楊 光

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

非常規(guī)油氣已在很多傳統(tǒng)油田得到極大重視，但在其勘探開發(fā)過程中，尚面臨油氣來源不明、成藏機(jī)理不清、甜點(diǎn)評價和產(chǎn)能預(yù)測缺乏有效分析手段等難題。隨著碳同位素錄井技術(shù)在北美的成功實(shí)踐，該項服務(wù)已經(jīng)成為國外勘探開發(fā)高端錄井市場的標(biāo)配技術(shù)。在國內(nèi)鉆探錄井服務(wù)領(lǐng)域，川南、黔北頁巖氣區(qū)塊及渤海灣盆地濟(jì)陽凹陷、珠江口盆地白云凹陷等致密砂巖領(lǐng)域也相繼開展了該項錄井技術(shù)服務(wù)，取得了良好效果。尤其頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域，碳同位素錄井技術(shù)已逐步成為技術(shù)服務(wù)投標(biāo)的門檻，該技術(shù)有著廣闊的市場空間和巨大的應(yīng)用潛力。

碳以12C、13C、14C三種同位素形式存在，其中12C和13C為穩(wěn)定同位素，14C為放射性同位素，碳同位素值為采集樣品中某一烴類組分的13C與12C的比值，又稱為碳同位素豐度(即δ13C，單位1/103)。國際上將PDB(Pee Dee Belemnite)作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，其同位素組成13C/12C的比值幾乎高于自然界中的所有其他樣品。而碳同位素值的計算方法是樣品的檢測值減去標(biāo)準(zhǔn)樣品值，再比上標(biāo)準(zhǔn)值。因此甲烷碳同位素檢測均會產(chǎn)生一個負(fù)的δ13C1值[1]。碳同位素錄井技術(shù)可以隨鉆實(shí)時檢測鉆井液氣、巖屑罐頂氣中甲烷碳同位素(δ13C1)、乙烷碳同位素(δ13C2)和丙烷碳同位素(δ13C3)。該項技術(shù)具有現(xiàn)場適用性強(qiáng)、分析速度快、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)等技術(shù)優(yōu)勢，通過實(shí)時錄井能夠及時準(zhǔn)確地獲得大量的連續(xù)同位素數(shù)據(jù)，用以分析非常規(guī)油氣的演化階段與富集規(guī)律，評價地質(zhì)甜點(diǎn)，在壓裂選層方面提供技術(shù)支持[2]。

1 技術(shù)原理

碳同位素錄井技術(shù)是在油氣勘探開發(fā)現(xiàn)場通過實(shí)時連續(xù)采集烴類氣體碳同位素豐度，完成天然氣成因、油氣成藏及富集規(guī)律、地質(zhì)甜點(diǎn)判識等地質(zhì)分析工作的新型錄井技術(shù)。數(shù)據(jù)采集為實(shí)時、連續(xù)測量鉆井液氣和巖屑罐頂氣碳同位素豐度，其數(shù)值變化受控于熱力學(xué)分餾。天然氣熱成熟度越高，碳同位素豐度越重，早期生成的具有較輕碳同位素組分的烴類產(chǎn)物排出越多，后期作為“殘留資源量”的頁巖氣的碳同位素值就越大。

頁巖氣藏具有“自源自儲”特性，在垂直、水平方向上會存在一些相對獨(dú)立的含氣單元，其天然氣賦存受生烴能力、排烴作用和吸附能力共同控制[3]。頁巖氣組分相對簡單(甲烷含量>90%)，川南威遠(yuǎn)地區(qū)采集的四千余點(diǎn)碳同位素數(shù)據(jù)，大部分只檢測到δ13C1，只有個別井或井段采集到δ13C2和δ13C3數(shù)據(jù)。本文所用數(shù)據(jù)全部為δ13C1，但從數(shù)據(jù)應(yīng)用的角度而言，δ13C1和δ13C2、δ13C3數(shù)據(jù)有共同的規(guī)律和意義[4-5]。

利用碳同位素錄井技術(shù)評價頁巖氣井甜點(diǎn)區(qū)，主要依據(jù)的兩個技術(shù)指標(biāo)是頁巖含氣量多少和保存條件好壞。根據(jù)鉆井液氣δ13C1數(shù)據(jù)變化縱向上劃分含氣單元，利用巖屑罐頂氣δ13C1分餾特征判斷頁巖儲層天然氣保存能力，對頁巖氣儲層進(jìn)行分類評價?；谔纪凰胤逐s原理，確定頁巖氣甜點(diǎn)區(qū)評價的兩個關(guān)鍵指標(biāo)：(1)相對含氣量，相對于高成本的巖心解吸方法，同位素方法不依賴于巖心，能夠更加快速簡便地定性判斷頁巖相對含氣量；(2)納米級孔隙發(fā)育程度，頁巖中納米級孔隙相對發(fā)育程度與區(qū)域頁巖氣儲存條件、微孔壓力、游離氣比例等密切相關(guān)。頁巖氣井直井段甜點(diǎn)區(qū)的判斷可以輔助指導(dǎo)水平井選層，水平段甜點(diǎn)區(qū)的判斷可以為壓裂方案制定提供參考。

1.1 鉆井液氣δ13C1

鉆井液氣是鉆井過程中隨鉆井液上返到地面的地層天然氣，現(xiàn)場按照一定的錄井間距進(jìn)行采集和檢測，獲取鉆井液氣δ13C1。由于頁巖氣儲層的原地賦存特征及成藏規(guī)律特性，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。在頁巖氣儲層中，鉆井液氣δ13C1存在反轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖1)，即在垂向上含氣量較高儲層δ13C1變輕。δ13C1反轉(zhuǎn)與高成熟度時的二次裂解產(chǎn)氣過程相關(guān)(熱力學(xué)分餾產(chǎn)生大量12C)，預(yù)示著更多資源量；δ13C1反轉(zhuǎn)也是頁巖氣超壓區(qū)的地化標(biāo)志，反映地層壓力較高，天然氣富集。理論上認(rèn)為無論在垂向還是水平方向，每一個鉆井液氣反轉(zhuǎn)序列代表一個相對獨(dú)立的含氣單元[6-7]。

圖1 碳同位素數(shù)據(jù)類型及對比

1.2 巖屑罐頂氣δ13C1

巖屑罐頂氣是鉆井過程中，隨鉆井液上返到地面經(jīng)鉆頭破碎后地層巖屑用清水浸泡后解吸出來的地層天然氣?，F(xiàn)場按照一定的錄井間距進(jìn)行采集和檢測，獲取巖屑罐頂氣δ13C1。對于巖屑罐頂氣δ13C1的分析，主要的理論依據(jù)是碳同位素的分餾原理[8]。甲烷碳同位素分子的質(zhì)量差異造成其所受到的作用力不同，引起甲烷分子在空間中的差異分布，形成碳同位素分餾。頁巖納米級孔隙中，吸附效應(yīng)和分子擴(kuò)散是形成甲烷碳同位素分餾的主要原因。頁巖中的有機(jī)質(zhì)對甲烷分子具有強(qiáng)烈的吸附作用，13CH4和12CH4在有機(jī)質(zhì)表面具有競爭吸附效應(yīng)。另外，頁巖納米孔隙尺寸與分子平均自由程度相當(dāng)，在孔隙表面存在顯著的滑脫效應(yīng)[9]。錄井現(xiàn)場同一樣品巖屑罐頂氣δ13C1檢測分為3個時間點(diǎn)，第1天(24 h)、第3天(72 h)和第7天(168 h)分別進(jìn)行檢測(圖1)，不同時間點(diǎn)檢測的δ13C1差值如：第7天δ13C1與第1天δ13C1，可以表明碳同位素分餾進(jìn)程，進(jìn)而確定納米級孔隙的發(fā)育程度?；谔纪凰胤逐s效應(yīng)，巖屑放置時間越長其釋放氣碳同位素越重，因此巖屑罐頂氣δ13C1差值為正值[10]。

1.3 數(shù)據(jù)對比驗證

δ13C1與氣測全烴錄井、地化錄井沉積有機(jī)質(zhì)總有機(jī)碳含量(TOC)及巖心含氣量解吸數(shù)據(jù)(巖心解吸氣)對比，具有高度吻合性(圖1)，驗證了δ13C1在頁巖氣儲層預(yù)測方面有其重要指示作用。圖1中鉆井液氣δ13C1與巖屑罐頂氣δ13C1、巖心解吸氣、全烴、TOC呈反向關(guān)系，這種現(xiàn)象是熱力學(xué)分餾作用的結(jié)果，表明儲層孔隙壓力升高，裂解烴含量較多；巖屑罐頂氣δ13C1與巖心解吸氣、全烴、TOC呈正向關(guān)系，反映優(yōu)質(zhì)儲層原地資源量豐富，保存條件好，并且隨時間推移分餾程度增加，儲層表現(xiàn)為持續(xù)放氣。

2 分類評價標(biāo)準(zhǔn)

頁巖氣地質(zhì)甜點(diǎn)主要受控于儲層含氣量和保存條件，簡單說就是含氣量高且孔隙發(fā)育連通性好，即優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲集層段。結(jié)合頁巖氣儲層地質(zhì)特征，通過鉆井液氣δ13C1定性判斷含氣量，通過巖屑罐頂氣在不同時間點(diǎn)的δ13C1定量分析儲層納米孔隙發(fā)育程度，即從含氣量和物性兩個方面互相補(bǔ)充分析，實(shí)現(xiàn)對水平段甜點(diǎn)的分類評價。開展頁巖氣井水平段地質(zhì)甜點(diǎn)分段分類評價，對優(yōu)選壓裂段簇位置、降低頁巖氣開發(fā)成本都有積極作用。

2.1 頁巖氣儲層微觀孔隙特征

頁巖氣儲層以微米級和納米級孔隙為主，孔隙類型及連通程度決定了儲層保存條件。孔隙類型主要包括微裂縫、無機(jī)質(zhì)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙3種[11]。與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的孔隙主要有瀝青球粒孔、鑄?？?、組分間隙、層間裂隙(圖2)?？傮w來看，有機(jī)質(zhì)含量較多，瀝青質(zhì)體與自生礦物交互共生，具有甜點(diǎn)層位的微觀標(biāo)志[12]。瀝青球?？讓儆谠紫?，相互之間有一定的連通性，瀝青質(zhì)體在高倍鏡下表現(xiàn)為納米球粒結(jié)構(gòu)，可見納米級瀝青球?？?圖2a)；鑄?？字饕獮榈V物顆粒掉落形成，連通性較差(圖2b)；組分間隙主要是條帶狀有機(jī)質(zhì)與黏土礦物間隙以及筆石與泥質(zhì)間形成的組分間隙(圖2c)；層間裂隙主要是頁巖頁理縫，是連接微孔的介質(zhì)，其延伸一般較短(圖2d)。

圖2 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層孔隙類型(掃描電鏡照片)

2.2 頁巖氣儲層甜點(diǎn)評價方法

由于頁巖氣儲層評價參數(shù)較多，影響因素復(fù)雜，以δ13C1結(jié)合巖心浸水實(shí)驗及孔隙類型特征對儲層進(jìn)行分類(表1)。

表1 川南地區(qū)頁巖氣儲層地質(zhì)甜點(diǎn)評價標(biāo)準(zhǔn)

Ⅰ類儲層為高壓型儲層，主要有兩種：(1)疏松高壓型，含氣量高且基質(zhì)滲透性好，該類儲層資源量較高，對應(yīng)生產(chǎn)效果初期產(chǎn)量較好；(2)致密高壓型，含氣量高但基質(zhì)滲透性不好，具有較高資源量，對應(yīng)生產(chǎn)效果為產(chǎn)能周期長。Ⅱ類儲層為致密低壓型，其特征是含氣量低且基質(zhì)滲透性不好，資源一般，對應(yīng)生產(chǎn)效果為產(chǎn)能周期長但產(chǎn)量低。Ⅲ類儲層為疏松低壓型，多為裂縫發(fā)育區(qū)，資源量較少，短期內(nèi)產(chǎn)量衰竭[13]。

高壓類儲層為品質(zhì)好的頁巖氣地質(zhì)甜點(diǎn)，因為初始壓力高預(yù)示更多的原地資源量和良好的生烴條件。據(jù)此認(rèn)為含氣量高是評價地質(zhì)甜點(diǎn)的關(guān)鍵，物性條件是限制儲層保存能力的主要因素。

3 技術(shù)應(yīng)用

鉆井液氣δ13C1垂向變化可進(jìn)行含氣單元劃分，同時對優(yōu)質(zhì)儲層定性判斷；巖屑罐頂氣δ13C1分餾程度與分餾速度受氣體原始賦存壓力和納米運(yùn)移通道通暢度的控制，可反演甜點(diǎn)儲層特征。碳同位素錄井技術(shù)在川南威遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用9口井，共完成甜點(diǎn)評價儲層113層，其中Ⅰ類儲層65層、Ⅱ類儲層37層、Ⅲ類儲層11層。與其他錄井技術(shù)及測井解釋結(jié)論進(jìn)行評價對比，結(jié)合壓裂試氣及單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，符合率達(dá)到89.5%。下面分別舉例碳同位素錄井技術(shù)在直井和水平井兩種不同井型中的應(yīng)用。

3.1 直井優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層識別

以川南威遠(yuǎn)地區(qū)Z 27井為例，井深3 640 m之前的龍馬溪組龍12亞段，鉆井液氣δ13C1平均-32.90‰；而當(dāng)進(jìn)入龍11亞段后，鉆井液氣δ13C1大幅變輕，平均-37.20‰，符合高壓儲層(Ⅰ類儲層)特征。龍11亞段巖屑罐頂氣δ13C1增加(圖3)，同時體現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)儲層特征。從巖屑罐頂氣δ13C1特征來看，龍11亞段4個小層巖屑罐頂氣δ13C1整體發(fā)生不同程度分餾，龍11Ⅰ小層δ13C1差值最大，為3.79‰，分餾程度最強(qiáng)，為最優(yōu)質(zhì)儲層段(表2)。利用巖屑罐頂氣δ13C1差值判斷儲層持續(xù)放氣能力，該能力強(qiáng)說明納米孔隙發(fā)育程度高，表征儲層保存條件好，可作為水平井優(yōu)選巷道[14-15]。

表2 威遠(yuǎn)地區(qū)Z 27井龍11亞段δ13C1差值

圖3 Z 27井碳同位素錄井剖面

3.2 水平井頁巖氣儲層甜點(diǎn)劃分

選擇Z 204-1H、Z 204-2H兩口水平井，利用碳同位素錄井技術(shù)進(jìn)行水平段地質(zhì)甜點(diǎn)分類評價。Z 204-2H井水平段δ13C1較Z 204-1H井整體偏重，分餾強(qiáng)度更大，Ⅰ類儲層數(shù)量多且厚度大(表3)。

表3 頁巖氣水平段地質(zhì)甜點(diǎn)分類評價

Z 204-1H井水平段為3 800～4 800 m，根據(jù)巖屑罐

頂氣δ13C1差值將儲層分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，巖屑罐頂氣第7天δ13C1平均值-29.26‰，大部分區(qū)帶分餾程度低，天然氣受物性條件控制明顯(圖4a)；Z 204-2H井水平段為3 800～4 800 m，根據(jù)巖屑罐頂氣δ13C1差值將儲層分為Ⅰ類、Ⅱ類，巖屑罐頂氣第7天δ13C1平均值-28.08‰，分餾程度較高(圖4b)。

Z 204-2H井水平段地質(zhì)甜點(diǎn)分類，Ⅰ類儲層占比58%，較Z 204-1H井甜點(diǎn)層段厚度更大。2021年第一季度，兩口井壓裂后首次開采，使用10 mm油嘴，井口套壓都為10 MPa左右，其中Z 204-1H井累計產(chǎn)氣103.8×104m3，Z 204-2H井累計產(chǎn)氣940.5×104m3。由此可見，利用碳同位素錄井技術(shù)進(jìn)行頁巖氣井水平段地質(zhì)甜點(diǎn)劃分得到的結(jié)果，與氣井實(shí)際產(chǎn)量關(guān)系明顯。

4 結(jié) 論

(1)鉆井液氣δ13C1縱向變化與頁巖儲層天然氣富集規(guī)律有明顯相關(guān)性，對于頁巖氣δ13C1特征的縱向連續(xù)刻畫是一項有意義的研究工作，不僅能夠為區(qū)域性頁巖氣的成因研究提供大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還能夠根據(jù)頁巖氣縱向上的變化來分析頁巖氣成藏富集過程，為頁巖氣地質(zhì)甜點(diǎn)的尋獲提供理論依據(jù)。

(2)巖屑罐頂氣δ13C1輕重可以評價頁巖氣儲層含氣量。分餾明顯且?guī)r屑釋氣量大，反映了頁巖氣初始賦存壓力高、原地資源量豐富、納米孔隙更發(fā)育。通過巖屑罐頂氣δ13C1差值來分析頁巖氣的地質(zhì)甜點(diǎn)，可以為水平井巷道優(yōu)選提供技術(shù)依據(jù)。

(3)碳同位素錄井技術(shù)應(yīng)用于頁巖氣水平井分段分簇壓裂方案設(shè)計，對產(chǎn)能貢獻(xiàn)不大的Ⅲ類儲層不實(shí)施壓裂改造，在不影響產(chǎn)量的情況下，可節(jié)約壓裂施工成本。深化對頁巖氣儲層天然氣化學(xué)特征的認(rèn)識，優(yōu)化水平井壓裂分段分簇技術(shù)有很好的理論和現(xiàn)實(shí)意義。研究成果對于頁巖氣的開發(fā)具有重要的理論和實(shí)際價值。