吳 尤

（中石化經(jīng)緯有限公司華北測(cè)控公司，河南 鄭州 453700）

頁(yè)巖氣主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于頁(yè)巖的微納米孔隙中，需要通過壓裂排采等人工改造才能采出的非常規(guī)油氣藏，通過國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的實(shí)踐認(rèn)識(shí)，頁(yè)巖氣藏具有初期高產(chǎn)但產(chǎn)量遞減快、后期低產(chǎn)且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)［1-5］。近十幾年，國(guó)內(nèi)經(jīng)過四川盆地及周緣、黔北正安、鄂西恩施等地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)，針對(duì)下古生界奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組、吳家坪組等富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系，形成了多種頁(yè)巖氣錄井技術(shù)方法，在頁(yè)巖氣層識(shí)別與評(píng)價(jià)方面發(fā)揮了重要作用［6-14］。

頁(yè)巖氣錄井技術(shù)的發(fā)展可為頁(yè)巖氣層有效劃分、孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)刻畫和含氣性定量評(píng)價(jià)提供更為有效的技術(shù)方法，為頁(yè)巖氣水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供支撐，提高水平井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖鉆遇率，提供頁(yè)巖氣層壓裂改造選層選段方案，促進(jìn)頁(yè)巖氣水平井增儲(chǔ)上產(chǎn)，有效提升頁(yè)巖氣勘探開發(fā)效益。

1 頁(yè)巖氣錄井技術(shù)進(jìn)展

通過對(duì)諸多應(yīng)用實(shí)例的總結(jié)分析，利用氣相色譜錄井、巖石熱解錄井等常規(guī)錄井方法和元素錄井、核磁錄井、自然伽馬能譜錄井、碳同位素錄井等特殊錄井方法，基于地質(zhì)工程一體化評(píng)價(jià)原則，以頁(yè)巖氣甜點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)方法為指導(dǎo)，注重表征參數(shù)的全面性和有效性，總結(jié)了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的烴源巖特性、巖性、物性、含氣性和脆性的“五性”特征評(píng)價(jià)的錄井技術(shù)方法（表1）。

表1 頁(yè)巖氣錄井技術(shù)Table 1 Mud logging technology for shale gas

1.1 烴源巖特性錄井技術(shù)

頁(yè)巖烴源巖特性主要是通過頁(yè)巖總有機(jī)碳含量（TOC）表征，TOC是評(píng)價(jià)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度及劃分烴源巖品質(zhì)的重要依據(jù)。通過巖石熱解錄井可以直接獲得頁(yè)巖的TOC，頁(yè)巖樣品在熱解儀內(nèi)進(jìn)行程序升溫，頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)在不同溫度下產(chǎn)生裂解，部分有機(jī)質(zhì)裂解成烴類成分，由氫焰離子化檢測(cè)器檢測(cè)出各烴類組分含量，熱解后的樣品繼續(xù)放入氧化爐升溫加熱，樣品中殘余的有機(jī)碳氧化為CO2和少量CO，由熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)其含量，綜合得到頁(yè)巖樣品中TOC［10］。

巖石熱解錄井是獲得TOC最直接有效的手段，當(dāng)頁(yè)巖氣井鉆探過程中使用PDC鉆頭時(shí)，造成巖屑細(xì)小粉碎等情況，導(dǎo)致巖石熱解樣品難以選取時(shí)，利用自然伽馬能譜錄井計(jì)算TOC成為一種有效方法。自然伽馬能譜錄井是利用探測(cè)儀器測(cè)量頁(yè)巖樣品的鈾、釷、鉀元素伽馬射線的混合譜，運(yùn)用能譜分析的方法，根據(jù)鈾、釷、鉀的自然伽馬能譜特征進(jìn)行解譜，從而確定頁(yè)巖樣品中鈾、釷、鉀各自含量的錄井技術(shù)。當(dāng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中TOC增高時(shí)，頁(yè)巖巖石顆粒對(duì)鈾離子的吸附力也會(huì)增強(qiáng)，測(cè)量得到的鈾含量會(huì)明顯增高。通常利用U元素與TOC的正相關(guān)關(guān)系［式（1）］，采用擬合回歸法計(jì)算頁(yè)巖氣層的總有機(jī)碳含量［6］。相比巖石熱解法，這種TOC參數(shù)計(jì)算方法更簡(jiǎn)便快捷。

式中：TOC——總有機(jī)碳含量；U——頁(yè)巖鈾元素含量，μg/g；a、b——地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，以巖心實(shí)驗(yàn)分析獲取。

1.2 頁(yè)巖巖性和脆性錄井技術(shù)

頁(yè)巖巖性通過頁(yè)巖中各類礦物的含量來表征，利用元素錄井可以獲得頁(yè)巖的礦物含量。常用的元素錄井儀器是XRF元素分析儀，可以檢測(cè)頁(yè)巖巖屑、巖心樣品中的Na、Mg、Al、Si等33種元素［7］。較為先進(jìn)的元素錄井儀器是RoqSCAN儀器，這種儀器配備有掃描電鏡與X射線檢測(cè)器，不僅可以測(cè)得頁(yè)巖的元素成分，而且還可以獲得頁(yè)巖的顯微圖像［12］。通過元素錄井測(cè)量得到的頁(yè)巖中各元素含量，運(yùn)用氧化閉合物模型等方法計(jì)算得到頁(yè)巖的礦物成分，可以識(shí)別巖性和劃分頁(yè)巖層段；同時(shí)根據(jù)礦物成分可以測(cè)算脆性物質(zhì)含量，定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖的脆性和可壓性。

自然伽馬能譜錄井測(cè)得的頁(yè)巖中鈾含量對(duì)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖有重要的指示作用，與元素錄井測(cè)量資料結(jié)合使用可以有效識(shí)別優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段，進(jìn)行頁(yè)巖層地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)的優(yōu)選。川南某井奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組元素錄井和自然伽馬能譜錄井結(jié)果可以看出（圖1），五峰組和龍馬溪組一段底頁(yè)巖層段自然伽馬能譜錄井呈現(xiàn)高U值，元素錄井的硅值較高，明確指示頁(yè)巖高有機(jī)碳含量和較好的脆性特征。體現(xiàn)出元素錄井和自然伽馬能譜錄井組合應(yīng)用在預(yù)測(cè)頁(yè)巖地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)方面的優(yōu)勢(shì)。

圖1 四川盆地X井巖性錄井圖[13]Fig.1 Lithological mud logging plot Well X in Sichuan Basin

1.3 頁(yè)巖物性錄井技術(shù)

頁(yè)巖的物性是指頁(yè)巖的孔滲特征，目前用于頁(yè)巖物性分析的錄井方法主要是核磁共振錄井方法。核磁共振錄井是測(cè)量頁(yè)巖孔隙中流體的氫核在外加磁場(chǎng)作用后，再通過脈沖作用產(chǎn)生弛豫過程的弛豫時(shí)間，現(xiàn)有核磁共振錄井儀器測(cè)量的是氫核的橫向弛豫時(shí)間T2，通過對(duì)T2譜的定量分析進(jìn)行頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的定量評(píng)價(jià)。目前應(yīng)用的納米孔隙核磁共振分析儀檢測(cè)的最小頁(yè)巖孔徑是2 nm，分析巖屑樣品的粒徑要超過2 mm，否則檢測(cè)誤差較大［13］。

RoqSCAN元素錄井儀器由于配備有高倍電子掃描顯微鏡，可以通過觀察制備樣品的孔隙形態(tài)對(duì)頁(yè)巖的孔隙特征進(jìn)行分析。在四川盆地某井RoqSCAN掃描圖像可以看出頁(yè)巖孔隙的形狀、含量和分布方式等信息［12］（圖2）。

圖2 四川盆地X井RoqSCAN錄井圖[12]Fig.2 RoqSCAN mud logging plot of Well X in Sichuan Basin

1.4 頁(yè)巖含氣性錄井技術(shù)

頁(yè)巖的含氣性是指頁(yè)巖層內(nèi)所含氣體的成分和含量，主要包括游離氣和吸附氣成分及含量。氣測(cè)錄井技術(shù)是通過檢測(cè)鉆井液從井下攜帶烴類氣體進(jìn)行油氣層識(shí)別的一種方法。鉆探過程中，鉆頭破巖后，地層內(nèi)的頁(yè)巖氣會(huì)侵入井筒隨鉆井液循環(huán)到地面，經(jīng)過鉆井液脫氣器攪拌后將氣體連續(xù)脫出，由氣路管線輸送至氣體檢測(cè)分析儀連續(xù)測(cè)定氣體組分和含量，檢測(cè)得到的主要是頁(yè)巖中的游離氣含量。實(shí)際應(yīng)用過程中，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)鉆井相應(yīng)深度點(diǎn)上氣測(cè)錄井獲取的頁(yè)巖氣含量與頁(yè)巖氣巖心解析儀分析得到的解析氣量相關(guān)性較強(qiáng)，通過選取頁(yè)巖氣層多點(diǎn)氣測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)和解析氣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，可以建立基于氣測(cè)全烴值的頁(yè)巖游離氣含量估算公式［8］，既用于頁(yè)巖含氣量的定性評(píng)價(jià)和定量估算，又可以節(jié)省用于解析實(shí)驗(yàn)所需的鉆探取心費(fèi)用。

近年來應(yīng)用的另一種判斷頁(yè)巖含氣性的錄井方法是碳同位素錄井技術(shù)，其原理是利用快速色譜分離由泥漿氣和鉆屑罐裝氣獲取的頁(yè)巖氣烴類氣體組分，然后在氧化池使其燃燒為二氧化碳，通過中紅外激光光譜測(cè)量腔室，利用12C-O、13C-O碳同位素的分子鍵對(duì)激光不同的吸收特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳同位素的測(cè)量。通過在鄂西和川東南地區(qū)的應(yīng)用效果看（圖3），根據(jù)甲烷和乙烷碳同位素反轉(zhuǎn)特征可以分析頁(yè)巖氣的熱演化階段，進(jìn)而判斷優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖含氣性［9，14-15］。

圖3 四川盆地X井碳同位素錄井圖[9]Fig.3 Carbon isotope mud logging plot of Well X in Sichuan Basin

2 頁(yè)巖氣錄井技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 優(yōu)快鉆井技術(shù)需要

為適應(yīng)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)降本增效的需求，目前應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向與地質(zhì)導(dǎo)向相結(jié)合的技術(shù)增加了鉆井速度，而且頁(yè)巖水平井的水平段越來越長(zhǎng)，對(duì)鉆探靶體的精度要求越來越高。鉆井液成分越來越復(fù)雜［16-20］，致使井下巖屑樣品更加破碎，甚至呈粉末狀，而且?guī)в卸喾N鉆井液添加劑，嚴(yán)重影響了錄井分析樣品挑選的代表性和分析的準(zhǔn)確性，給水平井地質(zhì)導(dǎo)向和鉆探靶體優(yōu)化帶來極大挑戰(zhàn)。

2.2 勘探對(duì)象的復(fù)雜性

隨著頁(yè)巖氣勘探開發(fā)程度越來越高，面對(duì)的勘探對(duì)象日趨復(fù)雜，海相深層頁(yè)巖氣地層溫度高、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)常壓頁(yè)巖氣地層能量不足、陸相及海陸過渡相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)等勘探難題［21-23］，使優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖甜點(diǎn)預(yù)測(cè)難度越來越大，急需創(chuàng)新水平井鉆探箱體優(yōu)選錄井技術(shù)。

2.3 頁(yè)巖氣層精細(xì)開發(fā)需求

基于頁(yè)巖氣層立體開發(fā)和差異化壓裂等開發(fā)技術(shù)需要，亟需地質(zhì)工程一體化技術(shù)共同打造“透明”頁(yè)巖氣藏，特別是對(duì)加密井的水平井穿行軌跡準(zhǔn)確把控，可有效降低施工難度、提高頁(yè)巖氣層改造縫網(wǎng)的效果［24-26］。因此，需要進(jìn)行井筒全方位立體化刻畫錄井技術(shù)攻關(guān)。

3 頁(yè)巖氣錄井技術(shù)發(fā)展對(duì)策及展望

3.1 持續(xù)提升錄井儀器性能

為解決優(yōu)快鉆井條件下巖屑樣品代表性差、水平段井筒條件復(fù)雜等問題，錄井儀器的研發(fā)應(yīng)基于高分辨率、多維度攻關(guān)方向，持續(xù)提升元素錄井儀器的分辨率和精確度，升級(jí)高分辨率核磁共振錄井儀器性能，加大研發(fā)和應(yīng)用定量脫氣器、多維核磁共振分析儀等新型設(shè)備，提升激光錄井、巖屑聲波錄井等錄井新技術(shù)的應(yīng)用水平，提升分析效率，縮短分析周期，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣層快速化精細(xì)化評(píng)價(jià)。

3.2 加強(qiáng)地質(zhì)工程一體化錄井技術(shù)攻關(guān)

基于頁(yè)巖氣勘探開發(fā)降本增效的需求，錄井技術(shù)的發(fā)展應(yīng)在地質(zhì)甜點(diǎn)評(píng)價(jià)和工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)2個(gè)方面加強(qiáng)方法研究，立足鉆探現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)揮“快速、直接”的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖元素快速檢測(cè)、孔隙結(jié)構(gòu)立體刻畫和氣體實(shí)時(shí)分析的同時(shí)，加強(qiáng)巖石力學(xué)等工程甜點(diǎn)參數(shù)分析能力，與巖心測(cè)試、測(cè)井等技術(shù)方法相結(jié)合，創(chuàng)新頁(yè)巖氣地質(zhì)工程一體化錄井預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)水平，提高水平井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖箱體鉆遇率，提升頁(yè)巖氣層改造效果。

3.3 提升錄井大數(shù)據(jù)應(yīng)用水平

基于錄井大數(shù)據(jù)資源，以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，立足頁(yè)巖氣井長(zhǎng)水平段、復(fù)雜目標(biāo)靶體等生產(chǎn)需求，建立多因素耦合分析模型，致力開發(fā)錄井參數(shù)智能分析與數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用平臺(tái)，進(jìn)行頁(yè)巖氣井井筒含氣特征和穩(wěn)定性能風(fēng)險(xiǎn)智能診斷、隨鉆智能地層評(píng)價(jià)與導(dǎo)向系統(tǒng)優(yōu)化，形成自動(dòng)化智能化錄井工程技術(shù)系列，實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)全過程錄井技術(shù)的最優(yōu)化。

4 結(jié)論

（1）“十三五”期間，頁(yè)巖氣錄井技術(shù)快速發(fā)展，形成了以巖石熱解錄井和自然伽馬能譜錄井為主的烴源巖特性評(píng)價(jià)技術(shù)，以元素錄井和自然伽馬能譜錄井為主的頁(yè)巖巖性、脆性評(píng)價(jià)技術(shù)，以氣測(cè)錄井、碳同位素錄井為主的含氣性評(píng)價(jià)技術(shù)，以核磁錄井為主的頁(yè)巖物性評(píng)價(jià)技術(shù)，有力支撐了我國(guó)頁(yè)巖氣高效勘探和效益開發(fā)。

（2）“十四五”及今后，頁(yè)巖氣仍會(huì)是國(guó)內(nèi)天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)領(lǐng)域，而且頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)對(duì)象日趨復(fù)雜，建議立足精細(xì)化和立體化技術(shù)需求，不斷提升錄井儀器性能，加強(qiáng)地質(zhì)工程一體化錄井評(píng)價(jià)技術(shù)攻關(guān)，提升錄井大數(shù)據(jù)應(yīng)用水平，逐步形成自動(dòng)化智能化錄井工程技術(shù)系列，持續(xù)為頁(yè)巖氣精細(xì)化勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐，推動(dòng)頁(yè)巖氣藏勘探開發(fā)高效優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。