南方地區(qū)頁巖氣儲層工業(yè)組分與有機碳測井計算方法

苗其師

（中石化華東石油局測井公司，江蘇揚州225007）

0 引言

頁巖氣已經(jīng)成為我國新興的資源,資源量可觀［1］.頁巖儲層的工業(yè)組分可簡化為包括泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、干酪根、孔隙等5部分［2］.侯頡等提出了針對頁巖礦物組分測井分析，并提出了各組分測井響應(yīng)參數(shù)的獲取方法［3］.潘仁芳等將地球物理化學測井引入到頁巖儲層評價，提高了應(yīng)用測井解釋頁巖礦物組分含量的精度［4］.

本文通過對南方彭水、黃平、婁底3個工區(qū)74塊實驗室?guī)r心分析、有機碳測定，建立頁巖儲層五組分體積模型,建立了工業(yè)組分與測井曲線的經(jīng)驗關(guān)系式，并通過對有機碳含量與深側(cè)向電阻率、聲波時差、補償中子、巖性密度、鈾5條測井曲線進行相關(guān)分析，為消除單測井曲線受環(huán)境影響的局限性，建立了多元回歸計算有機碳含量的計算公式，這一研究成果應(yīng)用于南方地區(qū)頁巖氣井的處理，取得了滿意的地質(zhì)效果.

1 頁巖氣儲層特征及儲集性

1.1 頁巖儲層特征［5］

與常規(guī)及其他非常規(guī)天然氣藏不同，頁巖氣藏具有如下6個方面的地質(zhì)特征［6］：1）源儲一體，頁巖既是生氣源巖，也是儲集層，成藏過程為持續(xù)充注，原位飽和聚集；2）成因類型多樣，既有生物成因氣、熱成因氣和熱裂解成因氣，也有混合成因以熱成因氣為主；3）頁巖儲層超致密，孔隙類型多樣，尤其發(fā)育有機質(zhì)孔隙，孔隙大小以微—納米級為主；4）氣體組分以甲烷為主，賦存方式以吸附氣、游離氣兩種方式為主，比例差異較大；5）頁巖氣分布不受構(gòu)造控制，沒有圈閉界限，但含氣范圍受生氣源巖面積和良好封蓋層控制；6）資源規(guī)模大，豐度低，但存在高豐度的“甜點區(qū)”.

另外，在測井評價方面也與常規(guī)儲層不同，除了與常規(guī)儲層一樣要考慮骨架（鈣質(zhì)和硅質(zhì)）、泥質(zhì)和孔隙外，還必須要考慮到有機質(zhì).

1.2 氣體在頁巖中的賦存形式

頁巖氣在頁巖中的儲集機理與常規(guī)天然氣的差別較大.在頁巖氣藏中，頁巖氣的賦存方式多種多樣，除極少量溶解狀態(tài)的天然氣儲存于干酪跟、瀝青質(zhì)及石油中外，大部分頁巖氣以吸附態(tài)賦存于干酪跟、黏土顆粒及孔隙表面，或以游離態(tài)賦存于孔隙、裂縫及其他儲集空間［1］.以吸附態(tài)賦存的頁巖氣與有機質(zhì)含量及比表面積密切相關(guān)，且頁巖具有有機質(zhì)含量高、比表面積大的特點，吸附天然氣含量在20%～80%之間［8］.如圖1所示.由于頁巖氣藏孔隙度、滲透率極小，存在與常規(guī)氣藏、煤層氣藏不同的賦存形式，常規(guī)油氣和煤層氣藏含氣量計算方法都不能有效地進行頁巖氣藏的含氣量計算，因此需要考慮頁巖工業(yè)組分及其含量，這樣含氣量計算才能更準確.

2 頁巖工業(yè)組分的計算

工業(yè)組分計算首先要確立巖石體積模型，根據(jù)研究區(qū)74塊巖心分析測試研究表明，三個工區(qū)頁巖儲層均主要由5部分組成：泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、干酪根和孔隙.本文在測井評價時直接用有機碳含量代替干酪根.測井的巖性密度、補償中子、聲波時差值等宏觀物理量是由這5部分貢獻之和，進而聯(lián)立方程組，確定各部分的相對含量.巖性密度、補償中子、聲波時差等測井參數(shù)與泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、有機碳以及孔隙體積含量的響應(yīng)方程:

式中，Xlog分別為聲波時差、密度、中子等測井數(shù)值；Vcl、Vs、VL、VTOC、VΦ分別為泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、有機碳和孔隙體積百分比（小數(shù)）；Xcl、Xs、XL、XTOC、XΦ分別為泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、有機碳和孔隙流體的聲波、密度和中子值.前人的研究多是用多條曲線直接求解這5部分的體積.然而5部分的5種測井參數(shù)往往確定不準引起評價的誤差.本文則采用這種5部分的構(gòu)成，充分利用分析資料建立適合于研究區(qū)的關(guān)系式，從而避免參數(shù)選擇及其帶來的誤差.

2.1 泥質(zhì)含量

泥質(zhì)含量是評價頁巖氣藏質(zhì)量的重要指標，通常情況下泥質(zhì)含量小于40%才能有較好的經(jīng)濟價值.常規(guī)測井中，泥巖的中子、密度測井曲線響應(yīng)特征與砂巖、碳酸鹽巖等地層差別較大，通常表現(xiàn)為高中子、低密度特征，通過中子-密度曲線重疊可以有效指示泥質(zhì)含量.因此利用中子-密度曲線刻度差值與巖心分析的泥質(zhì)含量建立關(guān)系模型（圖2），其相關(guān)系數(shù)R2達到0.8533.其公式為：

式中，Vcl為泥質(zhì)含量（%）；DCNL為中子-密度刻度差值（%）.

圖1 常規(guī)氣藏與頁巖氣藏對比圖Fig.1 Comparison between conventional gas reservoirs and shale gas reservoirs

圖2 DCNL刻度差值與泥質(zhì)含量交會圖Fig.2 Diagram of DCNL VS.shale content

2.2 硅質(zhì)、鈣質(zhì)含量

利用巖心分析的砂巖、碳酸鹽巖含量與測井曲線建立關(guān)系.礦物組分與自然伽馬能譜、巖性密度、補償中子和聲波時差相關(guān)性較好，通過多元回歸的方法建立關(guān)系式（相關(guān)系數(shù)為0.73和0.52），計算礦物組分含量.測井計算成果見圖3（可以看出第5、6道分別為用多元回歸公式計算的砂巖、碳酸鹽巖含量與巖心實驗數(shù)據(jù)基本重合）.

該方法計算公式：

Vs、VL分別為砂巖、碳酸鹽巖含量（%），CNL、DEN、AC、KTH為中子、密度、聲波、無鈾伽馬測井值.

2.3 干酪根（有機碳）

干酪根為臘狀有機物質(zhì)，是沉積有機質(zhì)的主體，約占總有機質(zhì)的80%～90%.烴源巖中，有機質(zhì)豐度在測井響應(yīng)上有直接的反映，所以利用測井資料可有效地進行評價.本文通過有機碳含量來反映該參數(shù).

有機碳含量（TOC）是評價有機質(zhì)豐度的主要指標，通過對已有頁巖氣井測井資料的綜合分析，采用線性回歸法計算TOC與巖心化驗得到的TOC數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析建立關(guān)系式.

測井曲線與有機碳含量的關(guān)系分析研究表明，有機碳含量與聲波時差、電阻率、鈾呈一定正相關(guān)關(guān)系，與補償中子、補償密度則呈一定的負相關(guān)關(guān)系.為克服單參數(shù)的局限性，采用逐步判別分析法對測井分析的需要，確定利用有機碳與補償密度和鈾，有機碳與釷鈾比分別構(gòu)成兩個二元回歸計算有機碳含量的公式.

圖3 測井計算骨架礦物含量與巖心分析對比圖Fig.3 Comparison of matrix contents between log data and core analysis

a.釷鈾比與有機碳多元回歸，相關(guān)系數(shù)較高，R2=0.859（見圖 4）

圖4 釷鈾比與有機碳交會圖Fig.4 Diagram of thorium-uranium ratio vs.TOC

b.密度、鈾與有機碳多元回歸，相關(guān)系數(shù)R2=0.821.

圖5為利用該方法計算的有機碳含量與實驗分析數(shù)據(jù)對比圖，圖中第5道為測井計算的有機碳含量曲線與巖心分析有機碳含量數(shù)據(jù)點基本重合，說明應(yīng)用多元回歸計算有機碳含量的精度較高.

圖5 HY1井有機碳含量計算成果圖Fig.5 TOC calculation result for well HY1

2.4 孔隙度

中子、密度交會確定巖性骨架值，采用密度計算儲層孔隙度.有機質(zhì)的性質(zhì)接近于流體，但同時占據(jù)礦物骨架體積，所以用密度計算孔隙度消去有機質(zhì)、泥質(zhì)的影響，計算模型如下.

式中：ρma為地層骨架密度值（g/cm3）；ρTOC為有機質(zhì)密度（g/cm3）；ρcl為泥巖密度（g/cm3）；ρf為流體密度（g/cm3）；Φe、Φd為校正后和校正前的孔隙度（小數(shù)）；VTOC、Vcl為有機質(zhì)和泥巖的體積百分比（小數(shù)）.

3 處理實例

應(yīng)用上述方法對南方地區(qū)3口探井進行了處理.分別計算了頁巖儲層的有機碳含量、孔隙度、礦物體積含量等曲線.

1）HY1井：頁巖孔隙度2.0%，TOC大于4%（圖5）.

2）XY1井：頁巖計算孔隙度平均3.5%，TOC在2.9%，該井的巖心實驗分析數(shù)據(jù)與測井綜合評價結(jié)果基本一致.

3）PY1井：圖6為PY1井的結(jié)果，圖中第5道顯示計算的有機碳含量曲線與巖心分析的數(shù)據(jù)點基本重合，從有機碳、泥質(zhì)含量、厚度等因素來看都是較好的頁巖層段，測井解釋孔隙度大于4%，TOC大于2%，泥質(zhì)含量小于35%.該井測井計算的TOC以及孔隙度等參數(shù)與實驗吻合性較好.

從上述處理實例成果分析可以看出：建立的頁巖工業(yè)組分模型和多元回歸公式計算的頁巖工業(yè)組分、TOC與巖心實驗分析結(jié)果基本吻合.

以上方法適用于南方地區(qū)頁巖工業(yè)組分評價，為提高用測井方法計算頁巖含氣量的精度打下了基礎(chǔ).

4 結(jié)論

（1）基于研究區(qū)74塊樣品的分析數(shù)據(jù)建立了頁巖儲層五元工業(yè)組分體積模型.

（2）對測井曲線與頁巖礦物含量的相關(guān)分析，分別建立了計算泥巖、砂巖、碳酸鹽巖、孔隙度和有機碳的多元回歸計算公式.因此通過測井曲線完全可以達到準確評價頁巖各組分含量的目的.

（3）頁巖儲層中鈾元素與有機碳含量存在較好的線性正相關(guān)關(guān)系，多元回歸的釷鈾比與有機碳含量相關(guān)性更好，擬合系數(shù)（r2）達0.859；

本文方法可以避免響應(yīng)方程法評價頁巖組分含量時5種組分多種參數(shù)確定的問題及參數(shù)不準帶來的評價誤差.

對南方地區(qū)3口頁巖氣井實際處理的成果檢驗了該方法的有效性.為下一步含氣量的計算打下了基礎(chǔ).

圖6 PY1井綜合解釋成果圖Fig.6 Comprehensive interpretation for well PY1

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