頁巖氣儲層測井解釋評價(jià)技術(shù)方法分析*

李松臣，位 蕊，李兆惠

(河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南鄭州 450000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求量逐漸增大，解決能源供應(yīng)問題迫在眉睫。由于常規(guī)油氣資源慢慢地消耗殆盡，非常規(guī)天然氣資源越來越受到各國政府及行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的重視。其中頁巖氣也是現(xiàn)階段非常規(guī)天然氣資源中備受矚目的一個(gè)熱點(diǎn)話題。

頁巖氣是指主體儲存于暗色泥巖頁巖或高碳泥頁巖或夾有條帶粉砂巖的頁巖中，以吸附態(tài)、游離態(tài)以及溶解態(tài)形式聚集，其物性特征為低孔低滲，烴源巖儲層特征為自生自儲型。頁巖氣勘探開發(fā)始于北美，而其頁巖氣資源勘探早已進(jìn)入商業(yè)化開采階段［1］。目前，我國頁巖氣資源勘探開發(fā)仍處于初級階段，2009年以來，國內(nèi)外不同機(jī)構(gòu)對中國頁巖氣資源潛力做了大量預(yù)測，結(jié)果表明中國頁巖氣地質(zhì)資源量為(83．3～134．4) ×1012m3，技術(shù)可采資源量為(10．0 ～36．1) ×1012m3［2］。

因此，我國頁巖氣豐富的資源儲量是緩解油氣對外依存度以及保障國家能源安全伴有舉足輕重的作用［3］。而測井方法作為當(dāng)前頁巖氣儲層評價(jià)重要技術(shù)之一，能定性識別頁巖巖性、物性，獲取總有機(jī)碳含量、含氣量和巖石力學(xué)參數(shù)等關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)，為頁巖氣工業(yè)化開采提供有效幫助。

1 頁巖氣儲層特征和評價(jià)要點(diǎn)

1．1 頁巖氣儲層地質(zhì)特征

目前，中國南方古生界頁巖的特點(diǎn)與美國北部頁巖最接近，代表性的特點(diǎn)包括厚度，高含碳量和富含石英。研究表明，四川盆地、鄂爾多斯盆地、中下?lián)P子地區(qū)、華北盆地的頁巖氣成藏條件最好，準(zhǔn)噶爾盆地、松遼盆地和吐哈盆地較好，柴達(dá)木盆地和遼河盆地地質(zhì)條件較差［4］。四川盆地頁巖氣主要儲層在笻竹寺組、龍馬溪組以及二疊系，為海相沉積，泥頁巖有機(jī)質(zhì)厚度一般在90～304 m之間，總有機(jī)碳含量(TOC)約為3．0% ～4．0%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為2．5% ～3．2%，粘土礦物含量較低。揚(yáng)子地臺區(qū)頁巖氣主要儲層在下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)，也為海相沉積，泥頁巖有機(jī)質(zhì)厚度一般在152～304 m之間，總有機(jī)碳含量(TOC)約為3．0% ～3．2%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為2．9% ～3．2%，粘土礦物含量較低。準(zhǔn)格爾盆地區(qū)頁巖氣儲層主要位于平地泉組和三疊系，為陸相沉積，泥頁巖有機(jī)質(zhì)厚度一般在250 m左右，總有機(jī)碳含量(TOC)約為4．0% ～5%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)約為0．85%，粘土礦物含量中等(據(jù)EIA，2013)。

1．2 頁巖氣儲層測井響應(yīng)特征

頁巖氣儲層測井響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為“四高三低一擴(kuò)”的特征，見表1。

1．3 頁巖氣儲層評價(jià)要點(diǎn)

頁巖氣儲層的評價(jià)要點(diǎn)主要包括頁巖巖性識別、頁巖礦物組分含量計(jì)算。其中礦物組分主要分為粘土礦物含量和脆性礦物含量;物性(孔隙度和滲透率)參數(shù)計(jì)算;地化參數(shù)含量計(jì)算，其中地化參數(shù)主要包括總有機(jī)碳含量(TOC)、鏡質(zhì)體反射率(Ro)以及熱成熟度(MI);頁巖含氣量即吸附氣、游離氣與溶解氣之和，由于溶解氣的含量很少，一般在計(jì)算頁巖氣含氣量的過程中可忽略不計(jì);力學(xué)參數(shù)的計(jì)算等。

表1 頁巖氣儲層測井響應(yīng)特征［5-6］

2 頁巖氣儲層測井評價(jià)方法

2．1 礦物含量計(jì)算方法

目前，礦物含量計(jì)算常用計(jì)算方法有“三孔隙度”法、自然伽馬能譜測井法以及元素俘獲能譜測井法統(tǒng)計(jì)回歸分析法，見表2。

表2 頁巖主要礦物成分含量的一般計(jì)算方法［7-12］

2．2 地化參數(shù)含量計(jì)算

總有機(jī)碳(TOC)含量計(jì)算:頁巖氣儲層中總有機(jī)碳又稱剩余有機(jī)碳，指巖石中殘留的或剩余的有機(jī)碳含量。常用于計(jì)算TOC方法有電阻率與孔隙度重疊法，放射性鈾元素含量與總有機(jī)碳含量關(guān)系回歸法，三孔隙度曲線計(jì)算方法［13］。3種方法的計(jì)算結(jié)果對比如圖1所示，優(yōu)缺點(diǎn)見表3。由于不同區(qū)域頁巖氣儲層地質(zhì)特征各不相同，因此在計(jì)算頁巖總有機(jī)碳含量時(shí)需綜合考慮研究區(qū)頁巖特征以及現(xiàn)有測井資料來優(yōu)選最合理計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

圖1 X井總有機(jī)碳含量的計(jì)算結(jié)果與巖心分析對比圖(據(jù)楊小兵等)

表3 頁巖總有機(jī)碳(TOC)含量一般計(jì)算方法

鏡質(zhì)體反射率(Ro)計(jì)算:Ro隨熱演化程度的加深而變化明顯，并且它隨著埋藏深度的增加而增加，因此通?？梢酝ㄟ^大量的干酪根分析化驗(yàn)數(shù)值與其對應(yīng)的深度建立回歸關(guān)系，得出Ro與深度的回歸方程。此外，利用中子－密度重合法也能指示鏡質(zhì)體反射率的大?。?4］。

熱成熟度:熱成熟度指數(shù)(MI)為氣源巖生烴潛力的重要指標(biāo)，在熱成因頁巖儲層中，當(dāng)頁巖中TOC達(dá)到一定指標(biāo)后，有機(jī)質(zhì)的成熟度則成為頁巖氣源巖生烴潛力的重要預(yù)測指標(biāo)，含氣頁巖的成熟度越高表明頁巖生氣量越大。莫修文(2011)指出，指示巖樣成熟度的指標(biāo)有很多種，如鏡質(zhì)體反射率Ro、基于顯微鏡測量的孢子顏色熱變指數(shù)(TAI)、熱解溫度Tmax和牙形石色變指數(shù)(CAI)。事實(shí)上，其它指數(shù)通常與鏡質(zhì)體反射率Ro值有一定的相關(guān)性［15］。Hank Zhao等(2007)用中子、密度和電阻率等測井資料定義了一個(gè)熱成熟度指數(shù)計(jì)算公式，此公式一直沿用至今［16］。

2．3 物性參數(shù)評價(jià)

孔隙度計(jì)算:孔隙度是計(jì)算游離氣含量的重要參數(shù)之一，由于含氣頁巖中含有一定的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)接近流體并占據(jù)著礦物骨架體積，因而可以將傳統(tǒng)的三孔隙度算進(jìn)行修正求取儲層孔隙度;由于頁巖氣的礦物組分復(fù)雜以及孔隙度非常小，傳統(tǒng)的測井方法要準(zhǔn)確地計(jì)算孔隙度比較困難。目前，頁巖氣地層儲集參數(shù)的解釋，主要還是利用傳統(tǒng)的三孔隙度測井與電阻率測井的組合法;ECS俘獲測井的出現(xiàn)使頁巖氣孔隙度的計(jì)算得到了新的發(fā)展，Michael等(2002)通過巖心實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)和ECS測井的測量數(shù)據(jù)，得到了骨架密度值、中子值和地層元素含量之間的關(guān)系模型。LeCompte等(2010)用核磁共振測井(NMR)計(jì)算頁巖氣儲層孔度，與巖心數(shù)據(jù)非常一致［17-18］。

滲透率計(jì)算:Ross等(2008)利用了測井資料結(jié)合巖心資料計(jì)算了加拿大西部沉積盆地泥盆系－密西西比亞系頁巖儲層總孔隙度、滲透率，研究了孔隙度與滲透率之間的相關(guān)性;Fatuk Civan(2011)提出含氣頁巖層可被認(rèn)為是致密介質(zhì)組成的，其滲透率K計(jì)算可由標(biāo)準(zhǔn)哈根－泊肅葉公式得出(Beskok、Karniadakis，1999;Civan，2010)［19］;頁巖氣儲層的滲透率極低，常規(guī)的測井評價(jià)方法和實(shí)驗(yàn)方法難以進(jìn)行頁巖氣儲層滲透率的研究，張晉言、孫建孟等(2012)根據(jù)斯倫貝謝ELANPLUS中使用的HERRON形式，提出一種簡單有效的頁巖氣滲透率計(jì)算方法［20］。

2．4 頁巖含氣量計(jì)算

吸附氣含量計(jì)算:吸附氣含量的獲取主要利用現(xiàn)場解吸法、等溫吸附法和測井解釋法，唐穎等對解吸法進(jìn)行了改進(jìn)(唐穎等，2011)。等溫吸附法是通過頁巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)來模擬樣品的吸附過程以獲取頁巖的最大飽和吸附氣含量。Lewis等(2004)提出利用溫度、壓力、TOC校正后的蘭格繆爾等溫吸附曲線計(jì)算吸附氣含量。

式中:Vlt—儲層溫度下蘭格繆爾體積，ft3/t;Plt—儲層溫度下蘭格繆爾壓力，psi(1 psi=6 894.757 Pa);c3取 0．002 7;c7取 0．005;c4和c8—過渡變量;T—儲層溫度，℃;Ti—等溫吸附溫度，℃;Vlc—TOC校正的儲層溫度下蘭格繆爾體積;TOCiso—等溫線上總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量百分比，%;TOClg—測井得到的總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量百分比，%;gc—吸附氣量，ft3/t;P1—蘭格繆爾壓力，即1/2蘭格繆爾體積所對應(yīng)的壓力，psi;V1—位蘭格繆爾體積，即無限大壓力下的氣體體積，ft3/t。

泥頁巖吸附氣體計(jì)算模型:Kim等提出的通過煤層工業(yè)分析組分和等溫吸附理論計(jì)算煤層含氣量的公式成為KIM方程(Kim，1997)，孫建孟基于KIM方程建立了泥頁巖吸附氣體計(jì)算模型(孫建孟，2013)，見式(1)。

式中:V—吸附氣量，cm3/g;p—壓力，MPa;T—溫度，℃;TOC—總有機(jī)碳質(zhì)量，g;M—水分質(zhì)量百分?jǐn)?shù);k、n—模型系數(shù)，與孔隙度和成熟度指標(biāo)有關(guān);a—水分對頁巖吸附的影響系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)求取;B—溫度常數(shù)，通過變等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲取，缺省值為0．023 4。

游離氣含量:游離氣也叫自由氣，是泥頁巖評價(jià)中的重要參數(shù)。游離氣含量與儲層的孔隙度、含氣飽和度、密度、碳酸鹽含量、溫度和壓力有關(guān)。通過多元參數(shù)擬合或利用公式(2)計(jì)算。

式中:Gf—游離氣量，m3/t;P1—地面狀態(tài)下壓力，Pa;P2—地下某深度處的靜水壓力，Pa;m巖—巖石質(zhì)量，t，一般取 1 t;ρ巖—地層體積密度，t/m3;T1、T2—常溫(20℃)和地下某深度處對應(yīng)的熱力學(xué)溫度，K;Фe—有效孔隙度，%;Sw—地層含水飽和度，%。

存在液態(tài)烴時(shí)的處理:如果頁巖氣儲層中存在液態(tài)烴，需先獲取氣油比，再求取游離氣含量。Hank Zhao等研究了Barnett頁巖氣的測井資料和有機(jī)質(zhì)成熟度，定義了成熟度指數(shù)(MI)，MI和氣油比(GOR)具有很好的相關(guān)性(Zhao et al．，2007)，可用于頁巖氣儲層含氣量的計(jì)算。

2．5 巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算

巖石力學(xué)參數(shù)主要包括彈性參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)，而彈性參數(shù)又分為泊松比、楊氏模量、體積模量和剪切模量，強(qiáng)度參數(shù)包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度?？梢岳妹芏?、縱波時(shí)差及橫波時(shí)差資料確定巖石的彈性參數(shù)。巖石強(qiáng)度參數(shù)一般采用實(shí)驗(yàn)方法測得，但由于實(shí)驗(yàn)測試成本較高，大多采用經(jīng)驗(yàn)公式。Miller和Deere(1996年)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的巖石單軸抗壓強(qiáng)度與巖石彈性模量、粘土含量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式應(yīng)用最為廣泛。

3 結(jié)論

(1)頁巖氣是指主體儲存于暗色泥巖頁巖或高碳泥頁巖或夾有條帶粉砂巖的頁巖中，以吸附態(tài)、游離態(tài)以及溶解態(tài)形式聚集，其物性特征為低孔低滲，烴源巖儲層特征為自生自儲型。頁巖氣儲層測井響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為“四高三低一擴(kuò)”的特征。

(2)頁巖氣儲層評價(jià)要點(diǎn)主要包括礦物組分含量計(jì)算、地化參數(shù)計(jì)算、物性參數(shù)計(jì)算、含氣量計(jì)算及巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算等。不同研究區(qū)頁巖儲層特征不同，在開展頁巖氣測井評價(jià)時(shí)，需要以實(shí)際的巖心數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇及建立合理的儲層參數(shù)測井解釋模型來開展頁巖氣儲層測井綜合評價(jià)。