基于氣測錄井的頁巖氣地層含氣量計算方法

郭 瓊 蔡 君 宋慶彬 劉 龍 王鎖濤 李瑜琴 張 勇

(①中國石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國石油杭州地質(zhì)研究院；③中國石油渤海鉆探科技開發(fā)處；④中國石油渤海鉆探第二錄井公司；⑤中國石油渤海鉆探泥漿技術(shù)服務分公司)

0 引 言

對于頁巖氣勘探開發(fā)而言，其儲量分級即探明地質(zhì)儲量、控制地質(zhì)儲量和預測地質(zhì)儲量的計算均需要勘察階段所獲取的儲集層含氣量這項參數(shù)，沒有這項參數(shù)，就無從得到相應的地質(zhì)儲量數(shù)據(jù)，也就不清楚所勘探開發(fā)的頁巖氣層是否達到最低經(jīng)濟條件。而當頁巖氣進入規(guī)模開發(fā)階段，在無鉆井取心的情況下，現(xiàn)場鉆井過程中如能夠快速地估算出頁巖氣層段含氣總量，那么無疑會對鉆完井后續(xù)作業(yè)方案的確定發(fā)揮一定的指導幫助作用。

1 當前頁巖地層含氣量測量計算方法

1.1 解吸法

在頁巖地層中，部分頁巖氣通常以吸附狀態(tài)存在，頁巖表面分子與甲烷分子間的作用力表現(xiàn)為范德華力。當處于運動狀態(tài)的氣體分子因溫度及壓力等條件的變化導致動能增加，以至克服引力而脫離頁巖吸附成為游離氣，即形成頁巖氣解吸現(xiàn)象。頁巖解吸氣量也稱為解吸氣量[1]。

用解吸法測定的含氣量由損失氣量、解吸氣量和殘余氣量三部分組成。損失氣量是指巖心快速取出后現(xiàn)場直接裝入解析罐之前釋放出的氣量，這部分氣體無法測量，必須根據(jù)損失時間的長短及實測解吸氣量的變化速率進行理論計算；解吸氣量是指巖心裝入解析罐之后解吸出的氣體總量，通常延續(xù)2周至4個月，根據(jù)解吸氣量的大小而定，一般在1周內(nèi)平均解吸速度小于10 cm3/d 時可終止解吸；殘余氣量是指終止解吸后仍留在樣品中的那部分氣體，需將巖樣裝入密閉的球磨罐中破碎，然后放入恒溫裝置內(nèi)，待恢復到儲集層溫度后按規(guī)定的時間間隔反復進行氣體解吸，直至連續(xù)1周解吸的氣體量小于或等于10 cm3/d，測定其殘余氣量[2]。解吸法能夠在模擬地層實際環(huán)境的條件下反映頁巖的含氣性特征，它被用來作為頁巖氣含量測定的基本方法。

1.2 等溫吸附法

由于頁巖氣地層中黏土礦物顆粒、有機質(zhì)顆粒及孔隙表面分子與其內(nèi)部分子受力有差異，存在剩余表面力場，從而形成表面勢能，使得氣體分子在細小顆粒表面上的濃度增大，形成頁巖氣吸附現(xiàn)象[1]。

根據(jù)賦存狀態(tài)，頁巖氣可分為吸附氣、游離氣和溶解氣三部分，由于溶解氣在頁巖含氣量中所占比例十分微小，在計算時可忽略不計。故用等溫吸附試驗法計算頁巖含氣量時，需要分別對吸附氣含量和游離氣含量進行計算。

等溫吸附法中頁巖吸附氣含量的確定主要是借鑒煤層氣中吸附氣的評價方法，通過等溫吸附模擬試驗，建立吸附氣含量與壓力、溫度的關(guān)系模型。實驗過程是在恒溫條件下，測試不同壓力下氣體的吸附量，再由壓力和吸附量繪制出吸附等溫線，根據(jù)蘭氏模型計算吸附氣含量[2]。

游離氣是指以游離狀態(tài)賦存于裂縫、基質(zhì)孔隙等空間中的天然氣，它是通過巖石有效孔隙度、含氣飽和度、巖石密度以及氣體體積壓縮因子來求得的。

1.3 測井解釋法

測井解釋法是通過求取頁巖的電阻率、孔隙度、含氣飽和度、礦物組成、地層溫度、地層壓力等參數(shù)來計算出頁巖氣地層總含氣量的。它所關(guān)聯(lián)的頁巖地層的參數(shù)較多，而且需要在鉆完井之后方能予以解釋，因此其得到的解釋結(jié)果誤差較大、時效性不夠理想。

2 問題提出

在實施頁巖氣井鉆探開發(fā)過程中，目前每一口井都需配套頁巖氣解吸儀來測量計算頁巖地層含氣量，這在頁巖氣勘探階段是必要的。當實施區(qū)域規(guī)模開發(fā)時，如果考慮到經(jīng)濟因素，不一定每口井在鉆入頁巖氣地層時都要進行鉆井取心，況且實施水平井鉆采時水平段也無法實施鉆井取心作業(yè)。沒有巖心樣品，測量計算頁巖地層含氣量的解吸法、等溫吸附法便不能進行。但是頁巖地層含氣量這項數(shù)據(jù)對完鉆井后續(xù)的作業(yè)部署、地質(zhì)儲量計算以及長遠規(guī)劃有著不可或缺的作用，因此錄井服務應通過另外的技術(shù)途徑和方法在第一時間獲取頁巖地層含氣量。

3 氣測錄井計算頁巖地層含氣量方法

3.1 頁巖氣解吸與氣測錄井的數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

頁巖氣解析儀專門用于測定地下巖心單位體積和重量的含氣能力，它與氣測錄井檢測分析儀一樣，采用氫火焰離子檢測原理來測定密封于解析罐內(nèi)的巖心樣品中含氣量，既包含巖心樣品在大氣壓下自然解吸的氣體含量即解吸氣量，同時包含鉆遇巖心到取出巖心裝入解析罐之前釋放出來的氣體含量即損失氣量，還包含巖心樣品在解析罐中解吸終止后仍殘留在巖心中的氣體含量即殘余氣量。

氣測錄井是綜合錄井的核心技術(shù)之一，是檢測鉆井液從井底返到井口所攜帶上來的烴類氣體含量和成分從而尋找地下油氣層的一種有效方法[3]。地下頁巖氣層被鉆開后，氣層中的烴類氣體或多或少地侵入井筒鉆井液中并通過鉆井液循環(huán)上返到地面，經(jīng)過鉆井液脫氣器的高速旋轉(zhuǎn)攪拌將侵入鉆井液中的氣體連續(xù)脫出，然后泵入氣體檢測分析儀(全烴檢測儀、色譜組分檢測儀、非烴檢測儀)不間斷地測定氣體組分和含量，顯然其中既有被鉆頭破碎巖石的基質(zhì)孔隙和夾層孔隙中的游離氣，也有被鉆頭破碎的巖屑表面上的吸附氣在離開原始環(huán)境后所逸出的游離氣。

氣測錄井在頁巖氣層某個深度點測量到的氣體全量(或全烴含量)與頁巖氣解吸儀對應深度點的巖樣分析得到的總含氣量存在較強的相關(guān)性。對此通過選取已知頁巖氣井顯示層取心段的多點氣測錄井和解吸數(shù)據(jù)以及取心段氣測全烴含量、頁巖氣解吸儀分析得到的巖心含氣量，以破碎巖石體積、取心全烴含量、巖心體積、巖心含氣量、巖石體積為計算參量，按照頁巖層段為均質(zhì)性頁巖來衡量，可得到該層段在正常鉆進條件下頁巖氣解析儀測定的巖石總含氣量(某一層段地層總氣量)、氣測錄井測出的滿井眼全烴含量數(shù)據(jù)，并用于進行正常鉆進條件下氣測錄井的巖石全烴含量(某一層段總的全烴含量)與巖石總含氣量的線性及非線性分析。

從圖1各回歸分析曲線可得到如下結(jié)論：巖石全烴含量與巖石總含氣量相關(guān)性由弱到強的次序依次是對數(shù)回歸分析、冪回歸分析、線性回歸分析、指數(shù)回歸分析、多項式回歸分析，最強相關(guān)的回歸曲線方程是多項式，其回歸分析模型為：

y=0.114 6x2-0.220 3x+0.806 9；r2=0.632 7

相關(guān)系數(shù)約為0.8。按相關(guān)性標準兩者屬于超強相關(guān)。當然線性回歸與指數(shù)回歸分析，巖石全烴含量與巖石總含氣量也屬于強相關(guān)，只不過它們分析得出的相關(guān)系數(shù)要小于多項式回歸分析的相關(guān)系數(shù)。

3.2 頁巖地層含氣總量的氣測錄井計算方法

根據(jù)氣測錄井數(shù)據(jù)與頁巖氣解吸數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，確定以多項式回歸分析為準、以氣測全烴含量為自變量，按照下面的計算模型求取頁巖氣儲集層含氣量估算值：

GCs=0.114 6Tg2-0.220 3Tg+0.806 9

式中:GCs為頁巖地層含氣總量，m3/t；Tg為頁巖地層全烴含量，%。

選擇某井頁巖地層的氣測錄井、頁巖氣解吸數(shù)據(jù)，即現(xiàn)場錄井技術(shù)服務采集處理得到的全烴含量、全烴基值、全烴峰基比、解吸氣量、損失氣量、總氣量數(shù)據(jù)，進行相關(guān)性多類回歸分析，計算數(shù)據(jù)見表1。

從表1所列的數(shù)據(jù)來看，該井頁巖氣層段巖心總氣量34.736 m3/t，其中解吸氣量10.364 m3/t、損失氣量24.372 m3/t，這個損失氣量與實際情況存在較大的誤差，原因是頁巖氣解析儀對損失氣量的計算是根據(jù)解吸氣標準體積與解吸時間的關(guān)系曲線圖來計算樣品進入密閉解吸罐前的損失氣標準體積。通過與該層段巖心體積、破碎巖石體積匹配計算獲取的巖石總含氣量為51.885 m3/t，而通過多類回歸分析方程，依次得到多項式總氣量為51.874 m3/t、對數(shù)總氣量為51.885 m3/t、線性總氣量為51.883 m3/t、冪總氣量為36.944 m3/t、指數(shù)總氣量為43.759 m3/t。顯然，前三類回歸分析方程計算出的地層總氣量與巖石總含氣量近似相等，考慮到相關(guān)強度、數(shù)據(jù)不可能為負，以氣測全烴含量為自變量的多項式回歸分析方程求取出來的該頁巖氣層段總含氣量能夠真實反映該層段的氣體儲集能力。

圖1 頁巖氣地層巖石全烴含量與巖石總含氣量相關(guān)性多類分析

表1 某井頁巖氣儲集層含氣量與全烴含量相關(guān)性分析計算數(shù)據(jù)

從圖2可看出，在頁巖氣顯示層段1 431.00～1 450.00 m，巖石含氣量曲線形態(tài)特征與全烴含量的多項式、指數(shù)回歸計算出的總氣量曲線特征極其近似，只是在個別單點幅度上有所差異。

圖2 某井頁巖氣地層全烴含量與巖石含氣量相關(guān)性分析曲線特征對比

3.3 實例應用

該方法已在大港油田QY 2H井沙一段、四川CNH 23-2 井等8口井泥頁巖儲集層進行了現(xiàn)場應用，其解釋評價結(jié)論經(jīng)試氣驗證，有7口井符合，解釋符合率高達87.5%。

CNH 23-2井是某頁巖氣田一口水平井。當鉆進至井深3 100.00 m鉆達目的層龍馬溪組A靶點，垂深2 693.53 m，井斜100.1°，氣測全烴含量由之前的3.56%升高到7.77%；在鉆至井深4 574.65 m鉆達龍馬溪組B靶點，垂深2 437.30 m，井斜104.0°，氣測全烴含量由水平段高全烴異常19.96%降至1.24%，最終在斜深4 574.65 m完鉆。在水平段鉆遇過程中，氣測全烴含量最高值19.96%，平均值8.02%，整個頁巖層段厚度高達260 m，利用全烴含量計算的地層總含氣量為1.044 9×104m3/t(圖3)。

按照相關(guān)標準[4]，頁巖有效厚度大于50 m，其有經(jīng)濟效益的可采頁巖氣含量下限應高于1×104m3/t，利用全烴含量計算所得1.044 9×104m3/t的地層總含氣量高于標準規(guī)定的下限；氣藏埋深在2 000～3 000 m，井型為水平井的平均產(chǎn)氣量的下限為4×104m3/d。該井在3 095.00～4 398.00 m井段壓裂求得產(chǎn)氣4.07×104m3/d。利用氣測錄井全烴含量計算得出的含氣總量確定該層段為有經(jīng)濟效益的可采頁巖氣層段。該結(jié)論與試氣壓裂求產(chǎn)的結(jié)果相符。

圖3 CNH 23-2井錄井含氣量評價圖

4 結(jié)束語

氣測錄井計算頁巖地層含氣量方法是通過氣測錄井系統(tǒng)檢測分析得到的全烴含量與頁巖氣解析儀測量得到的含氣總量的相關(guān)性分析建立起來的數(shù)學模型，由于兩種儀器各自存在的局限及在鉆井作業(yè)現(xiàn)場所受到的諸多影響因素限制，計算結(jié)果與頁巖氣地層層段實際的含氣量之間有一定的誤差，該誤差的大小需要通過大量的頁巖氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)來衡定。當擁有大量的實測全烴含量與含氣總量數(shù)據(jù)時，兩者相關(guān)性分析的數(shù)學模型也可能不是多項式計算模型，即使是多項式計算模型，其中的變量系數(shù)和常數(shù)項數(shù)值可能有所改變。

筆者提出并通過數(shù)據(jù)回歸分析得到的這種頁巖地層含氣量的氣測錄井計算方法不能精確地給出頁巖氣地層含氣總量，它只是具有一定誤差的估算值，但是這一估算值在頁巖氣井鉆井現(xiàn)場隨鉆過程中所發(fā)揮的作用不容忽視。這是因為，在無頁巖氣解吸儀配套于鉆井作業(yè)現(xiàn)場或者無鉆井取心的情況下，它至少能評估某一頁巖氣儲集層內(nèi)的氣體是否是具有經(jīng)濟效益的可開采頁巖氣，從而達到不盲目實施測試作業(yè)、避免無效成本投入的目的。