国外致密砂岩气藏储层研究现状和发展趋势

󰀁󰀁󰀁谷江锐󰀁刘岩(中国石油勘探开发研究院)

󰀁󰀁摘要󰀁致密砂岩气藏具有低孔渗、连通

性差的特点,储层评价研究水平是有效开发

该类气藏的关键因素。美国和加拿大致密砂

岩气藏勘探和开发程度最高,在致密储层评价研究方面积累了大量的经验。致密砂岩气

藏主要指发现于盆地中心或者是连续分布的

大面积天然气藏,也有观点认为大多数的致

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󰀁。国外

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。未来致密砂岩气藏储层评价描述水平的提高主要基于两个方

面:一是为了准确地评估和开发致密气藏,

需要从岩心、测井和钻(录)井以及试井分

析中获取更多的基础数据;二是使致密储层描述向高精度发展,进一步研究气藏砂体展

布和含气富集带,包括透镜体砂岩大小、形

状、方向和分布的确定,储层物性在空间分布的定量描述,低渗、特低渗岩心物性测定

技术。

关键词󰀁致密砂岩气藏󰀁砂岩储层󰀁气

藏类型󰀁储层评价󰀁发展趋势

DOI:10󰀁3969/j.issn.1002󰀁641X󰀁2009󰀁07󰀁001

1󰀁引言

在世界石油资源供需矛盾加剧、原油价格居高

不下、天然气储采比持续下降的形势下,随着人类

对清洁、环保、高效能源需求的持续高涨,人们对非常规能源特别是非常规天然气的关注日益增加。

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[1]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[2]。

图1󰀁天然气资源金字塔示意图(Masters,1980)

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󰀁致密砂岩气藏的定义及其一般特征

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󰀁10-3󰀁m2时的气藏才可以被定义为致1󰀁󰀁󰀁󰀁谷江锐等:国外致密砂岩气藏储层研究现状和发展趋势󰀁󰀁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󰀁10-3󰀁m2的砂岩储层[3],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󰀁致密砂岩气藏的类型

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[4],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󰀁连续气藏(也叫深盆气藏)

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[5]:󰀁

直接型的,以具有气源岩为标志;󰀁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。

图2󰀁气藏类型(Schenk和Pollastro,2007)

3󰀁2󰀁常规气藏

Shanley等人[4]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󰀁。

图3󰀁毛细管压力、相对渗透率以及在圈闭中的位置之间的关系(Shanley,2004)

Shanley等人[4]用来解释他们所提理论的模型2󰀁󰀁国外油田工程第25卷第7期(2009󰀁7)󰀁󰀁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[4]

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󰀁国外致密砂岩气藏储层评价

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󰀁岩石学研究

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,Ar󰀁

chie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[4]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[4]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。

图4󰀁Archie胶结指数(m)与常规孔隙度交会图(Byrnes等,2006)

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[4]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。

图5󰀁岩心孔隙度与岩心孔隙度指数交会图(Byrnes等,2006)

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3󰀁󰀁󰀁󰀁谷江锐等:国外致密砂岩气藏储层研究现状和发展趋势󰀁󰀁