頁巖氣儲層w(TOC)測井評價方法對比研究

聶 昕，萬 宇，鄒長春，張 儒油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學)，湖北 武漢地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室(中國地質(zhì)大學(北京))，北京中石化華北石油工程有限公司測井分公司，河南 新鄉(xiāng)

頁巖氣儲層w(TOC)測井評價方法對比研究

聶 昕1,2，萬 宇1，鄒長春3，張 儒4
1油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢2非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學)，湖北 武漢3地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室(中國地質(zhì)大學(北京))，北京4中石化華北石油工程有限公司測井分公司，河南 新鄉(xiāng)

Received: Dec.2nd, 2015; accepted: Mar.23rd, 2016; published: Jun.15th, 2016

Copyright ? 2016 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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針對當前世界范圍內(nèi)研究熱點之一的頁巖氣資源，對儲層總有機碳質(zhì)量分數(shù)(w(TOC))測井評價方法進行了初步總結(jié)和探討。對w(TOC)測井評價方法進行了實際資料的處理，并對處理結(jié)果進行了驗證和對比分析。通過分析結(jié)果可知，對于沒有放射性礦物干擾的地層，利用自然伽馬能譜法評價w(TOC)的準確度最高，應優(yōu)先選擇；對于沒有自然伽馬測井數(shù)據(jù)卻有巖心試驗數(shù)據(jù)的地區(qū)，可根據(jù)試驗數(shù)據(jù)優(yōu)選回歸曲線獲得最符合該地區(qū)的回歸公式；對于僅含有常規(guī)測井曲線的地區(qū)，則可選擇ΔlogR法。

測井評價，w(TOC)，頁巖氣，回歸法，ΔlogR法

1.引言

作為一種非常規(guī)的天然氣資源，頁巖氣的勘探開發(fā)越來越得到人們的重視。2005年以來，隨著能源需求的急劇增加和國外頁巖氣資源的成功開發(fā)利用，國家層面已經(jīng)充分認識到頁巖氣資源的重要性，中石油、中石化及國土資源部加強了我國頁巖氣資源的調(diào)查[1]?？傆袡C碳質(zhì)量分數(shù)w(TOC)是頁巖氣評價的重要參數(shù)之一，它反映了含氣頁巖中有機質(zhì)的多少和生烴潛力的大小。測井資料是評價地層w(TOC)的重要手段之一。

目前，已經(jīng)有許多學者針對頁巖氣儲層的w(TOC)評價方法進行了研究。Schmoker (1979) [2]建議用密度測井來估算w(TOC)，由于體積密度對于w(TOC)較為敏感，w(TOC)每增加10%，密度將減少0.5 g/cm3，斯倫貝謝公司也開發(fā)了該種解釋技術。Schmoker (1981) [3]針對美國Illinois州New Albany頁巖巖心進行了研究，將公式計算的w(TOC)與實驗室利用巖心分析的w(TOC)進行對比，發(fā)現(xiàn)w(TOC)與自然伽馬呈線性關系，可以利用自然伽馬估算w(TOC)。Passey等(1990) [4]提出利用ΔlogR法來計算w(TOC)，即主要利用電阻率曲線和孔隙度曲線疊加的方法來評價w(TOC)，該方法是目前使用最廣的方法之一。朱光有等(2003) [5]、李延鈞等(2013) [6]及謝灝辰等(2013) [7]利用影響w(TOC)的多個參數(shù)，如電阻率、自然伽馬、密度等，建立多元回歸方程來計算w(TOC)。楊小兵等(2012) [8]及李延鈞等(2013) [6]利用自然伽馬能譜測井中的鈾元素含量計算w(TOC)，與實驗室的實測值有較高的相關系數(shù)。筆者針對多種利用測井資料計算w(TOC)的方法進行實際資料處理及對比分析，以確定在實際頁巖氣測井評價中應如何選擇最優(yōu)化的w(TOC)計算方法。

2.w(TOC)計算方法

該次研究選取了四川盆地某頁巖氣儲層的X井[8]為例，針對該井的測井資料和巖心資料，利用多種方法進行了處理。

2.1.單一參數(shù)回歸法

由于測井曲線對w(TOC)的敏感性，可建立測井參數(shù)與w(TOC)的擬合關系，常用的有體積密度法、自然伽馬指示法。

利用X井的測井數(shù)據(jù)與巖心分析的w(TOC)(w(TOC)core)進行交會，由單變量線性回歸結(jié)果(圖1)可以看出，自然伽馬(qAPI)、密度(ρ)、聲波時差(Δt)與w(TOC)core呈線性關系，qAPI與w(TOC)core的相關性最高，Δt與w(TOC)core的相關性最低。其回歸公式分別為：

式中：w(TOC)qAPI、w(TOC)ρ、w(TOC)Δt分別為根據(jù)自然伽馬、密度、聲波時差計算的w(TOC)，%；R2為相關系數(shù)。

Figure 1.Crossplot of conventional logs in Well X圖1.X井w(TOC)core與常規(guī)測井曲線交會圖

利用相關性較好的qAPI與ρ來計算w(TOC)，計算結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，在XX25～XX82m井段w (TOC)qAPI與w(TOC)core有大致相同的趨勢，但在XX25～XX48m范圍內(nèi)w(TOC)qAPI偏大，在XX82～XX95m范圍內(nèi)w (TOC)qAPI偏??；由密度計算得到的w(TOC)ρ曲線整體波動較明顯，在XX82～XX95m范圍內(nèi)w(TOC)ρ也偏大，但比w(TOC)qAPI更接近真實值。計算結(jié)果說明，利用單一測井方法計算w(TOC)有明顯不符的地層，表明單一測井技術在確定w(TOC)方面具有局限性。

2.2.多參數(shù)回歸法

如果存在2個或多個與應變量密切相關的自變量，且它們自身不相關，則多元回歸效果優(yōu)于單一變量回歸的結(jié)果。

Figure 2.Comparison diagram of w(TOC) calculated with single parameter regression method and from core data in Well X圖2.X井單一參數(shù)回歸法計算的w(TOC)與巖心分析w(TOC)對比圖

謝灝辰等(2013) [7]利用鄂爾多斯盆地延長組頁巖w(TOC)，建立其與qAPI、電阻率對數(shù)(lgρt)的多元回歸：

應用該模型計算得到的w(TOC)與實測值的平均誤差為5.35%，說明該模型的可靠性。

李延鈞等(2013) [6]利用四川盆地某頁巖層w(TOC)，與電阻率(ρt)、?t建立關系式：

應用式(5)計算得到w(TOC)與地球化學分析實測數(shù)據(jù)值對比，R2= 0.667，符合程度較高。

2.3.?logR法

?logR法是?？松?Exxon)和埃索(Esso)公司于1979年開發(fā)研究的。該方法主要是利用一種專門刻度孔隙度的測井曲線與一條電阻率曲線疊加，由于井眼條件會影響到密度曲線和中子孔隙度曲線，所以大多數(shù)情況下使用Δt與ρt疊加。在不含有機質(zhì)的頁巖段，2條測井曲線相互重合或平行，在富含有機質(zhì)的頁巖段，2條曲線產(chǎn)生明顯的幅度差。計算方法為：

式中：?lgρt為電阻率曲線和孔隙度曲線疊合的幅度差；ρt,m、ρt,b分別為實測電阻率和基線處的電阻率，Ω?m；Δtm、Δtb分別為實測聲波時差和基線處的聲波時差，μs/ft。

若沒有合適的聲波時差曲線時，也常使用密度曲線或中子孔隙度曲線：

式中：φn,m、φn,b分別為實測中子孔隙度和基線處的中子孔隙度，1；ρm、ρb分別為實測密度和基線處的密度，g/cm3。

w(TOC)與Δlgρt的經(jīng)驗方程為：

式中：LOM為含氣頁巖的成熟度，1。

分別利用式(6)～(8)得到的?lgρt計算w(TOC)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在XX25～XX40m范圍內(nèi)，?logR法計算的3條曲線都偏大，都有較大誤差；在XX40～XX82m范圍內(nèi)，w (TOC)ρt??t相較于其他2條曲線，與w(TOC)core更相符；在XX82～XX93m范圍內(nèi)，w(TOC)ρt?φn與w(TOC)core更為相符。分析認為，?logR法由于需要人為確定巖性基線，可能會產(chǎn)生較大誤差；由于3種曲線都需要利用ρt，當ρt發(fā)生異常時，會對結(jié)果造成較大影響。

2.4.自然伽馬能譜法

放射性元素鈾與有機質(zhì)之間有著密切的關系，有機質(zhì)越富集的地方，能譜曲線中所顯示的鈾的質(zhì)量濃度(ρ(U))越高[9]，w(TOC)與ρ(U)呈正相關性，而和釷鈾比(ρ(Th)/ρ(U))呈負相關。利用實測w(TOC)與qAPI、ρ(U)、ρ(Th)/ρ(U)的關系，以及w(TOC)與鈾鉀比(ρ(U)/w(K))的關系，回歸分析可估算出頁巖層的w(TOC)。

Figure 3.Comparison diagram of w(TOC) calculated with ?logR method and from core data in Well X圖3.X井?logR法計算w(TOC)與巖心試驗數(shù)據(jù)對比圖

自然伽馬曲線與無鈾伽馬曲線的差值(ΔqAPI)與ρ(U)呈正相關，據(jù)該差值可估算w(TOC) [6]：

式中：A、B為線性回歸系數(shù)。

利用X井的ΔqAPI與w(TOC)core建立交會圖，相關性較好(見圖4)，擬合得到的回歸公式為：

式中：w(TOC)?qAPI為利用ΔqAPI計算得到的w(TOC)，%。

利用自然伽馬能譜法計算X井的w(TOC)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，除在XX70～XX80m范圍內(nèi)，計算結(jié)果略微偏小之外，利用該方法得到的w(TOC)與w(TOC)core具有較好的一致性。

3.w(TOC)計算方法對比

將上述幾種方法的計算結(jié)果進行對比，如圖6所示。對于X井來說，利用自然伽馬能譜法效果最好，且方法簡單，但對于某些放射性物質(zhì)導致ρ(U)異常高的地層，該方法的準確性會降低；單一參數(shù)回歸法(根據(jù)自然伽馬和密度計算的w(TOC))可以較好地反映地層w(TOC)的趨勢；?logR法計算的3條曲線受電阻率曲線影響較大，并且需要人為確定基線，因此誤差較大，此外，LOM的選取也會影響w(TOC)的計算結(jié)果。

Figure 4.Diagram of relationship between w(TOC)coreand ΔqAPIin Well X圖4.X井w(TOC)core與ΔqAPI關系圖

Figure 5.Comparison diagram of w(TOC) calculated with natural gamma spectrum method and from core data in Well X圖5.X井自然伽馬能譜法計算w(TOC)與巖心試驗數(shù)據(jù)對比圖

Figure 6.Comparison of w(TOC) calculating methods in Well X圖6.X井w(TOC)計算方法對比

從方法上來說，自然伽馬能譜法、單一參數(shù)回歸法需建立在巖心試驗數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)巖心試驗數(shù)據(jù)得到回歸系數(shù)，不同地區(qū)的頁巖氣儲層所得的回歸系數(shù)不同，對于有巖心試驗數(shù)據(jù)的地區(qū)，利用上述方法可以得到較好的結(jié)果；從對測井數(shù)據(jù)的需求上來說，自然伽馬能譜法需要進行自然伽馬能譜測井，而其他幾種方法只需要常規(guī)測井曲線就可以進行計算。

4.結(jié)語

筆者對目前常用的w(TOC)計算方法進行了實際數(shù)據(jù)的處理和結(jié)果分析，獲得了對各個方法適用性的初步認識。對于不含放射性礦物的地區(qū)，利用自然伽馬能譜法求取的w(TOC)準確性最高；對于有巖心試驗數(shù)據(jù)且進行了自然伽馬能譜測井的地區(qū)，優(yōu)先選擇自然伽馬能譜法進行計算；對于沒有自然伽馬能譜測井數(shù)據(jù)，僅有巖心試驗數(shù)據(jù)的地區(qū)，可優(yōu)選測井曲線進行回歸，選擇最符合該地區(qū)的計算方法；對于僅有常規(guī)測井資料的地區(qū)，可選用?logR法進行w(TOC)的計算。

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Comparative Study of w(TOC) Logging in Shale-Gas Reservoirs

Xin Nie1,2, Yu Wan1, Changchun Zou3, Ru Zhang4
1Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan Hubei2Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas (Yangtze University), Wuhan Hubei3Key Laboratory of Geo-Detection (China University of Geosciences, Beijing), Ministry of Education, Beijing4Well Logging Company of North China Petroleum Engineering Company of SINOPEC, Xinxiang Henan

The study of shale gas was one of the hotspots for research on the shale-gas resources worldwide currently.The evaluation methods of Total Organic Carbon w(TOC) well logging were preliminarily summarized and analyzed.The actual data were processed for w(TOC) well logging, the calculation results were verified and compared with core data.The analysis results show that spectral gamma-ray log method is the most suitable for the formations without radioactive minerals and it should be the first choice.For the application of the areas without spectral gamma-ray logging data but with core data, the regression curve method should be selected for obtaining the regression logging formula being the most suitable for using in the area based on experimental results.For the areas where only conventional logging curves are acquired, ΔlogR method is an available option.

Well Log Evaluation, w(TOC), Shale Gas, Regression Method, ΔLogR Method

聶昕(1987-)，男，博士，講師，主要從事非常規(guī)資源測井解釋及數(shù)字巖石物理方面的研究工作。

2015年12月2日；錄用日期：2016年3月23日；發(fā)布日期：2016年6月15日

國家自然科學基金項目(41274185, 41504094)；油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)開放基金項目(K2015-06)。

文章引用: 聶昕, 萬宇, 鄒長春, 張儒.頁巖氣儲層w(TOC)測井評價方法對比研究[J].石油天然氣學報, 2016, 38(2): 19-27.http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.382011