頁巖氣儲層測井評價技術研究與應用現狀

冷 玥，趙迪斐，郭英海，李艷芳，崇 璇，周道生.

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116；2.中國科學院自然科學史研究所，北京 100190；3.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221008；4. 南京大學 地球科學與工程學院，江蘇南京 210023；5.中國石化石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇無錫 214126)

頁巖氣是賦存于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以熱成熟作用或連續的生物作用為主以及兩者相互作用生成而聚集在烴源巖中的天然氣[1-3]。我國具有豐富的頁巖氣資源儲量，但頁巖氣儲層儲集空間小，具有自生自儲、非均質性強的特點，其評價研究具有一定難度[4-7]。

地球物理測井能快速高效獲取多種地層信息，有效識別儲層并對其進行評價[8-10]，相較于復雜且昂貴的鉆井取心與巖心分析，將測井技術應用于頁巖氣儲層研究具有快速高效的優勢[11-13]，可確定頁巖氣儲層的巖性、孔隙度和滲透率、評價儲集層的有機碳含量、熱演化程度、含氣飽和度、儲集層厚度等[14-16],并與成像技術結合直觀顯示地層裂縫、孔隙等情況[17-18]。

近年來，國內外在頁巖氣測井技術及儲層測井評價技術等方面取得了很多技術研究與應用實踐的進展。頁巖氣商業化開發后，美國墨菲石油公司(Murphy oil)的 LeCompte 等(2010)根據頁巖氣儲層巖性復雜、非均質性強等特點，提出了適用于頁巖氣儲層評價的測井系列[19-20]，斯倫貝謝公司(Schlumberger) 最新儀器元素掃描測井可直接獲取碳元素含量[21]，貝克休斯公司采用常規和成像測井結合評價頁巖氣儲層，并開發應用常規測井軟件平臺Platform Express[1]，斯倫貝謝旗下的 TerraTek公司開發了一種被稱為致密巖石分析(TRA)的巖石熱解分析技術，對巖石顆粒密度、孔隙度、流體飽和度、滲透率和含氣頁巖總有機質含量等進行分析和描述[22]。國內張培先(2011)基于對川東南海相地層頁巖氣評價研究，提出了計算頁巖游離氣含量“四步法”和吸附氣含量“三步法”[23]；謝慶明，程禮軍等(2013)綜合巖心分析、常規測井和特殊測井資料對渝東南黔江地區龍馬溪組頁巖氣儲層建立了測井解釋模型[24]；王濡岳，冷濟高等(2015)綜合常規測井、元素測井、核磁共振測井等方法對上揚子地區下寒武統牛蹄塘組優質頁巖儲層進行測井識別和評價[25]，冉偉、劉向君等(2015)利用自然伽馬能譜對川東南地區龍馬溪組頁巖進行了TOC評價[26]。本文結合前人成果，綜述不同類型測井技術的原理及頁巖氣響應特征，總結頁巖氣測井識別的成圖方式和儲層評價方法，以期為相關研究提供參考。

1 頁巖氣測井類型、原理及響應特征

1.1 頁巖氣常規測井

常規測井以地層電性、放射性、聲波傳播特性等為基礎，常用的方法有電阻率測井、核測井、聲速測井、井徑測井等。

(1)電阻率測井。

電阻率測井主要反映巖層電阻率大小。頁巖氣儲層中，泥質和水的增加使電阻率降低，但所含氣體使電阻率迅速增高，反映在測井曲線上為低異常反映區域中夾雜局部高異常反映。

(2)核測井。

核測井又稱放射性測井，按探測射線來分，可分為伽馬法和中子法兩大類[11]。在頁巖氣儲層評價中常用的有自然伽馬測井、密度測井、巖性密度測井、中子-伽馬測井等。

自然伽馬測井記錄地層自然伽馬射線強度或能量，反映的是地層中天然放射性物質的多少。通常情況下，頁巖氣儲層中泥質和有機質含量高，自然伽馬曲線呈現高異常反映。密度測井測定的是散射伽馬射線強度，當伽馬源能量為中等時，散射伽馬射線強度與地層密度有密切關系，間接反映巖層密度差異。一般而言，頁巖氣儲層結構較松散，有機質、氣體、裂縫的存在使得密度曲線呈現低異常反映。巖性密度測井記錄的是地層的光電吸收截面指數和電子密度指數。烴類和氣體具有較低的光電吸收截面指數，巖性密度曲線呈現低異常反映。中子-伽馬測井記錄的是中子被原子核俘獲后所放出的伽馬射線強度。中子-伽馬射線強度決定于巖層的含氫量，而含氫量又反映了巖層孔隙率的大小。頁巖氣儲層的孔隙、裂隙發育和有機質的存在令中子-伽馬曲線一般表現為高異常反映。但中子-伽馬測井受井的影響較大，必須與其他測井資料綜合研究對比。

(3)聲速測井。

聲速測井記錄的是聲波在巖層中傳播的聲波時差。頁巖氣儲層泥質含量較多，有機質和氣體的存在等令聲速測井曲線呈現高異常反映，在裂縫處還常伴有周波跳躍現象。聲速測井還常用于劃分地層，對于層序識別難度較大、宏觀均質性較強的頁巖儲層，聲速測井可以為地層劃分、層序研究、儲層控制影響因素研究等提供科學依據。

(4)井徑測井。

井徑測井反映的是井眼情況。頁巖氣儲層泥質含量較多，存在有機質和裂縫，常表現為擴徑現象，在含頁巖地層層系中，井徑測井可以協助識別頁巖層系位置并劃分巖性。

1.2 頁巖氣特殊測井

當常規測井不能完全滿足評價要求，特殊測井技術，如 ECS、FIM 等，可更有針對性地解決礦物成分確定、物性參數評價等定量評價難題[3]。

(1)元素俘獲測井(ECS)。

ECS是目前唯一能從巖石組分角度解決巖性組分問題的測井方法[17]。該技術與中子-伽馬測井原理相似，對得到的伽馬射線根據不同元素各自峰值進行解譜，獲取地層中最重要的6種元素(Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd)的相對含量[1]，是評價地層性質、計算礦物組分的重要方法。ECS測井目前在國外頁巖氣勘探開發中對巖石礦物解釋具有重要作用，斯倫貝謝公司綜合應用ECS和Platform Express實現了巖氣儲層礦物組分的評價[27]。

(2)井周聲波-電阻率成像測井。

井周聲波-電阻率成像測井直觀反映井筒的地質特征，具有高分辨率、高井眼覆蓋率和可視性特點[17]，可以為頁巖儲層的巖性識別與裂縫分析等提供基礎依據。雷茂盛(2007)、丁文龍(2009)、莫修文(2011)、齊寶權(2011)、李啟翠(2013)等先后將聲-電成像測井應用于判斷裂縫類型、識別地層結構構造、確定裂縫產狀和獲取裂縫定量參數，取得良好效果[31-34]。

(3)核磁共振測井。

核磁共振測井是在外加磁場作用下，測量地層孔隙中可動流體氫核的弛豫時間，它只與地層的空隙大小和結構有關，與流體性質及巖性無關，是獲取準確孔隙度的重要方法。核磁共振(NMR)測井在頁巖儲層的關鍵參數計算與流體性質判別中逐步得到應用，LeCompte(2010)利用核磁共振測井(NMR)計算了頁巖孔隙度，計算結果與巖心分析值高度-致[35]。

(4)交叉偶極陣列聲波測井。

交叉偶極陣列聲波測井利用陣列聲波得到巖層的縱橫波速度，是計算巖石力學參數的重要手段。高坤(2007)、賴富強(2007)、朱玉林(2007)、王麗忱(2013)等利用陣列聲波測井結合密度測井資料計算出巖石的彈性力學參數和巖石強度參數，并進一步計算出巖石的破裂壓力[36-37]。

1.3 測井系列的優化組合

(1)標準測井系列。

標準測井系列可用于對比頁巖儲層的區域地層、識別頁巖層位，是頁巖氣地質普查、勘探與開發必不可少的測井方法組合。原則上，標準測井系列一般包括電阻率測井、自然伽馬測井與自然電位測井，部分區域視情況可增加聲測井[1]。

(2)評價測井系列。

評價測井系列被應用于準確評價頁巖氣層特征，在頁巖氣普查、勘探、開發各階段略有差異。常用的評價測井系列包括單孔隙度測井系列與三孔隙度測井系列，單孔隙度測井系列包括的測井方法含有標準測井系列與井徑測井、側向測井和感應測井；三孔隙度測井系列包括的測井方法除單孔隙測井系列外，還包括巖性密度測井和補償中子測井；當常規測井不能滿足評價要求時，應用中還可以補充特殊測井類型。

2 頁巖氣識別方法

2.1 常規測井曲線

常規測井曲線上，頁巖氣儲層總體表現為“三高兩低一擴”的基本特征[10]，即高自然伽馬值，高聲波時差值、電阻率局部高值、低密度值、低巖性密度值和擴徑特征 (圖1)。利用自然伽瑪、電阻率、中子孔隙度、聲波時差和感應測井的測井組合，可以識別出龍馬溪組頁巖氣儲層，與實際開采情況一致性好[38]。

2.2 交會圖和Z值圖技術

交會圖以兩種測井方法資料為變量，突出巖性、物性等不同特征，以達到識別頁巖氣、減少多解性的目的，利用自然伽馬和電阻率交會圖，可識別高自然伽馬、高電阻率區的頁巖氣層；自然伽馬和泥質含量交會圖，可圈定自然伽馬數值大、泥質含量變化不大的頁巖氣層區；聲波時差(DT)和電阻率值(取對數)交會圖可確定頁巖分界線，區分巖性(如圖2)[29]等。

Z值圖則是以三種測井方法資料為變量，以達到識別優質頁巖氣儲層的目的，如密度-中子-電阻率Z值圖，可識別高石英含量、大孔隙度、高電阻率的優質頁巖氣儲層，可以為頁巖儲層的科學評價提供科學依據[1]。

圖1 頁巖儲層測井曲線圖(據)Fig.1 Well logging curve of shale reservoir (according to[28])

2.3 聲速與電阻率疊合法

將聲速測井曲線與電阻率曲線進行疊加，以的變化差異反應烴源巖有機物質的情況[30]，是國內外利用測井資料識別烴源巖的最常用方法[1]。

2.4 成像測井和巖心法

成像測井通過地球物理成像，實現對井周巖石的表征，主要包括井壁成像、井邊成像和井間成像，所利用的基本原理主要包括電阻率成像、聲波成像、電磁波成像、電阻率成像、熱中子成像。成像測井和巖心法是結合巖心資料在整個井筒長度范圍內進行電阻率成像和井筒地層傾角分析，以識別層理和裂縫。

2.5 光電吸收截面指數法

光電吸收截面指數法定義了一個與電子光電吸收截面成正比的參數Pe，該參數與能量無關，可以為巖性判別提供基礎依據，主要是通過巖石的平均原子序數反映巖性。應用光電吸收截面指數法可以結合光電吸收截面指數與自然伽馬、中子、密度測井值，建立含氣頁巖地層模型，以估算儲層礦物成分，突出層段的巖性信息。

2.6 人工神經網絡法

人工神經網絡法是一種常用的運算模型，由關鍵節點(或稱神經元)及其之間相互聯接構成。測井相應與實際的地層信息間的相應是高度非線性的，應用人工網絡算法則是處理這些非線性關系的有效手段，應用人工網絡算法綜合分析測井資料，可以英語頁巖礦物組分的識別[1]。

圖2 聲波時差—電阻率交會圖(據[28])Fig.2 Intersection of acoustic time difference and resistivity (according to[28])

3 頁巖氣儲層評價方法

3.1 頁巖氣儲層物質成分評價

頁巖氣儲層物質成分包括有機質、石英等脆性礦物、粘土礦物、水分等，其中地層的砂質含量、泥質含量、孔隙度和干酪根含量等是最為重要的核心參數。

測井資料的多解性和頁巖氣層的復雜性，使得僅僅通過測井資料定量計算地層組分缺乏準確性，因此必須結合實際地質條件，建立相應地質模型對測井資料的解釋進行約束，從而建立最優化多礦物反演模型，識別和計算頁巖氣儲層物質成分。

3.2 頁巖氣儲層有機地化特征

(1)總有機碳含量(TOC)。

總有機碳含量(TOC)是頁巖氣儲層含氣量的重要影響因素。常用的TOC評價方法包括自然伽馬測井-密度測井資料法、變量疊合圖法、干酪根轉換法等。

自然伽馬測井-密度測井資料法是基于TOC與自然伽馬測井值以及密度測井值的良好相關性，利用線性相關關系計算TOC。 變量疊合圖法是將兩類測井曲線，如電阻率與孔隙度曲線進行疊合，根據兩曲線的差異計算TOC。干酪根轉換法主要是是利用干酪根與TOC的轉換關系計算出儲層的TOC參數值[1]，如貴州下寒武統牛蹄塘組富有機質頁巖TOC測井計算中，研究人員選取了自然伽馬(GR)、鈾(U、釷(Th)、鉀(K)、密度、聲波時差、補償中子(CNL)與電阻率(lgR)8個參數進行回歸分析，效果較好[27]。

(2)熱成熟度指數(MI)。

熱成熟度指數(MI)也是頁巖生氣量的重要指標，含氣頁巖成熟度越高，說明頁巖儲層經歷的熱演化充分，頁巖儲層本身所產生、賦存的頁巖氣體也往往越多。綜合利用密度、中子、電阻率測井資料，可綜合預測出儲層的熱成熟度指數(MI)值[1]。

3.3 頁巖儲氣層物性參數評價

(1)滲透率、孔隙度和飽和度。

滲透率、孔隙度和飽和度是頁巖儲氣層最為重要的物性參數。孔隙度可直接利用常規測井曲線計算得到；滲透率的計算較為復雜，常用的計算方法包括基于致密多孔介質的標準哈根-泊肅葉公式法、基于經驗的克林肯伯格公式法以及基于滲透率與孔隙度關系的巖心法；飽和度的計算則可利用阿爾奇公式進行估算[1]。

(2)吸附氣和游離氣含量。

頁巖氣包括吸附氣與游離氣。頁巖含氣量的測量母目前缺少專門的行業標準，主要參照煤層氣行業中的測量方法，結合頁巖的特性對參數等做相應修改調試。頁巖吸附性、含氣性影響因素復雜[39]，吸附氣含量的計算，目前主要采用的等溫吸附模擬實驗法，即根據巖性、物性、礦物組成、有機質含量等，選取合適的樣品參數、實驗條件進行等溫吸附模擬實驗，將得到的實驗數據換算為蘭格繆爾體積和蘭格繆爾壓力后，經過溫度校正計算氣體體積。游離氣含量的計算可據其與地層孔隙度、含氣飽和度的關系計算得到[1]。聶海寬等(2012)選取TOC、總烴含量、石英含量、粘土礦物含量、孔隙度、密度、黃鐵礦含量和碳酸鹽含量8個參數擬合計算了四川盆地周緣下古生界龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖的含氣量，并指出TOC和孔隙度對頁巖氣含量的影響[40]。

4 存在問題及前景展望

4.1 存在問題

我國在頁巖氣地質評價方面已取得較大進展，但仍存在以下問題：

(1)我國頁巖氣真實的資源總量和分布情況并未完全掌握[41]，頁巖氣儲層地質特征、成藏機理認識有待提高[42]，不同地區測井資料與老井資料利用不足[27]，動態及靜態信息綜合不夠[39]。

(2)我國在常規測井資料分析與解釋方面處于國際先進水平，但針對非常規油氣儲層評價的專項測井技術、儀器和方法研究等方面與國外尚有一定差距[27]。

(3)我國頁巖氣地質條件復雜，海相、陸相及海陸過渡相頁巖氣儲層差別較大、非均質性和各向異性較強[27]，極大地限制了某區測井評價方法在其他地區的推廣。

4.2 前景展望

(1)加強資料收集及挖掘。結合巖心測試與測井數據，巖心測試科學且直觀，測井信息量大、數據處理及時，二者有效結合，可以起到事半功倍的效果[43]；創新應用現代數學理論，如分形、模糊數學、神經網絡等，提高數值模擬精度；綜合多種方法充分提取老井資料有用信息。

(2)創新發展測井新技術新方法。結合地震技術和測井方法，通過建立測井曲線與地震響應的關系，勘探頁巖氣層[41]，是一個重要研究方向；高精度地層元素測井使用高性能大尺寸溴化鑭晶體伽馬光子探測器和脈沖中子發射技術, 能顯著提高地層元素測井的分辨率和測量精度[44]；水平井鉆井技術能鉆遇更多物性較好的儲層[45]，在我國已得到較好發展[46]，亟需針對水平井測井的曲線響應與解釋評價的進一步研究。

(3)實現方法的系統化與特殊化。我國頁巖氣地質條件比北美盆地更加復雜，在借鑒國外先進經驗的基礎上，開展適合我國頁巖氣成藏特點的勘探技術研究[41]，創立針對我國不同地質狀況的普遍性、高精度方法體系是未來發展的重難點。

(4)積極研發高精度測井新儀器，豐富測井評價解釋軟件，發展針對我國地質條件的測井評價領域的標桿企業[46]。

(5)針對頁巖的測井研究起步較早，但在頁巖氣商業化生產之前，對頁巖的測井研究主要是對頁巖測井信號分析與評價的研究，而并不針對儲層特征[47]。發揮頁巖測井分析在儲層預測、評價、分析中的連續性優勢，對如何精準預測儲層礦物組分、有機質特征、微觀結構、含氣性、物性等展開針對性研究，建立適用于我國特定、特殊頁巖儲層的預測與評價方案。

5 結語

測井技術在頁巖氣儲層評價研究中具有重要意義。常規測井之間以及常規測井與特殊測井的組合，大大減少了測井資料地質解釋的多解性，增強了巖層地質特征解釋的準確性和直觀性。應用測井資料，以多種成圖方式和方法互為補充，可以有效提高頁巖氣儲層識別的精確性，實現頁巖氣儲層物質成分、有機地化特征、物性參數等重要指標的準確全面評價，為經濟快捷地實現頁巖氣儲層評價提供基礎依據，為頁巖氣勘探開發提供參考。