頁巖儲層含氣量測井解釋方法及其應用研究

唐 穎 李樂忠 蔣時馨

1.中海石油氣電集團有限責任公司技術研發中心 2.中國地質大學(北京)能源學院3.頁巖氣資源勘查與戰略評價國土資源部重點實驗室

含氣量是頁巖儲層評價的關鍵參數,對頁巖含氣性評價、儲量預測具有重要意義[1-2]。含氣量確定包括現場解吸法、等溫吸附法和測井解釋法?，F場解吸法反映了樣品的實際含氣量,但受取心方式和提鉆時間影響,損失氣估算誤差較大,等溫吸附法獲得的是頁巖的最大吸附氣量,未考慮游離氣量部分,與實際含氣量有較大差別。通過測井數據結合巖心實驗建立含氣量的測井解釋模型,可以預測頁巖的含氣量,減少實驗成本。Decker等研究發現,頁巖實測含氣量與有機碳含量(TOC)存在很好的正線性相關關系,TOC與體積密度存在很好的負線性相關關系,從而可以建立體積密度與含氣量的計算模型來預測Antrim頁巖含氣量[3]。Lewis等提出了基于等溫吸附實驗的測井校正模型[4],該模型被用在斯倫貝謝公司測井解釋軟件中。Cluff等以等溫吸附和體積模型為基礎,利用測井解釋參數計算了Delaware盆地Barnett頁巖和Woodford頁巖原地資源量[5]。Utley等使用神經網絡計算關鍵參數基于等溫吸附和體積模型計算了Fayetteville頁巖含氣量[6]。目前,對頁巖含氣量的測井解釋方法研究較少,筆者以澳大利亞Eromanga盆地Toolebuc頁巖為例,討論頁巖儲層含氣量測井解釋方法,以供參考。

1 研究區塊概況

本次研究資料來自于位于澳大利亞昆士蘭州Eromanga盆地B、E、K等3口頁巖氣勘探井,目的層為白堊系Toolebuc頁巖(圖1)。Toolebuc頁巖是一套覆蓋澳大利亞中東部Eromanga盆地和Galilee盆地的海相灰質頁巖,在Eromanga盆地干酪根以混合型為主,TOC較高,熱演化成熟度較低。研究收集到3口井測井數據各1套,巖心分析186項次,其中測井數據使用 Wetherford公司Compact系統采集,巖心分析由Wetherford實驗室和CoreLab巖心分析公司共同完成。

圖1 研究區地理位置和地層發育情況圖

2 含氣量計算模型及關鍵參數測井解釋方法

2.1 含氣量計算模型

在計算頁巖儲層原地資源量時通常使用吸附氣和游離氣之和來表征總含氣量[7-12]。北美地區頁巖氣勘探經驗表明,通過吸附氣和游離氣計算總含氣量比解吸實驗獲得的含氣量更能反映頁巖的含氣性特征。

2.1.1 吸附氣量

吸附氣是頁巖氣的主要組成部分,占總含氣量的20%~85%[9,12],基于頁巖的吸附特征,用Langmuir等溫吸附模型來表征頁巖的吸附氣量。通過等溫吸附實驗獲得頁巖的Langmuir壓力和Langmuir體積兩個參數,對不同溫度、壓力和TOC的頁巖樣品,需要對各參數進行測井校正[4]。Langmuir體積和Langmuir壓力校正公式為:

式中Vlt為儲層溫度校正的Langmuir體積,m3/t;plt為儲層溫度校正的Langmuir壓力,MPa;T為儲層溫度,℃;Ti為等溫吸附實驗溫度,℃;Vl為實驗樣品Langmiru體積,m3/t;pl為實驗樣品Langmuir壓力,MPa。

式中Vlc為經過儲層溫度和TOC校正的Langmuir體積,m3/t;TOCiso為等溫吸附實驗樣品TOC值;TOClg為測井計算的TOC值。

根據Langmuir方程,頁巖吸附氣量為:

式中Ga為吸附氣含量,m3/t;p為儲層壓力,MPa。

2.1.2 游離氣量

游離氣量是頁巖孔隙空間中的含氣量,通過體積模型計算:

式中Gf為游離氣量,m3/t;Bg為氣體壓縮系數,m3/m3;φe為有效孔隙度;Sge為有效含氣飽和度;ρb為地層密度,g/cm3。

根據GRI實驗原理,有φeSge=φSg。

吸附態的氣體存在會影響游離氣的容納空間,在計算游離氣含量時減去吸附氣所占的體積空間[11]。因此游離氣實際體積為:

式中M為天然氣的視分子重量,g/mol,甲烷為16;ρs為吸附態甲烷密度,g/cm3,ρs=0.3750-0.4233,頁巖儲層一般取0.37[11]。

2.2 關鍵參數的測井解釋方法

近年來,隨著測井技術的發展,國外幾大服務公司形成了各自的特殊測井系列并在頁巖儲層各種參數的解釋中取得了很好的效果。特殊測井數據需要配套的測井設備采集,并且有配套的解釋技術,本研究只討論使用常規測井系列解釋關鍵參數的方法。根據上述含氣量計算模型,在計算過程中需要使用的儲層參數包括TOC、孔隙度和含氣飽和度。

表1 TOC測井解釋方法表

2.2.1 有機碳含量(TOC)

TOC是頁巖儲層評價的重要參數,前人對頁巖儲層TOC測井計算方法研究較多(表1),大致可以分為3類:①通過實測TOC與測井參數進行一元或多元線性回歸或非線性回歸計算TOC;②使用聲波電阻率法(ΔlgR)計算TOC;③使用核磁共振、脈沖中子等特殊測井計算TOC。通過實測TOC與測井參數線性回歸的方法操作簡單,計算精度可以滿足勘探要求;聲波電阻率法是烴源巖TOC計算的常用方法,可用于頁巖TOC測井計算,但是通過該方法計算的TOC常需要使用巖心分析的TOC校正才能和實測TOC達到比較好的吻合;特殊測井費用較高,多數頁巖氣探井不進行特殊測井,單針對TOC計算來說,常規測井已經能夠滿足需要。因此,多數情況下,根據各地區實測的TOC數據與測井參數進行相關性分析,選擇相關性較好的測井系列與實測TOC進行一元或多元線性回歸即可計算頁巖的TOC,計算精度基本能夠滿足勘探的需要,當實驗數據增加時,需要對線性模型進行修正。

2.2.2 總孔隙度

常規砂巖儲層中,當巖性和骨架參數已知時,對于含水的純地層,利用經過環境校正的密度或中子測井曲線中的任何一種,或者在沒有次生孔隙的情況下用聲波測井曲線都能確定孔隙度[13]。計算頁巖孔隙度常使用密度曲線,由于頁巖中有機質密度較低,且不同層段骨架礦物組成也不同。因此,在使用密度曲線計算頁巖孔隙度時必須考慮所有影響體積密度響應的因素。

Luffel等通過建立頁巖礦物體積模型利用測井數據計算出頁巖中干酪根含量,并利用巖心實測可動油與干酪根的相關性計算可動油含量,最后根據總烴體積與實測孔隙度的相關性建立了孔隙度計算的線性方程并計算了Devonian頁巖孔隙度[14]。Utley等將頁巖分為基質、有機質和流體3種組分[15],推導得出頁巖總孔隙度計算公式為:

Sondergeld等將頁巖分為基質、地層水、天然氣和有機質等組分[16],推導出頁巖總孔隙度計算公式為:

總之,頁巖孔隙度測井解釋是以體積密度為基礎建立合理的巖石體積模型,通過求解體積模型的方程組得出孔隙度,在建立體積模型時需要注意兩點:①模型的組分不能太多,以保證體積模型方程組有解,常用的組分包括基質、有機質、流體和天然氣;②模型中的組分應該盡量簡單,以便確定合理的骨架值。另外,計算過程中通常不使用體積密度計算的TOC,雖然多數情況下TOC與體積密度具有更好的相關性,但使用體積密度計算的TOC來進一步計算得到的總孔隙度與體積密度具有多重共線特征,與實際情況不符。

2.2.3 飽和度

頁巖儲層致密,一般不含水,成熟的頁巖以生氣為主,含油飽和度較低,可以忽略不計,因此頁巖的飽和度通常只計算含氣飽和度,只在成熟度較低時考慮含油飽和度。常規砂巖儲層通常使用阿爾奇(Archie)公式計算含水飽和度,研究認為阿爾奇公式在頁巖儲層中也有很好的適用性,其計算結果的準確性取決于針對頁巖地層的各個參數取值是否合理[14,17-21]。

式中Sw為含水飽和度;Rw為地層水電阻率,Ω·m;φ為總孔隙度;Rt為地層電阻率,Ω·m;m為膠結指數;n為飽和度指數;a為常數。

頁巖中a一般取1,m、n根據頁巖的裂縫特征和巖性特征取值。對于泥巖或白堊巖,根據實測孔隙度與地層系數之間的關系,得到m約為2.0,裂縫和條痕的存在會降低膠結指數[22-23]。Devonina頁巖測井計算飽和度時,m=1.7,n=1.7[17-18]。Barnett頁巖測井計算飽和度時,m=1.9,n=2.0[19]。地層水電阻率是阿爾奇公式中最敏感的參數,其準確性直接影響到計算含水飽和度的準確性。頁巖孔隙度極低且多為干層,其地層水電阻率可以使用與頁巖相鄰或相近的砂巖或灰巖地層水電阻率。

3 含氣量測井解釋模型應用實例及誤差分析

3.1 關鍵參數測井解釋

3.1.1 有機碳含量(TOC)

本次研究共收集到3口井實測TOC數據65個,對實測TOC和測井數據進行相關性分析,結果表明TOC與自然伽馬(GR)、體積密度(DEN)、中子孔隙度(CNL)在0.01水平(雙側)上顯著相關,其中DEN相關性最好,GR次之,CNL最差(表2)。根據相關性分析結果,分別使用DEN、GR、CNL與TOC進行一元線性回歸,同時使用3個參數與TOC進行多元線性回歸,并使用ΔlgR法計算TOC(表2)。對于多元線性回歸結果,給定顯著性水平α=0.01,多元回歸的樣本容量M=65,回歸方程n=3,因F=99.359>F0.01(n,M-n-1)=F0.01(3,61)=4.12,因此多元回歸關系成立。使用上述5種方法計算TOC,并與巖心實測TOC進行對比(圖2),5種方法中,多元線性回歸法預測精度最高,其次為DEN,再次為GR、CNL,ΔlgR法計算結果與實測值相關性最低。因此,對本研究區來說,多元線性回歸法預測TOC精度較高,是預測TOC最好的線性回歸方法。

表2 不同方法計算Toolebuc頁巖TOC結果表

圖2 TOC不同方法計算結果與巖心實測對比圖

3.1.2 孔隙度

公式(8)、(9)兩種孔隙度計算模型都適用于頁巖儲層孔隙度的測井計算[16],分別使用兩種模型計算Toolebuc頁巖孔隙度,TOC使用多元線性回歸法計算,根據巖心實驗結果ρTOC=1.04g/cm3。由于Toolebuc頁巖灰質含量較高,基質密度和流體密度可以取灰巖刻度骨架值[16,24],ρm=2.71g/cm3,ρfl=1g/cm3。研究同時使用地層實際刻度計算孔隙度與石灰巖刻度進行對比,根據巖心實驗結果,ρm=2.79g/cm3,ρfl=0.92g/cm3。研究共收集到巖心樣品實測孔隙度47個,平均為15.31%,公式(8)實際地層刻度計算平均孔隙度為17.19%,石灰巖刻度計算平均孔隙度為14.80%,公式(9)實際地層刻度計算平均孔隙度為18.23%,石灰巖刻度計算平均孔隙度為15.83%。兩種孔隙度模型在兩種刻度下計算結果對比分析(圖3),兩種模型石灰巖刻度計算結果都比實際地層刻度計算誤差小,單就在石灰巖刻度下,公式(8)計算結果比公式(9)計算結果誤差更小,公式(8)計算平均總孔隙度與巖心實驗平均總孔隙度誤差為0.51%,在孔隙度測井預測合理誤差范圍之內。

圖3 Toolebuc頁巖孔隙度測井計算與巖心分析結果對比圖

3.1.3 飽和度

Cadna-Owie砂巖層是位于Toolebuc頁巖下方最近的砂巖層(圖1),根據Eromanga盆地水文地質研究,Eromanga盆地自地表到三疊系Rewan層均處于大自流盆地影響范圍之內,地層中的水均來自地表[25]。因此Cadna-Owie層地層水電阻率不能反映Toolebuc頁巖地層水電阻率。同時,由于本區勘探資料較少,缺少m、n經驗值,通過估算各參數計算的含水飽和度誤差較大,含水飽和度采用下述方法計算。

對阿爾奇公式兩邊取對數,經整理后變成lgSw與lgφ、lgRt的線性關系式,lgRw為常數項,即

式中Sw為巖心分析孔隙度;φ為測井解釋總孔隙度;Rt為測井電阻率,Ω·m。

通過3口井25個巖心分析含水飽和度值和測井參數進行多元線性回歸,結果如下:

公式(12)計算含水飽和度結果與巖心分析結果對比,25個點中除3個點相對誤差較大之外,多數點相對誤差在5%左右,誤差較小(圖4)。

圖4 Toolebuc頁巖含水飽和度巖心分析與測井解釋對比圖

同時,巖心實測含油飽和度(So)、含氣飽和度(Sg)和含水飽和度(Sw)表現出很好的相關性,可以通過其相關關系計算含油飽和度和含氣飽和度。即

3.2 含氣量計算及誤差分析

研究對3口井18塊巖心樣品進行了等溫吸附實驗,實驗溫度使用各井的平均地層溫度,由于等溫吸附實驗溫度和地層溫度相差很小,使用公式(1)、(2)校正前后結果基本相同。通過對實驗結果進行相關性分析發現,Langmuir體積與TOC表現出一定的相關性,但相關性較低,吸附氣量與TOC相關性較高(圖5)。吸附氣量是Langmuir體積經過壓力校正后的地層實際吸附氣量,吸附氣量與TOC的相關性比Langmuir體積與TOC的相關性高,說明通過壓力校正后能夠提高TOC與吸附氣量的相關性。因此,可以根據實測樣品的等溫吸附結果進行壓力校正建立吸附氣量的預測模型。

圖5 Langmuir體積、吸附氣量與TOC線性關系圖

表3 K井含氣量測井解釋結果表

使用ExcelSlover對18個樣品點TOC、Vl、pl、Ga進行規劃求解,得到最優化條件如下:

在最優化條件下,使用Langmuir方程計算3口井樣品點吸附氣量,TOC使用實驗分析值,18個樣品點計算得出的吸附氣量平均為0.82cm3/g,而樣品等溫吸附實驗計算吸附氣量平均為0.82cm3/g,最優化條件計算吸附氣量均值與等溫吸附實驗結果相同,說明該最優化條件計算吸附氣量誤差很小。

以K井為例,根據公式(4)、(15)、(16)計算吸附氣量,根據公式(6)~(8)、(12)~(14)計算游離氣量,1/Bg=61m3/m3,計算結果如表3所示。由于Toolebuc頁巖成熟度較低,烴類產物中同時存在油和氣。因此實驗分析和測井解釋結果中含水飽和度和含油飽度比成熟頁巖高,通過巖心分析結果計算水中溶解氣約為0.04g/cm3,在計算總含氣量時參考行業慣例忽略。測井解釋結果與等溫吸附實驗及解吸實驗結果對比(圖6),測井解釋含氣量隨深度變化趨勢與等溫吸附實驗和解吸實驗獲得的含氣量隨深度變化趨勢相同,單個點的值比解吸實驗值略大,這是因為在取心過程中巖心中部分天然氣散失,估算損失氣量時存在誤差,測井解釋含氣量本身也存在一定的誤差,另外由于Toolebuc頁巖成熟度較低,其生氣能力可能達不到吸附飽和,造成使用等溫吸附模型計算吸附氣量比地層實際吸附氣量略大;測井解釋含氣量比等溫吸附計算含氣量略大,是因為計算含氣量除包含吸附氣之外,還包含游離氣。綜上分析,本模型解釋的含氣量結果基本可信,誤差在合理的范圍內。

圖6 K井測井解釋含氣量與解吸實驗含氣量、等溫吸附含氣量對比圖

4 模型的適用性及與不同方法的對比

4.1 模型在不同成熟度頁巖含氣量解釋中的適用性

等溫吸附與體積模型相結合計算頁巖含氣量,從不同相態氣體的計算過程來看,游離氣的計算本質是通過孔隙中已經存在的天然氣電性特征根據體積模型計算,無論是低熟還是成熟的頁巖,只要一定量的氣體在孔隙中聚集,都能通過孔隙度和含氣飽和度等參數計算得出游離氣量。吸附氣量計算原理是等溫吸附理論,計算得到的實際上是頁巖儲層在地層條件下能夠吸附的最大含氣量,其假設前提是頁巖已經達到能夠生成足夠天然氣的成熟度,由于國內外大多數頁巖都屬于成熟或者高成熟頁巖,生氣量可以達到吸附飽和,理論上可以認為實際吸附量等于最大吸附量。因此該模型對成熟或高成熟的頁巖適用性很好。對于成熟度較低的頁巖,如果生氣能力達不到吸附飽和,利用等溫吸附計算得到的吸附氣量會比儲層實際吸附氣量大,通過本模型計算的頁巖含氣量也因此比儲層實際含氣量大,但是在勘探階段預測儲層原地資源量時誤差在合理的范圍之內。因此本模型對于成熟度較低的頁巖同樣適用。

4.2 不同含氣量測井解釋方法的對比

通過建立實測含氣量與測井參數之間的線性或非線性模型預測含氣量在煤層氣井中應用效果較好,前人研究較多[26-30],線性回歸法對含氣量較低的井誤差較高,非線性模型需要建立在區域大量樣品實驗結果的基礎上。煤層含氣量主要分布在5~18m3/t,美國5套開發頁巖含氣量主要分布在0.42~9.91m3/t,多數小于3m3/t,頁巖含氣量總體遠小于煤層,通過線性回歸計算結果誤差較大;Toolebuc頁巖巖心實測含氣量平均小于1m3/t,通過實測含氣量與測井數據相關性分析研究沒有發現含氣量與測井參數之間的相關性,該特征是否具有普遍性及非線性模型是否適用有待下一步研究。另外,頁巖氣井在鉆井取心過程中,受取心方式影響氣體損失嚴重,損失氣量占總含氣量的40%~70%,估算結果誤差較大。因此使用測井數據與實測含氣量之間的關系預測頁巖含氣量可能帶來很大的誤差?；谏鲜龇治?對頁巖儲層來說,使用測井數據和實驗結果相結合,分別計算頁巖的游離氣量和吸附氣量得到總含氣量比使用線性回歸和非線性模型計算更合理。

5 認識與結論

1)頁巖含氣量測井解釋以等溫吸附和體積模型為基礎,分別計算吸附氣和游離氣量獲得總含氣量,通過等溫吸附實驗結果建立總有機碳和Langmuir體積、Langmuir壓力的最優化模型,然后使用Langmuir方程計算吸附氣量,并根據孔隙體積及含氣飽和度計算游離氣量,中間參數通過測井解釋獲得。

2)通過Toolebuc頁巖實際應用表明,等溫吸附和體積模型解釋的含氣量與儲層實際含氣性特征比較吻合,適用性強,尤其是對含氣量較低的頁巖,誤差較小。模型中間參數通過實驗結果和測井數據的相關性模型或經驗公式計算,相關性模型在不同地區需要根據儲層的巖心實驗結果和測井數據建立并根據實驗數據的增加不斷修正,經驗公式法普遍適用性較好。

3)頁巖含氣量總體水平低于煤層,而且受取心方式影響,實測含氣量中損失氣量估算誤差較大。因此通過測井參數與實測含氣量線性或非線性關系預測含氣量誤差較大,通過測井分別計算游離氣量、吸附氣量是表征頁巖含氣量的最合理方法。

致謝:中海石油氣電集團有限責任公司教授級高級工程師邢云,中國石油長城鉆探工程有限公司高級工程師魏斌,中國地質大學(北京)博士生導師張金川、譚茂金,斯倫貝謝科技服務公司巖石物理工程師張宗富,美國Discovery公司總裁Robert Cluff,美國Utleyophysics公司首席咨詢師Lee Utley等給予了筆者指導和幫助,在此致謝。

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