【精选】焦方正等《鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气勘探理论与技术研究新进展》
【精选】焦方正等《鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气勘探理论与技术研究新进展》
chinashalegas
页岩油气、致密油气、煤层气等非常规能源与常规能源研究平台,提供能源咨询、调研、科技评价与信息服务。
以下文章来源于天然气工业 ,作者焦方正
创刊于1981年,是由中国石油西南油气田公司、川庆钻探工程有限公司联合主办的学术期刊。关注地质勘探、开发工程、钻井工程、集输加工、安全环保、经济管理等多个领域。Ei检索、CSCD核心、中文核心、中国科技核心、入选中国科技期刊卓越行动计划。
摘要 ::鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气资源丰富,是国内油气增储上产的重要战略接替新领域。为了探索形成海陆过渡相页岩气相关理论,促进技术进步,基于充分调研国内外海陆过渡相页岩气研究进展的基础上,明确了盆地海陆过渡相页岩气规模勘探所面临的理论与技术挑战,并以盆地东缘大吉区块作为先导试验区,形成了海陆过渡相页岩气勘探理论与技术。研究结果表明:①建立了四级层序约束下的2 类海陆过渡相页岩发育模式,即“暖干、贫氧、地貌、海侵”四元耦合的“双源”模式和“潮湿”气候下的“单源”模式;②建立了海陆过渡相页岩“早生烃—长周期”双源宽幅生烃演化模式,并估算了先导区试验区海陆过渡相页岩气资源量约9×1012 m3 ;③形成了基于测井反褶积理论的海陆过渡相页岩岩性组合与富有机质页岩识别方法(U—SP 曲线重叠法),建立了岩性约束下的页岩储层物性、地化参数、含气性测井定量评价模型;④创建了海陆过渡相多岩性组合页岩气甜点地球物理评价及预测技术体系,实现了海陆过渡相页岩气富有机质页岩发育特征空间定量表征及预测。结论认为,研究成果实现了地质—地球物理多信息融合的页岩气甜点预测与综合评价,并优选出了4 个I 类有利区,有力支撑了先导试验区井位部署和先导试验方案的编制,推动了我国海陆过渡相页岩气的勘探开发进程,拓展了天然气勘探开发新领域,有利于保障国家能源安全。
关键词: 海陆过渡相;页岩气;发育模式;鄂尔多斯盆地;关键问题;资源量;研究进展;有利区
鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气勘探理论与技术研究新进展
焦方正 1 ,温声明 2 ,刘向君 3,4,5 ,熊先钺 2 ,
李树新 2 ,谷一凡 3,4,5 ,李勇 3,4,5
吴勇 3,4,5 ,吴丰 3,4,5 ,张喜 3,4,5
零、引言
一、地质背景
2.1 理论难点
2.2 技术难点
相比海相页岩层系,海陆过渡相可形成煤层与砂岩、泥岩和页岩等岩性的多种复杂组合,岩性组合横向非均质性强。煤层强反射可对下伏相邻页岩反射造成屏蔽作用,也会产生多次波,并叠加在煤层下伏地层反射波之中。如多套低速煤层与相邻地层的组合,则常常产生多个强振幅反射波。从而,造成煤层下伏地层地震资料成像质量差,严重干扰煤层下伏页岩甜点储层的识别与预测。提升煤层屏蔽作用下地震波成像质量是保障页岩储层特征定量表征与预测的基础。
相比海相页岩层系,过渡相复杂岩性组合中页岩单层厚度小,页岩甜点储层厚度和含气性的地球物理预测与评价难度较大。需要根据过渡相页岩层系岩性组合特点,开展地球物理纵向提高分辨率和横向提高强非均质性定量预测的技术攻关和基础研究,从而为海陆过渡相页岩含气富集区的开发和工程施工提供更合理的定量地质模型。
三、研究进展
3.1 厘定了海陆过渡相富有机质页岩发育层段及成因
图2 大吉区块山西组 山 2 3 亚段海陆过渡相富有机质页岩岩石学特征照片
前人研究表明,新生界、中生界(三叠系)及古生界(二叠系、志留系—奥陶系)等地层记录中,均可识别到受偏心率控制的古气候波动 [24-26] 。在山 2 3 亚段内部,长偏心率周期通过调节0.4 Myr 尺度海平面变化控制沉积环境演化,影响富有机质页岩的发育;短偏心率周期通过调节0.1 Myr 尺度海平面变化控制沉积环境演化,进而影响有机质富集。其中,长偏心率约束下的PSQ1 及PSQ3 两个四级层序为富有机质页岩发育段, TOC 相对较高,平均值分别为3.5%和2.6%。前期成果表明,太原组沉积末期,太原组顶部石灰岩经历了短暂抬升剥蚀和溶蚀作用,形成了岩溶洼地、岩溶高地和岩溶斜坡等沉积单元 [27] 。
在此地貌基础上,随着海水持续侵入,PSQ1 沉积期的海平面相对较高(图3),研究区处于海湾(河口湾)环境 [18] ,潮汐作用强(图4-a);形成的富有机质页岩在岩心和薄片中可见海百合(图2-a)、腕足(图2-b)、骨针(图2-c)等大量海相生物个体或碎屑。此时期,古气候偏向于温暖、干旱条件,沉积表层水体古生产力较高,提供了大量海源有机质,同时陆源碎屑输入也提供了陆源有机质,呈现“双源”有机质富集特征(图4-b);同时,此时期的沉积底部水体为贫氧条件,有利于有机质保存,尤其是岩溶洼地位置(图4-b),发育了钙质硅质页岩(图2-c),脆性矿物含量较高且黏土矿物含量较低, TOC 相对较高(平均值3.50%)、孔隙度较高(平均值4.73 %),含气性较好(平均值1.60 m 3 /t)。
在四级层序PSQ3 沉积期,受海平面下降影响,本区演化为障壁岛—潟湖—滨岸沼泽构成的障壁沉积体系 [28] 。在此时期,古气候转变为潮湿条件,河口砂坝逐渐演化为障壁岛,封闭了海湾(河口湾)而形成潟湖(图4-c)。古环境条件,海水影响愈来愈弱,水体逐渐淡化(图3),并且沉积环境趋于氧化而不利于有机质保存,但在潮湿气候条件下,陆源碎屑输入携带大量陆源有机质进入沉积水体,较快的沉积速率有助于抵消水体氧化条件对有机质的破坏(图4-d)。此时期主要发育黏土质页岩(图2-d ~ f)及硅质黏土质页岩(图2-g),岩心和薄片中未见海相生物碎屑(图2-h),富含大量陆源粉砂(图2-i),页岩有机质由陆相“单源”供应。 TOC (均值为2.62%)低于四级层序PSQ1,但含气性较高(均值为1.97 m 3 /t),孔隙度平均值可达3.01%。综合四级层序约束下的环境敏感性指标、富有机质页岩岩石学、有机质类型等特征,建立了两类海陆过渡相富有机质页岩发育模式:①“暖干、贫氧、地貌、海侵”四元耦合的“双源”模式,对应四级层序PSQ1;②“潮湿”气候下的“单源”模式,对应四级层序PSQ3(图4)。
3.2 估算了多岩性组合下海陆过渡相页岩气资源量
研究区内山 2 3 亚段海陆过渡相不同烃源岩的生烃潜力不同,富有机质页岩和煤层具有较高的生烃潜力。烃源岩的 TOC 值介于0.1% ~ 47.3%,其中贫有机质页岩的 TOC 平均值为1.92%,生烃潜量( S 1 + S 2 )平均值为0.24 mg/g ;富有机质页岩的 TOC 平均值为13.36%,( S 1 + S 2 )平均值为0.74 mg/g ;煤层的 TOC 均值为71.29%,( S 1 + S 2 )平均值为4.70 mg/g ;石灰岩的 TOC 平均值为0.79%,( S 1 + S 2 )平均值为0.12 mg/g(图5-a、b),根据烃源岩生气潜力评价标准(图5-c)。富有机质页岩和煤层具有较高的生烃潜力,贫有机质页岩次之,石灰岩最差。
干酪根的显微组分、镜质体反射率、干酪根元素和干酪根碳同位素测试分析结果表明,海陆过渡相烃源岩中干酪根以腐殖组无定形体和镜质体为主,表现为腐殖型特征,干酪根碳同位素分布在- 25.40‰~- 22.78‰,大宁—吉县地区以Ⅲ型有机质为主,Ⅱ 2 型有机质为辅,具有较强的生气能力, R o 介于2.0%~3.2%,已进入过成熟阶段,以生干气为主(图5-d)。
基于富有机质页岩在开放体系和封闭体系下的热模拟实验,明确了海陆过渡相富有机质页岩的生烃能力和热演化过程中产物变化特征,并建立了开放体系和封闭体系下富有机质页岩生烃产率及生烃模式,落实了重点区块生烃强度和资源量。在开放体系下获得的动力学参数中,活化能主要介于60 ~ 66 kcal/mol,分布区间较为集中,而在封闭体系下获得的动力学参数,分布区间较为分散,存在两个主峰(56 kcal/mol 和62 kcal/mol),表明在开放条件下的天然气来源为干酪根降解,而在封闭条件下的天然气来源为干酪根降解和残留烃的二次裂解形成(图6-a、b)。通过实验获得的动力学参数,模拟了在不同的地质时期下的富有机质页岩产气率变化,由于封闭体系下包含了烃类原油二次裂解,因此其累计产气率大于开放体系下。经模拟计算,DJ51 井富有机质页岩在开放体系和封闭体系的累积产气率分别为82.44 mgHC/g TOC 和100.33 mgHC/g TOC ,展现出较强的生气能力(图6-c、d)。
由于页岩层系的强非均质性和多岩性叠置等特征,导致有机质含量在纵向和横向上变化快,不同井区富有机质层段厚度和分布均可能存在较大的差异。研究区内山 2 3 亚段页岩厚介于8 ~ 62 m,横向上 TOC 变化快,介于0.96% ~ 8.22%, R o 由西向东逐渐变小,主要介于1.8% ~ 3.0%(图7)。依据构造演化、剥蚀量、有机地球化学参数、生烃动力学参数等,采用盆地模拟方法,建立了研究区40 余口井的生烃演化史,通过计算,研究区内山 2 3 亚段富有机质页岩生烃强度介于1.06×10 8 ~ 4.80×10 8 m 3 /km 2 。
为了获得准确的资源量,基于等温吸附实验,结合现场含气量分析和测井资料,建立了页岩游离气、吸附气计算模型,并计算研究区内77 口井的山 2 3 亚段页岩含气量,介于0.79 ~ 4.94 m 3 /t。最后通过小面元体积法分级计算页岩气资源量,总资源量为1.05×10 12 m 3 ,0 ≤ TOC < 1% 的页岩具有资源量为918.92×10 8 m 3 ,1% ≤ TOC < 2% 的页岩具有资源量为946.85×10 8 m 3 ,2% ≤ TOC < 4% 的页岩具有资源量为2 541.11×10 8 m 3 , TOC ≥ 4% 的页岩具有资源量为6 055.39×10 8 m 3 ,丰富的资源为海陆过渡相先导试验区建产奠定了物质基础。
3.3 创建了多岩性组合下海陆过渡相富有机质页岩测井评价方法
海陆过渡相页岩气储层测井综合评价包括3 个关键环节:①页岩识别;②富有机质页岩段定性识别;③页岩储层参数定量计算。
3.3.1 页岩识别
由于海陆过渡相地层中页岩与煤层、砂岩等交互发育,并且单层厚度小,导致测井响应失真,层界面难以识别。测井响应褶积理论认为,地层的测井响应值是地层真实属性与测井仪器响应函数的褶积,反褶积法是在已知测井响应值和测井仪器响应函数的情况下,通过反向推导计算出地层属性的方法 [29] 。通过反褶积技术可以提高测井曲线分辨率,为岩性及岩相识别奠定基础。常用于岩性识别的测井曲线有自然伽马( GR )、自然电位( SP )、井径( CAL )、电阻率( RT )、声波时差( AC )、中子( CNL )和密度( DEN )等,根据山西组地层岩性及组合关系,优选出对岩性敏感的 GR 和 DEN 曲线建立了山西组海陆过渡相地层岩性识别图版,根据图版能够有效识别页岩、砂岩、煤层和富有机质页岩4 种主要岩性(图8-a、b),在岩性识别的基础上利用无铀伽马( GRTC )和铀( U )曲线建立了海陆过渡相页岩岩相识别图版,能有效识别海陆过渡相中钙质硅质页岩、硅质黏土质页岩和黏土质页岩3 种主要岩相(图8-c)。
3.3.2 富有机质页岩段定性识别
在识别出页岩层的基础上,需要对页岩的品质进行定性评价(图8-d ~ f),即识别出富有机质页岩,优选甜点段。实验分析表明海陆过渡相富有机质页岩具有高铀(图8-d)、高声波时差特征。针对山西组海陆过渡相地层页岩与煤层、砂岩等交互发育,且厚度小的特点,新提出了 U — SP 曲线重叠法定性识别富有机质页岩,U 值与有机质含量密切相关, SP 曲线在区分砂岩和泥岩、页岩时有比较好的效果,而且受扩径影响较小,比海相页岩常用烃源岩评价方法(Δlog R 法)效果好。
3.3.3 储层参数定量计算
在明确了含气性较好的富有机质页岩段后,需进一步对海陆过渡相页岩储层进行定量评价。利用无铀伽马曲线计算黏土含量,利用声波、密度和铀曲线计算孔隙度,利用铀曲线计算总有机碳含量( TOC ),利用兰格缪尔方程确定吸附气含量等方法效果较好。
基于 U — SP 曲线重叠法的富有机质页岩识别DJ51井山 2 3 亚段,在2 275.3 ~ 2 277.4 m 发育富有机质页岩,岩心实测 TOC 介于5% ~ 7%;2 296.0 ~ 2 297.1 m段富有机质页岩岩心分析 TOC 介于7% ~ 12%。对2 294.0 ~ 2 298.0 m 实施射孔测试段,日产气量1.08×10 4 m 3 ,测井识别结果与岩心分析结果相吻合。
3.4 提出了页岩气富集区、有利区优选评价技术体系
针对多岩性组合的优质页岩储层优选,在岩石物理响应机理研究的基础上,明确海陆过渡相主要岩性岩石物理响应特征,通过与测井解释相结合,利用不同岩性的岩电与测井响应差异对海陆过渡相页岩层系岩性特征进行识别与划分,建立基于测井资料的海陆过渡相岩性及页岩岩相划分方法;通过 U — SP 曲线重叠可识别优质页岩层。利用岩心物理及地球化学测试数据,建立了海陆过渡相页岩气储层参数计算模型(黏土含量、孔隙度、 TOC 、含气量);在此基础上,开展煤层下伏页岩叠前波干涉自聚焦波干涉地震成像方法研究与地震资料处理,以提高煤层下地震资料品质和分辨率,并通过地震岩性反演、多属性及相控反演储层预测、地震含气性识别、裂缝预测等地震综合评价,提出了基于岩石物理—测井—地震多信息综合评价优选海陆过渡相页岩气有利区技术体系(图9),为研究区勘探目标优选奠定了基础。
四、勘探开发成效
针对已查明的两套富有机质页岩段,已完成3口老井页岩气试采,其中DJ3-4 井在山 2 3 亚段四级层序PSQ3 发育富有机质页岩3.5 m,该段于2022年4 月28 日投产,初期日产气量1.7×10 4 m 3 ,套压5.2 MPa,油压2.8 MPa,前6 个月平均日产气量0.93×10 4 m 3 ,目前日产气量0.60×10 4 m 3 ,累产气207×10 4 m 3 ,当前压力和产量稳定。JP1H 井在山 2 3 亚段四级层序PSQ1 发育富有机质页岩约4 m,该段已试采超过21 个月,前18 个月生产稳定,平均日产量3.3×10 4 m 3 ,最高日产量7.97×10 4 m 3 ,累产量1 936×10 4 m 3 。采用多种 EUR 分析方法综合计算,该井 EUR 为4 600×10 4 m 3 。DJ-P61 井在山 2 3 亚段四级层序PSQ1 富有机质页岩段试采近一年,平均日产气量1.7×10 4 m 3 ,累产气431×10 4 m 3 ,采用多种 EUR 分析方法综合计算, EUR 为1 737×10 4 m 3 ,由于该井水平段长度仅486 m,若按照水平段长1 500 m 进行折算,预测 EUR 可达4 100×10 4 m 3 。
在有利区评价工作基础上,新增叠合含气面积为308.43 km 2 ,新增预测地质储量为467.16×10 8 m 3 ,为全面完成“十四五”工作目标奠定了坚实的基础。截至目前,先导试验区JYP03 平台的4 口水平井已全部完钻,目的层均为山 2 3 亚段四级层序PSQ1 的富有机质页岩段,实钻靶窗厚度5.6 ~ 9.3 m,实钻与设计符合率达到85% 以上,甜点靶盒钻遇率100%,水平段钻遇储层比例高,含气显示良好,目前处于测试准备阶段。
五、结论
1)鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气资源丰富,是油气增储上产的重要战略接替领域,但目前勘探工作处于起步阶段。近年来,在该盆地东缘大吉区块二叠系山西组的多口直井获得工业气流,但在先导性试验区建立过程中,则面临一系列难题与挑战,包括:①海陆过渡相富有机质页岩成因机理;②多岩性组合下页岩生烃潜力与资源量评价;③复杂岩性叠置条件下页岩气富集区地球物理评价与预测。
2)针对理论难点,建立了四级层序约束下的两类海陆过渡相富有机质页岩发育模式,厘定了富有机质页岩分布层段;建立了海陆过渡相页岩“早生烃—长周期”双源宽幅生烃演化模式,估算了先导区试验区海陆过渡相页岩气资源量,近9×10 8 m 3 ;形成了海陆过渡相多岩性组合富有机质页岩测井识别方法及储层参数测井定量评价模型与技术方法
3)针对技术难点,形成了基于岩石物理—测井—地震多信息综合优选海陆过渡相页岩气有利区技术体系,并优选出了4 个有利区,支撑了先导试验区先导试验方案的编制及井位部署。
参考文献:
作者简介: 焦方正,1962 年生,正高级工程师,本刊编委会顾问;长期从事复杂油气资源勘探开发研究与技术管理工作。地址:(100007)北京市东城区东首门北大街9 号。ORCID: 0000-0003-2524-9446。
中国石油—西南石油大学创新联合体科技合作项目“鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气规模建产开发关键技术研究”(编号:2020CX030000)。
胜利油田丰页1-2HF井圆满收官!
中国石油勘探开发研究院同这家公司就页岩油进行探讨
长庆油田新突破!页岩油水平井分段酸化精细程度再上新台阶
2023第八届ECF页岩油气技术装备研讨会(北京)
一键三连[分享]、[点赞
] 和 [赏],
点这里
-
2023年血糖新标准公布,不是3.9-6.1,快来看看你的血糖正常吗? 2023-02-07
-
2023年各省最新电价一览!8省中午执行谷段电价! 2023-01-03
-
GB 55009-2021《燃气工程项目规范》(含条文说明),2022年1月1日起实施 2021-11-07
-
PPT导出高分辨率图片的四种方法 2022-09-22
-
2023年最新!国家电网27家省级电力公司负责人大盘点 2023-03-14
-
全国消防救援总队主官及简历(2023.2) 2023-02-10
-
盘点 l 中国石油大庆油田现任领导班子 2023-02-28
-
我们的前辈!历届全国工程勘察设计大师完整名单! 2022-11-18
-
关于某送变电公司“4·22”人身死亡事故的快报 2022-04-26
