自动矿物学分析技术在神府气田致密砂岩气中的应用_孔令强.pdf

732023 年 6 月自动矿物学分析技术在神府气田致密砂岩气中的应用自动矿物学分析技术在神府气田致密砂岩气中的应用孔令强，张飞，张奇（中联煤层气有限责任公司，北京，100028）摘 要：本文介绍如何使用 RoqSCAN 自动矿物学技术优化鄂尔多斯盆地致密砂岩气区块某水平井的储层压裂改造方案（压裂选层、段/簇优化）。在非常规井完井压裂中，通常存在压裂段/簇起不到预期作用，最终达不到目标产量等问题，本文开展了 2 口井（A 井、B 井）的岩屑样品测试，其中 A 井用来标定和修正默认的岩石物理模型，B 井利用自动矿物学技术分析计算出的矿物学数据、孔隙数据和薄弱面等数据来验证此岩石物理模型，并计算出 B 井水平段岩石弹性力学特征，如杨氏模量、泊松比、薄弱指数等，这些参数被直接用于优化水平井段的段、簇，以期达到最大的岩石压裂改造体积（SRV）。关键词：自动矿物学；矿物岩石；RoqSCAN；压裂优化；致密气；非常规中图分类号：TE142 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）03-0073-05Application of Automatic Mineralogical Analysis in Tight Sandstone GasKongLing-qiang，ZhangFei，ZhangQi（ChinaUnitedCoalbedMethaneCorp.，Ltd.，Beijing100028，China）Abstract：ThispaperdescribeshowtouseRoqSCANautomaticmineralogytechnologytooptimizeareservoirfracturingsolution（fracturingzoneselection，stage/clusteroptimization）forahorizontalwellinatightsandstonegasblockintheOrdosBasin.Inunconventionalcompletions，wherestages/clustersoftenfailtoperformasexpectedandultimatelyfailtoachievetheproductiontarget，cuttingssamplesfromtwoWells（AandB）weretested.WellAwasusedtocalibrateandmodifythedefaultrockphysicsmodel.Bwellusingautomatedmineralogytechnicalanalysistocalculatethemineralogydatasuchasdataandweaksurfaceandporositydatatovalidatetherockphysicalmodel，andcalculatetheBwellhorizontalsectionoftherockelasticmechanicscharacteristics，suchasyoung smodulus，poisson sratio，weakindex，etc.，theseparametersaredirectlyusedforoptimizationofhorizontalwellsection，thecluster，inordertoachievemaximumrockfracturingvolume（SRV）.Keywords：automaticmineralogy；mineralrock；RoqSCAN；fracturingoptimization；tightgas；unconventional作者简介：孔令强（1983），男，本科，研究方向为非常规油气勘探与开发工作。0 区块地质背景神府区块位于陕西省榆林市神木市和府谷县辖境内，构造位置地跨鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北段和晋西挠褶带西北缘，临近中石油苏格里气田、中石化大牛地气田。神府气田主要气藏类型为低产、特低丰度、中浅层、特大型致密砂岩气藏，前期勘探已获得较好的储量规模。气田主要产气层为上古生界石炭系本溪组和二叠系太原组、石盒子组，其次为山西组、石千峰组；气层单层厚度介于 0.5017.70m，平均厚度为 2.40m。天然气主要为煤型气，以干气为主，埋深 1300.002200.00m，气藏温度 44.461.8，气藏压力10.922.3MPa，多为常压气藏。储层为大面积发育的三角洲砂岩和障壁沙坝砂岩，前者平均孔隙度为 8.8%，渗透率为 1.10mD，孔喉半径多小于 1.5m，后者平均孔隙度为 7.6%，渗透率为DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.03.015742023 年第 3 期（总第 167 期）0.59mD，孔喉半径多小于 1.1m，石英、长石和岩屑含量高，以溶蚀孔为主，应力敏感性强1-3。神府区块致密砂岩储层一般都需要进行压裂后才有产能。储层岩石组分复杂，组分差异大，导致不同层系岩石脆性和地应力差别较大，储层压裂改造效果差异明显，给随钻作业带来一定的挑战，制约了致密砂岩气的高效勘探与开发4-6。1 自动矿物学分析技术原理与优势岩石属性分析技术（RoqSCAN）是北美页岩气勘探开发中广泛应用的一项录井技术，其技术优势主要体现在“矿物检测定量化”和“微观信息可视化”两个方面，通过测得的矿物含量及分布、孔隙特征（孔隙度、孔隙分布、孔隙形状、裂缝发育程度）进行岩石物理参数建模，实现石油工程岩石力学参数计算，优化压裂选层及簇点选择方案，实现提高压裂效率及单井产量的目标7，8。岩石力学是石油工程的重要研究领域，是钻井设计、地层可钻性评价、井壁稳定性评价及压裂设计、地层可压性评价的重要依据。目前，岩石力学参数的求取方法主要有两类：第一类是基于实验室内的岩心测量，包括三轴应力测量、声波测量等，这类方法的精度较高，但时效性不强，采样率低，对于页岩等脆性较强、容易破碎的样品难以完成三轴应力测量；第二类是利用电缆声波测井、随钻声波测井进行求取，这类方法的连续性较强，但电缆声波测井的及时性不强，随钻声波测井的价格昂贵，且不管哪种声波测井都受井眼扩大率、小尺寸井眼等井眼条件及高温、高压、高硫化氢等地层条件的影响，且测井工具存在置入钻孔的风险。而RoqSCAN 自动矿物分析技术能够将矿物、岩石结构分析技术与传统的岩石物理测井技术相结合，合成计算岩石力学参数，由于其是垂直、侧钻或水平钻井的岩屑和岩心材料直接生成，不受井眼条件（缩径、扩径和井眼垮塌等）制约，可规避将电缆测井工具置入井中的风险，能够真实地反映地层的变化且不产生额外成本。2 岩石物理模型建模方法与流程岩样的骨架是由一种或多种矿物及有机质组成的，每一种矿物及有机质的纵波速度、横波速度、密度等岩石物理参数及杨氏弹性模量、泊松比等岩石力学参数都是固定的9。因此，基于 RoqSCAN 分析的矿物组分、孔隙及地层流体性质就可以计算地层的密度、纵波速度和横波速度，进而计算岩石物理参数。RoqSCAN 水平井岩石物理参数计算流程如下：先利用 RoqSCAN 分析直井段岩屑数据求取地层岩石物理参数，再以测井求取的地层岩石物理参数为参照，标定 RoqSCAN 岩石物理模型，基于该标定模型，利用水平段岩屑分析结果，即可对水平段地层岩石物理参数进行计算。具体参数计算与建模方法如下。（1）直井段测井数据计算岩石物理参数根据弹性波动理论，利用测井纵波速度、横波速度和地层岩石密度可以实现杨氏模量、泊松比、剪切模量等岩石物理参数的计算，如式（1）（3）。PRttttspsp=()-()()-()1222222 （式 1）式中：PR 为泊松比；ts为岩石横波时差，s/m；tp为岩石纵波时差，s/m；Gtbs=()249 29 10.（式 2）式中：G 为剪切模量；ts为岩石横波时差，s/m；b为岩石密度，g/c 3；YMGttttspsp=()-()()-()342222 （式 3）式中：YM 为杨氏模量；G 为剪切模量；ts为岩石横波时差，s/m；tp为岩石纵波时差，s/m。（2）RoqSCAN 岩石物理参数求取模型以 RoqSCAN 岩屑分析的矿物组分、泥质含量、孔隙等参数作为输入数据，采用 VTI 颗粒有效介质模型可反演计算干岩石、饱和岩石的密度、纵波速度、横波速度、杨氏模量、泊松比等参数（图 1）。图 1 VTI 颗粒有效介质模型（3）RoqSCAN 岩石物理模型验证为了验证 RoqSCAN 岩石物理模型的精度，分别用测井分析的矿物组分+泥质含量+孔隙度、岩屑分析的矿物组分+泥质含量+孔隙度作为输入数据，利用752023 年 6 月自动矿物学分析技术在神府气田致密砂岩气中的应用RoqSCAN 岩石物理模型进行密度、纵波速度和横波速度反演，并将反演结果与测井直接测量的密度、纵波速度和横波速度进行对比，如图 2、图 3 所示。图 2 中，三角形的点是测井直接测量的密度、纵波和横波速度点，圆圈的点是 RoqSCAN 岩石物理模型反演的密度、纵波和横波速度点（模型输入的矿物组分+泥质含量+孔隙度来自测井分析结果）。图 3 中，三角形的点是测井直接测量的密度、纵波和横波速度点，圆圈的点是 RoqSCAN 岩石物理模型反演的密度、纵波和横波速度点（模型输入的矿物组分+泥质含量+孔隙度来自 RoqSCAN 分析结果）。可见，两次反演的密度、纵波和横波速度与测井直接测量的密度、纵波和横波速度具有较好的一致性。（4）水平段岩石力学参数计算将基于直井段岩屑分析数据、测井数据建立的RoqSCAN 岩石物理模型应用到水平段，反演处理岩石力学参数。3 动矿物学分析技术应用利用 A 井（导眼井）测井曲线计算岩石物理参数，并对目的层太原组第二段（P1t2）致密砂岩和其上下地层（山西组、太原组、本溪组、马家沟组）岩屑样品进行自动矿物学分析，将测量的矿物成分和结构数据输入岩石物理模型内，正演岩石弹性力学参数，并对岩石物理模型进行标定。由于岩屑深度可能存在一定误差，因此在处理岩屑数据时，将自动矿物学分析数据（包括 RoqSCAN 岩屑拟合 GR、QC 曲线）与随钻测量 GR 和钻井数据进行了比较和适当平移，以便将实测矿物学数据与测井数据的深度匹配。使用校正的岩屑岩石物理模型，拟合了一条声波曲线（RoqLogDTCO），结果显示与测井声波时差相差不大，说明此岩屑岩石物理模型针对该地层是可用的（图 4）。只有标记为阴影的区域煤层表现了较大差距，考虑到煤层（由上面矿物学分析得知此煤层为本溪组）不属于目的层，因此无须考虑此处的异常。利用校正后的模型计算岩性密度（图 5），结果与测井实测吻合度非常高，进一步表明岩屑岩石物理模型的可用性极强。利用上述建立的模型获得的岩石力学参数对 B 井储层的地质特征进行评价，从而指导完井压裂段簇优化作业。通常情况下，脆性指数可以很好地表征岩石的脆性，脆性指数高的岩石一般为水力压裂目标，其计算方法如下式：图 4 A 井岩屑计算声波与测井声波对比图图 2 反演密度、纵波和横波速度与测井测量值对比（输入数据来自测井分析结果）图 3 反演密度、纵波和横波速度与测井测量值对比（输入数据来自 RoqSCAN 分析结果）762023 年第 3 期（总第 167 期）BI=50YMdryYMdryYMdryYMdryminmaxmin+50PRdryPRdryPRdryPRdrymaxmaxmin （式 4）式中：BI 为脆性指数；YMdrymax为岩石杨氏模量最大值；YMdrymin为岩石杨氏模量最小值；PRdrymax为岩石泊松比最大值；PRdrymin为岩石泊松比最小值。图 5 A 井岩屑预测密度、声波与测井实测对比图由于脆性指数只是破裂压力的次要变量，脆性指数并不总是与破裂压力有关，因此杨氏模量和泊松比的测量没有考虑岩石组构。例如，大块石灰石（水泥）非常脆，但需要大量的能量来开启材料破裂。很多实验证明，具有更多内在薄弱面的岩石（如层状页岩）对裂缝的初始化有更大的影响；裂缝、夹层和侵入体为水力压裂液的流动提供了通道；在这些薄弱面中滞留的流体增加了尖端剪切，更容易引起地层的破裂10。增加 FracLog （经由图像提取的岩石的裂缝数量）到薄弱指数方程内，以表征岩石的潜在破坏力，生成代表性更强的综合指标薄弱指数 WI，如公式 5，反映岩石起裂和人工缝网传播的难易程度。W1=a50YMdryYMdryYMdryYMdrymaxmaxmin-|+50PRdryPRdryPRdryPRdrymaxmaxmin-|+bFracCount （式 5）式中：WI 为薄弱指数；YMdrymax为岩石杨氏模量最大值；YMdrymin为岩石杨氏模量最小值；FracCount为裂缝数量。基于 RoqSCAN 自动矿物学分析成果，结合作业决策部门需求，对 2060.003290.00m 区间井段进行改造，最大段长为 80.00m，理想射孔簇数量为 3 簇，理想井段数为 1415 段。表 1 完整的段簇方案数据表段底段顶段长第一簇 第二簇 第三粗 簇 1WI 簇 2WI 簇 3WIWI簇 1BI 簇 2BI 簇 3BIBI备注段 152161 2229.868.772171.42199.12217.536.033.437.44.117.021.119.94.1段 142232 2311.8802247.42270.32293.123.725.919.36.642.540.440.52.1段 132314235541.232322.02334.42346.831.830.435.75.224.325.634.610.3跳过2355 2370.615.59由于非均质强跳过部分段 122371243463.412381.02401.82422.632.134.335.02.924.523.322.81.8段 1124362516802448.52475.42499.535.235.135.60.521.619.423.74.3段 102518 2548.930.922525.22533.02540.660.355.955.35.022.220.519.13.1段 92551 2642.591.552605.82618.92632.153.949.142.911.023.322.023.31.3非均质性强段 82644 2724.5802658.32684.32707.332.437.432.85.026.524.431.97.5跳过2724 2742.618.1由于非均质强跳过部分段 72743 2822.6802758.92781.92810.654.954.250.94.174.674.782.27.6段 62825 2904.6802845.02867.92888.955.952.851.04.986.992.687.05.7段 52907 2986.6802926.52953.12979.750.654.754.74.292.289.390.92.9段 42989303041.432997.43010.73024.048.345.943.05.385.384.990.05.1段 330323112803055.13072.83086.149.250.048.81.285.286.690.35.2段 231143194803139.33163.03178.050.852.052.21.470.579.881.410.9段 131963276803223.03238.03253.045.445.145.60.595.284.687.710.6总压裂长度1057.31平均 WI4.1平均 BI5.5772023 年 6 月自动矿物学分析技术在神府气田致密砂岩气中的应用按照改造所有水平段的原则，泥质含量较高的井段非最佳储层段，没有纳入改造范围。此外，基于薄弱指数 WI 和脆性指数 BI 值的变化调整射孔簇位置，使每段 WI 和 BI 变化最小，达到储层非均质性尽量弱的目的。引入参数 WI 表示该段内最大 WI 值与最小WI 值的差，值越小表征压裂段内射孔簇位置岩石薄弱性质越接近；BI 表示该段内最大 BI 值与最小 BI 值的差，值越小表征射开位置岩石脆性越接近，均反映储层均质性越强。通过调整段长避开两段非均质性极强的区域，厚度分别为 15.59m、18.10m，压裂井段共 15段，总压裂长度为 1057.31m，完整的段、簇优化方案见表 1，此方案平均 WI 良好，仅第 9 级 WI 较高，但BI 变化最小，并且每级 BI 差异最小。对改造井段 WI 和 BI 数据进行可视化分析（图 6），很容易识别出 B 井的水平井段脆性和薄弱性变化（部分区域非均质性变化非常强，需要单独处理），通过 WI、BI 综合对比分析，1213 段之间、78 段之间的两个区域，非均质性变化较快，不适合做压裂改造。45 段之间的区域非均质性变化也很大，通过减少段长的方式进行调整。4 结论通过使用 RoqSCAN 实测的岩屑数据，结合有效的岩石物理模型，获得水平井的岩石弹性力学参数，可以更好地协助水平井段储层非均质性评价，保证同一段射开位置的岩石性质相近，进而为各簇均匀进液提供基础，这一方法可大大降低后期其他作业成本和时间消耗。RoqSCAN 数据（特别是矿物学数据）可以应用于压裂液优化，比如韧性更强的压裂段，用线性凝胶基流体混合压裂处理，从而在压裂初始化过程中生成更多的宽裂缝。方案优化过程中，除了应用比较直接的岩石力学参数（WI、BI），常常也结合其他一些常用参数来进一步提升方案的可用性，比如气测、钻时、电阻率、孔隙和裂缝等。参 考 文 献1 邹才能，杨智，朱如凯，等.中国非常规油气勘探开发与理论技术进展J.地质学报，2015，89（6）：979-1007.2 万旸璐，李仲东，彭超，等.鄂尔多斯盆地大牛地气田山二段致密砂岩储层特征及评价J.矿物岩石，2016，36（3）：106-114.3 何发岐，张宇，王付斌，等.鄂尔多斯盆地中国石化“十三五”油气勘探进展与新领域J.中国石油勘探，2022，27（5）：1-12.4 米立军，朱光辉.鄂尔多斯盆地东北缘临兴-神府致密气田成藏地质特征及勘探突破J.中国石油勘探，2021，26（3）：53-67.5 杜佳，朱光辉，李勇，等.鄂尔多斯盆缘致密砂岩气藏勘探开发挑战与技术对策以临兴-神府为例J.天然气工业，2022，42（1）：114-124.6 钟建华，刘闯，吴建光，等.鄂尔多斯东缘临兴地区煤系气共生成藏特征J.煤炭学报，2018，43（6）：1517-1525.7 AdetaileddiscussiononthisinitialprojectandtheRoqSCANsystemisprovidedinthearticlebyPfauandOliver（TheAmericanOilandGasReporter，Nov2011）.8 陈明，唐诚，欧传根，等.RoqSCAN 技术在川南页岩气录井中应用效果分析J.录井工程，2020，31（2）：21-28.9 WoodAB，LindsayRB.ATextbookofSound.PhysicsToday，1956，9（11）：37-37.10 Dvorkin J，Walls J，Davalos G.Velocity-PorosityMineralogyModelforUnconventionalShaleandItsApplicationstoDigitalRockPhysics.FrontiersinEarthScience，2021，8：613-716.图 6 改造段 BI、WI变化曲线图