页岩气储层测井解释评价技术方法分析*

2019-01-21李松臣李兆惠

陕西煤炭 2019年1期

李松臣，位蕊，李兆惠

(河南省煤炭地质勘察研究总院，河南郑州 450000)

0 引言

随着经济快速发展，能源需求量逐渐增大，解决能源供应问题迫在眉睫。由于常规油气资源慢慢地消耗殆尽，非常规天然气资源越来越受到各国政府及行业内专家学者的重视。其中页岩气也是现阶段非常规天然气资源中备受瞩目的一个热点话题。

页岩气是指主体储存于暗色泥岩页岩或高碳泥页岩或夹有条带粉砂岩的页岩中，以吸附态、游离态以及溶解态形式聚集，其物性特征为低孔低渗，烃源岩储层特征为自生自储型。页岩气勘探开发始于北美，而其页岩气资源勘探早已进入商业化开采阶段［1］。目前，我国页岩气资源勘探开发仍处于初级阶段，2009年以来，国内外不同机构对中国页岩气资源潜力做了大量预测，结果表明中国页岩气地质资源量为(83．3～134．4) ×1012m3，技术可采资源量为(10．0 ～36．1) ×1012m3［2］。

因此，我国页岩气丰富的资源储量是缓解油气对外依存度以及保障国家能源安全伴有举足轻重的作用［3］。而测井方法作为当前页岩气储层评价重要技术之一，能定性识别页岩岩性、物性，获取总有机碳含量、含气量和岩石力学参数等关键评价指标，为页岩气工业化开采提供有效帮助。

1 页岩气储层特征和评价要点

1．1 页岩气储层地质特征

目前，中国南方古生界页岩的特点与美国北部页岩最接近，代表性的特点包括厚度，高含碳量和富含石英。研究表明，四川盆地、鄂尔多斯盆地、中下扬子地区、华北盆地的页岩气成藏条件最好，准噶尔盆地、松辽盆地和吐哈盆地较好，柴达木盆地和辽河盆地地质条件较差［4］。四川盆地页岩气主要储层在笻竹寺组、龙马溪组以及二叠系，为海相沉积，泥页岩有机质厚度一般在90～304 m之间，总有机碳含量(TOC)约为3．0% ～4．0%，镜质体反射率(Ro)为2．5% ～3．2%，粘土矿物含量较低。扬子地台区页岩气主要储层在下寒武统和下志留统，也为海相沉积，泥页岩有机质厚度一般在152～304 m之间，总有机碳含量(TOC)约为3．0% ～3．2%，镜质体反射率(Ro)为2．9% ～3．2%，粘土矿物含量较低。准格尔盆地区页岩气储层主要位于平地泉组和三叠系，为陆相沉积，泥页岩有机质厚度一般在250 m左右，总有机碳含量(TOC)约为4．0% ～5%，镜质体反射率(Ro)约为0．85%，粘土矿物含量中等(据EIA，2013)。

1．2 页岩气储层测井响应特征

页岩气储层测井响应特征主要表现为“四高三低一扩”的特征，见表1。

1．3 页岩气储层评价要点

页岩气储层的评价要点主要包括页岩岩性识别、页岩矿物组分含量计算。其中矿物组分主要分为粘土矿物含量和脆性矿物含量;物性(孔隙度和渗透率)参数计算;地化参数含量计算，其中地化参数主要包括总有机碳含量(TOC)、镜质体反射率(Ro)以及热成熟度(MI);页岩含气量即吸附气、游离气与溶解气之和，由于溶解气的含量很少，一般在计算页岩气含气量的过程中可忽略不计;力学参数的计算等。

表1 页岩气储层测井响应特征［5-6］

2 页岩气储层测井评价方法

2．1 矿物含量计算方法

目前，矿物含量计算常用计算方法有“三孔隙度”法、自然伽马能谱测井法以及元素俘获能谱测井法统计回归分析法，见表2。

表2 页岩主要矿物成分含量的一般计算方法［7-12］

2．2 地化参数含量计算

总有机碳(TOC)含量计算:页岩气储层中总有机碳又称剩余有机碳，指岩石中残留的或剩余的有机碳含量。常用于计算TOC方法有电阻率与孔隙度重叠法，放射性铀元素含量与总有机碳含量关系回归法，三孔隙度曲线计算方法［13］。3种方法的计算结果对比如图1所示，优缺点见表3。由于不同区域页岩气储层地质特征各不相同，因此在计算页岩总有机碳含量时需综合考虑研究区页岩特征以及现有测井资料来优选最合理计算方法进行计算。

图1 X井总有机碳含量的计算结果与岩心分析对比图(据杨小兵等)

表3 页岩总有机碳(TOC)含量一般计算方法

镜质体反射率(Ro)计算:Ro随热演化程度的加深而变化明显，并且它随着埋藏深度的增加而增加，因此通常可以通过大量的干酪根分析化验数值与其对应的深度建立回归关系，得出Ro与深度的回归方程。此外，利用中子－密度重合法也能指示镜质体反射率的大小［14］。

热成熟度:热成熟度指数(MI)为气源岩生烃潜力的重要指标，在热成因页岩储层中，当页岩中TOC达到一定指标后，有机质的成熟度则成为页岩气源岩生烃潜力的重要预测指标，含气页岩的成熟度越高表明页岩生气量越大。莫修文(2011)指出，指示岩样成熟度的指标有很多种，如镜质体反射率Ro、基于显微镜测量的孢子颜色热变指数(TAI)、热解温度Tmax和牙形石色变指数(CAI)。事实上，其它指数通常与镜质体反射率Ro值有一定的相关性［15］。Hank Zhao等(2007)用中子、密度和电阻率等测井资料定义了一个热成熟度指数计算公式，此公式一直沿用至今［16］。

2．3 物性参数评价

孔隙度计算:孔隙度是计算游离气含量的重要参数之一，由于含气页岩中含有一定的有机质，有机质的性质接近流体并占据着矿物骨架体积，因而可以将传统的三孔隙度算进行修正求取储层孔隙度;由于页岩气的矿物组分复杂以及孔隙度非常小，传统的测井方法要准确地计算孔隙度比较困难。目前，页岩气地层储集参数的解释，主要还是利用传统的三孔隙度测井与电阻率测井的组合法;ECS俘获测井的出现使页岩气孔隙度的计算得到了新的发展，Michael等(2002)通过岩心实验分析数据和ECS测井的测量数据，得到了骨架密度值、中子值和地层元素含量之间的关系模型。LeCompte等(2010)用核磁共振测井(NMR)计算页岩气储层孔度，与岩心数据非常一致［17-18］。

渗透率计算:Ross等(2008)利用了测井资料结合岩心资料计算了加拿大西部沉积盆地泥盆系－密西西比亚系页岩储层总孔隙度、渗透率，研究了孔隙度与渗透率之间的相关性;Fatuk Civan(2011)提出含气页岩层可被认为是致密介质组成的，其渗透率K计算可由标准哈根－泊肃叶公式得出(Beskok、Karniadakis，1999;Civan，2010)［19］;页岩气储层的渗透率极低，常规的测井评价方法和实验方法难以进行页岩气储层渗透率的研究，张晋言、孙建孟等(2012)根据斯伦贝谢ELANPLUS中使用的HERRON形式，提出一种简单有效的页岩气渗透率计算方法［20］。

2．4 页岩含气量计算

吸附气含量计算:吸附气含量的获取主要利用现场解吸法、等温吸附法和测井解释法，唐颖等对解吸法进行了改进(唐颖等，2011)。等温吸附法是通过页岩样品的等温吸附实验来模拟样品的吸附过程以获取页岩的最大饱和吸附气含量。Lewis等(2004)提出利用温度、压力、TOC校正后的兰格缪尔等温吸附曲线计算吸附气含量。

式中:Vlt—储层温度下兰格缪尔体积，ft3/t;Plt—储层温度下兰格缪尔压力，psi(1 psi=6 894.757 Pa);c3取 0．002 7;c7取 0．005;c4和c8—过渡变量;T—储层温度，℃;Ti—等温吸附温度，℃;Vlc—TOC校正的储层温度下兰格缪尔体积;TOCiso—等温线上总有机质质量百分比，%;TOClg—测井得到的总有机质质量百分比，%;gc—吸附气量，ft3/t;P1—兰格缪尔压力，即1/2兰格缪尔体积所对应的压力，psi;V1—位兰格缪尔体积，即无限大压力下的气体体积，ft3/t。

泥页岩吸附气体计算模型:Kim等提出的通过煤层工业分析组分和等温吸附理论计算煤层含气量的公式成为KIM方程(Kim，1997)，孙建孟基于KIM方程建立了泥页岩吸附气体计算模型(孙建孟，2013)，见式(1)。

式中:V—吸附气量，cm3/g;p—压力，MPa;T—温度，℃;TOC—总有机碳质量，g;M—水分质量百分数;k、n—模型系数，与孔隙度和成熟度指标有关;a—水分对页岩吸附的影响系数，通过实验求取;B—温度常数，通过变等温吸附实验获取，缺省值为0．023 4。

游离气含量:游离气也叫自由气，是泥页岩评价中的重要参数。游离气含量与储层的孔隙度、含气饱和度、密度、碳酸盐含量、温度和压力有关。通过多元参数拟合或利用公式(2)计算。

式中:Gf—游离气量，m3/t;P1—地面状态下压力，Pa;P2—地下某深度处的静水压力，Pa;m岩—岩石质量，t，一般取 1 t;ρ岩—地层体积密度，t/m3;T1、T2—常温(20℃)和地下某深度处对应的热力学温度，K;Фe—有效孔隙度，%;Sw—地层含水饱和度，%。

存在液态烃时的处理:如果页岩气储层中存在液态烃，需先获取气油比，再求取游离气含量。Hank Zhao等研究了Barnett页岩气的测井资料和有机质成熟度，定义了成熟度指数(MI)，MI和气油比(GOR)具有很好的相关性(Zhao et al．，2007)，可用于页岩气储层含气量的计算。

2．5 岩石力学参数计算

岩石力学参数主要包括弹性参数与强度参数，而弹性参数又分为泊松比、杨氏模量、体积模量和剪切模量，强度参数包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。可以利用密度、纵波时差及横波时差资料确定岩石的弹性参数。岩石强度参数一般采用实验方法测得，但由于实验测试成本较高，大多采用经验公式。Miller和Deere(1996年)在实验基础上建立的岩石单轴抗压强度与岩石弹性模量、粘土含量的统计关系式应用最为广泛。