陳 康，張金川，唐 玄

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.頁(yè)巖氣勘查與評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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湘鄂西下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖含氣性測(cè)井評(píng)價(jià)

陳 康1，2，張金川1，2，唐 玄1，2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.頁(yè)巖氣勘查與評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)具有縱向上信息連續(xù)且分辨率高的優(yōu)勢(shì)，利用測(cè)井技術(shù)評(píng)價(jià)頁(yè)巖含氣性，能經(jīng)濟(jì)并有效地指導(dǎo)頁(yè)巖氣勘探。遴選了與湘鄂西龍馬溪組頁(yè)巖地質(zhì)參數(shù)密切相關(guān)的測(cè)井曲線，應(yīng)用合適的計(jì)算模型對(duì)有機(jī)地球化學(xué)、儲(chǔ)層物性和含氣性參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。測(cè)井評(píng)價(jià)結(jié)果顯示該地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高，孔隙度較低，含氣飽和度高，吸附氣含量較游離氣多，總含氣量較高，平均為1.705 m3/t。通過(guò)對(duì)3段頁(yè)巖氣層的研究，認(rèn)為含氣量與TOC和孔隙度成正相關(guān)關(guān)系，且單位TOC的含氣量和孔隙度在頁(yè)巖底部會(huì)明顯升高，為頁(yè)巖底部?jī)?chǔ)集空間大、封閉性強(qiáng)、天然氣逸散能力弱所致，說(shuō)明該地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖層底部具有較強(qiáng)的頁(yè)巖氣富集能力。

頁(yè)巖氣；測(cè)井評(píng)價(jià)；含氣性；湘鄂西；龍馬溪組

0 引 言

頁(yè)巖氣是在頁(yè)巖層或與其毗鄰的粉砂巖和細(xì)砂巖夾層中聚集的天然氣，其吸附于有機(jī)質(zhì)或礦物表面，或游離于基質(zhì)孔隙和裂縫之間，是一種重要的非常規(guī)天然氣藏[1-2]。測(cè)井解釋技術(shù)能夠提供頁(yè)巖有機(jī)碳含量、儲(chǔ)層物性、含氣性等多方面參數(shù)，對(duì)此前人已有許多研究成果。SCHMOKER等利用TOC與自然伽馬和密度的線性關(guān)系計(jì)算TOC[3-4]，朱光有等利用影響TOC的多個(gè)參數(shù)建立多元回歸方程來(lái)計(jì)算TOC[5-7]。MOSTAFA等采用三孔隙度曲線擬合公式計(jì)算頁(yè)巖含氣量[8]。測(cè)井解釋方法具有地區(qū)適用性，須在前人研究的基礎(chǔ)上根據(jù)地質(zhì)條件找出合適的測(cè)井解釋方法。中揚(yáng)子湘鄂西地區(qū)在晚奧陶世—早志留世沉積了一套上奧陶統(tǒng)五峰組及下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色泥頁(yè)巖，頁(yè)巖厚度大、分布廣，由北西向南東方向逐漸減薄[9]。選擇該地區(qū)的LD1井作為研究代表，對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖巖心密集采樣，實(shí)驗(yàn)獲取地化、物性和含氣性方面的參數(shù)。分析并遴選測(cè)井資料中與上述地質(zhì)參數(shù)相關(guān)性好的測(cè)井曲線，采用合理的計(jì)算模型對(duì)這些實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行擬合，利用擬合參數(shù)對(duì)目的層段進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并分析含氣量影響因素和變化特征。

1 頁(yè)巖氣測(cè)井解釋

1.1 TOC測(cè)井解釋

頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度TOC是頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，決定了頁(yè)巖的生氣量和生氣潛力問(wèn)題。為了建立適合該地區(qū)的TOC測(cè)井解釋模型，首先對(duì)測(cè)井曲線與實(shí)測(cè)的TOC值做交會(huì)分析，相關(guān)性最好的曲線為聲波時(shí)差、密度和電阻率，但相關(guān)程度均不高。將這些曲線組合并進(jìn)行多元線性回歸分析，將各組合模型及其相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比(表1)，可以看出，lgRt、DEN和AC的三元線性組合預(yù)測(cè)的TOC與實(shí)測(cè)TOC的相關(guān)性最好，相關(guān)性達(dá)到0.862 3，是該地區(qū)預(yù)測(cè)有機(jī)碳含量TOC的較好方法。

表1 不同線性回歸方法計(jì)算TOC結(jié)果

1.2 孔隙度測(cè)井解釋

常規(guī)測(cè)井確定地層孔隙度主要利用聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子和體積密度等孔隙度測(cè)井曲線結(jié)合威利公式計(jì)算得到。對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，孔隙常存在于碎屑礦物、黏土礦物、干酪根和微裂縫中及其周?chē)鶾10]，復(fù)雜的礦物成分和多樣的孔隙結(jié)構(gòu)使單孔隙曲線計(jì)算孔隙度有局限性。因此，在實(shí)測(cè)孔隙度擬合的基礎(chǔ)上建立了三孔隙度曲線線性回歸關(guān)系式：

φ=0.015AC-4.86DEN-0.118CNL+11.796

(1)

式中：φ為巖石孔隙度，%；CNL為補(bǔ)償中子孔隙度，%。

式(1)預(yù)測(cè)的孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度的平均誤差較小，說(shuō)明擬合方程適用于該地區(qū)。

1.3 含氣飽和度測(cè)井解釋

成熟的頁(yè)巖孔隙流體含水較少，該地區(qū)以生氣為主，含油飽和度可以忽略不計(jì)。可利用阿爾奇公式計(jì)算頁(yè)巖儲(chǔ)層的含水飽和度，公式如下：

Sw=[abRw/(φm·Rt)]1/n

(2)

Sg=1-Sw

(3)

式中：Sg為含氣飽和度，%；Sw為含水飽和度，%；Rw為地層水電阻率，Ω·m，取0.12 Ω·m；m為巖石膠結(jié)指數(shù)，取2；n為飽和度指數(shù)，取2；a、b為巖性系數(shù)，均取1。

1.4 吸附氣量測(cè)井解釋

大量實(shí)驗(yàn)表明，頁(yè)巖的吸附遵循Langmuir等溫吸附關(guān)系，Langmuir體積能表示頁(yè)巖的最大吸附氣量[11]。利用等溫吸附實(shí)驗(yàn)樣品的最大吸附氣量與對(duì)應(yīng)樣品的TOC值做交會(huì)圖(圖1)，可看出吸附氣量與TOC呈良好的線性關(guān)系，得到如下吸附氣線性擬合公式：

QA= 0.545TOC+ 1.129

(4)

式中：QA為吸附氣量，cm3/g。

上式中相關(guān)系數(shù)為0.916 7，線性相關(guān)性非常好，利用TOC來(lái)擬合吸附氣量具有較高的可靠性。

圖1 等溫吸附氣量與TOC交會(huì)圖

1.5 游離氣量測(cè)井解釋

游離氣是以游離狀態(tài)賦存在儲(chǔ)層孔隙和裂縫中的天然氣。確定游離氣含量的重要參數(shù)是有效孔隙度和含氣飽和度。計(jì)算公式如下：

Qf=φSg/(ρZ)

(5)

式中：Qf為游離氣含量，cm3/g；ρ為該巖石的密度，g/cm3；Z為氣體體積壓縮因子，與深度呈線性關(guān)系。

2 頁(yè)巖氣測(cè)井綜合評(píng)價(jià)

對(duì)上述測(cè)井解釋的預(yù)測(cè)TOC、孔隙度、含氣飽和度、吸附氣、游離氣和總含氣量曲線進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)圖2。預(yù)測(cè)TOC與實(shí)測(cè)TOC吻合較好，龍馬溪組頁(yè)巖TOC為0.42%～4.18%，平均值為1.52%，高TOC值位于龍馬溪組的頂部和底部，能達(dá)到4.20%。預(yù)測(cè)孔隙度和實(shí)測(cè)孔隙度同樣具有較高的吻合度，龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度為0.12%～2.09%，平均孔隙度為1.13%，龍馬溪組底部黑色炭質(zhì)頁(yè)巖孔隙度最大，達(dá)到2.09%。龍馬溪組含氣飽和度整體很高，除上部地層含氣飽和度為65%左右，其余地層的含氣飽和度在78%左右。龍馬溪組吸附氣含量為0.5～2.4 m3/t，游離氣含量為0.14～0.82 m3/t，兩者比值約為3∶1?？偤瑲饬壳€與實(shí)測(cè)值總體趨勢(shì)一致，平均誤差為0.314 m3/t，在合理范圍內(nèi)，其值為1.057～2.719 m3/t，平均為1.939 m3/t，含氣量高值部分集中在龍馬溪組的上部、中部和底部，達(dá)到2.3 m3/t以上?？傮w上龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高，具有形成頁(yè)巖氣的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。頁(yè)巖的孔隙度不高而孔隙含氣飽和度普遍較高，具備一定的儲(chǔ)集條件。含氣量中吸附氣占主要成分，整體上含氣量較大，具有良好的資源潛力。

圖2 測(cè)井解釋綜合分析

在分析龍馬溪組頁(yè)巖各項(xiàng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，以巖性、厚度、TOC、孔隙度和含氣量為主要參考指標(biāo)，可將龍馬溪組劃分出3個(gè)頁(yè)巖氣層：1號(hào)層，896.00～910.40 m，黑色頁(yè)巖，平均TOC為1.5%，孔隙度為0.8%，含氣量為1.5 m3/t；2號(hào)層，922.30～931.28 m，黑色頁(yè)巖，平均TOC為1.02%，孔隙度為0.82%，含氣量為1.83 m3/t。3號(hào)層，黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，941.90～949.10 m，平均TOC為2.17%，孔隙度為1.08%，含氣量為2.66 m3/t。

3 含氣量的主控因素

3.1 TOC與含氣量之間的關(guān)系

TOC與含氣量的正相關(guān)性在很多頁(yè)巖研究中被證實(shí)。該地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖層系有機(jī)碳含量和含氣量擬合關(guān)系表明兩者呈很好的線性關(guān)系(圖3a)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.74。TOC與含氣量相關(guān)性好，主要原因是含氣量中吸附氣的比重多，而TOC增加使得可供天然氣吸附的表面積增大，頁(yè)巖吸附氣含量隨之增加[12]，如圖3b所示，TOC增加吸附氣含量也隨之增加，TOC和含氣量呈較好正相關(guān)性。但TOC與游離氣的交會(huì)圖中沒(méi)有看到明顯的相關(guān)性(圖3c)，一定程度上說(shuō)明游離氣的賦存空間與TOC關(guān)系不大。

3.2 孔隙度與含氣量之間的關(guān)系

由圖4a可知，含氣量與孔隙度呈弱正相關(guān)性，而游離氣量與孔隙度呈明顯正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86(圖4b)。高含氣飽和度的孔隙體積對(duì)游離氣有直接貢獻(xiàn)，但由于含氣量中游離氣占的比重小，因此，總體上孔隙度對(duì)總含氣量的影響較小。而吸附氣與孔隙度并沒(méi)有很好的相關(guān)性(圖4c)，說(shuō)明孔隙度增加但能讓吸附氣吸附的孔隙表面積并沒(méi)有增加。

圖3 含氣量與TOC關(guān)系

3.3 深度與含氣量之間的關(guān)系

含氣量隨深度的縱向變化規(guī)律前人討論的比較少，利用測(cè)井曲線縱向分辨率高的優(yōu)點(diǎn)來(lái)研究含氣量隨深度的變化效果顯著，相對(duì)于零散的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)井預(yù)測(cè)的曲線能充分體現(xiàn)參數(shù)的局部變化特征。

從圖5中預(yù)測(cè)TOC和預(yù)測(cè)含氣量隨深度變化可以看出，3個(gè)層的TOC和含氣量都有層中部大頂?shù)仔〉淖兓?guī)律。層頂?shù)着c砂巖或砂質(zhì)泥巖相接觸，沉積環(huán)境和巖性發(fā)生漸變，TOC變小，含氣量也隨之變小。預(yù)測(cè)含氣量與預(yù)測(cè)TOC的比值，反映的是單位TOC的含氣能力。圖中3個(gè)層段的單位TOC含氣量整體都穩(wěn)定集中在1.5～2.0 m3/t，但到層底部單位TOC含氣量突然變大，其中1號(hào)層和3號(hào)層表現(xiàn)尤為突出，在層底部2～3 m的厚度范圍內(nèi)，兩者單位TOC含氣量分別從1.7 m3/t左右增加到3.8 m3/t和4.9 m3/t，該現(xiàn)象說(shuō)明層底部的單位TOC含氣能力強(qiáng)。圖5中3個(gè)頁(yè)巖層底部的孔隙度都增大，而孔隙度與游離氣正相關(guān)關(guān)系強(qiáng)，說(shuō)明底部?jī)?chǔ)集空間大使含氣量中游離氣成分增大，進(jìn)而單位TOC含氣能力變強(qiáng)。從天然氣逸散方面來(lái)說(shuō)，致密頁(yè)巖層段的中上部對(duì)頁(yè)巖底部自生自儲(chǔ)的頁(yè)巖氣來(lái)說(shuō)具有很好的封存能力，而中上部的頁(yè)巖氣會(huì)由于不具備良好的保存條件，有部分逸散到上部的非致密巖層中。1號(hào)和3號(hào)層頁(yè)巖相對(duì)于2號(hào)層頁(yè)巖較厚，所以其對(duì)底部頁(yè)巖氣的封存能力相比2號(hào)層頁(yè)巖要更好，底部的單位TOC含氣量要高。這些現(xiàn)象體現(xiàn)了該地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖層底部對(duì)頁(yè)巖氣具有富集能力。

圖4 含氣量與孔隙度關(guān)系

圖5 TOC、含氣量和孔隙度的深度變化

4 結(jié) 論

(1) 頁(yè)巖氣測(cè)井解釋需根據(jù)地區(qū)地質(zhì)特征選擇合適的測(cè)井曲線和計(jì)算模型。湘鄂西地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖的實(shí)測(cè)參數(shù)值與測(cè)井預(yù)測(cè)參數(shù)值吻合程度高，測(cè)井計(jì)算模型具有地區(qū)推廣性。測(cè)井評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高，平均TOC為1.52%，孔隙度較低，平均為1.13%。含氣飽和度整體高，平均為78%。含氣量中吸附氣占主要成分，總含氣量較高，為0.23～3.37 m3/t，平均為1.705 m3/t。綜合各類(lèi)參數(shù)，將龍馬溪組頁(yè)巖劃分成3段頁(yè)巖氣層。

(2) 湘鄂西龍馬溪組頁(yè)巖含氣量與TOC和孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，TOC與吸附氣正相關(guān)性強(qiáng)，對(duì)游離氣影響不大，孔隙度與游離氣正相關(guān)性強(qiáng)，對(duì)吸附氣沒(méi)有太大促進(jìn)作用。單位TOC含氣能力和孔隙度在頁(yè)巖底部會(huì)變高，認(rèn)為頁(yè)巖底部具有更好的儲(chǔ)層空間和封存條件，體現(xiàn)了該地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖層底部具有頁(yè)巖氣富集能力。

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編輯 劉兆芝

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.004

20150812；改回日期20151120

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“風(fēng)化作用對(duì)我國(guó)南方頁(yè)巖含氣性影響定量研究——以渝東南龍馬溪組為例”(41102088)

陳康(1988-)，男，2009年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專(zhuān)業(yè)在讀博士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)油氣地質(zhì)與地球物理研究。

TE122.2

A

1006-6535(2016)01-0016-05