頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)進(jìn)展

張作清 （中石化集團(tuán)華東石油局測(cè)井工程公司，江蘇 揚(yáng)州225007）

孫建孟 （中國(guó)石油大學(xué) （華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266555）

頁(yè)巖氣在美國(guó)勘探開發(fā)取得的巨大成功，使頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源得到世界的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球頁(yè)巖氣總量約為456×1012m3，是常規(guī)天然氣總量的1.4倍。美國(guó)是世界上對(duì)頁(yè)巖氣研究和開采最早的國(guó)家。早在1821年美國(guó)就開始了對(duì)頁(yè)巖氣的開采，直到20世紀(jì)80年代，頁(yè)巖氣進(jìn)入了大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)展階段。截至2008年底，美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量達(dá)到5.07×108m3，預(yù)計(jì)到2015年產(chǎn)量可達(dá)到2800×108m3[1，2]。隨著美國(guó)頁(yè)巖氣勘探的巨大成功，頁(yè)巖氣在國(guó)內(nèi)也逐步受到關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井解釋評(píng)價(jià)還處于起步階段，筆者在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)述了頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)研究及其進(jìn)展，希望能對(duì)頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)的發(fā)展有一定的推動(dòng)作用。

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征、測(cè)井響應(yīng)特征

頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖及其所夾砂質(zhì)、粉砂質(zhì)巖地層中，以吸附氣和游離氣為主要存在方式的聚集。在頁(yè)巖氣藏中，頁(yè)巖氣為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為自生自儲(chǔ)的 “原地”成藏模式[3]。

1.1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖性

頁(yè)巖巖性多為瀝青質(zhì)或富含有機(jī)質(zhì)的暗黑色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖，其間也包括發(fā)育的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖以及白云巖、灰?guī)r等。頁(yè)巖的組成一般是：黏土礦物體積分?jǐn)?shù)30%～50%、粉砂體積分?jǐn)?shù)15%～25%和有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)4%～30%，具有頁(yè)狀和薄片狀層理[4]。從礦物組成上看，頁(yè)巖的礦物成分較復(fù)雜，除高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物外，還混雜著石英、長(zhǎng)石、云母等許多碎屑礦物和自身礦物。

1.2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性

在頁(yè)巖氣藏中，頁(yè)巖氣主要以吸附氣為主，賦存于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面，游離氣以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中。頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間主要是孔隙和裂縫。Jarvie認(rèn)為頁(yè)巖氣孔隙主要以有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙為主?。頁(yè)巖的孔隙按演化歷史可以分為原生孔隙和次生孔隙；按大小可以分為微型孔隙 （孔徑＜0.1μm）、小型孔隙 （孔徑＜1μm）、中型孔隙 （孔徑＜10μm）和大型孔隙 （孔徑＞10μm）[5，6]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層本身的總孔隙度很低 （一般小于10%），有效孔隙度一般不到總孔隙度的50%，天然滲透率低，一般遠(yuǎn)小于0.1mD，產(chǎn)能主要依靠人工及天然裂縫。

裂縫是頁(yè)巖的另一種主要儲(chǔ)集空間。頁(yè)巖儲(chǔ)層中的裂縫多以微裂縫形式存在。裂縫的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基質(zhì)滲透率，是頁(yè)巖氣的重要儲(chǔ)集場(chǎng)所。裂縫的存在使得頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)變得格外復(fù)雜。一方面，裂縫的發(fā)育程度決定著頁(yè)巖氣的質(zhì)量體積、聚集和滲透率的大小，控制著頁(yè)巖的連通程度、流動(dòng)速度和氣藏的產(chǎn)能。另一方面，裂縫比較發(fā)育的地區(qū)，頁(yè)巖氣保存條件差，不利于形成頁(yè)巖氣藏[5，6]。

1.3 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在常規(guī)曲線上都有明顯的響應(yīng)特征，利用測(cè)井曲線形態(tài)和測(cè)井曲線值的相對(duì)大小可以有效直觀地識(shí)別頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層在測(cè)井曲線上主要有以下響應(yīng)特征[7，8]（見表1）。

表1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)

2 評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井系列

頁(yè)巖氣勘探、開發(fā)與常規(guī)油氣資源的勘探手段有相似之處，國(guó)外在頁(yè)巖氣勘探與開發(fā)中，普遍使用斯倫貝謝、貝克休斯、哈里伯頓等國(guó)際測(cè)井服務(wù)公司的先進(jìn)技術(shù)。

2.1 常規(guī)測(cè)井系列

目前，識(shí)別頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的常規(guī)測(cè)井系列，主要包括自然伽馬、井徑、自然電位、聲波密度、中子與電阻率測(cè)井和自然伽馬能譜測(cè)井等。常規(guī)測(cè)井的主要目的是為了進(jìn)行頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的識(shí)別和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。但是，常規(guī)測(cè)井系列對(duì)于礦物成分體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算、裂縫識(shí)別與巖石力學(xué)參數(shù)等計(jì)算方面還有缺陷，不能滿足完全評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的要求，因此還需要開展特殊測(cè)井系列的應(yīng)用。

2.2 特殊測(cè)井系列

近年來，國(guó)外頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方面主要體現(xiàn)在對(duì)元素俘獲測(cè)井 （ECS）、高分辨率測(cè)井、聲波電阻率成像 （FMI）測(cè)井和偶極聲波測(cè)井等方面的應(yīng)用[9]。

ECS測(cè)井是目前唯一能從巖石組分角度解決巖性識(shí)別問題的測(cè)井方法。它提供豐富的信息，能滿足評(píng)價(jià)地層各種性質(zhì)、獲取地層物性參數(shù)、計(jì)算黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)、判斷地層滲透性等需要。

偶極聲波測(cè)井提供縱波時(shí)差和橫波時(shí)差資料，能夠滿足巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算的需求。特別近年來斯倫貝謝的Sonic－Scanner、Sonic－Scope等儀器在巖石力學(xué)分析、指導(dǎo)完井特定設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著不可替代的作用。

聲電成像測(cè)井具有高分辨率、高井眼覆蓋率和可視性特點(diǎn)，不僅在巖性和裂縫識(shí)別、構(gòu)造識(shí)別等方面有良好的應(yīng)用效果，對(duì)指導(dǎo)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造、評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的開發(fā)效果也有重要的意義。

3 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井解釋評(píng)價(jià)

在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，測(cè)井資料可以進(jìn)行定量和定性解釋。目前，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井解釋評(píng)價(jià)的主要任務(wù)有：①評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的礦物組分及計(jì)算其體積分?jǐn)?shù)；②評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)集物性參數(shù)，包括儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率以及飽和度；③評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的地球化學(xué)參數(shù)，主要任務(wù)有計(jì)算總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（TOC）、有機(jī)質(zhì)成熟度指數(shù)和劃分有機(jī)質(zhì)類型等；④頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣量計(jì)算，包括游離氣和吸附氣；⑤巖石力學(xué)分析和裂縫評(píng)價(jià)。

3.1 礦物組分評(píng)價(jià)

目前，頁(yè)巖氣礦物組分評(píng)價(jià)方法主要采用常規(guī)測(cè)井結(jié)合元素俘獲測(cè)井或自然伽馬能譜測(cè)井的方法。

斯倫貝謝公司基于ElanPlus模塊和Spectrolith模塊已基本實(shí)現(xiàn)了利用ECS測(cè)井和常規(guī)測(cè)井對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層礦物組分的評(píng)價(jià)。該技術(shù)能精確評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的黏土、石英－長(zhǎng)石－云母、碳酸鹽和石膏等物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)[10]。

張晉言等利用三孔隙度測(cè)井兩兩交會(huì)構(gòu)建的M、N、P參數(shù)建立了砂質(zhì)和灰質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的數(shù)學(xué)模型；利用密度測(cè)井和中子測(cè)井的差值，建立了泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的數(shù)學(xué)模型[11]。由該方法所建立的參數(shù)都進(jìn)行了歸一化處理，推廣應(yīng)用有良好的效果。

3.2 物性參數(shù)評(píng)價(jià)3.2.1 計(jì)算孔隙度

Michael等[12]提出用元素俘獲測(cè)井計(jì)算頁(yè)巖氣孔隙度；斯倫貝謝 （2010）提出的核磁共振測(cè)井在頁(yè)巖氣孔隙度計(jì)算方面有較好的應(yīng)用效果。

張晉言等[11]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)密度孔隙度作類似于泥質(zhì)校正的有機(jī)質(zhì)校正以后的孔隙度接近于泥頁(yè)巖的真實(shí)孔隙度，在某油田取到了良好的應(yīng)用效果，計(jì)算結(jié)果和巖心分析結(jié)果對(duì)應(yīng)性非常好（見圖1）。

3.2.2 計(jì)算滲透率

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲透率極低，不能用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)試。目前，測(cè)試頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透率的新方法主要有原地測(cè)試法、改良脈沖衰減測(cè)試法、解吸流動(dòng)法。張晉言等[11]基于斯倫貝謝ElanPlus模塊中使用的Herron公式形式，提出礦物組分滲透率模型，在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算結(jié)果與巖心分析結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)性。

3.2.3 計(jì)算飽和度

Eastward 等[13]介 紹 了 用Bardon－Pied改進(jìn)的Simandoux含水飽和度模型評(píng)估初始總體積水。張晉言等[11]考慮到頁(yè)巖氣儲(chǔ)層不同礦物組分對(duì)含水飽和度的影響，提出了礦物組分飽和度模型。

3.3 地化參數(shù)評(píng)價(jià)

3.3.1 總 有 機(jī) 碳 質(zhì) 量 分 數(shù)w（TOC）

Passey等[14]給出了利用聲波曲線和地層電阻率曲線重疊法計(jì)算w（TOC）的數(shù)學(xué)表達(dá)式。由于該方法需要先確定成熟度參數(shù)——鏡質(zhì)體反射率Ro，同時(shí)該方法并沒有考慮密度對(duì)響應(yīng)特征的影響，操作又比較復(fù)雜，這就大大降低了它的實(shí)用性和計(jì)算精度。金強(qiáng)等[15]在Passey的基礎(chǔ)上提出了更加通用的模型——聲波時(shí)

圖1 有機(jī)質(zhì)校正后的密度孔隙度與巖心孔隙度對(duì)比圖

差（Δt）、密度（ρ）和電阻率（ρt）模型：

式中：a、b、c為系數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，體積密度與w（TOC）有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。張晉言等[11]在某油田應(yīng)用巖心值建立了w（TOC）和密度的關(guān)系模型；Hichey和Henk在Barnett某些層段用體積密度和w（TOC）交會(huì)計(jì)算w（TOC）。

w（TOC）的計(jì)算還有自然伽馬指示法、元素測(cè)井法等。斯倫貝謝公司已經(jīng)開展利用ECS測(cè)井評(píng)價(jià)w（TOC）的方法，該方法通過評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的礦物組分與元素的組合關(guān)系，建立w（TOC）與測(cè)井參數(shù)之間的關(guān)系。

考慮到核磁測(cè)井的獨(dú)特作用，可以利用密度孔隙度與核磁孔隙度的差來獲得有機(jī)質(zhì)體積含量，然后再轉(zhuǎn)換為質(zhì)量含量。

3.3.2 鏡質(zhì)體反射率Ro

Ro隨熱演化程度的加深而變化明顯，并且它隨著埋藏深度的增加而增加，因此通?？梢酝ㄟ^大量的干酪根分析化驗(yàn)數(shù)值與其對(duì)應(yīng)的深度建立回歸關(guān)系，得出Ro與深度的回歸方程。此外，利用中子－密度重合法也能指示鏡質(zhì)體反射率的大小，如圖2??Lee Utley.Unconventional Petrophysical Analysis in Unconventional Reservoirs，2005.所示。

3.3.3 熱成熟度指數(shù)Im

當(dāng)頁(yè)巖中有機(jī)碳體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定指標(biāo)以后，成熟度指數(shù)就成為氣源巖生烴潛力的重要指標(biāo)，成熟度越高，生烴潛力越大。

Hank Zhao等[16]用中子、密度和電阻率等測(cè)井資料定義了一個(gè)熱成熟度指數(shù)計(jì)算公式，該公式一直沿用至今。計(jì)算公式如下：

式中：N為每個(gè)取樣深度處密度孔隙度≥9%、含水飽和度≤75%時(shí)的數(shù)據(jù)樣本總數(shù)；n9i（i＝1，…，N）為每個(gè)取樣深度處樣品的密度孔隙度 ≥9% 時(shí)的中子孔隙度，1；Sw75i（i＝1，…，N）為每個(gè)取樣深度處樣品的密度孔隙度≥9%、含水飽和度≤75%時(shí)的含水飽和度，1；ρw為地層水電阻率，Ω·m；Swi（i＝1，…，N）為阿爾奇公式計(jì)算的含水飽和度，1；d為密度孔隙度，1；d9i（i＝1，…，N）為每個(gè)取樣深度處樣品的密度孔隙度≥9%的密度孔隙度，1；ρt為地層電阻率，Ω·m。

圖2 中子－密度組合指示鏡質(zhì)體反射率的方法

3.4 含氣量評(píng)價(jià)

頁(yè)巖氣主要包括游離氣和吸附氣。游離氣是指以游離狀態(tài)賦存于孔隙和微裂縫中的天然氣；吸附氣是指吸附于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面的天然氣。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣量的多少直接關(guān)系到頁(yè)巖氣儲(chǔ)層是否具有開采價(jià)值，因此頁(yè)巖含氣量的評(píng)價(jià)是非常關(guān)鍵的。

3.4.1 游離氣的計(jì)算

游離氣的質(zhì)量體積與儲(chǔ)層的地層壓力、孔隙度和含水飽和度有關(guān)，計(jì)算方法與常規(guī)儲(chǔ)層含氣量的計(jì)算方法基本一致。首先，通過巖心實(shí)驗(yàn)給出含水飽和度；如果含油，再確定出含油飽和度，或者給出氣油比 （Rgo），最后得出含氣飽和度。氣油比Rgo與成熟度指數(shù)（Im）有如下關(guān)系式[16]：

3.4.2 吸附氣的計(jì)算

吸附氣質(zhì)量體積的計(jì)算是頁(yè)巖含氣量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，吸附氣質(zhì)量體積與儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量、溫度、壓力、含水量以及礦物組分等多種因素都有關(guān)系。Ross等發(fā)現(xiàn)含水量、有機(jī)碳和吸附氣質(zhì)量體積存在一定的相關(guān)性[17，18]。

目前評(píng)價(jià)吸附氣質(zhì)量體積的方法主要有解析法和等溫吸附法。①解吸法是頁(yè)巖含氣量評(píng)價(jià)的最直接有效的方法。解吸法通過巖心 （包括二次取心）、井壁取心或巖屑解吸等，確定解吸附氣質(zhì)量體積?？偨馕瑲饬堪〒p失氣、解吸氣和殘留氣。②等溫吸附法是含氣量測(cè)試的間接方法。等溫吸附法是通過頁(yè)巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)來模擬樣品的吸附過程，從而得到頁(yè)巖的含氣量[19]。

3.5 巖石力學(xué)特性分析

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有孔隙度低、滲透率極低的特點(diǎn)，因此需要對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行大規(guī)模壓裂才能形成工業(yè)產(chǎn)能。因此，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)的一個(gè)重要任務(wù)就是計(jì)算巖石力學(xué)、分析地應(yīng)力、進(jìn)行儲(chǔ)層甜點(diǎn)和完井工程甜點(diǎn)劃分研究，為合理的壓裂設(shè)計(jì)提供參考。

Rickman等[20]針對(duì)Barnett頁(yè)巖的研究，認(rèn)為巖石脆性指數(shù)包括泊松比和彈性模量。泊松比越低，楊氏模量越高的頁(yè)巖，脆性越好，更易壓裂。Muller等[21]介紹了用聲波測(cè)井資料和密度測(cè)井資料計(jì)算泊松比和楊氏模量的方法。

目前，大部分測(cè)井公司都使用陣列聲波測(cè)井來評(píng)價(jià)巖石力學(xué)特征，斯倫貝謝采用更先進(jìn)的聲波掃描測(cè)井；哈里伯頓和貝克休斯采用聲波全波列測(cè)井或多極子聲波測(cè)井來獲得巖石力學(xué)參數(shù)。而對(duì)于一些沒有橫波時(shí)差測(cè)井資料的井，可以通過縱波時(shí)差估算橫波時(shí)差，然后再計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)[22]。

3.6 裂縫識(shí)別

電阻率掃描成像測(cè)井對(duì)微裂縫、微孔隙和誘導(dǎo)縫有著良好的分辨能力，如圖3所示[23]，在裂縫的識(shí)別和評(píng)價(jià)中，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理和解釋軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)裂縫的評(píng)價(jià)。此外，評(píng)價(jià)裂縫經(jīng)常還使用油基泥漿電阻率成像測(cè)井 （OBMI）和超聲成像測(cè)井 （UBI）[24]。

圖3 成像測(cè)井識(shí)別裂縫

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

1）與常規(guī)儲(chǔ)層不同，頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)的重點(diǎn)是地化參數(shù)評(píng)價(jià)、含氣量評(píng)價(jià)和巖石力學(xué)分析。地化指標(biāo)能夠評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的生烴潛力，指示頁(yè)巖氣的含氣量。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有低孔、低滲的特點(diǎn)，壓裂增產(chǎn)技術(shù)是頁(yè)巖氣開采的關(guān)鍵，巖石力學(xué)分析能夠指導(dǎo)對(duì)頁(yè)巖氣的壓裂改造。

2）ECS測(cè)井、核磁測(cè)井、聲電成像測(cè)井、偶極聲波測(cè)井等特殊測(cè)井系列，在頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。引進(jìn)和研發(fā)先進(jìn)的測(cè)井技術(shù)和測(cè)井儀器，對(duì)于我國(guó)頁(yè)巖氣的勘探和開發(fā)有著重大的意義。

3）加大力度開展相關(guān)的儲(chǔ)層與巖石物理試驗(yàn)、地化試驗(yàn)和巖石力學(xué)試驗(yàn)，使頁(yè)巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)根植于試驗(yàn)刻度之上，更好地為頁(yè)巖氣勘探開發(fā)服務(wù)。

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