頁巖氣儲層常規(guī)測井解釋模型與應用實例

陳 揚，夏雪飛，魏遠明，郭秀云，石元會

（1.中國石化江漢石油工程有限公司測錄井公司，湖北 潛江433123；2.中國地質大學〈武漢〉地球科學學院，湖北 武漢430074）

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。頁巖氣表現為典型的“原地”成藏模式；在成藏機理上既具有吸附、游離、水溶等多重特征，又具有自生、自儲、自保、儲層致密等特點，是一種典型的連續(xù)性大規(guī)模、低豐度、非常規(guī)天然氣聚集［1－7］。由于頁巖氣儲層存在特低孔隙度、特低滲透率特征及以吸附和游離態(tài)聚集的特殊模式，與常規(guī)油氣藏有著很大的區(qū)別，傳統(tǒng)常規(guī)測井解釋方法不適應頁巖氣儲層解釋［1－3，6－9］。

通過對建南地區(qū)某井東岳廟段巖心與測井資料的整理、分析和深入研究，建立了該地區(qū)首套基于常規(guī)測井項目的解釋處理模型，并依據其解釋模型進行了2口井的頁巖氣儲層精細解釋。

1 測井解釋模型

1.1 頁巖氣體積模型

根據Ambrose等國外學者研究，頁巖氣儲層體積模型可以抽象由粘土礦物、非粘土礦物、束縛水、干酪跟及天然氣、油及水組成構成（見圖1）。天然氣主要以吸附氣與游離氣存在，溶解到水中天然氣可以忽略不計。

圖1 頁巖氣體積模型示意圖（據Ambrose等，2010）

國內眾多學者利用測錄井資料研究頁巖氣解釋評價模型，也是基本圍繞頁巖氣體積模型來開展，這里我們也采用該模型建立東岳廟段頁巖氣測井解釋模型。

1.2 測井解釋模型

1.2.1 巖性識別

建南地區(qū)東岳廟段地層巖性主要由泥巖、頁巖、含泥質灰?guī)r組成（見圖2），巖性相對單一，較容易的定性識別。

頁巖:自然伽馬GR相對高值，一般大于90API；聲波時差AC相對高，一般在270us／m；巖性密度DEN相對高值，一般大于2.58g／cm3。

泥巖:GR相對高值，一般大于90API；AC相對較高，一般為240us／m～275us／m；DEN相對低值，一般小于2.58g／cm3。

含泥質灰?guī)r:GR相對低值，一般小于75API；LLD相對高值；AC相對較小，一般小于240us／m。DEN密度相對高值，一般大于2.65g／cm3。

不難看出，利用GR、AC、DEN測井曲線，可以有效識別巖性相對單一的東岳廟段地層巖性。

1.2.2 儲層識別

從國內外典型頁巖氣藏來看，頁巖氣儲層具有“三高二低”即GR、RT和CNL高、DEN與PE值（PEF）低的測井曲線特征［1］。由于本區(qū)含灰?guī)r成分較重，DEN、PE值低特征不明顯，圖2中591.0m～643.0m井段頁巖氣儲層，具有明顯“三高”特征，“二低”特征不明顯。由于受礦物含量、粘土類型、有機質類型等因素的影響，建南地區(qū)東岳廟段“三高二低”的測井曲線特征不太明顯。

?？松‥xxon）和埃索（Esso）公司Passey（1990）等發(fā)明的“聲波－電阻率”法即DT－ΔlogRt（DT－RT）方法［1］，經后人多次改進，能夠較好地定性劃分儲層、半定量計算頁巖氣儲層總有機碳含量TOC。其基本原理就是:利用聲波曲線AC（DT）與電阻率曲線LLD（Rt）疊合，不含有機質的泥巖段AC與LLD曲線基線基本重疊在一起，幅度差異能夠反映地層富含有機質的情況，參考巖性曲線和孔隙度曲線，能夠綜合判別和劃分頁巖氣儲層。如圖2中591.0m～643.0m井段，DT－RT“幅度差”明顯，表征頁巖層TOC豐富。

圖2 東岳廟段頁巖氣儲層常規(guī)測井圖

1.2.3 礦物含量模型

1）泥質含量模型

由于泥質顆粒細小，具有較大的比面，使它對放射性物質有較大的吸附能力，且沉積時間長，有充分時間與溶液中的放射性物質一起沉積下來，所以泥質（粘土 ）具有較高的放射性。在不含放射性礦物的情況下，泥質含量的多少就決定了沉積巖石的放射性強弱。因此，泥質含量的計算可以采用自然伽馬曲線GR或去鈾自然伽馬曲線CGR，計算公式:

式中:GCUG－經驗系數，新地層選擇2；GR－目的層自然伽馬，API；IGR－泥質含量指數；GRmax－目的層純泥巖的GR值，一般取180，API；GRmin－目的層純砂巖的GR值，一般取20，API。

2）砂巖與灰?guī)r含量模型

當PE≥PE上限值PEUP時，PE＝PEUP；當PE≤下限值PEDN時，PE＝PEDN。

解如下聯立方程可求解泥頁巖地層砂巖與灰?guī)r含量。

式中:VSH、SAND、LIME－泥質、砂巖、灰?guī)r含量，%；PESH、PESAND、PELIME－泥巖、砂巖、灰?guī)rPE值，無量綱；

由圖2可以看出，用GR、PEF曲線計算的礦物含量和實驗值比較匹配。

3）脆性礦物含量與脆性指數模型

脆性礦物含量估算公式:

式中:Vsi＋co3－儲層脆性礦物含量，%；Vsi－儲層砂巖含量，%；Vco3－儲層碳酸鹽巖（灰?guī)r、白云巖）含量，%。

礦物法脆性指數估算公式:

式中:BRIT－儲層脆性指數，小數；Vsh－儲層粘土含量，%。楊氏模量－泊松比法脆性指數估算公式［11，12］:

式中:Ec－頁巖氣儲層楊氏模量，10GPa；μ－頁巖氣儲層巖石泊松比，無量綱。

1.2.4 孔隙度、飽和度與滲透率模型

1）孔隙度模型

在利用常規(guī)測井曲線計算多礦物地層的孔隙度時，泥質較重情況下一般多采用 “中子－聲波”方法計算的孔隙度。

東岳廟段頁巖采用“中子－聲波”孔隙度計算模型［1，4，8－9］:

式中:VSH、VSND、VLIME－ 泥質、砂巖、灰?guī)r含量，%；φ－孔隙度，%；AC－聲波時差，μs／m；Tf－流體聲波，一般取600，μs／m；Tsand－純砂巖聲波值，一般取180，μs／m；Tlime－純灰?guī)r聲波值，一般取156，μs／m；CNL－補償中子值，%；Nf:－流體、中子值，一般取100，%；Nsand－純砂巖中子值，一般取－2.1，%；Nlime－純灰?guī)r中子值，一般取0，%。

2）飽和度模型

與常規(guī)儲層不同，頁巖氣儲層泥質含量大，泥質對飽和度的影響較大，并且儲層含水飽和度與地層孔隙度也緊密相關，一般采用Total－shale含水飽和度計算模型。頁巖氣儲層含水與含氣飽和度計算模型［1，4，8－10］:

式中:Rsh－泥巖電阻率，東岳廟取16或20，Ω·m；Vsh－泥質含量，%；Rt－深探測電阻率，Ω·m；Sw－含水飽和度，小數；Sg－含氣飽和度，小數；Rw－地層水電阻率，東岳廟取0.06，Ω·m；φ－地層孔隙度，%；a－巖性系數，取1.0，無量綱；m－地層膠結指數，取2.0，無量綱；n－飽和度指數，取2.0，無量綱。

3）滲透率模型

由于建南地區(qū)東岳廟段頁巖儲層滲透率極低，常規(guī)的測井滲透率計算模型難以獲得的理想的效果。巖心孔滲實驗測量數據顯示，東岳廟段孔隙度和滲透率相關性較好，可利用巖心孔滲實驗測量數據建立滲透率計算模型:

式中:K－滲透率，md；φ－孔隙度，%；a－巖心實驗回歸系數，取0.0003；b－巖心實驗回歸系數，取0.781。

1.2.5 TOC計算模型

國內外利用測井曲線計算有機碳含量的方法有許多，如DEN（Daniel Rose，2008）、GR、U 含量、DT－RT法等。

建頁HF－A井東岳廟段DEN與巖心實驗室測定的TOC回歸，TOC＝－0.85×DEN＋3.32，R＝ －0.1，相關性極弱；GR與TOC回歸，TOC＝－0.004×GR＋0.761，R＝0.4，相關性較弱；U含量與TOC回歸，TOC＝－0.34×U＋0.65，R＝0.6，相關性弱，不適應利用測井曲線計算TOC。

聲波－電阻率曲線法計算公式:

式中:A、B－井區(qū)系數，東岳廟段A取6、B取0。

時差曲線AC基值AC0取240μs／m，電阻率曲線基值LLD0取20Ω·m。

利用DT－RT法計算TOC（見圖3），電阻率曲線LLD對數刻度（Ω·m），左刻度0.2、右刻度200；時差曲線AC線性刻度（μs／m），左刻度450、右刻度150。這時，聲波－電阻率曲線在TOC含量少的地方重疊，選擇上部泥巖段，重疊時的聲波時差值為Acb，重疊時的深電阻率值為LLDb。通過對比發(fā)現，東岳廟段利用“聲波－電阻率”法計算的有機碳含量與室內巖心分析結果較為匹配，儲層TOC平均1.23%，相對誤差小于 ±20%。

1.2.6 干酪根計算模型

頁巖氣儲層干酪根含量采用經驗公式計算［10］:

式中:KE－干酪根體積，%；TOC－有機碳含量，%；DEN－測井巖性密度，g／cm3；K－地區(qū)干酪根轉換系數，0.8；Dker:地區(qū)干酪根密度，取1.05，g／cm3。

建頁 HF－A井東岳廟段591.0m～643.0m井段頁巖氣儲層干酪根計算結果TOC對應較好（見圖3）。

圖3 測井TOC及含氣量計算結果與巖心測量數據對比圖

1.2.7 含氣量計算模型

1）游離氣含量模型

游離氣一般賦存于泥頁巖的孔隙或裂縫中，主要與泥頁巖孔隙度、含氣飽和度等因素有關。游離氣含量系指單位體積頁巖中的游離氣在地面條件下的體積，單位是 m3／t。游離氣含量計算模型［7－9］:

式中:Gf－游離氣含量，m3／t；Bg－天然氣體積系數，建南地區(qū)東岳廟段取0.015～0.018，平均取0.016；φ－孔隙度，小數；Sw－含水飽和度，小數；ρb－測井體積密度，g／cm3。

將純甲烷氣視作非理想氣體時，游離氣含量需再乘以轉換系數Ψ＝0.92。游離氣含量計量單位取scf／t時，并且將純甲烷氣視作非理想氣體時，Ψ＝32.1。

2）吸附氣含量模型

吸附于頁巖儲層中的氣體基主要為CH4。1916年法國化學家Langmuir在研究固體表面吸附特性時，提出了單分子層吸附的狀態(tài)方程，即Langmuir方程:

式中:Gs－泥頁巖吸附氣含量，m3／t；VL－泥頁巖儲層朗氏體積，m3／t；PL－泥頁巖儲層朗氏壓力，MPa；P－泥頁巖儲層地層壓力，MPa。

在低壓下，氣體吸附量隨著壓力的增大快速增加，達到一定壓力后吸附量達到飽和，成為一條平滑的直線。這一飽和吸附量稱為朗氏體積VL，到達1／2朗氏體積吸附氣量所需的實驗壓力稱為朗氏壓力PL。北美地區(qū)的勘探實踐表明，頁巖吸附氣大多服從Langmuir方程。頁巖氣儲層溫度與解析試驗溫度接近時，不需要進行溫度壓力校正。Langmuir方程適用于估算存在游離氣的泥頁巖儲層單層飽和吸附氣含量平均值，主要用于評估利用其它方法確定的吸附氣含量的合理性，不宜逐點計算單層內各點泥頁巖飽和吸附量。

建南地區(qū)東岳廟段建頁 HF－A井21塊巖心測試結果表明，頁巖氣儲層平均朗氏體積和朗氏壓力分別為:VL＝1.2m3／t、PL＝2.3MPa。同時，得到總有機碳含量TOC與吸附氣含量Gs（m3／t）回歸方程:

3）總含氣量模型

頁巖氣總含氣量Gt（m3／t）計算公式:

2 實例分析

1）實例一:A井

A井東岳廟518.0m～643.0m井段、厚47.0m；自然伽馬103API、巖性密度2.54g／cm3、電阻率66.0Ω·m、聲波時差271μs／m；泥質含量34%、儲層平均孔隙度4.6%、平均含水飽和度45.0%、含氣飽和度55.0%、平均有機碳含量1.2%、吸附氣平均含量0.70m3／t、游離氣平均含量0.61m3／t、平均總氣含量1.31m3／t，游離氣含量略小吸附氣含量；脆性礦物含量平均75.0%，脆性指數平均0.60；氣測烴異常顯示明顯，地層壓力檢測顯示儲層無異常壓力存在，地層壓力梯度1.07MPa／Hm，地層破裂壓力梯度1.86MPa／Hm。

綜合解釋東岳廟518.0m～643.0m井段為氣層（見圖4）。參照中揚子致密碳酸鹽巖氣層產能預測方法、經驗與評價標準，預測水力壓裂后產能2 000m3／d～15 000m3／d［10］。

完井后，水力壓裂試氣井段610.0m～646.0m。采用9.0m3／min的大排量注入方式壓裂作業(yè)，累計用液量2 083.0m3，加砂65.0m3，平均砂比4.7%，施工壓力24.0MPa。返排放噴10h后，出口點火成功，焰高1m～4m。地層呈正常壓力變化，天然氣最高產量4 000m3／d，穩(wěn)定產量1 860m3／d～2 200m3／d，不含硫化氫，有少量地層水產出。試采6個月后，并入生產管線，采用氣舉方式正常開采，穩(wěn)定產量2 700m3／d。正常開采3個月即累計開采9個月后，穩(wěn)定產量仍保持在2 100m3／d以上。

圖4 A井頁巖氣層測井解釋成果圖

2）實例二:B井

B井東岳廟591.0m～643.0m 井段、厚52.0m；自然伽馬115API、巖性密度2.65g／cm3、電阻率56.0Ω·m、聲波時差280μs／m；泥質含量40%、孔隙度6.0%、含水飽和度45.0%、含氣飽和度55.0%、滲透率0.02md、有機碳含量1.23%、吸附氣含量0.69m3／t、游離氣含量0.78m3／t、總含氣量1.47m3／t，游離氣含量略大于吸附氣含量；脆性礦物含量平均65.0%，脆性指數平均0.45；氣測烴異常顯示明顯，地層壓力檢測顯示儲層無異常壓力存在，地層壓力梯度1.07MPa／Hm，地層破裂壓力梯度1.89MPa／Hm。

綜合解釋東岳廟591.0m～643.0m井段為氣層（見圖5）。參照中揚子致密碳酸鹽巖氣層產能預測方法、經驗與評價標準，預測水力壓裂后產能為1×104m3／d～3×104m3／d。

完井后，在氣層段側鉆水平井，水平段長1到22.5 m，分8段水力壓裂試氣（第5段因遇阻而放棄壓裂 ）。壓裂施工排量為10m3／min～10.5m3／min，入井總液量為12 037.6m3，總砂量為394.5m3，平均砂比為4.1%，反排求產，測得產氣量1.2×104m3／d、產水量43m3／d。

圖5 B井頁巖氣層測井解釋成果圖

3 主要認識

1）基于巖心試驗建立的頁巖氣常規(guī)測井解釋模型，適用建南地區(qū)東岳廟段頁巖氣儲層測井評價，可以擴展用于整個建南地區(qū)及中揚子地區(qū)陸相頁巖氣儲層評價。

2）參照實例井壓裂試氣結果和國內外成功經驗，東岳廟段頁巖氣層解釋評價參考標準［7，9］:厚度 H≥30 m；孔隙度 φ≥3.0%，含氣飽和度Sg≥50.0%，；TOC≥1.0%，，游離氣含量 Gf≥0.5m3／t，吸附氣含量為 Gs≥0.5m3／t，總含氣量 Gt≥1.0m3／t；脆性礦物含量Vsi＋co3≥50.0%，脆性指數 BRIT≥0.5。

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