综述页岩储层评价方法

页岩储层与其他低渗透致密储层相比,其纳米级孔隙和喉道导致页岩储层孔隙度和渗透率更低。 页岩有机质间孔隙发育,使得页岩具有较大的比表面积,有利于气体吸附。 此外,页岩矿物组分与其他低渗透储层相比也有一定的差异性,一方面导致页岩储层天然裂缝发育程度有所不同,另一方面影响页岩压裂改造效果。 因此,需要重新建立页岩储层的评价方法体系。

根据渝东南地区页岩储层特征,确定页岩储层评价内容,包括沉积特征评价、岩石学特征评价、微观结构特征评价、物性评价、裂缝系统特征评价及含气性特征评价六大方面,并根据实际生产情况,结合页岩龙马溪—五峰组页岩储层特征探讨页岩储层关键指标标准,为渝东南地区页岩气勘探开发提供参考。

1)页岩储层沉积特征评价内容

(1)沉积相

沉积相是沉积环境的物质表现,可以表明特定沉积环境下的岩性和古生物等的有规律的综合特征。 沉积相对储层的影响实质上是对岩石类型和结构组分特征的影响,不同沉积相具有不同的水介质条件,所形成的岩石类型、粒径大小、分选性、磨圆度、杂基含量和岩石组分等方面均有所差异,岩石的这些特性决定了原生空隙和后期岩石的成岩作用类型和强度,从而导致储层物性在纵向上和横向上的明显差异。

根据岩性特征(颜色、矿物成分、岩石类型、沉积结构、沉积构造等)、古生物特征、地球化学特征和地球物理特征(测井、地震)等标志,可以对沉积相进行分类和识别。

研究表明,富有机质页岩最发育的沉积环境为浅海陆棚相,根据陆棚的水深和水动力条件等,划分为深水陆棚相和浅水陆棚相,其中浅水陆棚相又可划分为以泥质成分为主的泥质浅水陆棚相和以砂质成分为主的砂质浅水陆棚相。

①深水陆棚相。

深水陆棚处于陆棚靠大陆斜坡一侧、风暴浪基面以下的浅海区。 由于水深相对较深,能量低,水体安静,为静水强还原环境,有利于有机质的保存,沉积物经过沉积、埋藏、压实、成岩等作用能够形成富含有机质的暗色泥页岩,岩石颜色通常为深灰—黑色,有机质含量普遍相对较高。 深水陆棚主要发育一套以黑色泥岩、黑色碳质页岩、黑色硅质岩为主的细粒沉积,发育水平层理。

②浅水陆棚相。

浅水陆棚处于滨外浪基面之下至风暴浪基面之上的浅海陆棚区,水体处于弱氧化弱还原环境,沉积物以深灰色、灰色、黑色含粉砂质泥页岩为主,其次为碳酸盐岩。 由于水深较浅,水体动荡,常常间歇性地受到风暴、潮流和海流的影响,砂质沉积物常常被改造成席状砂、滩坝。 浅水陆棚是一高能沉积环境,根据沉积特征水体识别主要以砂质沉积物为主的砂质陆棚及以泥质沉积为主的泥质陆棚。 浅水陆棚主要沉积黑色泥岩、灰色泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩,发育块状层理、水平层理。

哪种沉积微相的储层更好的问题,目前并没有一个统一的评价标准,本书将结合渝东北地区的页岩储层沉积微相与相应的有机碳含量、孔隙度和渗透率的关系对页岩储层基于沉积相进行评级。

(2)厚度

页岩作为页岩气生成和赋存的主体,一定的含气泥页岩厚度是形成页岩气富集的基本条件,也是影响页岩气资源丰度高低的重要因素,控制着页岩气的经济效益。

含气页岩的厚度越大,就越能保证页岩气的资源量,同时也越有利于水平井压裂。 据国内外主要页岩气开采盆地相关文献调研发现,美国大规模商业开发的五大含气页岩系统厚度为31 ~579 m(页岩净厚度为9 ~91 m),加拿大核心开采区的页岩厚度为30 ~300 m。

目前国内外普遍提出的页岩气藏的页岩厚度标准有:＞6 m、＞9 m、＞15 m、＞30 m、＞45 m。 但是,其他条件的补偿将会使页岩储层具有很好的产能,所以说页岩的厚度下限可以随着有机碳含量的增大和成熟度的提高以及开采技术的进步而适当降低。 目前国内张金川教授及国土资源部李玉喜等专家普遍拟用的经济开采标准为大于等于30 m。

(3)埋深

虽然页岩油气的保存条件没有常规圈闭油气藏要求那么高,但只有在一定的深度埋藏才具有一定的含油气丰度,一般认为盆地中心区或盆地斜坡区含气页岩的埋藏深度较有利。

但是,并不是埋深越大越好。 随着埋藏深度的增加,压力和温度的增高导致页岩的孔隙结构发生变化:一是高压带来孔隙度和渗透率降低,二是温度的增高使页岩吸附气含量降低;另一方面,埋深的增加导致钻井成本增加,降低储层的经济价值。

所以页岩储层的埋深要在一定的范围内。 埋深的确定要综合分析世界各大盆地页岩气系统的埋藏深度,埋深的下限要结合特定盆地的页岩储层特征以及当前的勘探开发水平。

2)页岩储层岩石学特征评价内容

(1)岩石定名

岩相是指具有不同矿物成分和结构特征的岩石类型,岩相的划分主要基于岩石矿物组分及结构特征。 因此,不同岩相的页岩具有不同矿物成分和结构特征,这也使得页岩储层在纵向上表现出不同的特性。 合理的岩相划分有助于详细地研究储层性质,进而规划合理的勘探开发方案。

(2)岩石矿物组分

图5.6　不同压力条件下黏土矿物含量与吸附气含量的关系(www.xing528.com)

页岩的矿物成分按成因分为自生矿物和碎屑矿物,主要包括石英、黏土、斜长石、白云石、方解石、黄铁矿、铁白云石、钾长石、方沸石、菱铁矿等。 黏土矿物具有较大的比表面和较高的孔隙体积,使得其吸附能力比较强。 在有机碳含量差不多的情况下,黏土含量高的样品所吸附的气体量要大于黏土含量较低的样品,且随着压力的增高,黏土含量高的样品吸附的气体量与低含量黏土矿物所吸附的气体量的差值也在逐渐增大(图5.6);但是,黏土矿物会造成页岩的塑性,使页岩中微裂缝发育程度降低,不利于页岩储层的压裂改造。石英、长石及碳酸盐矿物等脆性矿物的存在能提高岩石的脆性,使页岩容易形成天然裂缝和压裂缝网,提高页岩气的储集及渗流能力,增加页岩气单井产量。 脆性矿物含量是页岩储层评价的关键,对页岩气勘探开发非常重要。

目前,评价页岩储层岩石矿物成分的主要技术手段为X 射线衍射技术,用于评价页岩中黏土矿物含量并进行全岩分析,可分别得到页岩储层中石英、长石、方解石、黏土矿物、黄铁矿等矿物成分的含量。

(3)脆性特征

岩石脆性是岩石综合力学特性的表征,脆性破坏是在非均匀应力作用下产生局部断裂,并形成多维破裂面的过程。 页岩脆性测试是储层力学评价、射孔改造层段选取和压裂规模设计的重要基础,对页岩储层压裂改造具有重要的意义。 实践证明,页岩气压裂时,脆性越好的层段破裂越充分,裂缝网络发育越好,能够建立越多的人工裂缝作为流体渗流和运移通道。 岩石脆度的评价方法有多种,主要有基于强度的脆性评价方法、基于硬度或坚固性的脆性评价方法、基于全应力-应变的脆性评价方法和基于岩石矿物组成的脆性评价方法。 页岩脆性的表现与所含矿物类型相关性非常明显,脆性矿物含量高的页岩其造缝能力和脆性更好。 另外,矿物组成作为岩性识别标准,提高了计算结果的可靠性和细分性。 基于岩石矿物组成的脆性评价方法可根据试验校正的测井矿物解释结果获得全井段脆性表征剖面,对页岩压裂改造比较适用。

页岩岩石矿物成分主要有石英、碳酸盐岩和黏土三大类,其相对含量决定了页岩的脆性程度,是计算页岩脆性指数和进行水力压裂设计的基本资料。 根据岩心矿物成分分析确定页岩脆性指数的计算公式如下:

式(5.1)表明,页岩脆性与页岩中石英等脆性矿物含量有关,石英含量越高,页岩脆性越大,越有利于压裂改造,石英含量高的页岩储层是页岩气开发的有利地区。

3)页岩储层物性特征评价内容

(1)孔隙度、渗透率

页岩孔隙度和渗透率反映页岩储层的储集能力和渗流能力,是对页岩气勘探开发影响较大的两个关键参数。 页岩储层的储渗空间可分为基质孔隙和裂缝。 基质孔隙有残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物伊利石化形成的微裂(孔)隙和不稳定矿物(如长石、方解石)溶蚀形成的溶蚀孔等。 黔页1 井及黔浅1 井测试结果表明,页岩渗透率与解吸气含量及总含气量呈较好的正相关关系,页岩气测孔隙度与页岩渗透率亦呈较好的正相关关系。

图5.7　黔页1 井页岩渗透率与解吸气含量及总含气量的关系

页岩孔隙度测试采用压力脉冲衰减法、气体吸附法或者氮气膨胀法,这三种方法皆可满足页岩孔隙度测试精度要求;页岩渗透率测试采用压力脉冲衰减法,可满足页岩纳米级孔隙渗透率测试要求。

图5.8　黔页1 井页岩基质孔隙度与渗透率的关系

(2)裂缝系统

页岩储层基质孔隙度和渗透率远远小于常规储层基质孔隙度和渗透率,对页岩气而言,页岩裂缝是页岩气重要的储集空间和主要的渗流通道,对页岩气的勘探开发具有十分重要的作用。

表征岩心上和单井裂缝发育情况的参数主要有裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度和裂缝渗透率,裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度和裂缝渗透率可通过岩心统计或测井的方法得到,裂缝对页岩气储集及渗流的贡献可根据裂缝的孔隙度和渗透率二个参数综合确定。 此外,页岩裂缝的有效性直接影响裂缝所起到的储渗作用,因此,需要具体统计岩心上裂缝的充填性及充填程度,或通过测井手段对裂缝的充填性及充填程度进行统计表征。

通常而言,裂缝充填程度越低,裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度及裂缝渗透率越大,裂缝对页岩气的储集作用和渗流作用贡献越大,越有利于页岩气的富集及开发。 但是,如果裂缝密度过大,有可能导致页岩气的散失,对页岩气的富集形成不利影响。

4)页岩储层微观结构特征评价内容

页岩由于其致密、孔渗条件较差的特点,在常规油气勘探中一直被视为常规油气藏的盖层,页岩颗粒细小、致密,故对页岩微观结构的表征较困难。 但是,对页岩气勘探开发而言,页岩微观结构特征影响页岩气的储集和渗流,需认真加以研究。

(1)孔隙结构特征(孔隙、喉道)

孔隙结构一般指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布以及相互关系。 常用的研究方法为孔隙铸体薄片法、扫描电镜法和压汞曲线法。 根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类,孔隙直径小于2 nm 的孔称为微孔隙,2 ~50 nm 的孔称为中孔隙(或介孔),大于50 nm 的称为宏孔隙(或大孔隙)。 根据对渝东南地区页岩储层孔径大小分布统计,孔隙直径主要为5 ~10 nm,以中孔为主。 页岩孔径虽然较小,但它是页岩气主要的储集空间和重要的渗流通道,影响页岩气的成藏和开发,因此,需对其进行详细的评价。

(2)比表面积

页岩气主要以两种方式赋存在页岩储层中,第一种是以游离态赋存在孔隙及天然裂缝中,另一种是以吸附态吸附在岩石颗粒表面或有机质表面,吸附态页岩气占有比较大的比例。 页岩气的吸附能力与页岩孔隙的比表面积相关,比表面积越大,则对页岩气的吸附能力越强。 因此,评价页岩储层孔隙比表面积对评价吸附态页岩气含量具有重要作用。 页岩比表面积测试技术采用吸附法。