計算頁巖氣儲層礦物成分含量的新方法：黏土視骨架密度法——以涪陵頁巖氣田為例

王燕，馮明剛，嚴(yán)偉，魏祥峰，劉帥

（中國石化勘探分公司勘探研究院）

計算頁巖氣儲層礦物成分含量的新方法：黏土視骨架密度法——以涪陵頁巖氣田為例

王燕，馮明剛，嚴(yán)偉，魏祥峰，劉帥

（中國石化勘探分公司勘探研究院）

常規(guī)測井計算方法難以滿足頁巖氣田探明儲量申報對儲層礦物含量解釋精度的要求?；谌珟rX衍射和數(shù)字巖心構(gòu)建實驗對下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層礦物成分的認(rèn)識，建立了簡化的巖石物理體積模型，把巖石骨架近似看作由硅質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物組成。引入“黏土視骨架密度”參數(shù)，建立了新的儲層礦物含量計算公式。采用巖心全巖X衍射、巖心物性、有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)，建立適合研究區(qū)的黏土視骨架密度法系列計算圖版。基于常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)計算出有機(jī)碳含量，通過圖版可求得黏土視骨架密度，進(jìn)一步可求得頁巖中與簡化模型相對應(yīng)的三類礦物含量。與傳統(tǒng)方法對比，“黏土視骨架密度法”解釋精度相對較高，且費(fèi)用低廉，易于在研究區(qū)推廣。

涪陵氣田；頁巖氣儲層；礦物成分；含量測定

頁巖氣儲層礦物組分及含量的縱向變化是頁巖氣儲層最重要的評價指標(biāo)之一［1-5］，其中硅質(zhì)、碳酸鹽、黏土礦物的含量是影響后期儲層射孔壓裂改造的重要因素。對于礦物組分及含量的測井計算方法，目前較為有效的是利用元素俘獲測井資料獲得礦物組分的質(zhì)量百分含量，但是該測井資料價格昂貴，不具有普適性；而應(yīng)用常規(guī)測井資料的傳統(tǒng)計算方法得到的礦物含量精度較差，僅能作為勘探初期定性—半定量評價，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到儲量申報時對儲層礦物含量的解釋精度要求。為此，本文以涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段的海相頁巖氣儲層為對象，以5口系統(tǒng)取心井的475個全巖X衍射和黏土礦物分析資料以及2塊巖心的數(shù)字巖心構(gòu)建實驗為基礎(chǔ)，對頁巖氣儲層礦物成分組成進(jìn)行定性認(rèn)識，建立了簡化的巖石物理體積模型，新引入“黏土視骨架密度”這一概念，形成了以常規(guī)測井資料為基礎(chǔ)的“黏土視骨架密度法”，并據(jù)此對頁巖氣儲層礦物成分和含量開展定量評價。這一嘗試取得了較好的應(yīng)用效果，為國內(nèi)首個頁巖氣田探明儲量的成功申報提供了技術(shù)支持，并有望為進(jìn)一步尋找有利目標(biāo)提供指導(dǎo)。

1　涪陵頁巖氣儲層礦物組成

由涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊5口系統(tǒng)取心井的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段的475個全巖X衍射和黏土礦物分析資料（部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1）可知，頁巖氣儲層的主要礦物成分為石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦和黏土礦物。通常把黏土礦物之外的礦物均視為脆性礦物，其總量為38.4%~89.3%，平均為61.5%；脆性礦物以硅質(zhì)礦物（包括石英、長石）為主，平均為44.3%。黏土礦物含量為10.7%~ 61.6%，平均為32.8%；黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，次為綠泥石，不含蒙脫石，平均含量分別為40.8%、44.1%、14.0%。

此外，筆者探索性地應(yīng)用數(shù)字巖心構(gòu)建實驗技術(shù)對JY1井的兩塊巖心進(jìn)行了分析。數(shù)字巖心構(gòu)建實驗技術(shù)，是利用X射線CT掃描獲得的投影數(shù)據(jù)重建巖樣的三維灰度圖像，再通過圖像處理技術(shù)對泥頁巖灰度圖像進(jìn)行閾值分割和三維重建，將泥頁巖分割為黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)、黏土和孔隙等部分，并實現(xiàn)對其組分的定量計算。圖1a、1b為JY1井?dāng)?shù)字巖心構(gòu)建的三維灰度圖，其中，白色為黃鐵礦，黑色為孔隙，深灰色為有機(jī)質(zhì)，淺灰色為無機(jī)質(zhì)骨架。

表1　涪陵頁巖氣田JY1井全巖X衍射及黏土礦物分析統(tǒng)計表（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

圖1　涪陵頁巖氣田JY1井龍馬溪組數(shù)字巖心重建

傳統(tǒng)的兩相二值化分割方法僅僅將泥頁巖分為孔隙和骨架兩部分，尚不足以刻畫泥頁巖的復(fù)雜特征。本次研究采用多閾值分割的方法，將泥頁巖分割為黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)、無機(jī)質(zhì)、黏土和孔隙等部分（圖1a′，1b′），圖中紅色代表孔隙，綠色代表黏土，灰色代表有機(jī)質(zhì)，藍(lán)色代表無機(jī)質(zhì)骨架（不包括黃鐵礦），黃色代表黃鐵礦。

通過分析計算可知：

（1）JY1井的灰黑色頁巖樣的有機(jī)質(zhì)含量為3.08%，無機(jī)質(zhì)骨架含量為74.9%（不含黃鐵礦），黏土含量為9.17%，黃鐵礦含量10.34%（圖1a′）。

（2）JY1井的黑色碳質(zhì)頁巖樣的有機(jī)質(zhì)含量為9.8%，無機(jī)質(zhì)骨架含量為73.61%（不含黃鐵礦），黏土含量為12.1%，黃鐵礦含量0.6%（圖1b′）。

由上述研究可知，焦石壩區(qū)塊頁巖氣儲層的脆性礦物含量總體較高。與北美已開發(fā)生產(chǎn)的Barnett頁巖（硅質(zhì)礦物含量為35%~50%，黏土礦物小于35%，局部常見碳酸鹽礦物和少量的黃鐵礦和磷灰石［6-9］）對比可知，兩者均具有較高的硅質(zhì)礦物含量，造縫能力強(qiáng)，有利于壓裂改造時裂縫網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生，便于頁巖氣的商業(yè)開采。

2　黏土視骨架密度法原理

2.1常規(guī)測井曲線敏感性分析

頁巖氣儲層礦物成分組成相對復(fù)雜，難以直接確定哪條或哪幾條測井曲線對礦物成分含量變化相對敏感。為此，將研究區(qū)參數(shù)井JY1井頁巖氣儲層段的87個X衍射全巖礦物分析數(shù)據(jù)與不同測井曲線值進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），以期尋找出對礦物成分縱向變化相對敏感的測井曲線。

由表2可知，礦物含量實驗數(shù)據(jù)與測井曲線值之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)系數(shù)除極個別達(dá)到80%外，大部分相關(guān)關(guān)系均較弱，因此，難以用一條或幾條測井曲線精確地定量計算出儲層的礦物含量。

表2　涪陵頁巖氣田JY1井X衍射分析礦物含量與測井曲線值的相關(guān)系數(shù)

2.2黏土視骨架密度法

2.2.1計算模型

頁巖氣儲層礦物成分組成復(fù)雜，難以用傳統(tǒng)測井評價技術(shù)對其進(jìn)行精確定量評價。為解決這一難題，基于前述的數(shù)字巖心構(gòu)建實驗，可將頁巖氣儲層合理簡化為巖石骨架和孔隙兩大部分，巖石骨架又包含脆性礦物（主要分為硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物）、黏土礦物和干酪根（表3中數(shù)字巖心模型）。由于地層中黃鐵礦含量相對較少，在實際計算時可將黃鐵礦并入硅質(zhì)礦物。考慮到黏土礦物和干酪根成分復(fù)雜，且各黏土礦物和干酪根的骨架密度值難以確定，因此將各種黏土成分和干酪根之和視為黏土礦物（如表3中的簡化模型）。

表3　頁巖氣儲層巖石物理體積模型

在此基礎(chǔ)上，引入“黏土視骨架密度”這一新參數(shù)，以建立起全新的頁巖氣儲層礦物含量計算模型，其計算公式如下：

式中：φ為孔隙度；VSI、VCA、VCALY分別為硅質(zhì)礦物含量、碳酸鹽礦物含量、黏土礦物含量，%。需要說明的是，式中各類礦物是指簡化模型中的分類，它有別于樣品全巖X衍射分析所作的分類。

ρb、ρf、ρSI、ρCA、ρCALY分別為密度測井值、流體密度值、硅質(zhì)礦物密度值、碳酸鹽礦物密度值、黏土視骨架密度值，g/cm3，其中硅質(zhì)礦物密度值和碳酸鹽礦物密度值可分別參考礦物骨架密度值，即2.65和2.71。

2.2.2建立計算圖版

由巖心全巖X衍射分析結(jié)果（表1）和巖心物性分析得到的巖石密度值（表4），利用公式(2)可求得黏土視骨架密度值（表4）。式中：V石英、V長石、V方解石、V白云石、V黃鐵礦、V黏土分別為全巖X衍射分析檢測分析得到的石英、長石（包括鉀長石、斜長石）、方解石、白云石、黃鐵礦及黏土礦物的礦物含量，%；

ρ巖石為巖心物性分析得到的巖石密度值，g/cm3；

ρ石英、ρ長石、ρ方解石、ρ白云石、ρ黃鐵礦分別為石英、長石、方解石、白云石和黃鐵礦的密度值，g/cm3，對應(yīng)取值為2.6、2.5、2.7、2.8、5；

ρ黏土為黏土視骨架密度值，g/cm3。

由于全巖X衍射分析結(jié)果只包含礦物含量（即頁巖氣儲層巖石物理體積模型中的巖石骨架部分），而沒有包含孔隙部分，因此需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行孔隙度校正（X衍射全巖分析含量×（1-孔隙度）），得到孔隙度校正之后的黏土礦物含量和硅質(zhì)礦物含量（表4）。

表4　涪陵頁巖氣田JY1井黏土視骨架密度法的建模數(shù)據(jù)（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

然后，建立黏土視骨架密度與巖心分析的有機(jī)碳含量以及與孔隙度校正后的黏土礦物含量、硅質(zhì)礦物含量（表4中的建模數(shù)據(jù)）的經(jīng)驗圖版及擬合的計算公式（圖2）。

2.2.3求取礦物含量

在利用測井資料確定頁巖氣儲層有機(jī)碳含量［10］的基礎(chǔ)上，根據(jù)黏土視骨架密度與有機(jī)碳含量之間的擬合公式（圖2a），可以計算出黏土視骨架密度。

再根據(jù)黏土礦物含量和硅質(zhì)含量分別與黏土視骨架密度之間的擬合公式（圖2b，2c），可以計算出黏土礦物含量和硅質(zhì)礦物含量。

最后，把求得的黏土視骨架密度、黏土礦物含量、硅質(zhì)礦物含量代入公式(1)，即可計算出碳酸鹽礦物含量，進(jìn)一步可獲得脆性礦物的總含量。

3　實例分析

為驗證本文所建方法的效果，分別應(yīng)用“黏土視骨架密度法”和傳統(tǒng)解釋評價方法［11-14］（包括“多元線性擬合法”“復(fù)雜巖性分析法”“最優(yōu)化分析法”和“元素俘獲測井法”）對JY1井的頁巖氣儲層礦物含量進(jìn)行精細(xì)解釋，并將解釋結(jié)果進(jìn)行對比分析（表5）。

從整體效果來評價，與四種傳統(tǒng)解釋評價方法相比，“黏土視骨架密度法”得到的礦物含量的平均差值、相對誤差較低，相關(guān)系數(shù)較高（表5），且該方法是基于常規(guī)測井資料建立的，價格低廉、簡單快捷。傳統(tǒng)解釋方法中，“多元線性擬合法”雖然也有較高的解釋精度，但該方法是以實驗分析資料為基礎(chǔ)建立的，推廣應(yīng)用時其解釋精度難以保證；“元素俘獲測井法”是基于元素俘獲測井資料建立的，其成本相對較高且只有部分井有相關(guān)資料，難以在更大范圍內(nèi)推廣；“復(fù)雜巖性分析法”和“最優(yōu)化分析法”解釋精度均相對較差并且解釋周期相對較長，難以滿足快節(jié)奏的勘探生產(chǎn)需要。

圖2　涪陵頁巖氣田黏土視骨架密度法計算圖版

表5　涪陵頁巖氣田JY1井儲層巖心分析數(shù)據(jù)與測井計算礦物含量誤差分析統(tǒng)計表

4　結(jié)語

以涪陵頁巖氣田為例，基于上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組數(shù)字巖心構(gòu)建實驗，在不影響解釋精度的前提下，對頁巖氣儲層礦物成分進(jìn)行合并，建立了簡化的巖石物理體積模型，新引入“黏土視骨架密度”這一參數(shù)，形成“黏土視骨架密度法”。利用巖心全巖X衍射分析、巖心物性分析數(shù)據(jù)，建立了適合研究區(qū)的黏土視骨架密度法計算圖版；基于常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)計算出有機(jī)碳含量，通過黏土視骨架密度法圖版、公式，最終可求得頁巖氣儲層礦物組成含量。

將黏土視骨架密度法與傳統(tǒng)測井解釋方法進(jìn)行對比分析，在整體應(yīng)用效果評價上，“黏土視骨架密度法”解釋精度相對較高，解釋周期相對較短且費(fèi)用低廉，易于在研究區(qū)推廣。

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編輯：董庸

W ang Yan：MSc.,Petroleum Geology Engineer.Add:Exploration Research Institute of SINOPEC Exploration Branch Company,688 Jitai Rd.,Chengdu,Sichuan，610041,China

A M ethod of Calculating Percent of M ineral Com position in Gas Reservoir by Apparent Skeleton Density of Clays: A Case of Lower Silurian LongmaxiGas-bearing Shale Reservoir in Fuling Gas Field,Sichuan Basin

Wang Yan,Feng Minggang,Yan Wei,WeiXiangfeng,Liu Shuai

Shale gas proven reserve declaration in Fu ling Gas Field needs to calculate m ineral percent w ith relatively high accuracy.According to core analysis,X-ray diffraction experiments and digital core technology,a simp lified volumemodel is setup,in which rock skeleton is similarly composed of siliceous,carbonate and clay m inerals.A new parameter of"apparent skeleton density of clay"is introduced and thus a new formula is setup to calculate percent of m inerals in Low er Silurian Longmaxi gas-bearing shale reservoir.According to data of core analysis including X-ray diffraction,porosity and TOC,a series of charts are setup.W ith common log data,TOC can be calculated firstly,then the“apparent skeleton density of clay”can be obtained.Furtherly,the percent of major m inerals suitable to the simplified model can be calculated w ith the formula.It is proved that this new logging calculation method is reasonable and useful w ith high accuracy and low cost.

Shale reservoir;Gas reservoir;Mineral composition;Content calculation;Fuling Gas Field

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2016.04.008

1672-9854(2016)-04-0067-06

2015-06-11；改回日期：2015-12-17

本文受國家科技重大專項“上揚(yáng)子及滇黔桂區(qū)頁巖氣資源調(diào)查評價與選區(qū)”（編號：14B12XQ151001）資助

王燕：女，1982年生，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)地球信息及技術(shù)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，目前從事測井技術(shù)科研生產(chǎn)工作。通訊地址：610041四川省成都市高新區(qū)吉泰路688號中石化西南科研辦公基地；E-mail：daily09@qq.com