頁巖油全生命周期測井技術進展與發展方向

石玉江，張鳳生，李慶峰，宿鶴松，徐文遠，李振林

（1.中國石油集團測井有限公司，陜西 西安 710077；2.中國石油集團測井有限公司地質研究院，陜西 西安 710077；3.中國石油天然氣集團有限公司測井重點實驗室，陜西 西安 710077；4.中國石油集團測井有限公司大慶分公司，黑龍江 大慶 163412；5.中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710201）

0 引 言

頁巖油已成為未來幾年中國原油增儲上產的重點領域。近年來，中國頁巖油勘探開發相繼在鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、松遼盆地取得重大突破。中國頁巖油主要為陸相沉積，沉積類型多樣，巖性巖相復雜，非均質性強，甜點主控因素復雜，同時頁巖油必須通過水平井與大型壓裂改造才能實現規模有效開發[1]。頁巖油特殊的地質條件及開發方式，給測井儲層甜點評價、水平井精準導向、高效射孔及生產測試等帶來一系列新的需求和挑戰：①巖石致密、孔隙度滲透率關系復雜導致流體驅替困難，故阿爾奇公式不適用于頁巖油層，需要創新巖石物理實驗及飽和度評價模型；②頁巖油儲層主要為深水細粒沉積，發育薄互層、紋層及頁理結構，對測井分辨率要求高，即從0.2 m提高到毫米級；③巖石礦物組分復雜、黏土含量高，優勢巖性巖相識別評價難度大；④發育微納米級多類型孔隙，孔隙結構及流體賦存狀態復雜，孔隙定量表征、可動流體評價難度大；⑤儲層非均質性強，微構造發育，水平井導向精度要求高；⑥長水平段井況復雜，儀器居中困難，對水平井測井工藝要求更高；⑦ 水平井產液剖面動態監測難度大，對測試技術要求高。

為此，中國石油集團測井有限公司（中油測井）開展持續攻關研究，發揮研發、制造、服務、應用一體化優勢，加快技術迭代升級，積極打造頁巖油測井利器。圍繞“選靶體、定軌跡、助壓裂、保生產”工作目標，研發出更高精度、更高分辨率、更安全高效和更低成本的國產化自主測井成套裝備，形成了更精確的解釋評價方法，從初期勘探、評價建產到生產階段，支撐頁巖油全生命周期勘探開發。本文系統總結近年來中油測井在頁巖油測井采集與評價等方面取得的成果，通過和國際先進水平進行對比，分析了下一步技術發展的方向。

1 測井采集技術進展

1.1 CPLog多維高精度成像及快速測井技術

CPLog多維高精度成像系統是中油測井在“十三五”期間研制的具有完全自主知識產權的高端測井裝備，已然成為解決復雜油氣評價難題的利器。研發形成的寬動態微電阻率成像、偏心核磁共振、三維感應等儀器達到國際先進水平（見表1）。

表1 多維成像測井系列性能對比

CPLog多維高精度成像系統具有如下特點：① 寬動態微電阻率成像測井儀（eMCI）的質量和測速較原有儀器有了提升。改進后的儀器應用于青海、大慶、長慶等油田，在復雜環境下采集質量優于國外儀器，在青海油田CX井高飽和鹽水鉆井液環境中，eMCI儀器的采集質量優于哈里伯頓公司的XRMI儀器；②偏心核磁共振測井儀（iMRT）提高了測量精度和井筒適應性，iMRT測井儀能夠適應大于等于6 in** 非法定計量單位，1 in=2.54 cm，下同的井眼，對鹽水鉆井液的適應能力更強，與斯倫貝謝公司的儀器相比，回波間隔略大，探測深度較深；③三維感應儀器提升薄互層的識別能力，其縱向分辨率由0.6 m升級到0.4 m，可以測量水平和垂直電阻率，應用電阻率各向異性可顯著提升薄互層的識別能力；④過鉆具存儲式測井儀（FITS）能夠提升復雜井型的作業能力，實現大斜度井、長水平井一趟快速安全測井，測井時效高。

另外，中油測井在實驗室研發的全直徑巖心二維核磁共振測試儀能夠快速評價地層原位含油性，可提供連續測量的核磁共振T2—T1譜，實現頁巖油孔隙結構、流體組分以及賦存狀態的現場快速評價，該儀器綜合性能超過國外同類產品（見圖1）。

圖1 T2 — T1譜快速識別流體賦存狀態示意圖

1.2 水平井隨鉆測井導向技術

中油測井針對水平井優質儲層鉆遇率低的問題，研發了一系列技術裝備，其與國際先進技術對比結果見表2，該技術初步解決了在水平井鉆進過程中甜點上下界面探測的難題。隨鉆成像儀器能夠精準判斷井軌跡與目標油藏的關系，近3年的隨鉆成像導向油層鉆遇率較常規導向提高10.2%；近鉆頭方位伽馬成像測井儀提高了復雜構造識別的及時率，能夠及時有效識別鉆頭附近儲層和井斜的變化，滿足在復雜構造、超薄箱體、快速鉆進條件下及時決策、精準施工的需求；旋轉導向測井儀大幅度提升了井眼水平位移延伸能力，充分發揮了旋轉導向和方位伽馬成像技術優勢，滿足了頁巖油長水平段鉆井需要，提升了平臺井的優質儲層鉆遇率。

表2 水平井隨鉆測井導向技術系列對比

1.3 水平井分段分級射孔技術

頁巖具有低孔隙度低滲透率的特征，決定頁巖必須要經過壓裂才能加快頁巖油氣的釋放和流動，提高產能[2]。

中油測井以最大縫控改造體積為目標，形成了等孔徑多簇射孔、橋射聯作2.0分段分簇射孔技術系列，多項水平井射孔技術已達到或超過國際先進水平（見表3）。

表3 水平井射孔技術系列對比

1.4 水平井動態監測技術

動態監測技術在評價水平井各段的壓裂改造效果、指導壓裂施工參數的優化，以及油藏動態監測方面發揮著越來越重要的作用，日益受到油田地質、開發工作者的重視[3]。

針對頁巖油氣水平井分段簇產出能力評價需求，中油測井重點打造流動成像、分布式光纖等陣列化、永久化、區域化動態監測技術，在測量方法、探測精度等方面取得多項進展。

①多相流流動成像技術測量精度與范圍提升；②iDTS分布式光纖監測技術提高了動態監測的分辨率與實時性；③采用示蹤劑分段產能評價技術能夠驗證和優化水力壓裂設計，可以根據各段產出水量結合單井生產規律綜 合分析壓裂改造效果。

1.5 井筒完整性評價技術

井筒完整性評價伴隨著油田開發的整個生命周期[4-5]。頁巖油作為非常規油氣藏，在水平井多級分段壓裂過程中容易出現套管變形等問題，影響油氣藏的高效安全開發，因此，井筒完整性評價非常重要[6]。

針對頁巖油氣水平段固井質量及套損評價難題，中油測井開展了多臂井徑、電磁測厚、井下光學成像、扇區水泥膠結-水泥密度等技術的研究及應用。綜合多臂井徑、電磁測厚及井下光學成像等技術，可以評價水平井復雜套損情況；應用扇區水泥膠結、充填固井質量等測井關鍵技術，可實現水平井第I、II界面膠結、低密度水泥等固井質量的準確評價。

2 頁巖油甜點評價技術

2.1 頁巖油類型

頁巖油是賦存于富有機質頁巖層系（包括層系內的粉砂巖層、細砂巖層、碳酸鹽巖層）中的石油[7]，與致密油等非常規油氣相比，頁巖油具有“原生源儲、滯留富集”的特征[8]。頁巖油根據不同的分類標準可以劃分為不同類型：根據物理化學性質及開采難易程度，可將頁巖油劃分為黏稠型頁巖油和凝析型頁巖油；根據賦存空間，可分為基質含油型頁巖油、夾層富集型頁巖油和裂縫富集型頁巖油；根據儲集特性和巖性，可分為純頁巖型頁巖油、混合型頁巖油、裂縫型頁巖油；根據熱演化程度，可分為中-低成熟度頁巖油和高成熟度頁巖油等。

頁巖油評價需要同時關注生烴量和排烴量、儲集空間、儲油量、液態烴類型及賦存狀態、可壓性能等多個參數[9-12]。中油測井在常規“四性”評價基礎上，通過對不同區域內頁巖油富集高產的主控因素進行分析，形成多因素疊合的“新四性、雙甜點”頁巖油評價體系，主要包括含油性、儲集性、可動性和可壓性這4個方面，從而為頁巖油儲層精細評價與靶體優選提供依據，本文從上述4個方面對評價方法展開論述。

2.2 含油性評價

頁巖油含油性評價參數包括總有機碳含量（TOC），游離烴含量（S1），含油飽和度（So）等參數[13-15]?？傆袡C碳含量的計算方法主要包括多元回歸方法、ΔlogR法以及地層元素測井計算法；游離烴含量S1可定量表征頁巖儲層中的可動烴含量。

關于游離烴含量的評價方法，業內尚未形成完善的技術評價體系。中油測井針對純頁巖型頁巖油，在準確計算總有機碳含量基礎上，引入考慮地溫梯度變化的成熟度參數，創新性建立了基于頁巖游離烴含量S1的非電法含油飽和度模型，實現了頁巖儲層含油性的定量評價。

在準確獲得TOC的前提下，根據式 （1）確定有機質成熟度Ro，再根據式 （2）確定S1含量。

式中，Ro為有機質成熟度，%；TOC為總有機碳含量，%；A，B，a，b，c，d為擬合系數。

在得到S1后，基于核磁共振有效T2截止值確定有效孔隙度?e，利用經有機質校正后的等效深度法獲得地層壓力系數，再計算儲層含油飽和度。

式中，So為含油飽和度，%；ρb為體積密度，g/cm3；?e為有效孔隙度，%；h為S0/（S0+S1），其中S0為氣態烴含量，mg/g；S1為液態游離烴含量，mg/g；k為刻度轉換系數，無量綱。

非電法含油飽和度計算模型回避了地層電阻率，降低了模型的不確定性，提高了含油飽和度的計算精度，該方法應用于古龍頁巖油評價，取得較好效果。

2.3 儲集性評價

儲集性評價主要采用巖相類型、孔隙度、厚度等參數[16]。目前形成了較為完善的孔隙度評價體系，包括核磁共振法，多元回歸法以及變骨架參數法等方法，取得了較好的效果。

頁巖巖性與巖相是識別頁巖油儲層與確定試油層段的重要依據，是識別頁巖油儲層甜點的基礎。巖相主要從礦物組成、沉積構造等幾個方面來劃分，但是針對不同研究區塊，劃分標準并不通用。針對紋層型和頁理型頁巖油，利用電成像資料，建立了紋層結構定量表征技術，進而綜合考慮所屬研究區內頁巖宏觀結構以及礦物組分，形成了一套優勢巖相識別方法。

通過電成像垂向切片與霍夫變換圖像處理技術，在測井尺度實現6 mm以上紋層定量表征，通過構建紋層密度指數及層間電性特征值，實現了頁巖紋層精細識別，在古龍頁巖油取得了較好的應用效果（見圖2）。在柴達木盆地英雄嶺下干柴溝組，基于上述紋層定量識別方法，結合元素測井，明確了不同巖相在測井曲線上的響應特征（見表4），指導壓裂選層（見圖3）。

圖2 古龍頁巖油電成像紋層精細識別成果圖

圖3 干柴溝X井頁巖油巖相識別成果圖

表4 干柴溝頁巖油巖相測井響應特征

針對鄂爾多斯盆地長73高自然伽馬隱蔽性砂巖夾層，創新性地提出M—N動態交會技術。以M—N交會圖為基礎，逐點計算地層砂巖和泥巖骨架的M、N值，去除有機碳對M、N值的影響，以此確定不同巖性，能夠有效識別長73高自然伽馬長英質頁巖隱蔽互層段（見圖4），在新井評價和老井復查方面發揮了重要作用。

圖4 鄂爾多斯盆地 MX井長73解釋成果圖

2.4 可動性評價

目前，評價頁巖油可動性的方法包括直接法和間接法。直接法包括抽提法和熱解法，抽提法又分為傳統抽提法和多溶劑逐級抽提法。利用傳統抽提法得到的氯仿瀝青A不能代表總含油量，需要經過校正，另外傳統抽提法無法區分不同賦存狀態；多溶劑逐級抽提法可以通過不同抽提量來表征頁巖油賦存狀態，但是分析過程復雜繁瑣，成本高。熱解法包括傳統熱解法和高溫熱解法。傳統熱解法是通過加熱樣品將得到的熱解的游離烴作為游離油，在這個過程中會存在輕烴損失和重烴滯留問題；多溫階熱解法是將傳統熱解法得到的S1劃分為S1-1和S1-2，但是整個過程獲取參數復雜，難以現場應用?？蓜有栽u價的間接表征法包括含油飽和度計算法和總含油量與吸附油量的差值法，采用含油飽和度評價可動性誤差較大，采用總含油量減去吸附油含量評價可動性測量誤差較小，應用前景較好。

中油測井建立了基于核磁共振剝譜的可動性評價技術。采用不同流體組分的核磁共振剝譜技術，通過分析，確定核磁共振有效孔隙度計算的T2譜的起算時間為1.7 ms，含油飽和度計算的T2譜起算時間為6 ms，從而計算出可動油孔隙度和含油飽和度，在吉木薩爾、瑪湖等油田推廣應用，初步解決了可動油含量評價難題。

2.5 可壓裂性評價

影響儲層可壓裂性的因素很多，包括礦物組成、天然裂縫的發育程度、地應力等。針對不同類型頁巖油儲層，優選可壓裂性影響因素，建立了可壓裂性評價方法。

2.5.1 純頁巖型頁巖油可壓裂性評價

在純頁巖型儲層中，以可控壓裂程度的三軸抗壓實驗為基礎，構建了基于抗壓強度、壓后裂縫復雜度和延展度的可壓裂性定量評價指數，在古龍頁巖油應用，有效指導壓裂選層。

GYX2井分5段壓裂（見圖5），縱向分析顯示，第3段計算的可壓裂性指數平均值較大，顯示該段可壓裂性相對較好；微地震顯示第3段事件較多，監測縫高較大，壓裂效果好；示蹤劑監測結果顯示各簇均形成有效支撐裂縫，第2段上部至第4段下部裂縫連通性好，與微地震監測結論一致。這證明了可壓裂模型的正確性，該模型具有指導壓裂選段的能力。

圖5 GYX2井可壓裂性指數評價結果與微地震監測結果對比圖

2.5.2 混積型頁巖油可壓裂性評價

針對混積型頁巖油，除應用常規可壓裂性評價模型外，建立了通過陣列聲波徑向速度剖面評價地層可壓裂性及壓裂后效果的方法。陣列聲波聲速徑向層析成像可以對儲層可壓裂性進行評價，壓裂前可以對儲層可壓裂性進行評價；壓裂后可以對壓裂效果進行檢測，其中暖色代表可壓裂性好。壓裂前后徑向剖面結果對比顯示（見圖6），可壓裂性好的層段在壓裂改造后，陣列聲波徑向速度剖面發生明顯變化，儲層改造效果較好。

圖6 MYX井聲波徑向速度剖面評價可壓裂性及壓裂效果圖

3 發展方向

（1）隨著頁巖油勘探開發的力度不斷加大，對測井采集和解釋評價提出了更高的要求。為進一步滿足頁巖油高效勘探和效益開發需求，需要從多個方面進行研究與應用。需要加快井場實驗室建設，準確獲取地層原位數據。由于頁巖油室內巖石物理實驗不及時，油氣散失大，實驗結果難以反映原狀地層條件下的儲層流體特征，為此需要推廣移動式全直徑巖心二維核磁實驗技術，加大車載實驗室建設，實現頁巖油氣關鍵參數井場原位、快速、準確評價。

（2）積極推廣多維高精度成像測井技術。擴大寬動態電成像、偏心核磁、三維感應等裝備制造及應用規模；攻關可控源地層元素等裝備，完善紋層型、頁理型頁巖油甜點評價技術。

（3）加大隨鉆方位伽馬成像和近鉆頭導向等技術推廣應用力度，發展基于地質模型正反演、優化井眼軌跡與甜點幾何關系的水平井地質導向技術，提升優質儲層鉆遇率；提高FITS過鉆具測井系列水平井覆蓋率，指導水平井精細分段分簇壓裂，助力水平井提產增效及后期治理評價工作；優化分段分簇算法及模型，打造以井下“導航”、測射一體化、套變快速判別等技術為核心的橋射聯作3.0技術，持續提升射孔時效；突破低成本裸光纖技術及工藝、光纖數據處理方法軟件等，加強光纖測井數據處理能力，精準評價段簇產出特征，指導分段分簇壓裂方案優化。