页岩气测井评价研究——以川东南海相地层为例

张培先

(中石化华东分公司，江苏 南京 210011)

页岩气测井评价研究
——以川东南海相地层为例

张培先

(中石化华东分公司，江苏 南京 210011)

页岩气主要以游离和吸附方式赋存于暗色泥页岩或炭质泥页岩中。其中，游离气一般赋存于泥页岩的孔隙或裂缝中，而吸附气主要赋存于泥页岩中的有机质或黏土颗粒表面。依据不同测井曲线的基本原理，结合实验测试，利用测井技术对页岩气进行识别分析与评价，并分别计算出游离气含量和吸附气含量。通过研究分析，提出了计算页岩游离气含量“四步法”和吸附气含量“三步法”。依据建立的页岩气测井评价模型，以川东南海相页岩地层为例进行技术应用，取得了良好的效果。

游离气含量;吸附气含量;测井评价;页岩气;海相页岩;川东南地区

引 言

页岩气是赋存在暗色泥页岩及其所夹砂岩、粉砂岩地层中的天然气［1－5］。页岩气赋存状态具有多样性，包括游离态、吸附态、溶解态等，但主要以前两者为主，占总含气量的90%以上。游离态天然气含量主要与泥页岩孔隙、含气饱和度等因素有关，吸附态天然气与泥页岩的有机碳含量高低有关［6－7］，而不同的测井曲线及其组合可以得出包括泥页岩孔隙、含气饱和度、有机碳含量等相关信息。本文利用测井曲线的基本原理，求得页岩游离气含量和吸附气含量，实现页岩气的测井评价，为页岩气资源评价提供参考。

1 页岩游离气含量的测井评价

1.1 泥页岩识别

由于泥页岩在测井曲线上有很好的反映，可通过测井曲线组合有效地识别出泥页岩段。自然电位、自然伽马、密度以及井径测井都可以反映地下岩性的变化，均可判断出泥页岩段。

1.2 孔隙度预测

由于泥页岩的压实作用，孔隙度普遍偏低，可

式中：φ为地层孔隙度，%;Δt为由声波时差曲线读出的地层声波时差，μs/m;Δtf为孔隙流体的声波时差，μs/m;Δtma为岩石骨架的声波时差，μs/m

1.3 含气饱和度计算

针对页岩气母岩，假定孔隙空间中不存在油只存在气、水两相流体，可采用阿尔奇经验公式［8计算含水饱和度：利用计算纯地层的孔隙度公式进行孔隙度预测：

式中：Swt为泥页岩含水饱和度，%;Rwc为泥页岩中水电阻率，Ω·m;φt为泥页岩总孔隙度，%;Rt为泥页岩电阻率，Ω·m;系数a、b，指数m、n可通过实验样品的岩电实验取得，也可采用经验值，a=0.62，b=1，m=2.15，n=2。

当得到泥页岩地层含水饱和度Swt后，可得含气饱和度Sg=1－Swt。

1.4 游离气含量确定

假定地下岩石孔隙体积在地下和地面2种状态下并没有发生显著的变化，即ΔV孔=0。根据实际气体状态方程，可得：

式中：n为气体物质的摩尔质量，mol;ρ为气态物质的密度，g/cm3;V为气体体积，cm3;M为气体分子质量，g/mol;p1为地面状态下的压力，Pa;V1为常压下充填在岩石孔隙中的气体体积，在常压下等同于地面岩石孔隙体积，m3;T1为常温(20℃)对应的热力学温度，K;p2为地下某深度处的静水压力，Pa;H为地下深度，m;V2为地下H深度处压缩的气体在地面状态下的体积，m3;T2为地下温度对应的热力学温度，K。

式中：m岩为岩石的质量，t，在此取1 t;q游离为游离气含量，m3/t;ρ岩为岩石密度，g/cm3;φ孔为岩石孔隙度，%;Sg为含气饱和度，%。

2 页岩吸附含气量的测井评价

以吸附态赋存的页岩气占到了总含气量的25% ～80%［9］，而泥页岩中有机碳含量(TOC)是影响页岩气吸附的最主要因素，两者呈正相关关系，通过测井技术可对有机碳含量进行预测，进而实现页岩吸附气含量的测井评价。

2.1 TOC测井预测模型建立

根据测井曲线对高有机碳含量的异常响应，对不同的测井曲线及其组合进行反复实验，最终剔除成熟度这个不确定性因素，在 ΔlgR［10－13］方法的基础上同时结合多元统计原理，选取了声波时差测井与电阻率测井，建立了两者与有机碳含量间的线性关系式：

式中：TOC为有机碳含量，%;x、y、z为待确定的系数;Rt为电阻率，Ω·m;其中z为常数项，针对不同的研究工区，依据实际情况，通过公式拟合确定各自的模型系数。

2.2 页岩吸附气含量计算

依据等温吸附实验，页岩气的吸附气含量随压力的增大而增加，到达一定压力后，吸附气含量达到“饱和”而不再增加。统计各个样品同一压力下的吸附气含量，然后与各自的有机碳含量进行拟合，从而确定页岩吸附气含量与有机碳含量的关系：

式中：q吸附为吸附气含量，m3/t;A、B为参数，可通过等温吸附实验确定。

不同研究区，由于地质条件不尽相同，参数也各不相同，待确定参数后，利用公式(8)在纵向上求出连续变化的页岩吸附含气量。

3 海相页岩中的应用

四川盆地川东南地区古生界沉积了多套厚层黑色页岩。其中，发育的龙马溪组、牛蹄塘组2套黑色页岩具有厚度大、有机碳含量高、热演化程度适中、埋深适中的特点，最适合页岩气聚集成藏经钻井研究分析，多口钻井证实在这2套页岩层系中见明显气测异常、气侵甚至井喷井漏等情况。因此，将该区作为海相页岩代表进行了页岩气测井评价研究。

3.1 游离气含量计算

通过对川东南地区丁山1井2套页岩层系进行测井评价，分析该区海相页岩地层的页岩气勘探潜力。按照建立的游离气含量计算公式模型，对丁山1井龙马溪组和牛蹄塘组游离气含量进行计算得出龙马溪组和牛蹄塘组的游离气平均含量分别为1.66、0.87 m3/t，纵向上由浅层位向深层位，游离气含量呈现减小的趋势(图1)。

图1 丁山1井龙马溪组游离与吸附气含量预测

3.2 吸附气含量计算

通过等温吸附实验获得海相页岩的吸附气含量与有机碳含量的关系。四川盆地页岩吸附气含量与有机碳含量关系式(图2)为：

图2 四川盆地龙马溪组有机碳含量与吸附气含量关系

通过有机碳含量识别、等温吸附实验以及研究区吸附气含量与有机碳含量的关系建立，得到丁山1井龙马溪组和牛蹄塘组的吸附气含量。经过评价，龙马溪组和牛蹄塘组的吸附气含量平均值分别为0.53、0.58 m3/t(剔除灰岩段)，由浅至深，页岩吸附气含量呈现增加趋势(图1)。

3.3 总含气量计算

页岩总含气量是页岩游离气含量与吸附气含量之和。对丁山1井龙马溪组和牛蹄塘组页岩分别求得游离气含量与吸附气含量后，可得到页岩总含气量(图1)。

通过对丁山1井龙马溪组、牛蹄塘组的页岩气测井评价，2个层位的总平均页岩气含量分别为2.19、1.45 m3/t;按井控面积为0.01 km2进行计算，可得到资源量分别为717.44×104、373.23×104m3。从下到上，页岩气含量及资源量逐渐增大表明龙马溪组的页岩气潜力优于牛蹄塘组(表1)

表1 四川盆地丁山1井页岩气测井评价数据

对于盆地其他地区，可按照上述过程计算页岩游离气和吸附气含量，从而在平面上扩大对页岩气含量的研究范围，为页岩气有利区的评价做准备。

4 结论

(1)根据页岩地层在不同测井曲线上的响应特征，通过岩性识别、孔隙度和含气饱和度计算、气体状态方程、有机碳含量测井评价以及等温吸附实验等方面的研究，建立了页岩游离气含量与吸附气含量测井评价模型，实现单井页岩气资源量地质评价，由点到面，为实现地区的资源评价提供重要参数。

(2)利用建立的2个测井评价模型对川东南地区海相页岩地层进行了页岩气测井评价研究，具有较好的应用效果。

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Logging evaluation of shale gas：a case study of marine shale in southeastern Sichuan

ZHANG Pei－xian
(East China Company，SINOPEC，Nanjing，Jiangsu 210011，China)

Shale gases mainly occur in dark shale or carbonaceous shale as free and adsorbed gas．Free gas generally occurs in shale pores or cracks，and adsorbed gas mainly occurs on the surface of organic matter or clay grains．This paper identifies and evaluates shale gases by using well logging technology and combining with experimental measurement，and respectively calculates free gas content and adsorbed gas content．A"four－step"method for calculating free gas content and a"three－step"method for adsorbed gas content are proposed．Moreover，a shale gas logging evaluation model has been set up and applied to the marine shale formation in southeastern Sichuan，China，and has achieved good result．

free gas content;adsorbed gas content;logging evaluation;shale gas;marine shale;southeastern Sichuan

TE122

A

10.3969/J.ISSN.1006－6535.2012.03.001

1006－6535(2012)02－0012－04

20110711;改回日期：20110825

国家自然科学基金“页岩气聚集机理与成藏条件”(40672087)

张培先(1983－)，男，工程师，2007年毕业于中国石油大学(华东)地球资源与信息学院，2010年毕业于中国地质大学(北京)矿产普查与勘探专业，获硕士学位，现主要从事页岩气勘探等方面的研究工作。

编辑黄华彪