頁巖氣田儲層含氣性測井評價
——以四川盆地涪陵頁巖氣田J區(qū)塊為例

柳 筠，張夢吟

(中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430023)

非常規(guī)頁巖氣藏是自生自儲型氣藏，含氣性是頁巖氣藏地質(zhì)評價工作的重點指標之一，對評估頁巖氣區(qū)塊的工業(yè)開采價值具有重要作用。四川盆地涪陵頁巖氣田上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組發(fā)育富有機質(zhì)頁巖儲層，其形成時間老，熱演化程度高，開發(fā)潛力良好。

頁巖儲層含氣性影響因素復(fù)雜，國內(nèi)外學者用于評價頁巖含氣性的指標繁多，且多從儲層地質(zhì)特征或測試參數(shù)等方面進行研究[1-6]，目前尚未有一套完善的、并基于測井信息的含氣性綜合評價體系[7-8]。涪陵頁巖氣田開發(fā)井主要是水平鉆井，但以現(xiàn)有實驗儀器及分析手段無法在水平井中進行頁巖含氣性分析化驗等相關(guān)工作。如何在大段的穿行目的層中基于測井信息對頁巖氣儲層含氣性進行較為準確的評價，并提供可壓裂的頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層段，還需要進行深入的探討和研究。

本文以涪陵頁巖氣田J區(qū)塊頁巖儲層為例，結(jié)合該區(qū)儲層地質(zhì)、測井、巖心分析資料，開展含氣儲層定性識別以及含氣性參數(shù)測井定量預(yù)測研究；分析并遴選儲層含氣性測井影響參數(shù)，進而運用灰色關(guān)聯(lián)法計算不同影響因素的權(quán)重，進行儲層測井含氣性綜合評價研究，同時參考前人的研究成果，建立了工區(qū)內(nèi)測井含氣性分類標準，以期為該區(qū)頁巖氣的開發(fā)提供有效的技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 頁巖儲層特征

涪陵頁巖氣田J區(qū)塊隸屬于川東褶皺帶萬縣復(fù)向斜東南部，地表屬于低山、丘陵、河流地貌，整體上構(gòu)造由北向南逐漸復(fù)雜。工區(qū)內(nèi)各時代地層發(fā)育齊全，其中五峰組—龍馬溪組一段為涪陵頁巖氣田頁巖氣勘探的主要目的層段，發(fā)育有大套的富碳、富硅、富頁理、富筆石、富黃鐵礦的黑色頁巖[9-10]。

對J區(qū)塊頁巖氣層段五峰組—龍馬溪組一段進行了巖心分析實驗(圖1)，其中，巖石組分具有脆性礦物含量高、黏土含量低、分布較穩(wěn)定等特點。頁巖儲層段脆性礦物總平均含量為61.1%，以硅質(zhì)礦物為主，黏土礦物總平均含量約為36.6%，主要成分為伊蒙混層和伊利石；有機碳含量為0.4%～6.62%，平均2.43%，經(jīng)換算后的等效鏡質(zhì)體反射率平均為2.55%，表明目的層段頁巖儲層烴源巖品質(zhì)較好。巖心孔隙度較好，縱向上呈“高—低—高”特征，其值為1.50%～8.38%，平均3.54%。綜合顯示J區(qū)塊具備良好的儲層品質(zhì)。

圖1 四川盆地涪陵頁巖氣田J區(qū)塊焦頁A井目的層段綜合特征

1.2 儲層測井響應(yīng)特征

由J區(qū)塊現(xiàn)場測錄井、地質(zhì)及全巖資料可知，五峰組—龍馬溪組龍一段為目的層段，龍一段又可細分為3個亞段。五峰組—龍一段一亞段為主力含氣頁巖段，其巖性為富碳高硅頁巖，硅質(zhì)以自生為主；龍一段二亞段發(fā)育含碳質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，硅質(zhì)成分以粉砂質(zhì)為主；龍一段三亞段巖性主要為碳質(zhì)頁巖。常規(guī)測井曲線顯示，五峰組—龍一段一亞段聲波時差及自然伽馬曲線呈高值特征；深淺側(cè)向電阻率為中到高值，電阻率曲線整體形態(tài)呈平滑的漏斗形或箱形，而局部由于地層中含有黃鐵礦使得電阻率曲線有楔形下降形態(tài)；中子孔隙度值有所降低，同時密度曲線呈現(xiàn)低值特征(普遍低于2.58 g/cm3)，說明儲層具備明顯的氣層特征，是聚集頁巖氣的優(yōu)質(zhì)層段。

2 頁巖儲層測井含氣性評價

2.1 含氣頁巖儲層定性識別方法

涪陵頁巖氣田J區(qū)塊含氣頁巖段測井曲線具備明顯的響應(yīng)特征，因此通過不同測井曲線的組合可以識別頁巖儲集段和優(yōu)質(zhì)含氣頁巖段。

2.1.1 密度—中子疊合法

在含氣儲層中天然氣的密度遠低于油、水的密度，氣體部分會造成含氫指數(shù)降低，儲層因此往往存在“挖掘效應(yīng)”?；谶@種巖石物理基礎(chǔ)，在測井曲線上(圖1)將中子孔隙度和密度孔隙度測井曲線進行相反方向的刻度，即從左至右中子減小、密度增大，當應(yīng)用于氣層時，測井曲線間充填圖形表現(xiàn)為密度向右包絡(luò)中子的圖形。

2.1.2 自然伽馬—去鈾伽馬疊合法

涪陵頁巖氣田頁巖儲集層中有機質(zhì)含量高，有機質(zhì)能吸附高放射性元素鈾，自然伽馬曲線測井值整體呈現(xiàn)出高—極高值。除局部段外，自然伽馬主要集中在100～200 API，無鈾伽馬值主要集中在60～140 API。因此采用自然伽馬能譜測井的去鈾自然伽馬和自然伽馬曲線對比，根據(jù)兩者之間的差值能快速識別出頁巖儲層，2條曲線間的包絡(luò)面積越大，反映有機質(zhì)含量(高含鈾)越高，指示相對較好的儲層(圖1)。

2.1.3 釷—鈾比值法

利用釷—鈾比值法可以識別沉積環(huán)境及富集帶。通常在強水動力(高能)環(huán)境下，釷含量相對較高，鈾、鉀含量相對較低；在弱水動力(低能)環(huán)境下則反之。此外，氧化還原環(huán)境也影響鈾含量值，比如在還原條件下，有機質(zhì)及鈾的含量高；而鉀含量與黏土含量緊密相關(guān)[11]。從圖2可知，在目的層上部，釷/鈾比值分布在2～7，為海相氧化還原過渡帶，是頁巖氣較富集帶；在目的層下部，釷/鈾比值整體小于2，為海相還原環(huán)境，同時自然電位響應(yīng)特征出現(xiàn)較明顯異常，為頁巖氣富集帶。

圖2 四川盆地涪陵頁巖氣田J區(qū)塊直井連井圖

2.2 含氣性參數(shù)定量表征模型

孔隙和裂縫是頁巖氣的主要儲集空間，通常情況下頁巖氣有3種方式賦存于頁巖儲層，其中吸附氣賦存于巖石顆粒及有機質(zhì)表面，游離氣以游離狀態(tài)賦存于孔隙及裂縫之中[12]，此外由于泥頁巖中溶解氣量所占比例極低，故計算頁巖氣總含氣量時可不考慮溶解氣含量。含氣性的定量表征應(yīng)重點計算4個參數(shù)：吸附氣含量、游離氣含量、含氣(水)飽和度和孔隙度[13]。

2.2.1 吸附氣含量

頁巖的吸附能力對頁巖的總含氣量、頁巖氣采收率以及開采價值的評價有著重要影響。通常情況下，可以通過蘭格繆耳等溫吸附實驗獲得地層最大的吸附氣含量[14]。目前，涪陵頁巖氣田J區(qū)塊系統(tǒng)開展等溫吸附實驗的溫度為85 ℃，該溫度接近頁巖氣藏的平均溫度。因此，可以建立該實驗溫度下測定的吸附氣含量與巖心總有機碳的關(guān)系式。但在實驗室條件下，巖石黏土表面對氣體存在一定的吸附能力，且實際的頁巖氣藏黏土表面被束縛水占據(jù)，降低了儲層對氣體的吸附能力，因此要開展烘干樣品與平衡水樣品的吸附氣校正研究。建立校正關(guān)系式如下。

Gw=1.01Gdry-0.32

式中：Gw、Gdry分別為頁巖平衡水樣品和烘干樣品吸附氣含量，m3/t。

基于校正后的吸附氣含量，可建立其與有機碳的關(guān)系式：

Gad=0.77w(TOC)+0.08

式中：Gad為頁巖吸附氣含量，m3/t；w(TOC)為總有機碳含量，%。

2.2.2 游離氣含量

游離氣含量除了容易受到儲層的地層壓力、溫度影響外，含水(氣)飽和度以及孔隙度也會影響游離氣的計算。采用LEWIS等提出的頁巖游離氣含量經(jīng)驗公式[15-16]，即在得到頁巖儲層含水飽和度及孔隙度后，再將地層條件下的含氣量換算到地表，即可得到J區(qū)塊頁巖游離氣含氣量。計算后的吸附氣和游離氣含量之和即可近似等于總含氣量。具體換算公式如下：

GT=Gad+Gfree

式中：Gfree為計算的游離氣含量，m3/t；Bg為氣體體積系數(shù)，常數(shù)無量綱，具體取值以J工區(qū)實際測算值為準；φ為計算頁巖儲層孔隙度，%；Sw為計算頁巖地層含水飽和度，%；ρb為地層巖石密度，g/cm3；GT為計算的總含氣量，m3/t。

要提高含氣量解釋可靠性，關(guān)鍵是要計算相對準確的含水飽和度和孔隙度。

2.2.3 含水飽和度

涪陵頁巖氣田儲層具有較強的非均質(zhì)性，且發(fā)育有微裂縫及黃鐵礦。現(xiàn)場在鉆井過程中，地層受到鉆井液侵入影響，電阻率曲線會出現(xiàn)明顯的低阻現(xiàn)象[17-18]。在頁巖儲層中，頁巖飽和度指數(shù)難以測量，地層水電阻率亦難以求準，因此傳統(tǒng)阿爾奇公式不適用于非常規(guī)頁巖儲層。通過將測井曲線信息與巖心實測分析資料進行相關(guān)性分析得知，基于密度、中子曲線可以與實測含水飽和度建立相應(yīng)的解釋模型，公式如下：

Sw=112.015ρb+0.035NPHI-249.418

Sg=100-Sw

式中：NPHI為中子測井值，%；Sg為計算含氣飽和度值，%。

2.2.4 孔隙度

涪陵頁巖氣田J區(qū)塊頁巖地層礦物成分復(fù)雜，孔隙度模型已經(jīng)不能像砂巖、碳酸鹽巖等地層，直接采用體積模型進行孔隙度計算。根據(jù)巖石物理特征和測井響應(yīng)特征分析，認為在該區(qū)塊孔隙度與聲波時差、中子等測井曲線具有一定的相關(guān)性。建立模型如下：

φ=0.156AC+0.093NPHI+1.906

式中：AC為聲波時差測井值，μs/ft。

測井定量計算的含氣性參數(shù)結(jié)果與巖心分析實測值吻合度較高，平均誤差較小，說明計算模型適用于該區(qū)塊。

3 頁巖儲層含氣性測井綜合評價

在常規(guī)油氣藏儲層含氣性評價研究中，通常建立以儲層孔隙度、滲透率等物性參數(shù)為依據(jù)的分類標準，而頁巖氣儲層致密、發(fā)育有微裂縫，儲層產(chǎn)能通常與儲層原生品質(zhì)和壓裂縫網(wǎng)的溝通程度有關(guān)，故需要針對頁巖氣的特點建立相應(yīng)的含氣性測井綜合評價方法[19]。

3.1 含氣性測井影響參數(shù)優(yōu)選

基于J區(qū)塊70口水平井測井綜合解釋成果，確定歸一化無阻流量為反映頁巖含氣性的比較參數(shù)序列，結(jié)合現(xiàn)場工程、試氣等資料，進行多參數(shù)對比，建立多種交會圖版并分析各相關(guān)系數(shù)，以此優(yōu)選影響含氣性測井評價的參數(shù)[20]。

涪陵頁巖氣田頁巖氣開發(fā)為分層系開發(fā)，J區(qū)塊已試氣井穿行層位主要以下部氣層為主。因此，為了盡量消除不同小層地質(zhì)條件差異的影響，本次研究選取地質(zhì)條件相近、主要穿行主力含氣層的開發(fā)井數(shù)據(jù)來開展研究。

通過各參數(shù)交會圖(圖3)分析可知，各參數(shù)與歸一化無阻流量均有一定的相關(guān)性。以無阻流量作為母序列，其他參數(shù)作為子序列，通過分析各參數(shù)與無阻流量相關(guān)性的高低，以該區(qū)域經(jīng)驗系數(shù)值0.55為門閥值，從中選取相關(guān)性相對較高的5個參數(shù)，即有機碳含量、含氣飽和度、孔隙度、埋深、硅質(zhì)含量作為影響含氣性評價的參數(shù)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.74，0.62，0.61，0.61，0.60；而相關(guān)性較弱的電阻率、全烴、壓力系數(shù)為次要參數(shù)，相關(guān)系數(shù)分別為0.44，0.40，0.16。其中，優(yōu)選的影響參數(shù)中，正相關(guān)指標為有機碳含量、孔隙度、含氣飽和度、硅質(zhì)含量，負相關(guān)指標為埋深。

圖3 四川盆地涪陵頁巖氣田J區(qū)塊各參數(shù)與無阻流量交會圖

3.2 構(gòu)建含氣性測井評價指數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，采用單一因素來評價含氣性常常會出現(xiàn)不同的結(jié)果。如采用有機碳含量來評價有效儲層，評價結(jié)果為Ⅰ類，而換用孔隙度來評價該儲層的結(jié)果可能僅為Ⅱ類。在J地區(qū)，為避免因采用單因素評價含氣性過程中造成評價結(jié)果不唯一、多種結(jié)果交叉影響的情況，建立了基于多個參數(shù)的含氣性測井評價指數(shù)(Gas-bearing Quality)，公式如下：

式中：GQ為儲層含氣性測井評價指數(shù)；Ri為歸一化含氣性評價參數(shù)；Wi為歸一化權(quán)重系數(shù)。

權(quán)重系數(shù)是針對各個具體評價因素而言、在計算權(quán)重時的一個相對概念，它反映出各評價因素在總體系統(tǒng)評價中所占的比例系數(shù)。確定權(quán)重系數(shù)的方法較多，在J區(qū)塊儲層含氣性測井綜合評價研究過程中，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法[21]來求取各評價參數(shù)的權(quán)重系數(shù)。前人已在常規(guī)砂巖、煤層氣儲層評價中采用灰色關(guān)聯(lián)法，深入挖掘各參數(shù)的影響程度，并由此進行綜合評價，取得了很好的應(yīng)用效果。

首先，由于不同參數(shù)的數(shù)值差異大，單位也不一樣，因此需要對各參數(shù)進行數(shù)據(jù)歸一標準化，使得各項參數(shù)具有可比性。以歸一化無阻流量作為母序列，含氣性敏感參數(shù)為子序列，對子序列參數(shù)采用極值法，使每項評價參數(shù)在0～1之間。其中，對正向指標有機碳含量、孔隙度、含氣飽和度、硅質(zhì)含量采取極小值法進行歸一化，對負向指標埋深采用極大值法進行歸一化。換算公式如下：

式中：Rij、Rik分別為經(jīng)極小值、極大值法歸一化后的各子參數(shù)序列，無量綱；A、B為原始子參數(shù)序列，無量綱；Amin、Bmin和Amax、Bmax分別為原始子參數(shù)序列的最小值和最大值，無量綱。

其次，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法的經(jīng)典公式，求取數(shù)值歸一化后的各子序列與母序列間的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度，計算公式如下：

式中：δoi為歸一化后的各子序列與母序列間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，無量綱；σ為分辨系數(shù)，常數(shù)，通常取值0.5；Δmin、Δmax分別為兩級最小差值和兩級最大差值，無量綱；Δoi(x)為歸一化后的同一點上各子序列與對應(yīng)母序列之間的絕對差值，無量綱；ri為各子序列參數(shù)的關(guān)聯(lián)度，無量綱；δi(x)為子序列上各點對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，無量綱；N為子序列上參與比較的點的個數(shù)。其中，子序列與母序列之間的關(guān)聯(lián)度越接近1，表明該子因素對母因素的影響越大[22]。

將計算出的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度代入下式：

式中：Wi為歸一化權(quán)重系數(shù)；ri為各子序列參數(shù)的關(guān)聯(lián)度，在本式中，共選取了5個子參數(shù)序列，因此N=5，即可得到權(quán)重系數(shù)Wi(表1)。

表1 各項參數(shù)權(quán)重系數(shù)

最后，將計算出的各參數(shù)權(quán)重系數(shù)代入GQ的計算公式，即可得到含氣性測井評價指數(shù)GQ的具體計算公式，即：GQ= 0.22×歸一化后有機碳含量+0.18×歸一化后孔隙度+0.22×歸一化后含氣飽和度+0.19×歸一化后硅質(zhì)含量+0.19×歸一化后埋深，由此可以計算出J區(qū)塊70口水平井的GQ值。

根據(jù)頁巖含氣性綜合評價指標GQ以及各數(shù)值的分布區(qū)間，可做出涪陵頁巖氣田J區(qū)塊頁巖儲層含氣性測井綜合評價指數(shù)值的概率累計分布曲線(圖4)。從圖4可以看出，曲線存在拐點即表明最大變化點，說明不同水平井的含氣性存在差異。由此可以根據(jù)曲線區(qū)域分界值(0.37和0.57)，對含氣性的等級分類進行劃分，即Ⅰ類含氣儲層GQ≥0.57，Ⅱ類含氣儲層0.37

圖4 含氣性綜合評價指數(shù)概率累積曲線

基于該分類閾值，將J區(qū)塊51口已進行產(chǎn)能測試井的最高測試產(chǎn)量值投在交會圖版上(圖5)，分析可知共有47口井最高測試產(chǎn)量投射在3種分類閾值區(qū)間里，符合率達到92.2%，說明用基于測井資料建立的GQ指數(shù)來評價儲層含氣性是可靠、有效的。

圖5 含氣性綜合評價指數(shù)與最高測試產(chǎn)量交會圖

3.3 建立含氣性測井綜合評價標準

將J區(qū)塊51口已測試的井按產(chǎn)量高低分為3類，即高產(chǎn)能區(qū)、中等產(chǎn)能區(qū)和低產(chǎn)能區(qū)[23-24]，并繪制不同產(chǎn)能分類下的各測井參數(shù)與含氣性測井綜合評價指數(shù)GQ的交會圖版(圖6)。基于含氣性測井綜合評價指數(shù)GQ，結(jié)合該區(qū)實際地質(zhì)情況，建立區(qū)域內(nèi)以GQ、有機碳含量、孔隙度、硅質(zhì)含量為主的儲層含氣性測井評價分類標準(表2)。

圖6 四川盆地涪陵頁巖氣田J區(qū)塊測井參數(shù)與含氣性測井綜合評價指數(shù)交會圖

表2 四川盆地涪陵頁巖氣田J區(qū)塊含氣性測井綜合評價標準

3.4 應(yīng)用分析

(1)以J區(qū)塊北部焦頁X-5HF井為例。該井氣層中深為2 753.2 m，水平段各參數(shù)測井解釋平均值如下：孔隙度為4.72%，有機碳含量為4.7%，硅質(zhì)含量為61.67%，含氣飽和度為67.62%。將上述評價參數(shù)歸一化無量綱化處理后得到：埋深0.93，孔隙度0.64，有機碳0.99，硅質(zhì)0.83，含氣飽和度0.99。利用含氣性綜合評價指數(shù)計算，GQ=0.19×0.93+0.18×0.64+0.22×0.99+0.19×0.83+0.22×0.99=0.88，含氣性綜合評價為Ⅰ類。該井試氣后最高測試產(chǎn)量為62.9×104m3/d，歸一化無阻流量為90.7×104m3/d，評價為高產(chǎn)能井，證實含氣性評價結(jié)果與實際試氣結(jié)果吻合。

(2)以J區(qū)塊南部焦頁Y-1HF井為例。該井氣層中深為3 484 m，水平段各參數(shù)測井解釋平均值如下：孔隙度為4.45%， 有機碳含量為3.9%，硅質(zhì)含量為57.75%，含氣飽和度為64.79%，將上述評價參數(shù)歸一化無量綱化處理后得到：埋深0.5，孔隙度0.59， 有機碳0.57，硅質(zhì)0.38，含氣飽和度0.46。利用含氣性綜合評價指標計算，GQ=0.19×0.5+0.18×0.59+0.22×0.57+0.19×0.38+0.22×0.46=0.5，含氣性綜合評價為Ⅱ類。該井試氣后最高測試產(chǎn)量為12.3×104m3/d，歸一化無阻流量為17.2×104m3/d，評價為中等產(chǎn)能井，證實含氣性評價結(jié)果與實際試氣結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

(1)形成了一套基于測井資料的含氣性綜合評價方法?；趲r心資料建立的含氣性參數(shù)定量解釋模型計算的孔隙度、含水飽和度、含氣量結(jié)果與實測參數(shù)值吻合度高。

(2)優(yōu)選了有機碳含量、孔隙度、含氣飽和度、硅質(zhì)含量、埋深為影響J區(qū)塊含氣性測井評價的敏感參數(shù)，其權(quán)重系數(shù)分別為0.22，0.18，0.22，0.19，0.19，其中，有機碳含量、孔隙度、含氣飽和度、硅質(zhì)含量為正相關(guān)指標參數(shù)，埋深為負相關(guān)指標參數(shù)。

(3)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法構(gòu)建J區(qū)塊含氣性測井評價指數(shù)GQ，建立了含氣性測井評價標準。Ⅰ類儲層GQ≥0.57，Ⅱ類儲層0.37