頁巖氣錄井技術(shù)進(jìn)展及展望

吳 尤

（中石化經(jīng)緯有限公司華北測控公司，河南 鄭州 453700）

頁巖氣主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于頁巖的微納米孔隙中，需要通過壓裂排采等人工改造才能采出的非常規(guī)油氣藏，通過國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)的實(shí)踐認(rèn)識，頁巖氣藏具有初期高產(chǎn)但產(chǎn)量遞減快、后期低產(chǎn)且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長的特點(diǎn)［1-5］。近十幾年，國內(nèi)經(jīng)過四川盆地及周緣、黔北正安、鄂西恩施等地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)，針對下古生界奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組、吳家坪組等富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，形成了多種頁巖氣錄井技術(shù)方法，在頁巖氣層識別與評價(jià)方面發(fā)揮了重要作用［6-14］。

頁巖氣錄井技術(shù)的發(fā)展可為頁巖氣層有效劃分、孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)刻畫和含氣性定量評價(jià)提供更為有效的技術(shù)方法，為頁巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供支撐，提高水平井優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率，提供頁巖氣層壓裂改造選層選段方案，促進(jìn)頁巖氣水平井增儲上產(chǎn)，有效提升頁巖氣勘探開發(fā)效益。

1 頁巖氣錄井技術(shù)進(jìn)展

通過對諸多應(yīng)用實(shí)例的總結(jié)分析，利用氣相色譜錄井、巖石熱解錄井等常規(guī)錄井方法和元素錄井、核磁錄井、自然伽馬能譜錄井、碳同位素錄井等特殊錄井方法，基于地質(zhì)工程一體化評價(jià)原則，以頁巖氣甜點(diǎn)預(yù)測技術(shù)方法為指導(dǎo)，注重表征參數(shù)的全面性和有效性，總結(jié)了富有機(jī)質(zhì)頁巖的烴源巖特性、巖性、物性、含氣性和脆性的“五性”特征評價(jià)的錄井技術(shù)方法（表1）。

表1 頁巖氣錄井技術(shù)Table 1 Mud logging technology for shale gas

1.1 烴源巖特性錄井技術(shù)

頁巖烴源巖特性主要是通過頁巖總有機(jī)碳含量（TOC）表征，TOC是評價(jià)頁巖有機(jī)質(zhì)豐度及劃分烴源巖品質(zhì)的重要依據(jù)。通過巖石熱解錄井可以直接獲得頁巖的TOC，頁巖樣品在熱解儀內(nèi)進(jìn)行程序升溫，頁巖中的有機(jī)質(zhì)在不同溫度下產(chǎn)生裂解，部分有機(jī)質(zhì)裂解成烴類成分，由氫焰離子化檢測器檢測出各烴類組分含量，熱解后的樣品繼續(xù)放入氧化爐升溫加熱，樣品中殘余的有機(jī)碳氧化為CO2和少量CO，由熱導(dǎo)檢測器檢測其含量，綜合得到頁巖樣品中TOC［10］。

巖石熱解錄井是獲得TOC最直接有效的手段，當(dāng)頁巖氣井鉆探過程中使用PDC鉆頭時(shí)，造成巖屑細(xì)小粉碎等情況，導(dǎo)致巖石熱解樣品難以選取時(shí)，利用自然伽馬能譜錄井計(jì)算TOC成為一種有效方法。自然伽馬能譜錄井是利用探測儀器測量頁巖樣品的鈾、釷、鉀元素伽馬射線的混合譜，運(yùn)用能譜分析的方法，根據(jù)鈾、釷、鉀的自然伽馬能譜特征進(jìn)行解譜，從而確定頁巖樣品中鈾、釷、鉀各自含量的錄井技術(shù)。當(dāng)富有機(jī)質(zhì)頁巖中TOC增高時(shí)，頁巖巖石顆粒對鈾離子的吸附力也會增強(qiáng)，測量得到的鈾含量會明顯增高。通常利用U元素與TOC的正相關(guān)關(guān)系［式（1）］，采用擬合回歸法計(jì)算頁巖氣層的總有機(jī)碳含量［6］。相比巖石熱解法，這種TOC參數(shù)計(jì)算方法更簡便快捷。

式中：TOC——總有機(jī)碳含量；U——頁巖鈾元素含量，μg/g；a、b——地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，以巖心實(shí)驗(yàn)分析獲取。

1.2 頁巖巖性和脆性錄井技術(shù)

頁巖巖性通過頁巖中各類礦物的含量來表征，利用元素錄井可以獲得頁巖的礦物含量。常用的元素錄井儀器是XRF元素分析儀，可以檢測頁巖巖屑、巖心樣品中的Na、Mg、Al、Si等33種元素［7］。較為先進(jìn)的元素錄井儀器是RoqSCAN儀器，這種儀器配備有掃描電鏡與X射線檢測器，不僅可以測得頁巖的元素成分，而且還可以獲得頁巖的顯微圖像［12］。通過元素錄井測量得到的頁巖中各元素含量，運(yùn)用氧化閉合物模型等方法計(jì)算得到頁巖的礦物成分，可以識別巖性和劃分頁巖層段；同時(shí)根據(jù)礦物成分可以測算脆性物質(zhì)含量，定量評價(jià)頁巖的脆性和可壓性。

自然伽馬能譜錄井測得的頁巖中鈾含量對優(yōu)質(zhì)頁巖有重要的指示作用，與元素錄井測量資料結(jié)合使用可以有效識別優(yōu)質(zhì)頁巖層段，進(jìn)行頁巖層地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)的優(yōu)選。川南某井奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組元素錄井和自然伽馬能譜錄井結(jié)果可以看出（圖1），五峰組和龍馬溪組一段底頁巖層段自然伽馬能譜錄井呈現(xiàn)高U值，元素錄井的硅值較高，明確指示頁巖高有機(jī)碳含量和較好的脆性特征。體現(xiàn)出元素錄井和自然伽馬能譜錄井組合應(yīng)用在預(yù)測頁巖地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)方面的優(yōu)勢。

圖1 四川盆地X井巖性錄井圖[13]Fig.1 Lithological mud logging plot Well X in Sichuan Basin

1.3 頁巖物性錄井技術(shù)

頁巖的物性是指頁巖的孔滲特征，目前用于頁巖物性分析的錄井方法主要是核磁共振錄井方法。核磁共振錄井是測量頁巖孔隙中流體的氫核在外加磁場作用后，再通過脈沖作用產(chǎn)生弛豫過程的弛豫時(shí)間，現(xiàn)有核磁共振錄井儀器測量的是氫核的橫向弛豫時(shí)間T2，通過對T2譜的定量分析進(jìn)行頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的定量評價(jià)。目前應(yīng)用的納米孔隙核磁共振分析儀檢測的最小頁巖孔徑是2 nm，分析巖屑樣品的粒徑要超過2 mm，否則檢測誤差較大［13］。

RoqSCAN元素錄井儀器由于配備有高倍電子掃描顯微鏡，可以通過觀察制備樣品的孔隙形態(tài)對頁巖的孔隙特征進(jìn)行分析。在四川盆地某井RoqSCAN掃描圖像可以看出頁巖孔隙的形狀、含量和分布方式等信息［12］（圖2）。

圖2 四川盆地X井RoqSCAN錄井圖[12]Fig.2 RoqSCAN mud logging plot of Well X in Sichuan Basin

1.4 頁巖含氣性錄井技術(shù)

頁巖的含氣性是指頁巖層內(nèi)所含氣體的成分和含量，主要包括游離氣和吸附氣成分及含量。氣測錄井技術(shù)是通過檢測鉆井液從井下攜帶烴類氣體進(jìn)行油氣層識別的一種方法。鉆探過程中，鉆頭破巖后，地層內(nèi)的頁巖氣會侵入井筒隨鉆井液循環(huán)到地面，經(jīng)過鉆井液脫氣器攪拌后將氣體連續(xù)脫出，由氣路管線輸送至氣體檢測分析儀連續(xù)測定氣體組分和含量，檢測得到的主要是頁巖中的游離氣含量。實(shí)際應(yīng)用過程中，對比分析發(fā)現(xiàn)鉆井相應(yīng)深度點(diǎn)上氣測錄井獲取的頁巖氣含量與頁巖氣巖心解析儀分析得到的解析氣量相關(guān)性較強(qiáng)，通過選取頁巖氣層多點(diǎn)氣測錄井?dāng)?shù)據(jù)和解析氣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，可以建立基于氣測全烴值的頁巖游離氣含量估算公式［8］，既用于頁巖含氣量的定性評價(jià)和定量估算，又可以節(jié)省用于解析實(shí)驗(yàn)所需的鉆探取心費(fèi)用。

近年來應(yīng)用的另一種判斷頁巖含氣性的錄井方法是碳同位素錄井技術(shù)，其原理是利用快速色譜分離由泥漿氣和鉆屑罐裝氣獲取的頁巖氣烴類氣體組分，然后在氧化池使其燃燒為二氧化碳，通過中紅外激光光譜測量腔室，利用12C-O、13C-O碳同位素的分子鍵對激光不同的吸收特征，實(shí)現(xiàn)對碳同位素的測量。通過在鄂西和川東南地區(qū)的應(yīng)用效果看（圖3），根據(jù)甲烷和乙烷碳同位素反轉(zhuǎn)特征可以分析頁巖氣的熱演化階段，進(jìn)而判斷優(yōu)質(zhì)頁巖含氣性［9，14-15］。

圖3 四川盆地X井碳同位素錄井圖[9]Fig.3 Carbon isotope mud logging plot of Well X in Sichuan Basin

2 頁巖氣錄井技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 優(yōu)快鉆井技術(shù)需要

為適應(yīng)頁巖氣勘探開發(fā)降本增效的需求，目前應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與地質(zhì)導(dǎo)向相結(jié)合的技術(shù)增加了鉆井速度，而且頁巖水平井的水平段越來越長，對鉆探靶體的精度要求越來越高。鉆井液成分越來越復(fù)雜［16-20］，致使井下巖屑樣品更加破碎，甚至呈粉末狀，而且?guī)в卸喾N鉆井液添加劑，嚴(yán)重影響了錄井分析樣品挑選的代表性和分析的準(zhǔn)確性，給水平井地質(zhì)導(dǎo)向和鉆探靶體優(yōu)化帶來極大挑戰(zhàn)。

2.2 勘探對象的復(fù)雜性

隨著頁巖氣勘探開發(fā)程度越來越高，面對的勘探對象日趨復(fù)雜，海相深層頁巖氣地層溫度高、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)常壓頁巖氣地層能量不足、陸相及海陸過渡相頁巖氣儲層非均質(zhì)性強(qiáng)等勘探難題［21-23］，使優(yōu)質(zhì)頁巖甜點(diǎn)預(yù)測難度越來越大，急需創(chuàng)新水平井鉆探箱體優(yōu)選錄井技術(shù)。

2.3 頁巖氣層精細(xì)開發(fā)需求

基于頁巖氣層立體開發(fā)和差異化壓裂等開發(fā)技術(shù)需要，亟需地質(zhì)工程一體化技術(shù)共同打造“透明”頁巖氣藏，特別是對加密井的水平井穿行軌跡準(zhǔn)確把控，可有效降低施工難度、提高頁巖氣層改造縫網(wǎng)的效果［24-26］。因此，需要進(jìn)行井筒全方位立體化刻畫錄井技術(shù)攻關(guān)。

3 頁巖氣錄井技術(shù)發(fā)展對策及展望

3.1 持續(xù)提升錄井儀器性能

為解決優(yōu)快鉆井條件下巖屑樣品代表性差、水平段井筒條件復(fù)雜等問題，錄井儀器的研發(fā)應(yīng)基于高分辨率、多維度攻關(guān)方向，持續(xù)提升元素錄井儀器的分辨率和精確度，升級高分辨率核磁共振錄井儀器性能，加大研發(fā)和應(yīng)用定量脫氣器、多維核磁共振分析儀等新型設(shè)備，提升激光錄井、巖屑聲波錄井等錄井新技術(shù)的應(yīng)用水平，提升分析效率，縮短分析周期，實(shí)現(xiàn)頁巖氣層快速化精細(xì)化評價(jià)。

3.2 加強(qiáng)地質(zhì)工程一體化錄井技術(shù)攻關(guān)

基于頁巖氣勘探開發(fā)降本增效的需求，錄井技術(shù)的發(fā)展應(yīng)在地質(zhì)甜點(diǎn)評價(jià)和工程甜點(diǎn)評價(jià)2個(gè)方面加強(qiáng)方法研究，立足鉆探現(xiàn)場，發(fā)揮“快速、直接”的優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)頁巖元素快速檢測、孔隙結(jié)構(gòu)立體刻畫和氣體實(shí)時(shí)分析的同時(shí)，加強(qiáng)巖石力學(xué)等工程甜點(diǎn)參數(shù)分析能力，與巖心測試、測井等技術(shù)方法相結(jié)合，創(chuàng)新頁巖氣地質(zhì)工程一體化錄井預(yù)測和評價(jià)水平，提高水平井優(yōu)質(zhì)頁巖箱體鉆遇率，提升頁巖氣層改造效果。

3.3 提升錄井大數(shù)據(jù)應(yīng)用水平

基于錄井大數(shù)據(jù)資源，以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)為驅(qū)動，立足頁巖氣井長水平段、復(fù)雜目標(biāo)靶體等生產(chǎn)需求，建立多因素耦合分析模型，致力開發(fā)錄井參數(shù)智能分析與數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用平臺，進(jìn)行頁巖氣井井筒含氣特征和穩(wěn)定性能風(fēng)險(xiǎn)智能診斷、隨鉆智能地層評價(jià)與導(dǎo)向系統(tǒng)優(yōu)化，形成自動化智能化錄井工程技術(shù)系列，實(shí)現(xiàn)頁巖氣勘探開發(fā)全過程錄井技術(shù)的最優(yōu)化。

4 結(jié)論

（1）“十三五”期間，頁巖氣錄井技術(shù)快速發(fā)展，形成了以巖石熱解錄井和自然伽馬能譜錄井為主的烴源巖特性評價(jià)技術(shù)，以元素錄井和自然伽馬能譜錄井為主的頁巖巖性、脆性評價(jià)技術(shù)，以氣測錄井、碳同位素錄井為主的含氣性評價(jià)技術(shù)，以核磁錄井為主的頁巖物性評價(jià)技術(shù)，有力支撐了我國頁巖氣高效勘探和效益開發(fā)。

（2）“十四五”及今后，頁巖氣仍會是國內(nèi)天然氣增儲上產(chǎn)的重點(diǎn)領(lǐng)域，而且頁巖氣的勘探開發(fā)對象日趨復(fù)雜，建議立足精細(xì)化和立體化技術(shù)需求，不斷提升錄井儀器性能，加強(qiáng)地質(zhì)工程一體化錄井評價(jià)技術(shù)攻關(guān)，提升錄井大數(shù)據(jù)應(yīng)用水平，逐步形成自動化智能化錄井工程技術(shù)系列，持續(xù)為頁巖氣精細(xì)化勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐，推動頁巖氣藏勘探開發(fā)高效優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。