低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度計(jì)算方法
——以涪陵地區(qū)焦石壩區(qū)塊為例

石文睿，張占松，黃梓桑，石元會(huì)，廖勇

（1.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；3.中石化經(jīng)緯有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

含氣飽和度是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中十分重要的參數(shù)，也是頁(yè)巖氣勘探選區(qū)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。含氣飽和度的計(jì)算精度直接影響游離氣含量的準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)對(duì)產(chǎn)能預(yù)測(cè)具有十分重要的影響[2-3]。

電法測(cè)井是飽和度評(píng)價(jià)的主流方法，特別是Archie模型[4]。隨著儲(chǔ)層越來(lái)越復(fù)雜，后人在Archie模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)展和完善。針對(duì)含泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層，建立了不同的飽和度評(píng)價(jià)模型，比如層狀泥質(zhì)砂巖模型、Simandoux模型、Indonesian 模型、Total-shale模型、雙水模型和有效介質(zhì)模型等[5]。雖然這些模型是針對(duì)含泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層飽和度評(píng)價(jià)提出的，但其中一些模型在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中也有所運(yùn)用，比如在美國(guó)Marcellus氣田頁(yè)巖氣飽和度評(píng)價(jià)中運(yùn)用了Simandoux模型[6]，在中國(guó)建南氣田頁(yè)巖氣飽和度評(píng)價(jià)中運(yùn)用了Totalshale模型[7]。雖然傳統(tǒng)的電法測(cè)井飽和度模型在這2個(gè)氣田有較好運(yùn)用，但是這類模型可能并不適用于低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的飽和度評(píng)價(jià)。

根據(jù)電性特征，傳統(tǒng)油層低阻分為2類：一類是絕對(duì)低阻，即電阻率絕對(duì)值小于 5 Ω·m[8]；另一類是相對(duì)低阻，即同一油水系統(tǒng)內(nèi)電阻增大系數(shù)小于3，甚至小于2[9]。本文所探討的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層低阻，是指地層骨架礦物導(dǎo)電造成儲(chǔ)層或儲(chǔ)層局部電阻率不高于同層或鄰層非含氣頁(yè)巖電阻率的一種現(xiàn)象。Simandoux模型和Totalshale模型均基于Archie模型改進(jìn)及發(fā)展而來(lái)，而這類模型成立的前提條件是僅有地層水導(dǎo)電，構(gòu)成地層骨架的礦物不導(dǎo)電，含水飽和度和電阻率之間是唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可能由于骨架礦物導(dǎo)電，使得這類模型不適用于低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層飽和度評(píng)價(jià)。

針對(duì)涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的低阻現(xiàn)象，本文以該地區(qū)焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖為研究對(duì)象，根據(jù)研究區(qū)取心井巖心分析資料、鉆井地質(zhì)資料、測(cè)井資料以及錄井資料，建立了2種非電法測(cè)井含氣飽和度方法，并以實(shí)例井進(jìn)行了分析探討，提高了低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度的計(jì)算精度，豐富了現(xiàn)有的飽和度測(cè)井計(jì)算方法。

1 研究區(qū)低阻頁(yè)巖成因分析

1.1 地質(zhì)概況

涪陵地區(qū)焦石壩區(qū)塊位于四川盆地川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜帶北緣，地層厚度分布見(jiàn)圖1a，目的層五峰組—龍馬溪組發(fā)育優(yōu)質(zhì)的海相筆石頁(yè)巖[10-12]。根據(jù)研究區(qū)鉆井地質(zhì)資料、測(cè)井資料、錄井資料及巖心觀察，該頁(yè)巖層段自下而上劃分為3段9小層（見(jiàn)圖1b，GR為自然伽馬）?？傆袡C(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）主要介于0.5%～8.5%，平均5.0%；熱演化程度高，鏡質(zhì)組反射率（Ro）主要介于2.2%～3.8%，平均2.6%；礦物成分以石英和黏土礦物為主。研究區(qū)目的層處于有利生氣階段，但該區(qū)電阻率呈低阻現(xiàn)象，傳統(tǒng)的電法測(cè)井飽和度模型不適用于該區(qū)塊的評(píng)價(jià)。

圖1 涪陵地區(qū)焦石壩區(qū)塊地層厚度分布與劃分剖面

1.2 低阻頁(yè)巖成因分析

油氣藏低阻現(xiàn)象的成因有多種，比如黃鐵礦或磁鐵礦等導(dǎo)電礦物發(fā)育、地層水礦化度過(guò)高、黏土礦物附加導(dǎo)電、圍巖影響等[8，13]。 另外，地質(zhì)構(gòu)造作用、沉積環(huán)境與沉積相帶作用等地質(zhì)因素也可能對(duì)低阻油氣藏的形成產(chǎn)生影響[9]。大多時(shí)候低阻現(xiàn)象不是單一因素所產(chǎn)生的，可能是多種因素共同作用的結(jié)果。

1.2.1 黃鐵礦的影響

孫建孟等[14]研究頁(yè)巖電阻率與黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：隨著黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，頁(yè)巖電阻率有所下降，但當(dāng)黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低時(shí)，電阻率幾乎沒(méi)有受到影響，黃鐵礦產(chǎn)生影響的最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)約在4.0%。這是因?yàn)樵陧?yè)巖中黃鐵礦呈分散態(tài)存在，只有達(dá)到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，才能成為連續(xù)相，對(duì)頁(yè)巖的導(dǎo)電產(chǎn)生作用。

根據(jù)研究區(qū)A井五峰組—龍馬溪組（2 330～2 415 m）X射線衍射（XRD）組分分析，黃鐵礦在目的層廣泛發(fā)育。進(jìn)一步分析黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖2），黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.0%以上的占比很少，大多數(shù)層段的黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4.0%。因此，研究區(qū)黃鐵礦發(fā)育是電阻率的影響因素，但并不是最主要的影響因素。

圖2 A井五峰組—龍馬溪組黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)

1.2.2 黏土礦物的影響

張晉言等[15]研究了焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖低阻成因，認(rèn)為黏土礦物附加導(dǎo)電是重要的影響因素，即黏土礦物中的蒙皂石吸附鉆井液中的水膨脹，形成附加導(dǎo)電性。

從A井五峰組—龍馬溪組XRD組分分析數(shù)據(jù)中，按照黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4.0%，且孔隙度和TOC盡量相近的原則，選出12組數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于46.0%時(shí)，電阻率隨黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加才下降明顯；當(dāng)黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于46.0%時(shí)，電阻率變化不明顯（見(jiàn)圖3）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在46.0%以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于⑧—⑨小層（2 330～2 353 m），優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣層段①—⑤小層（2 377～2 415 m）的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)多小于40.0%，但依然存在低阻現(xiàn)象。因此，黏土礦物應(yīng)不是最主要的影響因素。

圖3 頁(yè)巖電阻率與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

1.2.3 頁(yè)巖石墨化的影響

研究認(rèn)為，鏡質(zhì)組反射率增大到一定程度，會(huì)造成頁(yè)巖石墨化，發(fā)生由離子向電子導(dǎo)電轉(zhuǎn)化，從而可能導(dǎo)致電阻率降低[15-17]。研究區(qū)目的層的Ro在2.20%～3.80%，處于較高階段。從電阻率（Rt）與Ro的關(guān)系可以看出，當(dāng)Ro大于2.55%后，電阻率隨Ro增加呈下降的趨勢(shì)（見(jiàn)圖4）。另外，研究也發(fā)現(xiàn)，Ro為2.80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)的電阻率明顯低于其他數(shù)據(jù)點(diǎn)。為探究該點(diǎn)數(shù)據(jù)明顯低的原因，統(tǒng)計(jì)了各組Ro數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的黃鐵礦、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見(jiàn)表1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各組Ro數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于4.0%，但是Ro為2.80%的數(shù)據(jù)點(diǎn)的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60.0%，明顯高于其他數(shù)據(jù)點(diǎn)。該點(diǎn)應(yīng)是受黏土礦物附加導(dǎo)電影響，使得電阻率明顯低于其他數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖4 頁(yè)巖電阻率與鏡質(zhì)組反射率的關(guān)系

表1 鏡質(zhì)組反射率對(duì)應(yīng)的黃鐵礦、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

另外，部分井段的巖心明顯碳化、污手。從優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖氣層段大量含氣的情況分析，應(yīng)是在氣藏形成以后頁(yè)巖逐漸石墨化。結(jié)合頁(yè)巖Rt與Ro的關(guān)系，本研究認(rèn)為，涪陵地區(qū)焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層低阻現(xiàn)象的主要影響因素應(yīng)是頁(yè)巖石墨化，并且黃鐵礦發(fā)育及黏土礦物附加導(dǎo)電也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層低阻現(xiàn)象產(chǎn)生一定的影響。研究區(qū)儲(chǔ)層低阻是多種因素共同作用的結(jié)果。

2 低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度計(jì)算方法

2.1 研究區(qū)含氣飽和度與常規(guī)測(cè)井參數(shù)關(guān)系

前面研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖由于地層骨架礦物導(dǎo)電，使得Archie類電法測(cè)井飽和度模型不適用于該區(qū)塊飽和度的評(píng)價(jià)。根據(jù)研究區(qū)3口井40個(gè)巖心分析數(shù)據(jù)樣本，研究了含氣飽和度（Sg）與常規(guī)測(cè)井參數(shù)的關(guān)系（見(jiàn)圖5）。

圖5 巖心分析含氣飽和度與頁(yè)巖氣儲(chǔ)層常規(guī)測(cè)井參數(shù)、孔隙度的相關(guān)性分析

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：巖心分析含氣飽和度除與巖性密度（DEN）具有較好的線性相關(guān)外，與測(cè)井參數(shù)——GR、中子孔隙度（CNL）、聲波時(shí)差（AC）、Rt，以及儲(chǔ)層參數(shù)——孔隙度（POR）的相關(guān)性均不明顯。其中，Sg與DEN的相關(guān)指數(shù)（R2）為0.61，在含氣飽和度計(jì)算要求較高的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，僅利用DEN擬合的含氣飽和度公式顯然并不適用。

因此，在常規(guī)測(cè)井參數(shù)擬合效果不理想的情況下，通過(guò)研究巖心分析含氣飽和度與偶極陣列聲波參數(shù)、TOC之間的關(guān)系，建立了2種含氣飽和度計(jì)算方法。

2.2 利用橫縱波時(shí)差比和DEN擬合含氣飽和度的方法

受前人研究剩余油飽和度與聲波彈性參數(shù)關(guān)系的啟發(fā)[18]，考慮研究含氣飽和度與偶極陣列聲波參數(shù)的關(guān)系?？v波作為壓縮波，在氣體中能夠傳播，當(dāng)儲(chǔ)層含氣時(shí)，縱波能量明顯衰減，使得縱波傳播速度大幅減小，則縱波時(shí)差大幅增大；橫波作為剪切波，在氣體中不能傳播，遇到氣層時(shí)變化不大。所以，橫縱波時(shí)差比（RMSC，橫波時(shí)差與縱波時(shí)差的比值）在儲(chǔ)層含氣時(shí)會(huì)下降，并且隨含氣飽和度的增加而下降明顯。

研究發(fā)現(xiàn)，巖心分析含氣飽和度與橫縱波時(shí)差比之間也具有較好的相關(guān)性（見(jiàn)圖6a），R2為0.63。在含氣飽和度與RMSC，DEN均具有較好相關(guān)性的前提下，建立了含氣飽和度與這兩者的多元擬合方法，計(jì)算公式為

圖6 Sg與RMSC，TOC相關(guān)性分析

2.3 基于TOC計(jì)算含氣飽和度的方法

2.3.1 模型建立

頁(yè)巖氣藏作為“自生、自儲(chǔ)”的一類氣藏，有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖骨架的一部分。TOC既是頁(yè)巖生氣潛力的指示參數(shù)，又屬于能夠反映烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[19]。研究發(fā)現(xiàn)：巖心分析含氣飽和度與TOC具有較好的相關(guān)性（見(jiàn)圖6b），相關(guān)指數(shù)較高，R2為0.74，因此可以考慮利用TOC計(jì)算含氣飽和度。

本文以含氣飽和度與TOC的關(guān)系為基礎(chǔ)，在考慮頁(yè)巖TOC區(qū)域背景值的情況下，比照電阻增大系數(shù)法建立飽和度方法，計(jì)算公式為

式中：Sw為含水飽和度，%；nTOC為TOC飽和度指數(shù)；TOCb為頁(yè)巖TOC區(qū)域背景值；TOCt為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層錄井實(shí)測(cè)或測(cè)井計(jì)算的TOC。

2.3.2 nTOC確定

參照北美地區(qū)及四川盆地建南氣田東岳廟段頁(yè)巖氣勘探實(shí)例[7，20]，以含氣飽和度 50%為界劃分頁(yè)巖氣層和含氣層，將頁(yè)巖氣層的最小含氣飽和度定義為0.5或50%，那么區(qū)域頁(yè)巖氣層測(cè)錄井TOC最小值（TOCt，min）與TOCb的關(guān)系為

將式（4）兩邊求對(duì)數(shù)，得：

研究區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中，氣層最小含氣飽和度對(duì)應(yīng)的 TOCt，min=0.8%，TOCb=0.2%，則根據(jù)式（5）計(jì)算得出nTOC=2。

3 實(shí)例井驗(yàn)證與討論

3.1 實(shí)例井驗(yàn)證

DA-E井是研究區(qū)的一口評(píng)價(jià)井。該井五峰組—龍馬溪組自然伽馬曲線呈高值，在130～250 API；深、淺側(cè)向電阻率曲線明顯低值顯示，在8～75 Ω·m。

運(yùn)用 Total-shale 模型、式（1）及式（3）分別計(jì)算含氣飽和度，并與巖心分析含氣飽和度進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 DA-E井計(jì)算含氣飽和度與巖心分析含氣飽和度對(duì)比

從圖7可以看出，本文建立的2種方法的計(jì)算結(jié)果均優(yōu)于Total-shale模型，與巖心分析含氣飽和度有更好的匹配。與Total-shale模型相比，基于TOC計(jì)算的含氣飽和度曲線呈包絡(luò)線形態(tài)，在電阻率異常值降低層段，該方法計(jì)算的含氣飽和度并沒(méi)有減小。

3.2 討論

對(duì)比3種方法可以看出，在低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度的評(píng)價(jià)中，本文建立的2種方法優(yōu)于傳統(tǒng)的電法測(cè)井飽和度模型。但是，這2種方法也有一定的適用條件。

1）基于TOC計(jì)算含氣飽和度的方法雖有很好的應(yīng)用效果，但是TOC在測(cè)井中為間接計(jì)算所得，其準(zhǔn)確性直接影響最終含氣飽和度的計(jì)算精度。因此，通過(guò)測(cè)井資料精確計(jì)算TOC，或者通過(guò)地化錄井儀準(zhǔn)確測(cè)量獲得TOC，則是該方法精確應(yīng)用的前提。

2）利用RMSC和DEN擬合含氣飽和度的方法，與基于TOC計(jì)算含氣飽和度的方法相比，橫波時(shí)差、縱波時(shí)差和DEN可直接測(cè)量，在豐富現(xiàn)有含氣飽和度計(jì)算方法的同時(shí)，能夠進(jìn)一步挖掘偶極陣列聲波測(cè)井資料的應(yīng)用潛力。但是，該方法為經(jīng)驗(yàn)擬合公式，因此有巖心分析含氣飽和度數(shù)據(jù)是其應(yīng)用的前提。

本文提供的2種方法中，基于TOC計(jì)算含氣飽和度的方法不屬于經(jīng)驗(yàn)公式類方法，也適用于其他區(qū)塊低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度評(píng)價(jià)，可以被廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

1）頁(yè)巖石墨化是涪陵地區(qū)焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層低阻現(xiàn)象的主要成因，并且黃鐵礦發(fā)育及黏土礦物附加導(dǎo)電也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層低阻現(xiàn)象產(chǎn)生一定的影響。研究區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層低阻是多種因素共同作用的結(jié)果。

2）本文建立的2種方法適用于研究區(qū)低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含氣飽和度的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果更為精確，并與巖心分析含氣飽和度有更好的匹配，優(yōu)于Archie類電法測(cè)井飽和度模型在低阻頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)。

3）本文建立的2種含氣飽和度計(jì)算方法具有相應(yīng)的應(yīng)用前提：利用RMSC和DEN擬合含氣飽和度的方法適用于有巖心分析含氣飽和度數(shù)據(jù)的區(qū)塊，具有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)性；基于TOC計(jì)算含氣飽和度的方法適用于TOC能精確獲取的區(qū)塊，并且該方法不受地區(qū)經(jīng)驗(yàn)影響，在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有較好的普適性。