祁攀文，姜呈馥，趙謙平，史 鵬，孫德瑞.

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075)

陸相頁巖氣測井評價方法

祁攀文，姜呈馥，趙謙平，史 鵬，孫德瑞.*

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075)

為解決我國在陸相頁巖氣測井評價領域技術儲備薄弱的問題，依據(jù)陸相頁巖氣評價標準，在總結陸相頁巖氣測井評價方法的基礎上，結合延長陸相頁巖氣示范區(qū)長7頁巖氣勘探開發(fā)實踐情況，提出一套適合中國陸相頁巖氣測井評價的方法和有效途徑。該有效途徑為：①篩選TOC>2.0%的層段；②選定孔隙度>2.0%的層段；③篩選含氣量>1.0 m3/t的層段；④圈定單井累計厚度>30 m的井和井區(qū)；⑤篩選脆性指數(shù)>40.0%的井區(qū)作為優(yōu)先施工區(qū)域。該測井評價方法綜合了多種儲層敏感參數(shù)，提高了儲層評價的精度和效率，并在延長陸相頁巖氣勘探實踐中取得了良好效果。最后，文章指出目前陸相頁巖氣測井技術存在的問題和未來的突破方向和思路，對指導陸相頁巖氣勘探和經(jīng)濟評價具有重要意義。

頁巖氣；評價標準；陸相；測井解釋；有效途徑

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中以吸附或游離狀態(tài)為主的天然氣聚集[1]。頁巖氣作為資源潛力巨大的能源新領域，日益受到世界各國的高度重視[2-4]。中國頁巖氣富集地質條件優(yōu)越，具有廣闊的頁巖氣資源前景及開發(fā)潛力[5]，但復雜多變的地質條件導致存在多種頁巖氣發(fā)育類型和模式：南方地區(qū)頁巖氣單層厚度大、以古生界海相沉積為主，具有熱演化程度高、后期構造改造強的特點；北方地區(qū)以華北地臺為主體，頁巖氣儲層具有古—中—新生界發(fā)育齊全、沉積遷移特征明顯、薄互層的特點；西北地區(qū)以古生界和中生界為主，具有沉積類型齊全，有機質豐度高、有機質熱演化程度相對較低的特點[6]。

測井資料在評價烴源巖、定性識別頁巖氣，獲取總有機碳含量(TOC)、含氣量和巖石脆性指數(shù)等關鍵評價參數(shù)方面不可缺少，測井綜合評價已經(jīng)成為當前頁巖氣勘探開發(fā)的技術支撐[7]。數(shù)十年來，大多數(shù)頁巖氣田均通過進行測井數(shù)據(jù)采集來滿足頁巖氣儲層評價的需要。根據(jù)Luffel和Guidry調研指出，阿巴拉契亞盆地(Appalachian Basin)大多數(shù)采用空氣鉆井，采用的測井系列主要包括雙感應、巖性密度、井壁中子、自然伽馬能譜測井，還有井下電視和溫度測井等[7]。Zhao等報道了北美FortWorth盆地泥盆系Barnett頁巖中所應用的典型測井系列，主要包括自然伽馬、補償密度、補償中子、巖性密度和感應測井[8]。墨菲石油公司(Murphy Oil)Le Compte 等根據(jù)頁巖氣儲層評價需求，提出了較為全面的頁巖氣測井系列，包括電阻率測井、密度測井、中子測井、核磁共振測井(用于確定頁巖孔隙度并不受TOC的影響)、聲波測井(用于巖石力學性質分析)、成像測井(用于識別裂縫等)[9]。Lewis等則報道了Schlumberger公司頁巖氣測井資料處理技術，主要為基于該公司的Platform Express測井軟件平臺和元素俘獲譜(ECS)測井技術開發(fā)了專門的測井資料處理軟件包[10]。

與海相頁巖氣儲層不同，陸相頁巖氣具有熱演化程度低、有機質含量高、石英含量相對低、長石與碳酸鹽巖礦物含量高、后期改造弱的特點[11]。這些特點決定了陸相頁巖氣測井評價不能完全照搬海相頁巖氣評價條件、標準和方法。當前，我國在陸相頁巖氣測井評價領域的技術儲備比較薄弱，還沒有過硬的參數(shù)標準，缺乏對陸相頁巖氣識別的成套關鍵技術，來有效評價頁巖的巖石礦物成分、巖石結構、儲集性能、含氣性以及巖石力學特征等，亟須相應的勘探技術方法的研發(fā)與儲備，進而指導頁巖氣識別及選層優(yōu)選工作。

有鑒于此，如何借鑒頁巖油氣勘探開發(fā)成功經(jīng)驗，建立一套適合中國陸相頁巖氣儲層的測井地質評價方法，成為一個迫切的現(xiàn)實問題。為此，基于國內外頁巖氣勘探開發(fā)的系統(tǒng)調研和陸相頁巖氣評價的工作實踐，以鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖氣勘探實踐為例，形成一套適合中國陸相頁巖氣測井的評價方法及有效途徑。

1 陸相頁巖氣儲層特征及評價標準

1.1 陸相頁巖氣儲層特征

近年來，中國松遼、鄂爾多斯、渤海灣、四川和準噶爾等盆地內具有較好的陸相頁巖氣勘探前景，并相繼在四川盆地元壩、新場、鄂爾多斯盆地甘泉—富縣地區(qū)獲得工業(yè)氣流。鄂爾多斯盆地延長組發(fā)育多套富有機質頁巖，以長7“張家灘頁巖”分布最廣、厚度最大、有機質含量最高。該套頁巖分布面積約10×104km2，厚度為30～120 m。延長陸相頁巖氣示范區(qū)49個巖心分析樣品表明，長7頁巖TOC為0.46%～9.80%，主頻分布范圍為2.00%～6.00%，90%的樣品TOC大于2.00%。整體上看，TOC稍高于北美頁巖氣儲層[12]。

根據(jù)延長陸相頁巖氣示范區(qū)4口井長7的22塊樣品X衍射分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計，長7頁巖石英含量為10.6%～29.7%，平均為17.6%；長石含量為5.2%～38.2%，平均為17.5%；膠結物主要為以伊蒙混層、銨伊利石和綠泥石為主的黏土礦物，方解石、鐵白云石、黃鐵礦含量極低，平均含量分別為1.5%、1.1%和1.7%。與北美地區(qū)頁巖及中國南方古生界海相頁巖相比，具有“低石英、高長石、富黏土礦物”的特點。

巖心物性分析數(shù)據(jù)表明，長7孔隙度一般為0.5%～13.8%，變化范圍較大，平均為2.8%；孔隙度分布主要呈雙峰特征，主峰分布范圍為2.0%～4.0%，次主峰分布范圍為6.0%～7.0%；113個頁巖測試樣品中孔隙度大于10%的樣品僅3塊，大于多數(shù)樣品孔隙度小于8%。滲透率值為0.0001～0.9158 mD，平均值為0.1625 mD；滲透率分布也呈雙峰特征，峰值分布范圍分別為0.01～0.05 mD，0.1～0.2 mD；其中47.3%樣品的滲透率小于0.1 mD，與北美海相頁巖相比物性稍差。

頁巖氣主要以游離態(tài)、吸附態(tài)兩種狀態(tài)賦存，據(jù)延長陸相頁巖氣示范區(qū)LP194、YY5兩口井頁巖解吸試驗結果[13]，推測延長組長7頁巖總含氣量一般在6.200 m3/t左右，在地層溫度、壓力條件下(50 ℃，5 MPa)最大吸附氣量均超過1.00 m3/t，部分樣品甚至超過2.00 m3/t；利用PVT方程估算長7游離氣含量為0.35～2.06 m3/t，平均為1.75 m3/t，與北美及中國南方海相頁巖相比，含氣量具有中偏高的特征。

1.2 儲層評價標準

張金川[14]基于北美海相頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗，依據(jù)頁巖TOC、熱演化程度(鏡質體反射率Ro)值，綜合考慮埋深、含氣量、頁巖面積、厚度、地表條件、保存條件、可壓裂性等因素將海相頁巖氣分為遠景區(qū)、有利區(qū)和核心(目標)區(qū)資源3級；鄒才能[15-16]、涂乙[17]、王社教[18]等學者總結了北美海相頁巖氣儲層評價標準，并與中國南方海相頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選的標準進行了對比；李延鈞[19]從頁巖生氣能力、儲氣能力、易開采性界定了海相頁巖氣6項評價參數(shù)。但陸相頁巖與海相頁巖地質特征的差異決定了中國陸相頁巖氣評價標準不能簡單照搬海相頁巖氣的評價方法。何發(fā)岐[20]對四川盆地下侏羅統(tǒng)頁巖氣形成條件和富集關鍵因素分析后認為：厚度>50 m、TOC>1.5%、Ro>1.0%、埋深<4000 m為頁巖氣選區(qū)評價標準；曾秋楠[21]綜合國內外頁巖氣研究成果，選取儲層厚度、夾層比、TOC、Ro、脆性礦物含量和孔隙度作為陸相頁巖氣評價指標；羅鵬[11]結合陸相頁巖氣特點，認為TOC、Ro、脆性礦物含量、含氣性、孔隙度等是陸相頁巖氣儲層評價的重要參數(shù)。孫玉凱[22]分析了吐哈盆地頁巖氣地質條件，提出頁巖氣有利區(qū)遴選標準?？傊?，TOC、Ro、礦物成分、含氣量、厚度及埋深是頁巖氣儲層評價最重要的關鍵參數(shù)[23-24]。鄂爾多斯頁巖氣示范區(qū)延長組地層埋深800～1600 m，長7熱成熟度Ro值為1.25%～1.33%，埋深和熱成熟度均滿足一般評價標準[13]。故綜合考慮鄂爾多斯頁巖氣實際情況，認為陸相頁巖氣評價標準為TOC>2.0，脆性礦物含量>40%，孔隙度>2%，有效厚度>30 m，含氣量>1.0 m3/t(表1)。

2 陸相頁巖氣測井評價方法

依據(jù)建立的頁巖氣評價標準，測井資料可依次進行如下評價工作：①評價頁巖氣儲層地球化學參數(shù)，計算TOC等；②評價頁巖氣儲層的物性參數(shù)，計算孔隙度和滲透率；③評價頁巖氣儲層的含氣性，計算吸附氣和游離氣含量；④評價頁巖氣儲層的巖性及礦物組分，計算礦物相對含量；⑤評價頁巖氣儲層可壓裂性，計算脆性指數(shù)、楊氏模量及泊松比等參數(shù)。

表1 陸相頁巖氣評價標準(據(jù)文獻[11][20-22])Table 1 Evaluation standard of continental gas shale reservoir in China

2.1 地球化學參數(shù)評價

TOC是識別評價頁巖氣的重要指標，較高的TOC值往往代表著較高的產(chǎn)氣能力。頁巖氣常規(guī)測井響應特征常具有“五高兩低”的測井特征，即高自然伽馬、高鈾、高聲波時差值、高補償中子值、高電阻率值、低光電吸收截面指數(shù)、低密度值。Passey等應用ΔlogR方法進行了烴源巖TOC定量評價[24]；朱有光[25]等人考慮了有機質對聲波時差和密度曲線的影響，對Passey的方法進行了改進，提出有關TOC的解釋模型；張晉巖[26]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，TOC與密度曲線有很好的相關性，建立了利用密度資料解釋TOC的模型；針對延長陸相頁巖氣示范區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，長7自然伽馬、自然伽馬能譜測井鈾含量、補償密度、聲波時差和電阻率等參數(shù)對TOC響應較為敏感。

2.2 物性參數(shù)評價

Michael[27]等提出用元素俘獲測井計算頁巖氣孔隙度；張晉言[26]發(fā)現(xiàn)對密度孔隙度做有機質校正后的孔隙度值與頁巖真實孔隙度相當；此外，斯倫貝謝[28]提出核磁共振測井在頁巖氣孔隙度計算中也取得了較好的應用效果。本次研究利用實測孔隙度資料，對應分析三孔隙度以及泥質指示曲線對其測井響應的敏感性，進而優(yōu)選出聲波時差、密度、中子及自然伽馬相對值參數(shù)進行孔隙度計算，得到長7頁巖孔隙度解釋模型為：Φ=0.017Δt+5.048ρb+0.138CNL+0.033ΔGR-20.378，相關系數(shù)R=0.886，應用該模型計算的孔隙度與實測孔隙度之間對應良好(圖1)。

圖1 YY1井孔隙度解釋結果Fig.1 Shale gas porosity evaluation of well YY1

2.3 含氣性參數(shù)評價

李武廣等[29]等利用頁巖樣品的等溫吸附試驗，得到溫度、壓力、TOC及有機質成熟度對頁巖吸附氣含量的影響，并利用以上參數(shù)建立了頁巖吸附氣含量模型。萬宇[30]在此方法基礎上，考慮脫離巖心試驗數(shù)據(jù)，建立了吸附氣與地層溫度、壓力及TOC的通用計算模型；王鳳琴等[31]發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地長7TOC與吸附氣量之間存在較好的正相關關系；曾維特[32]利用解析試驗數(shù)據(jù)，建立了延長組TOC與吸附氣之間的定量解釋模型。

游離氣含量與儲層的地層壓力、孔隙度和含水飽和度有關，其計算方法與常規(guī)儲層含氣量計算方法一致。首先通過試驗確定巖電參數(shù)，在確定孔隙度和地層水電阻率的情況下，求出游離氣飽和度，進而確定游離氣含量。此外，也有學者通過TOC與實測游離氣數(shù)據(jù)回歸分析，建立游離氣含量解釋模型[32]。

2.4 礦物組分評價

斯倫貝謝公司利用常規(guī)測井和ECS(元素俘獲能譜)測井資料，運用Spectro-Lith技術確定地層中礦物含量，該技術能精確評價頁巖氣儲層的黏土、石英、長石、黃鐵礦等的相對體積[28]。在無ECS測井資料的情況下，張晉言利用中子密度歸一化建模計算泥質含量，利用三孔隙度測井曲線兩兩交會計算頁巖的砂質含量和灰質含量；此外，多礦物最優(yōu)化測井解釋模型可充分發(fā)掘常規(guī)測井蘊含的地質信息，可算出三種以上的礦物含量(圖2)。

圖2 YY1井多礦物測井解釋模型Fig.2 Multi-mineral well logging interpretation model of well YY1

2.5 巖石力學參數(shù)評價

目前國外測井公司主要采用陣列聲波的縱橫波時差來計算巖石的楊氏模量和泊松比，進而計算巖石的脆性指數(shù)[33-34]。脆性指數(shù)與巖石礦物成分密切相關，對于缺少陣列聲波測井資料使得無法應用巖石彈性參數(shù)計算脆性指數(shù)的井，可采用礦物組分法定量計算巖石脆性礦物含量(石英+長石+碳酸鹽)來評價巖石脆性(圖3)。

3 陸相頁巖氣儲層測井評價有效途徑

圖3 YY1井礦物組分法計算脆性指數(shù)Fig.3 Mineral composition method to calculate brittleness index of well YY1

上述評價參數(shù)環(huán)環(huán)相扣、缺一不可，地化參數(shù)評價是頁巖氣儲層識別的基礎，解決“頁巖氣層在哪”的問題；物性評價參數(shù)決定了頁巖氣儲層儲集能力的強弱，解決頁巖氣“巖石物理參數(shù)如何”的問題；含氣性評價是頁巖氣儲層評價的核心，解決頁巖氣儲層“有多少含氣量”的問題；可壓裂性評價取決于頁巖氣儲層的脆性，是水力壓裂設計的基礎，解決頁巖氣“能否被開采”的問題。綜合分析國內外頁巖氣儲層識別與評價的技術方法，確定陸相頁巖氣測井評價技術與步驟如下：

第一步，在巖性識別基礎上，針對富含有機質泥頁巖層段，通過巖心標定后測井模型的建立，系統(tǒng)解釋TOC，確定TOC大于2.0%的層段；其中主要利用測井資料中對TOC響應較敏感參數(shù)如鈾參數(shù)、自然伽馬測井相對值參數(shù)等。

第二步，針對TOC大于2.0%的層段，依據(jù)三孔隙度測井資料和自然伽馬測井相對值建立的孔隙度解釋模型計算孔隙度，進一步篩選出第一步選出層段中孔隙度大于2.0%的層段。

第三步，針對第二步選出的層段，分別根據(jù)第一步計算出的TOC，建立吸附氣測井解釋模型，計算吸附氣含量；同時，基于巖電試驗結果建立的游離氣解釋模型計算游離氣含量，進而計算總含氣量，篩選出含氣量大于1.0 m3/t的層段。

第四步，經(jīng)過第三步的篩選后，統(tǒng)計含氣量大于1.0 m3/t層段的厚度和累計厚度。

第五步，對研究區(qū)內的井，開展第一、第二、第三、第四步處理，圈定出單井中累計厚度大于30 m的井或井區(qū)。

第六步，在第五步圈定的范圍內，根據(jù)脆性礦物解釋模型，解釋脆性礦物含量，進而篩選出脆性礦物含量大于30.0%的井區(qū)，作為優(yōu)先施工的區(qū)域。

4 陸相頁巖氣測井評價技術難點

陸相頁巖氣測井評價技術難點在于：和常規(guī)油氣藏相比，頁巖氣測井評價技術涉及的技術和內容更加廣泛和復雜，頁巖氣在成藏機理方面具有獨特性，常規(guī)油氣測井勘探評價方法難以完全適應，測井評價涉及的計算公式為理想的推導模型，需要大量的巖心實驗室資料建立回歸算法，且誤差較大。具體表現(xiàn)為：

(1)陸相頁巖氣測井解釋評價屬于低孔隙度、低滲透率儲層解釋評價范疇，頁巖氣具有低孔隙度、特低滲透率及自生自儲的特點，頁巖礦物成分復雜，儲集層情況多樣無法精細掌握。

(2)儲層流體賦存狀態(tài)與常規(guī)油氣不同，頁巖氣常以吸附狀態(tài)賦存于頁巖中，游離氣少，表明儲層含氣的測井響應特點面臨新探索。

(3)儲層巖性復雜且不同于常規(guī)油氣層，目前已知達到商業(yè)開采價值的頁巖氣儲層多為硅質含量大于28%、微裂縫發(fā)育的頁巖儲層，表明頁巖氣測井解釋模型將不完全同于常規(guī)油氣層。

5 陸相頁巖氣測井評價研究方向展望

相對于海相頁巖氣，陸相頁巖氣沉積環(huán)境較差，黏土含量相對較高，硅質、鈣質含量相對較低，脆性物質較少，裂縫[35]發(fā)育程度較低。因此，陸相頁巖氣的地質問題成為制約頁巖氣研究及勘探的因素之一。針對陸相頁巖氣儲層的特點，建議關注4方面的頁巖氣測井技術研究。

(1)陸相頁巖氣儲層巖石物理試驗研究。探索建立適合陸相頁巖氣的測井解釋模型，為測井解釋提供依據(jù)。主要體現(xiàn)為進行流體及儲集空間結構試驗研究?；诔Ｒ?guī)測井資料，結合特殊測井資料進行處理，共同約束，著手于頁巖的物性參數(shù)、阿爾奇公式參數(shù)、飽和度、儲層礦物成分、裂縫特征描述、巖石力學參數(shù)分析等。

(2)建立能夠精準計算吸附氣和游離氣含量的預測模型。目前，吸附氣含量主要通過等溫吸附試驗模擬法和TOC回歸分析法進行預測；游離氣基于巖電試驗建立預測模型進行計算，該計算方法的精準度還有待提升。

(3)陸相頁巖礦物成分分析。需弄清頁巖儲層的礦物構成及確定儲層巖石骨架，為孔隙度等參數(shù)計算提供依據(jù)。頁巖氣儲層為低孔隙度特低滲透率致密儲層，頁巖氣的有效開發(fā)都需經(jīng)過儲層改造，頁巖中脆性礦物成分含量的高低決定了儲層改造的效果。

(4)巖石力學參數(shù)評價。其目的為為水平井儲層壓裂提供參考依據(jù)。頁巖氣的開采主要以水平井開采技術為主。因此，側重巖石力學參數(shù)評價，可為鉆井、鉆井液及壓裂改造提供必需的參數(shù)。

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EffectiveLoggingEvaluationMethodsofContinentalShaleGas

Qi Panwen, Jiang Chengfu, Zhao Qianping, Shi Peng, Sun Derui

(ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China)

In order to solve the problem of weak reserve in continental shale gas logging evaluation in our country, according to continental shale gas evaluation criteria, on the basis of summarizing the continental shale gas logging evaluation methods and combining with chang7 shale gas exploration and development practice in Yanchang shale gas demonstration zone, an effective logging evaluation process suitable for China's continental shale gas has been proposed: ①Picking out the layer sections whichTOC>2.0%; ②Layer porosity>2.0% was selected; ③Picking out the layer sections which gas content>1.0 m3/t; ④Total thickness>30m of single well and well area is delineated; ⑤finally, select the brittleness index>40.0% well area as a priority of the development area. The log evaluation method combined a variety of reservoir sensitivity parameters, improved the accuracy and efficiency of reservoir evaluation, and achieved good effect in continental shale gas exploration in Yanchang shale gas demonstration zone. At last, the paper pointed out the problems existing in the continental shale gas logging technology and the direction of future breakthrough, that was of great significance to guide the exploration and economic evaluation of continental shale gas.

shale gas; evaluation criteria; continental facies; logging interpretation; effective methods

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目“頁巖氣勘探開發(fā)新技術”(2013AA064501)、陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目“延長石油陸相頁巖氣成藏機理及資源潛力評價”(2012KTZB03-03-01)資助。

祁攀文(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事石油地質學與頁巖氣勘探等方面的研究工作。郵箱： qipanwen@163.com.

P618.130.2；TE122.2

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