頁巖氣儲層測井評價技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

冷 玥，趙迪斐，郭英海，李艷芳，崇 璇，周道生.

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，北京 100190；3.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇徐州 221008；4. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210023；5.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫 214126)

頁巖氣是賦存于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以熱成熟作用或連續(xù)的生物作用為主以及兩者相互作用生成而聚集在烴源巖中的天然氣[1-3]。我國具有豐富的頁巖氣資源儲量，但頁巖氣儲層儲集空間小，具有自生自儲、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其評價研究具有一定難度[4-7]。

地球物理測井能快速高效獲取多種地層信息，有效識別儲層并對其進(jìn)行評價[8-10]，相較于復(fù)雜且昂貴的鉆井取心與巖心分析，將測井技術(shù)應(yīng)用于頁巖氣儲層研究具有快速高效的優(yōu)勢[11-13]，可確定頁巖氣儲層的巖性、孔隙度和滲透率、評價儲集層的有機(jī)碳含量、熱演化程度、含氣飽和度、儲集層厚度等[14-16],并與成像技術(shù)結(jié)合直觀顯示地層裂縫、孔隙等情況[17-18]。

近年來，國內(nèi)外在頁巖氣測井技術(shù)及儲層測井評價技術(shù)等方面取得了很多技術(shù)研究與應(yīng)用實踐的進(jìn)展。頁巖氣商業(yè)化開發(fā)后，美國墨菲石油公司(Murphy oil)的 LeCompte 等(2010)根據(jù)頁巖氣儲層巖性復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，提出了適用于頁巖氣儲層評價的測井系列[19-20]，斯倫貝謝公司(Schlumberger) 最新儀器元素掃描測井可直接獲取碳元素含量[21]，貝克休斯公司采用常規(guī)和成像測井結(jié)合評價頁巖氣儲層，并開發(fā)應(yīng)用常規(guī)測井軟件平臺Platform Express[1]，斯倫貝謝旗下的 TerraTek公司開發(fā)了一種被稱為致密巖石分析(TRA)的巖石熱解分析技術(shù)，對巖石顆粒密度、孔隙度、流體飽和度、滲透率和含氣頁巖總有機(jī)質(zhì)含量等進(jìn)行分析和描述[22]。國內(nèi)張培先(2011)基于對川東南海相地層頁巖氣評價研究，提出了計算頁巖游離氣含量“四步法”和吸附氣含量“三步法”[23]；謝慶明，程禮軍等(2013)綜合巖心分析、常規(guī)測井和特殊測井資料對渝東南黔江地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層建立了測井解釋模型[24]；王濡岳，冷濟(jì)高等(2015)綜合常規(guī)測井、元素測井、核磁共振測井等方法對上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層進(jìn)行測井識別和評價[25]，冉偉、劉向君等(2015)利用自然伽馬能譜對川東南地區(qū)龍馬溪組頁巖進(jìn)行了TOC評價[26]。本文結(jié)合前人成果，綜述不同類型測井技術(shù)的原理及頁巖氣響應(yīng)特征，總結(jié)頁巖氣測井識別的成圖方式和儲層評價方法，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 頁巖氣測井類型、原理及響應(yīng)特征

1.1 頁巖氣常規(guī)測井

常規(guī)測井以地層電性、放射性、聲波傳播特性等為基礎(chǔ)，常用的方法有電阻率測井、核測井、聲速測井、井徑測井等。

(1)電阻率測井。

電阻率測井主要反映巖層電阻率大小。頁巖氣儲層中，泥質(zhì)和水的增加使電阻率降低，但所含氣體使電阻率迅速增高，反映在測井曲線上為低異常反映區(qū)域中夾雜局部高異常反映。

(2)核測井。

核測井又稱放射性測井，按探測射線來分，可分為伽馬法和中子法兩大類[11]。在頁巖氣儲層評價中常用的有自然伽馬測井、密度測井、巖性密度測井、中子-伽馬測井等。

自然伽馬測井記錄地層自然伽馬射線強(qiáng)度或能量，反映的是地層中天然放射性物質(zhì)的多少。通常情況下，頁巖氣儲層中泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)含量高，自然伽馬曲線呈現(xiàn)高異常反映。密度測井測定的是散射伽馬射線強(qiáng)度，當(dāng)伽馬源能量為中等時，散射伽馬射線強(qiáng)度與地層密度有密切關(guān)系，間接反映巖層密度差異。一般而言，頁巖氣儲層結(jié)構(gòu)較松散，有機(jī)質(zhì)、氣體、裂縫的存在使得密度曲線呈現(xiàn)低異常反映。巖性密度測井記錄的是地層的光電吸收截面指數(shù)和電子密度指數(shù)。烴類和氣體具有較低的光電吸收截面指數(shù)，巖性密度曲線呈現(xiàn)低異常反映。中子-伽馬測井記錄的是中子被原子核俘獲后所放出的伽馬射線強(qiáng)度。中子-伽馬射線強(qiáng)度決定于巖層的含氫量，而含氫量又反映了巖層孔隙率的大小。頁巖氣儲層的孔隙、裂隙發(fā)育和有機(jī)質(zhì)的存在令中子-伽馬曲線一般表現(xiàn)為高異常反映。但中子-伽馬測井受井的影響較大，必須與其他測井資料綜合研究對比。

(3)聲速測井。

聲速測井記錄的是聲波在巖層中傳播的聲波時差。頁巖氣儲層泥質(zhì)含量較多，有機(jī)質(zhì)和氣體的存在等令聲速測井曲線呈現(xiàn)高異常反映，在裂縫處還常伴有周波跳躍現(xiàn)象。聲速測井還常用于劃分地層，對于層序識別難度較大、宏觀均質(zhì)性較強(qiáng)的頁巖儲層，聲速測井可以為地層劃分、層序研究、儲層控制影響因素研究等提供科學(xué)依據(jù)。

(4)井徑測井。

井徑測井反映的是井眼情況。頁巖氣儲層泥質(zhì)含量較多，存在有機(jī)質(zhì)和裂縫，常表現(xiàn)為擴(kuò)徑現(xiàn)象，在含頁巖地層層系中，井徑測井可以協(xié)助識別頁巖層系位置并劃分巖性。

1.2 頁巖氣特殊測井

當(dāng)常規(guī)測井不能完全滿足評價要求，特殊測井技術(shù)，如 ECS、FIM 等，可更有針對性地解決礦物成分確定、物性參數(shù)評價等定量評價難題[3]。

(1)元素俘獲測井(ECS)。

ECS是目前唯一能從巖石組分角度解決巖性組分問題的測井方法[17]。該技術(shù)與中子-伽馬測井原理相似，對得到的伽馬射線根據(jù)不同元素各自峰值進(jìn)行解譜，獲取地層中最重要的6種元素(Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd)的相對含量[1]，是評價地層性質(zhì)、計算礦物組分的重要方法。ECS測井目前在國外頁巖氣勘探開發(fā)中對巖石礦物解釋具有重要作用，斯倫貝謝公司綜合應(yīng)用ECS和Platform Express實現(xiàn)了巖氣儲層礦物組分的評價[27]。

(2)井周聲波-電阻率成像測井。

井周聲波-電阻率成像測井直觀反映井筒的地質(zhì)特征，具有高分辨率、高井眼覆蓋率和可視性特點(diǎn)[17]，可以為頁巖儲層的巖性識別與裂縫分析等提供基礎(chǔ)依據(jù)。雷茂盛(2007)、丁文龍(2009)、莫修文(2011)、齊寶權(quán)(2011)、李啟翠(2013)等先后將聲-電成像測井應(yīng)用于判斷裂縫類型、識別地層結(jié)構(gòu)構(gòu)造、確定裂縫產(chǎn)狀和獲取裂縫定量參數(shù)，取得良好效果[31-34]。

(3)核磁共振測井。

核磁共振測井是在外加磁場作用下，測量地層孔隙中可動流體氫核的弛豫時間，它只與地層的空隙大小和結(jié)構(gòu)有關(guān)，與流體性質(zhì)及巖性無關(guān)，是獲取準(zhǔn)確孔隙度的重要方法。核磁共振(NMR)測井在頁巖儲層的關(guān)鍵參數(shù)計算與流體性質(zhì)判別中逐步得到應(yīng)用，LeCompte(2010)利用核磁共振測井(NMR)計算了頁巖孔隙度，計算結(jié)果與巖心分析值高度-致[35]。

(4)交叉偶極陣列聲波測井。

交叉偶極陣列聲波測井利用陣列聲波得到巖層的縱橫波速度，是計算巖石力學(xué)參數(shù)的重要手段。高坤(2007)、賴富強(qiáng)(2007)、朱玉林(2007)、王麗忱(2013)等利用陣列聲波測井結(jié)合密度測井資料計算出巖石的彈性力學(xué)參數(shù)和巖石強(qiáng)度參數(shù)，并進(jìn)一步計算出巖石的破裂壓力[36-37]。

1.3 測井系列的優(yōu)化組合

(1)標(biāo)準(zhǔn)測井系列。

標(biāo)準(zhǔn)測井系列可用于對比頁巖儲層的區(qū)域地層、識別頁巖層位，是頁巖氣地質(zhì)普查、勘探與開發(fā)必不可少的測井方法組合。原則上，標(biāo)準(zhǔn)測井系列一般包括電阻率測井、自然伽馬測井與自然電位測井，部分區(qū)域視情況可增加聲測井[1]。

(2)評價測井系列。

評價測井系列被應(yīng)用于準(zhǔn)確評價頁巖氣層特征，在頁巖氣普查、勘探、開發(fā)各階段略有差異。常用的評價測井系列包括單孔隙度測井系列與三孔隙度測井系列，單孔隙度測井系列包括的測井方法含有標(biāo)準(zhǔn)測井系列與井徑測井、側(cè)向測井和感應(yīng)測井；三孔隙度測井系列包括的測井方法除單孔隙測井系列外，還包括巖性密度測井和補(bǔ)償中子測井；當(dāng)常規(guī)測井不能滿足評價要求時，應(yīng)用中還可以補(bǔ)充特殊測井類型。

2 頁巖氣識別方法

2.1 常規(guī)測井曲線

常規(guī)測井曲線上，頁巖氣儲層總體表現(xiàn)為“三高兩低一擴(kuò)”的基本特征[10]，即高自然伽馬值，高聲波時差值、電阻率局部高值、低密度值、低巖性密度值和擴(kuò)徑特征 (圖1)。利用自然伽瑪、電阻率、中子孔隙度、聲波時差和感應(yīng)測井的測井組合，可以識別出龍馬溪組頁巖氣儲層，與實際開采情況一致性好[38]。

2.2 交會圖和Z值圖技術(shù)

交會圖以兩種測井方法資料為變量，突出巖性、物性等不同特征，以達(dá)到識別頁巖氣、減少多解性的目的，利用自然伽馬和電阻率交會圖，可識別高自然伽馬、高電阻率區(qū)的頁巖氣層；自然伽馬和泥質(zhì)含量交會圖，可圈定自然伽馬數(shù)值大、泥質(zhì)含量變化不大的頁巖氣層區(qū)；聲波時差(DT)和電阻率值(取對數(shù))交會圖可確定頁巖分界線，區(qū)分巖性(如圖2)[29]等。

Z值圖則是以三種測井方法資料為變量，以達(dá)到識別優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的目的，如密度-中子-電阻率Z值圖，可識別高石英含量、大孔隙度、高電阻率的優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層，可以為頁巖儲層的科學(xué)評價提供科學(xué)依據(jù)[1]。

圖1 頁巖儲層測井曲線圖(據(jù))Fig.1 Well logging curve of shale reservoir (according to[28])

2.3 聲速與電阻率疊合法

將聲速測井曲線與電阻率曲線進(jìn)行疊加，以的變化差異反應(yīng)烴源巖有機(jī)物質(zhì)的情況[30]，是國內(nèi)外利用測井資料識別烴源巖的最常用方法[1]。

2.4 成像測井和巖心法

成像測井通過地球物理成像，實現(xiàn)對井周巖石的表征，主要包括井壁成像、井邊成像和井間成像，所利用的基本原理主要包括電阻率成像、聲波成像、電磁波成像、電阻率成像、熱中子成像。成像測井和巖心法是結(jié)合巖心資料在整個井筒長度范圍內(nèi)進(jìn)行電阻率成像和井筒地層傾角分析，以識別層理和裂縫。

2.5 光電吸收截面指數(shù)法

光電吸收截面指數(shù)法定義了一個與電子光電吸收截面成正比的參數(shù)Pe，該參數(shù)與能量無關(guān)，可以為巖性判別提供基礎(chǔ)依據(jù)，主要是通過巖石的平均原子序數(shù)反映巖性。應(yīng)用光電吸收截面指數(shù)法可以結(jié)合光電吸收截面指數(shù)與自然伽馬、中子、密度測井值，建立含氣頁巖地層模型，以估算儲層礦物成分，突出層段的巖性信息。

2.6 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一種常用的運(yùn)算模型，由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(或稱神經(jīng)元)及其之間相互聯(lián)接構(gòu)成。測井相應(yīng)與實際的地層信息間的相應(yīng)是高度非線性的，應(yīng)用人工網(wǎng)絡(luò)算法則是處理這些非線性關(guān)系的有效手段，應(yīng)用人工網(wǎng)絡(luò)算法綜合分析測井資料，可以英語頁巖礦物組分的識別[1]。

圖2 聲波時差—電阻率交會圖(據(jù)[28])Fig.2 Intersection of acoustic time difference and resistivity (according to[28])

3 頁巖氣儲層評價方法

3.1 頁巖氣儲層物質(zhì)成分評價

頁巖氣儲層物質(zhì)成分包括有機(jī)質(zhì)、石英等脆性礦物、粘土礦物、水分等，其中地層的砂質(zhì)含量、泥質(zhì)含量、孔隙度和干酪根含量等是最為重要的核心參數(shù)。

測井資料的多解性和頁巖氣層的復(fù)雜性，使得僅僅通過測井資料定量計算地層組分缺乏準(zhǔn)確性，因此必須結(jié)合實際地質(zhì)條件，建立相應(yīng)地質(zhì)模型對測井資料的解釋進(jìn)行約束，從而建立最優(yōu)化多礦物反演模型，識別和計算頁巖氣儲層物質(zhì)成分。

3.2 頁巖氣儲層有機(jī)地化特征

(1)總有機(jī)碳含量(TOC)。

總有機(jī)碳含量(TOC)是頁巖氣儲層含氣量的重要影響因素。常用的TOC評價方法包括自然伽馬測井-密度測井資料法、變量疊合圖法、干酪根轉(zhuǎn)換法等。

自然伽馬測井-密度測井資料法是基于TOC與自然伽馬測井值以及密度測井值的良好相關(guān)性，利用線性相關(guān)關(guān)系計算TOC。 變量疊合圖法是將兩類測井曲線，如電阻率與孔隙度曲線進(jìn)行疊合，根據(jù)兩曲線的差異計算TOC。干酪根轉(zhuǎn)換法主要是是利用干酪根與TOC的轉(zhuǎn)換關(guān)系計算出儲層的TOC參數(shù)值[1]，如貴州下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖TOC測井計算中，研究人員選取了自然伽馬(GR)、鈾(U、釷(Th)、鉀(K)、密度、聲波時差、補(bǔ)償中子(CNL)與電阻率(lgR)8個參數(shù)進(jìn)行回歸分析，效果較好[27]。

(2)熱成熟度指數(shù)(MI)。

熱成熟度指數(shù)(MI)也是頁巖生氣量的重要指標(biāo)，含氣頁巖成熟度越高，說明頁巖儲層經(jīng)歷的熱演化充分，頁巖儲層本身所產(chǎn)生、賦存的頁巖氣體也往往越多。綜合利用密度、中子、電阻率測井資料，可綜合預(yù)測出儲層的熱成熟度指數(shù)(MI)值[1]。

3.3 頁巖儲氣層物性參數(shù)評價

(1)滲透率、孔隙度和飽和度。

滲透率、孔隙度和飽和度是頁巖儲氣層最為重要的物性參數(shù)?？紫抖瓤芍苯永贸Ｒ?guī)測井曲線計算得到；滲透率的計算較為復(fù)雜，常用的計算方法包括基于致密多孔介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)哈根-泊肅葉公式法、基于經(jīng)驗的克林肯伯格公式法以及基于滲透率與孔隙度關(guān)系的巖心法；飽和度的計算則可利用阿爾奇公式進(jìn)行估算[1]。

(2)吸附氣和游離氣含量。

頁巖氣包括吸附氣與游離氣。頁巖含氣量的測量母目前缺少專門的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要參照煤層氣行業(yè)中的測量方法，結(jié)合頁巖的特性對參數(shù)等做相應(yīng)修改調(diào)試。頁巖吸附性、含氣性影響因素復(fù)雜[39]，吸附氣含量的計算，目前主要采用的等溫吸附模擬實驗法，即根據(jù)巖性、物性、礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量等，選取合適的樣品參數(shù)、實驗條件進(jìn)行等溫吸附模擬實驗，將得到的實驗數(shù)據(jù)換算為蘭格繆爾體積和蘭格繆爾壓力后，經(jīng)過溫度校正計算氣體體積。游離氣含量的計算可據(jù)其與地層孔隙度、含氣飽和度的關(guān)系計算得到[1]。聶海寬等(2012)選取TOC、總烴含量、石英含量、粘土礦物含量、孔隙度、密度、黃鐵礦含量和碳酸鹽含量8個參數(shù)擬合計算了四川盆地周緣下古生界龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖的含氣量，并指出TOC和孔隙度對頁巖氣含量的影響[40]。

4 存在問題及前景展望

4.1 存在問題

我國在頁巖氣地質(zhì)評價方面已取得較大進(jìn)展，但仍存在以下問題：

(1)我國頁巖氣真實的資源總量和分布情況并未完全掌握[41]，頁巖氣儲層地質(zhì)特征、成藏機(jī)理認(rèn)識有待提高[42]，不同地區(qū)測井資料與老井資料利用不足[27]，動態(tài)及靜態(tài)信息綜合不夠[39]。

(2)我國在常規(guī)測井資料分析與解釋方面處于國際先進(jìn)水平，但針對非常規(guī)油氣儲層評價的專項測井技術(shù)、儀器和方法研究等方面與國外尚有一定差距[27]。

(3)我國頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜，海相、陸相及海陸過渡相頁巖氣儲層差別較大、非均質(zhì)性和各向異性較強(qiáng)[27]，極大地限制了某區(qū)測井評價方法在其他地區(qū)的推廣。

4.2 前景展望

(1)加強(qiáng)資料收集及挖掘。結(jié)合巖心測試與測井?dāng)?shù)據(jù)，巖心測試科學(xué)且直觀，測井信息量大、數(shù)據(jù)處理及時，二者有效結(jié)合，可以起到事半功倍的效果[43]；創(chuàng)新應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論，如分形、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，提高數(shù)值模擬精度；綜合多種方法充分提取老井資料有用信息。

(2)創(chuàng)新發(fā)展測井新技術(shù)新方法。結(jié)合地震技術(shù)和測井方法，通過建立測井曲線與地震響應(yīng)的關(guān)系，勘探頁巖氣層[41]，是一個重要研究方向；高精度地層元素測井使用高性能大尺寸溴化鑭晶體伽馬光子探測器和脈沖中子發(fā)射技術(shù), 能顯著提高地層元素測井的分辨率和測量精度[44]；水平井鉆井技術(shù)能鉆遇更多物性較好的儲層[45]，在我國已得到較好發(fā)展[46]，亟需針對水平井測井的曲線響應(yīng)與解釋評價的進(jìn)一步研究。

(3)實現(xiàn)方法的系統(tǒng)化與特殊化。我國頁巖氣地質(zhì)條件比北美盆地更加復(fù)雜，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開展適合我國頁巖氣成藏特點(diǎn)的勘探技術(shù)研究[41]，創(chuàng)立針對我國不同地質(zhì)狀況的普遍性、高精度方法體系是未來發(fā)展的重難點(diǎn)。

(4)積極研發(fā)高精度測井新儀器，豐富測井評價解釋軟件，發(fā)展針對我國地質(zhì)條件的測井評價領(lǐng)域的標(biāo)桿企業(yè)[46]。

(5)針對頁巖的測井研究起步較早，但在頁巖氣商業(yè)化生產(chǎn)之前，對頁巖的測井研究主要是對頁巖測井信號分析與評價的研究，而并不針對儲層特征[47]。發(fā)揮頁巖測井分析在儲層預(yù)測、評價、分析中的連續(xù)性優(yōu)勢，對如何精準(zhǔn)預(yù)測儲層礦物組分、有機(jī)質(zhì)特征、微觀結(jié)構(gòu)、含氣性、物性等展開針對性研究，建立適用于我國特定、特殊頁巖儲層的預(yù)測與評價方案。

5 結(jié)語

測井技術(shù)在頁巖氣儲層評價研究中具有重要意義。常規(guī)測井之間以及常規(guī)測井與特殊測井的組合，大大減少了測井資料地質(zhì)解釋的多解性，增強(qiáng)了巖層地質(zhì)特征解釋的準(zhǔn)確性和直觀性。應(yīng)用測井資料，以多種成圖方式和方法互為補(bǔ)充，可以有效提高頁巖氣儲層識別的精確性，實現(xiàn)頁巖氣儲層物質(zhì)成分、有機(jī)地化特征、物性參數(shù)等重要指標(biāo)的準(zhǔn)確全面評價，為經(jīng)濟(jì)快捷地實現(xiàn)頁巖氣儲層評價提供基礎(chǔ)依據(jù)，為頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。