石文睿，張超謨，2，張占松，2，肖世匡，石元會(huì)，任元

（1．長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430100；2．油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢430100；2．中石化江漢石油工程有限公司測(cè)錄井公司，湖北 潛江433123）

0 引 言

頁巖氣是賦存于暗色泥頁巖及其所夾砂巖、粉砂巖地層中的天然氣，屬于一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)氣藏，其存儲(chǔ)方式包括游離態(tài)、吸附態(tài)、溶解態(tài)等，但以前兩者為主，約占頁巖氣儲(chǔ)層總含氣量的95%以上，其大小直接影響氣井產(chǎn)能、累計(jì)產(chǎn)量和氣井壽命，是頁巖氣勘探選區(qū)和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)［1－10］。常規(guī)測(cè)井評(píng)價(jià)頁巖含氣含量的主要方法：① 測(cè)錄井資料結(jié)合確定含氣頁巖層段，即劃分“甜點(diǎn)”段；② 通過孔隙度、含氣飽和度等參數(shù)確定頁巖儲(chǔ)層游離氣含量；③ 利用巖性密度、聲波、電阻率等測(cè)井資料，建立基于巖心分析形成的總有機(jī)碳含量TOC計(jì)算模型，再通過巖心TOC與解吸氣含量關(guān)系模型確定頁巖氣儲(chǔ)層吸附氣含量，或是依據(jù)地層壓力等參數(shù)通過朗格繆爾方程計(jì)算飽和吸附氣含量。頁巖儲(chǔ)層總含氣量為游離氣與吸附氣含量之和。本文所述頁巖包括泥巖和頁巖。

1 地質(zhì)概況

工區(qū)首口頁巖氣參數(shù)井A井位于四川盆地川東高陡褶皺帶包鸞－焦石壩背斜帶北緣，地處涪陵區(qū)東部，隸屬于重慶市涪陵區(qū)焦石壩鎮(zhèn)，在龍馬溪組下部—五峰組頁巖層連續(xù)密閉取心88．0m，并進(jìn)行了孔隙度、總有機(jī)碳含量、含氣量等多項(xiàng)頁巖氣評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本文在A井的巖心實(shí)驗(yàn)資料基礎(chǔ)上建立焦石壩頁巖氣田儲(chǔ)層含氣量常規(guī)測(cè)井評(píng)價(jià)模型，并結(jié)合已完井的B、C、D等3口探井資料評(píng)價(jià)該區(qū)塊龍馬溪組下部—五峰組頁巖儲(chǔ)層含氣量。

涪陵地區(qū)焦石壩頁巖氣田地表出露地層為下三疊統(tǒng)嘉陵江組，地層產(chǎn)狀小于10°，過井地震測(cè)線反映海相地層龍馬溪組—五峰組地震波組相位連續(xù)，地層平緩、構(gòu)造變形弱，邊緣被大耳山西、石門、吊水巖等斷層夾持，遠(yuǎn)離“通天”斷層，頁巖氣保存條件良好。

前人研究發(fā)現(xiàn)，焦石壩區(qū)塊海相地層下志留系龍馬溪組—上奧陶系五峰組屬深水陸棚相沉積，是頁巖氣富集勘探有利區(qū)塊；中部主要為濁積砂，厚約30m；下部發(fā)育有灰黑色碳質(zhì)泥頁巖，厚度約90m，TOC平均大于2．0%，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，熱演化程度Ro為2．2%～3．1%，平均2．6%，處于有利生氣階段，具有較好的儲(chǔ)集性能。

2 含氣層段劃分與含氣量確定方法

2．1 含氣層段劃分

以錄井巖性、鉆時(shí)、全烴、烴組分、總有機(jī)碳含量變化為依據(jù)劃分頁巖氣顯示層段，與常規(guī)油氣顯示劃分方法及標(biāo)準(zhǔn)相同，不同的是增加了TOC指標(biāo)。富含頁巖氣的頁巖儲(chǔ)層一般具備低鉆時(shí)、高全烴、高TOC特征，頁巖非儲(chǔ)層鉆時(shí)與儲(chǔ)層鉆時(shí)比值多大于1．2，全烴、TOC異常值是其基值的2倍以上，全烴與TOC具有異常變化特點(diǎn)。

以自然伽馬、聲波時(shí)差、密度、深側(cè)向或深感應(yīng)電阻率、中子等常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目為主，按照高自然伽馬、高時(shí)差、高電阻率、低密度即“三高一低”特征劃分頁巖氣顯示層段。綜合測(cè)錄井含氣層段劃分結(jié)果，確定“甜點(diǎn)”段與頁巖氣核心評(píng)價(jià)區(qū)。

與常規(guī)含氣儲(chǔ)層所不同的是頁巖氣顯示層具備較高的TOC，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化程度高，且形成一定量的納米級(jí)孔隙，構(gòu)成良好儲(chǔ)集空間。

2．2 頁巖氣體積模型

基于測(cè)井手段評(píng)價(jià)頁巖氣儲(chǔ)層游離氣、吸附氣及總含氣量，通常選用頁巖氣儲(chǔ)層體積模型（見圖1）。體積模型中孔隙主要來自黏土、有機(jī)質(zhì)、碎屑孔隙及天然裂縫。游離氣是以游離方式儲(chǔ)集在黏土孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙、碎屑孔隙及天然裂縫中；吸附氣則是以吸附方式儲(chǔ)集在有機(jī)質(zhì)、黏土基質(zhì)表面；無機(jī)骨架的微量吸附和地層水的天然氣溶解忽略不計(jì)。

圖1 頁巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)體積模型示意圖

利用測(cè)錄井資料劃分富含有機(jī)質(zhì)的頁巖氣異常顯示層段，即找出“甜點(diǎn)”層段，再利用基于巖心資料建立的儲(chǔ)層孔隙度、有機(jī)碳含量等關(guān)鍵參數(shù)模型確定游離氣、吸附氣及總含氣量，建立連續(xù)頁巖氣儲(chǔ)層含氣量剖面。

2．3 游離氣含量

2．3．1 計(jì)算模型

式中，Qgf為頁巖氣儲(chǔ)層游離氣含量，m3／t；Bg為天然氣體積系數(shù)，無量綱；φ為頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度，%；Sg為頁巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度，%；DEN為頁巖氣儲(chǔ)層密度，g／cm3。

2．3．2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

（1）孔隙度。頁巖儲(chǔ)層致密，是典型的特低孔隙度儲(chǔ)層，其孔隙度絕對(duì)值低且變化范圍大，測(cè)量要

游離氣一般賦存于泥頁巖的微孔隙或裂縫中，主要與泥頁巖孔隙度、含氣飽和度等因素有關(guān)。游離氣含量系指單位重量泥頁巖中游離氣在地面條件下的體積，單位是 m3／t，計(jì)算公式［10－13］求精度高。由于頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)密度低，頁巖密度變化大，流體分布不均，通過密度測(cè)井很難準(zhǔn)確求取頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度。焦石壩龍馬溪組下部—五峰組巖心分析也證明，巖心孔隙度φc與體積密度DEN相關(guān)性差（見圖2），與聲波時(shí)差A(yù)C相關(guān)性較好（見圖3）。

圖2 巖心體積密度DEN與孔隙度φc交會(huì)圖

圖3 聲波時(shí)差A(yù)C與巖心孔隙度φc交會(huì)圖

采用巖心孔隙度φc與聲波時(shí)差A(yù)C回歸方程計(jì)算頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度

（2）飽和度。阿爾奇法求取頁巖儲(chǔ)層含氣飽和度的前提條件是僅有地層水導(dǎo)電，構(gòu)成地層骨架的礦物成分不導(dǎo)電。然而，頁巖石墨化和儲(chǔ)層中存在導(dǎo)電礦物黃鐵礦時(shí)，阿爾奇法計(jì)算得到的含氣飽和度準(zhǔn)確度較低，可靠性變差。這里采用TOC法計(jì)算頁巖氣層飽和度［14］

式中，Sw、Sg為頁巖氣儲(chǔ)層含水飽和度、含氣飽和度，小數(shù)；TOCo為頁巖有機(jī)質(zhì)背景值，一般依據(jù)與儲(chǔ)層相鄰層段頁巖的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果取值，焦石壩區(qū)塊取0．2%；TOCt為頁巖氣儲(chǔ)層實(shí)測(cè)或計(jì)算得到的TOC，%；n為飽和度指數(shù)，無量綱，一般為2～3，礁石壩龍馬溪組下部—五峰組地層取2。

（3）天然氣體積系數(shù)。天然氣體積系數(shù)Bg是地層中的天然氣體積與地面標(biāo)準(zhǔn)條件下的體積之比。頁巖氣組分主要為甲烷時(shí)，可視為理想氣體，采用理想氣態(tài)方程可直接求取體積系數(shù)Bg。焦石壩區(qū)塊龍馬溪組下部—五峰組頁巖氣層中部溫度80℃、地層壓力34．0MPa，Bg＝0．0035，與實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)定的0．003166接近。

2．4 吸附氣含量

2．4．1TOC法模型

（1）TOC與解吸氣量關(guān)系。巖心含氣量測(cè)試顯示，TOC與解吸測(cè)試取得的含氣量之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性（見圖4）。巖心TOC與井場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)直接獲得的解吸氣量Gs回歸方程為Gs＝0．2951TOC，R＝0．74；與獲得的解吸總氣量Gs1（包括散失部分氣量）回歸方程為Gs1＝0．7823TOC，R＝0．76。

圖4 A井巖心TOC與含氣量交會(huì)圖

（2）TOC測(cè)井計(jì)算模型。常規(guī)測(cè)井無法直接測(cè)量頁巖氣儲(chǔ)層中的TOC，需要通過巖心分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立常規(guī)測(cè)井資料的TOC測(cè)井計(jì)算模型。前人研究成果顯示，利用巖性密度法、聲波—電阻率法、鈾含量法、自然伽馬法能夠較好地確定TOC，但每種方法也都有一定的適用條件。

巖性密度法與聲波—電阻率法。巖性密度法主要通過巖心測(cè)定TOC和顆粒體積密度值建立關(guān)聯(lián)方程，再利用測(cè)井巖性密度代替巖心顆粒體積密度預(yù)測(cè)TOC。龍馬溪組下部—五峰組富含有機(jī)質(zhì)頁巖巖心分析顯示，TOC與頁巖體積密度值DEN二者呈強(qiáng)相關(guān)（見圖5）。DEN＝2．71－0．05TOC，TOC＝20．0（2．71－DEN），R＝0．92。這與全球TOC與頁巖密度DEN的關(guān)系方程TOC＝28．5（2．71－DEN）基本一致［15］。

圖5 A井巖心TOC與體積密度DEN關(guān)系交會(huì)圖

鈾含量法與自然伽馬法。焦石壩區(qū)塊龍馬溪組下部—五峰組巖心實(shí)驗(yàn)顯示，巖心TOC與測(cè)井鈾（U）含量、自然伽馬（GR）都存在一定的相關(guān)性（見圖7、圖8），且鈾含量與TOC的相關(guān)性要強(qiáng)于自然伽馬與TOC的相關(guān)性，但相比頁巖巖性密度與TOC的相關(guān)性要差。

綜合比較上述TOC測(cè)井計(jì)算方法，巖性密度法更適用焦石壩區(qū)塊。

圖6 A井巖心TOC與電阻率交會(huì)圖

圖7 A井頁巖鈾含量與巖心TOC交會(huì)圖

圖8 A井頁巖自然伽馬與巖心TOC交會(huì)圖

2．4．2 Langmuir法

1916年法國化學(xué)家Langmuir（朗格繆爾）提出了基于單分子的吸附狀態(tài)方程，即Langmuir方程。吸附于頁巖儲(chǔ)層中的氣體主要為CH4，北美地區(qū)的頁巖氣勘探實(shí)踐也表明，以CH4為主的頁巖氣吸附規(guī)律大多符合Langmuir方程［10－13］

式中，Qgs為飽和吸附氣含量，m3／t；VL為飽和吸附體積（朗氏體積），m3／t；pL為飽和吸附壓力（朗氏壓力），MPa；p為壓力，MPa。

在30℃的實(shí)驗(yàn)溫度下，A井8個(gè)吸附試驗(yàn)樣品數(shù)據(jù)顯示，TOC與飽和吸附體積VL、飽和吸附氣含量也存在較強(qiáng)的相關(guān)性（見圖4）。TOC與巖心飽和吸附氣量回歸方程為Qgs＝0．5919TOC＋1．5445，R＝0．95。

巖心解吸獲得的總氣量較高值與30℃條件下的Langmuir等溫吸附實(shí)驗(yàn)求取的飽和吸附氣含量較接近，部分點(diǎn)大于飽和吸附值。可以認(rèn)為巖心解吸獲得的總氣量基本代表了儲(chǔ)層總吸附氣量，且包含少量游離氣（現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)可以忽略不計(jì)），儲(chǔ)層孔隙與裂縫游離氣充足，游離氣與吸附氣處于動(dòng)態(tài)平衡。

A井等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，龍馬溪組下部—五峰組頁巖氣層在30℃下頁巖氣解吸附啟動(dòng)壓力為12．0MPa，朗格繆爾壓力介于1．98～3．59MPa，平均值為2．62MPa。A井頁巖氣層中部地層溫度為80．0℃，地層壓力為34．0MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了啟動(dòng)壓力和朗格繆爾壓力，頁巖儲(chǔ)層中的吸附氣量達(dá)到了飽和狀態(tài)，壓力的進(jìn)一步增加只能影響游離氣含量的變化。校正30℃條件下的頁巖飽和吸附氣量為80℃頁巖氣層溫度環(huán)境，TOC與巖心飽和吸附氣量回歸方程為Qgs＝0．56TOC，R＝0．95，巖心飽和吸附氣量降低（見圖4）。本文推薦并使用80℃條件下的巖心飽和吸附氣量回歸方程確定焦石壩區(qū)塊頁巖氣層吸附氣含量。

2．5 總含氣量

一般將頁巖氣儲(chǔ)層總含氣量定義為游離氣含量與吸附氣含量的總和，即Qgt＝Qgf＋Qgs。

二次通用旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)方案及結(jié)果見表3。利用DPS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到二次回歸模型為：Y=7.92216+0.00815X 1+0.35746X 2+0.01724X 3-0.28935X 12-0.12848X 22+0.04122X 32+0.02375X 1X 2-0.21375X 1X 3-0.12125X 2X 3

參照中石化及江漢油田試行的頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及試氣成果，焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組Ⅰ類（優(yōu)質(zhì)）氣層Qgt≥4m3／t且φ≥5%；Ⅱ類（中等）氣層4m3／t＞Qgt≥2m3／t且5%＞φ≥2%；Ⅲ類（差）氣層Qgt＜2m3／t且φ＜2%。

3 含氣量評(píng)價(jià)

3．1 縱向含氣評(píng)價(jià)

A井龍馬溪組下部—五峰組2341．0～2415．5m井段頁巖層，厚74．5m，氣測(cè)全烴、甲烷顯示活躍，巖屑及巖心錄井顯示主要巖性為黑色碳質(zhì)頁巖和富含硅碳質(zhì)頁巖。測(cè)井儲(chǔ)層孔隙度、總有機(jī)碳含量、吸附氣量、游離氣量、總含氣量剖面及氣測(cè)全烴、甲烷顯示（見圖9），自上至下均具有明顯增高特征，吸附氣量介于0．5～2．5m3／t，游離氣量介于0．5～7．5 m3／t，總含氣量介于1．0～10．0m3／t。對(duì)比國內(nèi)外頁巖氣儲(chǔ)層，2341．0～2415．0m井段是區(qū)內(nèi)典型的富含氣頁巖核心“甜點(diǎn)”，且優(yōu)于美國富特沃斯巴奈特（Barnett）頁巖儲(chǔ)層。

頁巖儲(chǔ)層總含氣量平均值對(duì)頁巖氣層具有綜合指標(biāo)評(píng)定特征，按照0～2m3／t、2～4m3／t、4m3／t以上3類值域標(biāo)準(zhǔn)劃分低含氣層段、中含氣層段、高含氣層段，可將A井龍馬溪組下部—五峰組頁巖氣儲(chǔ)層自下而上總體劃分為中、高2個(gè)含氣段。

中含氣段（A段）2341．0～2378．0m 井段，測(cè)錄井資料顯示垂厚約37．0m，TOC在1．0%～2．0%、平均1．8%，吸附氣量為0．5～1．0m3／t、平均0．8m3／t，游離氣量為0．5～3．2m3／t、平均1．9 m3／t，總含氣量為1．0～4．3m3／t、平均2．7m3／t；平均孔隙度為3．8%，結(jié)合含氣量與孔隙度兩項(xiàng)指標(biāo)，類比北美及建南構(gòu)造頁巖氣層，解釋為Ⅱ類氣層，具有一定的勘探開發(fā)潛力。

圖9 A井龍馬溪組下部—五峰組頁巖含氣剖面

高含氣段（B段）2378．0～2415．5m 井段，測(cè)錄井資料顯示垂厚約37．5m，TOC為2．0%～4．6%、平均3．5%，吸附氣量為1．2～2．6m3／t、平均 2．0m3／t，游 離 氣 量 2．5～7．5m3／t、平 均4．8m3／t，總 含 氣 量 為 3．8～10．0m3／t、平 均6．8m3／t；平均孔隙度為6．2%，結(jié)合含氣量與孔隙度兩項(xiàng)指標(biāo)，類比北美及建南構(gòu)造頁巖氣層，解釋為Ⅰ類氣層，其中2395．0～2415．0m井段儲(chǔ)層孔隙度、總有機(jī)碳含量、吸附氣量、游離氣量、總含氣量顯示好、變化小，為全井最優(yōu)“甜點(diǎn)”段，具有非常好的勘探開發(fā)價(jià)值。

A井五峰組2409．5～2415．5m井段垂厚6．0m，TOC為4．0%～4．6%、平均4．3%，吸附氣量為2．2～2．6m3／t、平均2．4m3／t，游離氣量為5．3～7．5 m3／t、平均6．5m3／t，總含氣量為7．5～10．0m3／t、平均8．8m3／t；平均孔隙度為7．2%，是典型的Ⅰ類氣層。無論是TOC還是含氣量，五峰組頁巖儲(chǔ)層為全井最好顯示，是全井最優(yōu)“甜點(diǎn)”段一個(gè)重要組成部分。

3．2 橫向含氣量對(duì)比

在焦石壩區(qū)塊內(nèi)，沿構(gòu)造外側(cè)從中部至西南方向鉆探頁巖氣探井3口，揭示龍馬溪組—五峰組優(yōu)質(zhì)頁巖核心“甜點(diǎn)”段（A、B段）厚度變化較小，特別是最優(yōu)“甜點(diǎn)”段（B段）厚度、TOC與含氣量無明顯變化。隨后鉆探的一批長(zhǎng)水平段評(píng)價(jià)井，均證實(shí)B段是區(qū)內(nèi)最優(yōu)“甜點(diǎn)”段，分布穩(wěn)定，單井日產(chǎn)量均在20×104m3以上，最高達(dá)到54×104m3，展示了良好的開發(fā)前景。

4 結(jié) 論

（1）基于巖心實(shí)驗(yàn)所建立的焦石壩頁巖氣田儲(chǔ)層含氣量常規(guī)測(cè)井模型具有一定的適用性和可行性，不但可以滿足建立涪陵地區(qū)海相頁巖儲(chǔ)層連續(xù)含氣量剖面需要，而且還可以擴(kuò)展應(yīng)用至其周緣及整個(gè)中上揚(yáng)子地區(qū)。

（2）焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組頁巖氣以游離氣為主，吸附氣為輔，游離氣含量高于吸附氣含量，游離氣含量達(dá)吸附氣含量的2倍以上。

（3）焦石壩頁巖氣田龍馬溪組下部—五峰組頁巖氣層含氣量呈“上低下高”且隨深度增加而增大特征，其中下段（B段）總含氣量大，游離氣含量高，為最優(yōu)“甜點(diǎn)”段，是典型的Ⅰ類氣層，具有非常好的商業(yè)開發(fā)價(jià)值。

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