淮銀超，曲良超，張 銘，譚玉涵，夏朝輝

(1．西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065；2．中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油集團測井有限公司油價評價中心，陜西 西安 710077)

0 引 言

頁巖氣是指賦存于富含有機質的頁巖中的非常規(guī)天然氣，是連續(xù)生成的生物化學成因氣、熱成因氣或二者的混合[1-2]。作為一種非常規(guī)天然氣，頁巖氣賦存形式有三種，吸附在頁巖干酪根的有機質、黏土顆粒表面上、游離在頁巖裂隙和基質孔隙中，溶解在頁巖的有機質中或有機烴中。頁巖氣開發(fā)對于環(huán)境保護，緩解化石能源危機和調整國家的能源結構、保障國家能源安全等具有十分重要的意義。

在頁巖氣儲層眾多的評價方法中，測井評價是最直接、最有效的方法之一，對于頁巖氣儲層評價具有重要意義[3]。由于頁巖氣儲層含氣復雜性以及“低孔低滲”等特點，基于測井資料的儲層評價在評價模型、方法以及思路等方面與常規(guī)油氣儲層存在不同。西加盆地作為加拿大頁巖氣的重要產地，不僅地質儲量豐富，頁巖儲層品質高、頁巖含氣量高，同時在工廠化鉆井、水平井分段壓裂等鉆井與儲層改造技術等方面處于領先地位，對于頁巖氣的測井儲層評價卻缺乏系統性研究?；诖耍P者以加拿大西加盆地頁巖氣儲層為研究對象，利用測井資料的多元回歸擬合和體積模型法分別建立頁巖氣儲層物性參數、地球化學、含氣性以及骨架礦物組分等模型，確立研究區(qū)的頁巖氣儲層測井評價體系。通過與實測結果對比，對頁巖氣儲層評價模型的準確性加以驗證，從而為頁巖氣儲層后續(xù)改造、開發(fā)工作奠定基礎。

1 研究區(qū)概況

加拿大西加盆地(west Canadian sediment basin，WCSB)是一個巨大的沉積盆地，面積1.4×106km2，分布在美國與加拿大之間的廣大區(qū)域內。盆地的構造演化運動發(fā)生在泥盆紀、石炭紀、晚二疊世、侏羅紀-早白堊世和中、晚侏羅世-第三紀，其中晚二疊世和晚侏羅世-第三紀構造運動決定著盆地規(guī)模、地層發(fā)育以及空間布局。西加盆地猶如一個巨大的楔狀體，向西延伸到太平洋沿岸的落基山，向東延伸到加拿大地盾。主要沉積地層有古生代至侏羅紀的碳酸鹽巖、泥頁巖以及中侏羅世至古新世間的之間的碎屑巖。本次的研究目的層即為泥盆紀的泥頁巖。

研究區(qū)位于西加盆地西部，目的頁巖位于泥盆紀地層中，屬于深海相沉積，巖性以富瀝青質暗色黑色、黑灰色硅質、鈣質泥頁巖、泥巖為主。目的頁巖厚度介于45～65 m，埋藏深度在2 500～3 500 m之間，總有機碳含量為3.54%，鏡質體反射率為1.63%。

2 儲層特征

巖芯分析結果表明研究區(qū)內頁巖的儲集空間為溶蝕孔、有機質孔和裂縫，孔隙度為3.35%。滲透率0.174×10-3μm2；X-ray diffraction(XRD)分析結果表明骨架礦物為石英、方解石、長石，含有少量黃鐵礦；黏土礦物主要以伊蒙混層、綠泥石、伊利石為主，含有少量蒙脫石。

在常壓和儲層溫度下測定研究區(qū)內的含氣量，通過測定解吸罐中的氣體體積獲得解吸氣體積；利用USBM直線回歸方法確定散溢氣體積；粉碎樣品以獲得殘余氣體積。含氣量測定結果表明研究區(qū)內含氣量平均值為1.59 cm3/g，屬于中-高含氣量儲層，表1為BB井的含氣量測定結果統計表。

表1 研究區(qū)內BB井含氣量測定結果

3 頁巖氣儲層參數評價

考慮到頁巖氣儲層“低孔低滲”、含氣性復雜以及頁巖氣儲層需要水平壓裂的特點，將頁巖氣儲層測井評價模型分為四部分：儲層物性、總有機碳含量、含氣性以及骨架礦物組分。包括有效孔隙度、滲透率和含水飽和度、總有機碳含量、吸附氣含氣量、游離氣含氣量以及石英、鉀長石、方解石、黃鐵礦含量等10個基礎評價參數。通過頁巖氣儲層測井儲層評價研究，能夠更加全面認識研究區(qū)內頁巖氣儲層特征，為后續(xù)頁巖氣儲層“甜點區(qū)”優(yōu)選、資源量評價以及儲層改造奠定基礎。

3.1 物性參數模型

測井識別是頁巖氣儲層評價工作的基礎。研究區(qū)圍巖為灰?guī)r，相比于圍巖的“低伽瑪、高密度、低中子孔隙度、低聲波時差、高電阻率、高光電吸收系數”測井響應[4]，頁巖氣儲層的測井曲線響應特征表現為“中高伽瑪、中低補償密度、高中子孔隙度、高聲波時差、中低電阻率、低光電吸收系數以及高鈾，釷，鉀”。其中鈾對于頁巖中的有機質反應最為靈敏(圖1)。

CALI-井徑；GR-自然伽馬；PEFZ-光電吸收界面；URAN-自然伽馬能譜-鈾；THOR-自然伽馬能譜-釷；POTA自然伽馬能譜-鉀；AC-聲波時差；NPHI中子孔隙度；RHOB-補償密度；LLD-深電阻率；LLS-中電阻率；MSFL-淺電阻率；TOC-總有機碳含量圖1 研究區(qū)頁巖測井響應特征

3.1.1 有效孔隙度

有效孔隙度是頁巖氣儲層物性評價的最重要的參數之一，決定著游離氣儲能。研究區(qū)內黃鐵含量較高以及黏土礦物中的束縛水，使用補償密度數據是計算有效孔隙度最有效方法。在有效孔隙度計算時須校正有機質、黏土礦物對有效孔隙度的影響。具體計算模型見式(1)。

(1)

式中：φ為有效孔隙度，%；ρ為補償密度，g/cm3；ρma、ρf、ρsh、ρtoc為骨架、流體、黏土礦物、有機質密度，g/cm3；Vsh、Vtoc為黏土礦物、有機質含量%。

3.1.2 滲透率

頁巖氣儲層滲透率決定著頁巖氣產能，同時準確的滲透率評價對于儲層改造具有重要的指示意義。頁巖氣儲層中的充氣孔隙往往是頁巖氣儲層中相對較大的，使得氣體在孔隙中的流動具有類似于達西運動的特性，從而與有效孔隙度有很好的相關性[5-7]。圖2的取芯分析結果也驗證了滲透率與有效孔隙度間具有很好的相關性，說明基于巖芯分析成果建立的滲透率評價模型可靠，見式(2)所示。

Perm=63.285×exp(0.248×φ)

(2)

式中：Perm為滲透率，10-6μm2；φ為有效孔隙度，%。

圖2 有效孔隙度與滲透率關系

3.1.3 含氣飽和度

含氣飽和度是游離氣含氣量計算中的主要參數之一，與常規(guī)儲層不同，頁巖氣儲層中流體以束縛水為主，且液態(tài)烴含量極少?？紤]到研究區(qū)內的頁巖中的黏土礦物種類、分布形式以及不同含水飽和度的適用條件，確定利用阿爾奇公式計算含氣飽和度。

黃鐵礦的存在使得頁巖段電阻率明顯偏低，會產生將含水飽和度值計算很高的“假象”。以“地層水視電阻率法”來降低黃鐵礦對含氣飽和度計算精度的影響。即在其余參數固定情況下，以實驗室分析地層水電阻率為基礎和自變量，含水飽和度為因變量。通過調整地層水電阻率從而達到利用阿爾奇方法計算含水飽和度與分析含水飽和度差值的最小化，以此時的地層水電阻率作為“地層水視電阻率”來計算研究區(qū)的含氣飽和度，見式(3)～(4)。

(3)

Sg=1-Sw

(4)

式中：Sw、Sg為含水飽和度，含氣飽和度，%；Rw、Rt為地層水、視地層水電阻率，Ω·m；φ為有效孔隙度，%；a、b為地層膠結系數；m、n電阻率放大系數。

3.2 總有機碳含量模型

總有機碳含量是頁巖氣儲層地球化學評價的重要參數，對于烴源巖的生烴潛力確定、吸附氣含量預測有重要意義[8-9]。常用計算方法有自然伽瑪曲線法、密度曲線法、電阻率-孔隙度交會法、干酪根轉換方法[10-12]。電阻率-孔隙度交會法以相對成熟且準確率較高的特點，常用來定性識別頁巖氣儲層與定量計算總有機碳含量，電阻率-孔隙度交會法根據計算出電阻率與聲波時差疊合幅度差，擬合出總有機碳含量評價模型，具體如式(5)～(6)所示。

(5)

TOC=0.414×ΔlogR+0.01×AC+1.08

(6)

式中：ΔlogR為聲波時差與電阻率曲線疊合幅度差；R、AC為實測的電阻率、聲波時差，Ω·m，μs/ft；R基線、AC基線為灰?guī)r段對應的電阻率與聲波時差,Ω·m，μs/ft；TOC為總有機碳含量,%。

黃鐵礦存在會影響電阻率-孔隙度交會法計算總有機碳含量的精度，而采用自然伽馬能譜不會受到黃鐵礦的影響，可以用來計算總有機碳含量。在自然伽瑪能譜中，鉀反映堿金屬元素含量，釷反映土族元素，鈾則代表地層氧還原特性[13-14]。頁巖氣儲層中的大量有機質對鈾有很強吸附力，故而總有機碳含量與鈾元素有很好相關性(圖3)，可以用鈾元素來計算總機碳含量，計算見式(7)。

TOC=0.208×URAN+1.867

(7)

式中：TOC為總有機碳含量，%；URAN為鈾元素含量，10-6。

圖3 總有機碳含量與自然伽瑪能譜-鈾的關系

考慮到兩種方法的優(yōu)缺點，為了減少總有機碳含量的計算誤差以及提高計算精度，以兩種方法的計算結果平均值作為有機碳含量的最終結果。

3.3 含氣性模型

頁巖氣主要由三種類型組成：游離氣、吸附氣和溶解氣。溶解氣在頁巖氣資源評價上基本不考慮，含氣性主要考慮對象為吸附氣和游離氣，二者可以占到含氣量的95%以上。

3.3.1 吸附氣

在頁巖氣儲層中，吸附氣是含氣量中的絕大部分，吸附氣主要吸附在黏土礦物和有機質表面[15-17]。吸附氣的常用的計算方法有等溫吸附模擬方法和巖芯分析回歸法，等溫吸附模擬方法需要大量取芯分析數據支持，而研究區(qū)內的取芯分析數據有限，故而吸附氣含氣量計算只能采用巖芯分析回歸法。在加拿大西加盆地的頁巖氣儲層中，總有機碳含量對吸附氣吸附“貢獻”最大，與吸附氣具有很好的相關性。基于此，采用總有機碳含量來回歸吸附氣含氣量，表達式見式(8)。

GCad=0.414×TOC+0.258

(8)

式中：GCad為吸附氣含氣量，m3/t；TOC為總有機碳含量，%。

3.3.2 游離氣

游離氣是以自由氣體形態(tài)存在于頁巖裂隙和基質孔隙中的天然氣，可以自由運移。頁巖氣中的游離氣與常規(guī)儲層中的天然在富集，儲存規(guī)律等方面相似，主控因素為有效孔隙度與含氣飽和度[18-19]，頁巖含氣量與頁巖有效孔隙度、含氣飽和度成正比，與頁巖地層密度成反比，構建游離氣計算模型，表達式見式(9)。

(9)

式中：GCf為游離氣含氣量，cm3/g；Bg為游離氣體積系數，為0.0216；φ為有效孔隙度，%；Sw為含水飽和度，%；ρ為頁巖氣儲層密度，g/cm3。

3.3.3 含氣量

以吸附氣與游離氣計算結果為基礎，含氣量為同一深度的吸附氣與游離氣之和。

3.4 骨架礦物組分模型

骨架礦物組分決定著頁巖脆性和硬度，而頁巖氣開發(fā)主要采用大型水力壓裂，因此骨架礦物含量對頁巖氣的開采具有重要意義[20]。同時，骨架礦物含量在一定程度上影響著儲層滲透率與含氣性。XRD全巖分析表明研究區(qū)內的頁巖的骨架礦物主要為石英、方解石、長石，黃鐵礦作為一種特殊礦物，在骨架礦物含量的計算中不可或缺。

3.4.1 黏土礦物含量

黏土礦物含量是計算骨架礦物含量的先決條件，影響著骨架礦物含量計算準確性。有機質會影響到黏土礦物含量的計算結果，而去鈾伽瑪曲線能夠有效消除有機質影響，是計算研究區(qū)內黏土礦物含量的最佳方法，如式(10)～(11)所示。

(10)

(11)

式中：SH為去鈾伽瑪相對值；KTH、KTHmin、KTHmax為分別為地層、灰?guī)r地層以及黏土礦物對應的去鈾伽瑪，API。

3.4.2 骨架礦物含量

以礦物的巖石物理性質為基礎，測井曲線值是孔隙流體、黏土礦物、骨架礦物、有機質的“貢獻”之和[21-22]?？紤]到不同礦物對應的測井曲線響應特征，選擇自然伽瑪(GR)、聲波時差(AC)、補償密度(RHOB)、中子孔隙度(NPHI)和光電吸收系數(U)為輸入參數，建立頁巖儲層的體積模型所，見式(12)。

(12)

式中：GR為自然伽馬，API；NPHI為中子孔隙度，%；RHOB為補償密度，g/cm3；AC為聲波時差，μs/m；U為光電吸收系數，B/C3；Por為孔隙度，%；Vsh為泥質含量，%；VToc為總有機碳含量，%；Vqt為石英含量，%；Vcal為方解石含量，%；Vab為長石含量，%；Vpy為黃鐵礦含量，%；Xf為流體的X測井曲線響應值；Xsh為泥巖的X測井曲線響應值；XToc為有機碳的X測井曲線響應值；Xqt為石英的X測井曲線響應值；Xcal為方解石的X測井曲線響應值；Xab為長石的X測井曲線響應值；Xpy為黃鐵礦的X測井曲線響應值。

通過聯立方程式，利用最優(yōu)化技術，計算出石英、白云巖、長石及黃鐵礦等骨架礦物含量。

4 儲層評價結果

以建立的頁巖氣儲層評價模型對加拿大西加盆地研究區(qū)內的頁巖儲層進行評價，圖4為加拿大西加盆地研究區(qū)內的BB井頁巖氣儲層評價結果?；陧搸r氣儲層評價模型計算出研究區(qū)的頁巖氣儲層孔隙度為3.62%；滲透率為0.293×10-3μm2；含水飽和度為7.66%，總有機碳含量為3.62%；吸附氣含氣量為1.59 cm3/g；游離氣含氣量為0.10 cm3/g；石英含量為30.31；方解石含量為23.52%；鉀長石含量為8.59%；黃鐵礦含量為5.51%。黏土礦物含量為25.41%。

圖4中的孔隙度、滲透率、總有機碳含量實驗室測定結果與測井計算結果在趨勢和數值上具有很好的吻合性，表明加拿大西加盆地研究區(qū)內頁巖氣儲層評價結果的準確性，同時也說明了上述的評價模型能夠滿足頁巖氣儲層的測井評價要求，可以為后續(xù)的開發(fā)工作奠定基礎。

5 結 論

1) 頁巖氣儲層屬于低價孔低滲的非常規(guī)儲層，在儲層評價參數和方法上與常規(guī)儲層差異較大?；陧搸r氣儲層特征、取芯分析以及常規(guī)測井資料建立頁巖氣儲層測井評價體系。

2) 形成基于頁巖氣儲層的測井響應特征，分別建立頁巖氣儲層的基于取芯分析建立的儲層參數模性，主要的參數包括有效孔隙度、滲透率、含氣飽和度、總有機碳含量、吸附氣含氣量、游離氣含氣量，以及骨架礦物石英、方解石、長石、黃鐵礦含量。

圖4 加拿大西加盆地BB井頁巖氣儲層評價結果

3) 由于常規(guī)測井資料及其精度的限制，骨架礦物的計算結果不夠理想。在未來的骨架評價模型中，可以考慮采用非常規(guī)測井資料(ECS、成像資料等)，同時考慮開展具有針對性的物理實驗以提高評價模型的精度。

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