唐 穎 李樂忠 蔣時馨
1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院3.頁巖氣資源勘查與戰(zhàn)略評價國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
含氣量是頁巖儲層評價的關(guān)鍵參數(shù),對頁巖含氣性評價、儲量預(yù)測具有重要意義[1-2]。含氣量確定包括現(xiàn)場解吸法、等溫吸附法和測井解釋法?,F(xiàn)場解吸法反映了樣品的實(shí)際含氣量,但受取心方式和提鉆時間影響,損失氣估算誤差較大,等溫吸附法獲得的是頁巖的最大吸附氣量,未考慮游離氣量部分,與實(shí)際含氣量有較大差別。通過測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合巖心實(shí)驗(yàn)建立含氣量的測井解釋模型,可以預(yù)測頁巖的含氣量,減少實(shí)驗(yàn)成本。Decker等研究發(fā)現(xiàn),頁巖實(shí)測含氣量與有機(jī)碳含量(TOC)存在很好的正線性相關(guān)關(guān)系,TOC與體積密度存在很好的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系,從而可以建立體積密度與含氣量的計算模型來預(yù)測Antrim頁巖含氣量[3]。Lewis等提出了基于等溫吸附實(shí)驗(yàn)的測井校正模型[4],該模型被用在斯倫貝謝公司測井解釋軟件中。Cluff等以等溫吸附和體積模型為基礎(chǔ),利用測井解釋參數(shù)計算了Delaware盆地Barnett頁巖和Woodford頁巖原地資源量[5]。Utley等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算關(guān)鍵參數(shù)基于等溫吸附和體積模型計算了Fayetteville頁巖含氣量[6]。目前,對頁巖含氣量的測井解釋方法研究較少,筆者以澳大利亞Eromanga盆地Toolebuc頁巖為例,討論頁巖儲層含氣量測井解釋方法,以供參考。
本次研究資料來自于位于澳大利亞昆士蘭州Eromanga盆地B、E、K等3口頁巖氣勘探井,目的層為白堊系Toolebuc頁巖(圖1)。Toolebuc頁巖是一套覆蓋澳大利亞中東部Eromanga盆地和Galilee盆地的海相灰質(zhì)頁巖,在Eromanga盆地干酪根以混合型為主,TOC較高,熱演化成熟度較低。研究收集到3口井測井?dāng)?shù)據(jù)各1套,巖心分析186項(xiàng)次,其中測井?dāng)?shù)據(jù)使用 Wetherford公司Compact系統(tǒng)采集,巖心分析由Wetherford實(shí)驗(yàn)室和CoreLab巖心分析公司共同完成。
圖1 研究區(qū)地理位置和地層發(fā)育情況圖
在計算頁巖儲層原地資源量時通常使用吸附氣和游離氣之和來表征總含氣量[7-12]。北美地區(qū)頁巖氣勘探經(jīng)驗(yàn)表明,通過吸附氣和游離氣計算總含氣量比解吸實(shí)驗(yàn)獲得的含氣量更能反映頁巖的含氣性特征。
2.1.1 吸附氣量
吸附氣是頁巖氣的主要組成部分,占總含氣量的20%~85%[9,12],基于頁巖的吸附特征,用Langmuir等溫吸附模型來表征頁巖的吸附氣量。通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲得頁巖的Langmuir壓力和Langmuir體積兩個參數(shù),對不同溫度、壓力和TOC的頁巖樣品,需要對各參數(shù)進(jìn)行測井校正[4]。Langmuir體積和Langmuir壓力校正公式為:
式中Vlt為儲層溫度校正的Langmuir體積,m3/t;plt為儲層溫度校正的Langmuir壓力,MPa;T為儲層溫度,℃;Ti為等溫吸附實(shí)驗(yàn)溫度,℃;Vl為實(shí)驗(yàn)樣品Langmiru體積,m3/t;pl為實(shí)驗(yàn)樣品Langmuir壓力,MPa。
式中Vlc為經(jīng)過儲層溫度和TOC校正的Langmuir體積,m3/t;TOCiso為等溫吸附實(shí)驗(yàn)樣品TOC值;TOClg為測井計算的TOC值。
根據(jù)Langmuir方程,頁巖吸附氣量為:
式中Ga為吸附氣含量,m3/t;p為儲層壓力,MPa。
2.1.2 游離氣量
游離氣量是頁巖孔隙空間中的含氣量,通過體積模型計算:
式中Gf為游離氣量,m3/t;Bg為氣體壓縮系數(shù),m3/m3;φe為有效孔隙度;Sge為有效含氣飽和度;ρb為地層密度,g/cm3。
根據(jù)GRI實(shí)驗(yàn)原理,有φeSge=φSg。
吸附態(tài)的氣體存在會影響游離氣的容納空間,在計算游離氣含量時減去吸附氣所占的體積空間[11]。因此游離氣實(shí)際體積為:
式中M為天然氣的視分子重量,g/mol,甲烷為16;ρs為吸附態(tài)甲烷密度,g/cm3,ρs=0.3750-0.4233,頁巖儲層一般取0.37[11]。
近年來,隨著測井技術(shù)的發(fā)展,國外幾大服務(wù)公司形成了各自的特殊測井系列并在頁巖儲層各種參數(shù)的解釋中取得了很好的效果。特殊測井?dāng)?shù)據(jù)需要配套的測井設(shè)備采集,并且有配套的解釋技術(shù),本研究只討論使用常規(guī)測井系列解釋關(guān)鍵參數(shù)的方法。根據(jù)上述含氣量計算模型,在計算過程中需要使用的儲層參數(shù)包括TOC、孔隙度和含氣飽和度。
表1 TOC測井解釋方法表
2.2.1 有機(jī)碳含量(TOC)
TOC是頁巖儲層評價的重要參數(shù),前人對頁巖儲層TOC測井計算方法研究較多(表1),大致可以分為3類:①通過實(shí)測TOC與測井參數(shù)進(jìn)行一元或多元線性回歸或非線性回歸計算TOC;②使用聲波電阻率法(ΔlgR)計算TOC;③使用核磁共振、脈沖中子等特殊測井計算TOC。通過實(shí)測TOC與測井參數(shù)線性回歸的方法操作簡單,計算精度可以滿足勘探要求;聲波電阻率法是烴源巖TOC計算的常用方法,可用于頁巖TOC測井計算,但是通過該方法計算的TOC常需要使用巖心分析的TOC校正才能和實(shí)測TOC達(dá)到比較好的吻合;特殊測井費(fèi)用較高,多數(shù)頁巖氣探井不進(jìn)行特殊測井,單針對TOC計算來說,常規(guī)測井已經(jīng)能夠滿足需要。因此,多數(shù)情況下,根據(jù)各地區(qū)實(shí)測的TOC數(shù)據(jù)與測井參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析,選擇相關(guān)性較好的測井系列與實(shí)測TOC進(jìn)行一元或多元線性回歸即可計算頁巖的TOC,計算精度基本能夠滿足勘探的需要,當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)增加時,需要對線性模型進(jìn)行修正。
2.2.2 總孔隙度
常規(guī)砂巖儲層中,當(dāng)巖性和骨架參數(shù)已知時,對于含水的純地層,利用經(jīng)過環(huán)境校正的密度或中子測井曲線中的任何一種,或者在沒有次生孔隙的情況下用聲波測井曲線都能確定孔隙度[13]。計算頁巖孔隙度常使用密度曲線,由于頁巖中有機(jī)質(zhì)密度較低,且不同層段骨架礦物組成也不同。因此,在使用密度曲線計算頁巖孔隙度時必須考慮所有影響體積密度響應(yīng)的因素。
Luffel等通過建立頁巖礦物體積模型利用測井?dāng)?shù)據(jù)計算出頁巖中干酪根含量,并利用巖心實(shí)測可動油與干酪根的相關(guān)性計算可動油含量,最后根據(jù)總烴體積與實(shí)測孔隙度的相關(guān)性建立了孔隙度計算的線性方程并計算了Devonian頁巖孔隙度[14]。Utley等將頁巖分為基質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和流體3種組分[15],推導(dǎo)得出頁巖總孔隙度計算公式為:
Sondergeld等將頁巖分為基質(zhì)、地層水、天然氣和有機(jī)質(zhì)等組分[16],推導(dǎo)出頁巖總孔隙度計算公式為:
總之,頁巖孔隙度測井解釋是以體積密度為基礎(chǔ)建立合理的巖石體積模型,通過求解體積模型的方程組得出孔隙度,在建立體積模型時需要注意兩點(diǎn):①模型的組分不能太多,以保證體積模型方程組有解,常用的組分包括基質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、流體和天然氣;②模型中的組分應(yīng)該盡量簡單,以便確定合理的骨架值。另外,計算過程中通常不使用體積密度計算的TOC,雖然多數(shù)情況下TOC與體積密度具有更好的相關(guān)性,但使用體積密度計算的TOC來進(jìn)一步計算得到的總孔隙度與體積密度具有多重共線特征,與實(shí)際情況不符。
2.2.3 飽和度
頁巖儲層致密,一般不含水,成熟的頁巖以生氣為主,含油飽和度較低,可以忽略不計,因此頁巖的飽和度通常只計算含氣飽和度,只在成熟度較低時考慮含油飽和度。常規(guī)砂巖儲層通常使用阿爾奇(Archie)公式計算含水飽和度,研究認(rèn)為阿爾奇公式在頁巖儲層中也有很好的適用性,其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于針對頁巖地層的各個參數(shù)取值是否合理[14,17-21]。
式中Sw為含水飽和度;Rw為地層水電阻率,Ω·m;φ為總孔隙度;Rt為地層電阻率,Ω·m;m為膠結(jié)指數(shù);n為飽和度指數(shù);a為常數(shù)。
頁巖中a一般取1,m、n根據(jù)頁巖的裂縫特征和巖性特征取值。對于泥巖或白堊巖,根據(jù)實(shí)測孔隙度與地層系數(shù)之間的關(guān)系,得到m約為2.0,裂縫和條痕的存在會降低膠結(jié)指數(shù)[22-23]。Devonina頁巖測井計算飽和度時,m=1.7,n=1.7[17-18]。Barnett頁巖測井計算飽和度時,m=1.9,n=2.0[19]。地層水電阻率是阿爾奇公式中最敏感的參數(shù),其準(zhǔn)確性直接影響到計算含水飽和度的準(zhǔn)確性。頁巖孔隙度極低且多為干層,其地層水電阻率可以使用與頁巖相鄰或相近的砂巖或灰?guī)r地層水電阻率。
3.1.1 有機(jī)碳含量(TOC)
本次研究共收集到3口井實(shí)測TOC數(shù)據(jù)65個,對實(shí)測TOC和測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明TOC與自然伽馬(GR)、體積密度(DEN)、中子孔隙度(CNL)在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),其中DEN相關(guān)性最好,GR次之,CNL最差(表2)。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果,分別使用DEN、GR、CNL與TOC進(jìn)行一元線性回歸,同時使用3個參數(shù)與TOC進(jìn)行多元線性回歸,并使用ΔlgR法計算TOC(表2)。對于多元線性回歸結(jié)果,給定顯著性水平α=0.01,多元回歸的樣本容量M=65,回歸方程n=3,因F=99.359>F0.01(n,M-n-1)=F0.01(3,61)=4.12,因此多元回歸關(guān)系成立。使用上述5種方法計算TOC,并與巖心實(shí)測TOC進(jìn)行對比(圖2),5種方法中,多元線性回歸法預(yù)測精度最高,其次為DEN,再次為GR、CNL,ΔlgR法計算結(jié)果與實(shí)測值相關(guān)性最低。因此,對本研究區(qū)來說,多元線性回歸法預(yù)測TOC精度較高,是預(yù)測TOC最好的線性回歸方法。
表2 不同方法計算Toolebuc頁巖TOC結(jié)果表
圖2 TOC不同方法計算結(jié)果與巖心實(shí)測對比圖
3.1.2 孔隙度
公式(8)、(9)兩種孔隙度計算模型都適用于頁巖儲層孔隙度的測井計算[16],分別使用兩種模型計算Toolebuc頁巖孔隙度,TOC使用多元線性回歸法計算,根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果ρTOC=1.04g/cm3。由于Toolebuc頁巖灰質(zhì)含量較高,基質(zhì)密度和流體密度可以取灰?guī)r刻度骨架值[16,24],ρm=2.71g/cm3,ρfl=1g/cm3。研究同時使用地層實(shí)際刻度計算孔隙度與石灰?guī)r刻度進(jìn)行對比,根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果,ρm=2.79g/cm3,ρfl=0.92g/cm3。研究共收集到巖心樣品實(shí)測孔隙度47個,平均為15.31%,公式(8)實(shí)際地層刻度計算平均孔隙度為17.19%,石灰?guī)r刻度計算平均孔隙度為14.80%,公式(9)實(shí)際地層刻度計算平均孔隙度為18.23%,石灰?guī)r刻度計算平均孔隙度為15.83%。兩種孔隙度模型在兩種刻度下計算結(jié)果對比分析(圖3),兩種模型石灰?guī)r刻度計算結(jié)果都比實(shí)際地層刻度計算誤差小,單就在石灰?guī)r刻度下,公式(8)計算結(jié)果比公式(9)計算結(jié)果誤差更小,公式(8)計算平均總孔隙度與巖心實(shí)驗(yàn)平均總孔隙度誤差為0.51%,在孔隙度測井預(yù)測合理誤差范圍之內(nèi)。
圖3 Toolebuc頁巖孔隙度測井計算與巖心分析結(jié)果對比圖
3.1.3 飽和度
Cadna-Owie砂巖層是位于Toolebuc頁巖下方最近的砂巖層(圖1),根據(jù)Eromanga盆地水文地質(zhì)研究,Eromanga盆地自地表到三疊系Rewan層均處于大自流盆地影響范圍之內(nèi),地層中的水均來自地表[25]。因此Cadna-Owie層地層水電阻率不能反映Toolebuc頁巖地層水電阻率。同時,由于本區(qū)勘探資料較少,缺少m、n經(jīng)驗(yàn)值,通過估算各參數(shù)計算的含水飽和度誤差較大,含水飽和度采用下述方法計算。
對阿爾奇公式兩邊取對數(shù),經(jīng)整理后變成lgSw與lgφ、lgRt的線性關(guān)系式,lgRw為常數(shù)項(xiàng),即
式中Sw為巖心分析孔隙度;φ為測井解釋總孔隙度;Rt為測井電阻率,Ω·m。
通過3口井25個巖心分析含水飽和度值和測井參數(shù)進(jìn)行多元線性回歸,結(jié)果如下:
公式(12)計算含水飽和度結(jié)果與巖心分析結(jié)果對比,25個點(diǎn)中除3個點(diǎn)相對誤差較大之外,多數(shù)點(diǎn)相對誤差在5%左右,誤差較小(圖4)。
圖4 Toolebuc頁巖含水飽和度巖心分析與測井解釋對比圖
同時,巖心實(shí)測含油飽和度(So)、含氣飽和度(Sg)和含水飽和度(Sw)表現(xiàn)出很好的相關(guān)性,可以通過其相關(guān)關(guān)系計算含油飽和度和含氣飽和度。即
研究對3口井18塊巖心樣品進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)溫度使用各井的平均地層溫度,由于等溫吸附實(shí)驗(yàn)溫度和地層溫度相差很小,使用公式(1)、(2)校正前后結(jié)果基本相同。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),Langmuir體積與TOC表現(xiàn)出一定的相關(guān)性,但相關(guān)性較低,吸附氣量與TOC相關(guān)性較高(圖5)。吸附氣量是Langmuir體積經(jīng)過壓力校正后的地層實(shí)際吸附氣量,吸附氣量與TOC的相關(guān)性比Langmuir體積與TOC的相關(guān)性高,說明通過壓力校正后能夠提高TOC與吸附氣量的相關(guān)性。因此,可以根據(jù)實(shí)測樣品的等溫吸附結(jié)果進(jìn)行壓力校正建立吸附氣量的預(yù)測模型。
圖5 Langmuir體積、吸附氣量與TOC線性關(guān)系圖
表3 K井含氣量測井解釋結(jié)果表
使用ExcelSlover對18個樣品點(diǎn)TOC、Vl、pl、Ga進(jìn)行規(guī)劃求解,得到最優(yōu)化條件如下:
在最優(yōu)化條件下,使用Langmuir方程計算3口井樣品點(diǎn)吸附氣量,TOC使用實(shí)驗(yàn)分析值,18個樣品點(diǎn)計算得出的吸附氣量平均為0.82cm3/g,而樣品等溫吸附實(shí)驗(yàn)計算吸附氣量平均為0.82cm3/g,最優(yōu)化條件計算吸附氣量均值與等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同,說明該最優(yōu)化條件計算吸附氣量誤差很小。
以K井為例,根據(jù)公式(4)、(15)、(16)計算吸附氣量,根據(jù)公式(6)~(8)、(12)~(14)計算游離氣量,1/Bg=61m3/m3,計算結(jié)果如表3所示。由于Toolebuc頁巖成熟度較低,烴類產(chǎn)物中同時存在油和氣。因此實(shí)驗(yàn)分析和測井解釋結(jié)果中含水飽和度和含油飽度比成熟頁巖高,通過巖心分析結(jié)果計算水中溶解氣約為0.04g/cm3,在計算總含氣量時參考行業(yè)慣例忽略。測井解釋結(jié)果與等溫吸附實(shí)驗(yàn)及解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比(圖6),測井解釋含氣量隨深度變化趨勢與等溫吸附實(shí)驗(yàn)和解吸實(shí)驗(yàn)獲得的含氣量隨深度變化趨勢相同,單個點(diǎn)的值比解吸實(shí)驗(yàn)值略大,這是因?yàn)樵谌⌒倪^程中巖心中部分天然氣散失,估算損失氣量時存在誤差,測井解釋含氣量本身也存在一定的誤差,另外由于Toolebuc頁巖成熟度較低,其生氣能力可能達(dá)不到吸附飽和,造成使用等溫吸附模型計算吸附氣量比地層實(shí)際吸附氣量略大;測井解釋含氣量比等溫吸附計算含氣量略大,是因?yàn)橛嬎愫瑲饬砍綒庵?還包含游離氣。綜上分析,本模型解釋的含氣量結(jié)果基本可信,誤差在合理的范圍內(nèi)。
圖6 K井測井解釋含氣量與解吸實(shí)驗(yàn)含氣量、等溫吸附含氣量對比圖
等溫吸附與體積模型相結(jié)合計算頁巖含氣量,從不同相態(tài)氣體的計算過程來看,游離氣的計算本質(zhì)是通過孔隙中已經(jīng)存在的天然氣電性特征根據(jù)體積模型計算,無論是低熟還是成熟的頁巖,只要一定量的氣體在孔隙中聚集,都能通過孔隙度和含氣飽和度等參數(shù)計算得出游離氣量。吸附氣量計算原理是等溫吸附理論,計算得到的實(shí)際上是頁巖儲層在地層條件下能夠吸附的最大含氣量,其假設(shè)前提是頁巖已經(jīng)達(dá)到能夠生成足夠天然氣的成熟度,由于國內(nèi)外大多數(shù)頁巖都屬于成熟或者高成熟頁巖,生氣量可以達(dá)到吸附飽和,理論上可以認(rèn)為實(shí)際吸附量等于最大吸附量。因此該模型對成熟或高成熟的頁巖適用性很好。對于成熟度較低的頁巖,如果生氣能力達(dá)不到吸附飽和,利用等溫吸附計算得到的吸附氣量會比儲層實(shí)際吸附氣量大,通過本模型計算的頁巖含氣量也因此比儲層實(shí)際含氣量大,但是在勘探階段預(yù)測儲層原地資源量時誤差在合理的范圍之內(nèi)。因此本模型對于成熟度較低的頁巖同樣適用。
通過建立實(shí)測含氣量與測井參數(shù)之間的線性或非線性模型預(yù)測含氣量在煤層氣井中應(yīng)用效果較好,前人研究較多[26-30],線性回歸法對含氣量較低的井誤差較高,非線性模型需要建立在區(qū)域大量樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上。煤層含氣量主要分布在5~18m3/t,美國5套開發(fā)頁巖含氣量主要分布在0.42~9.91m3/t,多數(shù)小于3m3/t,頁巖含氣量總體遠(yuǎn)小于煤層,通過線性回歸計算結(jié)果誤差較大;Toolebuc頁巖巖心實(shí)測含氣量平均小于1m3/t,通過實(shí)測含氣量與測井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性分析研究沒有發(fā)現(xiàn)含氣量與測井參數(shù)之間的相關(guān)性,該特征是否具有普遍性及非線性模型是否適用有待下一步研究。另外,頁巖氣井在鉆井取心過程中,受取心方式影響氣體損失嚴(yán)重,損失氣量占總含氣量的40%~70%,估算結(jié)果誤差較大。因此使用測井?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測含氣量之間的關(guān)系預(yù)測頁巖含氣量可能帶來很大的誤差?;谏鲜龇治?對頁巖儲層來說,使用測井?dāng)?shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合,分別計算頁巖的游離氣量和吸附氣量得到總含氣量比使用線性回歸和非線性模型計算更合理。
1)頁巖含氣量測井解釋以等溫吸附和體積模型為基礎(chǔ),分別計算吸附氣和游離氣量獲得總含氣量,通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立總有機(jī)碳和Langmuir體積、Langmuir壓力的最優(yōu)化模型,然后使用Langmuir方程計算吸附氣量,并根據(jù)孔隙體積及含氣飽和度計算游離氣量,中間參數(shù)通過測井解釋獲得。
2)通過Toolebuc頁巖實(shí)際應(yīng)用表明,等溫吸附和體積模型解釋的含氣量與儲層實(shí)際含氣性特征比較吻合,適用性強(qiáng),尤其是對含氣量較低的頁巖,誤差較小。模型中間參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測井?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性模型或經(jīng)驗(yàn)公式計算,相關(guān)性模型在不同地區(qū)需要根據(jù)儲層的巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測井?dāng)?shù)據(jù)建立并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的增加不斷修正,經(jīng)驗(yàn)公式法普遍適用性較好。
3)頁巖含氣量總體水平低于煤層,而且受取心方式影響,實(shí)測含氣量中損失氣量估算誤差較大。因此通過測井參數(shù)與實(shí)測含氣量線性或非線性關(guān)系預(yù)測含氣量誤差較大,通過測井分別計算游離氣量、吸附氣量是表征頁巖含氣量的最合理方法。
致謝:中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司教授級高級工程師邢云,中國石油長城鉆探工程有限公司高級工程師魏斌,中國地質(zhì)大學(xué)(北京)博士生導(dǎo)師張金川、譚茂金,斯倫貝謝科技服務(wù)公司巖石物理工程師張宗富,美國Discovery公司總裁Robert Cluff,美國Utleyophysics公司首席咨詢師Lee Utley等給予了筆者指導(dǎo)和幫助,在此致謝。
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