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地层条件下页岩总孔隙度的定量化表征与预测

徐壮  
【摘要】:页岩气的勘探与开发已成为了全球油气资源勘探与开发的一大热点,加快页岩气资源勘探与开发已成为世界主要页岩气资源大国和地区的共同选择。由于我国页岩气勘探与开发起步晚,研究程度较低,迫切需要立足于国内的地质特征,建立适用于我国地质特色的页岩气勘探与开发理论、技术。页岩气储层中关键参数的定量化表征一直是国内众多学者研究的目标,页岩总孔隙度参数是评价页岩储集能力及页岩气资源量的重要参数,也是开展页岩气资源调查与选区的基础研究。页岩气储层孔隙度的准确数据需要通过实验室测试才能获得,在实验室中测试储层孔隙度不仅受钻井取芯的限制,而且由于测试时间长,费用高等原因,一般仅仅测试目的层段有限的数据。整个层段的孔隙度数据是在实验室测试数据的约束下,依据所建立的孔隙度与测井曲线的表征模型来进行定量化预测求得,因此预测或求取孔隙度数据的准确性主要决定于所建立的孔隙度的定量化表征模型,建立孔隙度的定量化表征模型是研究的关键科学问题。通过开展系统的页岩气储层孔隙度的定量化表征研究,能够利用测井曲线快速、准确地预测孔隙度,从而使得依据地球物理手段开展孔隙度剖面和平面预测成为可能。本文以涪陵地区天然页岩及实验室人造岩心样品为研究对象,通过对涪陵地区页岩的岩心测试及测井数据的分析,结合Wyllie时间平均方程、Gassmann模型及Voigt模型,建立了一套利用速度定量化表征涪陵地区总孔隙度的模型,并利用三维地震叠后反演技术实现了涪陵地区总孔隙度的预测。同时,对涪陵地区天然页岩岩心样品进行了地化测试、物性测试、矿物组分等测试,探明了涪陵地区天然页岩的孔隙特征、矿物学特征,并利用自主研发的成岩模拟仪器及岩心制备技术,成功的制备了一系列模拟天然页岩的人造岩心样品。通过对人造岩心样品进行测试,建立起了地层速度的岩石物理表征方程,结合涪陵地区丰富的测井资料及岩心测试资料,最终建立了涪陵地区的总孔隙度岩石物理表征模型,实现了涪陵地区总孔隙度的预测。论文取得的主要成果和认识如下:1、通过氩离子剖光扫面电镜、薄片的观察,查明涪陵地区页岩的孔隙类型主要有无机孔隙、有机孔隙、、微裂缝三种类型,其中无机孔隙主要包括粘土矿物晶间孔、粒间孔以及粒内孔。有机孔隙属于有机质在后期热演化过程形成的孔隙,只要分布在有机质内。微裂缝主要包括页理缝和构造缝,页理缝则主要发育于纹层发育段,在刚性矿物与塑性矿物间易于形成页理缝。通过CT扫面发现涪陵地区页岩多发育纳米-微米级孔隙,以有机质内的圆管状的纳米级孔为主。孔隙形态为席状、片状、管状,连通性中等,喉道形态为针管状,局部片状、斑块状,以30nm的中型纳米孔为主。利用CO_2吸附表征页岩微孔(直径2nm的孔隙)、用N_2吸附表征2-50nm的中孔、用压汞法表征直径50nm的大孔,通过三种方法的联合表征,发现涪陵地区页岩孔径主要分布在4-50nm之间,部分孔径小于1nm,也有大于200nm的大孔发育。2、涪陵地区有机质孔隙最为发育,在典型测井中有机质孔隙自下而上逐渐减小,无机孔隙逐渐增加,而碎屑孔隙与粘土孔隙自下而上有逐渐增长的趋势。利用CMS-300自动岩心测量系统,测量了焦页1井孔隙度实际数值。孔隙度测试数据统计显示焦页1井孔隙度分布范围为1.17%-7.98%,平均值为4.61%,孔隙度的分布总体呈现出顶层和底层高,中间低的特点。而通过渗透率测试,发现涪陵地区页岩的渗透率同样具备3段式分段特征,1段和3段水平渗透率略高于第2段水平渗透率,呈现了“两高夹一低”的三段式特征;从基质渗透率统计结果来看,也具备3段式分段特征,1段平均水平基质渗透率为0.341mD,2段平均水平基质渗透率为0.092mD,3段平均水平基质渗透率为0.256mD,同样呈现了“两高夹一低”的三段式特征。3、页岩中石英含量普遍大于40%,最高可达70%,长石8%-15%,方解石和白云石含量普遍大于10%,而粘土矿物总量普遍达45%-60%,且以伊蒙混层和伊利石为主,脆性矿物含量为50%-80%,还有少量的黄铁矿和赤铁矿。4、基于涪陵地区天然岩心的测井数据和岩心测试数据,结合Wyllie时间平均方程、Gassmann模型及Voigt模型建立了总孔隙度的速度预测模型。利用涪陵地区测井数据与地球物理数据良好的响应关系,通过测井数据在纵向上对涪陵地区的总孔隙度进行了准确的预测。同时,结合三维地震叠后反演技术,最终实现了涪陵地区总孔隙度的平面预测。5、通过对涪陵地区天然页岩的孔隙特征、岩石物性及矿物学特征的研究,模拟天然页岩制备了一批人造岩心。在制备过程中,通过控制矿物组成及含量、矿物粒径大小、围压、温度、孔隙压力等参数,分别制备了三组人造岩心,其中A组矿物组分相同,通过控制粒径大小,保证A组岩心的孔隙度在0-15%之间变化;B组石英与黏土矿物含量相同,长石与有机质含量不同,通过控制粒径及围压,保证人造岩心的孔隙度在4%左右;C组石英与黏土矿物含量不同,长石与有机质含量相同,通过控制粒径及围压,保证人造岩心的孔隙度在4%左右。并对人造岩心样品进行覆压声波测试,通过测试数据的分析,分别建立起单一参数总孔隙度、石英含量、黏土矿物含量、有机碳含量、围压、孔隙流体类型与地层速度的响应模板与影响因子,利用归一化处理统一量纲,建立起地层速度的表征模型。结合涪陵地区丰富的测井资料与岩心测试资料最终建立起涪陵地区的总孔隙度岩石物理表征模型,实现了涪陵地区总孔隙度的预测,为以后页岩的定量化研究提供了新的思路和方法。


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