基于中子测井参数的页岩气储层孔隙压力预测模型及应用

刘尉　张凯

摘 要：页岩井测井参数可以对地层流体孔隙压力进行预测，如何确定根据测井参数预测孔隙压力的模型成为预防钻井事故与预测含气量等的关键问题。而工程上以声波时差测井数据预测储层压力模型方法较为成熟。以湖南X1井为研究对象，通过研究中子测井数据与孔隙度间的关系，推导出密度孔隙压力模型，与常用的声波时差孔隙压力模型分别求得页岩储层孔隙压力，并针对背离正常压实趋势的超压层段进行计算。选取X1井620～693 m井段，将新型中子参数孔隙压力模型结果与常用声波时差孔隙压力模型结果进行对比分析。结果表明：新型中子参数孔隙压力模型能够较好地预测目标段页岩储层孔隙压力。

关键词：页岩气储层 中子测井 孔隙压力 超压 预测模型

中图分类号：P631.8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0038-03

页岩气是由泥页岩（作为烃源岩）连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，在作为储集岩的页岩系统中以吸附、游离或溶解方式赋存的天然气[1]。地层压力与泥页岩储层中页岩气含量有着非常密切的关系，在一定的压力范围内，随着地层压力的增大，储层中游离态的气体会增加，同时以吸附态存在的页岩气也会增加。伴随着岩层垂向深度的增大，泥页岩孔隙度逐渐减小，影响着储层油气的赋存[2-4]。大量实际勘探表明，当到达一定深度时，泥页岩储层孔隙压力会发生异常，偏离静水压力值，产生异常高压或者异常低压[5]。在异常高压情况下，孔隙度增大，会有利于页岩气的富集，实际测井技术也表明异常高压区的页岩储层TOC含量（有机碳含量）呈高值[6-7]。

有效地预测泥页岩储层孔隙压力会给页岩气开发带来很多方便，如“甜点区”的确定、钻井稳定性评价。近年来，许多国内外学者致力于预测泥页岩储层孔隙压力，利用测井数据预测孔隙压力是最常用的方式之一。Eaton利用声波时差数据提出了预测孔隙压力的经验公式，Bowers提出了利用纵波波速预测孔隙压力，而后Bowers、樊洪海等又分别提出了考虑加卸载的有效应力法。Holbrook等人提出根据与孔隙度相关的有效应力预测孔隙压力。Heppard等人使用类似Eaton声波时差法的实证孔隙度方程与页岩孔隙度数据来预测孔隙压力。Flemings和Schneider等人也依据孔隙度与压力的关系预测页岩超压。

以湘中坳陷涟源凹陷桥头河向斜中部的X1井为例，取620～693 m间的岩层段进行测井数据采集，将声波时差、中子数据分别代入预测模型。结果表明，密度测井数据在新型孔隙压力模型计算下，与常用声波时差数据方法得到的结果相近度高，能够达到良好的预测效果。

1 新型孔隙压力预测模型

1.1 孔隙度与孔隙压力关系模型

1.2 中子测井预测孔隙压力模型

中子测井数据也经常被应用于页岩储层孔隙压力预测，释放中子源，高能量中子与物质的原子核相互作用而减速，扩散和被吸收其能量不断损失或减弱，记录中子被俘获之前的热中子和超热中子的量的方法叫做中子测井。中子测井可以估算地层的孔隙度。

将中子测井数据与孔隙度间的关系代入孔隙度与孔隙压力间的关系，可以建立新型中子数据—孔隙压力及孔隙压力梯度间的预测模型。

2 应用实例分析

2.1 X1井研究背景

X1井是位于湖南境内的一口页岩气勘探重点井，页岩层段气测显示良好，孔隙度和渗透率低，需要大规模压裂释放页岩气。根据岩石特征研究，X1井页岩脆性矿物含量高、主应力差异小、天然裂缝发育，体积压裂适应性强。地层钻井至晚二叠世晚期大隆组及晚二叠世早期龙潭组。

2.2 计算参数

根据X1井地层环境，上覆岩石应力梯度由中子测井数据计算，选取以下数据为孔隙压力模型参数，如表1所示。

（MPa/m）

2.3 模型处理

在探究X1井地层环境，确定地层参数之后，将实测测井参数（声波时差、中子）分别代入孔隙压力预测模型，其中声波时差数据代入修正的孔隙压力经验公式。计算结果如图1所示。

2.4 预测结果分析

在正常情况下，沉积压实过程中，孔隙流体排出的同时伴随着孔隙度的降低。在埋藏过程中，上覆岩石压力的增大是流体排出的主要原因。如果沉积速率足够缓慢，那么便会正常压实，也就是说，增加的覆盖层与压实造成的孔隙流体排出的体积保持平衡。

（1）X1井声波时差随深度增加有略微的减小，在670～693 m出现异常增大的现象。由于异常地层高压的出现，导致岩层孔隙度增大，声波在孔隙中传播速度减小，声波时差增大。

（2）补偿中子测井的测井值是地层的含氢指数。X1井中子测井值随深度增加有略微的减小，在675～693 m间出现异常增大现象。异常高压导致的大孔隙度使得孔隙流体聚集增多，孔隙流体的高中子值使得岩层整体测井值偏大。

经过由两种测井参数计算得到的孔隙压力值得对比，趋近程度高，670 m深度左右出现超压现象。

对比分析两条孔隙压力曲线，呈螺旋式变化，趋近度高，根据中子测井参数孔隙压力模型测得的孔隙压力值分散性好，特征点明显。

3 结语

（1）中子测井对地层孔隙压力预测有着不错的辅助作用，地层含氢指数直接地反映了储层孔隙流体量，进而间接地揭示了地层孔隙度。天然气的存在使得中子测井值偏低，但作为孔隙压力预测模型的参考起着良好的效果。

（2）在异常超压或低压区储层，孔隙压力的变化直接反映在孔隙度的变化，而新型中子测井参数孔隙压力模型是以孔隙度为中间变量，通过对孔隙度的换算进而推导孔隙压力值，无需实际计算孔隙度。

参考文献

[1] 孟召平，刘翠丽，纪懿明.煤层气/页岩气开发地质条件及其对比分析[J].煤炭学报，2013，38（5）：728-736.

[2] 张金才，尹尚先，页岩油气与煤层气开发的岩石力学与压裂关键技术[J].煤炭学报，2014，39（8）：1691-1699.

[3] 胡琳，朱炎铭，陈尚斌，等.蜀南双河龙马溪组页岩孔隙结构的分形特征[J].新疆石油地质，2013，34（1）：79-82.

[4] 贾新锋，杨贤友，周福建，等.孔隙压力预测方法在油气田开发中的应用[J].天然气技术，2009，3（2）：31-33.

[5] 赵佩，李贤庆，田兴旺，等.川南地区龙马溪组页岩气储层微孔隙结构特征[J].天然气地球科学，2014，25（6）：947-956.

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[7] Zhang[J]，RoegiersJ-C.Double porosity fi -nite element method for borehole modeling[J].Rock Mech. Rock Engng.2005，38（3）.