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致密气藏岩石物理测量

摘要

页岩是沉积盘地分布最广的岩石。有机页岩和油藏一样能成为封闭资源。在过去的几年里，由于技术的进步、油价的高攀、和环境问题的关注，致密气藏页岩引起了越来越多的关注和重视。与此同时，仅仅公布了很有限的信息资料，有关页岩基本物性的测量的标准油藏物理技术还尚未建立。

本论文的主要目的是通过岩芯测量来描述位于北德克萨斯州的致密气页岩地层。页岩岩芯取自于三个不同的生产井。页岩地层包括两部分：由碳酸岩分隔的上段和下段。没有对碳酸岩段做任何测量。

测量了以下的油藏物理性质：密度/孔隙度，矿物学，横波和纵波，速度各向异性及裂缝方向。由于页岩极低的渗透率(0.0001mD)和有机物含量以及大量粘土矿物导致传统的测量方法不能真实反映岩石物性，为此发展了一种新的自由水孔隙度测量方法。和商业公司测量相比，这种方法所测量的孔隙度值要好。和下段相比，上段地层的孔隙度值更依赖于地层深度。利用Fourier红外透射光谱对每个岩芯进行矿物学测量。基于孔隙度和矿物学测量，显然可以看出页岩地层的严重非均质性。速度各向异性测量则表明仅仅在上段表现出横向各向异性的趋势。此外，具有各向同性的层段主要发现在方解石里。横波和纵波速对总有机物含量的敏感度要强于对孔隙度的敏感性。由于较长的恢复时间，我们所观察取自生产井中的岩芯被压缩，使得变形恢复(ASR)测量不能得出断裂方向。这归因于从孔隙中溢出的气体。对十六个岩芯进行圆周速度分析（CVA）测量。由CVA所得出的微裂缝方向与肉眼观察岩芯所得的方向很好地吻合。地层微成像仪（FMI）所测出数据并不能和CVA结果吻合。其原因很可能是FMI判断电阻率比而CVA是判断弹性比。

1页岩简介

1.1页岩重要性

页岩是地壳中含量最为丰富的沉积岩(Pettijohn，1975)。石油地质学里，和密封岩一样，有机页岩也是圈闭油气的场所。在油藏工程里，页岩则成为流动障碍。在钻井工程里，钻头接触的岩石更多是页岩，而不是储层砂。在地震勘测方面，页岩还是很好的反射体(Wang，2002)。所以，页岩的地震和油层物理性质及其这些物性之间的关系对于勘探和油藏管理至关重要。但是，两种原因使得有关页岩的物性数据非常缺乏，即获取和保存页岩标本难度和由于页岩低渗透率、粒度较小、各向异性导致直接测量的难度。

诸如含气油页岩、煤层气和致密气层等非常规气藏占美国国内天然气资源很大比例，也为未来储备增长和生产提供了巨大的潜力(Rushing，2001)。和传统的烃类体系相似，非常规气藏具有复杂的地质物性和岩石物性以及各向上的非均质性。但是不同于常规气藏的是，非常规气藏显示特殊的气体储藏和生产性质。因此，有效的资源开发需要(a)对油藏真实的描述从而确定天然气地质储量的规模和价值(b)准确地表征从而寻求影响生产和开采的油藏机理。

1.1.1页岩的各向异性

忽视非均质性的后果将导致由页岩引起的异常干井在页岩或者在均质页岩钻探上遇到困难(MargessonandSondergeld，1998)。

在石油地震方面，我们经常会遇到两种类型的各向异性：方位角各向异性和横观各向异性。方位角各向异性的介质的物性随方位角变化而变化，这可能是由于具有均衡裂缝(Thomsen，1988)。横观各向异性（TI）岩石呈六角对称，具有五个独立弹性系数。中轴线通常垂直于层理。在现场，多数页岩都具有横观各向异性(Wang，2002)。

对沉积岩而言，横观各向异性主要是沉积旋回引起的，它反映了地质历史的气候、植物及沉积能量的变化。均衡的裂缝或裂痕也能引起横观各向异性。小规模的横观各向异性也可能是由沉积岩如页岩中的有机物质和粘土结晶体所引起的。

在油藏和钻井工程里，弹性系数和页岩各向异性对于预测提高原油开采率的流通路径，压裂项目的设计，泥浆重量的重量，选择钻头及钻井后的井眼保护等都相当重要。

1.1.2压力/压裂方向

在施工现场，压力对致密气藏的很多过程都有着重要的作用，从发现生产井的最佳位置、到开采、完井及长期的生产过程。

对于油田开发而言，控制水力压裂的方位角的应力场的方向显得很重要。如果生产井的位置不好，则排驱模式将会重叠，开采也达不到经济效果。应力强度对于井壁的稳定性和水力压裂也具有重要意义。特别对于压裂，岩石间不同的应力决定着裂缝的生长长度。对于增产最佳方案来说，理角高度增加也尤为重要(WarpinskiandTeufel，1992)。

.1.2致密页岩气现状

九十年代后，随着科学技术的进步及油价的上涨，有关开采美国致密页岩气层的复杂性大大减少(Johnston，2004)。随后，致密页岩气藏开采活动大大增加，但是，有关公布的页岩气信息并没有提到。即使是今天，测量页岩气藏基本物性诸如孔隙度、密度、渗透率及矿物学的岩石物理技术还没有正式确立。