戴長林 石文睿 程 俊 石元會 黃 強(qiáng) 趙紅燕

1．中國石化集團(tuán)江漢石油管理局測錄井工程公司 2．長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院

鉆井過程中，利用傳統(tǒng)的砂巖和碳酸鹽巖油氣層錄井評價方法評價頁巖氣儲層存在較多局限性［1－4］。主要表現(xiàn)為：能夠滿足工業(yè)開發(fā)的頁巖氣氣層巖性特殊，脆性礦物含量較高，需要現(xiàn)場能夠準(zhǔn)確確定頁巖礦物成分，判斷巖性；頁巖氣儲層致密，孔隙度與滲透率特別低，傳統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)多認(rèn)為其為干層或非儲層；頁巖氣層微裂縫較發(fā)育，隨鉆錄井顯示活躍，干擾較多，甄別有效儲層難；隨鉆定量評價頁巖氣儲層，需要解決地層壓力、孔隙度、滲透率、含氣飽和度、總有機(jī)碳含量、吸附氣含氣量、游離氣含氣量等參數(shù)的測量方法及評價標(biāo)準(zhǔn)。頁巖氣儲層同時具有致密砂巖、致密碳酸鹽巖油氣層的一些特征，這為評價頁巖氣儲層提供了借鑒作用［2－6］。

1 隨鉆測量方法

1．1 方法分類

頁巖氣儲層隨鉆測量方法按測量設(shè)備和傳統(tǒng)認(rèn)識分類，主要分為以LWD為主的隨鉆測井和以氣測儀、綜合錄井儀為主的隨鉆錄井兩類。從廣義角度來說，隨鉆錄井主要包括地質(zhì)錄井、鉆時錄井、氣測錄井和綜合錄井及特殊方法錄井［4］。

目前國內(nèi)現(xiàn)場頁巖氣儲層隨鉆測量工作量相對較大的測量方法是隨鉆錄井。國外的頁巖氣儲層評價經(jīng)驗顯示，包括地化錄井、核磁錄井、地層元素錄井、巖屑伽馬錄井在內(nèi)的特殊方法錄井和巖屑、巖心地質(zhì)錄井，以及包括鉆時錄井、氣測錄井在內(nèi)的綜合錄井，在頁巖氣儲層隨鉆測量與評價中起著相對重要作用［5－6］。

1．2 主要測量項目

綜合錄井項目主要有深度、鉆時、全烴、烴組分（C1～C5）、非烴組分、dc指數(shù)、Sigma值、鉆井液密度測量等。這些項目包括了鉆時錄井、氣測錄井內(nèi)容，可為頁巖氣儲層評價提供地層孔隙度、滲透率、含氣飽和度、地層孔隙流體壓力梯度、地層破裂壓力梯度及頁巖吸附氣含氣量、游離氣含氣量等參數(shù)。

地層元素錄井、巖屑伽馬錄井項目主要有巖屑或巖心的礦物成分測量及巖屑自然伽馬測量。它們?yōu)轫搸r氣儲層評價提供地層巖性、脆性礦物含量參數(shù)。地層元素錄井使用的X射線熒光分析儀的礦物成分測量，能準(zhǔn)確給出Si、Ga、Mg、K、U、Th、Fe、Al等10余種元素的相對變化，可定量計算出礦物成分。

地化錄井主要測量巖屑或巖心的總有機(jī)碳含量、S0、S1、S2等參數(shù)?？傆袡C(jī)碳含量測定實質(zhì)是通過測量殘余碳計算得到的一個參數(shù)，可以估算頁巖層的吸附氣含量、游離氣含量。

核磁錄井主要測量巖屑或巖心的孔隙度、滲透率、束縛水飽和度等參數(shù)。

2 隨鉆評價方法

2．1 巖性識別

判別巖性的難點是高速PDC鉆頭條件下形成的粉末狀巖屑巖性識別。對于該類巖屑，常規(guī)肉眼自然光下基本無法識別，只能依靠元素錄井儀、巖屑伽馬錄井儀測量巖屑的礦物成分及自然伽馬強(qiáng)度，識別粉末狀巖屑巖性。由于巖屑伽馬錄井儀測量時效高，儀器操作工作量小，一般多用巖屑伽馬錄井方法識別粉末狀巖屑巖性。

通常，泥頁巖巖屑自然伽馬值比砂巖混合樣（砂巖含量10%～20%）高5～10個計數(shù)值，是純砂巖（砂巖含量50%～80%）的2～3倍，而且泥頁巖含量與自然伽馬值呈線性關(guān)系。采用地區(qū)泥頁巖—砂巖自然伽馬交會圖版判別，或是利用繪制的連續(xù)地層錄井自然伽馬曲線圖分析，都非常方便。

國內(nèi)現(xiàn)場使用元素錄井儀（X射線熒光錄井儀）可直接測量多種礦物成分，依據(jù)化學(xué)元素確定礦物成分，從而確定巖性和脆性礦物（石英＋碳酸鹽巖）含量。根據(jù)公認(rèn)的國外經(jīng)驗，頁巖氣層的脆性礦物含量多大于50%。頁巖氣層脆性礦物含量高，易于壓裂，易于沿地層應(yīng)力較大方向形成人造裂縫，使儲層得到改造，提高滲透能力。

2．2 儲層識別

儲層識別的主要方法是鉆時比值法與dc指數(shù)差法。

通常，進(jìn)入目的層段，鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井工程參數(shù)與密度、黏度等鉆井液性能參數(shù)都相對穩(wěn)定。相鄰的泥頁巖非儲層與儲層段的鉆時存在明顯的差異。泥頁巖非儲層與儲層鉆時之比稱為鉆時比值（ROPn／s）。差儲層：ROPn／s＜1．2；中等及以上儲層：ROPn／s≥1．2；好儲層：ROPn／s≥1．5；高壓儲層，ROPn／s≥4（圖1和表1）。

現(xiàn)場劃分頁巖氣顯示儲層時，采用鉆時比值、dc指數(shù)差、烴對比系數(shù)、全烴含量曲線結(jié)合分層。所謂烴對比系數(shù)，是指泥頁巖非儲層或明顯的含烴水層全烴或甲烷平均值與儲層段的全烴或甲烷有效異常值之比。當(dāng)烴對比系數(shù)大于4．0，把鉆時比值大于1．5或Δdc大于0．25的連續(xù)井段劃分為一個頁巖氣異常顯示層段，中部夾層小于2m者一般不扣除，視為連續(xù)井段。

圖1 鉆時比值儲層判別圖

表1 鉆時比值（ROPn／s）、dc指數(shù)差（Δdc）與Sigma比值（∑n／s）對應(yīng)關(guān)系表

2．3 儲層參數(shù)確定

2．3．1 地層孔隙度與滲透率

利用鉆時資料確定的孔隙度反映了地層總孔隙度，稱為氣測孔隙度。使用條件：鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井工程參數(shù)與密度、黏度等鉆井液性能參數(shù)都相對穩(wěn)定；盡可能規(guī)避新舊鉆頭影響；地層呈正常壓力變化［7］。鉆時變化范圍4～40min／m，超過該范圍可同步放大10倍或縮小為1／10，計算公式為：

式中φ為地層孔隙度（氣測孔隙度）；ROPn、ROPs分別為泥頁巖非儲層、儲層鉆時，min／m；φa、φb分別為黏土層未壓實地層、泥頁巖非儲層參考孔隙度，該值依據(jù)盆地泥巖壓實規(guī)律取值。

泥頁巖儲層同致密砂巖、致密碳酸鹽巖儲層一樣，以孔隙—微裂縫為主的儲層孔隙度同滲透率間存在有明顯的相關(guān)性，參考方程為：

式中Kq為地層滲透率（氣測滲透率），mD。

2．3．2 地層壓力、地層破裂壓力

錄井現(xiàn)場多用地層壓力梯度、地層破裂壓力梯度表征地層孔隙流體壓力和地層破裂壓力，其計算公式為：

式中FPG為地層孔隙流體壓力梯度，MPa／100m；dcs、dcn分別為地層dc指數(shù)實測值和趨勢值，無量綱；ρw、ρb分別為區(qū)域地層水密度和頁巖層巖性密度，g／cm3；p、pf分別為地層壓力和地層破裂壓力，MPa；H為儲層中部垂直深度，m；FRACmax、FRACmin分別為最大、最小地層破裂壓力梯度，MPa／100m。

2．3．3 地層含氣飽和度、含氣量

隨鉆連續(xù)測量的氣測烴含量反映了頁巖氣儲層含水飽和度、含氣飽和度、游離氣含量，以及部分吸附氣隨巖屑到地面后的解吸情況。多數(shù)情況下吸附氣隨巖屑到地面后的自動解吸量忽略不計。利用氣測資料確定的儲層含水飽和度、含氣飽和度，均稱為氣測地層含水飽和度、含氣飽和度［7－13］。有關(guān)計算公式如下：

式中Sw、Sg分別為氣測地層含水率和含氣飽和度；n為氣測含烴飽和度指數(shù)，一般為3～7；Cb、Ct分別為烴背景值和儲層異常值；Bg為天然氣體積系數(shù)；TOC為總有機(jī)碳含量；Gm、Gs、Gt分別為頁巖氣儲層游離氣量、吸附氣量和總含氣量，m3／t。

天然氣體積系數(shù)的大小與天然氣體組分、地層溫度、地層壓力相關(guān)。中、上揚子地臺正常地溫梯度為2．5～3．0℃／100m，正常壓力系數(shù)、天然氣體積系數(shù)（Bg）隨深度增加而減小（圖2）。

頁巖氣儲層吸附氣含量與總有機(jī)碳含量存在較強(qiáng)的線性相關(guān)（圖3），與地層壓力存在較強(qiáng)的非線性相關(guān)（圖4），基本符合蘭格繆爾等溫吸附方程。

頁巖氣層錄井定性解釋評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2．4 產(chǎn)能預(yù)測

參照川東地區(qū)致密碳酸鹽巖氣層產(chǎn)能預(yù)測方法［10］，頁巖氣層初始穩(wěn)定產(chǎn)能統(tǒng)計預(yù)測方程為：

式中Qg為儲層產(chǎn)能，m3／d；Ig為儲層含氣指數(shù)，無量綱；A、B分別為系數(shù)，A＝389．7，B＝21 773；α為井型系數(shù)，直井α＝1，水平井α＝0．50～0．58；Fk為地層壓力系數(shù)，無量綱。

圖2 某盆地天然氣體積系數(shù)圖

圖3 某頁巖氣田總含氣量、吸附氣含量與總有機(jī)碳含量的關(guān)系圖

圖4 某頁巖氣田吸附氣含量與地層壓力的關(guān)系圖

表2 頁巖氣層錄井定性解釋評價標(biāo)準(zhǔn)表

3 實例分析

頁巖氣層隨鉆錄井解釋評價參數(shù)確定方法在川東、鄂西地區(qū)J111、JYHF－1、HY－1、FYHF－1井進(jìn)行了應(yīng)用試驗，獲得了比較好的應(yīng)用效果。這里重點介紹中國石油化工股份有限公司首口頁巖氣勘探試驗井——J111井的應(yīng)用情況。

J111井的下侏羅統(tǒng)東岳廟段是主要目的層，垂厚121．0m，泥頁巖占該段地層厚度的73．1%，泥質(zhì)粉砂巖占23．1%，砂質(zhì)泥巖占3．8%。錄井過程中，在東岳廟段580．0～582．0m、598．0～646．0m 井段發(fā)現(xiàn)并解釋泥頁巖氣層2層50m。

井段580．0～582．0m巖性主要為深灰色泥巖，含砂，易碎，吸水性差，與稀鹽酸不反應(yīng)。有機(jī)碳平均含量0．4%。全烴含量由0上升到8．06%（圖5），C1含量由0上升到6．0%，C2含量由0上升到1．06%，C3含量由0上升到0．28%，iC4含量由0上升到0．03%，nC4含量由0上升到0．05%；鉆時比值為2．0，烴對比系數(shù)為161，氣測孔隙度為6．5%，氣測含烴飽和度為78．2%，氣測滲透率為2．7mD。地層壓力檢測顯示無異常壓力存在，地層壓力梯度為1．07MPa／100m，即靜水壓力梯度。鉆井液密度1．10g／cm3，基本處于近平衡狀態(tài)。綜合解釋為裂縫型泥巖含氣層。

圖5 J111井頁巖氣錄井顯示曲線圖

圖6 J111井538～645m井段XRF分析統(tǒng)計圖

井段598．0～646．0m巖性主要為灰黑色頁巖、泥巖，含砂，硬且脆，頁巖頁理與粒間孔發(fā)育，且孔隙間相互連通，有明顯油味。XRF分析顯示石英含量為47．0%～60．0%（圖6），硅鈣脆性礦物成分平均含量為80．0%；黏土含量為15．0%～30．0%（平均含量為20．0%）。黏土成分中伊利石平均含量為30%、高嶺石平均含量為20%。全烴含量由0上升到9．85%，C1含量由0上升到8．14%，C2含量由0上升到1．09%，C3含 量 由0上 升 到0．31% ，iC4含 量 由0上 升 到0．04%，nC4含量由0上升到0．08%；鉆時比值為1．5～2．0，烴對比系數(shù)為20～197，氣測孔隙度為3．0%～6．5%，氣測含烴飽和度為59．3%～79．3%，氣測滲透率為0．3～3．2mD。隨鉆地層壓力檢測顯示無異常壓力存在，地層壓力梯度1．07MPa／100m，即靜水壓力梯度，地層破裂壓力梯度為2．2MPa／100m。有機(jī)碳含量最大為1．6%，平均為1．2%，地層總含氣量為2．8 m3／t，游離氣含量不低于1．3m3／t。綜合解釋為孔隙—微裂縫型頁巖氣層，預(yù)測產(chǎn)能為2 000～15 000 m3／d。

井段610．0～646．0m試氣，天然氣最高產(chǎn)量為3 960m3／d，試采穩(wěn)定產(chǎn)量為1 860～2 300m3／d，不含硫化氫，地層呈正常壓力變化，地層孔隙流體壓力梯度為1．06MPa／100m。正式投產(chǎn)穩(wěn)定產(chǎn)量為2 700 m3／d，開采1年后仍穩(wěn)產(chǎn)2 300m3／d，年產(chǎn)氣超過60×104m3。

4 結(jié)論

1）頁巖氣錄井實踐表明，在鉆井工程參數(shù)和鉆井液性能相對穩(wěn)定的條件下，基于隨鉆錄井資料的頁巖氣儲層參數(shù)確定方法具有較強(qiáng)的實用性，能滿足頁巖氣顯示錄井解釋評價需要。

2）眾多砂巖、碳酸鹽巖錄井孔隙度、含油氣（烴）飽和度、地層壓力參數(shù)確定方法應(yīng)用實踐表明，利用錄井資料求取的孔隙度、含油氣（烴）飽和度與室內(nèi)分析及測井測量結(jié)果對比，誤差不超過±20%，地層壓力參數(shù)與測試結(jié)果對比誤差不超過±15%。

3）利用頁巖氣錄井資料判斷儲層，確定儲層孔隙度、滲透率、含氣飽和度、地層壓力、地層破裂壓力、吸附氣含氣量、游離氣含氣量等參數(shù)，以及進(jìn)行頁巖氣產(chǎn)能預(yù)測的方法，為頁巖氣錄井解釋評價提供了一條新的思路。

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