頁巖氣儲層品質測井綜合評價

鐘光海 陳麗清 廖茂杰 王廣耀 楊 楊 高 翔

1.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院 2.頁巖氣評價與開采四川重點實驗室

0 引言

水平井水力壓裂開采是目前頁巖氣開發中采用的主要技術，頁巖儲層品質對壓裂改造至關重要，直接影響到試油層位的優選和壓裂施工的效果，進而影響頁巖儲層產能的高低。影響頁巖氣水平井產氣量的因素較多，主要包括地質、工程等因素，因而建立一套現場簡易適用性好的頁巖氣儲層品質評價方法是目前頁巖氣勘探開發現場的迫切需求，具有非常重要的實際意義。

為此筆者以四川盆地南部國家級頁巖氣示范區已開展產能測試的30余口水平井資料為基礎，以頁巖氣儲層參數測井精細評價為切入點，結合該區水平井的產能測試數據，開展頁巖氣儲層地質、工程的靜態因素綜合分析，確定影響產能的主要因素，建立頁巖氣水平井儲層品質評價模型，以期為綜合評價頁巖氣儲層分類、優化水平井靶體、優選頁巖氣試油層段提供技術支撐，為頁巖氣效益開發提供技術保障。

1 頁巖儲層關鍵參數計算方法

頁巖儲層參數計算方法較多，筆者從巖心實驗數據入手，與測井曲線進行相關分析，通過實驗與理論的結合，優選與巖心實驗數據相關性較好的測井曲線，尋找參數計算的實驗理論基礎，尤其是頁巖有機碳含量和頁巖孔隙度數據的計算。頁巖含氣量計算方法[1]和脆性指數計算方法[2]已公開發表，可參考相關文獻，此不贅述。

1.1 有機碳含量

通過研究分析，由于富有機質頁巖吸附了大量的鈾元素，導致優質頁巖段具有異常高的放射性，即高自然伽馬[3]。且有機質干酪根的密度是較低的，當含有機質含量升高時，密度測井也能較好反映。針對川南地區海相頁巖氣儲層，本次研究發現鈾含量與巖心總有機碳含量具有正相關關系（圖1），而密度與巖心總有機碳含量具有負相關關系（圖2）。因此，利用多曲線擬合得到有機碳含量的經驗關系計算式為：

式中TOC表示有機碳含量的質量分數；U表示鈾含量，mg/L；DEN表示巖石的密度值，g/cm3；a0、a1、a2分別表示計算模型系數。

圖1 鈾含量與巖心分析TOC關系圖

圖2 密度與巖心分析TOC關系圖

從圖3中可以看出，利用鈾含量計算的TOC與巖心TOC在一定層段對應性較差，而用鈾—密度法計算的TOC與巖心TOC具有較好的一致性。因此，優選鈾—密度方法來計算海相頁巖的有機碳含量。

1.2 頁巖孔隙度

1.2.1 頁巖有機孔隙度

針對頁巖儲層巖心孔隙結構識別的研究[4-6]，在綜合采用氬離子拋光、場發射掃描電鏡與能譜儀識別無機孔、有機孔的基礎上，統計有機孔與無機孔的面孔率，最終確定有機孔所占比例。根據頁巖孔隙度巖心實驗分析成果，得到每塊巖心的有機孔隙度，與測井曲線相關性分析，發現頁巖有機孔隙度與鈾含量具有良好的相關性（圖4）。因此，表明鈾含量能夠較好地表征有機孔隙度，進而由圖4擬合得到頁巖有機孔隙度計算的經驗模型為：

式中φ有表示有機孔隙度；a、b分別表示計算模型的系數。

圖3 A1井鈾—密度法與鈾含量計算頁巖TOC成果圖對比圖

圖4 頁巖巖心有機孔隙度與鈾含量關系圖

1.2.2 頁巖孔隙度

頁巖儲層孔隙度與巖石測井值具有一定的相關性[7-8]，因而可利用巖心孔隙度直接刻度測井曲線，建立孔隙度測井評價模型用于頁巖氣儲層孔隙度的計算。通過實驗表明，鈾含量能較好表征有機孔隙度，再利用工區內多口評價井開展測井曲線與巖心孔隙度相關性分析，發現聲波、密度、鈾與巖心孔隙度具有較好相關性，而中子相關性較差。因此，優選聲波、密度、鈾含量并結合巖心孔隙度，建立川南地區頁巖儲層孔隙度測井精細計算模型為：

式中AC表示補償聲波測井值，μs/ft（1 ft=0.304 8 m，下同）；c、d分別表示計算模型系數。

在孔隙度驗證中，采用取心段較長，歸位后連續性較好的巖心孔隙度與測井計算孔隙度進行對比分析。如圖5計算結果對比分析，利用聲波曲線計算的無機孔隙度與巖心孔隙度在2 480～2 505 m區域內其一致性較好，但是在優質頁巖段2 505～2 522 m與巖心孔隙度對應性較差，該段優質頁巖富含有機質，有機孔也相對較發育。由此說明，聲波基本不能反映有機孔，而鈾含量能較好地反映。因此，綜合利用聲波、密度、鈾含量計算的孔隙度與巖心孔隙度具有較好的一致性，該評價方法綜合考慮了頁巖儲層的無機孔和有機孔，能較精確評價頁巖儲層孔隙度，進一步表明聲波能夠較好表征無機孔隙度，鈾含量能較好表征有機孔隙度。

2 頁巖儲層品質評價方法

2.1 影響產能的主要因素分析

由于影響儲層改造效果的因素眾多[9-10]，如何找出最主要的影響因素是一個非常困難的事情，研究采用主成分分析[11]的數學方法量化分析這些因素，把原來各個指標化為可數的相互獨立的綜合指標的方法，可以達到數據簡化、揭示變量之間的關系和進行統計分類解釋的目的。通過主成分分析，由相關系數矩陣可計算得到特征值，因為特征值是表示主成分影響力度大小的指標。因此，主成分提取原則，為主成分對應的特征值大于1的主成分，如果特征值小于1，則影響力度較小，可不考慮其影響。

以川南國家級頁巖氣示范區已開展產能測試的30余口水平井資料為基礎，利用形成的頁巖儲層參數測井評價方法，對頁巖氣水平井儲層進行精細評價，得到較為可靠的水平井儲層參數，結合頁巖氣水平井單段的平均產能測試成果，利用主成分分析方法，開展頁巖氣水平井產能的地質、工程靜態參數的主要影響因素分析。得到頁巖氣水平井儲層參數主成分的特征值及貢獻率和主要因素權重分布表（表1），前4個主成分特征值大于1，依次提取前4個主成分。對應的主要因素權重分布，可看出各因素在主成分的權重絕對的大小，第1主成分為權重較大的為有機碳含量；第2主成分為儲層孔隙度占權重較大；第3主成分為巖石脆性指數占權重較大；第4主成分為總含氣量占權重最大。

圖5 B1井不同方法計算孔隙度與巖心孔隙度對比圖

表1 頁巖氣水平井儲層參數主成分及貢獻率表和主要因素權重分布表

綜上分析，通過主成分分析方法確定了頁巖氣水平儲層產能的主要影響因素[12]，分別為有機碳含量、孔隙度、脆性指數、總含氣量。

2.2 建立頁巖氣儲層品質評價模型

將優選的試油段的頁巖氣儲層參數作為分類樣本點數據，通過分類判別，得到頁巖氣儲層品質評價模型。根據頁巖氣水平井單段產能劃分表（表2），優選Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類頁巖氣層的儲層參數，包括有機碳含量、孔隙度、脆性指數、總含氣量，通過分類判別綜合分析得到了儲層品質評價模型為：

式中RQ表示頁巖氣儲層品質；Brit表示巖石脆性指數；GT表示總含氣量，m3/t；w1、w2、w3、w4分別表示影響因素的權重。

根據頁巖儲層品質模型實際評價成果，結合區域試油成果，得到了頁巖儲層品質類型圖版（圖6）和頁巖氣水平井儲層品質分類劃分標準（表2）。

表2 頁巖氣水平井儲層品質類型劃分標準表

圖6 頁巖水平井儲層產能級別與儲層品質類型劃分圖版

3 頁巖氣水平井儲層品質綜合分析

利用形成的頁巖氣儲層關鍵參數的測井評價方法，計算頁巖氣水平井B1-1井儲層參數（圖7），第7道為頁巖氣水平井的儲層孔隙度，第8道為脆性指數，第9道為有機碳含量，第10道為含氣量，進一步利用儲層品質模型評價該水平井頁巖儲層品質（第11道）；進一步根據儲層參數及儲層品質，開展頁巖氣水平井儲層綜合解釋（第15道），填充“紅色”為Ⅰ類頁巖氣層，“黃色”為Ⅱ類頁巖氣層，“橙色”為Ⅲ類頁巖氣層，“灰色”為非頁巖儲層，非儲層基本為寶塔組石灰巖（圖7）。

根據第1道自然伽馬曲線、第2道三孔隙度曲線和第3道電阻率曲線，綜合對比分析，劃分了該井鉆遇小層（第5道）。綜合利用鉆遇小層、頁巖氣水平井儲層品質、生產測井（第13～14道）分析，發現測試產量高段（試油段為第9、12、13、17段）位于儲層品質均為Ⅰ類頁巖氣層段，表明所形成的頁巖氣水平井儲層品質測井評價方法能較好地指示儲層品質級別。進一步分析發現測試產能高段主要位于第2小層，結合巖性礦物剖面和脆性指數，第2小層黏土含量低、脆性礦物含量高、脆性指數高，表明該小層易壓裂，形成的壓裂縫網相對復雜[13-16]，測試產氣量貢獻大。因此，通過綜合分析第2小層即壓裂和鉆井的工程“甜點”[17]，也為地質“甜點”中心，是壓裂施工能夠兼顧上下地質“甜點”的儲層。

4 結論及啟示

通過對川南海相頁巖儲層參數計算方法和儲層品質測井評價方法研究，形成了頁巖氣儲層參數及儲層品質的測井評價方法，得到以下結論及啟示。

1）通過實驗與理論結合，發現鈾含量、密度與頁巖有機碳含量相關性較好；聲波、密度、鈾含量與頁巖孔隙度相關性較好，能夠較好評價頁巖儲層無機孔和有機孔，建立了多參數計算模型，提高了參數計算精度。

圖7 B1-1井頁巖氣水平井儲層品質綜合評價圖

2）利用主成分方法分析，明確了影響頁巖氣水平井產量的靜態參數主要為有機碳含量、儲層孔隙度、脆性指數、總含氣量，形成的基于產能的頁巖氣儲層品質測井綜合評價方法，能夠較好地指示頁巖氣水平井儲層品質級別。

3）通過綜合分析，表明頁巖氣水平井靶體應盡量控制在頁巖儲層品質好的脆性礦物含量高、脆性指數高的小層內，易壓裂，壓裂縫網復雜，測試產氣量貢獻大。形成的頁巖氣儲層品質評價方法能夠為現場水平井靶體優化和壓裂分段優化提供技術支撐，有效指導現場生產開發實踐。