焦石壩頁巖氣儲層黏土組分特征及其體積分?jǐn)?shù)計(jì)算

王燕，馮明剛，魏祥峰，李素蘭，劉帥

（中國石化勘探分公司勘探研究院，四川 成都 610041）

焦石壩頁巖氣儲層黏土組分特征及其體積分?jǐn)?shù)計(jì)算

王燕，馮明剛，魏祥峰，李素蘭，劉帥

（中國石化勘探分公司勘探研究院，四川 成都 610041）

黏土礦物是焦石壩構(gòu)造頁巖氣儲層的重要組成部分，其特征及體積分?jǐn)?shù)對頁巖氣藏的開發(fā)效果有著較大影響。文中結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，分析黏土礦物體積分?jǐn)?shù)變化趨勢及其與有機(jī)質(zhì)之間的關(guān)系，定性認(rèn)識黏土礦物間孔，建立測井計(jì)算模型，定量計(jì)算黏土礦物及其組分體積分?jǐn)?shù)。實(shí)踐證明，頁巖氣儲層中黏土礦物總量較低，且與脆性礦物體積分?jǐn)?shù)具有“鏡面”特征，測井計(jì)算模型能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出黏土礦物絕對體積分?jǐn)?shù)。該方法在焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層評價(jià)中，取得良好應(yīng)用效果。

黏土礦物間孔；黏土體積分?jǐn)?shù)；頁巖氣；焦石壩

1　區(qū)域概況

川東南涪陵焦石壩構(gòu)造，位于四川盆地川東隔擋式褶皺帶南段石柱復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜和萬縣復(fù)向斜等多個(gè)構(gòu)造單元的結(jié)合部，整體由7個(gè)局部構(gòu)造組成。研究區(qū)海相頁巖氣儲層主要發(fā)育于志留系下統(tǒng)龍馬溪組龍一段和奧陶系上統(tǒng)五峰組。巖性以暗色頁巖為主，巖石類型豐富，常見的有含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、碳質(zhì)筆石頁巖、含骨針放射蟲筆石頁巖、含碳含粉砂質(zhì)泥巖、含碳質(zhì)筆石頁巖以及含粉砂質(zhì)泥巖；沉積相主要是深水陸棚亞相和淺水陸棚亞相沉積的濱外陸棚相；頁巖礦物成分主要包括硅質(zhì)、長石、方解石、白云石、黃鐵礦和黏土等；頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體較高，原始生烴潛力巨大，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，為過成熟演化階段，以生成干氣為主；頁巖現(xiàn)場含氣檢測總含氣量較高，吸附氣量較大；頁巖儲集空間以孔隙為主，主要為低—中孔、特低滲—低滲儲層［1-6］。截至2014年6月，焦石壩構(gòu)造第1口探井JY1HF井按日產(chǎn)氣6×104m3定產(chǎn)，已穩(wěn)產(chǎn)1.5 a，累計(jì)產(chǎn)氣3 769×104m3。

2　黏土礦物組分特征

2.1黏土礦物組分及體積分?jǐn)?shù)

焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層黏土礦物體積分?jǐn)?shù)總體較低，縱向上具有自上而下逐漸減少的特征，體積分?jǐn)?shù)為16.60%～62.80%，平均40.90%。黏土礦物組分以伊蒙混層和伊利石為主，次為綠泥石，不含蒙脫石，體積分?jǐn)?shù)分別為25.00%～85.00%，12.00%～68.00%，1.00%～20.00%，平均分別為54.45%，39.45%，6.02%，縱向上具有自上而下伊蒙混層體積分?jǐn)?shù)增高、伊利石減少的特征。

2.2黏土礦物與有機(jī)質(zhì)

頁巖氣以吸附方式吸附在頁巖有機(jī)質(zhì)和黏土顆粒表面；因此，有機(jī)質(zhì)豐度不僅影響頁巖的生烴強(qiáng)度，同時(shí)也影響頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育以及吸附氣的體積分?jǐn)?shù)。通常，高有機(jī)質(zhì)豐度頁巖，具有高生烴潛力以及高吸附氣體積分?jǐn)?shù)［7-10］。

利用交會法，分析JY1井五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏土礦物組分及其體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系（見圖1），可知頁巖氣儲層總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏土礦物、伊利石、綠泥石體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與伊蒙混層體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

圖1　JY1井頁巖氣儲層巖心實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

2.3黏土礦物間孔

頁巖氣儲層的儲集方式不同于常規(guī)油氣藏，主要表現(xiàn)為以吸附狀態(tài)賦存在微孔隙的內(nèi)表面上，少量以游離狀態(tài)存在于頁巖的裂隙中［11-12］。因此，儲層是一種雙孔隙巖層，由基質(zhì)孔隙和裂隙組成，基質(zhì)孔隙和裂隙的大小、形態(tài)以及孔隙度和連通性等決定頁巖氣的儲集、運(yùn)移和產(chǎn)出。利用氬離子束拋光掃描電子顯微鏡技術(shù)對頁巖氣儲層孔隙進(jìn)行高分辨率觀察，主要針對納米級孔隙進(jìn)行研究，識別出五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層的孔隙類型主要為有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物間孔、晶間孔、次生溶蝕孔4類。其中，黏土礦物間孔指頁巖中片狀黏土礦物之間的孔隙，包括黏土礦物與黏土礦物間或與其他顆粒之間的孔隙（見圖2）。這類孔隙具有體積小、吸附性較強(qiáng)、數(shù)量多的特點(diǎn)。該類孔隙發(fā)育與黏土礦物密切相關(guān)，有利于頁巖氣的聚集。

焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層中的黏土礦物間微孔，多表現(xiàn)為片狀黏土礦物邊緣的微小裂隙。其寬度一般小于1 μm，于黏土礦物周緣不均勻分布；礦間孔的發(fā)育程度與頁巖中黏土礦物的數(shù)量和種類息息相關(guān)，黏土礦物越多，礦間孔越發(fā)育，頁巖吸附天然氣的能力越強(qiáng)。伊利石、高嶺石、蒙脫石均發(fā)育此類孔隙。其中，以伊利石最優(yōu)，掃描電鏡下呈彎曲的薄片狀、不規(guī)則板條狀，集合體呈蜂窩狀、絲縷狀等，其礦間孔是頁巖儲層的主要孔隙類型之一（見圖2）。

圖2　焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組一段頁巖中黏土礦物粒間微孔特征

3　黏土礦物組分體積分?jǐn)?shù)計(jì)算

在常規(guī)測井解釋中，泥質(zhì)主要是指顆粒粒徑小于0.01 mm的巖石礦物，成分上一般包括黏土礦物、細(xì)粉砂和碳酸鹽巖。而針對頁巖氣儲層解釋計(jì)算的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)，是指地層中的伊蒙混層、伊利石、綠泥石以及高嶺石等黏土礦物組分體積分?jǐn)?shù)的總和［13-14］。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算精度，不但影響儲層礦物成分體積分?jǐn)?shù)計(jì)算，還直接影響著儲層孔隙度及其脆性參數(shù)的計(jì)算精度。利用巖心分析數(shù)據(jù)和常規(guī)測井資料，建立頁巖氣儲層中黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的測井解釋模型是非常必要的。

3.1技術(shù)思路

常規(guī)測井資料計(jì)算黏土礦物及其組分體積分?jǐn)?shù)的總體思路為：

首先，整理分析頁巖氣儲層段的測井資料和巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定建模樣本，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化數(shù)理模型，設(shè)定變量自動篩選條件，建立黏土礦物組分預(yù)測模型，進(jìn)而計(jì)算出黏土礦物組分相對體積分?jǐn)?shù)。

然后，利用自然伽馬能譜測井資料，定性分析識別黏土礦物類型，并在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)原有泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)計(jì)算模型，建立黏土礦物總量計(jì)算模型，計(jì)算出黏土礦物總量絕對體積分?jǐn)?shù)。

最后，將計(jì)算得出的黏土礦物組分相對體積分?jǐn)?shù)和黏土礦物總量絕對體積分?jǐn)?shù)，利用模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終計(jì)算得出頁巖氣儲層黏土礦物組分絕對體積分?jǐn)?shù)。

3.2計(jì)算模型

3.2.1黏土礦物組分計(jì)算模型

優(yōu)選多元線性回歸數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立黏土礦物組分計(jì)算模型，計(jì)算頁巖氣儲層中黏土礦物組分相對體積分?jǐn)?shù)。同時(shí)，結(jié)合焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層地質(zhì)、測井等特征，排除儲層段局部鈾值異常高的干擾，設(shè)定鈾值等于8×10-6為門閥值，分別建立富鈾和非富鈾頁巖氣儲層段的黏土礦物組分計(jì)算模型。

3.2.1.1非富鈾頁巖氣儲層段

將鈾值小于等于8×10-6的儲層段定義為非富鈾段，優(yōu)先選用含鈾值的計(jì)算模型：

式中：w（IS），w（I），w（C），w（K′）分別為伊蒙混層、伊利石、綠泥石、高嶺石相對體積分?jǐn)?shù)，%；w（Th），w（U），分別為釷、鈾測井體積分?jǐn)?shù)，10-6；w（K）為鉀測井體積分?jǐn)?shù)，%。

3.2.1.2富鈾頁巖氣儲層段

當(dāng)儲層段鈾值大于8×10-6時(shí)，為排除鈾值異常高的影響，優(yōu)先選用不含鈾值的計(jì)算模型：

式（1）、式（2）中的系數(shù)，利用焦石壩構(gòu)造巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，采用最小二乘擬合法求得。

3.2.2黏土礦物總量計(jì)算模型

一般情況下，頁巖氣儲層在測井曲線上表現(xiàn)為高自然伽馬、高視孔隙度和較高電阻率，所以可以用這些曲線指示黏土礦物的存在。但孔隙度測井系列和電阻率曲線受地層孔隙度、地層水礦化度等因素的影響較大，所以一般不選擇它們計(jì)算泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。而自然伽馬（或釷、鈾、鉀）曲線值反映地層的自然放射性，其主要與沉積環(huán)境有關(guān)，當(dāng)?shù)貙痈缓袡C(jī)質(zhì)時(shí)，地層將吸附含鈾礦物，從而使自然伽馬值升高，因此，在計(jì)算黏土體積分?jǐn)?shù)時(shí)首選無鈾伽馬，具體計(jì)算模型如下。

1）利用無鈾伽馬相對值的變化，計(jì)算黏土礦物體積分?jǐn)?shù)指數(shù)。

式中：CLAY為黏土礦物體積分?jǐn)?shù)指數(shù)；KTH為地層無鈾伽馬曲線值，API；KTHmax為純地層無鈾伽馬最大值，API；KTHmin為純地層無鈾伽馬最小值，API。

2）將CLAY轉(zhuǎn)化為黏土礦物體積分?jǐn)?shù)。

式中：V為黏土礦物體積分?jǐn)?shù)，%；GCUR為地層常數(shù)（焦石壩地區(qū)取值為2）。

將上述2個(gè)模型計(jì)算得出的黏土礦物組分相對體積分?jǐn)?shù)和黏土礦物總體積分?jǐn)?shù)，利用數(shù)理模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終計(jì)算得出黏土礦物組分的絕對體積分?jǐn)?shù)。

3.3實(shí)例分析

應(yīng)用上述計(jì)算模型（式（1）—（4）），可以計(jì)算JY1井五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層段黏土礦物總量及其組分體積分?jǐn)?shù)。同時(shí)，利用巖心實(shí)測資料進(jìn)行精度分析，可知測井計(jì)算與巖心分析結(jié)果之間具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.539 4～0.883 0（見表1）。

表1　巖心分析與測井計(jì)算黏土礦物體積分?jǐn)?shù)誤差統(tǒng)計(jì)

4　結(jié)論

1）涪陵頁巖氣田焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層黏土礦物總量較低，在縱向上具有從上到下逐漸減少的特征。

2）黏土礦物間孔為涪陵頁巖氣田焦石壩構(gòu)造五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層的重要孔隙之一，其發(fā)育程度與黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)和種類息息相關(guān)，黏土礦物組分中的伊利石、高嶺石、蒙脫石均發(fā)育此類孔隙，其中以伊利石最優(yōu)。

3）利用常規(guī)測井曲線計(jì)算得出頁巖氣儲層的黏土礦物組分及體積分?jǐn)?shù)，并利用巖心分析資料進(jìn)行精度分析，證實(shí)測井計(jì)算與巖心分析之間相關(guān)性較好。

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（編輯王淑玉）

Clay mineral component characteristics and volume fraction calculation for Jiaoshiba shale gas reservoir

Wang Yan，F(xiàn)eng Minggang，Wei Xiangfeng，Li Sulan，Liu Shuai
（Research Institute of SINOPEC Exploration Company，Chengdu 610041，China）

Clay mineral is an important part of shale gas reservoir in Jiaoshiba structure.The clay characteristics and volume fraction have great impact on shale gas development.Combined with the regional geology characteristics，the change trend of clay volume fraction and its relationship with organic matter are analyzed，the inter-grain pore of clay mineral is qualitatively understood，the logging calculation model is established and the clay mineral components and its volume fraction are qualitatively calculated. Practice has proved that the overall amount of clay minerals in shale gas reservoir is low and has the"mirror"features with the volume fraction of brittle mineral.Logging calculation model can calculate accurately the absolute volume fraction of clay mineral. This method applies in the evaluation of Wufeng-Longmaxi Formation shale gas reservoir in Jiaoshiba structure，achieving good application effect.

inter-grain pore of clay mineral；clay volume fraction；shale gas；Jiaoshiba structure

中國石油化工集團(tuán)公司重大專項(xiàng)“四川盆地周緣下組合頁巖氣形成條件與有利區(qū)帶評價(jià)”（P13129）

TE122.2+4

A

10.6056/dkyqt201503007

2014-11-06；改回日期：2015-03-16。

王燕，女，1982年生，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，主要從事測井技術(shù)科研生產(chǎn)工作。E-mail：daily09@qq.com。

引用格式：王燕，馮明剛，魏祥峰，等.焦石壩頁巖氣儲層黏土組分特征及其體積分?jǐn)?shù)計(jì)算［J］.斷塊油氣田，2015，22（3）：301-304. Wang Yan，F(xiàn)eng Minggang，Wei Xiangfeng，et al.Clay mineral component characteristics and volume fraction calculation for Jiaoshiba shale gas reservoir［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（3）：301-304.