四川盆地頁巖氣儲層含氣量的測井評價方法

鐘光海　謝　冰　周　肖　彭　驍　田　沖

四川盆地頁巖氣儲層含氣量的測井評價方法

鐘光海1,2謝冰1周肖1彭驍1田沖1,2

1. 中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 2. 頁巖氣評價與開采四川重點實驗室

鐘光海等. 四川盆地頁巖氣儲層含氣量的測井評價方法. 天然氣工業,2016, 36(8): 43-51.

含氣量是頁巖氣儲層評價的一項重要參數指標,其值的高低直接影響著頁巖氣區塊是否具有工業開采價值.而頁巖氣含氣量主要由吸附氣和游離氣組成,其影響因素較多,包括孔隙度、含氣飽和度、地層壓力、地層溫度、總有機碳含量等.為此,針對四川盆地蜀南地區下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層開展綜合研究,形成了一套系統的頁巖氣儲層含氣量測井評價方法:①通過頁巖巖心等溫吸附實驗,建立了蘭格繆爾方程關鍵參數計算模型,并對吸附氣含量主要影響因素地層溫度、地層壓力、有機碳含量進行分析及校正,提高了吸附氣含量計算精度;②開展頁巖儲層孔隙度和含水飽和度精細評價,為精確計算游離氣含量奠定了基礎;③由于吸附態甲烷占據一定孔隙空間,扣除吸附氣體積影響后,總含氣量計算精度較高,與巖心分析數據具有較好的一致性.通過實驗與理論的結合,所形成的四川盆地頁巖氣儲層含氣量評價方法在該區塊具有較好的適應性,為現場試油層位的優選和區塊資源潛力評價提供有效的技術支撐.

四川盆地 志留紀 頁巖氣 等溫吸附實驗 吸附氣含量 游離氣含量 評價方法

含氣量是評價頁巖氣儲層的最重要參數之一.頁巖氣主要由吸附氣和游離氣組成,影響頁巖氣儲層含氣量大小的因素較多,包括孔隙和裂縫發育程度、含氣飽和度、地層壓力、地層溫度、總有機碳含量、干酪根類型、黏土類型等[1].對于頁巖地層吸附氣含量而言,主要的控制因素為地層總有機碳含量及有機質成熟度,并且受地層壓力、地層溫度的影響[2].本次研究借鑒國外經驗,根據四川盆地蜀南地區下志留統龍馬溪組巖心等溫吸附實驗,結合地層壓力、溫度等資料,利用蘭格繆爾方程來研究地層吸附氣含量,并通過實驗、測井資料建立吸附氣含量計算模型.對于游離氣而言,有效孔隙度和含氣飽和度是評價游離氣的主要參數,這點與常規氣藏是一致的,但與常規氣藏不同的是,頁巖氣儲層要計算游離氣含量.游離氣含量是指從井下儲層條件換算到地面標準條件下每噸巖石所含游離氣的體積,故與地層的壓力和溫度以及天然氣的壓縮因子等有關.

1　吸附氣含量的計算方法

在國外,頁巖吸附氣含量因井的深淺、總有機碳含量的大小而變化.一般吸附氣含量占總含氣量的20%～80%,根據國內外已有的研究成果[3],淺層的頁巖,壓力對吸附氣含量影響較大,而深層頁巖的溫度對吸附氣含量影響更大.

1.1蘭格繆爾方程

蘭格繆爾(Langmuir)等溫吸附方程對于煤層氣、頁巖氣乃至水蒸氣等在物質表面的吸附均適用.其基本理論認為,吸附在干酪根表面上的甲烷與頁巖中的游離甲烷處于平衡狀態,蘭格繆爾等溫線就是用來描述某一恒定溫度下的這種平衡關系的[4],圖1為蘭格繆爾等溫吸附實驗示意圖.

圖1　蘭格繆爾等溫吸附實驗示意圖

該關系涉及蘭格繆爾體積和蘭格繆爾壓力這兩個重要參數.前者描述的是無限大壓力下的氣體積;后者描述氣含量等于1/2蘭格繆爾體積時的壓力,在一定的溫度條件下,對于任一壓力條件下吸附的氣體體積可用如下公式表示:

式中p表示儲層壓力,MPa;pL表示吸附氣量達到飽和吸附量一半時的壓力,又稱蘭格繆爾壓力,MPa; VL表示達到飽和吸附時所吸附的氣量,又稱蘭格繆爾體積,m3/t ;Va表示吸附氣含量,m3/t.

1.2關鍵參數的確定及理論校正方法

由于等溫吸附線是用特定的樣品(總有機碳含量為定值)在一定的溫度下通過實驗的手段取得的.因此,對于不同深度的頁巖,由測井計算吸附氣含量時必須進行總有機碳、溫度的校正來得到等溫吸附參數.國外公司基于北美含氣頁巖大量的等溫吸附線,建立了等溫吸附參數計算的經驗法[5].首先通過大量等溫吸附線,得到蘭格繆爾體積、壓力及溫度差(等溫吸附實驗溫度與不同深度頁巖的溫度差)近似呈一種指數關系,蘭格繆爾體積與總有機碳含量呈線性關系,根據這兩種關系對等溫吸附線進行溫度和總有機碳含量的校正,得到不同深度、不同性質頁巖的等溫吸附參數.

對于溫度校正,方法如下所述:

式中VLt表示在油藏溫度下的蘭格繆爾體積,m3/t;pLt表示在油藏溫度下的蘭格繆爾壓力,MPa;c1表示常數, c1=0.002 7;c3表示常數,c3=0.005;c2、c4表示中間過渡變量;T表示油藏溫度,℃;Ti表示等溫線的溫度,℃.

圖2為蜀南地區XX井所做的等溫吸附實驗樣品的曲線圖,從圖2中可見整體具有隨TOC增大,其吸附氣量增大的特征.因此進行吸附氣量計算時需要進行TOC校正.

總有機碳含量校正的方法為:

圖2　蜀南地區XX井頁巖巖心等溫吸附實驗曲線圖

式中VLc表示在油藏溫度下經過TOC校正后的蘭格繆爾體積,m3/t;TOCiso表示等溫吸附實驗所采用的頁巖的總有機碳含量;TOClog表示測井得到的總有機碳含量;VLt表示在油藏溫度下的蘭格繆爾體積, m3/t.

蘭格繆爾參數經過溫度和總有機碳含量校正后,采用蘭格繆爾方程計算吸附氣含量:

式中Va表示吸附氣含量,m3/t;p表示油藏壓力, MPa;pLt表示油藏溫度下的蘭格繆爾壓力,MPa.

由于等溫吸附線計算得到的含氣量是頁巖能夠容納的吸附氣含量的最大值,而不是實際頁巖巖心所含吸附氣,即如果含氣頁巖中氣體出現逃逸現象,用蘭格繆爾曲線得到的結果會偏大,但頁巖本身也是蓋層,如果裂縫不發育,保存條件較好時用這種方法計算吸附氣含量效果較好[6].本次研究區各井龍馬溪組壓力系數在1.0～2.0之間,說明保存條件較好,可以用等溫吸附氣計算的含氣量代表儲層實際吸附氣含量.

1.3蘭格繆爾參數模型的建立

前面介紹了吸附氣含量的影響因素包括地層溫度、壓力、頁巖孔隙度、總有機碳含量等,而頁巖吸附性質可以用蘭格繆爾方程來描述.因此,這些因素對吸附氣量的影響可以通過等溫吸附參數來體現,也就是說通過大量的巖心等溫吸附實驗建立基于測井參數的等溫吸附參數統計計算模型.

圖3是蜀南地區龍馬溪組蘭格繆爾體積與有機碳含量關系圖.從圖3可以看出:蘭格繆爾體積與有機碳含量呈正相關關系.對研究區蘭格繆爾體積與有機碳含量的關系進行參數數理統計分析,得到如下蘭格繆爾體積計算公式為:

圖3　蘭格繆爾體積與有機碳含量關系圖

式中VL表示蘭格繆爾體積,m3/t;TOC表示有機碳含量;a1、b1分別表示系數.

圖4是蘭格繆爾壓力與有機碳含量的關系圖.從圖4可以得到:蘭格繆爾壓力與有機碳含量呈負相關關系.根據以上分析,對研究區蘭格繆爾壓力與有機碳含量相關性進行分析,得到蘭格繆爾壓力計算公式為:

式中pL表示蘭格繆爾壓力,MPa;a2、b2分別表示系數、小數.

圖4　蘭格繆爾壓力與有機碳含量關系圖

利用以上形成的吸附氣含量測井計算方法,測井計算的吸附氣含量(黑色實線)與巖心實測的吸附氣含量(紅色桿狀)具有較好一致性(圖5),說明形成的吸附氣含量蘭格繆爾方程參數計算模型在該地區具有較好的適應性.

2　游離氣含量的計算方法

相對于吸附氣而言,游離氣含量的計算方法較為簡單,其主要與有效孔隙度和含氣飽和度有關,與常規儲層的評價相似.當然,由于頁巖氣儲層要計算含氣量,這種含氣量是指從井下儲層條件換算到地面標準條件下(一個大氣壓、25 ℃)每噸巖石中所含的游離氣體積,故與地層的壓力和溫度以及天然氣的壓縮因子等有關[7].

圖5　XX井測井計算吸附氣含量與巖心吸附氣量對比圖

2.1地層壓力和地層溫度

區域上地層的壓力系數和地溫梯度已知后,近似地計算出解釋井段的地層壓力和井溫,另外,從測井資料也可以知道儲層的溫度.即

式中Tlog表示儲層溫度,℃;T0表示地表年平均溫度,℃;D表示地溫梯度,℃/100 m;DEP表示井深, m;plog表示儲層壓力,MPa;Y表示地層壓力系數, MPa/100 m.

2.2地層條件下游離氣含量

在頁巖氣儲層中,游離氣含量主要由孔隙度及含水飽和度計算得到,其計算方法如下:

式中Qf表示儲層溫度壓力下游離氣含量,m3/t;φ表示有效孔隙度;Sg表示含氣飽和度;Den表示地層巖石體積密度,g/cm3.

根據式(12),可以看出儲層孔隙度和含水飽和度是計算游離氣含量非常重要的儲層參數.下面將闡述頁巖孔隙度和含水飽和度的測井計算方法.

2.2.1頁巖孔隙度的計算方法

頁巖巖石測井值是地層骨架、孔隙、微裂縫及流體等的綜合響應,其值大小不能明顯區分基質孔隙和微裂縫孔隙.而頁巖儲層孔隙度與巖石測井值具有一定的相關性.因此,利用巖心孔隙度直接刻度測井曲線,建立孔隙度測井計算模型用于評價頁巖氣儲層的孔隙度.進一步利用工區內2口井200余塊深度歸位后巖心孔隙度與測井曲線進行相關性分析,得到聲波、鈾含量、密度與巖心孔隙度相關性較好,而中子與巖心孔隙度相關性較差.因此,利用巖心孔隙度刻度聲波、密度、鈾含量測井曲線,建立該地區多曲線孔隙度測井計算模型為:

式中AC表示巖石骨架測井聲波值,μs/ft;DEN表示巖石密度,g/cm3;URAN表示巖石鈾含量,mg/L; a0、a1、a2、a3分別表示模型系數.

在孔隙度驗證中,采用取心段較長,連續性較好、歸位后的巖心分析孔隙度與測井孔隙度進行對比分析.根據圖6對比分析,利用經驗關系法建立的孔隙度計算模型計算結果與巖心分析孔隙度對應性非常好.因此,采用經驗關系法計算該地區頁巖氣儲層孔隙度.

2.2.2含水飽和度的計算方法

頁巖氣儲層中的流體主要為束縛水、吸附氣和游離氣,基本上沒有可動水.因此測井計算出的含水飽和度就是束縛水飽和度.含水飽和度的計算在砂巖、碳酸鹽巖儲層中有多種公式,并不斷發展具有針對性的模型,包括Archie方程、Waxman Smits方程、印度尼西亞方程、尼日利亞方程、雙水模型方程及Simandoux方程等.國外石油大公司在頁巖氣測井評價上應用不同的含水飽和度方程,威德福公司使用Waxman Smits方程,斯侖貝謝公司應用的是Simandoux方程.

2.2.2.1計算方法適應性分析

Waxman Smits(W-S)方程是基于泥質砂巖的陽離子交換作用來建立的電導率解釋模型,W-S模型認為:除地層水的導電性要比按其含鹽量所預計的更好外,泥質砂巖與同樣孔隙度、孔隙曲折度和含水飽和度的純砂巖地層一樣具有相同的導電特性. Waxman-Smits方程[8]的改進模型為雙水模型(式14),即束縛水和自由水,但頁巖氣儲層不存在自由水,故不適用.

圖6　XX井經驗方法計算孔隙度與巖心孔隙度對比圖

式中Sw表示含水飽和度;Rt表示巖石真電阻率,Ω.m; φ表示地層有效孔隙度;Rw表示地層水電阻率,Ω.m; B表示黏土表面被吸附的平衡陽離子的等效電導率, S/m;Qv表示泥質砂巖的陽離子交換容量,mol/L;a、m、n分別表示地區巖電實驗參數,為常數,可以通過地區巖電實驗來確定.

Simandoux方程[9]適用于含泥質較多,巖性很細的含油氣粉砂巖,同時該模型不考慮黏土或泥質的具體分布形式,只是把泥質看成是黏土和細粉砂組成,把泥質部分當作可含油氣的、泥質較重、巖性很細的粉砂巖.該方程最早是針對砂巖剖面開發的,發現部分砂巖粒度細(粉砂含量高)黏土含量高,從而考慮了泥質對電阻率的影響.盡管當前還沒有開發出專門的頁巖含水飽和度方程,但借用Simandoux方程來計算頁巖氣儲層的含水飽和度是比較合適的,國外公司在進行頁巖氣儲層評價時即使用該模型計算含水飽和度,該模型為:

式中Rsh表示純泥巖的巖石電阻率,Ω.m.因此,對該地區頁巖巖心開展巖電實驗,得到適用于該地區的巖電參數,用于計算頁巖含水飽和度.

2.2.2.2頁巖的巖電實驗參數確定

由于頁巖易碎及遇水后易分解,因此巖電實驗難度極大,國外也未開展相應的巖電實驗,本次研究選取2口井98個樣品開展巖電實驗,地層因素測量成功47個,不同飽和度下的電阻增大率測量成功12個.

將巖心不同含水飽和度和對應的電阻率計算得到的地層電阻率增大系數(I)在對數坐標下作圖(圖7),得到飽和度指數(n)和巖性相關系數(b).

圖7　電阻率指數與含水飽和度關系圖版

將100%飽和地層水的巖樣電阻率計算得到的地層因素(F)與地層孔隙度在對數坐標下進行統計回歸得到巖性系數(a)和膠結指數(m)(圖8).

利用取得的蜀南地區的頁巖的巖電參數,根據Simandoux方程計算的含水飽和度與巖心含水飽和度對應性好(圖9),說明Simandoux方程和實驗得到頁巖的巖電參數在蜀南地區計算頁巖氣儲層含水飽和度具有較好的適用性.

圖8　地層電阻率因素圖版

2.3吸附氣含量對游離氣含量校正

根據相關文獻調研[10-12],國內外較多學者認為吸附態甲烷是占一定孔隙空間的,即在計算游離氣含量時,需要剔除吸附態甲烷所占的孔隙空間,計算模型如圖10所示.Ambrose等[12]于2012年通過分子動力學理論模擬甲烷的吸附態密度,認為甲烷的吸附態密度約為0.34 g/cm3,Haydel和Kobayashi于1967年相關研究認為甲烷吸附態密度為0.37 g/cm3, Mavor等與2004年相關研究認為甲烷吸附態密度為0.42 g/cm3.

通過調研國內外研究成果[13],認為甲烷吸附態密度為0.34～0.42 g/cm3,平均為0.38 g/cm3,根據甲烷吸附態密度數據,假設頁巖樣品密度為2.5 g/ cm3,針對不同吸附態密度的吸附氣含量,計算吸附氣態所占孔隙度(表1),計算結果表明甲烷密度取0.38 g/cm3時,1 m3/t吸附氣量占孔隙度為0.47%,2 m3/t吸附氣量占孔隙度為0.94%,3 m3/t吸附氣量占孔隙度為1.41%.

圖9　XX井Simandoux方程計算含水飽和度與巖心含水飽和度對比圖

圖10　游離氣含量計算模型圖

由表1可見:甲烷吸附態是占一定孔隙體積的,如果忽略甲烷吸附態所占體積,計算游離氣含量偏大.因此,計算游離氣含量時需要考慮吸附態所占體積影響[14].等溫吸附實驗方法計算游離氣時,利用孔隙度、含氣飽和度、地層溫度和地層壓力等實驗基礎數據,還考慮吸附態密度和吸附氣含量對游離氣含量進行校正,校正方法如下:

式中Qf表示吸附氣含量校正后的游離氣含量,m3/t; φ表示孔隙度;Sw表示含水飽和度;DEN表示巖石密度值,g/cm3;φs表示吸附氣所占孔隙度.

2.4換算到標準條件下游離氣含量

換算到1 atm和25℃的標準條件下游離氣的含量,由氣體物質平衡方程得知以下的換算公式:

式中Vf表示游離氣含量,m3/t;plog表示地層壓力,MPa; Tlog表示溫度,℃;p0表示1個標準大氣壓,0.101 3 MPa;Z表示氣藏原始天然氣偏差系數,通過高壓物性實驗或頁巖氣組分和相對密度經溫壓校正得到.

表1　吸附態所占頁巖孔隙度計算數據表

3　總含氣量計算及驗證

3.1總含氣量計算

頁巖氣儲層某一深度點的總含氣量計算公式如下:

式中Vt表示總的含氣量,m3/t;Va表示經過正后的吸附氣含量,m3/t; Vf是經過校正后游離氣含量,m3/t.

3.2總含氣量驗證

用以上方法計算不同地層壓力下頁巖氣儲層的吸附氣含量和游離氣含量,進而計算總含氣量,由圖11可見,測井計算的總含氣量(藍色曲線)與巖心總含氣量(紅色桿狀數據點)具有較好一致性,相關性較好,能夠滿足地質儲量計算要求.

圖11　蜀南地區XX井測井計算總含氣量與巖心含氣量關系圖

4　現場方法應用

根據常規測井資料的處理成果,綜合錄井顯示及巖心分析數據,應用建立的頁巖氣儲層參數的測井評價方法,對蜀南地區XX井頁巖氣儲層進行了測井綜合評價分析(圖12),該井處理解釋了3段頁巖氣儲層.1號儲層,有機碳含量普遍小于2%,總含氣量較低,脆性礦物含量及脆性指數中等,綜合解釋為頁巖差氣層;2～3號儲層,有機碳含量均大于2%,測井計算的含氣量與巖心分析吸附氣含量、總含氣量具有較好的一致性,該段儲層總含氣量好,脆性礦物含量及脆性指數高,綜合解釋為頁巖氣層.對2～3號儲層優選3段優質儲層段進行射孔和大型加砂壓裂改造,測試獲得大于1.0X104m3/d的工業氣流.

通過以上分析,表明形成的頁巖氣儲層含氣量測井計算方法方法能夠解決該區頁巖氣儲層評價要求,支撐了頁巖氣試油層段及儲層改造措施優選.

5　結論

1)在區域地質特征和實鉆井的巖心資料分析基礎上,蘭格繆爾體積及壓力與有機碳含量有較好相關性,并建立了該地區的蘭格繆爾模型關鍵參數的計算模型,通過測井計算吸附氣含量與巖心吸附氣量具有較好的一致性,參數計算精度較高.

2)根據文獻調研及研究分析,吸附態甲烷是占一定孔隙空間的,計算游離氣含量時需要扣除吸附態甲烷所占孔隙體積,通過校正后總含氣量更符合頁巖氣儲層實際情況,通過測井計算總含氣量與巖心分析總含氣量具有較好一致性,說明形成的頁巖氣含氣量測井評價方法在該地區具有較好的適應性.

圖12　蜀南地區XX井頁巖氣儲層測井綜合處理成果圖

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(修改回稿日期 2016-05-30 編 輯 韓曉渝)

A logging evaluation method for gas content of shale gas reservoirs in the Sichuan Basin

Zhong Guanghai1,2, Xie Bing1, Zhou Xiao1, Peng Xiao1, Tian Chong1,2
(1. Exploration and Deνelopment Research Institute of PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610041, China; 2. Sichuan Key Laboratory of Shale Gas Eνaluation and Exploitation, Chengdu, Sichuan 610041, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.43-51, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Gas content, as an important indicator for shale gas reservoir evaluation, directly determines whether a shale gas block is of industrial production value. Gas content is mainly composed of free gas and adsorbed gas, and is impacted by many factors, including porosity, gas saturation, formation pressure, formation temperature and total organic carbon content (TOC). In this paper, a set of systematic logging evaluation methods for the gas content of shale gas reservoirs was developed based on a comprehensive study of the shale gas reservoirs of Lower Silurian Longmaxi Fm in the southern Sichuan Basin. First, a calculation model for the key parameters of Langmuir equation was built up by conducting isothermal adsorption experiments on shale cores. And the calculation accuracy of adsorbed gas content was improved by analyzing and correcting its main influential factors, such as reservoir temperature, reservoir pressure and TOC. Second, porosity and water saturation of shale reservoirs are precisely evaluated to provide a basis for accurate calculation of free gas content. And third, the adsorbed methane occupies a certain pore space, so the calculated gas content is more accurate after the effect of adsorbed gas volume is excluded, and it is consistent with the core analysis data. To sum up, the calculation method for gas content of shale gas reservoirs in the Sichuan Basin is developed experimentally and theoretically, and is of good adaptability in this block. So it provides an effective technical support for production testing horizon selection and block resource potential evaluation.

Sichuan Basin; Silurian; Shale gas; Isothermal adsorption experiment; Adsorbed gas content; Free gas content; Evaluation method

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.006

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目"中國南方古生界頁巖氣賦存富集機理和資源潛力評價"(編號: 2012CB214706-03)、四川省科技計劃項目"四川盆地下古生界頁巖氣資源潛力評價及選區"(編號:2015SZ0001)、中國科學院戰略性先導科技專項"頁巖氣勘探開發基礎理論與關鍵技術"(編號:XDB10010500).

鐘光海,1982年生,工程師,碩士;主要從事地球物理測井資料處理及綜合解釋工作.地址: (610041)四川省成都市高新區天府大道北段12號.電話: (028)86015644.ORCID: 0000-0001-6555-829X.E-mail: zgh_kty@petrochina.com.cn