页岩气田储层含气性测井评价<br/>——以四川盆地涪陵页岩气田J区块为例

页岩气田储层含气性测井评价
——以四川盆地涪陵页岩气田J区块为例

2021-06-08张梦吟

石油实验地质 2021年1期

柳筠，张梦吟

(中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，武汉 430023)

非常规页岩气藏是自生自储型气藏，含气性是页岩气藏地质评价工作的重点指标之一，对评估页岩气区块的工业开采价值具有重要作用。四川盆地涪陵页岩气田上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组发育富有机质页岩储层，其形成时间老，热演化程度高，开发潜力良好。

页岩储层含气性影响因素复杂，国内外学者用于评价页岩含气性的指标繁多，且多从储层地质特征或测试参数等方面进行研究[1-6]，目前尚未有一套完善的、并基于测井信息的含气性综合评价体系[7-8]。涪陵页岩气田开发井主要是水平钻井，但以现有实验仪器及分析手段无法在水平井中进行页岩含气性分析化验等相关工作。如何在大段的穿行目的层中基于测井信息对页岩气储层含气性进行较为准确的评价，并提供可压裂的页岩气优质储层段，还需要进行深入的探讨和研究。

本文以涪陵页岩气田J区块页岩储层为例，结合该区储层地质、测井、岩心分析资料，开展含气储层定性识别以及含气性参数测井定量预测研究；分析并遴选储层含气性测井影响参数，进而运用灰色关联法计算不同影响因素的权重，进行储层测井含气性综合评价研究，同时参考前人的研究成果，建立了工区内测井含气性分类标准，以期为该区页岩气的开发提供有效的技术支撑。

1 研究区概况

1.1 页岩储层特征

涪陵页岩气田J区块隶属于川东褶皱带万县复向斜东南部，地表属于低山、丘陵、河流地貌，整体上构造由北向南逐渐复杂。工区内各时代地层发育齐全，其中五峰组—龙马溪组一段为涪陵页岩气田页岩气勘探的主要目的层段，发育有大套的富碳、富硅、富页理、富笔石、富黄铁矿的黑色页岩[9-10]。

对J区块页岩气层段五峰组—龙马溪组一段进行了岩心分析实验(图1)，其中，岩石组分具有脆性矿物含量高、黏土含量低、分布较稳定等特点。页岩储层段脆性矿物总平均含量为61.1%，以硅质矿物为主，黏土矿物总平均含量约为36.6%，主要成分为伊蒙混层和伊利石；有机碳含量为0.4%～6.62%，平均2.43%，经换算后的等效镜质体反射率平均为2.55%，表明目的层段页岩储层烃源岩品质较好。岩心孔隙度较好，纵向上呈“高—低—高”特征，其值为1.50%～8.38%，平均3.54%。综合显示J区块具备良好的储层品质。

图1 四川盆地涪陵页岩气田J区块焦页A井目的层段综合特征

1.2 储层测井响应特征

由J区块现场测录井、地质及全岩资料可知，五峰组—龙马溪组龙一段为目的层段，龙一段又可细分为3个亚段。五峰组—龙一段一亚段为主力含气页岩段，其岩性为富碳高硅页岩，硅质以自生为主；龙一段二亚段发育含碳质粉砂质页岩，硅质成分以粉砂质为主；龙一段三亚段岩性主要为碳质页岩。常规测井曲线显示，五峰组—龙一段一亚段声波时差及自然伽马曲线呈高值特征；深浅侧向电阻率为中到高值，电阻率曲线整体形态呈平滑的漏斗形或箱形，而局部由于地层中含有黄铁矿使得电阻率曲线有楔形下降形态；中子孔隙度值有所降低，同时密度曲线呈现低值特征(普遍低于2.58 g/cm3)，说明储层具备明显的气层特征，是聚集页岩气的优质层段。

2 页岩储层测井含气性评价

2.1 含气页岩储层定性识别方法

涪陵页岩气田J区块含气页岩段测井曲线具备明显的响应特征，因此通过不同测井曲线的组合可以识别页岩储集段和优质含气页岩段。

2.1.1 密度—中子叠合法

在含气储层中天然气的密度远低于油、水的密度，气体部分会造成含氢指数降低，储层因此往往存在“挖掘效应”。基于这种岩石物理基础，在测井曲线上(图1)将中子孔隙度和密度孔隙度测井曲线进行相反方向的刻度，即从左至右中子减小、密度增大，当应用于气层时，测井曲线间充填图形表现为密度向右包络中子的图形。

2.1.2 自然伽马—去铀伽马叠合法

涪陵页岩气田页岩储集层中有机质含量高，有机质能吸附高放射性元素铀，自然伽马曲线测井值整体呈现出高—极高值。除局部段外，自然伽马主要集中在100～200 API，无铀伽马值主要集中在60～140 API。因此采用自然伽马能谱测井的去铀自然伽马和自然伽马曲线对比，根据两者之间的差值能快速识别出页岩储层，2条曲线间的包络面积越大，反映有机质含量(高含铀)越高，指示相对较好的储层(图1)。

2.1.3 钍—铀比值法

利用钍—铀比值法可以识别沉积环境及富集带。通常在强水动力(高能)环境下，钍含量相对较高，铀、钾含量相对较低；在弱水动力(低能)环境下则反之。此外，氧化还原环境也影响铀含量值，比如在还原条件下，有机质及铀的含量高；而钾含量与黏土含量紧密相关[11]。从图2可知，在目的层上部，钍/铀比值分布在2～7，为海相氧化还原过渡带，是页岩气较富集带；在目的层下部，钍/铀比值整体小于2，为海相还原环境，同时自然电位响应特征出现较明显异常，为页岩气富集带。

图2 四川盆地涪陵页岩气田J区块直井连井图

2.2 含气性参数定量表征模型

孔隙和裂缝是页岩气的主要储集空间，通常情况下页岩气有3种方式赋存于页岩储层，其中吸附气赋存于岩石颗粒及有机质表面，游离气以游离状态赋存于孔隙及裂缝之中[12]，此外由于泥页岩中溶解气量所占比例极低，故计算页岩气总含气量时可不考虑溶解气含量。含气性的定量表征应重点计算4个参数：吸附气含量、游离气含量、含气(水)饱和度和孔隙度[13]。

2.2.1 吸附气含量

页岩的吸附能力对页岩的总含气量、页岩气采收率以及开采价值的评价有着重要影响。通常情况下，可以通过兰格缪耳等温吸附实验获得地层最大的吸附气含量[14]。目前，涪陵页岩气田J区块系统开展等温吸附实验的温度为85 ℃，该温度接近页岩气藏的平均温度。因此，可以建立该实验温度下测定的吸附气含量与岩心总有机碳的关系式。但在实验室条件下，岩石黏土表面对气体存在一定的吸附能力，且实际的页岩气藏黏土表面被束缚水占据，降低了储层对气体的吸附能力，因此要开展烘干样品与平衡水样品的吸附气校正研究。建立校正关系式如下。

Gw=1.01Gdry-0.32

式中：Gw、Gdry分别为页岩平衡水样品和烘干样品吸附气含量，m3/t。

基于校正后的吸附气含量，可建立其与有机碳的关系式：

Gad=0.77w(TOC)+0.08

式中：Gad为页岩吸附气含量，m3/t；w(TOC)为总有机碳含量，%。

2.2.2 游离气含量

游离气含量除了容易受到储层的地层压力、温度影响外，含水(气)饱和度以及孔隙度也会影响游离气的计算。采用LEWIS等提出的页岩游离气含量经验公式[15-16]，即在得到页岩储层含水饱和度及孔隙度后，再将地层条件下的含气量换算到地表，即可得到J区块页岩游离气含气量。计算后的吸附气和游离气含量之和即可近似等于总含气量。具体换算公式如下：

GT=Gad+Gfree

式中：Gfree为计算的游离气含量，m3/t；Bg为气体体积系数，常数无量纲，具体取值以J工区实际测算值为准；φ为计算页岩储层孔隙度，%；Sw为计算页岩地层含水饱和度，%；ρb为地层岩石密度，g/cm3；GT为计算的总含气量，m3/t。

要提高含气量解释可靠性，关键是要计算相对准确的含水饱和度和孔隙度。

2.2.3 含水饱和度

涪陵页岩气田储层具有较强的非均质性，且发育有微裂缝及黄铁矿。现场在钻井过程中，地层受到钻井液侵入影响，电阻率曲线会出现明显的低阻现象[17-18]。在页岩储层中，页岩饱和度指数难以测量，地层水电阻率亦难以求准，因此传统阿尔奇公式不适用于非常规页岩储层。通过将测井曲线信息与岩心实测分析资料进行相关性分析得知，基于密度、中子曲线可以与实测含水饱和度建立相应的解释模型，公式如下：

Sw=112.015ρb+0.035NPHI-249.418

Sg=100-Sw

式中：NPHI为中子测井值，%；Sg为计算含气饱和度值，%。

2.2.4 孔隙度

涪陵页岩气田J区块页岩地层矿物成分复杂，孔隙度模型已经不能像砂岩、碳酸盐岩等地层，直接采用体积模型进行孔隙度计算。根据岩石物理特征和测井响应特征分析，认为在该区块孔隙度与声波时差、中子等测井曲线具有一定的相关性。建立模型如下：

φ=0.156AC+0.093NPHI+1.906

式中：AC为声波时差测井值，μs/ft。

测井定量计算的含气性参数结果与岩心分析实测值吻合度较高，平均误差较小，说明计算模型适用于该区块。

3 页岩储层含气性测井综合评价

在常规油气藏储层含气性评价研究中，通常建立以储层孔隙度、渗透率等物性参数为依据的分类标准，而页岩气储层致密、发育有微裂缝，储层产能通常与储层原生品质和压裂缝网的沟通程度有关，故需要针对页岩气的特点建立相应的含气性测井综合评价方法[19]。

3.1 含气性测井影响参数优选

基于J区块70口水平井测井综合解释成果，确定归一化无阻流量为反映页岩含气性的比较参数序列，结合现场工程、试气等资料，进行多参数对比，建立多种交会图版并分析各相关系数，以此优选影响含气性测井评价的参数[20]。

涪陵页岩气田页岩气开发为分层系开发，J区块已试气井穿行层位主要以下部气层为主。因此，为了尽量消除不同小层地质条件差异的影响，本次研究选取地质条件相近、主要穿行主力含气层的开发井数据来开展研究。

通过各参数交会图(图3)分析可知，各参数与归一化无阻流量均有一定的相关性。以无阻流量作为母序列，其他参数作为子序列，通过分析各参数与无阻流量相关性的高低，以该区域经验系数值0.55为门阀值，从中选取相关性相对较高的5个参数，即有机碳含量、含气饱和度、孔隙度、埋深、硅质含量作为影响含气性评价的参数，其相关系数分别为0.74，0.62，0.61，0.61，0.60；而相关性较弱的电阻率、全烃、压力系数为次要参数，相关系数分别为0.44，0.40，0.16。其中，优选的影响参数中，正相关指标为有机碳含量、孔隙度、含气饱和度、硅质含量，负相关指标为埋深。

图3 四川盆地涪陵页岩气田J区块各参数与无阻流量交会图

3.2 构建含气性测井评价指数

研究发现，采用单一因素来评价含气性常常会出现不同的结果。如采用有机碳含量来评价有效储层，评价结果为Ⅰ类，而换用孔隙度来评价该储层的结果可能仅为Ⅱ类。在J地区，为避免因采用单因素评价含气性过程中造成评价结果不唯一、多种结果交叉影响的情况，建立了基于多个参数的含气性测井评价指数(Gas-bearing Quality)，公式如下：

式中：GQ为储层含气性测井评价指数；Ri为归一化含气性评价参数；Wi为归一化权重系数。

权重系数是针对各个具体评价因素而言、在计算权重时的一个相对概念，它反映出各评价因素在总体系统评价中所占的比例系数。确定权重系数的方法较多，在J区块储层含气性测井综合评价研究过程中，利用灰色关联分析法[21]来求取各评价参数的权重系数。前人已在常规砂岩、煤层气储层评价中采用灰色关联法，深入挖掘各参数的影响程度，并由此进行综合评价，取得了很好的应用效果。

首先，由于不同参数的数值差异大，单位也不一样，因此需要对各参数进行数据归一标准化，使得各项参数具有可比性。以归一化无阻流量作为母序列，含气性敏感参数为子序列，对子序列参数采用极值法，使每项评价参数在0～1之间。其中，对正向指标有机碳含量、孔隙度、含气饱和度、硅质含量采取极小值法进行归一化，对负向指标埋深采用极大值法进行归一化。换算公式如下：

式中：Rij、Rik分别为经极小值、极大值法归一化后的各子参数序列，无量纲；A、B为原始子参数序列，无量纲；Amin、Bmin和Amax、Bmax分别为原始子参数序列的最小值和最大值，无量纲。

其次，利用灰色关联分析法的经典公式，求取数值归一化后的各子序列与母序列间的关联系数、关联度，计算公式如下：

式中：δoi为归一化后的各子序列与母序列间的关联系数，无量纲；σ为分辨系数，常数，通常取值0.5；Δmin、Δmax分别为两级最小差值和两级最大差值，无量纲；Δoi(x)为归一化后的同一点上各子序列与对应母序列之间的绝对差值，无量纲；ri为各子序列参数的关联度，无量纲；δi(x)为子序列上各点对应的关联系数，无量纲；N为子序列上参与比较的点的个数。其中，子序列与母序列之间的关联度越接近1，表明该子因素对母因素的影响越大[22]。

将计算出的关联系数、关联度代入下式：

式中：Wi为归一化权重系数；ri为各子序列参数的关联度，在本式中，共选取了5个子参数序列，因此N=5，即可得到权重系数Wi(表1)。

表1 各项参数权重系数

最后，将计算出的各参数权重系数代入GQ的计算公式，即可得到含气性测井评价指数GQ的具体计算公式，即：GQ= 0.22×归一化后有机碳含量+0.18×归一化后孔隙度+0.22×归一化后含气饱和度+0.19×归一化后硅质含量+0.19×归一化后埋深，由此可以计算出J区块70口水平井的GQ值。

根据页岩含气性综合评价指标GQ以及各数值的分布区间，可做出涪陵页岩气田J区块页岩储层含气性测井综合评价指数值的概率累计分布曲线(图4)。从图4可以看出，曲线存在拐点即表明最大变化点，说明不同水平井的含气性存在差异。由此可以根据曲线区域分界值(0.37和0.57)，对含气性的等级分类进行划分，即Ⅰ类含气储层GQ≥0.57，Ⅱ类含气储层0.37

图4 含气性综合评价指数概率累积曲线

基于该分类阈值，将J区块51口已进行产能测试井的最高测试产量值投在交会图版上(图5)，分析可知共有47口井最高测试产量投射在3种分类阈值区间里，符合率达到92.2%，说明用基于测井资料建立的GQ指数来评价储层含气性是可靠、有效的。

图5 含气性综合评价指数与最高测试产量交会图

3.3 建立含气性测井综合评价标准

将J区块51口已测试的井按产量高低分为3类，即高产能区、中等产能区和低产能区[23-24]，并绘制不同产能分类下的各测井参数与含气性测井综合评价指数GQ的交会图版(图6)。基于含气性测井综合评价指数GQ，结合该区实际地质情况，建立区域内以GQ、有机碳含量、孔隙度、硅质含量为主的储层含气性测井评价分类标准(表2)。

图6 四川盆地涪陵页岩气田J区块测井参数与含气性测井综合评价指数交会图

表2 四川盆地涪陵页岩气田J区块含气性测井综合评价标准

3.4 应用分析

(1)以J区块北部焦页X-5HF井为例。该井气层中深为2 753.2 m，水平段各参数测井解释平均值如下：孔隙度为4.72%，有机碳含量为4.7%，硅质含量为61.67%，含气饱和度为67.62%。将上述评价参数归一化无量纲化处理后得到：埋深0.93，孔隙度0.64，有机碳0.99，硅质0.83，含气饱和度0.99。利用含气性综合评价指数计算，GQ=0.19×0.93+0.18×0.64+0.22×0.99+0.19×0.83+0.22×0.99=0.88，含气性综合评价为Ⅰ类。该井试气后最高测试产量为62.9×104m3/d，归一化无阻流量为90.7×104m3/d，评价为高产能井，证实含气性评价结果与实际试气结果吻合。

(2)以J区块南部焦页Y-1HF井为例。该井气层中深为3 484 m，水平段各参数测井解释平均值如下：孔隙度为4.45%，有机碳含量为3.9%，硅质含量为57.75%，含气饱和度为64.79%，将上述评价参数归一化无量纲化处理后得到：埋深0.5，孔隙度0.59，有机碳0.57，硅质0.38，含气饱和度0.46。利用含气性综合评价指标计算，GQ=0.19×0.5+0.18×0.59+0.22×0.57+0.19×0.38+0.22×0.46=0.5，含气性综合评价为Ⅱ类。该井试气后最高测试产量为12.3×104m3/d，归一化无阻流量为17.2×104m3/d，评价为中等产能井，证实含气性评价结果与实际试气结果吻合。