頁巖氣測井技術的應用

潘仁芳 趙明清 伍媛 長江大學地球科學學院

一.頁巖氣測井響應特征

1.1 頁巖氣儲集層地質特征

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖及其間所夾砂質、粉砂質巖地層中，以吸附氣或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集。暗色頁巖在中國分布廣泛，中國南方碳酸鹽巖地區、西北地區及華北地區中、古生界等都是頁巖氣藏發育的有利地區。頁巖氣儲集層存在以下幾方面的特征：

巖性特征：頁巖巖性多為瀝青質或富含有機質的暗黑色泥頁巖和高碳泥頁巖，其間或有夾層狀發育的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖等。一般認為其巖石組成為30%～50%的粘土礦物、15%～20%的粉砂質石英顆粒和4%～30%的有機質。頁巖氣主要是吸附氣和游離氣，吸附氣占到20%～85%，其余的為游離氣和水溶氣。頁巖的礦物成分較復雜, 除高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物以外, 還混雜石英、長石、云母等許多碎屑礦物和自生礦物。其中石英含量通常大于50%，且可高達75%。頁巖顆粒一般小于0.005mm，巖性致密，頁巖顆粒分選較差，性脆，在一定壓力下易產生裂縫。

儲集物性：頁巖氣具有自生自儲的或短距離運輸的特點。氣源巖的發育位置直接指示了該類氣藏的空間發育。暗色頁巖孔徑很小，大于50nm為大孔，2～50nm為小孔為中孔、小于2 nm為微孔。因此比表面積大，孔隙小，結構復雜，總孔隙度一般小于10%。孔隙類型一般為粉細顆粒的粒間孔隙和晶間孔隙。孔喉小，基質滲透率低，是頁巖氣吸附氣的重要存在場所。有效孔隙度低，孔隙儲集的頁巖氣很有限。裂縫規模差別較大，裂縫類型多樣，有成巖時形成的層理，有高壓異常氣膨脹時形成的破裂縫。裂縫的滲透率遠遠大于基質滲透率。是頁巖氣游離氣儲集的主要場所。多種類型的天然裂縫大范圍連通，可形成一個擁有獨立壓力系統的頁巖氣藏。鉆遇頁巖氣裂縫時有較好的氣顯。

1.2 頁巖氣測井曲線響應特征

利用測井曲線形態和測井曲線相對大小可以快速而直觀地識別頁巖氣儲集層。實測中頁巖氣儲集層在常規測井曲線上有明顯的特征響應。識別非常規天然氣所需的常規測井方法主要是：自然伽馬、井徑測井、中子密度測井、巖性密度測井、體密度測井、聲波時差、電阻率測井。通過測井解釋資料可以定量分析儲集層的巖性，確定儲集層的基本評價參數，包括評價儲集層物性的孔隙度和滲透率，評價儲集層含氣性的含氣飽和度，含水飽和度與束縛水飽和度，儲集層厚度等等。

自然伽馬：頁巖氣層的自然伽馬值顯示高值，這是由于：a.頁巖中泥質含量高，泥質含量越高伽馬放射性就越高；b.某些有機質中含有高放射性物質。一般性地層中，泥頁巖在地層中伽馬顯示最高值（>100）。相比之下，砂巖和煤層顯示低值。

井徑測井：砂巖顯示縮徑；泥頁巖一般為擴徑。

聲波時差測井：頁巖氣儲層聲波時差值顯示高值。頁巖比泥巖致密，孔隙度小，聲波時差介于泥巖和砂巖之間。遇到裂縫氣層有周波跳反應，或者曲線突然拔高。頁巖有機質含量增加時，其聲波時差增大；聲波值偏小，則反映了有機質豐度低。

中子測井：頁巖氣儲集層中子測井值為高值。中子測井值反映的是巖層中的含氫量。含氫物質一般為：水，石油，結晶水和含水砂，既中子密度測井反映的是地層孔隙度。頁巖地層孔隙度一般小于10%。頁巖氣儲集層中，要注意到兩個相反的影響因素：地層中含氣使得中子密度值減小，而束縛水則使中子密度值偏大。束縛水飽和度大于含氣飽和度，故認為束縛水對于中子測井值的影響較大。有機質中的氫含量也會對中子測井產生影響使孔隙度偏大。在頁巖儲集層段，中子孔隙度值顯示低值，這代表高的含氣量、短鏈碳氫化合物。

地層密度測井：地層密度為低值。地層密度值實際上測量的是地層的電子密度，而電子密度相當于地層體積密度。頁巖密度為低值，比砂巖和碳酸巖地層密度測井值低，但是比煤層和硬石膏地層密度值高出很多。隨著有機質和烴類氣體含量增加將會使地層密度值更低。存在裂縫，也會使地層密度測井值降低。

巖性密度測井：現代測井儀器同可以時測量地層密度與巖性密度。在巖性密度測井Pe值可以用來指示巖性。巖性密度測井可應用于識別頁巖粘土礦物類型。頁巖礦物組成的變化，將導致單位體積頁巖巖性密度測井值的發生變化。結合取芯資料，可以很好地分析某地區的粘土巖礦物成份。

電阻率測井：頁巖深淺探測電阻率均顯示低值。頁巖氣的電阻率影響因素復雜，主要是：1）.頁巖泥巖含量高，束縛水飽和度高，而這兩者的電阻率都很低。2）.頁巖氣儲集層低孔低滲，使得泥漿濾液侵入范圍很小，侵入帶影響很小，深淺曲線值非常相近，這反映了頁巖氣儲集層的滲透率值低。3）.有機質電阻率高，干酪根的電阻率為無限大，在有機質豐度高的地層中，電阻率測井值為高值。

二.基礎參數和技術指標，利用體積模型計算含烴量

應用計算機技術對測井資料處理解釋，必須根據需要解決的問題應用適當的物理方法、建立相應的測井解釋模型、導出測井響應值與地質之間的數學關系。測井測量的物理參數可以看成是單位體積巖石中各部分的相應物理量的平均值，把巖石的宏觀物理量看成是各部分貢獻之和。即巖石宏觀物理量M等于各部分物理量Mi之和，即M＝∑Mi。當用單位體積物理量（側井參數）表示時，巖石體單位體積物理量m就等于各部分相對體積Vi與其單位體積物理量mi乘機之總和，即m=∑vimi。

圖1 頁巖氣儲集空間模型

在這里利用最優化多礦物解釋模型。頁巖礦物質組成復雜，骨架組成主要是致密性泥頁巖、高碳泥頁巖，還有大量的固體有機質，其間夾有層狀發育的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖等。粉砂巖的測井解釋與泥巖區別不大。所以頁巖骨架礦物可看成由致密性的泥巖及粉砂碎屑、固體有機質以及結晶水三個部分組成。頁巖的滲透率低，孔隙度低，總孔隙度一般小于10%。頁巖孔喉，孔隙空間是吸附氣存在的重要場所，其間還有少量的自由水和液態烴類。

有機質頁巖儲集空間如圖1所示。長為L，體積為V的頁巖正方體有下列關系：

其中，Vma表示巖石骨架的相對體積，包括含砂質頁巖相對體積Vma1和固體有機質的相對體積Vma2以及少量的束縛水相對體積Vma3；Vφ表示孔隙和裂縫的相對體積，包括有自由水相對體積Vφ1和吸附的、游離的和溶解烴類氣體或液體的相對體積Vφ2。

根據上述體積模型，可以導出各種測井值與巖石孔隙度等參數之間的基本關系式：

通過聯立以上方程可以計算出烴類氣體或液體的體積含量Vφ2，繼而求出含氣量。

然而以上公式僅為理想的模型推導，要列出完整的算式需要大量的巖心實驗室資料，建立回歸算法。且誤差較大。所以只是一種想法。這主要是因為：1）、地下頁巖礦物成分復雜，儲集層情況多樣無法掌握。2）、氣體在地下和地上的參數值不同，需要換算。3）、有機質參數資料少，無法確定。4）、在國內頁巖巖心很少資料不全。

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