頁巖氣儲層“四孔隙”模型建立及測井定量表征方法

李 軍，路 菁，李 爭，武清釗，南澤宇

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，湖北 潛江 433124)

目前，頁巖氣儲層測井評價取得一定進展。在巖心刻度測井條件下，能夠利用測井資料定量評價巖性組分、有機質(zhì)含量、總孔隙度、含氣性和巖石力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)[1-4]。其中，地層巖性組分、有機質(zhì)含量、總孔隙度評價方法相對成熟，評價精度較高[5-6]。借用煤層氣評價方法中朗格繆爾方程來評價頁巖吸附氣含量，而游離氣含量則采用砂泥巖含油氣飽和度測井模型，如斯倫貝謝公司采用西門杜公式確定含油氣飽和度，進而確定頁巖游離氣含量。由于頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機理復(fù)雜，導(dǎo)致游離氣評價模型適應(yīng)性差，評價精度較低。基于測井對頁巖總孔隙中各微觀孔隙組分進行定量評價，目前尚無文獻報道。通過系統(tǒng)巖心測試，提出頁巖氣儲層有機孔隙、粘土孔隙、碎屑孔隙和微裂縫等“四孔隙”評價模型和測井定量計算方法，在此基礎(chǔ)上估算游離氣含量，并對實際測井資料進行處理和評價。

1 “四孔隙”模型建立

頁巖氣儲層儲集空間類型多，從成因來說，頁巖孔隙類型分為有機孔隙和無機孔隙。有機孔隙發(fā)育于成熟-高成熟有機質(zhì)中，是有機質(zhì)熱演化生烴膨脹作用的結(jié)果[7-10]。無機孔隙包括粘土孔隙、粉砂質(zhì)等碎屑粒間及粒內(nèi)孔隙、微裂縫孔隙。各微觀孔隙組分形狀和空間尺度不相同。依據(jù)微觀孔隙組分測井響應(yīng)差異，建立“四孔隙”模型：將總孔隙分為有機孔隙、粘土孔隙、碎屑孔隙和微裂縫，骨架分為有機骨架和無機骨架(圖1a)。圖1b展示頁巖儲層掃描電鏡(SEM)測試結(jié)果，顯示有機孔隙和各種無機孔隙及空間尺度分布。有機孔隙呈圓形、橢圓形及不規(guī)則管形，空間尺度以納米級別為主；粘土孔隙呈片狀、不規(guī)則狀，空間尺度為納米-微米級；碎屑孔隙(粒間、粒內(nèi))形狀不規(guī)則，以納米-微米級為主；微裂縫尺度較大，為微米-毫米級。

圖2為高精度核磁共振實驗，也顯示多重微觀孔隙分布特征。表1展示核磁共振實驗孔隙組分分布情況，基質(zhì)孔隙(中孔、微孔)占80%以上，大孔和微裂縫占20%以下。

基于“四孔隙”模型，利用測井資料確定總孔隙度、有機孔隙度、粘土孔隙度、碎屑孔隙度和裂縫孔隙度，為精細評價頁巖氣儲層奠定基礎(chǔ)。

2 測井定量計算方法

2.1 總孔隙度測井計算

由于頁巖氣儲層超低孔滲特征，造成實驗測定孔隙度、滲透率等物性參數(shù)困難，目前國內(nèi)外尚無測定頁巖孔隙度、滲透率物性參數(shù)的標準方法和步驟，各商業(yè)實驗室由于采用方法和步驟不同，即使對同一樣品進行測量，測量結(jié)果也有很大差異[11]。

圖1 頁巖氣儲層“四孔隙”模型建立Fig.1 ‘Four-pore’ modeling of shale gas reservoira.“四孔隙”體積模型;b.掃描電鏡孔隙類型分析

圖2 頁巖儲層多重孔隙分布Fig.2 Distribution of multiple micropores of shale gas reservoir

頁巖儲層總孔隙包括有效孔隙(自由流體孔隙)和束縛孔隙(束縛水孔隙)。影響總孔隙度測定結(jié)果的關(guān)鍵因素包括：①束縛水和殘余油氣；②測量氣體介質(zhì)(氦氣、氮氣等)的分子大小；③泥巖吸附作用；④樣品預(yù)處理方法及質(zhì)量損失；⑤圍壓、孔隙壓力[6]。由于這些因素影響，造成測量結(jié)果差異。氦氣分子具有較小動力半徑(表2)，常作為測量氣體介質(zhì)，依據(jù)氣體平衡方程確定頁巖總孔隙度。

2.1.1 基于體積模型法確定總孔隙度

測井地層評價中，經(jīng)常采用干粘土、濕粘土和泥質(zhì)三種物質(zhì)的骨架參數(shù)確定總孔隙度和有效孔隙度。干粘土只包括粘土礦物及晶間水，濕粘土則包含干粘土和束縛水(毛管束縛水和薄膜束縛水)，泥質(zhì)則包括濕粘土和少量粉砂質(zhì)。這三種物質(zhì)都有自己的骨架參數(shù)，包括骨架密度、骨架聲波時差和骨架中子值。利用干粘土骨架參數(shù)確定總孔隙度，而利用濕粘土和泥質(zhì)骨架參數(shù)確定有效孔隙度。依據(jù)體積模型，密度測井響應(yīng)方程如下：

ρb=Φtρfm+ρorgTOCv+(1-TOCv-Φt)ρm

(1)

式中:ρb,ρm,ρfm和ρorg分別為測井、干粘土骨架、孔隙中混合流體和有機質(zhì)密度，g/cm3；Φt為總孔隙度，%；TOCv為有機碳含量(體積比)，%。TOCv與TOCw(質(zhì)量比)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(2)

聯(lián)立(1)和(2)式得到：

(3)

表1 頁巖巖心核磁共振孔隙度Table 1 NMR porosity analysis of shale gas cores

表2 幾種常見物質(zhì)分子直徑Tabel 2 Molecular diameters of several common materials

孔隙中混合流體密度ρfm由下式得到：

ρfm=ρhy+(ρw-ρhy)Swb

(4)

式中：ρhy和ρw分別為油氣和水的密度，g/cm3；Swb為含水飽和度,%。

2.1.2 巖心刻度測井法確定總孔隙度

依據(jù)巖心刻度測井方法，建立經(jīng)驗公式，確定頁巖總孔隙度。在頁巖氣儲層孔隙度測井系列中，密度測井受井眼影響大，中子測井受粘土晶間水影響大。聲波時差測井受井眼影響較小，能夠較好地反映頁巖儲層總孔隙度。涪陵地區(qū)頁巖巖心氦氣測量總孔隙度與測井聲波時差呈現(xiàn)高度正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.75以上。其關(guān)系式如下：

Φt=0.062DT-10.959

(5)

式中：DT為聲波時差，μs/m。

2.2 有機孔隙度測井計算

有機孔隙發(fā)育于成熟-高成熟有機質(zhì)中，有機孔隙度確定首先要確定有機質(zhì)含量。有機質(zhì)含量有兩種表示方法，一種是質(zhì)量百分比，常用于實驗室分析；另一種是體積百分比，常用于測井評價中。

2.2.1 有機質(zhì)含量(TOC)計算

有機質(zhì)由于密度低、聲波傳播速度低、含氫指數(shù)高以及不導(dǎo)電等特性，造成鮮明的測井響應(yīng)特征，同時富有機質(zhì)頁巖還表現(xiàn)為高自然伽馬特征，在自然伽馬能譜測井響應(yīng)上表現(xiàn)為高鈾含量特征。可以利用這些測井特征定量計算TOC。常用測井計算TOC方法[12-15]如下(表3)：

涪陵地區(qū)頁巖TOC與測井密度之間呈現(xiàn)強負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.9以上。

TOC=-14.315 7DEN+39.630 2

(6)

式中：DEN為體積密度，g/cm3。

2.2.2 有機孔隙度計算

利用SEM測試技術(shù)可以直觀地確定有機孔隙大小及其分布，估算有機孔隙面孔率。利用平均面孔率對測井計算的TOCv(體積比)進行刻度，獲得確定有機孔隙度(Φorg)關(guān)系式。

(7)

式中：a為刻度系數(shù)，與有機質(zhì)成熟度有關(guān)，由SEM分析確定。

2.3 粘土孔隙度計算

粘土孔隙是粘土礦物之間的微細孔隙，是束縛水的主要賦存空間[16]。從成因上看，粘土束縛水分為粘土礦物表面的薄膜束縛水和微小孔隙中的毛管束縛水。圖3a展示頁巖氣儲層中實測束縛水孔隙度與粘土含量關(guān)系，兩者呈現(xiàn)很強的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.89，表明粘土孔隙是頁巖氣儲層束縛水主要賦存空間。微細粘土孔隙表面顯現(xiàn)親水性特征，優(yōu)先吸附和儲集水分子，這一點不同于有機孔隙。圖3b展示束縛水飽和度與有機質(zhì)之間強烈的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.82。微細有機孔隙是有機質(zhì)成熟、演化和脫水作用的產(chǎn)物，其孔隙表面吸附烴類，其表面潤濕性為親油性特征，是烴類的主要儲集空間。

圖3 頁巖氣儲層束縛水孔隙度與粘土礦物含量及有機質(zhì)含量關(guān)系Fig.3 Scatter diagram of bound water porosity vs.clay mineral content/TOC for shale gas reservoira.束縛水含量與粘土礦物含量關(guān)系；b.束縛水含量與有機質(zhì)含量含量關(guān)系

粘土孔隙度關(guān)系式如下：

Φclay=ΦtclayVclay

(8)

式中：Φclay為粘土孔隙度，%，Φtclay為100%粘土含量時總孔隙度，由鄰近泥巖測井響應(yīng)確定，%；Vclay為測井計算的粘土含量，%。

核磁共振實驗通過測定孔隙中水分子中氫核橫向弛豫時間來確定巖石總孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)。由于氦氣分子直徑比水分子小，利用氦氣介質(zhì)能夠測量到更小的微孔隙，造成氦氣孔隙度比核磁孔隙度大。粘土含量越高，微細粘土孔隙愈發(fā)育，兩者差異也越大。圖4中2 330～2 350 m井段，粘土含量高，大于50%，微粘土孔隙發(fā)育，氦氣孔隙度與核磁孔隙度差異大，兩者差值與粘土孔隙度相當(圖4中第6道2 330～2 350 m)。而在2 390～2 415 m井段，粘土含量低，微細粘土孔隙不發(fā)育，氦氣孔隙度與核磁孔隙度接近(圖4中第4和第5道)。

圖4 頁巖總孔隙度及粘土孔隙度計算Fig.4 Profile of the total porosity and the clay porosity of shale gas reservoir

2.4 裂縫孔隙度計算

頁巖中裂縫的發(fā)育大大提高了流體滲濾能力，是形成高產(chǎn)頁巖氣的重要地質(zhì)因素[17]。井壁成像測井是研究裂縫最重要的手段，利用成像測井可以直觀地確定裂縫類型和裂縫產(chǎn)狀，還可定量地確定裂縫密度、寬度和裂縫孔隙度等參數(shù)。此外，利用核磁共振測井也能定量確定縫洞、裂縫孔隙度[18]。

在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常是利用雙側(cè)向測井識別和評價裂縫。在頁巖氣儲層中，由于電阻率較高，通常采用雙側(cè)向電阻率測井。研究表明，頁巖儲層中裂縫在雙側(cè)向測井上造成了顯著的響應(yīng)特征，包括絕對電阻率降低和深、淺電阻率差異性質(zhì)變化[19]。通過三維有限元法，開展雙側(cè)向測井正反演研究，確定不同裂縫產(chǎn)狀、不同基巖電阻率等條件下測井響應(yīng)特性，在此基礎(chǔ)上建立頁巖氣儲層裂縫孔隙度計算模型。

(9)

(10)

式中：d1,d2,d3,d4,s1,s2,s3,s4為待定系數(shù)；CLLD為深側(cè)向電導(dǎo)率,S/M;CLLS為淺側(cè)向電導(dǎo)率,S/M，X為裂縫

孔隙度與裂縫充填流體電導(dǎo)率的乘積,S/M;Cb為基巖電導(dǎo)率,S/M。

2.5 碎屑孔隙度計算

在確定總孔隙度Φt、有機孔隙度Φorg、粘土孔隙度Φclay和裂縫孔隙度Φfissure后，容易得到碎屑孔隙度Φsd。

Φsd=Φt-Φorg-Φclay-Φfissure

(11)

3 應(yīng)用實例

對來自四川盆地一口頁巖氣儲層測井資料采用上述方進行定量處理和評價。地層為志留系龍馬溪組海相地層，測井資料包括自然伽馬、自然伽馬能譜、自然電位、井徑、雙側(cè)向電阻率、密度、聲波時差、中子孔隙度等。

基于四孔隙模型，利用測井數(shù)據(jù)計算總孔隙度、有機孔隙度、粘土孔隙度、碎屑孔隙度和裂縫孔隙度(圖5中第3—第7道)。游離氣主要賦存于有機孔隙、微裂縫和部分碎屑孔隙中，粘土孔隙基本為束縛水，依據(jù)這種關(guān)系可估算游離氣含量，吸附氣含量則依據(jù)巖心實驗確定的蘭氏方程來確定，游離氣與吸附氣之和為總含氣量(圖5中的第8道)。用這種方法處理得到含氣量與現(xiàn)場測試結(jié)果趨勢一致。

圖5 頁巖氣儲層微觀孔隙組分、含氣量測井評價Fig.5 Profile of micropore components and logging evaluation of gas content of shale gas reservoir

4 結(jié)論

1) 通過關(guān)鍵井巖心巖礦、掃描電鏡、壓汞液氮聯(lián)測和核磁共振等專項實驗，確定頁巖氣微觀礦物組分和孔隙組分，建立“四孔隙”評價模型。在測井資料齊備條件下，依據(jù)測井資料可以計算總孔隙度、有機孔隙度、粘土孔隙度、碎屑孔隙度和裂縫孔隙度。

2) 傳統(tǒng)砂泥巖電測井含油氣飽和度評價方法不適用于頁巖氣儲層。在微觀孔隙組分定量評價上，依據(jù)各個微觀孔隙組分賦存機制，估算游離氣含量。

頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)電機理復(fù)雜，本文旨在基于測井資料精細評價頁巖氣儲層，并作了初步探索。本文提出的方法雖取得一定的效果，但方法并不成熟，甚至存在錯誤。作者期待拋磚引玉，得到同行專家們幫助和指正！

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