淮銀超，楊龍偉 (長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安710054)

高旭 (中國石油測井有限公司新疆分公司,新疆 克拉瑪依 834000)

鄒威 (中國石油大學(xué)(北京)石油工程國家重點實驗室，北京102249)

頁巖氣是指將頁巖作為主要儲集層的“自生自儲”非常規(guī)天然氣，主要有2種賦存形態(tài)，吸附態(tài)和游離態(tài)。游離態(tài)頁巖氣存在于天然裂縫和孔隙中，可以自由移動；吸附態(tài)頁巖氣存在于干酪根、黏土顆粒表面。與常規(guī)儲層氣相比，頁巖氣的聚集屬于無運(yùn)移或者極短距離運(yùn)移，頁巖既是生氣源，又是聚集、保存的儲層和蓋層[1～3]。頁巖氣儲層具有低孔隙度、極低滲透率的特點[4]。頁巖孔隙度通常小于10%，滲透率數(shù)量級為10-8～10-4mD，需要進(jìn)行壓裂增產(chǎn)才能實現(xiàn)工業(yè)開發(fā)[5]。

D區(qū)塊位于內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定的前陸盆地，主要經(jīng)歷了晚元古代-晚侏羅世被動大陸邊緣和晚侏羅世-始新世前陸盆地2期構(gòu)造演化，沉積地層呈楔狀體[6，7]。該次研究的頁巖位于泥盆系，頁巖氣儲集層分為上、下2部分，中間由灰?guī)r夾層隔開，巖性以黑色、灰色頁巖，泥頁巖為主，厚度為45～65m，埋藏深度在2500～3500m之間，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))介于1.5%～3.5%，為Ⅱ型干酪根[8]。筆者以D區(qū)塊取心樣品的實測結(jié)果與測井曲線為基礎(chǔ)，在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合頁巖氣儲層參數(shù)測井響應(yīng)特征，以實測儲層參數(shù)值為約束條件，選擇儲層參數(shù)最佳解釋模型，確定解釋參數(shù)，實現(xiàn)研究區(qū)頁巖氣測井解釋，為D區(qū)塊頁巖氣的后續(xù)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 頁巖的測井曲線響應(yīng)

圖1 D區(qū)塊頁巖測井曲線響應(yīng)特征

圖2 D區(qū)塊頁巖氣測井解釋流程圖

D區(qū)塊的頁巖氣測井序列一般包括常規(guī)測井曲線序列和非常規(guī)測井曲線序列，常規(guī)測井曲線序列主要有自然伽馬、井徑、中子孔隙度、聲波時差、補(bǔ)償密度、深側(cè)向電阻率、淺側(cè)向電阻率等；非常規(guī)測井曲線序列主要包括電成像、聲波成像、交叉偶極聲波、核磁共振等[9]。頁巖氣儲層測井曲線響應(yīng)特征表現(xiàn)為“四高一低”特點，即高自然伽馬、高聲波時差、高中子孔隙度、高電阻率和低密度(圖1)。

2 頁巖氣測井解釋流程

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，頁巖本身不僅是烴源巖，同時也是儲層。頁巖氣形態(tài)為儲存在頁巖孔隙中的游離氣與吸附在頁巖表面上的吸附氣[10]。頁巖氣既有和常規(guī)儲層解釋相似之處，即游離氣的解釋；也有不同之處，即吸附氣的解釋。游離氣解釋包括泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、孔隙度、含水飽和度和滲透率共4種參數(shù)解釋；吸附氣需要對w(TOC)、含氣量與生烴潛力進(jìn)行解釋(圖2)。

2.1 游離氣測井解釋

游離氣測井解釋與常規(guī)儲層的測井解釋相似，選擇反映游離氣儲層特性的最佳測井曲線，通過實際分析，建立游離氣解釋模型；并通過巖心實測結(jié)果校正，確定有游離氣模型解釋參數(shù)，完成游離氣測井解釋。

2.1.1泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)解釋模型

泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)作為測井解釋的一個重要參數(shù)，不僅對孔隙度具有校正作用，同時含水飽和度的計算也離不開泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。幾乎所有的儲層參數(shù)都受到泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的影響，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的求取精度直接影響著其他參數(shù)的求取精度[11]。

泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的計算方法很多，有自然電位法、密度-中子交會法、自然伽馬法等，不同泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)計算方法有不同的適用范圍。由于頁巖中的黏土顆粒較細(xì)，且比表面積較大，在沉積過程中能夠吸附較多的放射性元素，所以泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越大，放射性越強(qiáng)，這是利用自然伽馬定量計算泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的地質(zhì)依據(jù)。該次研究選擇自然伽馬法計算頁巖中的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)：

(1)

(2)

式中：φ(sh)為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，1；ΔqAPI為相對自然伽馬，1；qAPI,min、qAPI,max分別為灰?guī)r、泥巖對應(yīng)的自然伽馬，API；CGCUR為經(jīng)驗系數(shù)，取3.7。

2.1.2孔隙度模型

根據(jù)D區(qū)塊取心井的巖心孔隙度與測井曲線的相關(guān)性分析，密度曲線與巖心孔隙度有較好的相關(guān)性，能夠準(zhǔn)確反映出頁巖的孔隙度信息。D區(qū)塊孔隙度采用密度法計算：

(3)

式中：φe為有效孔隙度，1；ρma為骨架密度，g/cm3；ρf為流體密度，g/cm3；ρmud為泥巖密度，g/cm3；ρ為密度，g/cm3。

2.1.3含水飽和度解釋模型

含水飽和度是游離氣儲量計算的一個重要參數(shù)，常用的3種含水飽和度計算模型中，阿爾奇模型主要應(yīng)用于泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較小的純砂巖地層中；印度尼西亞模型主要應(yīng)用于地層水礦化度較低的地層中；而西門杜模型主要應(yīng)用于不考慮泥質(zhì)的分布形式，只考慮總泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的地層中[4]。D區(qū)塊頁巖中泥質(zhì)分布形式多樣，地層水礦化度和度較高，西門杜模型適合于該區(qū)的含水飽和度解釋模型。

(4)

式中：ρt為地層電阻率，Ω·m；ρsh為泥巖電阻率，Ω·m；Sw為含水飽和度，1；ρw為地層水電阻率，Ω·m；m為膠結(jié)指數(shù)，1；a為巖性系數(shù)，1。

在含水飽和度額計算中，地層水電阻率是確定含水飽和度的重要參數(shù)，直接影響到測井解釋的準(zhǔn)確性[13]。D區(qū)塊由于黃鐵礦的存在，拉低了頁巖段的電阻率，直接使用電阻率會使計算出的含水飽和度相比實測結(jié)果整體較高，不能準(zhǔn)確表征頁巖段的含水飽和度。為了準(zhǔn)確計算含水飽和度，以實測地層水電阻率為基礎(chǔ)，以實測含水飽和度為約束條件，經(jīng)過最小二乘法擬合確定視地層水電阻率，再利用視地層水電阻率代替實測地層水電阻率完成含水飽和度的計算。

2.1.4滲透率解釋模型

滲透率主要影響頁巖氣儲層的產(chǎn)能，但是頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性又決定了滲透率在頁巖內(nèi)部有很大的變化范圍。測井信息受自身分辨率的限制，一般很難直接準(zhǔn)確地反映和描述滲透率的變化率。為了確定儲層的滲透率，一般選用區(qū)塊的巖心分析滲透率與測井信息建立區(qū)域性經(jīng)驗公式進(jìn)行計算[12]。D區(qū)塊共收集到5口井的巖心分析孔隙度與滲透率，通過巖心分析孔隙度與滲透率的指數(shù)擬合，建立滲透率解釋模型(圖3)。

D區(qū)塊的滲透率解釋模型為：

Kc=0.0554×e0.2792φc

(5)

式中：Kc為巖心分析滲透率，mD；φc為巖心分析孔隙度，%。

2.2 吸附氣測井解釋

圖3 D區(qū)塊巖心分析孔隙度與滲透率交會圖

圖4 D區(qū)塊B井密度-電阻率疊合法求 w(TOC)

吸附氣是在地層壓力的作用下氣體吸附在有機(jī)質(zhì)或者黏土礦物表面所形成的，與煤層氣具有相似的特點。通過對頁巖氣的解析結(jié)果分析認(rèn)為，吸附氣含氣量與w(TOC)相關(guān)性較好。在常規(guī)方法計算出w(TOC)的基礎(chǔ)上，根據(jù)取心實測數(shù)據(jù)中的w(TOC)分別與含氣量(v(GC))和生烴潛力(w(HP))的關(guān)系建立吸附氣含氣量計算模型和生烴潛力計算模型，完成整個區(qū)塊吸附氣測井解釋。

2.2.1w(TOC)計算模型

油氣成因理論認(rèn)為，頁巖中只有部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為油氣，其余大部分仍作為剩余有機(jī)質(zhì)仍殘留在頁巖中，在D區(qū)塊的頁巖中約占90%以上，其與w(TOC)之間存在一定的比例關(guān)系[15]。目前使用較為廣泛的w(TOC)計算方法有：自然伽馬法、體積密度法、干酪根轉(zhuǎn)換法、電阻率-孔隙度曲線疊合圖法。自然伽馬法和體積密度法由于參數(shù)單一，容易受測井曲線的質(zhì)量所影響，精度相對較低；而干酪根轉(zhuǎn)換法則受取心數(shù)據(jù)的質(zhì)量與數(shù)量限制。電阻率-孔隙度曲線疊合圖法準(zhǔn)確率高、可操作性強(qiáng)，故該次研究采用該方法來建立w(TOC)模型。

聲波時差隨干酪根含量的變化而變化，而電阻率隨干酪根成熟度的增加而增大，將電阻率曲線與孔隙度曲線繪制在同一曲線圖上，適當(dāng)調(diào)整2條曲線的刻度，使得孔隙度曲線和電阻率曲線在缺乏有機(jī)質(zhì)的深度段基本重合，而在有機(jī)質(zhì)豐富的深度段存在明顯包絡(luò)(圖4)，再根據(jù)包絡(luò)計算出頁巖段的w(TOC)。

0.92(Δt-Δtbase)

(6)

w(TOC)= Δlgρt×102.29-0.1688ρ0

(7)

式中：ρt,base為重合段的地層電阻率，Ω·m；Δtbase為重合段的聲波時差，μs/ft；ρ0為完全飽含水時的地層電阻率，Ω·m。

2.2.2含氣量計算模型

地層中吸附氣含氣量與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系密切，w(TOC)可以很好地表征吸附氣含氣量。通過取心數(shù)據(jù)實測吸附氣含氣量與w(TOC)的關(guān)系，建立含氣量計算模型(圖5)。D區(qū)塊共收集到分別來自于3口井的含氣量數(shù)據(jù)，含氣量介于0.167～2.937m3/t之間(平均值為1.56m3/t)。含氣量計算模型為：

v(GC)=0.37×w(TOC)+0.40

(8)

式中：v(GC)為含氣量，m3/t。

2.2.3生烴潛力計算模型

通過取心數(shù)據(jù)實測生烴潛力與w(TOC)的關(guān)系，建立生烴潛力計算模型(圖6)。D區(qū)塊共收集到3口井的生烴潛力數(shù)據(jù)78個，生烴潛力介于0.31～15.19mg/g之間(平均為7.43mg/g)。生烴潛力計算模型為：

w(HP)=1.4505×w(TOC)+0.8523

(9)

圖5 D區(qū)塊w(TOC)與v(GC)交會圖 圖6 D區(qū)塊w(TOC)與w(HP)交會圖

3 應(yīng)用效果分析

利用建立的頁巖氣測井解釋模型完成了D區(qū)塊47口井(包括5口取心井和42口未取心井)的頁巖氣測井解釋。根據(jù)測井解釋結(jié)果與取心數(shù)據(jù)的實測結(jié)果對比圖(圖7)可以看出，兩者在整體上具有高度一致的趨勢，平均相對誤差(相對誤差=(解釋結(jié)果-實測結(jié)果)/實測結(jié)果×100)較小(表1)，均在合理范圍之內(nèi)。

圖7 D區(qū)塊B井頁巖氣測井解釋結(jié)果與實測結(jié)果對比圖

儲層參數(shù)平均相對誤差/%φ(sh)5 32?e4 31Sw6 51K9 86w(TOC)3 25v(GC)2 69w(HP)5 61

4 結(jié)語

從D區(qū)塊頁巖氣的實際情況出發(fā)，以測井曲線為基礎(chǔ)，實測儲層參數(shù)為約束條件，通過分析反映頁巖儲層物性的測井曲線，確定了頁巖游離氣的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、孔隙度、含水飽和度和滲透率4種儲層參數(shù)的最優(yōu)解釋模型，及吸附氣的w(TOC)、含氣量和生烴潛力3種儲層參數(shù)的最佳計算模型。分析對比實測結(jié)果與測井解釋結(jié)果，兩者符合度較高，計算出的7種儲層參數(shù)的平均相對誤差均小于10%，說明研究區(qū)的測井解釋模型具有較高的準(zhǔn)確性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Curtis J B. Fractured shale-gas system[J]. AAPG Bulletin，2002，86(11)：1921～1938.

[2]王香增，高勝利，高潮. 鄂爾多斯盆地南部中生界陸相頁巖氣地質(zhì)特征[J].石油勘探與開發(fā)，2014，41(3)：294～304.

[3]王麗波，久凱，曾維特，等. 上揚(yáng)子黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)海相黑色泥頁巖特征及頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)評價[J].巖石學(xué)報，2013，29(9)：3263～3278.

[4]張東曉，楊婷云. 頁巖氣開發(fā)綜述[J].石油學(xué)報，2013，34(4)：792～801.

[5]董大忠，鄒才能，楊樺，等. 中國頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)展與發(fā)展前景[J].石油學(xué)報，2012，33(S1)：107～114.

[6]李朝霞，王健，劉偉，等. 西加盆地致密油開發(fā)特征分析[J].石油地質(zhì)與工程，2014，28(4)：79～81.

[7]張新順，王紅軍，馬鋒，等. 北美白堊系烴源巖發(fā)育特征與油氣分布關(guān)系[J].地質(zhì)科技情報，2016，35(1)：119～127.

[8]趙文光，夏明軍，張雁輝，等. 加拿大頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2013，18(7)：41～46，111.

[9]謝灝辰，于炳松，曾秋楠，等. 鄂爾多斯盆地延長組頁巖有機(jī)碳測井解釋方法與應(yīng)用[J].石油與天然氣地質(zhì)，2013，34(6)：731～736.

[10] Burnaman M D，Shelton J. Shale Gas Play Screening and Evaluation Criteria[J].中國石油勘探，2009，14(3)：51～64.

[11] 孫淵，譚成仟.應(yīng)用地球物理基礎(chǔ)教程(下)[M].西安：陜西人民教育出版社，2003.

[12]雍世和，張超謨．測井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2007：167～171，180～183.

[13]茍紅光，杜向榮，楊愛生，等. 視地層水電阻率法在測井解釋中的應(yīng)用[J]. 新疆石油天然氣，2006，2(3)：43～47,103.

[14]魏斌，王綠水，傅永強(qiáng)，等. 頁巖氣測井評價綜述[M].北京：石油工業(yè)出版社，2014：143～168.

[15]張厚福，方朝亮，高先志.石油地質(zhì)學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002：40～52.