陆相页岩气测井评价方法

祁攀文，姜呈馥，赵谦平，史 鹏，孙德瑞.

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)

陆相页岩气测井评价方法

祁攀文，姜呈馥，赵谦平，史 鹏，孙德瑞.*

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)

为解决我国在陆相页岩气测井评价领域技术储备薄弱的问题，依据陆相页岩气评价标准，在总结陆相页岩气测井评价方法的基础上，结合延长陆相页岩气示范区长7页岩气勘探开发实践情况，提出一套适合中国陆相页岩气测井评价的方法和有效途径。该有效途径为：①筛选TOC>2.0%的层段；②选定孔隙度>2.0%的层段；③筛选含气量>1.0 m3/t的层段；④圈定单井累计厚度>30 m的井和井区；⑤筛选脆性指数>40.0%的井区作为优先施工区域。该测井评价方法综合了多种储层敏感参数，提高了储层评价的精度和效率，并在延长陆相页岩气勘探实践中取得了良好效果。最后，文章指出目前陆相页岩气测井技术存在的问题和未来的突破方向和思路，对指导陆相页岩气勘探和经济评价具有重要意义。

页岩气；评价标准；陆相；测井解释；有效途径

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中以吸附或游离状态为主的天然气聚集[1]。页岩气作为资源潜力巨大的能源新领域，日益受到世界各国的高度重视[2-4]。中国页岩气富集地质条件优越，具有广阔的页岩气资源前景及开发潜力[5]，但复杂多变的地质条件导致存在多种页岩气发育类型和模式：南方地区页岩气单层厚度大、以古生界海相沉积为主，具有热演化程度高、后期构造改造强的特点；北方地区以华北地台为主体，页岩气储层具有古—中—新生界发育齐全、沉积迁移特征明显、薄互层的特点；西北地区以古生界和中生界为主，具有沉积类型齐全，有机质丰度高、有机质热演化程度相对较低的特点[6]。

测井资料在评价烃源岩、定性识别页岩气，获取总有机碳含量(TOC)、含气量和岩石脆性指数等关键评价参数方面不可缺少，测井综合评价已经成为当前页岩气勘探开发的技术支撑[7]。数十年来，大多数页岩气田均通过进行测井数据采集来满足页岩气储层评价的需要。根据Luffel和Guidry调研指出，阿巴拉契亚盆地(Appalachian Basin)大多数采用空气钻井，采用的测井系列主要包括双感应、岩性密度、井壁中子、自然伽马能谱测井，还有井下电视和温度测井等[7]。Zhao等报道了北美FortWorth盆地泥盆系Barnett页岩中所应用的典型测井系列，主要包括自然伽马、补偿密度、补偿中子、岩性密度和感应测井[8]。墨菲石油公司(Murphy Oil)Le Compte 等根据页岩气储层评价需求，提出了较为全面的页岩气测井系列，包括电阻率测井、密度测井、中子测井、核磁共振测井(用于确定页岩孔隙度并不受TOC的影响)、声波测井(用于岩石力学性质分析)、成像测井(用于识别裂缝等)[9]。Lewis等则报道了Schlumberger公司页岩气测井资料处理技术，主要为基于该公司的Platform Express测井软件平台和元素俘获谱(ECS)测井技术开发了专门的测井资料处理软件包[10]。

与海相页岩气储层不同，陆相页岩气具有热演化程度低、有机质含量高、石英含量相对低、长石与碳酸盐岩矿物含量高、后期改造弱的特点[11]。这些特点决定了陆相页岩气测井评价不能完全照搬海相页岩气评价条件、标准和方法。当前，我国在陆相页岩气测井评价领域的技术储备比较薄弱，还没有过硬的参数标准，缺乏对陆相页岩气识别的成套关键技术，来有效评价页岩的岩石矿物成分、岩石结构、储集性能、含气性以及岩石力学特征等，亟须相应的勘探技术方法的研发与储备，进而指导页岩气识别及选层优选工作。

有鉴于此，如何借鉴页岩油气勘探开发成功经验，建立一套适合中国陆相页岩气储层的测井地质评价方法，成为一个迫切的现实问题。为此，基于国内外页岩气勘探开发的系统调研和陆相页岩气评价的工作实践，以鄂尔多斯盆地延长组长7页岩气勘探实践为例，形成一套适合中国陆相页岩气测井的评价方法及有效途径。

1 陆相页岩气储层特征及评价标准

1.1 陆相页岩气储层特征

近年来，中国松辽、鄂尔多斯、渤海湾、四川和准噶尔等盆地内具有较好的陆相页岩气勘探前景，并相继在四川盆地元坝、新场、鄂尔多斯盆地甘泉—富县地区获得工业气流。鄂尔多斯盆地延长组发育多套富有机质页岩，以长7“张家滩页岩”分布最广、厚度最大、有机质含量最高。该套页岩分布面积约10×104km2，厚度为30～120 m。延长陆相页岩气示范区49个岩心分析样品表明，长7页岩TOC为0.46%～9.80%，主频分布范围为2.00%～6.00%，90%的样品TOC大于2.00%。整体上看，TOC稍高于北美页岩气储层[12]。

根据延长陆相页岩气示范区4口井长7的22块样品X衍射分析数据统计，长7页岩石英含量为10.6%～29.7%，平均为17.6%；长石含量为5.2%～38.2%，平均为17.5%；胶结物主要为以伊蒙混层、铵伊利石和绿泥石为主的黏土矿物，方解石、铁白云石、黄铁矿含量极低，平均含量分别为1.5%、1.1%和1.7%。与北美地区页岩及中国南方古生界海相页岩相比，具有“低石英、高长石、富黏土矿物”的特点。

岩心物性分析数据表明，长7孔隙度一般为0.5%～13.8%，变化范围较大，平均为2.8%；孔隙度分布主要呈双峰特征，主峰分布范围为2.0%～4.0%，次主峰分布范围为6.0%～7.0%；113个页岩测试样品中孔隙度大于10%的样品仅3块，大于多数样品孔隙度小于8%。渗透率值为0.0001～0.9158 mD，平均值为0.1625 mD；渗透率分布也呈双峰特征，峰值分布范围分别为0.01～0.05 mD，0.1～0.2 mD；其中47.3%样品的渗透率小于0.1 mD，与北美海相页岩相比物性稍差。

页岩气主要以游离态、吸附态两种状态赋存，据延长陆相页岩气示范区LP194、YY5两口井页岩解吸试验结果[13]，推测延长组长7页岩总含气量一般在6.200 m3/t左右，在地层温度、压力条件下(50 ℃，5 MPa)最大吸附气量均超过1.00 m3/t，部分样品甚至超过2.00 m3/t；利用PVT方程估算长7游离气含量为0.35～2.06 m3/t，平均为1.75 m3/t，与北美及中国南方海相页岩相比，含气量具有中偏高的特征。

1.2 储层评价标准

张金川[14]基于北美海相页岩气勘探开发经验，依据页岩TOC、热演化程度(镜质体反射率Ro)值，综合考虑埋深、含气量、页岩面积、厚度、地表条件、保存条件、可压裂性等因素将海相页岩气分为远景区、有利区和核心(目标)区资源3级；邹才能[15-16]、涂乙[17]、王社教[18]等学者总结了北美海相页岩气储层评价标准，并与中国南方海相页岩气有利区优选的标准进行了对比；李延钧[19]从页岩生气能力、储气能力、易开采性界定了海相页岩气6项评价参数。但陆相页岩与海相页岩地质特征的差异决定了中国陆相页岩气评价标准不能简单照搬海相页岩气的评价方法。何发岐[20]对四川盆地下侏罗统页岩气形成条件和富集关键因素分析后认为：厚度>50 m、TOC>1.5%、Ro>1.0%、埋深<4000 m为页岩气选区评价标准；曾秋楠[21]综合国内外页岩气研究成果，选取储层厚度、夹层比、TOC、Ro、脆性矿物含量和孔隙度作为陆相页岩气评价指标；罗鹏[11]结合陆相页岩气特点，认为TOC、Ro、脆性矿物含量、含气性、孔隙度等是陆相页岩气储层评价的重要参数。孙玉凯[22]分析了吐哈盆地页岩气地质条件，提出页岩气有利区遴选标准。总之，TOC、Ro、矿物成分、含气量、厚度及埋深是页岩气储层评价最重要的关键参数[23-24]。鄂尔多斯页岩气示范区延长组地层埋深800～1600 m，长7热成熟度Ro值为1.25%～1.33%，埋深和热成熟度均满足一般评价标准[13]。故综合考虑鄂尔多斯页岩气实际情况，认为陆相页岩气评价标准为TOC>2.0，脆性矿物含量>40%，孔隙度>2%，有效厚度>30 m，含气量>1.0 m3/t(表1)。

2 陆相页岩气测井评价方法

依据建立的页岩气评价标准，测井资料可依次进行如下评价工作：①评价页岩气储层地球化学参数，计算TOC等；②评价页岩气储层的物性参数，计算孔隙度和渗透率；③评价页岩气储层的含气性，计算吸附气和游离气含量；④评价页岩气储层的岩性及矿物组分，计算矿物相对含量；⑤评价页岩气储层可压裂性，计算脆性指数、杨氏模量及泊松比等参数。

表1 陆相页岩气评价标准(据文献[11][20-22])Table 1 Evaluation standard of continental gas shale reservoir in China

2.1 地球化学参数评价

TOC是识别评价页岩气的重要指标，较高的TOC值往往代表着较高的产气能力。页岩气常规测井响应特征常具有“五高两低”的测井特征，即高自然伽马、高铀、高声波时差值、高补偿中子值、高电阻率值、低光电吸收截面指数、低密度值。Passey等应用ΔlogR方法进行了烃源岩TOC定量评价[24]；朱有光[25]等人考虑了有机质对声波时差和密度曲线的影响，对Passey的方法进行了改进，提出有关TOC的解释模型；张晋岩[26]统计发现，TOC与密度曲线有很好的相关性，建立了利用密度资料解释TOC的模型；针对延长陆相页岩气示范区研究发现，长7自然伽马、自然伽马能谱测井铀含量、补偿密度、声波时差和电阻率等参数对TOC响应较为敏感。

2.2 物性参数评价

Michael[27]等提出用元素俘获测井计算页岩气孔隙度；张晋言[26]发现对密度孔隙度做有机质校正后的孔隙度值与页岩真实孔隙度相当；此外，斯伦贝谢[28]提出核磁共振测井在页岩气孔隙度计算中也取得了较好的应用效果。本次研究利用实测孔隙度资料，对应分析三孔隙度以及泥质指示曲线对其测井响应的敏感性，进而优选出声波时差、密度、中子及自然伽马相对值参数进行孔隙度计算，得到长7页岩孔隙度解释模型为：Φ=0.017Δt+5.048ρb+0.138CNL+0.033ΔGR-20.378，相关系数R=0.886，应用该模型计算的孔隙度与实测孔隙度之间对应良好(图1)。

图1 YY1井孔隙度解释结果Fig.1 Shale gas porosity evaluation of well YY1

2.3 含气性参数评价

李武广等[29]等利用页岩样品的等温吸附试验，得到温度、压力、TOC及有机质成熟度对页岩吸附气含量的影响，并利用以上参数建立了页岩吸附气含量模型。万宇[30]在此方法基础上，考虑脱离岩心试验数据，建立了吸附气与地层温度、压力及TOC的通用计算模型；王凤琴等[31]发现鄂尔多斯盆地长7TOC与吸附气量之间存在较好的正相关关系；曾维特[32]利用解析试验数据，建立了延长组TOC与吸附气之间的定量解释模型。

游离气含量与储层的地层压力、孔隙度和含水饱和度有关，其计算方法与常规储层含气量计算方法一致。首先通过试验确定岩电参数，在确定孔隙度和地层水电阻率的情况下，求出游离气饱和度，进而确定游离气含量。此外，也有学者通过TOC与实测游离气数据回归分析，建立游离气含量解释模型[32]。

2.4 矿物组分评价

斯伦贝谢公司利用常规测井和ECS(元素俘获能谱)测井资料，运用Spectro-Lith技术确定地层中矿物含量，该技术能精确评价页岩气储层的黏土、石英、长石、黄铁矿等的相对体积[28]。在无ECS测井资料的情况下，张晋言利用中子密度归一化建模计算泥质含量，利用三孔隙度测井曲线两两交会计算页岩的砂质含量和灰质含量；此外，多矿物最优化测井解释模型可充分发掘常规测井蕴含的地质信息，可算出三种以上的矿物含量(图2)。

图2 YY1井多矿物测井解释模型Fig.2 Multi-mineral well logging interpretation model of well YY1

2.5 岩石力学参数评价

目前国外测井公司主要采用阵列声波的纵横波时差来计算岩石的杨氏模量和泊松比，进而计算岩石的脆性指数[33-34]。脆性指数与岩石矿物成分密切相关，对于缺少阵列声波测井资料使得无法应用岩石弹性参数计算脆性指数的井，可采用矿物组分法定量计算岩石脆性矿物含量(石英+长石+碳酸盐)来评价岩石脆性(图3)。

3 陆相页岩气储层测井评价有效途径

图3 YY1井矿物组分法计算脆性指数Fig.3 Mineral composition method to calculate brittleness index of well YY1

上述评价参数环环相扣、缺一不可，地化参数评价是页岩气储层识别的基础，解决“页岩气层在哪”的问题；物性评价参数决定了页岩气储层储集能力的强弱，解决页岩气“岩石物理参数如何”的问题；含气性评价是页岩气储层评价的核心，解决页岩气储层“有多少含气量”的问题；可压裂性评价取决于页岩气储层的脆性，是水力压裂设计的基础，解决页岩气“能否被开采”的问题。综合分析国内外页岩气储层识别与评价的技术方法，确定陆相页岩气测井评价技术与步骤如下：

第一步，在岩性识别基础上，针对富含有机质泥页岩层段，通过岩心标定后测井模型的建立，系统解释TOC，确定TOC大于2.0%的层段；其中主要利用测井资料中对TOC响应较敏感参数如铀参数、自然伽马测井相对值参数等。

第二步，针对TOC大于2.0%的层段，依据三孔隙度测井资料和自然伽马测井相对值建立的孔隙度解释模型计算孔隙度，进一步筛选出第一步选出层段中孔隙度大于2.0%的层段。

第三步，针对第二步选出的层段，分别根据第一步计算出的TOC，建立吸附气测井解释模型，计算吸附气含量；同时，基于岩电试验结果建立的游离气解释模型计算游离气含量，进而计算总含气量，筛选出含气量大于1.0 m3/t的层段。

第四步，经过第三步的筛选后，统计含气量大于1.0 m3/t层段的厚度和累计厚度。

第五步，对研究区内的井，开展第一、第二、第三、第四步处理，圈定出单井中累计厚度大于30 m的井或井区。

第六步，在第五步圈定的范围内，根据脆性矿物解释模型，解释脆性矿物含量，进而筛选出脆性矿物含量大于30.0%的井区，作为优先施工的区域。

4 陆相页岩气测井评价技术难点

陆相页岩气测井评价技术难点在于：和常规油气藏相比，页岩气测井评价技术涉及的技术和内容更加广泛和复杂，页岩气在成藏机理方面具有独特性，常规油气测井勘探评价方法难以完全适应，测井评价涉及的计算公式为理想的推导模型，需要大量的岩心实验室资料建立回归算法，且误差较大。具体表现为：

(1)陆相页岩气测井解释评价属于低孔隙度、低渗透率储层解释评价范畴，页岩气具有低孔隙度、特低渗透率及自生自储的特点，页岩矿物成分复杂，储集层情况多样无法精细掌握。

(2)储层流体赋存状态与常规油气不同，页岩气常以吸附状态赋存于页岩中，游离气少，表明储层含气的测井响应特点面临新探索。

(3)储层岩性复杂且不同于常规油气层，目前已知达到商业开采价值的页岩气储层多为硅质含量大于28%、微裂缝发育的页岩储层，表明页岩气测井解释模型将不完全同于常规油气层。

5 陆相页岩气测井评价研究方向展望

相对于海相页岩气，陆相页岩气沉积环境较差，黏土含量相对较高，硅质、钙质含量相对较低，脆性物质较少，裂缝[35]发育程度较低。因此，陆相页岩气的地质问题成为制约页岩气研究及勘探的因素之一。针对陆相页岩气储层的特点，建议关注4方面的页岩气测井技术研究。

(1)陆相页岩气储层岩石物理试验研究。探索建立适合陆相页岩气的测井解释模型，为测井解释提供依据。主要体现为进行流体及储集空间结构试验研究。基于常规测井资料，结合特殊测井资料进行处理，共同约束，着手于页岩的物性参数、阿尔奇公式参数、饱和度、储层矿物成分、裂缝特征描述、岩石力学参数分析等。

(2)建立能够精准计算吸附气和游离气含量的预测模型。目前，吸附气含量主要通过等温吸附试验模拟法和TOC回归分析法进行预测；游离气基于岩电试验建立预测模型进行计算，该计算方法的精准度还有待提升。

(3)陆相页岩矿物成分分析。需弄清页岩储层的矿物构成及确定储层岩石骨架，为孔隙度等参数计算提供依据。页岩气储层为低孔隙度特低渗透率致密储层，页岩气的有效开发都需经过储层改造，页岩中脆性矿物成分含量的高低决定了储层改造的效果。

(4)岩石力学参数评价。其目的为为水平井储层压裂提供参考依据。页岩气的开采主要以水平井开采技术为主。因此，侧重岩石力学参数评价，可为钻井、钻井液及压裂改造提供必需的参数。

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EffectiveLoggingEvaluationMethodsofContinentalShaleGas

Qi Panwen, Jiang Chengfu, Zhao Qianping, Shi Peng, Sun Derui

(ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China)

In order to solve the problem of weak reserve in continental shale gas logging evaluation in our country, according to continental shale gas evaluation criteria, on the basis of summarizing the continental shale gas logging evaluation methods and combining with chang7 shale gas exploration and development practice in Yanchang shale gas demonstration zone, an effective logging evaluation process suitable for China's continental shale gas has been proposed: ①Picking out the layer sections whichTOC>2.0%; ②Layer porosity>2.0% was selected; ③Picking out the layer sections which gas content>1.0 m3/t; ④Total thickness>30m of single well and well area is delineated; ⑤finally, select the brittleness index>40.0% well area as a priority of the development area. The log evaluation method combined a variety of reservoir sensitivity parameters, improved the accuracy and efficiency of reservoir evaluation, and achieved good effect in continental shale gas exploration in Yanchang shale gas demonstration zone. At last, the paper pointed out the problems existing in the continental shale gas logging technology and the direction of future breakthrough, that was of great significance to guide the exploration and economic evaluation of continental shale gas.

shale gas; evaluation criteria; continental facies; logging interpretation; effective methods

国家高技术研究发展计划(863计划)项目“页岩气勘探开发新技术”(2013AA064501)、陕西省科技统筹创新工程项目“延长石油陆相页岩气成藏机理及资源潜力评价”(2012KTZB03-03-01)资助。

祁攀文(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事石油地质学与页岩气勘探等方面的研究工作。邮箱： qipanwen@163.com.

P618.130.2；TE122.2

A