刊名：石油天然气学报出版地：湖北省荆州市 语种：中文; 开本：16开 ISSN：1000-9752 CN：42-1273/TE 历史沿革： 现用刊名：石油天然气学报 曾用刊名：江汉石油学院学报 创刊时间：1979 该刊被以下数据库收录： CA 化学文摘(美)(2011) JST 日本科学技术振兴机构数据库(日)(2012年计划收录) Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2011) 核心期刊： 中文核心期刊(2008) 中文核心期刊(2004) 中文核心期刊(2000) 中文核心期刊(1996) 中文核心期刊(1992)
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长江大学学报分为社会科学版以及自然科学版，其中：1、《长江大学学报（社会科学版）》是社会科学总论综合性学术期刊，2004年由《荆州师范学院学报》（1978年创刊）和《江汉石油学院学报（社科版）》（1999年创刊）合并更名而成，ISSN1673-1395，CN42-1740/C，双月刊。是《中国学术期刊综合评价数据库》统计源期刊，《中国核心期刊（遴选）数据库》入编期刊，被《中国学术期刊（光盘版）》《中国期刊网》《万方数据——数字化期刊群》《中文科技期刊数据库》等全文收录。2、《长江大学学报（自然科学版）》是自然科学总论综合性学术期刊， 2004 年创刊， ISSN 1673-1409 ， CN 42-1741/N ，月刊。是《中国学术期刊综合评价数据库》统计源期刊，《中国核心期刊（遴选）数据库》入编期刊，被《中国学术期刊（光盘版）》《中国期刊网》《万方数据 ——数字化期刊群》《中文科技期刊数据库》等全文收录。
目前《长江大学学报》有两种种独立发行的期刊。分别是：1、《长江大学学报(自科版)》，ISSN：1673-1409。为中文普通期刊。2、《长江大学学报(社科版)》，ISSN：1673-1395。为中文普通期刊。
目前《长江大学学报》有两种种独立发行的期刊。分别是：1、《长江大学学报(自科版)》，ISSN：1673-1409。为中文普通期刊。2、《长江大学学报(社科版)》，ISSN：1673-1395。为中文普通期刊。
肖香姣1，2 姜汉桥1 王海应2 魏 聪2 赵力彬2 程 华2（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京市昌平区 102249； 中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）作者简介：肖香姣，女，高级工程师，主要从事高压气藏、凝析气藏开发研究。E-mail：xiaoxitlm＠。摘 要：裂缝发育程度决定着低孔低渗储层的渗流和产出能力，但由于裂缝发育机制的复杂性，故裂缝 的描述及预测一直是裂缝性油气藏开发中的重点和难点。目前，裂缝的预测方法很多，但在实际应用中都存 在其局限性。构造应力场分析法既严格考虑了裂缝的成因机制，又能较好地与油气生产实际和应用相结合，是裂缝定量预测的一种有效方法。本文针对大北气田储层构造裂缝发育的实际情况，以单井裂缝描述及分布 特征研究为基础，从构造应力场数值模拟出发，通过模型转换建立了与储层地质模型网格完全对应的有限元 分析模型。然后，结合区域古构造活动与岩石力学实验的研究成果，通过连续介质三维有限元数值模拟对储 层构造应力场进行了预测与分析。通过优选岩石破裂准则和建立应力场数据与裂缝参数的计算模型，对大北 气田的储层裂缝进行了定量预测。在此基础之上，利用构造应力场分析法的裂缝预测结果作为约束条件，通 过随机模拟方法建立了符合该气田气藏地质特征的双孔双渗三维精细地质模型，为该类气田的开发方案设计 等研究提供了依据。关键词：低孔低渗；裂缝预测；构造应力场；双孔双渗；地质建模Research on Fracture Prediction and Dual-permeability Geological Modeling of Low Porosity and Low Permeability Sandstone Reservoirs—Taking Dabei Gasfield as An ExampleXiao Xiangjiao1，2，Jiang Hanqiao1，Wang Haiying2，Wei Cong2，Zhao Libin2，Cheng Hua2（Key laboratory of Petroleum Engineering，Ministry of Education，China University of Petroleum，Changping，Beijing，102249；Tarim Oilfield Company，PetroChina，Kora，Xinjiang，841000）Abstract：The degree of fracture development determine the ability of fluid seepage and production in low porosity and low permeabilty Because of the complexities on the formation mechanism of fracture，the fracture reservoir are the keystone and difficulty of At present，there are many methods for fracture prediction，which also have many limitations in The method of fracture prediction by analysing tectonic stress field，in which the formation mechanisms of fracture is considered strictly，as well as the production practice of the oil-gas field and practical application is well combined，is a effective way to forecast fracture quantitatively in the According to the reality that the fractures are well developed in the reservoir rocks of Dabei Gasfield，a finite element method analysis model consistent with the geologic model grid of the reservoir is built by model conversion methods，starting from the numerical simulation of tectonic stress field，based on the single well fracture description and the study on fracture distribution And then，the reservior tectonic stress field is forecasted and analysed by 3D finite element numerical simulation for continuum model，combined with the research results of territorial paleostructure and rock mechanics According to the classical rock-craking principle and the calculation model between the tectonic stress field data and fracture parameters，the quantitative prediction of structural fracture in reservoir rocks of Dabei Gasfield is On this base，a fine 3D dual-permeability geologic model suitable for the geologic features of this gas field is built through stochastic modeling controlled by the results of fracture prediction with the methods of tectonic stress field analysis，and they provide reference for the study on gasfield development design of this kind of gas Key words：low porosity and low permeability；fracture prediction；tectonic stress field；dual-permeability； geological modeling裂缝型储层油气藏在我国占相当突出的比例，其产量占整个油气产量的一半以上，在我国油气生产 中起着举足轻重的作用。因此，进行裂缝特征和分布规律预测研究，对增加储量的动用程度、改善开发 效果、提高我国裂缝型油气藏勘探开发的整体水平均具有重要的现实及长远的战略意义。低孔低渗储层中裂缝的发育不仅为油气的储集提供空间，而且有助于连通不同类型的储集孔隙，是 控制油气富集和产能的主要因素。在含油气盆地勘探过程中，随着勘探深度不断深入，低渗透裂缝性油 气藏的比例也会随之增加。如何有效地描述和预测裂缝分布，建立合理的双孔双渗地质模型，对提高我 国裂缝型油气田勘探开发水平具有重要的意义。本文以大北气田为例，在单井裂缝描述的基础上，开展 了低孔低渗砂岩储层裂缝预测及双孔双渗地质建模研究，为该气田开发方案的设计等研究提供了 依据［1］。1 研究区概况大北气田位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区拜城县，东距拜城县县城28km，南距拜城-阿克苏公 路16km，南部与大宛齐油田相距7km。该气田位于克拉苏构造带的大北-吐北段，东邻克拉1-克拉2 段的克拉-克深区块，西为博孜段，由北至南横跨克深区带、克深南区带、拜城北区带。东西长约 60km，南北宽25～35km，面积约1500km2，呈向南凸起的微弧形背斜构造（图1）。图1 大北气田地理位置及井区构造位置图大北气田储层为白垩系巴什基奇克组辫状河三角洲和扇三角洲砂岩，埋深大，基质孔隙度＜6％、 渗透率＜1×10-3μm2，属特低孔低渗储层。在勘探评价阶段，仅有11口探井和评价井，井距2～ 5km，地震资料品质较差，储层裂缝发育。2 单井裂缝描述及分布特征［2］1 裂缝产状大北气田产层巴什基奇克组为低孔低渗砂岩储层，裂缝发育。岩心观察统计结果表明，大北气田裂 缝以高角度斜交缝和垂直裂缝为主，其中大北1井高角度斜交缝约占60％，低角度斜交缝和垂直缝其 次；大北101井、大北102井和大北202井主要以高角度斜交缝和垂直缝为主，占全部裂缝的75％左 右；大北104井约70％的裂缝为垂直缝，25％为高角度斜交缝。成像测井解释结果表明，大北气田巴什基奇克组主要发育NW-SE走向和EW走向的有效裂缝，其次为NE-SW走向裂缝，从西向东裂缝走向具有逐渐从NE-SW向近EW向偏移的趋势。基于成像 测井资料识别出的高导缝其倾角多分布在50°～90℃范围内，其峰值为60°～80°，即裂缝以高角度斜交 缝为主，垂直缝次之，低角度斜交缝和水平缝不发育，与岩心识别裂缝结果一致。2 裂缝发育规模按发育规模可将大北气田裂缝分为宏观裂缝和微观裂缝。岩心宏观裂缝约占20％，大北202井裂 缝开度最大，平均值为16mm。大北102井和大北1井次之，平均值为63mm。大北101井和大北 104井裂缝开度最小，平均值为53mm。微观裂缝约占80％。整体上看，大北1井和大北2井微观裂 缝开度较大，平均值分别为1761mm和1736mm；大北101井和大北102井微观裂缝开度较小，平 均值分别为0514mm和0591mm。各井微观裂缝开度相对大小关系与宏观裂缝基本一致。大北气田巴什基奇克组6口取心井中，观测岩心长度共91m，裂缝共232条，平均裂缝线密度 为05条/m，平均面密度为8m/m2。利用7口井的成像测井资料在巴什基奇克组共识别出597条天 然开启裂缝，井段总长度共3m，平均裂缝线密度为49条/m。总体来看，岩心识别的裂缝线密 度远大于成像测井（前者的分辨率高于后者）。大北104井取心段裂缝最为发育，平均裂缝线密度高达 7条/m，大北202井次之，平均裂缝线密度为91条/m，大北1井、大北101井和大北102井裂缝 密度较低。成像测井解释结果表明，大北103井裂缝最为发育，裂缝线密度为06条/m，其次是大北 101井、大北202井、大北201井、大北104井、大北3井，裂缝线密度范围为2～8条/m，大北 102井中裂缝不发育，裂缝线密度小于1条/m。3 储层裂缝分布预测1 裂缝成因及期次通过野外露头调查、岩心观察和测井解释资料，确定大北气田储层裂缝以构造缝为主［3］。结合薄 片，裂缝包裹体、热史-埋藏史研究结果，通过对裂缝产状、充填特征和交切关系进行分析，可以推断 大北气田大致发育4期构造裂缝。第1期是同沉积（同生-准同生）裂缝；第2期为高角度裂缝；第3 期为具有 “二元” 或“三元” 充填结构的高角度（或网状）裂缝；第4期为与第2期裂缝走向近于正 交的高角度开启裂缝。其中，第3期和第4期为有效裂缝。第4期裂缝是最重要的有效裂缝，形成于喜 山运动中晚期构造挤压，是裂缝定量预测的对象［4，5］。2 应力场预测裂缝思路［6～10］利用研究区已有的地质、地震、测井、钻井等资料，建立研究区的有限元分析模型，并确定相应的 边界条件、反演标准；结合对研究区构造应力场演化的研究及岩石力学三轴实验结果，确定模型的力学 性质、加载方式、约束条件及岩石力学参数；利用有限元力学分析软件Ansys对储层构造应力场的大小 分布进行数值模拟计算。在此基础上，根据岩石破裂准则，开展裂缝分布定量预测研究。3 预测模型的建立目前，三维有限元结构模型大多数是根据研究区储层的构造顶底面数据，通过网格自动剖分来 建立。由于该法所建模型与地质构造模型中的网格非一一对应，不利于数据的前后处理，计算结果 不能直接用于储层裂缝建模。为此，通过解剖Ansys有限元分析软件［11］和Petrel地质建模软件的网 格组成系统，编制了相应的模型转换程序，实现了大北气田储层地质构造模型向三维有限元结构模 型的精确转换，如图2、图3所示。综合岩石力学实验和测井解释结果［12，13］，确定构造应力场数值模 拟所用的力学参数。在此基础之上，对有限元力学模型进行约束和加载，便可得到储层构造应力场的分 布规律。图2 地质构造模型—有限元结构模型节点转化示意图图3 大北气田101断块储层地质构造模型和有限元结构模型4 预测结果根据模拟结果，结合经典破裂准则［14］，建立应力应变与裂缝孔隙度渗透率之间的定量关系，实现 裂缝形成初期的定量预测［15～18］。结果显示，大北101断块裂缝集中分布在南部边界断层附近的构造高 点上（图4和图5）。现今应力场下虽然不会形成新的裂缝，但是对早期存在的裂缝会有改造和演化变迁作用［21］。因 此，需要对古地应力场下形成的裂缝孔隙度和渗透率进行修正。最后，根据岩心观察统计和测井资料解 释结果，对各层各井的裂缝各项参数的计算结果进行验证，如有矛盾，需检查修改应力场模拟的边界条 件或应力-裂缝参数定量关系，直至裂缝预测结果与实际统计结果吻合。图4 大北101古裂缝孔隙度分布图图5 大北101古裂缝东西向渗透率分布图4 双孔双渗地质建模1 建模技术流程通过三维地震解释、野外露头和单井岩心、薄片、测井资料等综合分析大北地区的构造、沉积和储 层发育特征，利用Petrel软件建立储层三维构造模型和沉积相模型。在此基础之上，结合地质认识，通 过随机模拟方法建立储层的属性（基质和裂缝）模型［20，21］。由于地震资料品质较差，储层基质模型主 要考虑了露头、岩心和测井等资料，然后利用沉积相控随机模拟方法实现。储层裂缝模型，主要是将构 造裂缝的预测结果（Ansys），通过模型转换导入地质模型作为裂缝约束模型（Petrel），再利用随机模 拟方法实现。2 储层属性建模1 基质属性建模储层物性的空间分布在很大程度上受控于沉积相的空间分布。因此，在沉积相分析的基础上，根据 野外露头、岩心和测井资料，统计分析不同相类型的储层物性参数特征和分布规律，最后分相进行随机 模拟，建立各相储层基质属性参数分布模型［22］。根据以上原则，采用序贯高斯方法模拟基质孔隙度分 布。在对渗透率进行模拟时，首先对其进行对数转换，使其接近正态分布，然后以孔隙度作为约束，采 用序贯高斯方法进行模拟。图6为建立的基质孔隙度和渗透率模型。图6 大北气田储层基质属性参数模型2 裂缝属性建模裂缝属性参数建模主要以大北7口成像测井拾取的裂缝孔隙度、渗透率参数为基础，结合露头区裂 缝的发育特征，利用储层有限元构造裂缝的预测结果作为平面约束，采用序贯高斯方法对裂缝孔隙度、 渗透率进行模拟。图7为建立的裂缝孔隙度和渗透率模型。图7 大北气田储层裂缝属性参数模型3 模型可靠性评价1 储量检验根据有效储层下限标准，取孔隙度大于5％，渗透率大于055×10-3μm2的网格为有效网格，并参与储量计算，采用容积法分断块计算模型储量。断块储量互有增减，但差别均不大，整体误差小 于1％。2 属性参数检验对模拟结果进行统计分析，对比输入参数的分布特征，分析模型是否能较好地反映原始输入参数的分 布特征。将基质和裂缝属性参数的模拟结果与原始数据分布直方图进行对比，发现孔隙度和渗透率的分 布形态与输入数据基本一致，模型可行度高，符合气藏的地质特征，已应用到大北气藏试采方案研究。5 结论（1）由于低孔低渗致密性储集层以构造裂缝为主，采用地质力学原理和方法，通过应力场数值模 拟来定量表征裂缝具有较好的应用前景。（2）通过应力场模拟与储层地质建模网格单元的对应性研究，实现了不同软件间的模型转换，使 得有限元构造裂缝的预测结果可直接应用到地质建模中，实现了基质网格和裂缝网格的无缝对接。（3）综合岩心、成像测井和有限元构造裂缝的预测成果，建立了大北气田稀井网条件下符合地质 特点的双孔双渗地质建模，为开发方案设计打下了很好的基础。参考文献［1］刘卫丽，王秀娟，程洪亮，等三维裂缝预测与渗透率建模研究［J］世界地质，2008，27（3）：270～［2］汪功怀，杨希翡，王乐之，等户部寨构造低渗致密砂岩气藏裂缝描述与预测研究［J］江汉石油学院学报，2003，25（3）：117～［3］张明利，谭成轩，汤良杰，等塔里木盆地库车坳陷中新生代构造应力场分析［J］地球学报，2004，25（6）： 615～［4］曾联波，漆家福，王永秀低渗透储层构造裂缝的成因类型及其形成地质条件［J］石油学报，2007，28（4）： 52～56［5］刘洪涛，曾联波喜马拉雅运动在塔里木盆地库车坳陷的表现［J］地质通报，2004，23（7）：13～［6］Xinmin Song，et Integrated Characterization of Natural FPaper 64776 Presented at the 2000 SPE Annual Technical Conference and E2000，9：3～6［7］周新桂，邓宏文，操成杰，等储层构造裂缝定量预测研究及评价方法［J］地球学报，2003，24（2）：175～［8］李淑恩，张绍辉，岳奎，等构造应力场数值模拟分析技术及其应用油气地质与采收率，2001，8（6）：38～［9］唐湘蓉，李晶构造应力场有限元数值模拟在裂缝预测中的应用［J］特种油气藏，2005，12（2）：25～［10］沈国华有限元数值模拟方法在构造裂缝预测中的应用［J］油气地质与采收率，2008，15（4）：24～［11］ANSYS Theory Manual［G］ANSYS Help System，Release ［12］丁原辰声发射法古应力测量问题讨论地质力学学报，2000，6（2）：45～［13］丁原辰，邵兆刚测定岩石经历的最高古应力状态试验研究地球科学，2001，26（1）：99～［14］戴俊生，汪必峰，马占荣脆性低渗透砂岩破裂准则研究［J］新疆石油地质，2007，28（4）：393～［15］邓攀，魏国齐，杨泳储层构造裂缝定量预测中地质数学模型的建立与应用研究［J］天然气地球科学，2006，17（4）：480～［16］王瑞飞，陈明强，孙卫特低渗透砂岩储层微裂缝特征及微裂缝参数的定量研究［J］矿物学报，2008，28（2）： 215～［17］季宗镇，戴俊生，汪必峰，等构造裂缝多参数定量计算模型［J］中国石油大学学报（自然科学版），2010，34（1）：24～［18］季宗镇，戴俊生，汪必峰地应力与构造裂缝参数间的定量关系［J］石油学报，2010，30（1）：68～［19］黄继新，彭仕宓，王小军，等成像测井资料在裂缝和地应力研究中的应用［J］石油学报，2006，27（6）：65～ ［20］陈烨，蔡冬梅，范子菲，等哈萨克斯坦盐下油藏双重介质三维地质建模［J］石油勘探与开发，2008，35（4）： 492～［21］霍春亮，古莉，赵春明，等基于地震、测井和地质综合一体化的储层精细建模［J］石油学报，2007，28（6）： 66～［22］于兴河，陈建阳，张志杰，等油气储层相控随机建模技术的约束方法［J］地学前缘，2005，12（3）： 237～244
刊名：石油天然气学报出版地：湖北省荆州市 语种：中文; 开本：16开 ISSN：1000-9752 CN：42-1273/TE 历史沿革： 现用刊名：石油天然气学报 曾用刊名：江汉石油学院学报 创刊时间：1979 该刊被以下数据库收录： CA 化学文摘(美)(2011) JST 日本科学技术振兴机构数据库(日)(2012年计划收录) Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2011) 核心期刊： 中文核心期刊(2008) 中文核心期刊(2004) 中文核心期刊(2000) 中文核心期刊(1996) 中文核心期刊(1992)
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余维初1，2，3 苏长明1 鄢捷年2（中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；中国石油大学（北京），北京102249；长江大学，荆州434023）摘要 高温高压岩心动态损害评价系统是石油勘探开发中评价储层损害深度与程度的新的评价实验方法与实验仪器，它可以测量岩心受入井流体损害前各分段的原始渗透率值，然后不需取出岩心，就可以直接在模拟储层温度、压力及流速条件下，用泥浆泵驱替高压液体罐中的入井流体，在岩心端面进行动态剪切损害。损害过程完成后，也不需取出岩心，而是通过换向阀门改变流体的流动方向，再由平流泵驱替液体，测量储层岩心受损害后各段的渗透率值。通过对比岩心各分段的渗透率变化情况，即可确定岩心受入井流体损害的深度和程度，从而优选出满足保护油气层需要的钻井液与完井液。目前“评价系统”及配套智能化软件已在多个油田企业投入使用，并取得了良好的应用效果。关键词 岩心 储层保护 动态损害 评价系统 钻井液与完井液A New Method Used to Evaluate Formation Damage Caused by Drilling ＆ Completion Fluids——Investigation of the HTHP Core Dynamic Damage Evaluation Testing SystemYU Wei-chu1，2，3，SU Chang-ming1，YAN Jie-nian2（Exploration ＆ Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083；China University of Petroleum，Beijing102249；Yangtze University，Jingzhou434023）Abstract The HTHP Core Dynamic Damage Evaluation Testing System is newly developed a new method and apparatus used for evaluation of the extent of formation damage caused by drilling and completion fluids in petroleum exploration and It can be used to measure the original permeability of each section of the core sample before contamination by the drilling or completion Then，the core does not need to be taken out and the process of dynamic damage can be directly conducted by flushing with the drilling or completion fluid using mud pump under the conditions of the simulated formation temperature，pressure and flow After the damaged process is completed，the core is still kept in the holder and the permeability of each section of the core sample after damage can be measured by altering the flow direction with the reversal valve and flushing a fluid（cleaning water or kerosene）by the constant flow-rate By comparing the permeability data that occur at each section of the core sample，the damage level and invasion depth can be determined，and the drilling and completion fluids that meet the requirements of formation protection can be Currently，the new evaluation method，the testing system and associated software for formation damage induced by drilling fluid and completion fluids were applied in several oilfields widely，and favorable results have been Keywords core formation protection dynamic damage testing system drilling and completion fluids随着世界石油生产的不断扩大与发展，油层伤害与保护的问题日益为各国石油工程师们所关注。油层伤害一旦产生，其补救措施需要付出昂贵的代价。因此，国外早在20世纪40～50年代就开始了油层伤害与保护的室内试验研究。我国也在20世纪70～80年代开始着手研究油层伤害问题，并建立了相应的储层损害评价实验方法及相关仪器。然而随着油气田勘探与开发逐步转向深层，原有的储层损害评价方法已不能适应。因此，要想在油气层保护技术领域取得突破性成果，有必要建立一套完整的、能够适应更深的地层勘探开发的储层损害评价新方法和与之相配套的评价手段，既可以测量岩心各段的原始和损害后渗透率，又能模拟储层温度、压力及泥浆上返速度等条件对岩心进行动态损害评价的新方法、新仪器。本文主要介绍了该“评价系统”的设计思路、设计原理、技术性能指标、实验参数计算方法及其应用情况。1 “评价系统” 的设计思路和工作原理1 设计思路（1）该“评价系统”首先要能够测量岩心各段的原始渗透率（Koi）和受损害后渗透率（Kdi）。根据本项目组的专利技术渗透率梯度仪（专利号：1）的工作原理和设计思路，由达西定理公式便可很方便地计算出岩心各段损害前后的渗透率参数。（2）根据本项目组专利技术新型智能高温高压岩心动态失水仪（专利号：ZL7）的工作原理和设计思路，在模拟地层温度、压力、井眼环空泥浆上返速率的条件下对岩心某个端面进行动态剪切污染损害实验。（3）根据本项目组专利技术高温高压岩心动态损害评价实验仪（专利号：1，ZL8）在渗透率测量完成后，不需取出岩心，而是在模拟地层温度、压力、井眼环空泥浆返速的条件下对岩心进行动态污染实验。在对岩心进行动态损害时，利用相关阀门，关闭岩心多段渗透率的测量机构，采用特制泥浆泵，在模拟地层温度、压力和井眼环空泥浆上返速度的条件下，对岩心的某个端面进行动态剪切污染，动态污染采用端面循环剪切式结构。实现一次装入岩心就可以在模拟地层温度、压力、井眼环空泥浆返速的条件下对岩心进行动态污染，以及污染前后岩心多项渗透率参数测试的评价实验研究。（4）在多段渗透率测试过程中“评价系统”的重要组成部分使用了本项目组的专利技术高压精密平流泵（专利号：ZL1）首次实现恒流、恒压以及无脉动微量液体的输送技术。（5）“评价系统”的核心部分使用了本项目组的专利技术岩心夹持器（专利号：ZL4）首次采用金属骨架硫化技术、“O”型密封圈技术以及橡胶的自封原理，打破了老型产品的挤压式密封结构，顺利地实现了沿岩心轴向建立多测点技术。该“评价系统”的一个突出特点是将岩心损害前后各段渗透率变化测试和对岩心端面的动态污染损害机构有机地结合起来，从而顺利地实现了设计目的。2 仪器的组成结构及工作原理为了实现在同一台仪器上完成岩心的多段渗透率测试和模拟井下条件对岩心的动态损害，从而准确高效地评价钻井液保护油气层的效果，根据钻井工艺要求和上述设计思路，把高温高压岩心动态损害评价系统设计成如图1所示的工艺流程，它主要由精密平流泵、泥浆泵、液体罐、端面动循环并带多个测压点的岩心夹持器、流量计、电子天平、气源、压力传感器、温度传感器、环压泵、回压控制器、加热系统、数据采集与处理系统等部分组成。图1 高温高压岩心动态损害评价系统流程1—气源；2—高压减压阀；3—高压液体罐；4—泥浆泵；5—流量计；6—电子天平；7—回压控制器；8—环压泵；9—端面循环的多测点岩心夹持器；10—阀门；11—压力传感器；12—精密平流泵；13—排污阀；14—数据采集器；15—数据处理系统（计算机、打印机）；16—加热体其主要工作原理是：当关闭泥浆泵及相关阀门时，由精密平流泵驱替可进行岩心损害前后渗透率的测试；而当打开泥浆泵、流体管路及相关阀门时，可对液体罐中的钻井液或完井液在实际储层条件下进行循环，从而实现对储层岩心端面进行动态损害模拟。软件界面如图2右上角所示。“评价系统”由两大部分组成：钻井过程的动态损害仿真系统和多段渗透率测试系统。在动态损害仿真系统中（如图2左边部分），氮气瓶给泥浆罐加压，泥浆循环泵控制流量，使钻井液以一定的压力和流量从泥浆罐里泵出，通过岩心夹持器与岩心的端面接触，对岩心端面进行高温高压动态损害评价实验，最后流回泥浆罐，形成密闭循环。在压力作用下，泥浆中的液体经过岩心而滤失，其动态失水经过管线流到电子天平称重，就可以测量出岩心的动失水速率等多项实验参数。在渗透率测试部分（如图2右边部分），精密平流泵驱动实验液体进入岩心，经过岩心流至电子天平。另外，多个压力传感器实时采集岩心各测压点的压力值，根据达西定理进而可以算出岩心损害前后各分段的渗透率参数。图2 高温高压岩心动态损害评价系统软件界面3 数据采集与控制原理1 硬件设计的总体思路该“评价系统”控制部分硬件设计应具备以下主要功能：①温度控制，模拟井下高温工况；②流量控制，能够根据流量设定值准确地控制磁力泵的排量，从而控制岩心端面钻井液的流速，以模拟钻井作业过程中实际泥浆环空返速；③围压监测，岩心夹持器围压通过步进电机控制，仪器能够根据设定值自动控制并监测压力，实时显示在人机交互界面上；④仪器工作压力监测，泥浆循环的工作压力由气源调节给定，同时受泥浆温度的影响，软件仪器自动检测压力参数；⑤动滤失量计量，钻井液对岩心的损害是否已经完成，主要是看动滤失速率，当损害已充分时，动滤失速率曲线上升趋于平衡，不再变化或变化微小，说明钻井液对岩心的动态损害实验已经完成，这个过程一般需要150min，滤纸的动静滤失速率道理也是一样。2 软件部分该“评价系统”控制软件的人机交互、数据处理等功能由PC机完成，借助PC机强大的绘图、数据处理功能为用户提供一个实时性好、稳定性强、界面直观、使用方便的操作管理平台。用户可通过计算机软件非常清晰地掌握整个仪器运行的情况，可方便、及时地对实验过程中的各项参数进行调整，并对数据进行分析。为研究人员提供友好、便捷的人机交互全中文界面及数据处理环境，同时实现数据的存储，实验曲线的绘制，数据报表的输出和历史数据的查询等功能，其中包括流体通过岩心的孔隙体积倍数，岩心各段的渗透率、渗透率损害率、渗透率恢复率、钻井液与完井液通过岩心时的动滤失速率等实验参数，并且由计算机直接打印出实验数据报表，“评价系统”控制软件的人机交互主界面见图2所示。4 主要技术指标该“评价系统”的主要技术性能指标如下：（1）钻井液与完井液污染压力：0～10MPa，测量岩心渗透率流动压力最大可达60MPa；（2）工作温度：室温～150℃（最大可达230℃）；（3）岩心端面流体线速度：0～8m/s；（4）实验岩心规格：人造或天然储层岩心，其尺寸为φ25×25-90；（5）测压精度：±2‰；（6）钻井液用量：2～3L；（7）渗透率测量范围：（1～5000）×10-3μm2；（8）电源：220V，50Hz（要求使用稳压电源）。与其他油气层损害评价实验装置相比，该“评价系统”无论在工作压力和工作温度方面，还是在岩心的渗透率测量范围方面，均具有明显优势。不难看出，它适用于各种渗透性储层，以及出现异常高压或异常低压的储层，还适用于在井底温度超过150℃的深井中应用。2 实验参数及计算方法1 V返的计算在钻井过程中，钻杆和钻铤处的环空返速可用下式进行计算：油气成藏理论与勘探开发技术式中：Q为钻井现场泥浆泵排量（L/s）；D1，R分别为钻头直径和半径（in）；D2，r分别为钻杆或钻铤的直径和半径（in）； 为泥浆在环空处的上返速度（m/s）。岩心端面处剪切速率的大小通过使用变频器调节泥浆泵的转速来实现，选择合理排量的泥浆泵就可以任意模拟钻井现场泥浆泵的排量。在钻井过程中，根据泥浆环空水力学计算结果，当钻杆或钻铤处环形空间泥浆的上返速度 推荐值为5～6m/s时，才能形成平板型层流，从而满足钻井工艺的要求［4］。2 岩心动滤失速率的计算根据钻井液动滤失方程，钻井液或完井液通过岩心时的动滤失速率可使用下式计算：油气成藏理论与勘探开发技术式中：fd为动滤失速率（mL/cm2·min）；Δθ为Δt时间内的动滤失量（mL）；Δt为渗滤时间（s）；A为岩心端面渗滤面积（cm2）。3 动态污染损害前后岩心各段渗透率的计算在一定压差的作用下，流体可在多孔介质中发生渗流。一般情况下，其流动规律可用达西定律来描述。因此，在动态污染前后，岩心各段渗透率参数的计算可通过应用达西定律公式来实现。由于是多点测试，可以将达西定律公式写成： 。3 实施效果该项目技术产品已在江汉、江苏、大庆、大港、吉林、中原、南方勘探公司、克拉玛依、塔里木等各油田单位推广了五十多台套，大量的实验研究表明，使用效果良好，它可以测量出岩心沿长度方向的非均质性，并能判断同一岩心在受钻井、完井液损害前后各段渗透率和损害深度程度，也可评价各种增产措施的效果，优选钻井、完井液体系配方、优化增产措施，达到保护油气层的目的，并认识了油气层特性，提高了油气田的勘探和开发效率。上述各油田通过该“评价系统”筛选出的优质钻井、完井液，起到了保护油气层的效果，既降低了生产成本，又提高了油气井产量，已经取得了巨大的经济效益和社会效益。该成果的推广应用为保护油气层技术研究和油气田评价工作的开展提供了全新的评价手段和评价方法，还使得其在理论和实验技术上获得了重大突破，其实验研究结果对油气田勘探与开发方案的科学决策、油气田的发现、提高油气井产量、延长油田的开发周期以及保护油气层领域的科学研究将起到十分重要的指导作用。该评价新方法以及相关技术产品使科研成果及时转化为生产力，填补了我国在相关实验技术领域装备制造上的空白，具有同类技术的国际先进水平。参考文献［1］李淑廉等JHDS-高温高压动失水仪的研制江汉石油学院学报［J］，1988，10（1）：32～［2］余维初，李淑廉等渗透率梯度测试仪的研制石油钻采工艺［J］，1995，17（5）：82～［3］樊世忠《油气层保护与评价》［M］北京：石油工业出版社［4］Bourgoyne A T，et ，Applied Drilling ESPE Textbook，［5］岩石物性渗数测试装置CN2188205Y全文［6］一种岩心物性能自动检测装置CN2342371Y，［7］Joseph Shen J S，Brea，Calif Automated Steady State Relative Permeability Measurement System US4773254M9～［8］Appartus and method for measuring relative permeability and capillary pressure of porous US5297420，3～
琚宜文 颜志丰 李朝锋 房立志 张文静( 中国科学院研究生院 地球科学学院 北京 100049)摘 要: 煤层气和页岩气是重要的非常规资源。目前我国的煤层气产业已实现商业化生产，但页岩气还处于试验阶段。在一些能源盆地中，会同时存在煤层气和页岩气源岩，它们可能相邻或处于较近或较远层位。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同，但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中。煤层气和页岩气均储存于低孔低渗的储层中，它们的开采技术均包含评价技术、测试技术、钻井技术和储层改造技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采，从而提高它们的开采效率，促进非常规天然气产业的快速发展。关键词: 煤层气 页岩气 富集特征 开发技术 储层改造作者简介: 琚宜文，男，博士，教授，博士生导师。中国科学院研究生院，北京市玉泉路甲 19 号，100049，010 88256466，13810002826，juyw03@ comCommonness and Differences of Enrichment Characteristics and Mining Technology of China's Coalbed Methane and Shale Gas JU Yiwen YAN Zhifeng LI Chaofeng FANG Lizhi ZHANG Wenjing( College of Earth Science，Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China)Abstract: Coalbed methane and shale gas are important unconventional At present，the coalbed methane industry of China has been produced commercially; however，the shale gas production is still at experi- mental The source rocks of coalbed methane and shale gas will occur in some energy basin together，and they may be adjacent or in near or far Although coalbed methane and shale gas are different in their sources and occurrence layers ，there are some common situation，such as the enrichment characteristics，the migrating procedure and the developing The coalbed methane mainly enrichs in the coalbeds with adsorption state，while shale gas enriches in the high － carbon mudstone or shale with adsorption or free Because both coalbed methane and shale gas store in reservoirs with low porosity and permeability，and all their mining technolo- gy include evaluating，testing，drilling and reservoir stimulation If both coalbed methane and shale gas occur in the same basin，then they can be exploited by the same well，therefore their exploiting efficiency will be im- proved，and the unconventional natural gas industry will be developed Keywords: coalbed methane; shale gas; enrichment characteristics; development technology; reservoir stimulation1 前言我国经济持续快速发展，能源需求不断增加，天然气需求迅速增长，预测2015年需求量1560亿m3，缺口约560亿m3，2020年需求量2930亿m3，缺口将达1000亿m3(王一兵等，2010)。在国际上煤层气和页岩气等非常规天然气是油气勘探的重要目标(Ross et ，2008)。在我国增加常规油气产量非常困难的情况下，开发煤层气和页岩气等非常规资源，就成为我国能源可持续发展的现实选择。煤层气和页岩气的勘探开发和利用首先由美国获得成功，2006年以来全美煤层气年产量稳定在540亿m3以上(李五忠等，2008)，2009年美国的煤层气产量达到542亿m3。2009年美国页岩气生产井近98590口，页岩气年产量接近1000亿m3(崔青，2010)，2010年，美国页岩气探明储量已逾60万亿m3，产量达1000亿m3，占其天然气总产量的1∕5(新华网，2011)。煤层气和页岩气产业已成为美国举足轻重的能源工业。煤层气方面除美国外，加拿大、澳大利亚和中国等国家也已获得突破。截至2009年底，我国已建煤层气产能25亿m3，全年地面煤层气产量超过10亿m3(新华网，2011)。2010年地面煤层气抽采量为8亿m3。页岩气方面除美国外，加拿大也开始了规模化生产，中国和澳大利亚等国也已开始了试验性研究。在一些能源盆地中，会同时存在煤层气和页岩气源岩，它们可能相邻或处于较近或较远层位。在地质作用过程中，受生物化学作用或物理化学作用所产生的气体，会分别储存在煤层气或页岩气储层，若不同储层通过断层或裂隙相连通，可能会形成混合储层或相距很近的储层。尽管煤层气和页岩气在气体的来源与赋存层位等方面有所不同，但是在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性。在开采煤层气或页岩气的过程中，我们怎样才能够把相距较近两种储层的气体都采出来呢?如果两个储层相距较远的话我们能不能同时对煤层气和页岩气进行开采呢?经过多年的探索、试验和研究，我国煤层气地质研究在煤层气赋存的地质过程与动力学机制研究、煤层气储集系统与聚散机制研究以及煤层气藏经济高效开发的场效应研究等方面均取得显著进展(秦勇，2003;汤达祯等，2003);同时，在选区评价技术、钻井技术、压裂技术、排采技术等开发技术上也取得重要突破(李嘉川等，2011)。近些年来，在页岩气勘探理论与技术方面也取得一定的成果(程克明等，2009;聂海宽等，2010;张金川等，2008)。我国煤层气存在的问题是地质条件复杂———低渗透、低压力、低饱和度，开发理论与技术有诸多难题没有解决，储存运输困难，利用率低等问题;我国页岩气还处于研究阶段，没有开始试生产，对于页岩气的研究中渗流机理方面研究较少(刘德华等，2011)。对此应加强煤层气的基础理论研究，进一步提高对煤层气的认识程度，提高开采效率和资源利用率;对页岩气应加强富集特征与渗流机理的研究，形成系统的开发技术体系，以促进页岩气产业的发展。本文在前人研究的基础上探讨煤层气和页岩气富集特征与开采技术的共性与差异性，研究的目的在于探索煤层气与页岩气富集的内在关系，煤层气与页岩气生成、演化与富集的机理，以及它们共同开发的可能性。因此，通过煤层气与页岩气富集特征与开采技术的比较研究，对于发展适合于我国地质条件的非常规天然气地质理论、推动我国非常规天然气产业的尽快形成均有所裨益。2 煤层气与页岩气概念及其评价方法煤层气俗称瓦斯，又名煤层甲烷，是与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷，含量组成为80%～99%，其次含有少量的CO2、N2、H2、SO2、C2H6等气体。煤层气主要以吸附态赋存于煤层孔隙表面或填隙于煤层结构内部，另外煤层裂隙与煤层水中存在少许游离气与溶解气。煤层孔隙及裂隙中的煤层气与煤层水形成特殊的水动力系统，只有当储层压力低于解吸压力时，煤层气才能解吸出来。页岩气是从富有机质页岩地层系统中开采出来的天然气，是位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，主体上以吸附和游离状态同时赋存于具有生烃能力的泥岩、页岩等地层中的天然气聚集。页岩气开发虽然产能低，但具有开采寿命长和生产周期长的优点。由于含气页岩分布范围广、厚度大，使得页岩气资源量巨大。因而，页岩气井能够长期地以稳定的速率产气，一般开采寿命为30～50年，长者甚至能达80年(X，2009;李世臻等，2010)。煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气，它们在概念特征上既有联系，又有区别，表1为煤层气和页岩气在概念特征上的比较。表1 煤层气与页岩气概念的比较煤层气和页岩气的富集有许多特征，如气体来源、储集介质等。评价这些特征需要许多方法(冯利娟等，2010)，有些方法仅适合煤层气储层，有些方法仅适合页岩气储层，有些方法二者均适用。表2中列出了一些重要的评价方法。表2 用于评价煤层气和页岩气储层的重要方法(据冯利娟等，2010修改)3 煤层气和页岩气的富集特征煤层气和页岩气均为自生自储，吸附成藏的非常规天然气。页岩气富集区页岩厚度往往较大，裂隙发育，热演化程度合适，如美国的Barnett页岩(Bowker，2007;Z，2007;Pollastro，2007)。它们在富集特征上有许多相似之处，也存在着明显的不同。下面主要从源岩、生成与演化特征，储集与分布特征，渗流与运移特征等方面来对比研究煤层气藏以及页岩气藏的富集特征。表3列出了二者在富集特征上的一些异同。表3 煤层气和页岩气在富集特征上的异同4 煤层气与页岩气的富集机理煤层气是煤在煤化作用过程中形成的天然气在源岩中的残留部分，煤层既是生气源岩又是储气层段，煤化作用过程中形成的天然气原地聚集或短距离运移，主要通过煤层的吸附作用(Scholl，1980;Tadashi et ，1995)将天然气聚集起来，为典型的吸附富集机理。煤的储气能力与煤的煤岩组分、变质程度、温度和压力有关。因此，煤层气在聚集方式、动力类型以及成藏特征等方面与常规天然气藏有较大差别(张金川等，2008)。由于煤层气主要以吸附作用为主，吸附气含量通常大于80%，游离气和溶解气比例很小，因此，可以不需要通常的圈闭存在。只要有较好的盖层条件，能够维持相当的地层压力，无论在储层的构造高部位还是低部位，都可以形成气藏(褚会丽等，2010)。页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件，页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。第一阶段是天然气的生成与吸附，具有与煤层气相同的富集成藏机理(张金川等，2003);第二阶段发生在生气高峰;随着页岩生气过程的继续，页岩有机质颗粒所提供的最大吸附气量不足以满足所生成的天然气聚集需求时，游离态天然气开始出现。随着生气过程的继续，天然气在地层中逐渐形成高压，从而导致沿页岩的薄弱面小规模裂缝的形成，天然气开始在裂缝中以游离态运移聚集。由于页岩孔隙及微裂缝具有孔喉细小的特征，游离态天然气对地层水的排驱为活塞式整体排驱富集机理。如果天然气生成量继续增加，则天然气选择大孔隙通道进行置换式运移，气上水下，表现为裂缝系统中的置换富集机理(徐波，2009)。煤层气和页岩气均产自于能源盆地，煤层气源岩的煤岩形成于适宜植物生长的沼泽环境中，页岩气源岩的页/泥岩形成于深湖相或湖泊中心相(Law，2002)。经沉降埋藏成岩后，受构造变动的影响岩石产生断层和裂隙，因此造成不同层位间孔隙和裂隙的连通。有机质经埋藏和变质作用，有机碳开始产生气体。随着变质作用的进行，油气成熟度越来越高，气体生成量也越来越大，生成的气体大部分被吸附在煤层和页岩等不同储层中，部分会沿着断裂和裂隙运移。如果煤层气储层和页岩气储层相邻或相距很近，煤层气和页岩气就可能会形成两个相邻或相近的气体储层，由于气体的运移在两个储层相邻或相近的情况下甚至可能出现煤层气和页岩气的混合储层。5 煤层气与页岩气的开发技术煤层气和页岩气开发的关键技术首先是评价技术，采用地质、测井等方法评价源岩(储层)的性能、含气量、分布范围和丰度等参数，确定储层性能和开采的有利区域;测试技术，对含气量、吸附性能、微观裂隙、渗透率等储层参数进行测试;储层改造技术，如压裂技术和水平钻井技术，水平钻井技术指从水平井筒钻出多水平井段，非常有利于低渗储层的技术改造。煤层气的开发技术有:①钻井技术，包括钻井和完井技术。如水平井钻井技术、空气欠平衡钻井技术、保护储层的钻井技术等，是煤层气孔经济、高效、快速成孔的关键;②储层改造技术，煤层气储层属于低孔低渗的储层，进行商业性生产需对储层进行改造，储层改造措施是提高煤层气产量的重要措施，压裂技术是储层改造的重要技术，如清洁压裂液压裂技术、水力加砂压裂技术、氮气泡沫压裂技术等增产改造技术的试验与应用、井下微地震压裂裂缝监测试验;③排采技术，把煤层气从地下抽到地面所采取的技术;④煤层气田的低压集输工艺技术，包括集中式压缩机站与分散式撬装液化装置等技术。页岩气的开发离不开储层的改造技术，美国的Barnett页岩就是经水力压裂后才开始产气的(Z，2007)。技术的进步推动了页岩气水平井的发展，在Barnett页岩气藏中，90%的新井都是水平井(冯利娟等，2010);储层压裂及重复压裂技术(邹才能等，2011)大幅度提高了页岩气产量，对页岩气商业性开采起着决定作用。煤层气和页岩气均为非常规天然气，它们的开发技术有许多相同的地方。假如在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，那么如果能够利用同一口井同时进行煤层气开采和页岩气开采，则和单一气体开采相比，单井在产气量和开采寿命上均应该会有所提高。因此可以提高天然气生产企业的经济效益。6 结论与认识煤层气和页岩气同为非常规天然气，它们在储层特征、富集机理和开采技术等方面存在许多相同的地方，但二者之间也有明显的差异。(1)煤层气和页岩气都是自生自储、吸附成藏、连续聚集的非常规天然气。通过气体来源、气体组成、气体成因、赋存状态、赋存方式等比较了它们在概念特征上的联系和区别。评价煤层气和页岩气储层特征有不同的方法，有些方法仅适合煤层气储层，有些方法仅适合页岩气储层，有些方法二者均适用。(2)煤层气和页岩气在富集特征、运移过程及开发技术方面具有一些共性，但在气体的来源、赋存层位及保存条件等方面有所不同。煤层气的富集主要是以吸附状态存在于煤层中，页岩气的富集是以吸附或游离状态存在于高碳质泥页岩中;煤层气富集需要有合适的盖层条件和水文地质条件，而页岩气的富集不需要附加的盖层条件和水文地质条件。(3)煤层气的富集主要是通过吸附作用将天然气聚集起来，为典型的吸附富集机理;页岩气富集机理具有典型的“混合型”特征。根据不同富集条件，页岩气富集可表现为典型吸附机理、活塞富集机理或置换富集机理。(4)煤层气储层和页岩气储层均为低孔低渗的储层，开采时均需要采取储层改造增渗技术，如水平井技术和储层压裂技术等。如果在一个盆地中同时赋存有煤层气和页岩气，就可以考虑利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采，从而提高它们的开采效率。参考文献程克明，王世谦，董大忠等上扬子区下寒武统筇竹寺组页岩气成藏条件，天然气工业，29(5)，40～44褚会丽，檀朝东，宋健天然气、煤层气、页岩气成藏特征及成藏机理对比，中国石油和化工，(9)，44～45崔青美国页岩气压裂增产技术，石油化工应用，29(10)，1～3冯利娟，朱卫平，刘川庆煤层气藏与页岩气藏国外油田工程，26(5)，24～27李嘉川，王小峰，石兆彬等中国煤层气开发现状与建议科技创新导报，(8)，43～45李世臻，曲英杰美国煤层气和页岩气勘探开发现状及对我国的启示中国矿业，19(12)，17～21李五忠，赵庆波，吴国干等中国煤层气开发与利用，北京:石油工业出版社刘德华，肖佳林，关富佳页岩气开发技术现状及研究方向，石油天然气学报(江汉石油学院学报)，33(1)，119～123聂海宽，张金川页岩气藏分布地质规律与特征，中南大学学报(自然科学版)，41(2)，700～708秦勇中国煤层气地质研究进展与述评，高校地质学报，9(3)，339～358汤达祯，秦勇，胡爱梅煤层气地质研究进展与趋势，石油实验地质，25(6)，644～647王一兵，王金友，赵娜等中国煤层气产业现状及政策分析，2010年煤层气年会论文新华网中国非常规天然气开发“升温”，2011年04月14日09:16(_121303223_htm)徐波页岩气和根缘气成藏特征及成藏机理对比研究，石油天然气学报，31(1)，26～30张金川，聂海宽，徐波等四川盆地页岩气成藏地质条件，天然气工业，28(2)，511～156张金川，唐玄，姜生玲等碎屑岩盆地天然气成藏及分布序列，天然气工业，28(12)，11～17张金川，薛会，张德明等页岩气及其成藏机理，现代地质，466邹才能，陶士振、侯连华等非常规油气地质，北京:地质出版社Bowker 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