所博士,主要从事勘探技术研究工作。电话:010-64306975,邮箱:JXu11@slb.com

转载于《石油与装备》杂志2014年2月总第五十四期

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