張培先

(中石化華東分公司，江蘇 南京 210011)

頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)研究
——以川東南海相地層為例

張培先

(中石化華東分公司，江蘇 南京 210011)

頁巖氣主要以游離和吸附方式賦存于暗色泥頁巖或炭質(zhì)泥頁巖中。其中，游離氣一般賦存于泥頁巖的孔隙或裂縫中，而吸附氣主要賦存于泥頁巖中的有機(jī)質(zhì)或黏土顆粒表面。依據(jù)不同測(cè)井曲線的基本原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，利用測(cè)井技術(shù)對(duì)頁巖氣進(jìn)行識(shí)別分析與評(píng)價(jià)，并分別計(jì)算出游離氣含量和吸附氣含量。通過研究分析，提出了計(jì)算頁巖游離氣含量“四步法”和吸附氣含量“三步法”。依據(jù)建立的頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)模型，以川東南海相頁巖地層為例進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用，取得了良好的效果。

游離氣含量;吸附氣含量;測(cè)井評(píng)價(jià);頁巖氣;海相頁巖;川東南地區(qū)

引 言

頁巖氣是賦存在暗色泥頁巖及其所夾砂巖、粉砂巖地層中的天然氣［1－5］。頁巖氣賦存狀態(tài)具有多樣性，包括游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)等，但主要以前兩者為主，占總含氣量的90%以上。游離態(tài)天然氣含量主要與泥頁巖孔隙、含氣飽和度等因素有關(guān)，吸附態(tài)天然氣與泥頁巖的有機(jī)碳含量高低有關(guān)［6－7］，而不同的測(cè)井曲線及其組合可以得出包括泥頁巖孔隙、含氣飽和度、有機(jī)碳含量等相關(guān)信息。本文利用測(cè)井曲線的基本原理，求得頁巖游離氣含量和吸附氣含量，實(shí)現(xiàn)頁巖氣的測(cè)井評(píng)價(jià)，為頁巖氣資源評(píng)價(jià)提供參考。

1 頁巖游離氣含量的測(cè)井評(píng)價(jià)

1.1 泥頁巖識(shí)別

由于泥頁巖在測(cè)井曲線上有很好的反映，可通過測(cè)井曲線組合有效地識(shí)別出泥頁巖段。自然電位、自然伽馬、密度以及井徑測(cè)井都可以反映地下巖性的變化，均可判斷出泥頁巖段。

1.2 孔隙度預(yù)測(cè)

由于泥頁巖的壓實(shí)作用，孔隙度普遍偏低，可

式中：φ為地層孔隙度，%;Δt為由聲波時(shí)差曲線讀出的地層聲波時(shí)差，μs/m;Δtf為孔隙流體的聲波時(shí)差，μs/m;Δtma為巖石骨架的聲波時(shí)差，μs/m

1.3 含氣飽和度計(jì)算

針對(duì)頁巖氣母巖，假定孔隙空間中不存在油只存在氣、水兩相流體，可采用阿爾奇經(jīng)驗(yàn)公式［8計(jì)算含水飽和度：利用計(jì)算純地層的孔隙度公式進(jìn)行孔隙度預(yù)測(cè)：

式中：Swt為泥頁巖含水飽和度，%;Rwc為泥頁巖中水電阻率，Ω·m;φt為泥頁巖總孔隙度，%;Rt為泥頁巖電阻率，Ω·m;系數(shù)a、b，指數(shù)m、n可通過實(shí)驗(yàn)樣品的巖電實(shí)驗(yàn)取得，也可采用經(jīng)驗(yàn)值，a=0.62，b=1，m=2.15，n=2。

當(dāng)?shù)玫侥囗搸r地層含水飽和度Swt后，可得含氣飽和度Sg=1－Swt。

1.4 游離氣含量確定

假定地下巖石孔隙體積在地下和地面2種狀態(tài)下并沒有發(fā)生顯著的變化，即ΔV孔=0。根據(jù)實(shí)際氣體狀態(tài)方程，可得：

式中：n為氣體物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，mol;ρ為氣態(tài)物質(zhì)的密度，g/cm3;V為氣體體積，cm3;M為氣體分子質(zhì)量，g/mol;p1為地面狀態(tài)下的壓力，Pa;V1為常壓下充填在巖石孔隙中的氣體體積，在常壓下等同于地面巖石孔隙體積，m3;T1為常溫(20℃)對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度，K;p2為地下某深度處的靜水壓力，Pa;H為地下深度，m;V2為地下H深度處壓縮的氣體在地面狀態(tài)下的體積，m3;T2為地下溫度對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)溫度，K。

式中：m巖為巖石的質(zhì)量，t，在此取1 t;q游離為游離氣含量，m3/t;ρ巖為巖石密度，g/cm3;φ孔為巖石孔隙度，%;Sg為含氣飽和度，%。

2 頁巖吸附含氣量的測(cè)井評(píng)價(jià)

以吸附態(tài)賦存的頁巖氣占到了總含氣量的25% ～80%［9］，而泥頁巖中有機(jī)碳含量(TOC)是影響頁巖氣吸附的最主要因素，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，通過測(cè)井技術(shù)可對(duì)有機(jī)碳含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頁巖吸附氣含量的測(cè)井評(píng)價(jià)。

2.1 TOC測(cè)井預(yù)測(cè)模型建立

根據(jù)測(cè)井曲線對(duì)高有機(jī)碳含量的異常響應(yīng)，對(duì)不同的測(cè)井曲線及其組合進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終剔除成熟度這個(gè)不確定性因素，在 ΔlgR［10－13］方法的基礎(chǔ)上同時(shí)結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)原理，選取了聲波時(shí)差測(cè)井與電阻率測(cè)井，建立了兩者與有機(jī)碳含量間的線性關(guān)系式：

式中：TOC為有機(jī)碳含量，%;x、y、z為待確定的系數(shù);Rt為電阻率，Ω·m;其中z為常數(shù)項(xiàng)，針對(duì)不同的研究工區(qū)，依據(jù)實(shí)際情況，通過公式擬合確定各自的模型系數(shù)。

2.2 頁巖吸附氣含量計(jì)算

依據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)，頁巖氣的吸附氣含量隨壓力的增大而增加，到達(dá)一定壓力后，吸附氣含量達(dá)到“飽和”而不再增加。統(tǒng)計(jì)各個(gè)樣品同一壓力下的吸附氣含量，然后與各自的有機(jī)碳含量進(jìn)行擬合，從而確定頁巖吸附氣含量與有機(jī)碳含量的關(guān)系：

式中：q吸附為吸附氣含量，m3/t;A、B為參數(shù)，可通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)確定。

不同研究區(qū)，由于地質(zhì)條件不盡相同，參數(shù)也各不相同，待確定參數(shù)后，利用公式(8)在縱向上求出連續(xù)變化的頁巖吸附含氣量。

3 海相頁巖中的應(yīng)用

四川盆地川東南地區(qū)古生界沉積了多套厚層黑色頁巖。其中，發(fā)育的龍馬溪組、牛蹄塘組2套黑色頁巖具有厚度大、有機(jī)碳含量高、熱演化程度適中、埋深適中的特點(diǎn)，最適合頁巖氣聚集成藏經(jīng)鉆井研究分析，多口鉆井證實(shí)在這2套頁巖層系中見明顯氣測(cè)異常、氣侵甚至井噴井漏等情況。因此，將該區(qū)作為海相頁巖代表進(jìn)行了頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)研究。

3.1 游離氣含量計(jì)算

通過對(duì)川東南地區(qū)丁山1井2套頁巖層系進(jìn)行測(cè)井評(píng)價(jià)，分析該區(qū)海相頁巖地層的頁巖氣勘探潛力。按照建立的游離氣含量計(jì)算公式模型，對(duì)丁山1井龍馬溪組和牛蹄塘組游離氣含量進(jìn)行計(jì)算得出龍馬溪組和牛蹄塘組的游離氣平均含量分別為1.66、0.87 m3/t，縱向上由淺層位向深層位，游離氣含量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)(圖1)。

圖1 丁山1井龍馬溪組游離與吸附氣含量預(yù)測(cè)

3.2 吸附氣含量計(jì)算

通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲得海相頁巖的吸附氣含量與有機(jī)碳含量的關(guān)系。四川盆地頁巖吸附氣含量與有機(jī)碳含量關(guān)系式(圖2)為：

圖2 四川盆地龍馬溪組有機(jī)碳含量與吸附氣含量關(guān)系

通過有機(jī)碳含量識(shí)別、等溫吸附實(shí)驗(yàn)以及研究區(qū)吸附氣含量與有機(jī)碳含量的關(guān)系建立，得到丁山1井龍馬溪組和牛蹄塘組的吸附氣含量。經(jīng)過評(píng)價(jià)，龍馬溪組和牛蹄塘組的吸附氣含量平均值分別為0.53、0.58 m3/t(剔除灰?guī)r段)，由淺至深，頁巖吸附氣含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(圖1)。

3.3 總含氣量計(jì)算

頁巖總含氣量是頁巖游離氣含量與吸附氣含量之和。對(duì)丁山1井龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖分別求得游離氣含量與吸附氣含量后，可得到頁巖總含氣量(圖1)。

通過對(duì)丁山1井龍馬溪組、牛蹄塘組的頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)，2個(gè)層位的總平均頁巖氣含量分別為2.19、1.45 m3/t;按井控面積為0.01 km2進(jìn)行計(jì)算，可得到資源量分別為717.44×104、373.23×104m3。從下到上，頁巖氣含量及資源量逐漸增大表明龍馬溪組的頁巖氣潛力優(yōu)于牛蹄塘組(表1)

表1 四川盆地丁山1井頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

對(duì)于盆地其他地區(qū)，可按照上述過程計(jì)算頁巖游離氣和吸附氣含量，從而在平面上擴(kuò)大對(duì)頁巖氣含量的研究范圍，為頁巖氣有利區(qū)的評(píng)價(jià)做準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)頁巖地層在不同測(cè)井曲線上的響應(yīng)特征，通過巖性識(shí)別、孔隙度和含氣飽和度計(jì)算、氣體狀態(tài)方程、有機(jī)碳含量測(cè)井評(píng)價(jià)以及等溫吸附實(shí)驗(yàn)等方面的研究，建立了頁巖游離氣含量與吸附氣含量測(cè)井評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)單井頁巖氣資源量地質(zhì)評(píng)價(jià)，由點(diǎn)到面，為實(shí)現(xiàn)地區(qū)的資源評(píng)價(jià)提供重要參數(shù)。

(2)利用建立的2個(gè)測(cè)井評(píng)價(jià)模型對(duì)川東南地區(qū)海相頁巖地層進(jìn)行了頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)研究，具有較好的應(yīng)用效果。

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Logging evaluation of shale gas：a case study of marine shale in southeastern Sichuan

ZHANG Pei－xian
(East China Company，SINOPEC，Nanjing，Jiangsu 210011，China)

Shale gases mainly occur in dark shale or carbonaceous shale as free and adsorbed gas．Free gas generally occurs in shale pores or cracks，and adsorbed gas mainly occurs on the surface of organic matter or clay grains．This paper identifies and evaluates shale gases by using well logging technology and combining with experimental measurement，and respectively calculates free gas content and adsorbed gas content．A"four－step"method for calculating free gas content and a"three－step"method for adsorbed gas content are proposed．Moreover，a shale gas logging evaluation model has been set up and applied to the marine shale formation in southeastern Sichuan，China，and has achieved good result．

free gas content;adsorbed gas content;logging evaluation;shale gas;marine shale;southeastern Sichuan

TE122

A

10.3969/J.ISSN.1006－6535.2012.03.001

1006－6535(2012)02－0012－04

20110711;改回日期：20110825

國家自然科學(xué)基金“頁巖氣聚集機(jī)理與成藏條件”(40672087)

張培先(1983－)，男，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)地球資源與信息學(xué)院，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事頁巖氣勘探等方面的研究工作。

編輯黃華彪