頁巖含氣量測井評價方法研究

夏宏泉，劉 暢，王瀚瑋, 趙 昊，周靈燁

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610500；3. 四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

0 引 言

準(zhǔn)確地計算含氣量對頁巖氣資源量和開發(fā)潛力的評價有著重要意義[1]。頁巖氣以吸附氣和游離氣為主，溶解氣含量很少[2-4]。目前，對頁巖含氣量的測井解釋方法研究較少[5]。Decker等人通過頁巖實測含氣量與有機(jī)碳含量(TOC)相關(guān)性分析，以及TOC與體積密度相關(guān)性分析，建立了體積密度與含氣量的預(yù)測模型[6]，但頁巖含氣量受控因素較多，只考慮單一的影響因素會導(dǎo)致含氣量計算結(jié)果不準(zhǔn)確。趙金洲等人通過測井方法計算了頁巖游離氣含量[7]，但在確定模型關(guān)鍵參數(shù)時，若電阻率測井資料品質(zhì)不好，會降低游離氣含量計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。鐘光海等人通過等溫吸附方程計算了頁巖吸附氣含量[8]，但并未建立等溫吸附方程與測井曲線的關(guān)系式。據(jù)此，基于蘭格繆爾等溫吸附方程，優(yōu)選利用多條測井曲線得到其關(guān)鍵參數(shù)計算方法，由此建立了基于常規(guī)測井資料的頁巖含氣量計算新模型，為頁巖氣水平井的地質(zhì)導(dǎo)向鉆井和儲層評價提供了可靠依據(jù)。

1 吸附氣含量計算方法

吸附氣占頁巖總含氣量的20%～80%，常吸附于頁巖有機(jī)質(zhì)表面，其影響因素較多，包括頁巖的TOC、孔隙結(jié)構(gòu)和埋藏深度等。

1.1 蘭格繆爾等溫吸附方程

頁巖的吸附氣含量可以由蘭格繆爾等溫吸附方程來表示：

(1)

式中：Va為頁巖吸附氣含量，m3/t；p為儲層孔隙壓力，MPa ；pL為蘭格繆爾壓力，表示吸附量達(dá)到飽和吸附量一半時的壓力，MPa ；VL為蘭格繆爾體積，表示吸附量達(dá)到飽和時的吸附氣含量，m3/t。

1.2 蘭格繆爾方程中參數(shù)模型的建立

TOC是影響頁巖吸附氣含量的主要因素[9]。通過巖心等溫吸附實驗數(shù)據(jù)，分析VL、pL與TOC的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)pL與TOC相關(guān)性較好，pL隨TOC增大而減?。煌瑫r，VL也與TOC相關(guān)性較好，VL隨TOC的增大而增大。因此，式(1)中的2個參數(shù)VL、pL可通過TOC計算得到，如圖1和式(2)、(3)所示。

pL=14.143TOC-0.444，R2=0.787

(2)

VL=2.023TOC0.496，R2=0.857

(3)

式中：TOC為有機(jī)碳含量，%。

圖1 蘭格繆爾體積、壓力與TOC關(guān)系

同時，可采用式(4)計算儲層孔隙壓力[10]：

p=0.00981αpρwH

(4)

式中：αp為地層壓力系數(shù)；ρw為地層水密度，g/cm3；H為地層深度，m。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)TOC的確定

傳統(tǒng)△logR法在確定基線時，非烴源巖的TOC為0，由于砂泥巖等本身含有一定量的TOC，因此，該值將更難確定；有機(jī)碳地區(qū)背景值△TOC是為減少計算誤差人為加入的，存在不確定性。

通過對頁巖儲層總伽馬(SGR)、無鈾伽馬(CGR)和巖心實驗TOC數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)TOC隨SGR的增大而增大，與SGR相關(guān)性較好；同時TOC也隨CGR的增大而增大，但相關(guān)性低于SGR，如圖2和式(5)、(6)所示。

圖2 無鈾伽馬、總伽馬與TOC關(guān)系

(5)

TOCCGR=0.0325CGR-1.9143，R2=0.258

(6)

式中：SGR為總伽馬測井值，API；CGR為無鈾伽馬測井值，API；TOCSGR為總伽馬值計算的有機(jī)碳含量，%；TOCCGR為無鈾伽馬值計算的有機(jī)碳含量，%。

鈾元素含量的高低直接反映了頁巖含氣量的大小，CGR中去除了鈾元素，這是導(dǎo)致CGR與TOC相關(guān)性比SGR差的原因。此外，將密度測井值(DEN)與巖心實驗TOC數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)TOC隨DEN增大而減小，負(fù)相關(guān)性較好，如式(7)所示。

TOCDEN=-7.007DEN+20.063，R2=0.605

(7)

式中：DEN為密度測井值，g/cm3；TOCDEN為密度測井值計算的有機(jī)碳含量，%。

對比SGR和DEN與TOC的相關(guān)性，SGR要好于DEN，是由于DEN受井眼環(huán)境等影響較大，因此，在利用密度測井曲線計算TOC時，應(yīng)進(jìn)行井眼環(huán)境影響校正[11]?？梢跃C合利用SGR、DEN來計算TOC：

TOC=-3.459DEN+0.02SGR+7.942，R2=0.776

(8)

表1為2種方法計算TOC的計算結(jié)果。由表1可知，傳統(tǒng)△logR法計算TOC時，與巖心數(shù)據(jù)的相對誤差大多達(dá)到25.00%以上，平均相對誤差達(dá)到25.03%?；赟GR-DEN的測井計算方法計算TOC，平均相對誤差為10.73%，與傳統(tǒng)△logR法相比降低14.30%，計算結(jié)果更加合理準(zhǔn)確。

表1 傳統(tǒng)△logR法與SGR-DEN法TOC計算結(jié)果

2 游離氣含量計算方法

游離氣一般存在于泥頁巖的微孔隙和裂縫中，其含量的大小主要取決于氣藏的有效孔隙度和含氣飽和度，其含量的計算采用國際上通用的方法，如式(9)所示：

(9)

式中：Vf為游離氣含量，m3/t；Ψ為常數(shù)，頁巖取0.91；Bg為氣體的體積壓縮系數(shù)，頁巖取0.0046；φ為儲層有效孔隙度；Sg為儲層含氣飽和度。

2.1 頁巖孔隙度計算方法

孔隙度是頁巖氣儲層評價的關(guān)鍵參數(shù)之一，不同的孔隙度將導(dǎo)致頁巖產(chǎn)氣量的巨大差異[12-13]。多元回歸法較單因素回歸法考慮到更多的影響因素，DEN、中子(CNL)、聲波時差(AC)和鈾含量(URA)等測井值能夠較好地反映頁巖儲層的孔隙度，計算精度更高。研究分析巖心孔隙度與這些測井曲線的相關(guān)性，可以建立頁巖儲層孔隙度的測井計算公式：

φAC=0.0378AC-5.4051，R2=0.724

(10)

φDEN=-8.6138DEN+26.537，R2=0.767

(11)

φURA=0.164URA+3.018，R2=0.543

(12)

φCNL=0.0826CNL+2.4719，R2=0.050

(13)

式中：φAC為聲波時差計算的孔隙度，%；φDEN為密度計算的孔隙度，%；φURA、φCNL分別為鈾含量、中子計算的孔隙度，%；AC為聲波時差測井值，μs/m；DEN為密度測井值，g/cm3；CNL為中子測井值，%；URA為鈾含量，mg/L。

通過對研究區(qū)塊測井?dāng)?shù)據(jù)與巖心實驗數(shù)據(jù)擬合回歸發(fā)現(xiàn)，φAC隨AC的增大而增大，二者相關(guān)性較好；φDEN隨DEN的增大而減小，二者負(fù)相關(guān)性較好；φURA隨URA的增大而增大，二者相關(guān)性也較好；φCNL隨CNL的增大而增大，但φ和CNL相關(guān)性較差，如圖3和式(10)—(13)所示。

圖3 巖心孔隙度與聲波時差、密度測井值、鈾含量、中子測井值關(guān)系

因此，選用AC、DEN、URA進(jìn)行多元回歸，其相關(guān)性更好，計算精度更高。綜合利用AC、DEN、URA建立的孔隙度計算公式為：

φ=0.026AC-1.114DEN+0.082URA，R2=0.976

(14)

2.2 含氣飽和度計算方法

目前確定含氣飽和度的方法主要有實驗室?guī)r心測量和測井資料計算法[14-19]。長寧某井龍馬溪組測井?dāng)?shù)據(jù)與巖心實驗數(shù)據(jù)(SGR、DEN)進(jìn)行回歸擬合，發(fā)現(xiàn)含氣飽和度隨密度的增大而減小，負(fù)相關(guān)性較好；含氣飽和度隨伽馬測井值的增大而增大，相關(guān)性較好，如圖4和式(15)、(16)所示。

SDEN=-249.35DEN+701.18，R2=0.904

(15)

SSGR=0.432SGR-22.708，R2=0.843

(16)

式中：SDEN為密度測井值計算的含氣飽和度，%；SSGR為伽馬測井值計算的含氣飽和度，%。

頁巖含氣飽和度與TOC含量有關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量越高，鈾含量越豐富，SGR值也越高；同時含氣飽和度越高，DEN越低。因此，基于自然伽馬測井值和密度測井值計算含氣飽和度(Sg)的公式為：

圖4 含氣飽和度與密度測井值和伽馬測井值關(guān)系

Sg=0.422SGR-8.013DEN，R2=0.970

(17)

阿爾奇法和西門度法[20](電阻率法)計算的頁巖含氣飽和度平均誤差分別為5.09%、4.44%，要大于測井計算(非電法)含氣飽和度的平均誤差(3.04%)，且計算的含氣飽和度普遍偏小，這主要是電阻率異常低值的影響 (表2)，而經(jīng)驗公式法計算的頁巖含氣飽和度更為合理。

表2 不同方法計算含氣飽和度與巖心實驗數(shù)據(jù)對比

注：Ⅰ為阿爾奇法計算與巖心含氣飽和度之差；Ⅱ為西門度法計算與巖心含氣飽和度之差；Ⅲ為測井計算與巖心含氣飽和度之差。

3 總含氣量計算模型

頁巖總含氣量由吸附氣含量和游離氣含量組成，如式(18)所示，Va、Vf可通過式(1)、(9)計算。

(18)

式中：Vt為頁巖總含氣量，m3/t。

將式(2)、(3)、(4)、(8)、(14)、(17)分別代入式(18)可得:

Vt=[0.11αpρwH(0.02SGR-3.459DEN+7.942)0.496]·
[0.00981αpρwH+14.143(0.02SGR-3.459DEN

+7.942)-0.444]-1+0.0198(0.085AC-1.108DEN+

0.082URA)(0.422SGR-8.013DEN)DEN-1

(19)

頁巖總含氣量計算新模型通過吸附氣含量和游離氣含量相加得到。建立的頁巖含氣量計算新模型將頁巖含氣量關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)換為簡單的測井資料即可進(jìn)行計算，同時避開了地層電阻率和巖電參數(shù)差異的影響，在電阻率測井資料品質(zhì)不好的情況下只需利用其他常規(guī)測井資料就可以準(zhǔn)確求得頁巖含氣量。

4 實例分析

以長寧地區(qū)頁巖氣井X井為例：①新模型計算的TOC、φ、Sg與巖心實驗數(shù)據(jù)具有較好的一致性；②由于頁巖儲層中黃鐵礦的存在使得地層電阻率異常變小，導(dǎo)致電阻率法計算的含氣飽和度準(zhǔn)確度降低，而SGR-DEN法在計算含氣飽和度時避開了地層電阻率和巖電參數(shù)的影響，計算的含氣飽和度更加準(zhǔn)確；③長寧X井下志留系龍馬溪組頁巖儲層含氣量從頂部到底部呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，Ⅲ號儲層段(3 036～3 134 m)平均TOC為1.52%、游離氣含量為0.99 m3/t、總含氣量為1.82 m3/t；Ⅱ號儲層段(3 134～3 155 m)平均TOC為2.38%、游離氣含量為1.81 m3/t、總含氣量為2.68 m3/t；Ⅰ號儲層段(3 155～3 174 m)平均TOC為2.93%、游離氣含量為2.37 m3/t、總含氣量為3.27 m3/t。可見，Ⅰ號儲層段含氣性最好，平均TOC高、游離氣含量高、總含氣量大，因此，Ⅰ號儲層段為龍馬溪組的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層段。

綜上所述，頁巖含氣量計算新模型能夠較好地實時計算頁巖儲層的含氣量，為頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向鉆井目標(biāo)層的優(yōu)選提供依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 用于計算頁巖吸附氣含量的蘭格繆爾等溫吸附方程中VL、pL參數(shù)與TOC相關(guān)性好，可由TOC計算得到。SGR-DEN法計算的TOC優(yōu)于傳統(tǒng)△logR法，進(jìn)而計算吸附氣含量，其結(jié)果與巖心吸附氣含量具有較好的一致性。

(2) 優(yōu)選AC-DEN-URA多參數(shù)可準(zhǔn)確計算頁巖有效孔隙度，用非電阻率法(SGR-DEN)計算其含氣飽和度，并結(jié)合公式(7)可準(zhǔn)確計算游離氣含量。

(3) 建立的頁巖含氣量計算新模型優(yōu)勢在于避開了地層電阻率和巖電參數(shù)差異的影響，在電阻率測井資料品質(zhì)不好的情況下只需利用其他常規(guī)測井資料就可以準(zhǔn)確求得頁巖含氣量，進(jìn)一步提高頁巖含氣儲層測井解釋的符合率，值得推廣應(yīng)用。

(4) 長寧地區(qū)X井龍馬溪組頁巖儲層中，Ⅰ號儲層段含氣性最好，平均TOC高、游離氣含量高、總含氣量大，為頁巖儲層的“甜點(diǎn)”段，為水平井導(dǎo)向目標(biāo)層的優(yōu)選提供依據(jù)。