D區(qū)塊頁巖氣測井解釋及應(yīng)用

淮銀超，楊龍偉 (長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安710054)

高旭 (中國石油測井有限公司新疆分公司,新疆 克拉瑪依 834000)

鄒威 (中國石油大學(xué)(北京)石油工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249)

頁巖氣是指將頁巖作為主要儲(chǔ)集層的“自生自儲(chǔ)”非常規(guī)天然氣，主要有2種賦存形態(tài)，吸附態(tài)和游離態(tài)。游離態(tài)頁巖氣存在于天然裂縫和孔隙中，可以自由移動(dòng)；吸附態(tài)頁巖氣存在于干酪根、黏土顆粒表面。與常規(guī)儲(chǔ)層氣相比，頁巖氣的聚集屬于無運(yùn)移或者極短距離運(yùn)移，頁巖既是生氣源，又是聚集、保存的儲(chǔ)層和蓋層[1～3]。頁巖氣儲(chǔ)層具有低孔隙度、極低滲透率的特點(diǎn)[4]。頁巖孔隙度通常小于10%，滲透率數(shù)量級(jí)為10-8～10-4mD，需要進(jìn)行壓裂增產(chǎn)才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)開發(fā)[5]。

D區(qū)塊位于內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定的前陸盆地，主要經(jīng)歷了晚元古代-晚侏羅世被動(dòng)大陸邊緣和晚侏羅世-始新世前陸盆地2期構(gòu)造演化，沉積地層呈楔狀體[6，7]。該次研究的頁巖位于泥盆系，頁巖氣儲(chǔ)集層分為上、下2部分，中間由灰?guī)r夾層隔開，巖性以黑色、灰色頁巖，泥頁巖為主，厚度為45～65m，埋藏深度在2500～3500m之間，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))介于1.5%～3.5%，為Ⅱ型干酪根[8]。筆者以D區(qū)塊取心樣品的實(shí)測結(jié)果與測井曲線為基礎(chǔ)，在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合頁巖氣儲(chǔ)層參數(shù)測井響應(yīng)特征，以實(shí)測儲(chǔ)層參數(shù)值為約束條件，選擇儲(chǔ)層參數(shù)最佳解釋模型，確定解釋參數(shù)，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)頁巖氣測井解釋，為D區(qū)塊頁巖氣的后續(xù)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 頁巖的測井曲線響應(yīng)

圖1 D區(qū)塊頁巖測井曲線響應(yīng)特征

圖2 D區(qū)塊頁巖氣測井解釋流程圖

D區(qū)塊的頁巖氣測井序列一般包括常規(guī)測井曲線序列和非常規(guī)測井曲線序列，常規(guī)測井曲線序列主要有自然伽馬、井徑、中子孔隙度、聲波時(shí)差、補(bǔ)償密度、深側(cè)向電阻率、淺側(cè)向電阻率等；非常規(guī)測井曲線序列主要包括電成像、聲波成像、交叉偶極聲波、核磁共振等[9]。頁巖氣儲(chǔ)層測井曲線響應(yīng)特征表現(xiàn)為“四高一低”特點(diǎn)，即高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高中子孔隙度、高電阻率和低密度(圖1)。

2 頁巖氣測井解釋流程

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，頁巖本身不僅是烴源巖，同時(shí)也是儲(chǔ)層。頁巖氣形態(tài)為儲(chǔ)存在頁巖孔隙中的游離氣與吸附在頁巖表面上的吸附氣[10]。頁巖氣既有和常規(guī)儲(chǔ)層解釋相似之處，即游離氣的解釋；也有不同之處，即吸附氣的解釋。游離氣解釋包括泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、孔隙度、含水飽和度和滲透率共4種參數(shù)解釋；吸附氣需要對(duì)w(TOC)、含氣量與生烴潛力進(jìn)行解釋(圖2)。

2.1 游離氣測井解釋

游離氣測井解釋與常規(guī)儲(chǔ)層的測井解釋相似，選擇反映游離氣儲(chǔ)層特性的最佳測井曲線，通過實(shí)際分析，建立游離氣解釋模型；并通過巖心實(shí)測結(jié)果校正，確定有游離氣模型解釋參數(shù)，完成游離氣測井解釋。

2.1.1泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)解釋模型

泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)作為測井解釋的一個(gè)重要參數(shù)，不僅對(duì)孔隙度具有校正作用，同時(shí)含水飽和度的計(jì)算也離不開泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。幾乎所有的儲(chǔ)層參數(shù)都受到泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的影響，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的求取精度直接影響著其他參數(shù)的求取精度[11]。

泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法很多，有自然電位法、密度-中子交會(huì)法、自然伽馬法等，不同泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)計(jì)算方法有不同的適用范圍。由于頁巖中的黏土顆粒較細(xì)，且比表面積較大，在沉積過程中能夠吸附較多的放射性元素，所以泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越大，放射性越強(qiáng)，這是利用自然伽馬定量計(jì)算泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的地質(zhì)依據(jù)。該次研究選擇自然伽馬法計(jì)算頁巖中的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)：

(1)

(2)

式中：φ(sh)為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，1；ΔqAPI為相對(duì)自然伽馬，1；qAPI,min、qAPI,max分別為灰?guī)r、泥巖對(duì)應(yīng)的自然伽馬，API；CGCUR為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取3.7。

2.1.2孔隙度模型

根據(jù)D區(qū)塊取心井的巖心孔隙度與測井曲線的相關(guān)性分析，密度曲線與巖心孔隙度有較好的相關(guān)性，能夠準(zhǔn)確反映出頁巖的孔隙度信息。D區(qū)塊孔隙度采用密度法計(jì)算：

(3)

式中：φe為有效孔隙度，1；ρma為骨架密度，g/cm3；ρf為流體密度，g/cm3；ρmud為泥巖密度，g/cm3；ρ為密度，g/cm3。

2.1.3含水飽和度解釋模型

含水飽和度是游離氣儲(chǔ)量計(jì)算的一個(gè)重要參數(shù)，常用的3種含水飽和度計(jì)算模型中，阿爾奇模型主要應(yīng)用于泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較小的純砂巖地層中；印度尼西亞模型主要應(yīng)用于地層水礦化度較低的地層中；而西門杜模型主要應(yīng)用于不考慮泥質(zhì)的分布形式，只考慮總泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的地層中[4]。D區(qū)塊頁巖中泥質(zhì)分布形式多樣，地層水礦化度和度較高，西門杜模型適合于該區(qū)的含水飽和度解釋模型。

(4)

式中：ρt為地層電阻率，Ω·m；ρsh為泥巖電阻率，Ω·m；Sw為含水飽和度，1；ρw為地層水電阻率，Ω·m；m為膠結(jié)指數(shù)，1；a為巖性系數(shù)，1。

在含水飽和度額計(jì)算中，地層水電阻率是確定含水飽和度的重要參數(shù)，直接影響到測井解釋的準(zhǔn)確性[13]。D區(qū)塊由于黃鐵礦的存在，拉低了頁巖段的電阻率，直接使用電阻率會(huì)使計(jì)算出的含水飽和度相比實(shí)測結(jié)果整體較高，不能準(zhǔn)確表征頁巖段的含水飽和度。為了準(zhǔn)確計(jì)算含水飽和度，以實(shí)測地層水電阻率為基礎(chǔ)，以實(shí)測含水飽和度為約束條件，經(jīng)過最小二乘法擬合確定視地層水電阻率，再利用視地層水電阻率代替實(shí)測地層水電阻率完成含水飽和度的計(jì)算。

2.1.4滲透率解釋模型

滲透率主要影響頁巖氣儲(chǔ)層的產(chǎn)能，但是頁巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性又決定了滲透率在頁巖內(nèi)部有很大的變化范圍。測井信息受自身分辨率的限制，一般很難直接準(zhǔn)確地反映和描述滲透率的變化率。為了確定儲(chǔ)層的滲透率，一般選用區(qū)塊的巖心分析滲透率與測井信息建立區(qū)域性經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[12]。D區(qū)塊共收集到5口井的巖心分析孔隙度與滲透率，通過巖心分析孔隙度與滲透率的指數(shù)擬合，建立滲透率解釋模型(圖3)。

D區(qū)塊的滲透率解釋模型為：

Kc=0.0554×e0.2792φc

(5)

式中：Kc為巖心分析滲透率，mD；φc為巖心分析孔隙度，%。

2.2 吸附氣測井解釋

圖3 D區(qū)塊巖心分析孔隙度與滲透率交會(huì)圖

圖4 D區(qū)塊B井密度-電阻率疊合法求 w(TOC)

吸附氣是在地層壓力的作用下氣體吸附在有機(jī)質(zhì)或者黏土礦物表面所形成的，與煤層氣具有相似的特點(diǎn)。通過對(duì)頁巖氣的解析結(jié)果分析認(rèn)為，吸附氣含氣量與w(TOC)相關(guān)性較好。在常規(guī)方法計(jì)算出w(TOC)的基礎(chǔ)上，根據(jù)取心實(shí)測數(shù)據(jù)中的w(TOC)分別與含氣量(v(GC))和生烴潛力(w(HP))的關(guān)系建立吸附氣含氣量計(jì)算模型和生烴潛力計(jì)算模型，完成整個(gè)區(qū)塊吸附氣測井解釋。

2.2.1w(TOC)計(jì)算模型

油氣成因理論認(rèn)為，頁巖中只有部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為油氣，其余大部分仍作為剩余有機(jī)質(zhì)仍殘留在頁巖中，在D區(qū)塊的頁巖中約占90%以上，其與w(TOC)之間存在一定的比例關(guān)系[15]。目前使用較為廣泛的w(TOC)計(jì)算方法有：自然伽馬法、體積密度法、干酪根轉(zhuǎn)換法、電阻率-孔隙度曲線疊合圖法。自然伽馬法和體積密度法由于參數(shù)單一，容易受測井曲線的質(zhì)量所影響，精度相對(duì)較低；而干酪根轉(zhuǎn)換法則受取心數(shù)據(jù)的質(zhì)量與數(shù)量限制。電阻率-孔隙度曲線疊合圖法準(zhǔn)確率高、可操作性強(qiáng)，故該次研究采用該方法來建立w(TOC)模型。

聲波時(shí)差隨干酪根含量的變化而變化，而電阻率隨干酪根成熟度的增加而增大，將電阻率曲線與孔隙度曲線繪制在同一曲線圖上，適當(dāng)調(diào)整2條曲線的刻度，使得孔隙度曲線和電阻率曲線在缺乏有機(jī)質(zhì)的深度段基本重合，而在有機(jī)質(zhì)豐富的深度段存在明顯包絡(luò)(圖4)，再根據(jù)包絡(luò)計(jì)算出頁巖段的w(TOC)。

0.92(Δt-Δtbase)

(6)

w(TOC)= Δlgρt×102.29-0.1688ρ0

(7)

式中：ρt,base為重合段的地層電阻率，Ω·m；Δtbase為重合段的聲波時(shí)差，μs/ft；ρ0為完全飽含水時(shí)的地層電阻率，Ω·m。

2.2.2含氣量計(jì)算模型

地層中吸附氣含氣量與有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系密切，w(TOC)可以很好地表征吸附氣含氣量。通過取心數(shù)據(jù)實(shí)測吸附氣含氣量與w(TOC)的關(guān)系，建立含氣量計(jì)算模型(圖5)。D區(qū)塊共收集到分別來自于3口井的含氣量數(shù)據(jù)，含氣量介于0.167～2.937m3/t之間(平均值為1.56m3/t)。含氣量計(jì)算模型為：

v(GC)=0.37×w(TOC)+0.40

(8)

式中：v(GC)為含氣量，m3/t。

2.2.3生烴潛力計(jì)算模型

通過取心數(shù)據(jù)實(shí)測生烴潛力與w(TOC)的關(guān)系，建立生烴潛力計(jì)算模型(圖6)。D區(qū)塊共收集到3口井的生烴潛力數(shù)據(jù)78個(gè)，生烴潛力介于0.31～15.19mg/g之間(平均為7.43mg/g)。生烴潛力計(jì)算模型為：

w(HP)=1.4505×w(TOC)+0.8523

(9)

圖5 D區(qū)塊w(TOC)與v(GC)交會(huì)圖 圖6 D區(qū)塊w(TOC)與w(HP)交會(huì)圖

3 應(yīng)用效果分析

利用建立的頁巖氣測井解釋模型完成了D區(qū)塊47口井(包括5口取心井和42口未取心井)的頁巖氣測井解釋。根據(jù)測井解釋結(jié)果與取心數(shù)據(jù)的實(shí)測結(jié)果對(duì)比圖(圖7)可以看出，兩者在整體上具有高度一致的趨勢，平均相對(duì)誤差(相對(duì)誤差=(解釋結(jié)果-實(shí)測結(jié)果)/實(shí)測結(jié)果×100)較小(表1)，均在合理范圍之內(nèi)。

圖7 D區(qū)塊B井頁巖氣測井解釋結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比圖

儲(chǔ)層參數(shù)平均相對(duì)誤差/%φ(sh)5 32?e4 31Sw6 51K9 86w(TOC)3 25v(GC)2 69w(HP)5 61

4 結(jié)語

從D區(qū)塊頁巖氣的實(shí)際情況出發(fā)，以測井曲線為基礎(chǔ)，實(shí)測儲(chǔ)層參數(shù)為約束條件，通過分析反映頁巖儲(chǔ)層物性的測井曲線，確定了頁巖游離氣的泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、孔隙度、含水飽和度和滲透率4種儲(chǔ)層參數(shù)的最優(yōu)解釋模型，及吸附氣的w(TOC)、含氣量和生烴潛力3種儲(chǔ)層參數(shù)的最佳計(jì)算模型。分析對(duì)比實(shí)測結(jié)果與測井解釋結(jié)果，兩者符合度較高，計(jì)算出的7種儲(chǔ)層參數(shù)的平均相對(duì)誤差均小于10%，說明研究區(qū)的測井解釋模型具有較高的準(zhǔn)確性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Curtis J B. Fractured shale-gas system[J]. AAPG Bulletin，2002，86(11)：1921～1938.

[2]王香增，高勝利，高潮. 鄂爾多斯盆地南部中生界陸相頁巖氣地質(zhì)特征[J].石油勘探與開發(fā)，2014，41(3)：294～304.

[3]王麗波，久凱，曾維特，等. 上揚(yáng)子黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)海相黑色泥頁巖特征及頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)評(píng)價(jià)[J].巖石學(xué)報(bào)，2013，29(9)：3263～3278.

[4]張東曉，楊婷云. 頁巖氣開發(fā)綜述[J].石油學(xué)報(bào)，2013，34(4)：792～801.

[5]董大忠，鄒才能，楊樺，等. 中國頁巖氣勘探開發(fā)進(jìn)展與發(fā)展前景[J].石油學(xué)報(bào)，2012，33(S1)：107～114.

[6]李朝霞，王健，劉偉，等. 西加盆地致密油開發(fā)特征分析[J].石油地質(zhì)與工程，2014，28(4)：79～81.

[7]張新順，王紅軍，馬鋒，等. 北美白堊系烴源巖發(fā)育特征與油氣分布關(guān)系[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2016，35(1)：119～127.

[8]趙文光，夏明軍，張雁輝，等. 加拿大頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2013，18(7)：41～46，111.

[9]謝灝辰，于炳松，曾秋楠，等. 鄂爾多斯盆地延長組頁巖有機(jī)碳測井解釋方法與應(yīng)用[J].石油與天然氣地質(zhì)，2013，34(6)：731～736.

[10] Burnaman M D，Shelton J. Shale Gas Play Screening and Evaluation Criteria[J].中國石油勘探，2009，14(3)：51～64.

[11] 孫淵，譚成仟.應(yīng)用地球物理基礎(chǔ)教程(下)[M].西安：陜西人民教育出版社，2003.

[12]雍世和，張超謨．測井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2007：167～171，180～183.

[13]茍紅光，杜向榮，楊愛生，等. 視地層水電阻率法在測井解釋中的應(yīng)用[J]. 新疆石油天然氣，2006，2(3)：43～47,103.

[14]魏斌，王綠水，傅永強(qiáng)，等. 頁巖氣測井評(píng)價(jià)綜述[M].北京：石油工業(yè)出版社，2014：143～168.

[15]張厚福，方朝亮，高先志.石油地質(zhì)學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2002：40～52.