謝慧卓,李會銀,袁衛(wèi)國,馮明剛,嚴偉,孫建孟

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島266580;2.中國石化勘探分公司勘探研究院,四川成都610041)

0 引 言

傳統(tǒng)的頁巖氣藏含氣飽和度[1]計算方法是利用Archie公式,基于測井獲得的電阻率、孔隙度和地層水電阻率等數(shù)據(jù),公式應用前提是地層骨架礦物不導電,僅僅是地層水導電。但是,因為束縛水含量高、儲層中含有導電的黃鐵礦或頁巖“石墨化”等因素,造成儲層出現(xiàn)低電阻率現(xiàn)象,由Archie公式計算的含氣飽和度的精度也會降低[2]。張晉言、Vivek Anand、張建平、石文睿等[3-6]對頁巖儲層含氣飽和度計算進行了研究,然而對于多種方法計算低電阻率頁巖儲層飽和度的比較和適用性分析較少。針對上述現(xiàn)狀,本文通過對3種非電阻率法含氣飽和度確定方法進行比較,并結合測井資料,分析低電阻率頁巖氣儲層的含氣飽和度計算方法適用性,以推動低電阻率頁巖氣藏測井解釋的發(fā)展,提高了頁巖氣含氣量評價的準確性。

1 低電阻率頁巖氣層成因分析

導致頁巖氣儲層低電阻率的因素很多,各種影響因素共同作用,使儲層具有較低的視電阻率[7-11]。此外,地質因素也會對儲層電阻率產(chǎn)生影響。A井頁巖氣層段呈現(xiàn)相對較低的電阻率值的原因主要有3個方面。

1.1 黏土礦物附加導電作用對地層電阻率的影響

黏土礦物是含水層狀結晶的硅酸鹽礦物和少量含水非晶硅酸鹽礦物的總稱,具有非常細的顆粒(直徑<0.01 mm)。碎屑巖中有4種常見的黏土礦物:高嶺石、蒙脫石、伊利石和綠泥石。通常,由黏土顆粒表面上的負電荷吸附的陽離子是固定的,但吸附不是很緊密。黏土礦物的陽離子交換現(xiàn)象意味著在外部電場的作用下,這些吸附的陽離子可以與巖溶液中的其他水合離子交換位置以引起導電。黏土礦物的附加電導性是黏土礦物的陽離子交換產(chǎn)生的電導率。最常見的可交換陽離子是Na+、K+、Mg2+、Ca2+等。擁有附加導電性的黏土,能夠很大程度提高儲層導電性,形成低電阻率儲層[12]。通常,蒙脫石具有最強的附加導電性,其次是伊利石、高嶺石,綠泥石最弱。

X射線分析資料統(tǒng)計表明,A井所在地區(qū)伊蒙混層含量普遍較高。當儲層的伊蒙混層含量較高時,蒙脫石和伊蒙混層的附加導電性最為明顯,附加導電性導致儲層電阻率顯著降低。由于黏土礦物的比表面比砂巖高,導致束縛水飽和度較高,造成低電阻率儲層的形成。

1.2 地層水礦化度對地層電阻率的影響

沉積環(huán)境、成藏驅替作用以及后期地層水活動均會導致地層水礦化度不同。在成巖作用過程中,泥質含量高、巖性細的儲層由于其較大的比表面和較強的吸附能力,可以吸附水中的離子,在顆粒表面形成鹽度較高的水膜;在成藏過程中,微孔和小孔喉中的地層水難以被驅替,從而保留了較高礦化度地層水;在后期水活動中,較淡地層水進入優(yōu)質儲層,礦化較差的儲層保留了較高礦化度地層水。當?shù)貙铀V化度變化大時,儲層電阻率將受到很大影響,使得油氣層與水層之間的界面難以識別。儲層中的高地層水礦化度將形成發(fā)達的導電網(wǎng)絡,這將降低儲層的電阻率,并且隨著地層水礦化度增加,儲層的電阻率將降低[13]。因此,地層水礦化度越高,地層中導電離子越多,導電離子移動越快,導電性越強,地層電阻率越低。通過對A井所在區(qū)塊的水樣分析,可以確定地層水類型以CaCl2為主,少數(shù)MgCl2型,總礦化度平均值約80 043.8 mg/L,且當高礦化度的地層水分布在儲層孔隙結構中并相互連接時,可明顯降低氣層的電阻率。

1.3 石墨化對地層電阻率的影響

頁巖氣產(chǎn)層的有機質成熟度變化很大,可以分為過成熟頁巖氣、過低成熟度混合頁巖氣和低成熟頁巖氣3種類型。不同有機質成熟度的頁巖儲層,其孔隙結構特征存在明顯差異,從而導致電阻率有明顯不同。烴源巖熱演化進程中,隨著熱成熟度升高,有機質降解為干酪根,干酪根在隨后變化過程中產(chǎn)出甲烷氣。隨著溫度增加,干酪根不斷發(fā)生變化,逐漸轉變成低氫量的碳質殘余物,并最終轉化為石墨(即石墨化),發(fā)生由離子向電子導電轉化,從而可能呈現(xiàn)電阻率降低的現(xiàn)象[14-15]。而鏡質體反射率(Ro)是最重要的有機質成熟度指標,當鏡質體反射率增大到一定程度時會造成巖石石墨化,地層出現(xiàn)低電阻率現(xiàn)象。A井電阻率和鏡質體反射率的關系見表1,可以看出隨著鏡質體反射率增大,對應的地層電阻率減小。因此,頁巖石墨化是A井出現(xiàn)低電阻率現(xiàn)象的影響因素。

表1 A井鏡質體反射率對底層電阻率影響

2 含氣飽和度模型比較

2.1 TOC經(jīng)驗模型法含氣飽和度模型

Archie法求取頁巖儲層含氣飽和度的前提條件是僅有地層水導電,構成地層骨架礦物成分不導電。然而,當頁巖石墨化或者儲層中存在導電礦物黃鐵礦時,通過Archie公式計算的含氣飽和度準確度會降低并且可靠性變差。因此,采用非電阻率法計算含氣飽和度,即TOC法計算頁巖氣層飽和度。

基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度主要是通過錄井儀測量或基于諸如聲波時差、電阻率、巖性密度、元素俘獲等測井數(shù)據(jù)而獲得的TOC數(shù)據(jù)。通過該方法獲得的頁巖儲層的含氣飽和度稱為TOC經(jīng)驗模型法含氣飽和度,用Sg表示。TOC經(jīng)驗模型法含氣飽和度的公式為[5]

(1)

Sg=1-Sw

(2)

基本求取過程:①頁巖氣顯示層要依據(jù)地層巖性、氣測甲烷、鉆時和測井自然伽馬及密度曲線變化等進行劃分;②讀取頁巖儲層TOC曲線數(shù)據(jù)用TOCb(%)表示;③選取與頁巖儲層相鄰的非儲層TOC平均值,為該頁巖儲層的TOC背景值,用TOCt(%)表示;④確定n值。

頁巖氣層的最小含氣飽和度被定義為50%,即非儲層TOC最小值TOCt,min與TOCb存在關系

(3)

Kc,min=TOCt,min/TOCb

(4)

n=lg (TOCt,min/TOCb)/lg 2

(5)

n=lgKc,min/lg 2

(6)

式中,Kc,min為頁巖氣層的TOC最小比值。頁巖儲層含氣飽和度指數(shù)n,范圍通常為2～3。由公式(1)、(2)求取頁巖儲層段的含氣飽和度Sg。

2.2 中子密度交會法計算含氣飽和度模型

黃鐵礦可以導致密度測井值的增加和中子孔隙度的減少:蒙脫石傾向于增加中子測井值并降低密度值。但由于黃鐵礦含量低,密度和中子的實際測井曲線沒有明顯的異常變化。在計算氣體飽和度時,利用視密度孔隙度與視中子孔隙度重疊、巖心刻度測井,又相當于進行了一定的內部校正。可以說,這種地層中黃鐵礦和黏土礦物的存在基本上不影響該方法的含氣飽和度計算。

龍馬溪-五峰組頁巖氣層段從上到下有機質含量及含氣量逐漸增加,體積密度逐漸變小;下部含氣性最好的頁巖氣層段受天然氣指數(shù)降低和挖掘效應的影響,補償中子測井值最小。中子值越小,視中子孔隙度越小;密度值越小,視密度孔隙度越大。體積密度與補償中子重疊、視密度孔隙度與視中子孔隙度重疊,可直接反映地層含氣量差異。應用其差值進行巖心刻度測井,計算低電阻率氣層的含氣飽和度。

通過使用中子—密度測井曲線重疊差值法計算含氣飽和度,得到擬合公式[3]

Sw=98.75EDN+75.0

(7)

EDN=|DEN-DENB|+k|CNL-CNLB|

式中,Sw為含水飽和度值,%;EDN為中子與密度差異值;DENB為DEN基值,A井取2.65 g/cm3;CNLB為CNL基值,A井取14%;k為疊合系數(shù),最佳值為0.005。

2.3 元素測井體積組分法計算含氣飽和度模型

斯倫貝謝公司推出的LithoScanner新型元素俘獲能譜測井儀可以通過非彈譜中提取總碳(TC)含量,將與碳酸鹽礦物相關的無機碳含量從總碳中扣除,就可以量化地層中總有機碳含量(TOC)[16]。為解決ECS等儀器無法直接得到TOC值的問題,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡的方式來進行擬合,通過總碳含量與無機碳含量相減得到總有機碳含量(TOC)。

2.3.1針對ECS儀器應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算間接獲得TOC含量

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種根據(jù)誤差反向傳播算法訓練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡,主要分為輸入層、隱藏層和輸出層,其結構見圖1。輸入層是指輸入數(shù)據(jù)集構成的向量集合,其輸出是輸入層及權值點積與激活函數(shù)的計算結果;隱含層可以是1層或多層,通常不超過2層,輸入是上層輸出層與權重的點積標量,輸出是該標量與激活函數(shù)的計算結果;輸出層只有1層,其輸入是前一個輸出層和權重的點積,輸出層計算與隱含層相同,計算結果是最終預期分類權重[17-19]。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構

BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練分為2步:①根據(jù)當前參數(shù)值,計算前項傳播過程中每一層的輸出值;②根據(jù)實際輸出和預期輸出之間的差異反向傳播計算每一層的誤差傳播項,結合每一層輸出關于該層參數(shù)的偏導數(shù),實現(xiàn)每一層參數(shù)的更新。重復以上2步,直至該過程收斂。

A井擁有ECS測得的各元素含量及LithoScanner測得的各元素含量、總碳含量、無機碳含量和總有機碳含量(TOC)等數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡,利用ECS儀器測得Si、Ca、Al、Fe、S、Ti、K等6種元素建立與LithoScanner儀器得到的總碳含量、無機碳含量的擬合關系,而總有機碳含量(TOC)可以通過總碳含量與無機碳含量的相減計算得到?？傆袡C碳含量、無機碳含量和有機碳含量的擬合效果見圖2。總有機碳含量、無機碳含量及有機碳含量的平均相對誤差較小,分別是0.006、0.005和0.042。由此可見,訓練所得到的BP網(wǎng)絡的性能好,可以實現(xiàn)通過ECS測井資料間接計算得到總有機碳含量(TOC)。

2.3.2元素測井體積組分法計算含氣飽和度

ECS儀器應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算間接獲得TOC值后,根據(jù)巖石的體積組分關系可以得到有機碳的質量,含油氣飽和度可以根據(jù)有機碳的質量計算得到。巖石的基本組成主要為巖石骨架、骨架之間的孔隙以及孔隙里面的充填流體三部分。因此,巖石骨架的性質、孔隙度的大小、流體飽和度也就是流體充填程度以及充填流體性質共同決定著巖石的物理性質。通過建立等效的巖石物理模型,利用等效介質理論描述巖石。已建立的等效介質模型是礦物屬性的體積平均值,通常稱為空間平均模型。

計算含油氣飽和度模型的基礎:巖石是由固體和液體兩相介質組成,空間分布的巖石骨架和孔隙流體分別根據(jù)各自的體積比排列和組合,即所有的骨架變形排列為1層水平固相,所有孔隙流體也被無形框架匯合成1層水平液相,各自的總體積不變(見圖3)。

圖3 巖石體積物理模型

假設巖石體的邊長為1,且為立方體,巖石里面所有的骨架物質重組為立方體里面一個均勻的層狀,而所有的孔隙也重組為相鄰的一個均勻層狀介質,厚度即為孔隙度φ,那么固體骨架層的厚度就為1-φ。假設有機碳的唯一來源為油氣,則含油氣飽和度公式為[4]

(8)

式中,TOC為總有機碳含量;ρB為體積密度;ρhc為油氣密度,油密度約0.8 g/cm3,天然氣密度約0.2 g/cm3;Xhc為烴與C重量百分比轉換系數(shù),油的轉換系數(shù)約0.85,天然氣的轉換系數(shù)約0.75;φt為總孔隙度。

3 低電阻率氣層含氣飽和度評價

圖4 A井多種方法計算與巖心分析含氣飽和度對比圖

圖4為A井龍馬溪-五峰組頁巖氣層段利用3種方法計算含氣飽和度與巖樣分析含氣飽和度對比圖。第5道,含氣飽和度1為TOC經(jīng)驗模型法計算含氣飽和度;含氣飽和度2為中子密度交會法計算含氣飽和度;含氣飽和度3為通過ECS計算得到TOC,用該TOC進行元素測井體積組分法計算含氣飽和度;含氣飽和度4為通過LithoScanner得到的TOC,用該TOC進行元素測井體積組分法計算含氣飽和度。通過ECS得到的含氣飽和度與LithoScanner得到的含氣飽和度基本一致,故可以依據(jù)ECS測井資料,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算得到TOC,解決ECS等元素測井資料無法直接獲得TOC值的問題。在2 324～2 345 m層段,3種模型計算的含氣飽和度都與巖心分析含氣飽和度吻合度較好。而在2 300～2 324 m層段,采用模型3元素測井體積組分法計算含氣飽和度的結果與巖心數(shù)據(jù)吻合,能夠更好反映地層真實含氣飽和度情況。因此,元素測井體積組分法計算含氣飽和度效果最佳。

4 結 論

(1)由于黏土礦物種類、黏土礦物含量、石墨化,地層水礦化度等因素的影響,最優(yōu)頁巖氣層段電阻率測井數(shù)值偏低,難以準確反映地層含氣性,致使利用電法測井信息計算含氣飽和度數(shù)值嚴重偏低。

(2)應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算間接獲得TOC值,獲得的TOC值與利用LithoScanner獲得的TOC值一致。根據(jù)ECS獲得TOC值和LithoScanner獲得的TOC值分別采用元素測井體積組分法計算含氣飽和度,得到的含氣飽和度也基本一致。ECS儀器可以應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡計算間接獲得TOC值,并根據(jù)該TOC值計算含氣飽和度,解決了ECS等儀器無法直接獲得TOC值的問題。

(3)中子密度交會法計算含氣飽和度、TOC經(jīng)驗模型法計算含氣飽和度、元素測井體積組分法計算含氣飽和度,可以有效地避免低電阻率因素對電法測井的影響,從根本上解決了含氣飽和度計算值低的問題。從普遍性和相關性的角度來看,元素測井體積分量法計算氣體飽和度,效果最好。

(4)對含氣飽和度的計算方法研究還需要繼續(xù)深化,特別是通過提高巖心實驗技術和相關機理分析,以建立更高精度的含氣飽和度計算模型。