国外致密砂岩气藏评价研究现状

国外致密砂岩气藏评价研究现状

1致密砂岩气藏随着世界石油资源供需矛盾加剧，原油价格上涨，天然气储量比例持续下降，随着人类对清洁、环保和高效能源需求的持续增加，人们对非正式能源，尤其是非正式天然气的关注越来越多。非常规天然气又称分散天然气,是指储藏在地质条件复杂的非常规储层中的天然气,主要包括致密砂岩气、页岩气、煤层甲烷气、地下水中(水溶性)的天然气以及天然气水合物等。与常规天然气相比,非常规天然气的类型和赋存形式更为多样,分布范围更为广泛,潜在资源量远远大于常规天然气资源。Masters提出的天然气资源金字塔充分说明了致密气资源在世界天然气资源分布中的重要地位(图1)。从图上可以看出,在金字塔的底部,致密气资源(储层渗透率≤0.1)的体积非常巨大。另据世界石油委员会报告(Raymond等,2007),在全球,致密砂岩气藏中的天然气资源量大约为114×108m3,煤层甲烷气资源量大约为233×108m3。本文关注致密砂岩气藏,致密砂岩气的开发主要局限在拥有巨大储量的美国和加拿大。美国已有近70年勘探开发低渗透致密砂岩气藏的历史,在非常规天然气优惠政策促进下,致密储层气开采的天然气量逐年增加,随之形成了一套较为成熟的勘探开发技术、方法系列,积累了大量的经验,也发表了许多这方面的成果。致密砂岩气藏本身具有的低孔渗、连通性差的复杂地质条件的特点,开采难度相对较大,给地质工程师和油藏工程师带来了很大的挑战,以致于当前低渗致密气田的有效开发,特别是储层评价研究,已是国内低渗透致密气田面临的一个普遍问题。为了对国外低渗致密气田的储层研究现状和做法有所了解,本文通过查阅大量文献资料,从致密砂岩气藏的类型、储层评价手段等角度入手,总结了国外特别是北美的致密砂岩气藏的储层研究成果,并就其发展趋势进行了分析,力求对国内致密气砂岩储层的评价研究起到一定的参考借鉴作用。2致密砂岩气藏seq致密砂岩储层通常是指储层渗透率低的砂岩储层,根据储层所含流体的不同,对孔隙度和渗透率的要求也不同,所以低渗透储层是一个相对的概念。不同的组织对致密砂岩气藏有不同的定义,最原始的定义可以追溯到1978年美国天然气政策法案,其中规定只有砂岩储层对天然气的渗透率等于或小于0.1×10-3μm2时的气藏才可以被定义为致密砂岩气藏。美国联邦能源委员会(FERC)也把致密砂岩气藏储层定义为地层渗透率为0.1×10-3μm2的砂岩储层,这是当前最被认可的一个定义。在致密砂岩气藏中,对气体产量影响较大的因素除了渗透率和(或者)深度外,还包括压力、流体性质、气藏和地表温度、产层、泄流半径和井筒半径、表皮系数和非达西常数等。由于致密砂岩储层低孔低渗的特点,导致此类型气藏一般具有以下特征:气藏构造平缓、埋藏较深、岩性致密、低孔渗、次生(溶蚀)孔隙相对较发育、高含水饱和度、高束缚水饱和度、电阻率较低、沉积物成熟度低、成岩成熟度高、高毛细管压力、无明显的气水界面、常具异常压力、地质储量可观、产量较低等。低渗致密砂岩气藏的一个突出特点就是自然产能低,需要采取某种增产措施和特殊的钻井和完井方法才能达到工业开采的要求。3致密气藏的地层成分在国外当前所指的致密砂岩气藏主要是发现于盆地中心或者是连续的大面积的天然气藏,但是也有不同的观点,即认为大多数的致密气藏是位于常规构造、地层或复合圈闭中的低渗储层中,通常被称为“甜点”。下面对两种观点分别予以介绍。3.1深盆气藏类型Smocker(2005)把连续的油气藏定义为“具有大范围的、没有明确的边界的油气藏,它的存在不完全受水柱高度的影响”。此外,这类气藏通常基质渗透率很低,气体采收率也很低(Schenk,2007)。连续气藏的概念由Davis(1984)公开发表,他指出聚气盆地要么异常低压,要么异常高压,肯定不会是正常压力。他列举了几个具有异常压力的气藏,其中具有异常低压气藏的实例有俄亥俄州东部下志留统气藏和阿尔伯达的上白垩统气藏和下白垩统气藏,而怀俄明州的三叠纪气藏和上白垩统气藏均为异常高压气藏。图2为连续的深盆气藏和常规气藏的示意图,从图上可以看出,深盆气藏有四个关键要素,即:异常低压,低渗透率(通常≤0.1mD),连续含气、气源供应充足,下倾方向无边底水、气水分布关系倒置。对于一个连续的气藏来说,也可能具有常规的构造、地层圈闭,多名研究者均认可深盆气藏的概念,如Spencer和Law等人。公认的有两种类型的深盆气藏:①直接型的,以具有气源岩为标志;②非直接型的,以具有油源岩为特征。在埋藏和热演化史中,这两种类型的源岩具有不同的影响勘探战略的特征。已经发现的深盆气藏中,大多数是直接型的。3.2其他气藏圈闭Shanley等人提出与连续气藏的概念不同的一种观点,他们明确地陈述了怀俄明州西南地区绿河盆地的低渗气藏不属于连续气藏或深盆气藏,该气藏主要聚集于“甜点”部位,相反地,该盆地气田储层是常规圈闭中的低渗、品质较差的储层。他们研究了绿河盆地中所有的第三系和白垩系低渗气藏,发现所有的这些气藏圈闭均为常规圈闭,证实该盆地“既不是饱和天然气的盆地,也不是近似束缚水饱和度的盆地;产水是普遍的、广泛的”。Shanley等人用来解释他们所提理论的模型被称为“permeabilityjail”,图3a和图3b对比了两个假设具有同样构造形状的气藏,所不同的是图3a为常规气藏,而图3b为低渗气藏。他们对图3的解释为“强调了两种气藏的毛细管压力、相对渗透率及其在圈闭中的位置之间的关系”。图3a表明在常规气藏中,在潜水面之下产水,在气藏的中部气水同出,再向上倾方向只产纯气。图3b举例说明了在低渗气藏中,水主要聚集于构造位置非常低的潜水面附近。在多数情况下,水的相对渗透率很低,以致于在潜水面附近几乎没有可动水,在潜水面之上很大的范围内,很少甚至没有流体流动,上倾方向的顶部为只产纯气的区域。Shanley等人认为,“类似绿河盆地的低渗气藏不属于深盆气藏或连续聚集的气藏”,他们确切地表达了与深盆气藏或连续聚集气藏不一致的观点。4气藏地质及测井识别独特的致密气藏特征经常导致完井及增产措施失败,因此,最具挑战性的工作就是在进行增产措施设计之前来评估气藏的品质。地质工程师除了用较少的岩心之外,常常依赖于测井来计算相对精确的储层孔隙度、渗透率以及定性地识别储层中的流体性质和定量地计算各种流体饱和度。致密气藏描述、评价和评估主要依赖于岩石学、测井和试井三种手段。4.1孔隙度对孔隙结构的影响要想正确地开采致密砂岩气藏,就要研究储层岩石。Byrnes等人出版了一本非常有价值的岩石性质文集,涉及7个盆地,包括绿河盆地、Piceance、PowderRiver、SandWash、Uintah、Washakie和WindRiver盆地。在该文集中包含的内容有常规地层孔隙度、渗透率、粒度、密度、胶结和饱和度指数、阳离子交换能力、压汞毛细管压力、泄气临界含气饱和度、薄片和岩心描述等。图4是Archie胶结指数(m)与常规岩心分析孔隙度交会图。从图上可以看出,当孔隙度减小时,Archie胶结指数值也连续减小。Byrnes等人认为,Archie胶结指数的减小是由于扁平状的孔喉连通了较大次生孔隙的结果。对此Shanley等人也持有相同观点,他们认为微裂隙是最常见的,对渗透率的大小起主要作用,主要是微裂隙连通了因颗粒的溶蚀作用而产生的次生孔隙。Shanley等人通过电子显微摄影及扫描电镜图像,说明在低渗储层中裂隙型孔和孔喉非常常见。裂隙孔网络通常由次生溶蚀孔经狭窄的类似薄片的缝连通而组成,在超压下,这些微裂隙被大幅度地压缩,从而会降低渗透率。Byrnes等人还陈述了这样的观点,即“这种孔隙结构与一个胶结指数m近似等于1的简单的裂缝相似”。图4反映了随着孔隙的减小,孔隙系统逐渐地闭塞成为一个具有低胶结指数的简单的裂缝网络。Aguilera.R等人用一个双孔隙模型模拟了Byrnes等人获得的实验室研究成果,图5为模拟结果。从图上可以看出,模拟结果与实验数据吻合得相当好,裂隙孔隙度值(phi2)指示了与残余孔隙度对比,裂隙孔隙度非常小。然而,裂隙增大了流体流动的渗透性能,不过,由于裂隙的几何形状的特点,导致随着上覆静压力的增大裂隙会部分闭合。实验中也有许多天然裂缝可以提高渗透率的实例。Shanley等人所做实验结果证明在致密砂岩中,当含水饱和度大于50%时,气体的相对渗透率会变得非常低。通过铸体薄片相片还可以定性地描述孔隙的几何形状,这对提高评价储层渗透率的准确性也有很大的帮助。4.2储层储层孔隙度计算方法由测井计算的含水饱和度具有很大的不确定性,这个问题尤其是在致密气藏和非均质气藏中非常突出。为了降低低渗致密气藏中碳氢化合物以及流体接触关系的评价的不确定性,有必要对岩心资料和测井资料进行综合分析。ShengDing等人(2002)提出了一种新的方法——JMOD(一种基于EXCEL的饱和度和海拔关系的综合方法),并说明这种方法已经成功应用于测井曲线校正,可更好地确定致密气藏中的诸如地层水饱和度和潜水面等岩石物理性质。这种方法来源于毛细管压力和Leverett的“J函数”概念。在致密气藏的勘探开发决策中,该方法的应用起到了举足轻重的作用,可以用来综合岩心和测井资料以减少岩石物理参数的不确定性,也可以用来计算含水饱和度和潜水面。ShengDing和TaiPham通过实例研究认为,该方法可以确定潜水面和校正测井分析参数,可以极大地减小气藏评价的不确定性,避免失利,并抓住勘探开发过程中的有利机会。美国Piceance盆地具有透镜状泥质砂岩沉积物的非均质性强、地层水电阻率的变化大、烃类与产水层的不确定性以及地层巨厚等特点,使得对该盆地的测井分析存在着很大的不确定性。使用一种综合了地层黏土和各种水电阻率的影响效果的泥质砂岩含水饱和度模型,对于正确地分析这些致密透镜状砂岩十分重要。V.AKuuskraa和D.JCampayna评价地层黏土所带来的影响的一个重要条件就是要求有关于阳离子交换能力的资料,通常认为黏土带来的影响是由盆地中心向地表垂直增大的。为了提高致密砂岩气藏中孔隙度计算的精确程度,M.M.Abu-Shanab等人(2005)提出了一种使用密度测井(DEN)和核磁共振测井(NMR)相结合来计算孔隙度的经验方法,并用岩心孔隙度校正,这种新的孔隙度被称作密度-核磁响应孔隙度(DMR)。科研人员通常用中子/密度测井曲线来计算地层孔隙度。然而,这种方法只有在岩性较纯且充满流体的砂岩中才能得到比较满意的结果,岩性、气体以及泥质砂岩中地层的非均质性等因素都增大了孔隙度计算的不确定性。M.M.Abu-Shanab等人(2005)介绍了DMR技术在埃及Obaiyed气田一口取心井上的应用,并论证了该技术在取代单独应用核磁共振测井或常规测井来计算致密砂岩气藏的储层孔隙度和含气饱和度上的重要性。由井资料提供的裂缝强度无法准确地外推到整个气田,而统计技术提供了一些手段用于处理存在于气藏建模中的这类问题。PatrickM.Wong(2003)介绍了一种基于软件计算方法的综合技术,并且说明了这种技术怎么才能被用于提高裂缝描述的工作流程,进而识别“甜点”。研究中使用一套岩石基质属性和与裂缝有关的地震属性来模拟位于怀俄明州的Pinedale背斜的一个三维裂缝强度模型,模拟结果与4口井吻合得非常好。研究也表明了裂缝强度估计及其误差分析是一个非常有用的工具,可以用于识别潜在的甜点以减少风险。这些岩石物理工作是非常重要的,做好这些工作有助于减小致密砂岩储层评价的不确定性。4.3储层压裂注入实验在致密砂岩气藏试井工作中面对的最大的问题是:由于致密砂岩气藏具有极低的渗透率,要想达到无限作用径向流需要很长的时间,因此,实施常规试井既不实际,费用又高。为了从致密砂岩气藏试井中得到尽可能多的信息,Lee提出一套压前和压后试井的程序。整个程序最关键的是要有一个精准的原始压力值,实际上,得到一个准确的原始压力值在整个气藏的开发过程中都是非常重要的。Lee所用的方程是传统方程,已经成功应用了好多年,他提出建立适当的压前气体流量。如果储层是非常致密的(0.001~0.1mD,1mD=10-3μm2),基于经验,用酸、KCl水溶液或N2,就可以得到压前气体流量。但是Lee的方法仍然无法解决试井时间过长的问题,并需要压后试验的正确评价,特别是当储层的渗透率小于0.1mD时,就更需要压后评价。为了减小需要长期流动和关井时间这个问题,研究人员使用了根据脉冲压裂注入实验来估计渗透率的方法。例如,Gu等人建立了基于瞬时的源溶解到扩散能力方程的一个等式。当注入时间比关井时间短时,可以称注入物为瞬时源。这种方法与冲击试验相类似,所不同的是冲击实验不能产生裂缝,而脉冲试验有望在井筒周围产生裂缝。Mayerhofer和Conomides研发了一种方法,并且介绍了一个实例——通过一个小型压裂试验来说明怎样计算渗透率、泄漏系数和废弃压力。他们通过建立一个可以识别不稳定流动时期的双对数判别交会图来进行分析,并由此可以计算气体渗透率,结果的可靠性可通过压力匹配来证实。通常一口井要钻穿几个透镜状的气藏,随着开发钻探的进行,有可能其中有些透镜体没钻遇,还保持原始地层压力,而有的透镜体则由于生产而压力下降很多。如果一口开发井要进行压裂,则压力下降多的层段会影响全部的压裂工作。为了减小这种影响,Craig等人介绍了一个实例,在该例子中,用多重诊断压裂注入试验来确定与天然裂缝泄漏有关的压力,识别砂岩透镜体的压力损耗,估计气相渗透率,优化多次压裂作业。致密砂岩气藏中试井分析较新的方法是射孔流入试验分析,即PITA(PerforationInflowTestAnalysis)。Rahman等人介绍了油气的数学算法背景,以及用