优质页岩气储层测井特征分析

2022-06-23蒋夏妮龚劲松

油气藏评价与开发 2022年3期

马林，蒋夏妮，龚劲松

（1.中国石化华东石油工程有限公司测井分公司，江苏扬州 225007；2.中国石化华东石油技师学院，江苏扬州 225129）

富有机质页岩测井响应特征与普通泥页岩差异明显，测井可以获取大量岩石物理信息，因而在页岩气储层评价中具有重要作用。石文睿等[1]利用回归法确定焦石坝地区页岩岩性、物性和地化等储层地质参数计算方法。刘双莲[2]针对页岩页理对测井响应及岩石力学参数影响进行了分析研究。颜磊[3]系统阐述了川南海相页岩气测井综合评价技术。夏宏泉等[4]利用测井多参数两向量法识别页岩气地质“甜点”。徐春露等[5]在考虑孔隙度、有机质含量和有效应力对声波速度影响的基础上，提出了一套基于声波速度模型的页岩气孔隙压力预测方法。王濡岳等[6]通过选取富有机质页岩响应敏感的测井曲线叠合与交会分析进行优质页岩储层识别。王玉满等[7]研究了有机质炭化与电阻率响应特征之间的关系。赫志兵[8]总结了有效烃源岩测井识别与评价方法。陈亚秋等[9]开展深层页岩气勘探开发指标分析研究。冷玥等[10]对页岩气储层测井评价技术研究与应用现状进行了总结分析，张庆国等[11]开展了基于地化参数的页岩储层孔隙度解释模型研究，以上研究均对深层页岩气勘探开发具有借鉴作用。

现有测井评价方法能够进行页岩储层参数定量综合评价，但由于页岩矿物组分复杂以及吸附和游离状态共存的含气性、低孔低渗的储层特征，再加上现有测井仪器测量精度、实验分析技术和现场测试的局限性，造成利用测井进行页岩骨架参数确定和含气性、物性和矿物组分精确评价仍存在一定难度。

以川东南海相页岩气井测井资料为基础，结合实验分析数据以及试气等资料，通过开展页岩储层矿物组分、地化参数、物性参数、含气量和地层压力等关键参数与测井信息的相关性分析，提取最能够反映优质高产页岩的测井元素，围绕以有机质成熟度为核心的地质参数和以地层压力为核心的工程参数，形成一套优质高产页岩测井判别流程。伽马能谱、补偿中子和补偿密度等放射性测井系列可准确识别高有机质丰度、高孔隙度和高脆性矿物层段，电性特征是有机质演化特性最可靠的指示，可以确定储层品质和地质“甜点”。偶极声波和电成像特殊测井可评价页岩储层在演化过程中成岩和构造运动后储层应力状态及裂缝发育特征，是储层保存条件和地层压力的指示，进而反映了页岩工程“甜点”和产能，为页岩气井钻完井方案决策和气藏资源潜力评估提供科学依据。

1 基于放射性测井的优质页岩划分与识别技术

川东南地区页岩实验分析和产气剖面测试结果都显示页岩高产气层段主要分布在有机质含量高、孔隙度大、脆性矿物含量高以及含气量高的层段，这些层段在测井曲线上表现为高自然伽马、高声波时差、高电阻率、高铀含量以及相对低密度、低中子和低无铀伽马“四高三低”的测井响应特征，利用测井曲线交会图（图1）和曲线重叠方法（图2）能够准确地进行优质页岩气层段测井识别。结果显示龙马溪—五峰组页岩从上至下，中子、密度曲线数值均呈由高渐低的变化，至底部含气性好的优质页岩段低密度、低中子曲线具有明显的幅差。伽马能谱测井显示普通泥岩钍铀比大于3，一般页岩钍铀比为2～3，优质页岩钍铀比小于1。页岩段产气剖面测试结果显示：总有机碳含量（TOC）高、含气量高、脆性矿物含量高和孔渗条件好的优质页岩是主要产气贡献段，是页岩气开发的“甜点”，利用测井技术获取页岩气资源和地质“甜点”分布状况，有利于全面发挥地质导向在页岩气钻井中的技术优势[12-14]。通过岩心标定测井，将测井计算的脆性矿物含量、孔隙度和TOC进行归一化，将3 个有利因素累加，构成页岩“甜点”的定量指标，即“甜点”指数。图2 中第9 道为“甜点”的定量参数，数值高处即为测量段内的地质甜点位置。

图1 川东地区五峰组—龙马溪组测井曲线交会图Fig.1 Crossplot of logging curves of Wufeng-Longmaxi Formation in eastern Sichuan

图2 优质页岩层测井曲线重叠识别Fig.2 Log overlap identification of high-quality shale formation

2 基于电性测井的优质页岩识别技术

2.1 基于储层电阻率特征的页岩品质识别

谢小国等[15]探讨了电阻率与有机质关系，影响页岩导电性的因素包括有机质演化程度、地层束缚水、黄铁矿和页岩层理缝等。有机质是电的不良导体，富含有机质的页岩常表现为高电阻率特征。但当演化程度达到一定阶段时，电阻率反而出现降低的趋势。其原因在于有机质的存在，一方面会增加阳离子交换量及有效表面积，另一方面，还会影响岩样的孔隙结构，进而影响岩样的导电性质；另外受地质综合因素影响，高成熟度有机质炭化，内部结构发生变化，最后变成导电能力强的石墨使得地层电阻率低[16-17]，导致过成熟有机物含量越高，页岩电阻率反而越低，如W1和C1井（图3）。综合说明影响页岩电阻率因素虽多，但有机质的存在是影响电性特征的主要因素，是页岩含气性的综合反映。

图3 电阻率与镜质体反射率、有机碳、含气量和产气量交会图Fig.3 Cross plot of resistivity and vitrinite reflectance,organic carbon,gas content and gas production

结合页岩气井含气性和产气测试资料，利用电性特征可将页岩划分3类：Ⅰ类低阻（小于10 Ω·m），低含气量和产气量，有机质过成熟，含气性和产气性均差；Ⅱ类中高电阻（10～200 Ω·m），有机质处于生气和产气有利阶段，含气性和产气性较好；Ⅲ类高或特高电阻（大于200 Ω·m），储层偏致密，孔渗性差，不利开采。

2.2 基于电阻率重构法的页岩品质识别

为研究有机质对电阻率的影响，通过上部普通泥岩段电阻率曲线与三孔隙度和伽马曲线相关性分析，重构富有机质页岩段电阻率值（图4），通过实测电阻率与重构电阻率对比，进而间接反映有机质的赋存对页岩导电性的影响。11 口井统计结果显示，优质页岩的实测电阻率与重构电阻率比值分布在1～3，大于3 意味着有机质过了最佳生气和产气阶段，如R1、L2和L3井，岩心现场解析含气量和测试产量均相对较差。

图4 彭水地区L2井实测电阻率与重构电阻率对比Fig.4 Comparison of measured resistivity and reconstructed resistivity in Well-L2 of Pengshui area

2.3 基于页岩与顶板普通泥岩电阻率比值法的页岩品质识别

通过制作同区块富有机质页岩与普通泥岩电阻率比与密度交会图（图5），储层模式可分为两类：第一类是与顶板普通泥岩相比，页岩层电阻率随密度减小变化不大且数值比泥岩略高，这类密度小、TOC高的页岩气储层具有较好的产气性（L1 井）；第二类是与顶板普通泥岩相比，页岩层电阻率随密度减小而降低，且低密度、高TOC层段电阻率值明显低于普通泥岩，这类页岩储层自然产气性就相对较差（L2、L3井）。

图5 富有机质页岩与泥岩电阻率比与密度交会图Fig.5 Cross plot of resistivity ratio and density of shale with rich organic matter

3 基于声波测井和放射性测井的页岩储层压力预测技术

超压系统有效地支撑了孔隙结构，地层压力系数越高，页岩孔隙越好，超压系统有利于有机孔隙保存[18]，地层压力是影响页岩气产能的主要因素，也是判断页岩保存条件的主要标志。

3.1 基于声波和密度测井交会图法的页岩压力识别技术

有机质生烃作用，特别是烃类裂解生气作用是形成页岩超压的主要原因[19-21]，此类成因的超压，在超压段没有孔隙度异常，测井系列上表现为声波传播速度低。利用声波和密度测井交会图可以区分不同成因的超压[22]，欠压实段的密度和声波速度变化趋势一致，数据点落在正常压实曲线上，而生烃超压由于降低了岩石的有效应力，因此，表现为声波速度降低，但是岩石密度不会发生明显的变化。

根据岩性、电性、物性和含气性特征，龙马溪组—五峰组底部页岩都可以分为4个亚段，自下而上的岩性分别为高硅高碳页岩段、中硅高碳页岩段、含碳粉砂岩段和中低碳泥页岩段4个岩性段，优质含气层段都集中在底部高硅高碳页岩段。

从J3 井和P1 井密度-声波速度交会图可见超压地层流体膨胀,超压地层段的密度变化较小，而声波速度明显降低（图6）；常压地层的密度和声波速度变化趋势一致，密度和声波速度同时增大（图7）。

图6 彭水地区J3井超压地层密度-声波速度交会图Fig.6 Crossplot of density and acoustic velocity of overpressure formation in Well-J3 of Pengshui area

图7 彭水地区P1井常压地层密度-声波速度交会图Fig.7 Crossplot of density and acoustic velocity of normal pressure formation in Well-P1 of Pengshui area

3.2 页岩地层压力系数测井评价技术

页岩地层异常孔隙压力成因机理复杂，异常高压成因不再以不平衡压实为主，气体的生成可使得孔隙压力增大。因此，传统的地层声波时差等效深度孔隙压力预测方法针对页岩气储层孔隙压力预测适应性变差。

为避免岩性差异对声波时差的影响，选取龙马溪组上部岩石矿物组成与底部含气页岩相近的普通泥页岩作对比，纵波、横波时差测井数据统计关系显示，在不受气体影响的情况下，纵波时差和横波时差之间呈现出清晰的变化规律，与无气体影响时的规律相比较，含气层段的纵波、横波时差变化趋势偏离无气体影响时的趋势，纵波时差值明显低于无气体影响时的值，气体对声波的影响主要表现在纵波时差上，而横波时差对流体不敏感，受气体影响相对较小。所以当储层中含有不同压力气体时，纵波时差呈现不同幅度的降低，而横波时差受影响较小，所以纵横波交会趋势线对比可以反映孔隙压力状况。

纵、横波时差交会特征在普通页岩与含气页岩段中具有不同的斜率，统计平桥地区、东胜地区、彭水地区和武隆地区不同纵、横波时差在普通页岩和含气页岩段的斜率发现，普通泥岩段纵、横波时差斜率大，而含气页岩段纵、横波时差斜率小（图8），与含气段纵波衰减明显强于横波衰减相关，二者斜率的比值与地层压力系数具有较好的相关性（表1）。P1 和L1 井显示为常压页岩气层，水平井日产量（2～5）×104m3。其余井测井预测地层压力系数大于1.2，水平井日产量大于10×104m3。

图8 彭水地区S1、L1、J3和P1井纵、横波时差交会图Fig.8 Crossplot of longitudinal and shear wave time difference in Well-S1,Well-L1,Well-J3 and Well-P1 of Pengshui area

表1 地层孔隙压力系数测井预测与实测对比Table 1 Comparison between logging prediction and field measurement of pressure coefficient of formation pore

4 基于声波扫描测井的优质页岩地应力特征

声波扫描测井解释结果显示页岩地层的水平主应力差越小，压力推进过程中受到的阻力也越小，从而使裂缝的延伸性也更好，且水力压裂形成复杂缝网的可能性也越高，因此，可压性也越好。分析对比偶极声波测井确定的龙马溪—五峰组底部①—③号层最大和最小水平主应力平均值，常压页岩气储层最大与最小地应力差异系数较大，普遍大于20%，有机质生气造成的压力又因裂缝发育被释放掉，压力难以保持。超压页岩气储层最大与最小地应力差异系数相对较小，一般在10%左右（表2），更有利于储层改造后网状缝的形成。

表2 差异系数统计Table 2 Statistic of coefficient of difference

在强挤压应力条件下或强压实条件下，挤压应力增加意味着等效深度或等效负载压力增加，黏土孔隙度急剧降低，黏土束缚水含量降低，因此，在地层水矿化度和泥岩组分相对稳定情况下，地应力变化是电阻率变化的主要因素[23]，因此，泥岩电阻率能够灵敏地反映地应力集中状态（图9），可以利用这种响应特征对地应力分布状况进行评价，进而对储层品质及含气性进行定性、定量评价。

图9 页岩顶板泥岩电阻率与最大主应力关系Fig.9 Relation between resistivity and maximum principal stress of shale roof and mudstone

地应力分布与储层品质有着密切的关系，由于构造挤压应力强烈，致使储层致密，孔渗性能差，常常难以形成优质气层。同一构造带优质储层往往发育于构造带局部弱挤压应力区，此处有利于储层保持较高的原生孔渗条件（图10）。

图10 页岩顶板泥岩电阻率与日产气量关系Fig.10 Relation between shale resistivity and daily gas production in shale roof

5 基于电阻率成像测井的优质页岩裂缝发育特征

以构造作用为主形成的天然裂缝，对于页岩储层的形成和改造具有重要作用，对页岩气的储渗具有现实意义。如常压页岩气P1 井高导缝很发育，且裂缝角度较大，①—⑤小层发育裂缝倾角集中在80°～90°,说明早期构造运动对该井的影响较强，在裂缝被充填之前气体有渗漏。即便裂缝被后期矿物充填，也难以充满整个裂缝网，真正形成有效隔档和有利于储层压力保存。优质高产页岩储层高导缝不发育，发育低角度小规模高阻缝，利于气体短距离渗流。

6 实例应用分析

研究区位于四川盆地及周缘，沉积环境主要为深水陆棚相，龙马溪—五峰组页岩纵向上从上至下黏土含量逐渐降低，硅质含量、有机质丰度逐渐升高，页岩物性、含气性和页岩品质变好。横向上盆内页岩气藏以超压为主，测试产量较高，盆外气藏以常压为主，测试日产量（2～5）×104m3。S2 井（图11）位于盆内，底部伽马呈高值、电阻率呈中高值，中子和密度值相对低，声波时差相对较大，测井曲线重叠面积最大、脆性矿物含量和“甜点”指数都较高，杨氏模量相对较高，泊松比相对较低，综合显示页岩底部为本井优质页岩段，偶极声波测井评价地应力差异系数为10.5%，测井预测地层压力系数为1.39，电成像测井显示优质页岩段发育少量高阻缝，测井综合判断该井属于优质超压页岩气井，后期测试日产气32×104m3，与测井判定结果一致。