基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度確定方法及應(yīng)用

任 元，楊金良，毛 琳，楊彥波

（1.中國石化江漢石油工程有限公司測錄井公司，湖北 潛江433123；2.長江大學(xué)，湖北 武漢430100；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司，河北 任丘062550）

頁巖含氣飽和度是頁巖儲層評價的一個關(guān)鍵參數(shù)，也是評估頁巖儲量的一項重要指標(biāo)。在頁巖氣勘探開發(fā)錄井與測井服務(wù)過程中，傳統(tǒng)的頁巖氣儲層含氣飽和度是采用阿爾奇法來求取的。

1 問題的提出

采用阿爾奇法求取頁巖儲層含氣飽和度，主要是根據(jù)頁巖儲層測井電阻率、孔隙度及區(qū)域地層水電阻率資料等，利用阿爾奇公式求取的?；诎柶娣ㄇ笕〉捻搸r儲層含氣飽和度被稱為“電阻率法含氣飽和度”。

采用阿爾奇法求取頁巖儲層含氣飽和度的前提條件是，僅有地層水導(dǎo)電，構(gòu)成地層骨架的礦物成分不導(dǎo)電。然而，由于頁巖儲層中存在導(dǎo)電礦物黃鐵礦及含量較高的地層束縛水或頁巖“石墨化”等因素，使得頁巖儲層電阻率異常變小，計算得到的頁巖儲層含氣飽和度準(zhǔn)確度低，可靠性差。

針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，筆者提出了一種基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度確定方法，這種方法不僅能為頁巖儲層含氣飽和度的確定提供可靠資料，提高確定符合率，而且能提高低電阻率條件下頁巖儲層含氣飽和度確定的可靠性。

2 方法原理

2.1 基本方法

基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度主要是通過地化錄井儀測量，或是根據(jù)聲波時差、電阻率、巖性密度等測井資料計算獲得的TOC資料來確定的。采用這種方法得到的頁巖儲層含氣飽和度被稱為TOC含氣飽和度。為區(qū)別其它方法確定的含氣飽和度，可用Sgtoc表示，為方便通用，也多直接用Sg表示。

基本方法是：依據(jù)地層巖性、氣測甲烷、鉆時和測井自然伽馬及密度曲線變化等來劃分頁巖氣顯示層；讀取頁巖儲層TOC曲線數(shù)據(jù)，選取處于同一頁巖段內(nèi)相鄰的非儲層TOC平均值，作為該頁巖儲層的TOC背景值；根據(jù)地區(qū)不同分類選取區(qū)域頁巖儲層含氣飽和度指數(shù)n，由特定公式求取頁巖儲層段的含氣飽和度Sg；輸出計算結(jié)果（圖1）。

圖1 方法實現(xiàn)框圖

2.2 實施步驟

1）通過地化錄井儀測量或測井資料計算獲取TOC資料。

2）錄井儀TOC曲線數(shù)據(jù)顯示的步長為1點／m～1點／0.1m，測井TOC曲線資料記錄步長為2點／m～1點／0.1m。

3）依據(jù)地層巖性、氣測甲烷、鉆時和測井自然伽馬及密度曲線變化等因素來劃分頁巖氣顯示儲層。

4）讀取頁巖儲層TOC曲線數(shù)據(jù)，用TOCt（%）表示。

5）選取處于同一頁巖段內(nèi)相鄰的非儲層TOC平均值，作為該頁巖儲層的TOC背景值，用TOCb（%）表示。當(dāng)TOCt取錄井?dāng)?shù)據(jù)時，TOCb取對應(yīng)的錄井背景數(shù)據(jù)，當(dāng)TOCt取測井?dāng)?shù)據(jù)時，TOCb取對應(yīng)的測井背景數(shù)據(jù)。

6）根據(jù)地區(qū)不同分類選取區(qū)域頁巖儲層含氣飽和度指數(shù)n，范圍為2～3。

7）公式：

由公式（1）求取頁巖儲層段的含氣飽和度Sg，Sg用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。基于TOC求取的頁巖儲層含氣飽和度被稱為TOC含氣飽和度。

8）輸出計算結(jié)果，供用戶評價儲層性質(zhì)時采用（圖2）。

圖2 方法實施詳細(xì)步驟流程圖

一般情況下，頁巖氣層的含氣飽和度Sg≥50%，頁巖儲層巖性為頁巖或泥巖，粒徑＜0.004mm，氣測甲烷含量在基值的基礎(chǔ)上增加1% 以上，TOC＞0.5%，具有低鉆時、高自然伽馬和低密度等特征。

2.3 n值確定方法

頁巖氣層的最小含氣飽和度被定義為0.5或50%，即區(qū)域頁巖氣層錄井、測井TOC最小值TOCtmin與TOCb存在下列關(guān)系：

式（3）中Kcmin為頁巖氣層的TOC最小比值。

3 應(yīng)用實例

基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度確定方法，已在中揚(yáng)子地區(qū)建南氣田、涪陵頁巖氣田的26口井中得到應(yīng)用。其中，解釋處理了低阻頁巖氣儲層23口井，在該類儲層評價上顯示了獨特的優(yōu)勢。

3.1 實例一：建南氣田A井

A井是在建南氣田鉆探的1口頁巖氣試驗井，目的層位于侏羅系東岳廟段。在侏羅系東岳廟段610.0～645.0m進(jìn)行測錄井時，發(fā)現(xiàn)在該井段存在頁巖氣顯示良好的儲層，其主要巖性為灰色、灰黑色頁巖。

通過地化錄井儀測量得到的TOC數(shù)據(jù)顯示，步長為1點／m，全烴、甲烷由基值0%上升到9.85%。依據(jù)氣測全烴、鉆時和測井自然伽馬、密度曲線等將該層段劃分為頁巖儲層。元素錄井顯示該層段不含導(dǎo)電礦物黃鐵礦。

610.0 ～645.0m井段的TOC數(shù)值是在1.0%～2.0%，600.0～610.0m井段的TOC數(shù)值為0.1%～0.3%，平均為0.2%；610.0～645.0m井段頁巖儲層的TOC背景值TOCb取0.2%。

確定n值：建南地區(qū)東岳廟段頁巖氣層，TOCtmin＝0.8%，TOCb＝0.2%，由式（4）計算得n＝2.0。

根據(jù)式（1）計算東岳廟段610.0～645.0m井段的含氣飽和度Sg。輸出結(jié)果：610.0～645.0m井段，計算含氣飽和度Sg為55.0%～68.0%，解釋為二類氣層；利用阿爾奇法計算的含氣飽和度Sg是在50.0%～60.0%，解釋為二類氣層。二者計算得到的含氣飽和度基本接近，解釋結(jié)果一致（圖3）。

圖3 A井610.0～645.0m井段頁巖含氣飽和度對比圖

完井壓裂試氣，日產(chǎn)天然氣2 100～3 900m3。這些資料說明本發(fā)明計算的含氣飽和度與地層實際情況是相符的。

3.2 實例二：涪陵頁巖氣田B井

B井是在涪陵頁巖氣田焦石壩工區(qū)鉆探的1口頁巖氣參數(shù)井，目的層位為志留系龍馬溪組下部－奧陶系五峰組。進(jìn)行測錄井時，在2 340.0～2 415.0m井段發(fā)現(xiàn)有頁巖氣顯示，氣測全烴、甲烷由基值0.10%上升到2.13%。依據(jù)氣測全烴、鉆時和測井自然伽馬、密度曲線等將該層段劃分為典型頁巖儲層，巖性主要為黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖。

通過測井資料計算獲取的TOC資料顯示：步長是1點／0.1m；2 340.0～2 377.0m 井段的 TOC數(shù)值為1.0%～2.0%，2 377.0～2 415.0m 井段的 TOC數(shù)值為2.0%～4.6%，2 330.0～2 340.0m 井段的 TOC數(shù)值為0.1%～0.3%；2 340.0～2 415.0m 井段頁巖儲層的TOC背景值取0.2%。元素錄井顯示局部含導(dǎo)電礦物黃鐵礦，含量為2.0%～5.0%。

確定n值：涪陵地區(qū)志留系龍馬溪組下部－奧陶系五峰組頁巖儲層，與北美地區(qū)和建南東岳廟段頁巖氣層對比應(yīng)為氣層，TOCtmin＝0.8%，TOCb＝0.2%，由式（4）計算得n＝2.0。

根據(jù)式（1）計算2 340.0～2 415.0m井段的含氣飽和度（圖4）。

圖4 B井2 340.0～2 415.0m井段頁巖含氣飽和度對比圖

輸出結(jié)果：2 340.0 ～2 377.0m 井段，基于 TOC計算的含氣飽和度Sg為55.0%～68.0%，解釋為二類氣層，利用阿爾奇法計算的含氣飽和度Sg為10.0%～60.0%，且多數(shù)在10.0%～35.0% 之間（依據(jù)阿爾奇法計算的含氣飽和度不能判斷為氣層 ）；在2 377.0～2 415.0m井段，利用TOC資料計算的含氣飽和度Sg 68.0%～79.0%，解釋為一類氣層，利用阿爾奇法計算的含氣飽和度Sg為10%～70%，且多數(shù)在10.0%～35.0%之間。這些數(shù)據(jù)表明基于TOC計算的含氣飽和度明顯高于用阿爾奇法計算的含氣飽和度。

B井為側(cè)鉆水平井，水平段長1 008m，分15段進(jìn)行壓裂試氣，日產(chǎn)天然氣21.3×104m3。這一事實不僅說明基于TOC計算的含氣飽和度與地層實際情況是相符的，而且在頁巖儲層含有導(dǎo)電礦物的情況下更具有明顯的實用優(yōu)勢。

4 結(jié)論及建議

1）基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度確定方法在一定程度上解決了低阻頁巖儲層的含氣飽和度問題。

2）基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度確定方法，已應(yīng)用于中揚(yáng)子地區(qū)建南氣田、涪陵頁巖氣田的26口井，能滿足現(xiàn)場測錄井生產(chǎn)需要。

3）基于TOC的頁巖儲層含氣飽和度確定方法還需要不斷完善，其適用范圍也有待拓展。

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