基于測井資料的頁巖含氣量定量評價

何羽飛,萬金彬,于小龍,程道解,倪軍,陳玉林

(1.中國石油集團測井有限公司,陜西西安710077;2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,陜西西安710075)

0 引 言

目前中國基于測井資料對頁巖含氣量進行準確定量計算還比較薄弱[1-2],頁巖含氣量受到諸如儲層有機碳、礦物組分、溫度、壓力等眾多復雜因素綜合影響,給頁巖氣資源評價工作帶來困難[2]。選取影響頁巖含氣量評價關鍵參數,才能克服目前利用單一因素定量評價含氣量的局限。因此,綜合考慮各影響參數,基于測井資料建立含氣量計算方法并對頁巖含氣量連續性剖面作出準確評價,是頁巖氣儲層評價研究的迫切內容之一[2-4]。

本文將影響頁巖含氣量的各個地質參數進行相關分析,優選出影響含氣量的關鍵地質參數;通過優選的地質關鍵因素建立含氣量計算模型;進一步利用豐富、經濟的測井資料定量評價各個地質關鍵參數;進而通過多因素含氣量模型定量求取頁巖含氣量的連續性剖面。最終實現了利用測井資料對頁巖儲層含氣量進行連續性定量評價的目的,具有簡便、快速、經濟、實用等優越性,能夠為現場試氣層位的優選和區塊“甜點”評價提供有效的技術支撐。

1 頁巖含氣量地質關鍵參數優選及新模型構建

頁巖的含氣量除受沉積環境影響外,還受到熱演化史、埋藏史等因素影響,根據頁巖氣的聚集特征和聚集機理,可將影響頁巖含氣量的眾多控制因素分為內部和外部因素[3-4]。內部因素主要包括頁巖有機碳含量、礦物組分和儲層物性等;外部因素主要有溫度、壓力和深度等[5-9]。不同地質沉積背景下,不同區域各個控制因素對含氣量影響程度有所不同,需要結合區域儲層特征,進行針對性優選研究。

在條件允許的情況下,應盡可能多地考慮各影響參數對頁巖含氣量影響,以達到更好地預測效果[10]。由于同一區塊溫度和深度變化不大,在進行參數優選時不將其列入其中考慮。結合X區塊頁巖氣儲層特征和實際條件,對各個影響參數分別與實驗測試的含氣量進行單因素相關性擬合分析,優選擬合相關系數較高的影響參數。

從內部和外部影響因素等各個影響指標與總含氣量的相關關系圖可知,總含氣量與地層壓力、孔隙度呈正相關,與密度呈負相關,擬合相關系數較高,最終優選為研究區總含氣量評價指標(見圖1)。從各個影響指標與吸附氣量的相關關系圖分析可知,吸附氣與有機碳、比表面呈正相關性,與密度呈一定的負相關性(見圖2),且擬合相關系數較高,最終優選為吸附氣量的評價指標。

圖1 優選評價指標與總含氣量的相關關系

圖2 優選評價指標與吸附氣量的相關關系

基于以上巖心數據分析,優選影響總含氣量的地層壓力、孔隙度以及密度作為最終評價地質關鍵參數,建立總含氣量復雜函數計算模型。優選影響吸附氣量的有機碳、密度以及比表面地質關鍵參數,建立吸附氣量復雜函數計算模型。通過含氣量模型分別計算出總含氣量與吸附氣含量,兩者之差便可獲得游離氣含量,最終達到預測含氣量的目的[7-10]。

Vt=f(pp,ρ,φ)

(1)

Va=(ρ,TOC,S)

(2)

Vf=Va-Vt

(3)

式中,Vt、Va、Vf分別為頁巖總氣量、頁巖吸附氣量、頁巖游離氣量,m3/t;ρ為頁巖密度,g/cm3;pp為地層壓力系數;φ為孔隙度,%;TOC為總有機碳含量,%;S為比表面,m2/g。

2 頁巖含氣量新模型測井定量計算及應用

2.1 頁巖含氣量新模型測井定量計算

2.1.1 有機碳含量測井評價

頁巖的總有機碳含量(TOC)是影響頁巖吸附氣體能力的主要因素之一,TOC較高的頁巖對吸附態頁巖氣具有更高的存儲能力,TOC越高,頁巖氣的吸附能力就越大。

X區塊由于取心層段有限,為了獲取未取心井段烴源巖中有機碳含量,采用測井方法,建立研究區有機碳與相關測井曲線的數學模型。目前根據有機碳含量測井計算的手段和方法,在X區塊進行應用,單一測井密度法(見圖3),兩元測井核磁共振—密度法(見圖4)效果較好,并進行了有機碳含量測井定量計算。

圖3 單一因素測井評價TOC

圖4 兩元因素測井評價TOC

2.1.2 地層壓力測井評價

一般情況下,在一定范圍內地層壓力與頁巖儲層的含氣量呈正相關關系,在盆地內部,壓力系數一般較高,保存條件較好,總含氣量較高;反之,壓力系數一般較低,保存條件較差,總含氣量較低[9-12]。

目前,有多種測井系列都能較好地反映地層孔隙壓力。該區塊選用資料來源最廣的聲波時差資料,應用效果最好。對于頁巖欠壓實機理產生的異常壓力,首先需要建立聲波時差的正常壓實趨勢線,通過正常壓實趨勢線與實際測井聲波時差進行對比,求取地層壓力(見圖5)。Eaton法綜合考慮了壓實作用以及其他高壓形成機制作用[12],并建立與聲波時差之間的關系

pp=po-(po-pw)(Δtn/Δt)c

(4)

式中,pp為地層壓力,MPa;po為上覆地層的靜巖壓力,MPa;pw為地層水靜液柱壓力,MPa;Δt為觀察點測井實測;Δtn為同一深度正常壓實趨勢線上的對應值;c為壓實指數。

圖5 Δt與深度的關系曲線*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖6 X區塊頁巖氣Y井地層壓力測井預測圖

壓力異常和含氣性都會引起縱波時差增大,在預測孔隙壓力前,應該對縱波時差進行校正,消除含氣影響[11]。橫波時差受氣體影響較小,當橫波速度確定時,通過不含氣頁巖層段的縱波、橫波時差關系模型可求取縱波時差,并得到不受氣體影響的縱波時差,從而實現含氣性校正,才能更好實現壓力預測。

2.1.3 孔隙度測井評價

常規儲層評價研究中,物性參數是評價儲層特征的主要參數,對于非常規頁巖氣儲層也同樣適用。頁巖的物性參數孔隙度主要影響著頁巖的含氣量。孔隙是頁巖中氣體的儲集空間,孔隙大小很大程度上決定著頁巖的儲能大小,它主要控制著頁巖游離氣的含量[10-13]。

由于頁巖氣儲層中含有一定量的有機質,有機質的性質接近于流體,但占據礦物骨架體積,使孔隙結構變得復雜,因此,傳統三孔隙度算法已不能準確求取泥頁巖孔隙度。

通過對密度孔隙度作類似于泥質校正的方法進行校正以后的孔隙度,接近于頁巖氣儲層的真實有效孔隙度,故提出以下孔隙測井計算模型[12-15]

(5)

式中,φe為有效孔隙度,%;φd為密度孔隙度,%;VTOC為有機質體積,%;Vsh為泥質含量,%;ρma為骨架密度,g/cm3;ρTOC為有機質密度,g/cm3;ρf為流體密度,g/cm3。

2.1.4 比表面積測井評價

孔隙比表面控制著吸附氣含量,由于頁巖氣儲層干酪根中微孔隙的發育,微孔隙表面積對甲烷有較強的吸附能力。頁巖儲層比表面積的構成較為復雜,它與總有機碳、巖石組分、礦物成分以及黏土礦物的內表面積和外表面積等因素密切相關。

通過交會分析,比表面積與有機碳和孔隙結構相關關系高,建立相關函數關系(見圖7、圖8),并進一步通過測井資料定量評價比表面積。

圖7 比表面積與TOC關系

圖8 比表面積與孔隙結構系數關系

2.2 實例應用

針對頁巖氣X區塊通過對優選的地質關鍵因素分別與總含氣量和吸附氣量進行數學關聯性分析并建立含氣量模型。基于豐富的測井資料定量求取影響含氣量各地質關鍵參數連續性剖面。方法應用于X區塊Y2井,模型方法與實驗方法的計算結果較為一致(見圖9)。實現了利用測井資料對頁巖氣儲層含氣量進行連續性剖面定量評價的目的。

圖9 X區頁巖氣Y2井含氣量測井評價

3 結 論

(1)從各個影響指標與含氣量的相關關系圖分析,總含氣量與地層壓力、孔隙度呈正相關,與密度呈負相關,最終優選為研究區總含氣量評價指標;吸附氣與有機碳、比表面呈正相關性,與密度呈一定的負相關性,且擬合相關系數較高,最終優選為吸附氣量的評價指標。

(2)通過優選的含氣量地質關鍵影響參數建立含氣量新模型,進一步實現利用測井資料對頁巖儲層含氣量進行連續性剖面的定量評價,根據新模型公式計算的含氣量與實驗測試的含氣量值吻合較好,說明達到預測頁巖含氣量的良好效果。