頁巖氣藏常規(guī)測井響應(yīng)特征研究

林璠，曹煜，田慧君

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059）

頁巖氣藏常規(guī)測井響應(yīng)特征研究

林璠，曹煜，田慧君

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059）

頁巖氣資源量豐富，但國內(nèi)開采處于起步階段。為了提高頁巖氣藏開采水平，首先需要清楚的認識頁巖氣藏的儲層特征。研究頁巖氣藏的測井響應(yīng)特征能夠?qū)又械膸r石礦物組成、含氣性能等做出合理的評價。通過查閱國內(nèi)外文獻，從常規(guī)測井技術(shù)與特殊測井技術(shù)總結(jié)了頁巖氣藏的測井響應(yīng)特征，響應(yīng)特征中與常規(guī)油氣藏顯著不同的地方是識別有機泥頁巖的重要手段?，F(xiàn)場實際中，要結(jié)合儲層礦物組成等，并排除其它干擾因素，運用多種測井響應(yīng)特征方法對頁巖氣藏進行解釋。測井響應(yīng)特征的研究為頁巖氣藏的后續(xù)勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

頁巖氣；自然伽馬測井；有機質(zhì)；測井響應(yīng)

Conventional logging response analysis on shale gas reservoir

頁巖氣是存在于有機泥頁巖中的天然氣，具有自生自儲的特點［1］。頁巖氣在儲層中的存儲方式主要有兩種：（1）以游離態(tài)的形式存在于基質(zhì)孔隙中；（2）以吸附態(tài)的形式吸附在干酪根的表面［2］。頁巖氣資源量豐富，但目前國內(nèi)開采出的頁巖氣僅為資源量中很小的一部分，國內(nèi)頁巖氣藏的開采仍然處于起步階段，很多技術(shù)都借鑒美國頁巖氣藏的開發(fā)模式［3］。

提高頁巖氣藏的開采水平，勘探開發(fā)是第一步，對頁巖氣藏地球物理測井響應(yīng)特征的研究是認識頁巖氣藏巖性組成特征、有機質(zhì)含量以及含氣性特征等的重要手段。本文中查閱大量國內(nèi)外參考文獻，總結(jié)了頁巖氣藏常規(guī)測井響應(yīng)特征以及其與常規(guī)氣藏測井響應(yīng)特征的不同，同時介紹了兩種用于解釋頁巖氣藏的特殊測井技術(shù)。測井響應(yīng)特征的研究為頁巖氣藏的后續(xù)勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 頁巖氣儲層不同測井響應(yīng)特征

大部分用于生油頁巖儲層的測井技術(shù)同樣適用于頁巖氣儲層。生油巖儲層與頁巖氣儲層之間的區(qū)別主要體現(xiàn)在三個方面，一是儲層內(nèi)的流體類型不同（氣體取代了油），二是孔隙的分布不同（除了基質(zhì)內(nèi)的粒間孔隙，還存在著干酪根孔隙），最后是巖石礦物的組成不同（頁巖氣儲層基質(zhì)中包含有脆性礦物）?？偨Y(jié)了國外針對不同井采用的不同測井系列［4］（見表1）。

表1 頁巖氣井不同井別的測井系列［4］

對于頁巖氣藏新區(qū)，最合理的測井系列包括：自然伽馬測井、自然電位測井、井徑、巖性密度測井、補償中子測井、電阻率測井（雙側(cè)向或者陣列感應(yīng)測井）、元素俘獲能譜測井和聲波成像測井。此外，除了一些常規(guī)油氣藏采用的測井方法，頁巖氣測井采集中還采用了一些測井新技術(shù)，包括元素俘獲能譜測井、核磁共振測井、微電阻率成像測井和聲波成像測井，這些測井新技術(shù)的應(yīng)用在頁巖氣勘探開發(fā)的初期是非常必要的，有助于含氣頁巖儲層特征的綜合評價，也有助于指導(dǎo)油公司后續(xù)的勘探開發(fā)。

2 常規(guī)測井響應(yīng)特征

2.1 自然伽馬測井和自然伽馬能譜測井

大部分微粒級的巖石作解釋時，自然伽馬測井可以將頁巖儲層（裂隙或者烴源巖）與常規(guī)儲層巖性相區(qū)分。自然伽馬測井主要反映了粘土含量和TOC豐度：K元素和Th元素含量高表明粘土含量豐富；U元素含量高表明含有大量有機質(zhì)。如果頁巖氣儲層在海相環(huán)境下沉積（主要是II型干酪根），那么U元素能夠作為有機質(zhì)的重要指示標(biāo)志；如果在陸相（或者湖相）環(huán)境沉積，U元素含量缺乏，這種情況下U元素通常與TOC豐度沒有關(guān)系。在陸相（或者湖相）環(huán)境中，總的自然伽馬曲線能夠識別巖石中的粘土成分，但卻不能表明巖石中含有大量有機碳。而且，并不是所有的U元素都來自有機質(zhì)，原生礦物中的U元素才與有機碳有關(guān)，所以Wignall在1994年的研究中提出：要獲得U和TOC之間可靠的關(guān)系，必須將碎屑巖中的U元素從總的U元素測量值中去掉［5］。

2.2 電阻率測井

巖石的電阻率與巖石中導(dǎo)電成分有直接關(guān)系。常規(guī)儲層中地層水是主要的導(dǎo)電介質(zhì)，地層水含有一定的礦化度，電阻率低，而且體積越大，電阻率越低。烴類流體（油或氣）是不導(dǎo)電的，當(dāng)?shù)貙又写罅坑蜌馊〈嗽械貙铀畷r，地層的電阻率大大增加。

頁巖氣儲層中含有粘土礦物，含量較少時質(zhì)量分數(shù)在20%到30%，而有些儲層粘土含量高達70%。粘土導(dǎo)電性對流體解釋的影響程度取決于粘土相對于地層水的附加導(dǎo)電性。如果地層水的礦化度大于海水（例如等效NaCl溶液礦化度為35 000 mg/L），那么粘土相對于地層水的附加電阻率小，對流體解釋的影響程度也小。另外，地層水占有的孔隙體積大小也影響著粘土的導(dǎo)電性，隨著地層水的增加，粘土相對于地層水的附加電阻率也會增加。

其它礦物成分（有機或者無機成分）對巖石的導(dǎo)電性能也起著重要的作用。黃鐵礦普遍存在于頁巖氣儲層中的有機層段內(nèi)，當(dāng)它的數(shù)量較多時會影響電阻率的測井響應(yīng)結(jié)果，使電阻率值降低［7］。大多數(shù)有機層段中都含有黃鐵礦，但是高TOC層段仍然保持相對高的電阻率。出現(xiàn)這種狀況的原因在于，黃鐵礦密度較大，當(dāng)巖石中含有10%質(zhì)量分數(shù)的黃鐵礦時，它所占據(jù)的巖石體積空間也僅僅為7%，就如同對于低密度的有機質(zhì)來說，10%質(zhì)量分數(shù)的TOC占有的是20%體積的干酪根，道理是一樣的。

某些成熟度較高（Ro＞＞3）的頁巖儲層，其電阻率比成熟度低（1＜Ro＜3）的儲層小1到2個數(shù)量級?？梢哉J為：在較高成熟度條件下，有機碳重結(jié)晶形成了具有導(dǎo)電性能的石墨，但是石墨的數(shù)量并不多，只能將其看成是石墨形成的雛形。于是可以充分證明，在極高成熟度的有機頁巖中（Ro＞＞3），巖石具有很高的導(dǎo)電性能不僅僅是因為地層水、粘土和黃鐵礦的原因，還由于存在有其它的礦物成分。

2.3 密度測井

有機質(zhì)（或者干酪根）的低密度值會對巖石樣品的體積密度造成顯著影響，進而影響密度測井的響應(yīng)結(jié)果。如果其它參數(shù)一定，可以建立以TOC為變量的密度測井曲線（見圖1）。這種密度測井的優(yōu)點是它具有較高的垂直分辨率（1 ft），能夠區(qū)分垂向上TOC的細微差異。密度測井與高分辨率的電阻率測井相結(jié)合應(yīng)用時，效果更佳。

圖1 TOC與顆粒骨架密度的關(guān)系曲線（Passey，2010）［6］

2.4 聲波測井

與密度測井響應(yīng)類似，其它條件一定的情況下，由于有機質(zhì)的縱波速度低，時差大，縱波測井可以確定TOC含量。目前為止，大部分的研究都集中在縱波，但是橫波的波速也可能受影響。一般來說，聲波測井結(jié)合其它測井方式能夠使TOC的解釋效果增強。

2.5 光電吸收截面指數(shù)測井

光電吸收截面指數(shù)測井（PEF）能夠確定巖性，但是，一般只利用PEF測井，通過巖性交匯圖（比如：體積密度和光電吸收截面指數(shù)PEF交匯圖，視骨架密度和視骨架體積吸收截面）確定礦物含量。巖性交匯圖僅限于三種礦物（石英，方解石，白云巖）的應(yīng)用，當(dāng)存在粘土礦物時，方法就不適用了。

2.6 中子測井

一般認為，單獨利用中子測井來解釋有機質(zhì)豐度，效果并不好。中子測井不僅能夠反應(yīng)有機質(zhì)中的氫元素，也反應(yīng)出了粘土礦物晶體結(jié)構(gòu)中氫氧根離子里的氫元素，同時還受地層水、液體以及氣態(tài)烴中的氫元素的影響。對于某些硅質(zhì)頁巖氣儲層，標(biāo)準(zhǔn)的中子-密度交匯圖能夠解釋含氣層段。但是中子-密度交匯圖技術(shù)僅限于地層中粘土含量不多的情況下使用，當(dāng)粘土含量較多時，氫氧根離子的增加會導(dǎo)致中子-密度疊合的分離，從而不能解釋含氣層段。

2.7 核磁共振測井

非常規(guī)儲層的核磁共振測井評價技術(shù)有限。在飽含水，低TOC的頁巖氣層段，核磁共振解釋的孔隙度與巖心測量的孔隙度的一致性較好。

總結(jié)了頁巖氣儲層中常規(guī)的測井響應(yīng)特征（見表2）。

表2 頁巖氣儲層各類測井響應(yīng)

3 特殊測井響應(yīng)解釋

3.1 元素測井

元素測井可以確定總粘土、碳酸鹽巖和石英的含量（誤差在-10 wt%），而這些參數(shù)與頁巖氣儲層中有機質(zhì)的豐度沒有直接關(guān)系。不過，總的硅質(zhì)和總碳酸鹽巖成分關(guān)系著巖石的地球物理特征。此外，可以用元素測井來識別重要的地層段，比如黃鐵礦層段或者菱鐵礦層段。

有機頁巖非均質(zhì)性強，包含了多種礦物成分，這些礦物成分的濃度隨深度變化大。頁巖中常見的主要是三種礦物成分-石英、方解石和粘土。除此之外，還存在少部分的鉀長石、斜長石、白云巖、鐵白云石、黃鐵礦和氟磷灰石。為了確定地層中的礦物含量，許多公司將他們的目標(biāo)投向了中子捕獲能譜測井（NCS）。但NCS測井仍有它的局限性，在測井過程中它沒有考慮干酪根的存在，而且它的預(yù)測精度依賴于氧化物密閉模型和元素轉(zhuǎn)化為礦物干重的經(jīng)驗公式。更重要的是，NCS測井由于價格昂貴，測井儀器以及井眼條件限制等因素，適用性不強，一般不被考慮。

3.2 成像測井

高分辨率成像測井適用于識別電阻率在垂向上的微小差異，這種差異能與有機質(zhì)豐度變化聯(lián)系起來（很可能是因為這一層段含氣飽和度高）。從圖2的成像測井圖可以看出，很容易識別出單層－底部亮色區(qū)域為高TOC豐度，高電阻率，往上深色區(qū)域TOC豐度和電阻率都降低。需要注意的是，用成像測井進行解釋時，致密的碳酸鹽巖或者硅質(zhì)層和菱鐵礦結(jié)晶都顯示具有電阻，在圖像上體現(xiàn)為亮色區(qū)域。

高分辨率成像測井需要水基泥漿，雖然說油基泥漿也可以識別特征相近的儲層特性，但是與水基泥漿電測井圖相比，就顯得粗糙了。

圖2 成像測井圖（Passey，2010）［6］

4 結(jié)論

（1）從自然伽馬測井、自然伽馬能譜測井、電阻率測井、密度測井、聲波測井、光電吸收截面指數(shù)測井、中子測井以及核磁共振測井等常規(guī)測井分析了頁巖氣藏的測井響應(yīng)特征，以及其與常規(guī)儲層在響應(yīng)特征上的不同之處。

（2）特殊測井如元素測井和成像測井，在頁巖氣藏測井解釋中有一定的可用性，但由于設(shè)備昂貴，適用條件有限，實際應(yīng)用并不廣泛。

（3）頁巖氣藏測井解釋要綜合考慮儲層中礦物成分、水體分布，并排除其它干擾條件，采用多種測井技術(shù)相結(jié)合，對整個氣藏進行解釋。

［1］張金川，姜生玲，唐玄，等.我國頁巖氣富集類型及資源特點［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（12）：109-114.

［2］蔣裕強，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲層的基本特征及其評價［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：7-12.

［3］張金川，徐波，聶海寬，等.中國頁巖氣資源勘探潛力［J］.新能源，2008，（6）：136-140

［4］郝建飛，周燦燦，李霞，等.頁巖氣地球物理測井評價綜述［J］.地球物理學(xué)進展，2012，27（4）：1624-1632.

［5］Wignall，P.B.Black shales［M］.Clarendon Press，Oxford and New York，1994.

［6］Passey，Q.R.，Bohacs，K.M.，Esch，W.L.，et al.From oilprone source rock to gas-producing shale reservior-geologic and petrophysical characterization of unconventional shalegas reservoirs［J］.Paper SPE131350 presented at the CPS/ SPE International Oil&Gas Conference and Exhibition，Beijing，China，8-10 June，2010：1-29.

［7］Haryanto，A.Comparative study for the interpretation of mineral concentrations，total porosity，and TOC in hydrocarbonbearing shale from conventional well logs［J］.Paper SPE 166139 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Louisiana，USA，30 September-2 October，2013：1-20.

LIN Fan，CAO Yu，TIAN Huijun
（Energy College of Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China）

As one of abundant natural resources，shale gas has a promising prospect，but exploitation of which being still in start stage in China.To progressing development for shale gas reservoir，study the characteristics of shale gas formation is priority.Using well logging response can determine rock compositions and evaluate gas content properly.By reviewing lots of literatures domestic and overseas，summarize logging response of conventional and special technics on shale gas reservoir.The significant differences between conventional reservoirs and shale gas reservoir in logging response are major means to identify organic shale.In field sites，varies logging response analysis should be combined based on mineral composition and avoiding some other disturbing.Study on logging response analysis is significant for the later exploitation of shale gas reservoirs.

shale gas；natural-gamma ray logging；organic material；logging response

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.08.008

TE135.2

A

1673-5285（2015）08-0032-04

2015－06-01

2015－08-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）《頁巖氣鉆完井及儲層評價與產(chǎn)能預(yù)測技術(shù)研究》，項目編號：2013AA064501。

林璠，女（1989-），成都理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向為油藏工程和數(shù)值模擬。