基于中子測井參數的頁巖氣儲層孔隙壓力預測模型及應用

劉尉　張凱

摘 要：頁巖井測井參數可以對地層流體孔隙壓力進行預測，如何確定根據測井參數預測孔隙壓力的模型成為預防鉆井事故與預測含氣量等的關鍵問題。而工程上以聲波時差測井數據預測儲層壓力模型方法較為成熟。以湖南X1井為研究對象，通過研究中子測井數據與孔隙度間的關系，推導出密度孔隙壓力模型，與常用的聲波時差孔隙壓力模型分別求得頁巖儲層孔隙壓力，并針對背離正常壓實趨勢的超壓層段進行計算。選取X1井620～693 m井段，將新型中子參數孔隙壓力模型結果與常用聲波時差孔隙壓力模型結果進行對比分析。結果表明：新型中子參數孔隙壓力模型能夠較好地預測目標段頁巖儲層孔隙壓力。

關鍵詞：頁巖氣儲層 中子測井 孔隙壓力 超壓 預測模型

中圖分類號：P631.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0038-03

頁巖氣是由泥頁巖（作為烴源巖）連續生成的生物化學成因氣、熱成因氣或兩者的混合，在作為儲集巖的頁巖系統中以吸附、游離或溶解方式賦存的天然氣[1]。地層壓力與泥頁巖儲層中頁巖氣含量有著非常密切的關系，在一定的壓力范圍內，隨著地層壓力的增大，儲層中游離態的氣體會增加，同時以吸附態存在的頁巖氣也會增加。伴隨著巖層垂向深度的增大，泥頁巖孔隙度逐漸減小，影響著儲層油氣的賦存[2-4]。大量實際勘探表明，當到達一定深度時，泥頁巖儲層孔隙壓力會發生異常，偏離靜水壓力值，產生異常高壓或者異常低壓[5]。在異常高壓情況下，孔隙度增大，會有利于頁巖氣的富集，實際測井技術也表明異常高壓區的頁巖儲層TOC含量（有機碳含量）呈高值[6-7]。

有效地預測泥頁巖儲層孔隙壓力會給頁巖氣開發帶來很多方便，如“甜點區”的確定、鉆井穩定性評價。近年來，許多國內外學者致力于預測泥頁巖儲層孔隙壓力，利用測井數據預測孔隙壓力是最常用的方式之一。Eaton利用聲波時差數據提出了預測孔隙壓力的經驗公式，Bowers提出了利用縱波波速預測孔隙壓力，而后Bowers、樊洪海等又分別提出了考慮加卸載的有效應力法。Holbrook等人提出根據與孔隙度相關的有效應力預測孔隙壓力。Heppard等人使用類似Eaton聲波時差法的實證孔隙度方程與頁巖孔隙度數據來預測孔隙壓力。Flemings和Schneider等人也依據孔隙度與壓力的關系預測頁巖超壓。

以湘中坳陷漣源凹陷橋頭河向斜中部的X1井為例，取620～693 m間的巖層段進行測井數據采集，將聲波時差、中子數據分別代入預測模型。結果表明，密度測井數據在新型孔隙壓力模型計算下，與常用聲波時差數據方法得到的結果相近度高，能夠達到良好的預測效果。

1 新型孔隙壓力預測模型

1.1 孔隙度與孔隙壓力關系模型

1.2 中子測井預測孔隙壓力模型

中子測井數據也經常被應用于頁巖儲層孔隙壓力預測，釋放中子源，高能量中子與物質的原子核相互作用而減速，擴散和被吸收其能量不斷損失或減弱，記錄中子被俘獲之前的熱中子和超熱中子的量的方法叫做中子測井。中子測井可以估算地層的孔隙度。

將中子測井數據與孔隙度間的關系代入孔隙度與孔隙壓力間的關系，可以建立新型中子數據—孔隙壓力及孔隙壓力梯度間的預測模型。

2 應用實例分析

2.1 X1井研究背景

X1井是位于湖南境內的一口頁巖氣勘探重點井，頁巖層段氣測顯示良好，孔隙度和滲透率低，需要大規模壓裂釋放頁巖氣。根據巖石特征研究，X1井頁巖脆性礦物含量高、主應力差異小、天然裂縫發育，體積壓裂適應性強。地層鉆井至晚二疊世晚期大隆組及晚二疊世早期龍潭組。

2.2 計算參數

根據X1井地層環境，上覆巖石應力梯度由中子測井數據計算，選取以下數據為孔隙壓力模型參數，如表1所示。

（MPa/m）

2.3 模型處理

在探究X1井地層環境，確定地層參數之后，將實測測井參數（聲波時差、中子）分別代入孔隙壓力預測模型，其中聲波時差數據代入修正的孔隙壓力經驗公式。計算結果如圖1所示。

2.4 預測結果分析

在正常情況下，沉積壓實過程中，孔隙流體排出的同時伴隨著孔隙度的降低。在埋藏過程中，上覆巖石壓力的增大是流體排出的主要原因。如果沉積速率足夠緩慢，那么便會正常壓實，也就是說，增加的覆蓋層與壓實造成的孔隙流體排出的體積保持平衡。

（1）X1井聲波時差隨深度增加有略微的減小，在670～693 m出現異常增大的現象。由于異常地層高壓的出現，導致巖層孔隙度增大，聲波在孔隙中傳播速度減小，聲波時差增大。

（2）補償中子測井的測井值是地層的含氫指數。X1井中子測井值隨深度增加有略微的減小，在675～693 m間出現異常增大現象。異常高壓導致的大孔隙度使得孔隙流體聚集增多，孔隙流體的高中子值使得巖層整體測井值偏大。

經過由兩種測井參數計算得到的孔隙壓力值得對比，趨近程度高，670 m深度左右出現超壓現象。

對比分析兩條孔隙壓力曲線，呈螺旋式變化，趨近度高，根據中子測井參數孔隙壓力模型測得的孔隙壓力值分散性好，特征點明顯。

3 結語

（1）中子測井對地層孔隙壓力預測有著不錯的輔助作用，地層含氫指數直接地反映了儲層孔隙流體量，進而間接地揭示了地層孔隙度。天然氣的存在使得中子測井值偏低，但作為孔隙壓力預測模型的參考起著良好的效果。

（2）在異常超壓或低壓區儲層，孔隙壓力的變化直接反映在孔隙度的變化，而新型中子測井參數孔隙壓力模型是以孔隙度為中間變量，通過對孔隙度的換算進而推導孔隙壓力值，無需實際計算孔隙度。

參考文獻

[1] 孟召平，劉翠麗，紀懿明.煤層氣/頁巖氣開發地質條件及其對比分析[J].煤炭學報，2013，38（5）：728-736.

[2] 張金才，尹尚先，頁巖油氣與煤層氣開發的巖石力學與壓裂關鍵技術[J].煤炭學報，2014，39（8）：1691-1699.

[3] 胡琳，朱炎銘，陳尚斌，等.蜀南雙河龍馬溪組頁巖孔隙結構的分形特征[J].新疆石油地質，2013，34（1）：79-82.

[4] 賈新鋒，楊賢友，周福建，等.孔隙壓力預測方法在油氣田開發中的應用[J].天然氣技術，2009，3（2）：31-33.

[5] 趙佩，李賢慶，田興旺，等.川南地區龍馬溪組頁巖氣儲層微孔隙結構特征[J].天然氣地球科學，2014，25（6）：947-956.

[6] 林偉川，馮春珍，趙慧，等.低孔隙度低滲透率儲層孔隙壓力流體評價方法[J].測井技術，2006，30（4）：334-337.

[7] Zhang[J]，RoegiersJ-C.Double porosity fi -nite element method for borehole modeling[J].Rock Mech. Rock Engng.2005，38（3）.