邊雷博，張小莉，嚴(yán)巧丹，陳艷艷

(1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院；3.長慶油田分公司第十采油廠)

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鄂爾多斯盆地中南部長7油層組頁巖氣含量計(jì)算

邊雷博1,2，張小莉1，嚴(yán)巧丹3，陳艷艷1

(1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院；3.長慶油田分公司第十采油廠)

鄂爾多斯盆地中南部延長組長7油層組具有豐富的頁巖氣資源，利用測(cè)井資料準(zhǔn)確計(jì)算未取心井的頁巖氣量具有重要意義。首先，利用烴源巖測(cè)井響應(yīng)特征和重疊圖法識(shí)別長7油層組頁巖；其次，利用多元回歸法針對(duì)頁巖建立有機(jī)碳含量(TOC)測(cè)井解釋模型，并結(jié)合測(cè)井資料計(jì)算吸附氣量；最后，建立孔隙度解釋模型，結(jié)合Hossin公式間接計(jì)算游離氣量。結(jié)果表明，研究區(qū)長7油層組頁巖含氣總量為3.09～5.55 m3/t，平均值為4.11 m3/t；其中吸附氣量為2.83～3.77 m3/t，平均值為2.97 m3/t；游離氣量一般為0.07～2.51 m3/t，平均值為1.14 m3/t。

鄂爾多斯盆地；頁巖氣量計(jì)算；測(cè)井解釋模型；有機(jī)碳含量

近幾年來，Rogner等眾多學(xué)者對(duì)我國頁巖氣資源量進(jìn)行了研究，認(rèn)為我國有豐富的頁巖氣資源[1-4]，但是目前國內(nèi)外對(duì)頁巖氣含量評(píng)價(jià)并沒有成熟的方法[5]。鄂爾多斯盆地中南部延長組頁巖發(fā)現(xiàn)了豐富的頁巖氣資源，由于盆地內(nèi)頁巖具有低孔低滲的特性，評(píng)價(jià)頁巖氣含量具有較大的困難。一般認(rèn)為頁巖氣含量確定方法主要有兩種：一種是通過保壓取心或密閉取心直接測(cè)定含氣量；另一種是利用測(cè)井資料建立相關(guān)模型分別計(jì)算吸附氣量和游離氣量[6]?？紤]到直接測(cè)定法成本高，測(cè)定條件要求嚴(yán)格，本文擬引入多元回歸分析方法，綜合多種測(cè)井響應(yīng)建立有效的有機(jī)碳含量以及孔隙度解釋模型，并結(jié)合相關(guān)公式計(jì)算頁巖含氣量。

1　烴源巖分析及識(shí)別

鄂爾多斯盆地是經(jīng)過長期演化的中生代內(nèi)陸、多旋回、疊合沉積型盆地[7-8]，區(qū)域構(gòu)造為西傾平緩的大背斜。盆地自下而上經(jīng)歷了中晚元古代坳拉谷沉積、早古生代淺海臺(tái)地沉積、晚古生代近海平原沉積、中生代內(nèi)陸湖盆沉積以及新生代周邊斷陷沉積[9]。研究區(qū)位于盆地中南部延長探區(qū)內(nèi)(圖1)，區(qū)內(nèi)三疊系延長組是一套以湖泊相為主的內(nèi)陸湖盆沉積[10-11]，分布范圍廣，油氣資源豐富；研究層位為延長組長7油層組，其巖性以暗色泥頁巖和灰黑色頁巖為主[8，12-13]。前人研究結(jié)果表明，延長探區(qū)長7有機(jī)碳含量一般為1.76%～6.28%，Ro一般為0.8%～1.5%，氯仿瀝青“A”含量一般為0.25%～0.67%，總烴含量一般為(1 847～5 218)×10-6[14-17]。

圖1　研究區(qū)位置

有機(jī)質(zhì)類型是評(píng)價(jià)烴源巖關(guān)鍵因素之一。烴源巖顯微組分分析結(jié)果表明：研究區(qū)烴源巖干酪根顯微組分以腐殖組為主，干酪根類型以Ⅲ型為主。同時(shí)干酪根最大熱解峰溫(Tmax)和鏡質(zhì)組反射率(Ro)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：Ro為0.50%～1.35%，平均值為0.81%，主要范圍為0.8%～1.1%；Tmax為451～488 ℃；研究區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度較高，可以達(dá)到生烴標(biāo)準(zhǔn)。研究區(qū)內(nèi)多個(gè)烴源巖的有機(jī)碳和物性數(shù)據(jù)顯示，有機(jī)碳分布均勻，主要分布為3%～4%(圖2)；孔隙度主要分布為1%～4%，平均為2.6%(圖3)；滲透率變化較廣，主要的滲透率分布范圍小于0.05×10-3μm2，平均值為0.24×10-3μm2(圖4)。

圖2　有機(jī)碳含量分布

圖3　孔隙度分布

圖4　滲透率分布

有機(jī)質(zhì)獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致烴源巖與非烴源巖的測(cè)井響應(yīng)差別較大[18]。烴源巖測(cè)井響應(yīng)特征具有“三高一低”特征，即高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率、低密度，綜合這些測(cè)井響應(yīng)特征可以識(shí)別烴源巖[19-20]。另外，測(cè)井曲線重疊法識(shí)別烴源巖在國內(nèi)外均取得了較好效果[21-22]，該方法主要是將聲波時(shí)差和電阻率測(cè)井曲線反向疊加，利用兩條測(cè)井曲線的重合和分離對(duì)烴源巖進(jìn)行定性識(shí)別[23-26]。

2　吸附氣量計(jì)算

目前，還沒有一種直接計(jì)算頁巖吸附氣含量的方法。通常的做法是首先確定有機(jī)碳含量，再通過有機(jī)碳含量計(jì)算吸附氣量[16，27]。本文綜合多種測(cè)井響應(yīng)，以多元回歸分析方法建立TOC解釋模型，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合等溫吸附模型完成對(duì)長7油層組張家灘頁巖吸附氣量的計(jì)算。

2.1有機(jī)碳含量測(cè)井解釋模型

目前，計(jì)算有機(jī)碳含量的主要經(jīng)驗(yàn)方法是△lgR法，考慮到△lgR法需要人為確定基線值、成熟度參數(shù)等，其人為影響因素較多，本文考慮TOC與測(cè)井響應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，通過單參數(shù)回歸分析篩選有效測(cè)井響應(yīng)，分別建立聲波時(shí)差、電阻率、補(bǔ)償中子、自然伽馬、密度與TOC的單參數(shù)測(cè)井響應(yīng)模型，通過多元回歸分析，最終建立TOC多元回歸解釋模型(表1)。

表1中單參數(shù)回歸分析結(jié)果表明，聲波時(shí)差(AC)、補(bǔ)償中子(CN)以及密度(DEN)等曲線與TOC之間有較好的相關(guān)性，能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。最終選取以聲波時(shí)差(AC)、補(bǔ)償中子(CN)和密度(DEN)曲線進(jìn)行多元回歸，建立TOC解釋模型。

表1　TOC模型的相關(guān)系數(shù)

多元回歸模型為：

TOC=0.024AC-5.677DEN+

0.08CN+6.742；R2=0.927

(1)

式中：TOC——計(jì)算有機(jī)碳含量，%；AC——聲波時(shí)差，μs/m；DEN——密度，g/cm3；CN——補(bǔ)償中子，%。

模型檢驗(yàn)結(jié)果表明,計(jì)算有機(jī)碳含量與實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量有較好的相關(guān)性(R2=0.927)。因此，可以利用多元回歸方程計(jì)算長7油層組有機(jī)碳含量。

2.2吸附氣量的計(jì)算

吸附態(tài)是頁巖氣的主要賦存形式。解吸實(shí)驗(yàn)和蘭格繆爾等溫吸附實(shí)驗(yàn)是獲取吸附氣含量計(jì)算模型的兩類主要方法。由于本文缺少解吸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故選用蘭格繆爾等溫吸附模型計(jì)算吸附氣含量。蘭格繆爾等溫吸附模型已有很多種改進(jìn)模型，本文選用萬宇等提出的不同溫壓條件下吸附氣量的計(jì)算模型，這種模型由于可以在脫離巖心實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上計(jì)算吸附氣量，適用范圍廣。萬宇等[27]改進(jìn)的吸附氣量計(jì)算模型：

Va=Vbag(1-lg(100TOC) K×

(2)

式中：Va——吸附氣含量，m3/t；Vbag——平衡時(shí)吸附氣量，3.28 m3/t；TOC——有機(jī)碳含量，%；K——溫度影響系數(shù)，0.003；GT——地溫梯度，0.03℃/100 m；Depth——深度，m；GP——壓力梯度，0.01 MPa/m；b——蘭格繆爾壓力，1.389 MPa。

利用公式(1)得出計(jì)算有機(jī)碳含量，結(jié)合上式計(jì)算求出吸附氣量。研究結(jié)果表明，在長7油層組頁巖中吸附氣量為2.83～3.77 m3/t，平均值為2.97 m3/t。對(duì)比前人研究，曾維特[16]對(duì)研究區(qū)柳坪171井利用等溫吸附實(shí)驗(yàn)得出長7油層組頁巖飽和吸附量為2.99～3.42 m3/t，平均為3.04 m3/t。姜呈馥等[28]利用解析法得出研究區(qū)長7油層組頁巖飽和吸附量為1.25～6.45 m3/t，通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)，獲得理論吸附氣量為2.2～3.35 m3/t，最大達(dá)4.5 m3/t，與本文計(jì)算出來的吸附氣量基本一致。

3　游離氣量計(jì)算

頁巖游離氣量計(jì)算方法是在確定孔隙度的基礎(chǔ)上求取含氣飽和度并利用常規(guī)天然氣容積法轉(zhuǎn)換為游離氣量。因此，孔隙度和游離氣含氣飽和度計(jì)算模型將影響游離氣量評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.1孔隙度測(cè)井解釋模型

目前，孔隙度解釋模型的建立方法主要有兩種：一是基于巖石等效體積建立模型，二是通過回歸分析建立模型。本文考慮孔隙度與測(cè)井曲線之間的內(nèi)在聯(lián)系，利用單參數(shù)回歸分析篩選有效測(cè)井響應(yīng)，分別建立聲波時(shí)差(AC)，自然伽馬(GR)、密度(DEN)等與孔隙度的單參數(shù)測(cè)井解釋模型(表2)。并在此基礎(chǔ)上建立多元回歸模型，最終優(yōu)選聲波時(shí)差(AC)、密度(DEN)、補(bǔ)償中子(CN)進(jìn)行多元回歸，建立最終的孔隙度解釋模型。最佳孔隙度多元回歸模型：

φ=0.031AC+0.973DEN+

0.001CN-8.847；R2=0.846

(3)

式中：φ——計(jì)算孔隙度，%。

表2　孔隙度模型的相關(guān)系數(shù)

模型檢驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.846，符合程度很好，可以利用該模型計(jì)算研究區(qū)的孔隙度。

3.2游離氣含量的計(jì)算

游離氣是以游離狀態(tài)存在于孔隙和裂縫中的天然氣[29]。影響游離氣量的主要參數(shù)是有效孔隙度和游離氣含氣飽和度?？紤]到應(yīng)用實(shí)測(cè)含氣飽和度計(jì)算游離氣，容易受取心方式等的影響，采用多元回歸建立的孔隙度模型，結(jié)合Hossin公式間接計(jì)算得出游離氣量。

首先，建立地層因素、電阻增大率的圖版(圖5，圖6)，從圖版中可以得出：a=2.825 2，b=1.171 2，m=1.167，n=3.45。

圖5　地層因素(F)與孔隙度(φ)交會(huì)圖

圖6　電阻增大率(I)與含水飽和度(Sw)交會(huì)圖

其次，結(jié)合孔隙度模型(3)和Hossin公式(4)求出含水飽和度(Sw)。再利用含氣飽和度公式(5)計(jì)算出游離氣含氣飽和度(Sg)。

Hossin公式：

(4)

式中：Sw——實(shí)測(cè)含水飽和度，%；Rw——地層水電阻率，0.04 ℃/Ω·m；φ——計(jì)算孔隙度，%；Vcl——分散黏土含量，%；Rcl——分散粘土電阻率，Ω·m。

含氣飽和度：

Sg=1-Sw

(5)

式中：Sg——游離氣含氣飽和度，%。

最后，利用常規(guī)天然氣容積法(6)計(jì)算出游離氣量。常規(guī)天然氣容積法：

Q游離氣=(φSg/ρBg)

(6)

式中，Q游離氣——游離氣量，m3/t；ρ——地層密度，g/cm3；Bg——體積系數(shù)，取值為0.005。

將模型應(yīng)用到Y(jié)Y1井的長7油層組頁巖，研究表明該段游離氣含量一般為0.07～2.51 m3/t，平均值為1.14 m3/t；本文研究表明：研究層段頁巖含氣總量為3.09～5.55 m3/t，平均值為4.11 m3/t；其中游離氣量約占總氣量的27.81%。在該研究區(qū)，曾維特等[16]通過間接法計(jì)算出來的總含氣量為4.04～4.49 m3/t，游離氣百分比為22.53%～35.29%，通過直接法計(jì)算出來的總含氣量為3.71～6.26 m3/t；王香增等[14]利用解析法得出鄂爾多斯盆地總含氣量為2.43～6.45 m3/t。本文研究結(jié)果與前人基本一致，研究思路可以為頁巖儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)提供一定的參考價(jià)值。

4　結(jié)論

(1)研究區(qū)長7油層組烴源巖巖性主要以含氣頁巖和泥頁巖為主，測(cè)井響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為高補(bǔ)償中子、高聲波時(shí)差、高電阻率、高的正自然電位、高自然伽馬、低密度。另外，電阻率和聲波時(shí)差反向重疊可以識(shí)別研究區(qū)烴源巖。

(2)建立了鄂爾多斯盆地中南部長7油層組頁巖氣評(píng)價(jià)相關(guān)參數(shù)的測(cè)井解釋模型，包括有機(jī)碳測(cè)井解釋模型和孔隙度測(cè)井解釋模型，相比實(shí)驗(yàn)只能測(cè)定部分樣品而言，該計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單，具有代表性，可較好用于評(píng)價(jià)頁巖含氣量。

(3)鄂爾多斯盆地中南部延長組長7油層組頁巖含氣量為3.09～5.55 m3/t，平均值為4.11 m3/t；其中吸附氣量為2.83～3.77 m3/t，平均值為2.97 m3/t；游離氣含量一般為0.07～-2.51 m3/t，平均值為1.14 m3/t，占總氣量的27.81%。

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編輯：趙川喜

1673-8217(2016)05-0059-05

2016-04-05

邊雷博，1994年生，在讀碩士研究生，2015年畢業(yè)于西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，研究方向?yàn)橛蜌獠匦纬膳c分布。

國家“863”項(xiàng)目“頁巖氣勘探開發(fā)新技術(shù)”(2013AA064501)；國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“測(cè)井頁巖氣評(píng)價(jià)”(201410697001)

TE112.115

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