巖石物理學(xué)報(bào)告

前言對(duì)于非常規(guī)油氣藏的開(kāi)發(fā)，這里我主要以現(xiàn)今比較熱門且擁有巨大潛力的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)為例，我們知道，中國(guó)主要盆地和地區(qū)頁(yè)巖氣資源量約為15萬(wàn)億－30萬(wàn)億立方米，與美國(guó)28．3萬(wàn)億立方米大致相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。另一方面，生產(chǎn)周期長(zhǎng)也是頁(yè)巖氣的顯著特點(diǎn)。頁(yè)巖氣田開(kāi)采壽命一般可達(dá)30～50年，甚至更長(zhǎng)。美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局最新數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)沃思堡盆地Barnett頁(yè)巖氣田開(kāi)采壽命可達(dá)80～100年。開(kāi)采壽命長(zhǎng)，就意味著可開(kāi)發(fā)利用的價(jià)值大，這也決定了它的發(fā)展?jié)摿?。?yè)巖氣開(kāi)采技術(shù)，主要包括水平井技術(shù)和多層壓裂技術(shù)、清水壓裂技術(shù)、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)重復(fù)壓裂技術(shù)及最新的同步壓裂技術(shù)，這些技術(shù)正不斷提高著頁(yè)巖氣井的產(chǎn)量。正是這些先進(jìn)技術(shù)的成功應(yīng)用，促進(jìn)了美國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展。如果能引進(jìn)這些先進(jìn)技術(shù)，將為中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)助一臂之力。國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者也都十分關(guān)心頁(yè)巖氣的開(kāi)采問(wèn)題，我將從巖石脆性和異常地層壓力這兩個(gè)方面就相關(guān)文獻(xiàn)做一個(gè)小結(jié)和心得。1.巖石脆性與頁(yè)巖氣頁(yè)巖氣藏屬超致密儲(chǔ)層,具有低孔、特低滲的成藏特征,開(kāi)發(fā)需要大規(guī)模的水力壓裂來(lái)提高產(chǎn)能。裂縫網(wǎng)絡(luò)的展布特征直接受控于脆性礦物指數(shù)大小,其計(jì)算方法主要有兩種,礦物巖石學(xué)法主要用于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的定量評(píng)價(jià),而巖石物理法是巖石整體力學(xué)的反映,一般在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中,更能反映巖石的脆性。1.1脆性礦物指數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的意義頁(yè)巖氣屬于一種“連續(xù)型”氣藏,主要以吸附、游離或溶解狀態(tài)賦存于暗色泥巖中,它既可以游離態(tài)方式存儲(chǔ)于天然裂隙或巖石粒間孔隙,也可以吸附態(tài)方式存儲(chǔ)于干酪根或砧土顆粒表面,或少量溶解于干酪根和瀝青質(zhì)l]。頁(yè)巖氣作為一種典型的“自生、自儲(chǔ)”天然氣聚集系統(tǒng),具有分布廣、厚度大、產(chǎn)氣周期長(zhǎng)等特點(diǎn),但是也是一種典型的低孔(納米級(jí)孔隙)、超低滲儲(chǔ)層(滲透率小于lmD),勘探開(kāi)采難度大,主要通過(guò)水力壓裂技術(shù),使天然開(kāi)啟的裂縫恢復(fù)活力,開(kāi)啟壓裂裂縫,以提高生產(chǎn)效率。脆性指數(shù)作為水力壓裂的核心評(píng)價(jià)參數(shù),國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的勘探剛剛起步,沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于巖石脆性指數(shù)的計(jì)算目前主要有巖石物理解釋和巖石礦物學(xué)的方法。巖石物理解釋方法主要是泊松比和楊氏模量的綜合體現(xiàn),這兩個(gè)分量結(jié)合起來(lái)能夠反映巖石在應(yīng)力(泊松比)下破壞和一旦巖石破裂時(shí)維持一個(gè)裂縫張開(kāi)(楊氏模量)的能力,因此有必要把脆性因素用一種結(jié)合了頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的方式予以量化,iRckman等利用巖石力學(xué)的方法計(jì)算脆性指數(shù),即:其中:YMSC是綜合測(cè)定的楊氏模量,MPa;PRC是綜合測(cè)定的泊松比,林;YM_BRIT是均一化后的楊氏模量,無(wú)量綱;PR_BRIT是均一化后泊松比,無(wú)量綱;BI是脆性系數(shù),。由于巖石物理法使用巖石力學(xué)參數(shù)泊松比、楊氏模量綜合分析,是巖石整體力學(xué)的反映,因此,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中,大多數(shù)認(rèn)為巖石物理法能反映巖石的脆性。根據(jù)北美頁(yè)巖氣水平井的壓裂經(jīng)驗(yàn),相對(duì)較高的硅質(zhì)或者碳酸鹽礦物(大于40%)有利于形成裂縫網(wǎng)絡(luò),提高天然氣滲流通道產(chǎn)氣能力。因此脆性礦物指數(shù)的評(píng)價(jià)是頁(yè)巖縫網(wǎng)壓裂必須考慮的重要參數(shù),一方面礦物的脆性特征是巖石內(nèi)在屬性的表現(xiàn)形式,另一方面,脆性特征也決定了頁(yè)巖壓裂設(shè)計(jì)中液體體系與支撐劑用量的選擇。iRckman等根據(jù)北美頁(yè)巖氣多年的壓裂實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出巖石脆性與壓裂裂縫形態(tài)的關(guān)系,并建議在壓裂設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮巖石的脆性特征來(lái)優(yōu)選液體體系和支撐劑。雖然頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)剛剛起步,但是脆性指數(shù)大小直接影響壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的展布特征,進(jìn)而影響頁(yè)巖氣的產(chǎn)能。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)起步不久,需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)搞清頁(yè)巖壓裂縫網(wǎng)的延伸范圍和控制機(jī)理。1.2頁(yè)巖氣地層巖石脆性指示因子疊前反演方法前已述及，楊氏模量和泊松比是表征頁(yè)巖氣儲(chǔ)集體巖石脆性的重要指示因子，而疊前地震反演是從地震資料中獲取巖石力學(xué)參數(shù)的有效途徑。首先，在平面波入射等假設(shè)條件下推導(dǎo)了基于楊氏模量、泊松比和密度的縱波反射系數(shù)線性近似方程（YPD反射系數(shù)近似方程），該方程建立了地震縱波反射系數(shù)與楊氏模量反射系數(shù)、泊松比反射系數(shù)和密度反射系數(shù)的線性關(guān)系；其次，對(duì)該方程的精度和適用條件進(jìn)行了分析；最后，建立了一種穩(wěn)定獲取楊氏模量和泊松比的疊前地震直接反演方法，并通過(guò)模型試算和實(shí)際資料試處理表明，基于新方程的反演方法能夠穩(wěn)定合理的直接從疊前地震資料中獲取楊氏模量和泊松比參數(shù)，提供了一種高可靠性的頁(yè)巖氣地層巖石脆性地震識(shí)別方法。在平面波入射等假設(shè)條件下，建立基于楊氏模量、泊松比和密度的縱波反射系數(shù)線性近似方程為：該方程建立了縱波反射系數(shù)與楊氏模量反射系數(shù)、泊松比反射系數(shù)及密度反射系數(shù)的線性關(guān)系?？煞Q之為YPD近似方程。其中，ΔE/E、Δσ/σ為楊氏模量和泊松比反射系數(shù)。以該方程為基礎(chǔ)，在貝葉斯反演框架下，假設(shè)待反演楊氏模量、泊松比及密度反射系數(shù)服從柯西分布，該分布假設(shè)可以最大限度提高反演分辨率，假設(shè)似然函數(shù)服從高斯分布，同時(shí)在反演目標(biāo)函數(shù)中加入初始模型約束，并通過(guò)初始模型建立各道去相關(guān)矩陣，消除待反演參數(shù)見(jiàn)的互相關(guān)性，建立了一種YPD-AVA疊前地震反演方法，實(shí)現(xiàn)巖石模量與泊松比疊前直接反演。楊氏模量和泊松比能夠較好的表征巖石的脆性，評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的造縫能力，頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”具有高楊氏模量和低泊松比特征，利用疊前地震反演獲取楊氏模量和泊松比參數(shù)成為利用疊前地震資料進(jìn)行頁(yè)巖氣甜點(diǎn)識(shí)別的重要手段。在平面縱波入射條件下，由Aki-Richard近似出發(fā)，推導(dǎo)得到基于楊氏模量、泊松和密度的Zoeppritz近似公式（YPD近似方程），奠定了疊前反演獲取楊氏模量和泊松比的理論基礎(chǔ)。在YPD近似方程基礎(chǔ)上建立了一種穩(wěn)定反演楊氏模量和泊松比的方法，模型測(cè)試表明，該方法在信噪比比較低的情況下仍能得到合理的反演結(jié)果，實(shí)際資料試處理驗(yàn)證了該方法在實(shí)際生產(chǎn)中的可行性，提供了一種從地震數(shù)據(jù)中直接提取楊氏模量和泊松比的疊前地震反演方法。氣壓裂與頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)給我們的啟示雖然頁(yè)巖具有高采氣速度是近年來(lái)才出現(xiàn)的現(xiàn)象，但是頁(yè)巖知識(shí)，包括特殊的完井、壓裂和頁(yè)巖井的操作實(shí)際上已經(jīng)發(fā)展了30余年，頁(yè)巖氣生產(chǎn)可追溯至近190年。在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的最近10年中，主要通過(guò)技術(shù)的發(fā)展和配套以適應(yīng)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖氣的工程可采儲(chǔ)量從約2%增至50%。配套技術(shù)，包括多級(jí)壓裂水平井、低粘度滑溜水壓裂液以及同步壓裂，已經(jīng)發(fā)展到在一個(gè)特定的油藏局部區(qū)域，通過(guò)打開(kāi)天然裂縫，使裂縫系統(tǒng)的儲(chǔ)層接觸面積增至920×104m2。這些技術(shù)已經(jīng)使幾年前完全沒(méi)被利用的巨大天然氣儲(chǔ)量的開(kāi)發(fā)成為可能。當(dāng)前和下一代技術(shù)，混合壓裂、裂縫復(fù)雜性、裂縫流動(dòng)穩(wěn)定性和壓裂液重復(fù)利用的方法，保證了更多的能源供應(yīng)。本文根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的350多篇關(guān)于頁(yè)巖完井、壓裂和操作的文獻(xiàn)，將地球科學(xué)和工程技術(shù)信息聯(lián)系在一起，突出頁(yè)巖的選擇性起裂和微裂縫系統(tǒng)的穩(wěn)定性兩個(gè)信息，確定奮斗新領(lǐng)域，以期達(dá)到頁(yè)巖開(kāi)發(fā)新水平。美國(guó)頁(yè)巖氣的生產(chǎn)開(kāi)始于1920s，并已隨著頁(yè)巖氣技術(shù)的發(fā)展得到成長(zhǎng)。僅在過(guò)去的幾年中，技術(shù)上已取得了大量頁(yè)巖氣資源廣泛開(kāi)發(fā)的可能。頁(yè)巖氣的發(fā)展已使增加的天然氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量（GIP）采收率從最初的2%（Barnett，1998）增至50%（Barnett，2008）。絕大多數(shù)現(xiàn)代頁(yè)巖氣井的天然氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量的預(yù)計(jì)最終采收率（EUR）被認(rèn)為在15%-35%范圍（這取決于頁(yè)巖、完井技術(shù)和操作）。EUR的增加主要是由于水平井中頁(yè)巖特有技術(shù)的配套和壓裂技術(shù)，而頁(yè)巖EUR要取決于井的預(yù)計(jì)壽命。雖然許多經(jīng)營(yíng)者用50年作為預(yù)計(jì)壽命，但是最初幾年凈現(xiàn)值（NPV）很低。這個(gè)問(wèn)題也存在于致密氣的開(kāi)發(fā)中，井生產(chǎn)上的連續(xù)改進(jìn)使井的經(jīng)濟(jì)生命周期超過(guò)了50年。一個(gè)懸而未決、非常重要的挑戰(zhàn)是維持這些老井生產(chǎn)和在預(yù)期生命晚期低產(chǎn)氣量下低液化的能力。頁(yè)巖井的遞減曲線表現(xiàn)出早期急劇下降，生產(chǎn)中易于接觸裂縫中的游離氣和流體。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)報(bào)表中，早期的下降可能是雙曲線的，隨后過(guò)渡到相對(duì)穩(wěn)定的生產(chǎn)，可能是指數(shù)形式的，許多公司和儲(chǔ)量審計(jì)員報(bào)告的指數(shù)大于2n。小的地層孔隙和無(wú)支撐劑的天然裂縫是致密砂巖氣藏氣體生產(chǎn)的主要滲流通道。但在最近關(guān)于頁(yè)巖中滲流通道的研究已經(jīng)確定在干酪根和有機(jī)碳物質(zhì)中的交叉空隙可能是基質(zhì)組分游離氣儲(chǔ)存和流體運(yùn)動(dòng)的主要通道。頁(yè)巖中的吸附氣在儲(chǔ)層壓力降低時(shí)開(kāi)始產(chǎn)出氣體。假設(shè)在人工裂縫和最小天然裂縫閉合后有足夠的生產(chǎn)工藝應(yīng)用于維持和最大化流體采收率，由于超過(guò)40年的頁(yè)巖氣井產(chǎn)量均很低，因此，當(dāng)前除開(kāi)發(fā)技術(shù)之外，經(jīng)濟(jì)性則是討論頁(yè)巖氣采收率必須考慮的因素之一。頁(yè)巖氣中比較常見(jiàn)的壓裂方法有含支撐劑和不含支撐劑的泡沫壓裂、CO2和N2（無(wú)支撐劑）、凝膠、粘彈性凝膠、滑溜水壓裂、活性壓裂和各種混合壓裂。在大多數(shù)情況下，第一個(gè)月過(guò)后需要支撐劑來(lái)維持生產(chǎn)（高滲透儲(chǔ)層除外）。壓裂液中的CO2或致密相（攜砂）已經(jīng)應(yīng)用于Devonian頁(yè)巖。在Devonian頁(yè)巖的特定地區(qū)，CO2凝膠壓裂液的產(chǎn)量比N2壓裂液的高2倍，比泡沫壓裂液的約高5倍。盡管天然氣和泡沫壓裂液似乎是頁(yè)巖的理想壓裂液，但是使用它們壓裂的井的產(chǎn)量比使用滑溜水壓裂的低。一方面是因?yàn)椴灰讛y帶大量的支撐劑；另一方面是與需要進(jìn)入并擴(kuò)大頁(yè)巖天然裂縫系統(tǒng)以及像滑溜水壓裂液一樣盡可能多地接觸地層有關(guān)。泡沫通過(guò)其粘度的增加和賈敏效應(yīng)的氣泡變形阻礙了流體流動(dòng)，具有天然的濾失控制。N2和CO2氣體壓裂可以進(jìn)入頁(yè)巖結(jié)構(gòu)，但缺乏在氣相中攜帶大量支撐劑的能力。稠化烴氣體壓裂使用丙烷或丁烷對(duì)于水敏感的頁(yè)巖可能是一項(xiàng)突破性技術(shù)。圖為滑溜水壓裂、泡沫壓裂和凝膠重復(fù)壓裂的結(jié)果。產(chǎn)量增加部分是因?yàn)榛锼赡芷茐牧伺月?，但重?fù)壓裂需要解決的問(wèn)題是裂縫和裂隙閉合的問(wèn)題。一口井重復(fù)壓裂后的產(chǎn)量提高了3倍，并且成直線維持了18年。圖6（Cipolla，2009）為Barnett頁(yè)巖滑溜水壓裂和交聯(lián)凝膠壓裂的儲(chǔ)層改造體積（SRV）對(duì)比。數(shù)據(jù)（Warpinski，2005）表明，滑溜水壓裂的微地震可覆蓋140acre。如果微地震事件相連，那么裂縫網(wǎng)絡(luò)則將數(shù)百萬(wàn)平方英尺的儲(chǔ)層面積連接到裂縫系統(tǒng)中。儲(chǔ)層改造體積（SRV）從交聯(lián)凝膠壓裂的4.3×108ft3增加到滑溜水壓裂的14×108ft3，證明滑溜水壓裂的產(chǎn)氣量大致上是交聯(lián)凝膠壓裂的兩倍。Fisher（2002）提供的許多事例也證明了SRV與產(chǎn)量增加的關(guān)系。Fisher（2004）提供了復(fù)合壓裂水力連接的實(shí)際形態(tài)，預(yù)測(cè)了Barnett極其復(fù)雜的裂縫，且在壓裂時(shí)暫時(shí)抑制了周圍6口井的生產(chǎn)（圖7）。在壓裂地區(qū)的微地震事件集合一般是復(fù)合壓裂一個(gè)很好的標(biāo)志，但這通常需額外的信息源來(lái)確認(rèn)，如示蹤回流、生產(chǎn)測(cè)井以及實(shí)際產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究新進(jìn)展隨著頁(yè)巖儲(chǔ)層研究的不斷深入，取得了一系列重要進(jìn)展和認(rèn)識(shí)，主要體現(xiàn)在對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙空間類型、儲(chǔ)層物性控制因素以及頁(yè)巖氣預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)幾方面。主要的認(rèn)識(shí)有：①頁(yè)巖儲(chǔ)層中的納米孔隙及微裂縫是重要的儲(chǔ)集空間；②礦物組成是影響儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能及產(chǎn)能的重要因素，黏土礦物含量是影響頁(yè)巖氣吸附性及孔隙大小的主要因素，而脆性礦物可以有效改善儲(chǔ)層物性并提高壓裂的成功率；③有機(jī)質(zhì)含量和熱成熟度是影響頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)納米孔隙發(fā)育的關(guān)鍵因素；④基于頁(yè)巖巖性精細(xì)劃分，可以根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖性及巖相層段預(yù)測(cè)有利層段；⑤提出了利用層序地層學(xué)的方法對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行研究的理念。這些成果和認(rèn)識(shí)推動(dòng)了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究的步伐，但仍存在許多科學(xué)難題尚未解決。如：頁(yè)巖儲(chǔ)層主要儲(chǔ)集空間類型的貢獻(xiàn)、連通性、差異性及變化規(guī)律；孔隙在成巖演化過(guò)程中的特征及形成時(shí)期、與頁(yè)巖氣生成的時(shí)間匹配關(guān)系；孔隙的保存機(jī)制；孔隙中游離氣與吸附氣量的相對(duì)含量及與孔隙度和滲透率的相互關(guān)系；孔隙度和滲透率測(cè)試方法的差異對(duì)物性評(píng)價(jià)的影響等，都是亟待解決的科研難題。參考文獻(xiàn)：[1]吳斌、肖世洪.脆性礦物指數(shù)計(jì)算方法及對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的意義1003一5168(2014)10一0056一02(重慶能源集團(tuán)頁(yè)巖氣公司,重慶40006)[2]宗兆云、印興耀、吳國(guó)忱等頁(yè)巖氣地層巖石脆性指示因子疊前反演方法，1003一5168(2014)10一0056一02[3]GeorgeE.King等著，陳仙江編譯,三十年的頁(yè)巖氣壓裂:我們學(xué)到了什么?（上）,（新疆油田分公司開(kāi)發(fā)公司，新疆克拉瑪依834000[4]蒲泊伶、董大忠、牛嘉玉、王玉滿、黃金亮，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究新進(jìn)展，中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京１０００８３；２．中國(guó)石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京１０００８３感想這次在對(duì)頁(yè)巖氣幾相關(guān)文獻(xiàn)的搜索與閱讀中收獲了許多，從一開(kāi)始對(duì)頁(yè)巖氣的陌生到開(kāi)始有了些許感性的認(rèn)識(shí)，讓自己對(duì)地球物理以及巖石物理方面又提高了興趣，并且這次也搜索了一些英文文獻(xiàn)，但是英語(yǔ)方面能力還有待提高，文獻(xiàn)看