加拿大西加盆地页岩气储层测井评价研究

淮银超，曲良超，张 铭，谭玉涵，夏朝辉

(1．西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065；2．中国石油勘探开发研究院，北京 100083；3.中国石油集团测井有限公司油价评价中心，陕西 西安 710077)

0 引 言

页岩气是指赋存于富含有机质的页岩中的非常规天然气，是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合[1-2]。作为一种非常规天然气，页岩气赋存形式有三种，吸附在页岩干酪根的有机质、黏土颗粒表面上、游离在页岩裂隙和基质孔隙中，溶解在页岩的有机质中或有机烃中。页岩气开发对于环境保护，缓解化石能源危机和调整国家的能源结构、保障国家能源安全等具有十分重要的意义。

在页岩气储层众多的评价方法中，测井评价是最直接、最有效的方法之一，对于页岩气储层评价具有重要意义[3]。由于页岩气储层含气复杂性以及“低孔低渗”等特点，基于测井资料的储层评价在评价模型、方法以及思路等方面与常规油气储层存在不同。西加盆地作为加拿大页岩气的重要产地，不仅地质储量丰富，页岩储层品质高、页岩含气量高，同时在工厂化钻井、水平井分段压裂等钻井与储层改造技术等方面处于领先地位，对于页岩气的测井储层评价却缺乏系统性研究。基于此，笔者以加拿大西加盆地页岩气储层为研究对象，利用测井资料的多元回归拟合和体积模型法分别建立页岩气储层物性参数、地球化学、含气性以及骨架矿物组分等模型，确立研究区的页岩气储层测井评价体系。通过与实测结果对比，对页岩气储层评价模型的准确性加以验证，从而为页岩气储层后续改造、开发工作奠定基础。

1 研究区概况

加拿大西加盆地(west Canadian sediment basin，WCSB)是一个巨大的沉积盆地，面积1.4×106km2，分布在美国与加拿大之间的广大区域内。盆地的构造演化运动发生在泥盆纪、石炭纪、晚二叠世、侏罗纪-早白垩世和中、晚侏罗世-第三纪，其中晚二叠世和晚侏罗世-第三纪构造运动决定着盆地规模、地层发育以及空间布局。西加盆地犹如一个巨大的楔状体，向西延伸到太平洋沿岸的落基山，向东延伸到加拿大地盾。主要沉积地层有古生代至侏罗纪的碳酸盐岩、泥页岩以及中侏罗世至古新世间的之间的碎屑岩。本次的研究目的层即为泥盆纪的泥页岩。

研究区位于西加盆地西部，目的页岩位于泥盆纪地层中，属于深海相沉积，岩性以富沥青质暗色黑色、黑灰色硅质、钙质泥页岩、泥岩为主。目的页岩厚度介于45～65 m，埋藏深度在2 500～3 500 m之间，总有机碳含量为3.54%，镜质体反射率为1.63%。

2 储层特征

岩芯分析结果表明研究区内页岩的储集空间为溶蚀孔、有机质孔和裂缝，孔隙度为3.35%。渗透率0.174×10-3μm2；X-ray diffraction(XRD)分析结果表明骨架矿物为石英、方解石、长石，含有少量黄铁矿；黏土矿物主要以伊蒙混层、绿泥石、伊利石为主，含有少量蒙脱石。

在常压和储层温度下测定研究区内的含气量，通过测定解吸罐中的气体体积获得解吸气体积；利用USBM直线回归方法确定散溢气体积；粉碎样品以获得残余气体积。含气量测定结果表明研究区内含气量平均值为1.59 cm3/g，属于中-高含气量储层，表1为BB井的含气量测定结果统计表。

表1 研究区内BB井含气量测定结果

3 页岩气储层参数评价

考虑到页岩气储层“低孔低渗”、含气性复杂以及页岩气储层需要水平压裂的特点，将页岩气储层测井评价模型分为四部分：储层物性、总有机碳含量、含气性以及骨架矿物组分。包括有效孔隙度、渗透率和含水饱和度、总有机碳含量、吸附气含气量、游离气含气量以及石英、钾长石、方解石、黄铁矿含量等10个基础评价参数。通过页岩气储层测井储层评价研究，能够更加全面认识研究区内页岩气储层特征，为后续页岩气储层“甜点区”优选、资源量评价以及储层改造奠定基础。

3.1 物性参数模型

测井识别是页岩气储层评价工作的基础。研究区围岩为灰岩，相比于围岩的“低伽玛、高密度、低中子孔隙度、低声波时差、高电阻率、高光电吸收系数”测井响应[4]，页岩气储层的测井曲线响应特征表现为“中高伽玛、中低补偿密度、高中子孔隙度、高声波时差、中低电阻率、低光电吸收系数以及高铀，钍，钾”。其中铀对于页岩中的有机质反应最为灵敏(图1)。

CALI-井径；GR-自然伽马；PEFZ-光电吸收界面；URAN-自然伽马能谱-铀；THOR-自然伽马能谱-钍；POTA自然伽马能谱-钾；AC-声波时差；NPHI中子孔隙度；RHOB-补偿密度；LLD-深电阻率；LLS-中电阻率；MSFL-浅电阻率；TOC-总有机碳含量图1 研究区页岩测井响应特征

3.1.1 有效孔隙度

有效孔隙度是页岩气储层物性评价的最重要的参数之一，决定着游离气储能。研究区内黄铁含量较高以及黏土矿物中的束缚水，使用补偿密度数据是计算有效孔隙度最有效方法。在有效孔隙度计算时须校正有机质、黏土矿物对有效孔隙度的影响。具体计算模型见式(1)。

(1)

式中：φ为有效孔隙度，%；ρ为补偿密度，g/cm3；ρma、ρf、ρsh、ρtoc为骨架、流体、黏土矿物、有机质密度，g/cm3；Vsh、Vtoc为黏土矿物、有机质含量%。

3.1.2 渗透率

页岩气储层渗透率决定着页岩气产能，同时准确的渗透率评价对于储层改造具有重要的指示意义。页岩气储层中的充气孔隙往往是页岩气储层中相对较大的，使得气体在孔隙中的流动具有类似于达西运动的特性，从而与有效孔隙度有很好的相关性[5-7]。图2的取芯分析结果也验证了渗透率与有效孔隙度间具有很好的相关性，说明基于岩芯分析成果建立的渗透率评价模型可靠，见式(2)所示。

Perm=63.285×exp(0.248×φ)

(2)

式中：Perm为渗透率，10-6μm2；φ为有效孔隙度，%。

图2 有效孔隙度与渗透率关系

3.1.3 含气饱和度

含气饱和度是游离气含气量计算中的主要参数之一，与常规储层不同，页岩气储层中流体以束缚水为主，且液态烃含量极少。考虑到研究区内的页岩中的黏土矿物种类、分布形式以及不同含水饱和度的适用条件，确定利用阿尔奇公式计算含气饱和度。

黄铁矿的存在使得页岩段电阻率明显偏低，会产生将含水饱和度值计算很高的“假象”。以“地层水视电阻率法”来降低黄铁矿对含气饱和度计算精度的影响。即在其余参数固定情况下，以实验室分析地层水电阻率为基础和自变量，含水饱和度为因变量。通过调整地层水电阻率从而达到利用阿尔奇方法计算含水饱和度与分析含水饱和度差值的最小化，以此时的地层水电阻率作为“地层水视电阻率”来计算研究区的含气饱和度，见式(3)～(4)。

(3)

Sg=1-Sw

(4)

式中：Sw、Sg为含水饱和度，含气饱和度，%；Rw、Rt为地层水、视地层水电阻率，Ω·m；φ为有效孔隙度，%；a、b为地层胶结系数；m、n电阻率放大系数。

3.2 总有机碳含量模型

总有机碳含量是页岩气储层地球化学评价的重要参数，对于烃源岩的生烃潜力确定、吸附气含量预测有重要意义[8-9]。常用计算方法有自然伽玛曲线法、密度曲线法、电阻率-孔隙度交会法、干酪根转换方法[10-12]。电阻率-孔隙度交会法以相对成熟且准确率较高的特点，常用来定性识别页岩气储层与定量计算总有机碳含量，电阻率-孔隙度交会法根据计算出电阻率与声波时差叠合幅度差，拟合出总有机碳含量评价模型，具体如式(5)～(6)所示。

(5)

TOC=0.414×ΔlogR+0.01×AC+1.08

(6)

式中：ΔlogR为声波时差与电阻率曲线叠合幅度差；R、AC为实测的电阻率、声波时差，Ω·m，μs/ft；R基线、AC基线为灰岩段对应的电阻率与声波时差,Ω·m，μs/ft；TOC为总有机碳含量,%。

黄铁矿存在会影响电阻率-孔隙度交会法计算总有机碳含量的精度，而采用自然伽马能谱不会受到黄铁矿的影响，可以用来计算总有机碳含量。在自然伽玛能谱中，钾反映碱金属元素含量，钍反映土族元素，铀则代表地层氧还原特性[13-14]。页岩气储层中的大量有机质对铀有很强吸附力，故而总有机碳含量与铀元素有很好相关性(图3)，可以用铀元素来计算总机碳含量，计算见式(7)。

TOC=0.208×URAN+1.867

(7)

式中：TOC为总有机碳含量，%；URAN为铀元素含量，10-6。

图3 总有机碳含量与自然伽玛能谱-铀的关系

考虑到两种方法的优缺点，为了减少总有机碳含量的计算误差以及提高计算精度，以两种方法的计算结果平均值作为有机碳含量的最终结果。

3.3 含气性模型

页岩气主要由三种类型组成：游离气、吸附气和溶解气。溶解气在页岩气资源评价上基本不考虑，含气性主要考虑对象为吸附气和游离气，二者可以占到含气量的95%以上。

3.3.1 吸附气

在页岩气储层中，吸附气是含气量中的绝大部分，吸附气主要吸附在黏土矿物和有机质表面[15-17]。吸附气的常用的计算方法有等温吸附模拟方法和岩芯分析回归法，等温吸附模拟方法需要大量取芯分析数据支持，而研究区内的取芯分析数据有限，故而吸附气含气量计算只能采用岩芯分析回归法。在加拿大西加盆地的页岩气储层中，总有机碳含量对吸附气吸附“贡献”最大，与吸附气具有很好的相关性。基于此，采用总有机碳含量来回归吸附气含气量，表达式见式(8)。

GCad=0.414×TOC+0.258

(8)

式中：GCad为吸附气含气量，m3/t；TOC为总有机碳含量，%。

3.3.2 游离气

游离气是以自由气体形态存在于页岩裂隙和基质孔隙中的天然气，可以自由运移。页岩气中的游离气与常规储层中的天然在富集，储存规律等方面相似，主控因素为有效孔隙度与含气饱和度[18-19]，页岩含气量与页岩有效孔隙度、含气饱和度成正比，与页岩地层密度成反比，构建游离气计算模型，表达式见式(9)。

(9)

式中：GCf为游离气含气量，cm3/g；Bg为游离气体积系数，为0.0216；φ为有效孔隙度，%；Sw为含水饱和度，%；ρ为页岩气储层密度，g/cm3。

3.3.3 含气量

以吸附气与游离气计算结果为基础，含气量为同一深度的吸附气与游离气之和。

3.4 骨架矿物组分模型

骨架矿物组分决定着页岩脆性和硬度，而页岩气开发主要采用大型水力压裂，因此骨架矿物含量对页岩气的开采具有重要意义[20]。同时，骨架矿物含量在一定程度上影响着储层渗透率与含气性。XRD全岩分析表明研究区内的页岩的骨架矿物主要为石英、方解石、长石，黄铁矿作为一种特殊矿物，在骨架矿物含量的计算中不可或缺。

3.4.1 黏土矿物含量

黏土矿物含量是计算骨架矿物含量的先决条件，影响着骨架矿物含量计算准确性。有机质会影响到黏土矿物含量的计算结果，而去铀伽玛曲线能够有效消除有机质影响，是计算研究区内黏土矿物含量的最佳方法，如式(10)～(11)所示。

(10)

(11)

式中：SH为去铀伽玛相对值；KTH、KTHmin、KTHmax为分别为地层、灰岩地层以及黏土矿物对应的去铀伽玛，API。

3.4.2 骨架矿物含量

以矿物的岩石物理性质为基础，测井曲线值是孔隙流体、黏土矿物、骨架矿物、有机质的“贡献”之和[21-22]。考虑到不同矿物对应的测井曲线响应特征，选择自然伽玛(GR)、声波时差(AC)、补偿密度(RHOB)、中子孔隙度(NPHI)和光电吸收系数(U)为输入参数，建立页岩储层的体积模型所，见式(12)。

(12)

式中：GR为自然伽马，API；NPHI为中子孔隙度，%；RHOB为补偿密度，g/cm3；AC为声波时差，μs/m；U为光电吸收系数，B/C3；Por为孔隙度，%；Vsh为泥质含量，%；VToc为总有机碳含量，%；Vqt为石英含量，%；Vcal为方解石含量，%；Vab为长石含量，%；Vpy为黄铁矿含量，%；Xf为流体的X测井曲线响应值；Xsh为泥岩的X测井曲线响应值；XToc为有机碳的X测井曲线响应值；Xqt为石英的X测井曲线响应值；Xcal为方解石的X测井曲线响应值；Xab为长石的X测井曲线响应值；Xpy为黄铁矿的X测井曲线响应值。

通过联立方程式，利用最优化技术，计算出石英、白云岩、长石及黄铁矿等骨架矿物含量。

4 储层评价结果

以建立的页岩气储层评价模型对加拿大西加盆地研究区内的页岩储层进行评价，图4为加拿大西加盆地研究区内的BB井页岩气储层评价结果。基于页岩气储层评价模型计算出研究区的页岩气储层孔隙度为3.62%；渗透率为0.293×10-3μm2；含水饱和度为7.66%，总有机碳含量为3.62%；吸附气含气量为1.59 cm3/g；游离气含气量为0.10 cm3/g；石英含量为30.31；方解石含量为23.52%；钾长石含量为8.59%；黄铁矿含量为5.51%。黏土矿物含量为25.41%。

图4中的孔隙度、渗透率、总有机碳含量实验室测定结果与测井计算结果在趋势和数值上具有很好的吻合性，表明加拿大西加盆地研究区内页岩气储层评价结果的准确性，同时也说明了上述的评价模型能够满足页岩气储层的测井评价要求，可以为后续的开发工作奠定基础。

5 结 论

1) 页岩气储层属于低价孔低渗的非常规储层，在储层评价参数和方法上与常规储层差异较大。基于页岩气储层特征、取芯分析以及常规测井资料建立页岩气储层测井评价体系。

2) 形成基于页岩气储层的测井响应特征，分别建立页岩气储层的基于取芯分析建立的储层参数模性，主要的参数包括有效孔隙度、渗透率、含气饱和度、总有机碳含量、吸附气含气量、游离气含气量，以及骨架矿物石英、方解石、长石、黄铁矿含量。

图4 加拿大西加盆地BB井页岩气储层评价结果

3) 由于常规测井资料及其精度的限制，骨架矿物的计算结果不够理想。在未来的骨架评价模型中，可以考虑采用非常规测井资料(ECS、成像资料等)，同时考虑开展具有针对性的物理实验以提高评价模型的精度。

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