湘鄂西下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖含氣性測井評價

陳 康，張金川，唐 玄

(1.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.頁巖氣勘查與評價國土資源部重點實驗室，北京 100083)

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湘鄂西下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖含氣性測井評價

陳 康1，2，張金川1，2，唐 玄1，2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.頁巖氣勘查與評價國土資源部重點實驗室，北京 100083)

測井評價技術(shù)具有縱向上信息連續(xù)且分辨率高的優(yōu)勢，利用測井技術(shù)評價頁巖含氣性，能經(jīng)濟并有效地指導(dǎo)頁巖氣勘探。遴選了與湘鄂西龍馬溪組頁巖地質(zhì)參數(shù)密切相關(guān)的測井曲線，應(yīng)用合適的計算模型對有機地球化學(xué)、儲層物性和含氣性參數(shù)進行預(yù)測和評價。測井評價結(jié)果顯示該地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)豐度高，孔隙度較低，含氣飽和度高，吸附氣含量較游離氣多，總含氣量較高，平均為1.705 m3/t。通過對3段頁巖氣層的研究，認為含氣量與TOC和孔隙度成正相關(guān)關(guān)系，且單位TOC的含氣量和孔隙度在頁巖底部會明顯升高，為頁巖底部儲集空間大、封閉性強、天然氣逸散能力弱所致，說明該地區(qū)龍馬溪組頁巖層底部具有較強的頁巖氣富集能力。

頁巖氣；測井評價；含氣性；湘鄂西；龍馬溪組

0 引 言

頁巖氣是在頁巖層或與其毗鄰的粉砂巖和細砂巖夾層中聚集的天然氣，其吸附于有機質(zhì)或礦物表面，或游離于基質(zhì)孔隙和裂縫之間，是一種重要的非常規(guī)天然氣藏[1-2]。測井解釋技術(shù)能夠提供頁巖有機碳含量、儲層物性、含氣性等多方面參數(shù)，對此前人已有許多研究成果。SCHMOKER等利用TOC與自然伽馬和密度的線性關(guān)系計算TOC[3-4]，朱光有等利用影響TOC的多個參數(shù)建立多元回歸方程來計算TOC[5-7]。MOSTAFA等采用三孔隙度曲線擬合公式計算頁巖含氣量[8]。測井解釋方法具有地區(qū)適用性，須在前人研究的基礎(chǔ)上根據(jù)地質(zhì)條件找出合適的測井解釋方法。中揚子湘鄂西地區(qū)在晚奧陶世—早志留世沉積了一套上奧陶統(tǒng)五峰組及下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色泥頁巖，頁巖厚度大、分布廣，由北西向南東方向逐漸減薄[9]。選擇該地區(qū)的LD1井作為研究代表，對龍馬溪組頁巖巖心密集采樣，實驗獲取地化、物性和含氣性方面的參數(shù)。分析并遴選測井資料中與上述地質(zhì)參數(shù)相關(guān)性好的測井曲線，采用合理的計算模型對這些實測參數(shù)進行擬合，利用擬合參數(shù)對目的層段進行綜合評價，并分析含氣量影響因素和變化特征。

1 頁巖氣測井解釋

1.1 TOC測井解釋

頁巖的有機質(zhì)豐度TOC是頁巖氣評價的重要指標(biāo)，決定了頁巖的生氣量和生氣潛力問題。為了建立適合該地區(qū)的TOC測井解釋模型，首先對測井曲線與實測的TOC值做交會分析，相關(guān)性最好的曲線為聲波時差、密度和電阻率，但相關(guān)程度均不高。將這些曲線組合并進行多元線性回歸分析，將各組合模型及其相關(guān)系數(shù)進行分析對比(表1)，可以看出，lgRt、DEN和AC的三元線性組合預(yù)測的TOC與實測TOC的相關(guān)性最好，相關(guān)性達到0.862 3，是該地區(qū)預(yù)測有機碳含量TOC的較好方法。

表1 不同線性回歸方法計算TOC結(jié)果

1.2 孔隙度測井解釋

常規(guī)測井確定地層孔隙度主要利用聲波時差、補償中子和體積密度等孔隙度測井曲線結(jié)合威利公式計算得到。對于頁巖氣儲層，孔隙常存在于碎屑礦物、黏土礦物、干酪根和微裂縫中及其周圍[10]，復(fù)雜的礦物成分和多樣的孔隙結(jié)構(gòu)使單孔隙曲線計算孔隙度有局限性。因此，在實測孔隙度擬合的基礎(chǔ)上建立了三孔隙度曲線線性回歸關(guān)系式：

φ=0.015AC-4.86DEN-0.118CNL+11.796

(1)

式中：φ為巖石孔隙度，%；CNL為補償中子孔隙度，%。

式(1)預(yù)測的孔隙度與實測孔隙度的平均誤差較小，說明擬合方程適用于該地區(qū)。

1.3 含氣飽和度測井解釋

成熟的頁巖孔隙流體含水較少，該地區(qū)以生氣為主，含油飽和度可以忽略不計。可利用阿爾奇公式計算頁巖儲層的含水飽和度，公式如下：

Sw=[abRw/(φm·Rt)]1/n

(2)

Sg=1-Sw

(3)

式中：Sg為含氣飽和度，%；Sw為含水飽和度，%；Rw為地層水電阻率，Ω·m，取0.12 Ω·m；m為巖石膠結(jié)指數(shù)，取2；n為飽和度指數(shù)，取2；a、b為巖性系數(shù)，均取1。

1.4 吸附氣量測井解釋

大量實驗表明，頁巖的吸附遵循Langmuir等溫吸附關(guān)系，Langmuir體積能表示頁巖的最大吸附氣量[11]。利用等溫吸附實驗樣品的最大吸附氣量與對應(yīng)樣品的TOC值做交會圖(圖1)，可看出吸附氣量與TOC呈良好的線性關(guān)系，得到如下吸附氣線性擬合公式：

QA= 0.545TOC+ 1.129

(4)

式中：QA為吸附氣量，cm3/g。

上式中相關(guān)系數(shù)為0.916 7，線性相關(guān)性非常好，利用TOC來擬合吸附氣量具有較高的可靠性。

圖1 等溫吸附氣量與TOC交會圖

1.5 游離氣量測井解釋

游離氣是以游離狀態(tài)賦存在儲層孔隙和裂縫中的天然氣。確定游離氣含量的重要參數(shù)是有效孔隙度和含氣飽和度。計算公式如下：

Qf=φSg/(ρZ)

(5)

式中：Qf為游離氣含量，cm3/g；ρ為該巖石的密度，g/cm3；Z為氣體體積壓縮因子，與深度呈線性關(guān)系。

2 頁巖氣測井綜合評價

對上述測井解釋的預(yù)測TOC、孔隙度、含氣飽和度、吸附氣、游離氣和總含氣量曲線進行綜合分析評價，結(jié)果見圖2。預(yù)測TOC與實測TOC吻合較好，龍馬溪組頁巖TOC為0.42%～4.18%，平均值為1.52%，高TOC值位于龍馬溪組的頂部和底部，能達到4.20%。預(yù)測孔隙度和實測孔隙度同樣具有較高的吻合度，龍馬溪組頁巖孔隙度為0.12%～2.09%，平均孔隙度為1.13%，龍馬溪組底部黑色炭質(zhì)頁巖孔隙度最大，達到2.09%。龍馬溪組含氣飽和度整體很高，除上部地層含氣飽和度為65%左右，其余地層的含氣飽和度在78%左右。龍馬溪組吸附氣含量為0.5～2.4 m3/t，游離氣含量為0.14～0.82 m3/t，兩者比值約為3∶1。總含氣量曲線與實測值總體趨勢一致，平均誤差為0.314 m3/t，在合理范圍內(nèi)，其值為1.057～2.719 m3/t，平均為1.939 m3/t，含氣量高值部分集中在龍馬溪組的上部、中部和底部，達到2.3 m3/t以上?？傮w上龍馬溪組頁巖有機質(zhì)豐度高，具有形成頁巖氣的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。頁巖的孔隙度不高而孔隙含氣飽和度普遍較高，具備一定的儲集條件。含氣量中吸附氣占主要成分，整體上含氣量較大，具有良好的資源潛力。

圖2 測井解釋綜合分析

在分析龍馬溪組頁巖各項參數(shù)的基礎(chǔ)上，以巖性、厚度、TOC、孔隙度和含氣量為主要參考指標(biāo)，可將龍馬溪組劃分出3個頁巖氣層：1號層，896.00～910.40 m，黑色頁巖，平均TOC為1.5%，孔隙度為0.8%，含氣量為1.5 m3/t；2號層，922.30～931.28 m，黑色頁巖，平均TOC為1.02%，孔隙度為0.82%，含氣量為1.83 m3/t。3號層，黑色炭質(zhì)頁巖，941.90～949.10 m，平均TOC為2.17%，孔隙度為1.08%，含氣量為2.66 m3/t。

3 含氣量的主控因素

3.1 TOC與含氣量之間的關(guān)系

TOC與含氣量的正相關(guān)性在很多頁巖研究中被證實。該地區(qū)龍馬溪組頁巖層系有機碳含量和含氣量擬合關(guān)系表明兩者呈很好的線性關(guān)系(圖3a)，相關(guān)系數(shù)達到0.74。TOC與含氣量相關(guān)性好，主要原因是含氣量中吸附氣的比重多，而TOC增加使得可供天然氣吸附的表面積增大，頁巖吸附氣含量隨之增加[12]，如圖3b所示，TOC增加吸附氣含量也隨之增加，TOC和含氣量呈較好正相關(guān)性。但TOC與游離氣的交會圖中沒有看到明顯的相關(guān)性(圖3c)，一定程度上說明游離氣的賦存空間與TOC關(guān)系不大。

3.2 孔隙度與含氣量之間的關(guān)系

由圖4a可知，含氣量與孔隙度呈弱正相關(guān)性，而游離氣量與孔隙度呈明顯正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.86(圖4b)。高含氣飽和度的孔隙體積對游離氣有直接貢獻，但由于含氣量中游離氣占的比重小，因此，總體上孔隙度對總含氣量的影響較小。而吸附氣與孔隙度并沒有很好的相關(guān)性(圖4c)，說明孔隙度增加但能讓吸附氣吸附的孔隙表面積并沒有增加。

圖3 含氣量與TOC關(guān)系

3.3 深度與含氣量之間的關(guān)系

含氣量隨深度的縱向變化規(guī)律前人討論的比較少，利用測井曲線縱向分辨率高的優(yōu)點來研究含氣量隨深度的變化效果顯著，相對于零散的實測數(shù)據(jù)，連續(xù)測井預(yù)測的曲線能充分體現(xiàn)參數(shù)的局部變化特征。

從圖5中預(yù)測TOC和預(yù)測含氣量隨深度變化可以看出，3個層的TOC和含氣量都有層中部大頂?shù)仔〉淖兓?guī)律。層頂?shù)着c砂巖或砂質(zhì)泥巖相接觸，沉積環(huán)境和巖性發(fā)生漸變，TOC變小，含氣量也隨之變小。預(yù)測含氣量與預(yù)測TOC的比值，反映的是單位TOC的含氣能力。圖中3個層段的單位TOC含氣量整體都穩(wěn)定集中在1.5～2.0 m3/t，但到層底部單位TOC含氣量突然變大，其中1號層和3號層表現(xiàn)尤為突出，在層底部2～3 m的厚度范圍內(nèi)，兩者單位TOC含氣量分別從1.7 m3/t左右增加到3.8 m3/t和4.9 m3/t，該現(xiàn)象說明層底部的單位TOC含氣能力強。圖5中3個頁巖層底部的孔隙度都增大，而孔隙度與游離氣正相關(guān)關(guān)系強，說明底部儲集空間大使含氣量中游離氣成分增大，進而單位TOC含氣能力變強。從天然氣逸散方面來說，致密頁巖層段的中上部對頁巖底部自生自儲的頁巖氣來說具有很好的封存能力，而中上部的頁巖氣會由于不具備良好的保存條件，有部分逸散到上部的非致密巖層中。1號和3號層頁巖相對于2號層頁巖較厚，所以其對底部頁巖氣的封存能力相比2號層頁巖要更好，底部的單位TOC含氣量要高。這些現(xiàn)象體現(xiàn)了該地區(qū)龍馬溪組頁巖層底部對頁巖氣具有富集能力。

圖4 含氣量與孔隙度關(guān)系

圖5 TOC、含氣量和孔隙度的深度變化

4 結(jié) 論

(1) 頁巖氣測井解釋需根據(jù)地區(qū)地質(zhì)特征選擇合適的測井曲線和計算模型。湘鄂西地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的實測參數(shù)值與測井預(yù)測參數(shù)值吻合程度高，測井計算模型具有地區(qū)推廣性。測井評價結(jié)果顯示，該地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)豐度高，平均TOC為1.52%，孔隙度較低，平均為1.13%。含氣飽和度整體高，平均為78%。含氣量中吸附氣占主要成分，總含氣量較高，為0.23～3.37 m3/t，平均為1.705 m3/t。綜合各類參數(shù)，將龍馬溪組頁巖劃分成3段頁巖氣層。

(2) 湘鄂西龍馬溪組頁巖含氣量與TOC和孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，TOC與吸附氣正相關(guān)性強，對游離氣影響不大，孔隙度與游離氣正相關(guān)性強，對吸附氣沒有太大促進作用。單位TOC含氣能力和孔隙度在頁巖底部會變高，認為頁巖底部具有更好的儲層空間和封存條件，體現(xiàn)了該地區(qū)龍馬溪組頁巖層底部具有頁巖氣富集能力。

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編輯 劉兆芝

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.004

20150812；改回日期20151120

國家自然科學(xué)基金項目“風(fēng)化作用對我國南方頁巖含氣性影響定量研究——以渝東南龍馬溪組為例”(41102088)

陳康(1988-)，男，2009年畢業(yè)于長江大學(xué)地球物理學(xué)專業(yè)，現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀博士研究生，專業(yè)方向為非常規(guī)油氣地質(zhì)與地球物理研究。

TE122.2

A

1006-6535(2016)01-0016-05