南方地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層工業(yè)組分與有機(jī)碳測(cè)井計(jì)算方法

苗其師

（中石化華東石油局測(cè)井公司，江蘇揚(yáng)州225007）

0 引言

頁(yè)巖氣已經(jīng)成為我國(guó)新興的資源,資源量可觀［1］.頁(yè)巖儲(chǔ)層的工業(yè)組分可簡(jiǎn)化為包括泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、干酪根、孔隙等5部分［2］.侯頡等提出了針對(duì)頁(yè)巖礦物組分測(cè)井分析，并提出了各組分測(cè)井響應(yīng)參數(shù)的獲取方法［3］.潘仁芳等將地球物理化學(xué)測(cè)井引入到頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，提高了應(yīng)用測(cè)井解釋頁(yè)巖礦物組分含量的精度［4］.

本文通過對(duì)南方彭水、黃平、婁底3個(gè)工區(qū)74塊實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析、有機(jī)碳測(cè)定，建立頁(yè)巖儲(chǔ)層五組分體積模型,建立了工業(yè)組分與測(cè)井曲線的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，并通過對(duì)有機(jī)碳含量與深側(cè)向電阻率、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、巖性密度、鈾5條測(cè)井曲線進(jìn)行相關(guān)分析，為消除單測(cè)井曲線受環(huán)境影響的局限性，建立了多元回歸計(jì)算有機(jī)碳含量的計(jì)算公式，這一研究成果應(yīng)用于南方地區(qū)頁(yè)巖氣井的處理，取得了滿意的地質(zhì)效果.

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及儲(chǔ)集性

1.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層特征［5］

與常規(guī)及其他非常規(guī)天然氣藏不同，頁(yè)巖氣藏具有如下6個(gè)方面的地質(zhì)特征［6］：1）源儲(chǔ)一體，頁(yè)巖既是生氣源巖，也是儲(chǔ)集層，成藏過程為持續(xù)充注，原位飽和聚集；2）成因類型多樣，既有生物成因氣、熱成因氣和熱裂解成因氣，也有混合成因以熱成因氣為主；3）頁(yè)巖儲(chǔ)層超致密，孔隙類型多樣，尤其發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，孔隙大小以微—納米級(jí)為主；4）氣體組分以甲烷為主，賦存方式以吸附氣、游離氣兩種方式為主，比例差異較大；5）頁(yè)巖氣分布不受構(gòu)造控制，沒有圈閉界限，但含氣范圍受生氣源巖面積和良好封蓋層控制；6）資源規(guī)模大，豐度低，但存在高豐度的“甜點(diǎn)區(qū)”.

另外，在測(cè)井評(píng)價(jià)方面也與常規(guī)儲(chǔ)層不同，除了與常規(guī)儲(chǔ)層一樣要考慮骨架（鈣質(zhì)和硅質(zhì)）、泥質(zhì)和孔隙外，還必須要考慮到有機(jī)質(zhì).

1.2 氣體在頁(yè)巖中的賦存形式

頁(yè)巖氣在頁(yè)巖中的儲(chǔ)集機(jī)理與常規(guī)天然氣的差別較大.在頁(yè)巖氣藏中，頁(yè)巖氣的賦存方式多種多樣，除極少量溶解狀態(tài)的天然氣儲(chǔ)存于干酪跟、瀝青質(zhì)及石油中外，大部分頁(yè)巖氣以吸附態(tài)賦存于干酪跟、黏土顆粒及孔隙表面，或以游離態(tài)賦存于孔隙、裂縫及其他儲(chǔ)集空間［1］.以吸附態(tài)賦存的頁(yè)巖氣與有機(jī)質(zhì)含量及比表面積密切相關(guān)，且頁(yè)巖具有有機(jī)質(zhì)含量高、比表面積大的特點(diǎn)，吸附天然氣含量在20%～80%之間［8］.如圖1所示.由于頁(yè)巖氣藏孔隙度、滲透率極小，存在與常規(guī)氣藏、煤層氣藏不同的賦存形式，常規(guī)油氣和煤層氣藏含氣量計(jì)算方法都不能有效地進(jìn)行頁(yè)巖氣藏的含氣量計(jì)算，因此需要考慮頁(yè)巖工業(yè)組分及其含量，這樣含氣量計(jì)算才能更準(zhǔn)確.

2 頁(yè)巖工業(yè)組分的計(jì)算

工業(yè)組分計(jì)算首先要確立巖石體積模型，根據(jù)研究區(qū)74塊巖心分析測(cè)試研究表明，三個(gè)工區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層均主要由5部分組成：泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、干酪根和孔隙.本文在測(cè)井評(píng)價(jià)時(shí)直接用有機(jī)碳含量代替干酪根.測(cè)井的巖性密度、補(bǔ)償中子、聲波時(shí)差值等宏觀物理量是由這5部分貢獻(xiàn)之和，進(jìn)而聯(lián)立方程組，確定各部分的相對(duì)含量.巖性密度、補(bǔ)償中子、聲波時(shí)差等測(cè)井參數(shù)與泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、有機(jī)碳以及孔隙體積含量的響應(yīng)方程:

式中，Xlog分別為聲波時(shí)差、密度、中子等測(cè)井?dāng)?shù)值；Vcl、Vs、VL、VTOC、VΦ分別為泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、有機(jī)碳和孔隙體積百分比（小數(shù)）；Xcl、Xs、XL、XTOC、XΦ分別為泥質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)、有機(jī)碳和孔隙流體的聲波、密度和中子值.前人的研究多是用多條曲線直接求解這5部分的體積.然而5部分的5種測(cè)井參數(shù)往往確定不準(zhǔn)引起評(píng)價(jià)的誤差.本文則采用這種5部分的構(gòu)成，充分利用分析資料建立適合于研究區(qū)的關(guān)系式，從而避免參數(shù)選擇及其帶來的誤差.

2.1 泥質(zhì)含量

泥質(zhì)含量是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏質(zhì)量的重要指標(biāo)，通常情況下泥質(zhì)含量小于40%才能有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.常規(guī)測(cè)井中，泥巖的中子、密度測(cè)井曲線響應(yīng)特征與砂巖、碳酸鹽巖等地層差別較大，通常表現(xiàn)為高中子、低密度特征，通過中子-密度曲線重疊可以有效指示泥質(zhì)含量.因此利用中子-密度曲線刻度差值與巖心分析的泥質(zhì)含量建立關(guān)系模型（圖2），其相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.8533.其公式為：

式中，Vcl為泥質(zhì)含量（%）；DCNL為中子-密度刻度差值（%）.

圖1 常規(guī)氣藏與頁(yè)巖氣藏對(duì)比圖Fig.1 Comparison between conventional gas reservoirs and shale gas reservoirs

圖2 DCNL刻度差值與泥質(zhì)含量交會(huì)圖Fig.2 Diagram of DCNL VS.shale content

2.2 硅質(zhì)、鈣質(zhì)含量

利用巖心分析的砂巖、碳酸鹽巖含量與測(cè)井曲線建立關(guān)系.礦物組分與自然伽馬能譜、巖性密度、補(bǔ)償中子和聲波時(shí)差相關(guān)性較好，通過多元回歸的方法建立關(guān)系式（相關(guān)系數(shù)為0.73和0.52），計(jì)算礦物組分含量.測(cè)井計(jì)算成果見圖3（可以看出第5、6道分別為用多元回歸公式計(jì)算的砂巖、碳酸鹽巖含量與巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本重合）.

該方法計(jì)算公式：

Vs、VL分別為砂巖、碳酸鹽巖含量（%），CNL、DEN、AC、KTH為中子、密度、聲波、無(wú)鈾伽馬測(cè)井值.

2.3 干酪根（有機(jī)碳）

干酪根為臘狀有機(jī)物質(zhì)，是沉積有機(jī)質(zhì)的主體，約占總有機(jī)質(zhì)的80%～90%.烴源巖中，有機(jī)質(zhì)豐度在測(cè)井響應(yīng)上有直接的反映，所以利用測(cè)井資料可有效地進(jìn)行評(píng)價(jià).本文通過有機(jī)碳含量來反映該參數(shù).

有機(jī)碳含量（TOC）是評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的主要指標(biāo)，通過對(duì)已有頁(yè)巖氣井測(cè)井資料的綜合分析，采用線性回歸法計(jì)算TOC與巖心化驗(yàn)得到的TOC數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析建立關(guān)系式.

測(cè)井曲線與有機(jī)碳含量的關(guān)系分析研究表明，有機(jī)碳含量與聲波時(shí)差、電阻率、鈾呈一定正相關(guān)關(guān)系，與補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度則呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系.為克服單參數(shù)的局限性，采用逐步判別分析法對(duì)測(cè)井分析的需要，確定利用有機(jī)碳與補(bǔ)償密度和鈾，有機(jī)碳與釷鈾比分別構(gòu)成兩個(gè)二元回歸計(jì)算有機(jī)碳含量的公式.

圖3 測(cè)井計(jì)算骨架礦物含量與巖心分析對(duì)比圖Fig.3 Comparison of matrix contents between log data and core analysis

a.釷鈾比與有機(jī)碳多元回歸，相關(guān)系數(shù)較高，R2=0.859（見圖 4）

圖4 釷鈾比與有機(jī)碳交會(huì)圖Fig.4 Diagram of thorium-uranium ratio vs.TOC

b.密度、鈾與有機(jī)碳多元回歸，相關(guān)系數(shù)R2=0.821.

圖5為利用該方法計(jì)算的有機(jī)碳含量與實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)對(duì)比圖，圖中第5道為測(cè)井計(jì)算的有機(jī)碳含量曲線與巖心分析有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)點(diǎn)基本重合，說明應(yīng)用多元回歸計(jì)算有機(jī)碳含量的精度較高.

圖5 HY1井有機(jī)碳含量計(jì)算成果圖Fig.5 TOC calculation result for well HY1

2.4 孔隙度

中子、密度交會(huì)確定巖性骨架值，采用密度計(jì)算儲(chǔ)層孔隙度.有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)接近于流體，但同時(shí)占據(jù)礦物骨架體積，所以用密度計(jì)算孔隙度消去有機(jī)質(zhì)、泥質(zhì)的影響，計(jì)算模型如下.

式中：ρma為地層骨架密度值（g/cm3）；ρTOC為有機(jī)質(zhì)密度（g/cm3）；ρcl為泥巖密度（g/cm3）；ρf為流體密度（g/cm3）；Φe、Φd為校正后和校正前的孔隙度（小數(shù)）；VTOC、Vcl為有機(jī)質(zhì)和泥巖的體積百分比（小數(shù)）.

3 處理實(shí)例

應(yīng)用上述方法對(duì)南方地區(qū)3口探井進(jìn)行了處理.分別計(jì)算了頁(yè)巖儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量、孔隙度、礦物體積含量等曲線.

1）HY1井：頁(yè)巖孔隙度2.0%，TOC大于4%（圖5）.

2）XY1井：頁(yè)巖計(jì)算孔隙度平均3.5%，TOC在2.9%，該井的巖心實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)與測(cè)井綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致.

3）PY1井：圖6為PY1井的結(jié)果，圖中第5道顯示計(jì)算的有機(jī)碳含量曲線與巖心分析的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本重合，從有機(jī)碳、泥質(zhì)含量、厚度等因素來看都是較好的頁(yè)巖層段，測(cè)井解釋孔隙度大于4%，TOC大于2%，泥質(zhì)含量小于35%.該井測(cè)井計(jì)算的TOC以及孔隙度等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)吻合性較好.

從上述處理實(shí)例成果分析可以看出：建立的頁(yè)巖工業(yè)組分模型和多元回歸公式計(jì)算的頁(yè)巖工業(yè)組分、TOC與巖心實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果基本吻合.

以上方法適用于南方地區(qū)頁(yè)巖工業(yè)組分評(píng)價(jià)，為提高用測(cè)井方法計(jì)算頁(yè)巖含氣量的精度打下了基礎(chǔ).

4 結(jié)論

（1）基于研究區(qū)74塊樣品的分析數(shù)據(jù)建立了頁(yè)巖儲(chǔ)層五元工業(yè)組分體積模型.

（2）對(duì)測(cè)井曲線與頁(yè)巖礦物含量的相關(guān)分析，分別建立了計(jì)算泥巖、砂巖、碳酸鹽巖、孔隙度和有機(jī)碳的多元回歸計(jì)算公式.因此通過測(cè)井曲線完全可以達(dá)到準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁(yè)巖各組分含量的目的.

（3）頁(yè)巖儲(chǔ)層中鈾元素與有機(jī)碳含量存在較好的線性正相關(guān)關(guān)系，多元回歸的釷鈾比與有機(jī)碳含量相關(guān)性更好，擬合系數(shù)（r2）達(dá)0.859；

本文方法可以避免響應(yīng)方程法評(píng)價(jià)頁(yè)巖組分含量時(shí)5種組分多種參數(shù)確定的問題及參數(shù)不準(zhǔn)帶來的評(píng)價(jià)誤差.

對(duì)南方地區(qū)3口頁(yè)巖氣井實(shí)際處理的成果檢驗(yàn)了該方法的有效性.為下一步含氣量的計(jì)算打下了基礎(chǔ).

圖6 PY1井綜合解釋成果圖Fig.6 Comprehensive interpretation for well PY1

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