頁巖氣測井評價方法研究
——以四川盆地蜀南地區為例

鐘光海，謝　冰，周　肖

（1.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都610041；2.頁巖氣評價與開采四川重點實驗室，成都610041）

頁巖氣測井評價方法研究
——以四川盆地蜀南地區為例

鐘光海1，2，謝冰12，周肖1，2

（1.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都610041；2.頁巖氣評價與開采四川重點實驗室，成都610041）

頁巖氣是一種重要的非常規天然氣資源，目前國內對頁巖氣儲層測井評價方法的研究還處于起步階段。在對國內外頁巖氣儲層測井評價方法調研的基礎上，根據巖心分析資料，建立了四川盆地蜀南地區頁巖氣測井評價巖石物理模型。通過開展總有機碳含量、吸附氣含量及游離氣含量等計算方法的研究，形成了針對四川盆地蜀南地區頁巖氣儲層關鍵參數的計算方法，并開發了相應的測井解釋模塊，建立了一套系統的頁巖氣儲層測井評價方法。該方法支撐了頁巖氣試油層段及儲層改造措施優選，為四川盆地頁巖氣藏的勘探開發提供了技術保障。

頁巖氣；巖石物理模型；吸附氣；游離氣；蜀南地區；四川盆地

0　引言

頁巖氣藏與常規油氣藏在多方面存在較大差異，因而頁巖氣儲層與常規油氣儲層的測井評價方法不同，其測井解釋模型完全不同于常規油氣儲層所適用的模型。目前，四川盆地蜀南地區基本使用常規測井解釋評價方法對頁巖氣井進行評價，尚未形成針對區域頁巖氣的測井精細解釋方法體系，測井處理和解釋精度較差，因此系統研究適用于該地區的頁巖氣測井精細解釋方法非常有必要。筆者根據巖心分析資料，建立蜀南地區頁巖氣儲層總有機碳（TOC）含量、含水飽和度、吸附氣含量及游離氣含量等巖心刻度計算模型，形成該區頁巖氣儲層測井評價方法，以期為現場試油層位優選提供技術指導。

1　頁巖氣儲層特征

頁巖（Shale）是一種成分復雜的沉積巖，具有薄頁狀或薄片層狀節理，主要是由黏土沉積埋藏再經地層溫度和壓力作用形成的巖石，并混雜有石英、長石的碎屑以及其他礦物［1］。四川盆地蜀南地區頁巖氣儲層屬于深水陸棚相沉積，巖性一般為富含炭質的黑色頁巖，礦物成分除了黏土、石英、長石（斜長石、正長石）和有機質外，還有大量的方解石和白云石，此外，由于沉積時處于還原環境，還含有一定數量的黃鐵礦。

根據蜀南地區寧201井和威201井100余個頁巖巖心實驗分析資料，結合鉆探情況分析，認為該區頁巖氣藏的儲集空間主要為微孔隙和裂縫，而裂縫是游離氣的主要儲集空間。頁巖氣成藏需要一定的物性條件，美國頁巖氣儲層孔隙度一般為3%～5%，高者可達10%～15%［2］。頁巖氣的產出一般是儲集在基質孔隙和裂縫中的游離氣優先被采出，其后才是吸附氣。對蜀南地區寧201井和威201井頁巖巖心物性的分析結果表明，該區孔隙度主要為4%～8%，占85%以上；巖心滲透率小于0.01 mD，主要為10～100 nD，占70%以上。因此，蜀南地區頁巖氣儲層屬于低孔、特低滲儲層。

2　頁巖氣儲層關鍵參數的計算方法研究

根據國外公司的研究，頁巖氣主要包括游離氣和吸附氣，而TOC含量與孔隙度控制著總含氣量的大小［3］。總體來說，除了過去評價常規氣藏常用的孔隙度、滲透率、含水飽和度和儲層厚度4個參數外，頁巖氣儲層增加了TOC含量、吸附氣含量和游離氣含量等關鍵參數，而測井技術可以提供這些頁巖氣開發的關鍵參數。

2.1建立頁巖氣巖石物理模型

蜀南地區頁巖氣儲層一般為富含炭質的黑色頁巖，礦物成分包括黏土、石英、長石（斜長石、正長石）、有機質、方解石、白云石及少量黃鐵礦，流體主要為天然氣和束縛水。由于頁巖氣儲層有機質含量高，黃鐵礦廣泛存在，故在巖石物理模型中增加了有機質和黃鐵礦組分（圖1）。

圖1　頁巖氣儲層測井巖石物理模型Fig.1Logging petrophysical model of shale gas reservoir

圖2　ΔlogR疊合圖上各種特征的解釋示意圖Fig.2Schematic diagram showing the characteristics of ΔlogR superposed graph

2.2有機碳含量計算方法

根據蜀南地區巖心分析，提出2種方法來計算TOC含量：一是電阻率與孔隙度測井曲線重疊法；二是放射性鈾元素含量與總有機碳關系回歸法。

2.2.1電阻率與孔隙度測井曲線重疊法

國內外利用測井資料評價烴源巖最常用的方法是ΔLogR法［4］。該方法將一種專門刻度的孔隙度測井曲線（一般是聲波時差曲線）疊合在一條電阻率曲線上，并以細顆粒的非烴源巖為基線，該基線存在的條件是這2條曲線“軌跡”一致或在一個有意義的深度范圍內重疊，這2條曲線的幅度差就定義為ΔLogR（圖2）。應用ΔLogR幅度差不僅可以定性識別頁巖氣儲層，還可以定量計算TOC含量。

ΔlogR法采用電阻率與孔隙度曲線重疊來定量評價烴源巖的TOC含量。在選擇孔隙度曲線時，采用聲波時差與電阻率曲線疊加比采用密度或者中子與電阻率曲線疊加計算所得到的TOC含量精度更高。這是由于井眼環境會影響到密度和中子測井值，富含有機質的層段往往黏土含量較高，通常井壁容易垮塌，密度-中子測井曲線異常較明顯。因此，通常采用電阻率-聲波時差疊合法來計算TOC含量，具體計算方法［4］如下：

式中：R和R基線分別為巖石電阻率和非烴源巖的電阻率，Ω·m；Δt和Δt基線分別為巖石聲波時差和非烴源巖的聲波時差，μs/m；TOC為總有機碳質量分數，%；k為相對互溶刻度的比例系數，一般都需要經過巖心分析資料的刻度標定，有機質成熟度不同的地層，其系數K有些許差異；LOM為與頁巖成熟度有關的一個參數，取5～18。

成熟度（Ro）越高，則LOM值也越高，國外對于這種關系（圖3）進行了大量的研究［4］。蜀南地區志留系和寒武系地層的Ro高，一般大于2.5，故在使用上述公式時LOM的取值大于12。

圖3　LOM值與成熟度的關系Fig.3Relationship between LOM and maturity

2.2.2放射性鈾元素含量與總有機碳關系回歸法

研究表明，富含有機質的烴源巖由于吸附了大量的鈾元素，所以常伴隨著高的放射性異常，即高的自然伽馬值。因此，可用異常高的自然伽馬值來識別烴源巖［5］。對于蜀南地區頁巖氣儲層，本次研究發現能譜測井鈾元素含量與巖心分析的TOC含量存在良好的線性關系（圖4）。

圖4　鈾元素與TOC質量分數關系Fig.4Relationship between uranium and TOC content

由圖4擬合可得到如下的經驗關系式：

式中：U為巖石鈾元素質量分數，×10-6；A0和A1均為系數，小數。

從蜀南地區寧203井龍馬溪組頁巖氣儲層2種方法計算TOC含量的結果對比分析（圖5）可以看出：利用鈾元素計算的TOC含量與實驗分析結果具有非常高的吻合度，計算精度完全能夠滿足實際生產的需要；利用ΔlogR重疊法計算的優質頁巖氣儲層上部的TOC含量與巖心一致性較好，但計算出的優質頁巖氣儲層下部TOC含量與巖心對應性較差。因此，在蜀南地區優選鈾元素來計算TOC含量。

圖5　蜀南地區寧203井龍馬溪組2種TOC含量計算方法處理結果對比Fig.5Contrast of TOC content of Longmaxi Formation in Ning 203 well in Shunan area calculated by two methods

2.3礦物組分及物性參數的計算方法

2.3.1孔隙度的計算方法

目前主要采用最優化的多礦物模型［6］，利用優化技術將各種測井響應方程聯立求解并尋優，即可得到地層巖石（或礦物）組分、流體的體積及孔隙度。

根據蜀南地區頁巖巖石物理模型（參見圖1），利用最優化測井解釋方法將各種測井響應方程聯立求解，并利用優化技術，調節各種輸入參數（如礦物測井響應參數），再輸入曲線權值等，使方程矩陣的非相關性達到最小，從而計算出各種礦物的含量和流體的體積及地層孔隙度，即可計算得到儲層參數。

式（4）～（7）中：ΔThr，ΔTmf，ΔTsh，ΔTmai，ΔT分別為殘余天然氣、混合流體、黏土、巖石骨架和巖石的聲波時差，μs/m；ΦNhr，ΦNmf，ΦNsh，ΦNmai，ΦN分別為殘余天然氣、混合流體、黏土、巖石骨架和巖石的中子值，%；ρhr，ρmf，ρsh，ρmai，ρb分別為殘余天然氣、混合流體、黏土、巖石骨架和巖石的密度，g/cm3；φ為有效孔隙度，%；Sxo為沖洗帶殘余氣飽和度，%；Vmai為礦物體積分數，%；Vsh為黏土質量分數，%；A為系數，小數；i=1，2，…，n，代表石英、方解石、綠泥石及伊利石等礦物。對于這個方程組，可以采用最優化的方法來計算各種礦物的含量及孔隙度。

2.3.2含水飽和度的計算方法

頁巖氣儲層孔隙度低，一般無自由可動水，故所求得的含水飽和度為束縛水飽和度。此次研究采用Simandoux方程來計算頁巖氣儲層的含水飽和度，模型公式［6］為

式中：Rt為巖石真電阻率，Ω·m；Rsh為純泥巖的巖石電阻率，Ω·m；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Sw為含水飽和度，%；a，c，m，n均為地區巖-電實驗參數，常數，可以通過地區巖-電實驗來確定。

2.3.3滲透率的計算方法

根據國外文獻［7-8］，充氣孔隙主要是指頁巖中游離氣占據的孔隙空間，該值在頁巖氣儲層評價中具有較大意義。根據蜀南地區巖心分析結果，充氣孔隙度與巖石密度具有較好的相關性。根據國外巖心分析資料，充氣孔隙度與滲透率呈近似指數關系［9-10］（圖6）。由于充氣孔隙是頁巖氣儲層中相對較大的孔隙，天然氣在其中的流動具有達西定律的特征［11-12］，因此充氣孔隙度與基質滲透率具有正相關性，即充氣孔隙度增大，則滲透率也增大。同樣，蜀南地區巖心分析資料表明，該區充氣孔隙度與基質滲透率也存在類似的關系（圖7）。由此建立了蜀南地區頁巖氣儲層的滲透率計算公式，即

圖6　國外頁巖儲層滲透率與充氣孔隙度關系Fig.6Relationship between permeability and gas-filled porosity of shale reservoir at abroad

圖7　蜀南地區頁巖充氣孔隙度與滲透率的關系Fig.7Relationship between permeability and gas-filled porosity of shale reservoir in Shunan area

式中：K為基質滲透率，mD；φg為充氣孔隙度，%；A和B均為地區經驗系數，小數。

2.4含氣量的計算方法

2.4.1吸附氣含量的計算方法

蘭格繆爾等溫吸附方程［13-14］是法國化學家蘭格繆爾建立的物質吸附氣體的經典公式，對煤層氣和頁巖氣等在物質表面的吸附均適用［15］。其基本理論為吸附在干酪根表面的甲烷與頁巖中的游離甲烷處于平衡狀態。蘭格繆爾等溫線（圖8）就是用來描述某一恒定溫度下的這種平衡關系的。

圖8　蘭格繆爾等溫曲線示意圖［15］（1 psia=0.006 9 MPa）Fig.8Diagram of Langmuir isothermal curve

該關系涉及2個重要參數：蘭格繆爾體積和蘭格繆爾壓力，前者描述的是無限大壓力下的氣體體積，而后者描述的是氣體含量等于二分之一蘭格繆爾體積時的壓力。在一定的溫度條件下，對于任一壓力條件下吸附的氣體體積，普遍采用的蘭格繆爾方程［16］的形式為

式中：Va為吸附氣的質量體積，m3/t；p為儲層壓力，MPa；pL為蘭格繆爾壓力，MPa；VL為蘭格繆爾體積，m3/t。

圖9為不同成熟度頁巖的等溫吸附線。在TOC含量相近（圖9中黑色與粉色實驗數據點）的情況下，隨著成熟度的增加，吸附氣含量增大，如果再配以TOC含量的增加，那么吸附氣含量就有可能大大增加（圖9中紅色與黑色實驗數據點）。

2.4.2游離氣含量的計算方法

相對于吸附氣而言，游離氣含量的計算方法較為簡單，其計算采用國際上通用的常規方法，即游離氣占據頁巖的有效孔隙度，因此游離氣含量的計算公式［16］為

式中：Gf為游離氣的質量體積，m3/t；Bg為氣體的體積壓縮因子，無量綱，0.004 6；φeff為有效孔隙度，%；ψ為常數，0.91。

圖9　不同有機質成熟度的頁巖等溫吸附線Fig.9The adsorption isothermal curve of shale at different organic matter maturity

2.4.3總含氣量的計算方法

頁巖氣儲層某一深度點的總含氣量，即為該深度點的吸附氣含量與游離氣含量之和，計算公式如下：

式中：Vt為總含氣的質量體積，m3/t；Vf為游離氣的質量體積，m3/t。

3　實際應用

根據常規測井資料的處理結果，綜合錄井顯示、電成像裂縫分析，應用建立的頁巖氣儲層測井評價方法，對蜀南地區寧201井頁巖氣儲層進行了測井綜合評價分析（圖10），共處理和解釋了3段頁巖氣儲層。

1號儲層：成像測井顯示裂縫發育，且三孔隙度和電阻率曲線有明顯“刺刀”尖狀變化，綜合解釋為裂縫型頁巖氣層。

2號儲層：TOC質量分數普遍小于2%，總含氣量較低，脆性礦物含量及脆性指數中等，綜合解釋為頁巖差氣層。對2號儲層優選了3段進行射孔和大型加砂壓裂改造，測試獲得0.7萬m3/d的工業氣流，試油后評價分析產氣主要來自于1號裂縫型頁巖氣層。

3號儲層：TOC質量分數大于2%，總含氣量高，脆性礦物含量及脆性指數高，綜合解釋為頁巖氣層。對3號儲層優選了3段優質儲層段進行射孔和大型加砂壓裂改造，測試獲得1.0萬m3/d的工業氣流。

上述分析表明，此次研究形成的頁巖氣儲層測井評價方法能夠滿足該區頁巖氣儲層評價要求，支撐了頁巖氣試油層段及儲層改造措施優選。

圖10　蜀南地區寧201井頁巖氣儲層測井綜合處理成果Fig.10Comprehensive logging processing of shale gas reservoir in Ning 201 well in Shunan area

4　結論及建議

（1）在區域地質特征和實鉆井巖心資料分析的基礎上，建立了蜀南地區的頁巖氣儲層測井評價巖石物理模型。

（2）形成了針對四川盆地蜀南地區頁巖氣儲層關鍵參數的計算方法，包括TOC含量、孔隙度、滲透率、含水飽和度、吸附氣含量、游離氣含量及總含氣量的計算模型。

（3）由于缺乏相應的實驗結果，此次研究主要參照的是國外文獻中的頁巖氣樣品和國內煤層氣的實驗結果，所以含氣量計算模型的適應性存在一定的局限。因此，建議開展針對性的頁巖巖石物理實驗，以提高關鍵參數的計算精度。

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（本文編輯：王會玲）

Well logging evaluation methods of shale gas reservoir：A case study from Shunan area，Sichuan Basin

Zhong Guanghai1，2，Xie Bing1，2，Zhou Xiao1，2
（1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company，Chengdu 610041，China；2.Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation of Sichuan Province，Chengdu 610041，China）

Shale gas is an important unconventional natural gas resource，and research on well logging evaluation methods of shale gas reservoir is still at the starting stage in China.Based on well logging evaluation methods of shale gas reservoir at home and abroad，a petrophysical model of shale gas reservoir was established by some core data.Meanwhile，methods to calculate total organic carbon content，adsorbed gas content and free gas content were studied，a method to calculate the main reservoir parameter for shale gas reservoir was initially formed，and the corresponding well logging interpretation module was also developed.So，a set of shale gas reservoir logging evaluation techniques was establishment，which can provideguidanceandtechnical support for theshalegasexplorationanddevelopment inSichuanBasin.

shale gas；petrophysical model；adsorbed gas；free gas；Shunan area；Sichuan Basin

TE132.2

A

1673-8926（2015）04-0096-07

2015-03-06；

2015-04-25

國家科技重大專項“頁巖氣勘探開發關鍵技術——南方海相頁巖氣開采試驗”（編號：2012ZX05018-006）資助

鐘光海（1982-），男，碩士，工程師，主要從事測井資料處理及綜合解釋方面的研究工作。地址：（610041）四川省成都市高新區天府大道北段12號。電話：（028）86015644。E-mail：Zgh＿kty@petrochina.com.cn。