石文睿 張占松 張建平 趙紅燕 石元會 黃 強

（1.長江大學地球物理與石油資源學院 2.中國石化江漢石油工程有限公司測錄井公司）

0 引言

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣。頁巖氣表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式；在成藏機理上既具有吸附、游離、水溶等多重特征，又具有自生、自儲、自保、儲層致密等特點，是一種典型的連續(xù)性大規(guī)模、低豐度、非常規(guī)天然氣聚集[1-7]。由于頁巖氣儲層特低孔隙度、特低滲透率的物性特征和吸附與游離態(tài)的聚集模式與常規(guī)油氣藏有著很大的區(qū)別，傳統(tǒng)的常規(guī)測井解釋方法不再適用于頁巖氣儲層[1-3,6-9]。

通過對中國石化首口頁巖氣水平井建南構(gòu)造JYHF-1井東岳廟段巖心與測井資料的整理、分析和深入研究，建立了該地區(qū)首套基于常規(guī)測井項目的解釋處理模型。JYHF-1井于東岳廟段取心85.0 m，側(cè)鉆水平段長1022.5 m，分8段水力壓裂改造，獲1.2×104m3/d天然氣產(chǎn)能，產(chǎn)水量43 m3/d，為測錄井頁巖氣解釋模型研究提供了豐富的基礎資料。

1 地質(zhì)概況

建南構(gòu)造位于中揚子地區(qū)石柱復向斜中部，是中揚子、上揚子地區(qū)最為有利的勘探區(qū)域之一。建南構(gòu)造分北高點和南高點，JYHF-1井位于該構(gòu)造北高點（圖1）。

圖1 建南構(gòu)造及JYHF-1井位置示意圖

建南地區(qū)侏羅系下統(tǒng)自流井組東岳廟段以濱淺湖-淺湖沉積為主，泥頁巖發(fā)育，沉積厚度120～150m，其中優(yōu)質(zhì)暗色泥頁巖厚度為40～120 m、總有機碳含量TOC＞1.2%，且分布穩(wěn)定。Ⅰ、Ⅱ類頁巖氣儲層有利區(qū)面積4300 km2、資源量5.8×1011m3，平面上分布穩(wěn)定，具有良好的勘探開發(fā)前景。

2 測井解釋模型建立

2.1 巖性識別

建南地區(qū)東岳廟段地層巖性主要由泥巖、頁巖、含泥質(zhì)灰?guī)r組成（圖2），巖性相對單一，較容易定性識別。

頁巖：自然伽馬GR相對高值，一般大于90 API；聲波時差AC相對高值，一般在270 μs/m；巖性密度DEN相對高值，一般大于2.58 g/cm3。

泥巖：GR相對高值，一般大于90 API；AC相對較高，一般為240～275 μs/m；DEN相對低值，一般小于2.58 g/cm3。

含泥質(zhì)灰?guī)r：GR相對低值，一般小于75 API；LLD相對高值；AC相對較小，一般小于240 μs/m。DEN密度相對高值，一般大于2.65 g/cm3。

不難看出，利用GR、AC、DEN測井曲線，可以有效識別巖性相對單一的東岳廟段地層巖性。

2.2 儲層識別

頁巖氣儲層由于富含有機質(zhì)，因此測井響應特征與常規(guī)儲層有明顯不同。通常情況下，干酪根形成于還原環(huán)境，可以使鈾沉淀下來，從而具有高自然伽馬放射性特征。干酪根的密度較低，介于0.95～1.05 g/cm3之間。它的存在大大降低了儲層體積密度。另外，干酪根還具有較高的含氫指數(shù)和較低的光電吸收指數(shù)，導致儲層具有高中子孔隙度、低光電俘獲截面特征。頁巖氣儲層中含烴飽和度較高，導致高電阻率，但電阻率也會隨著流體含量和粘土類型而變化。

從國內(nèi)外典型頁巖氣藏來看，頁巖氣儲層相比頁巖非儲層具有“三高二低”測井曲線特征，即GR、RT和CNL高、DEN與PE值（PEF）低特征［1］。由于本區(qū)含灰?guī)r成分較重，DEN、PE值低特征不明顯，如圖2中591.0～643.0 m井段頁巖氣儲層，具有明顯“三高”特征，“二低”特征不明顯。由于受礦物含量、黏土類型、有機質(zhì)類型等因素的影響，建南地區(qū)東岳廟段“三高二低”的測井曲線特征不太明顯。

圖2 東岳廟段頁巖氣儲層常規(guī)測井圖

?？松‥xxon）和埃索（Esso）公司Passey（1990）等人發(fā)明的“聲波-電阻率”法即DT-ΔlogRt（DTRT）方法［1］，經(jīng)后人多次改進，能夠較好地定性劃分儲層、半定量計算頁巖氣儲層總有機碳含量TOC。其基本原理就是：利用聲波曲線AC（DT）與電阻率曲線LLD(Rt)疊合，不含有機質(zhì)的泥巖段AC與LLD曲線基線基本重疊在一起，幅度差異能夠反映地層富含有機質(zhì)的情況，據(jù)此判別和劃分頁巖氣儲層。如圖2中582.5～643.0 m井段，DT-RT “幅度差”明顯，表征頁巖層TOC豐富。依據(jù)DT-RT“幅度差”劃分儲層應參考巖性曲線和孔隙度曲線，綜合確定頁巖氣儲層段深度。

2.3 礦物含量模型

（1）泥質(zhì)含量模型

由于泥質(zhì)顆粒細小，具有較大的比面，使它對放射性物質(zhì)有較大的吸附能力，并且沉積時間長，有充分時間與溶液中的放射性物質(zhì)一起沉積下來，所以泥質(zhì)（黏土）具有較高的放射性。在不含放射性礦物的情況下，泥質(zhì)含量的多少就決定了沉積巖石的放射性強弱。因此，泥質(zhì)含量的計算可以采用自然伽馬曲線GR或去鈾自然伽馬曲線曲線CGR，計算公式：

式中：

GCUG—經(jīng)驗系數(shù)，新地層選擇2；

GR—目的層自然伽馬，API；

IGR—泥質(zhì)含量指數(shù)；

GRmax—目的層純泥巖的GR值，一般取180，API；

GRmin—目的層純砂巖的GR值，一般取20，API。

（2）砂巖與灰?guī)r含量模型

當PE≥PE上限值PEup時，PE=PEup； 當PE≤下限值PEdn時，PE=PEdn。

解聯(lián)立方程（3）可求解泥頁巖地層砂巖與灰?guī)r含量。

式中：

Vsh、Vsand、Vlime—泥質(zhì)、砂巖、灰?guī)r體積分數(shù)，%；

PEsh、PEsand、PElime—泥巖、砂巖、灰?guī)rPE值，無量綱；

由圖2可以看出，用GR、PEF曲線計算的礦物體積分數(shù)和實驗值比較匹配，平均誤差小于±15%。

（3）脆性礦物含量與脆性指數(shù)模型

脆性礦物體積分數(shù)估算公式：

式中：

CSi+CO3—儲層脆性礦物體積分數(shù)，%；

CSi—儲層砂質(zhì)（主要為石英）體積分數(shù)，%；

Cco3—儲層碳酸鹽礦物（方解石、白云石）體積分數(shù)，%。

式中：

BRIT—儲層脆性指數(shù)，無量綱。

JYHF-1井東岳廟段582.5～643.0 m井段 （圖2），頁巖氣儲層脆性礦物含量平均在60.0%以上，最高達到80.0%，脆性指數(shù)平均0.65，儲層易于壓裂改造。壓裂施工，首先進行小型壓裂測試，采用階梯升排量注入和階梯降排量進行測試，得到裂縫延伸壓力、閉合壓力、液體效率等參數(shù)值。主壓裂實際完成7段，比設計少壓1段，原因是第5段壓裂橋塞遇套管變形受阻而放棄。其余壓裂按設計執(zhí)行，入井總液量達到12037.6 m3，總加砂量為394.5 m3，微地震檢測顯示儲層改造體積4.4×107m3，壓裂獲得成功。再次證明了前人研究得出的“儲層脆性礦物含量大于50%、脆性指數(shù)均大于0.5時，儲層易被壓裂改造”結(jié)論是正確的。

2.4 孔隙度、飽和度與滲透率模型

（1）孔隙度模型

國內(nèi)外在利用常規(guī)測井曲線計算多礦物地層的孔隙度時，一般采用中子-密度交會、密度-聲波交會、中子-聲波交會。對比三種孔隙度計算結(jié)果（圖3），利用“中子-聲波”方法計算的孔隙度與氦孔隙度的對比，可以看出在整個井段，計算結(jié)果與實驗資料匹配良好，典型頁巖氣儲層段591.0～643.0 m孔隙度最大8.0%、最小1.7%、平均5.2%、典型值6.0%；中子-密度交會計算的591.0～643.0 m頁巖儲層孔隙度明顯偏小，密度-聲波交會計算的孔隙度在565.0～572.0 m井段與實驗數(shù)據(jù)較為匹配，575.0～649.0 m井段不匹配。

圖3 東岳廟段頁巖氣儲層測井孔滲飽計算與巖心測量對比圖

東岳廟段頁巖采用“中子-聲波”孔隙度計算模型如下：

式中：

VSH—泥質(zhì)體積分數(shù)，%；

Vsand—砂巖體積分數(shù)，%；

Vlime—灰?guī)r體積分數(shù)，%；

Φ—孔隙度，%；

AC—聲波時差，μs/m；

Tf—流體聲波，一般取600，μs/m；

Tsand—純砂巖聲波值，一般取180，μs/m；

Tlime—純灰?guī)r聲波值，一般取156，μs/m；

CNL—補償中子值，%；

Nf—流體中子值，一般取100，%；

Nsand—純砂巖中子值，一般取-2.1，%；

Nlime——純灰?guī)r中子值，一般取0，%。

JYHF-1井東岳廟段591.0～643.0 m井段頁巖氣儲層“中子-聲波”孔隙度典型值為6.0%。

（2）飽和度模型

與常規(guī)儲層不同，頁巖氣儲層泥質(zhì)含量大，泥質(zhì)對飽和度的影響較大，并且儲層含水飽和度與地層孔隙度也緊密相關，一般采用Total-shale含水飽和度計算模型。頁巖氣儲層含水與含氣飽和度計算模型[10]：

式中：

Rsh—泥巖電阻率，東岳廟取20，Ω·m；

Vsh—泥質(zhì)體積分數(shù)，%；

Rt—深探測電阻率，Ω·m；

Sw—含水飽和度，小數(shù)；

Sg—含氣飽和度，小數(shù)；

Rw—地層水電阻率，東岳廟取0.06，Ω·m；

Φ—地層孔隙度，%；

a—巖性系數(shù)，取1.0，無量綱；

m—地層膠結(jié)指數(shù)，取2.0，無量綱；

n—飽和度指數(shù)，取2.0，無量綱。

從圖2和圖3中可以看出，604.0～625.0 m井段為良好頁巖氣儲層。圖3中計算的含水飽和度值最大78.0%、最小42.0%、平均50.0%、典型值45.0%，與實驗測量數(shù)據(jù)較為匹配。

（3）滲透率模型

由于建南地區(qū)東岳廟段頁巖儲層滲透率極低，常規(guī)的測井滲透率計算模型難以獲得的理想的效果。巖心孔滲實驗測量數(shù)據(jù)顯示，東岳廟段孔隙度和滲透率相關性較好，可以利用巖心孔滲實驗測量數(shù)據(jù)建立滲透率計算模型：

式中：

K—滲透率，mD；

a—巖心實驗回歸系數(shù)，取0.0003；

b—巖心實驗回歸系數(shù)，取0.781；

Ф—孔隙度，%。

由圖3可以看出，通過此模型計算的591.0～643.0 m井段頁巖氣儲層滲透率PERM與巖心實驗測量數(shù)據(jù)匹配較好，相關性較強，巖心PERM平均0.02 mD，二者相對誤差在1個數(shù)量級范圍之內(nèi)。

2.5 TOC計算模型

國內(nèi)外利用測井曲線計算有機碳含量的方法有許多，如DEN（Daniel Rose,2008）、GR、U含量、DT—RT法等。

JYHF-1井東岳廟段DEN與巖心實驗室測定的TOC回歸，TOC=-0.85×DEN+3.32，R=-0.1,相關性極弱；GR與TOC回歸，TOC=-0.004×GR+0.761，R=0.4,相關性較弱；U含量與TOC回歸，TOC=-0.34×U+0.65，R=0.6，相關性弱，不適應利用測井曲線計算TOC。

聲波-電阻率曲線法計算公式：

式中：

A、B— 井區(qū)系數(shù)，東岳廟段A取6、B取0。

時差曲線AC基值AC0取240 μs/m，電阻率曲線基值LLD0取20 Ω·m。

利用DT-RT法計算TOC（圖4），電阻率曲線LLD對數(shù)刻度（Ω·m），左刻度0.2、右刻度200；時差曲線AC線性刻度（μs/m），左刻度450、右刻度150。這時,聲波-電阻率曲線在TOC含量少的地方重疊，選擇上部泥巖段，重疊時的聲波時差值為AC0，重疊時的深電阻率值為LLDb。通過對比發(fā)現(xiàn)，東岳廟段利用“聲波-電阻率”法計算的有機碳含量與室內(nèi)巖心分析結(jié)果較為匹配，儲層TOC平均1.23%，相對誤差小于±20%。

2.6 干酪根計算模型

頁巖氣儲層干酪根含量采用經(jīng)驗公式計算[10]：

式中：

KER—干酪根體積，%；

TOC—有機碳體積分數(shù)，%；

DEN—測井巖性密度，g/cm3；

k—地區(qū)干酪根轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.8；

Dker：地區(qū)干酪根密度，取1.05，g/cm3。

JYHF-1井東岳廟段591.0～643.0 m井段頁巖氣儲層干酪根計算結(jié)果TOC對應較好（圖4）。

圖4 測井TOC及含氣量計算結(jié)果與巖心測量數(shù)據(jù)對比圖

2.7 含氣量計算模型

（1）游離氣含量模型

游離氣一般賦存于泥頁巖的孔隙或裂縫中，主要成分為甲烷，與泥頁巖孔隙度、含氣飽和度等因素有關。所謂游離氣含量，系指單位質(zhì)量頁巖中的游離氣在地面條件下的體積，單位是m3/t。若將甲烷氣視作理想氣體，那么游離氣含量計算模型則為：

式中：

Gf— 游離氣含量，m3/t；

Bg—天然氣體積系數(shù)，建南地區(qū)東岳廟段取0.015～0.018，平均取0.016；

φ—孔隙度，小數(shù)；

Sw—含水飽和度，小數(shù)；

ρb— 測井體積密度，g/cm3。

建頁HF-1井東岳廟段591.0～643.0 m井段頁巖氣層， 平均孔隙度Φ=6.0%、Sw=45%、ρb=2.65 g/cm3，甲烷氣視作理想氣體，利用式（11）求得頁巖氣層游離氣含量Gf=0.78 m3/t。

（2）吸附氣含量模型

吸附于頁巖儲層中的氣體基主要為CH4。1916年法國化學家Langmuir(朗格繆爾)在研究固體表面吸附特性時，提出了單分子層吸附的狀態(tài)方程，即Langmuir方程：

式中：

Gs—泥頁巖吸附氣含量，m3/t；

VL—泥頁巖儲層朗氏體積，m3/t；

PL—泥頁巖儲層朗氏壓力，MPa；

P—泥頁巖儲層地層壓力，MPa。

在低壓下，氣體吸附量隨著壓力的增大快速增加，達到一定壓力后吸附量達到飽和，成為一條平滑的直線。這一飽和吸附量稱為朗氏體積VL，到達1/2朗氏體積吸附氣量所需的實驗壓力稱為朗氏壓力PL。北美地區(qū)的勘探實踐表明，頁巖吸附氣大多服從Langmuir方程。頁巖氣儲層溫度與解析試驗溫度接近時，不需要進行溫度壓力校正。Langmuir方程適用于估算存在游離氣的泥頁巖儲層單層飽和吸附氣含量平均值，不宜逐點計算單層內(nèi)各點泥頁巖飽和吸附量。

建南地區(qū)東岳廟段JYHF-1井21塊巖心測試結(jié)果表明，頁巖氣儲層平均朗氏體積和朗氏壓力分別為：VL=1.2 m3/t、PL=2.3 MPa。 同時，得到總有機碳含量TOC（%）與吸附氣含量Gs（m3/t）回歸方程（圖5）：

圖5 總有機碳含量TOC及吸附氣含量Gs關系圖版

建頁HF-1井東岳廟段591.0～643.0 m井段頁巖氣層中部壓力6.6 MP,利用式（12）Langmuir方程求得儲層天然氣飽和吸附量Gs=0.89 m3/t。

（3）總含氣量模型

頁巖氣總含氣量Gt（m3/t）計算公式：

由圖4可以看出，巖心實驗測量的總含氣量最大0.78 m3/t、最小0.17 m3/t、平均0.57 m3/t，與利用式（9）、（13）計算的吸附氣含量0.69 m3/t相當，遠小于利用式（9）、（13）及（11）、（14）計算的總含氣量Gt=Gs+Gf=0.69+0.78=1.47（m3/t）。分析原因，密閉巖心實驗測量的總氣量應主要是吸附氣含量，游離氣基本不存在。

對于東岳廟段，測井計算頁巖氣總含氣量，應選用式（9）計算TOC，再利用式（13）計算吸附氣含量Gs；選用式（11）計算游離氣含量Gf，最后選用式（14）計算總含氣量Gt。利用式（12）Langmuir方程求得的天然氣飽和吸附量定性評估式（13）求取的吸附氣含量的合理性。

基于上述討論，JYHF-1井東岳廟段591.0～643.0m井段頁巖氣層吸附氣含量Gs=0.69 m3/t、游離氣含量Gf=0.78 m3/t，總含氣量Gt=Gs+Gf=1.47（m3/t）。

3 主要認識

（1）頁巖氣儲層與普通砂巖儲層常規(guī)測井解釋相比，除需確定孔隙度、飽和度、滲透率等儲層參數(shù)外，還需要求取儲層有機碳含量、干酪根含量、吸附氣含量、游離氣含量、脆性礦物含量及脆性指數(shù)等，在儲層識別方法與評價標準方面也存在較大區(qū)別。

（2）基于JYHF-1井建立的頁巖氣常規(guī)測井解釋模型適用建南地區(qū)東岳廟段頁巖氣儲層評價，孔隙度、飽和度、含氣量模型的計算結(jié)果與巖心實驗測量數(shù)據(jù)基本一致，可以擴展用于整個建南地區(qū)及中揚子地區(qū)陸相頁巖氣儲層評價，對中揚子地區(qū)海相頁巖氣測錄井解釋評價具有指導意義。

（3）JYHF-1井東岳廟段582.5～643.0 m頁巖氣層解釋評價關鍵參數(shù)：厚60.5 m、自然伽馬115 API、巖性密度2.65 g/cm3、電阻率56.0 Ω·m、聲波時差280 μs/m、泥質(zhì)含量40%、孔隙度6.0%、含水飽和度4 5.0%、含氣飽和度55.0%、滲透率0.02 mD、有機碳含量1.23%、吸附氣含量0.69 m3/t、游離氣含量0.78 m3/t、總含氣量1.47 m3/t，游離氣含量略大于吸附氣含量。

（4）參照JYHF-1、J111等井頁巖氣儲層壓裂試氣結(jié)果及國內(nèi)外成功經(jīng)驗[1,4,7-10]，東岳廟段頁巖氣層解釋評價參考標準：厚度H≥30 m，孔隙度Ф≥3.0%，含氣飽和度Sg≥50.0%,，TOC≥1.0%,， 游離氣含量Gf≥0.5 m3/t，吸附氣含量Gs≥0.5 m3/t，總含氣量Gt≥1.0 m3/t，脆性礦物含量CSi+CO33≥50.0%，脆性指數(shù)BRIT≥0.5。

（5）建南地區(qū)東岳廟段頁巖氣儲層裸眼井常規(guī)測井系列優(yōu)化[10]：水基泥漿常規(guī)測井系列——自然伽馬GR、去鈾自然伽馬CGR、井徑CAL、巖性密度DEN、補償中子CNL、聲波AC、深側(cè)向LLD與淺側(cè)向LLS、微球MSFL、井斜DEV、井溫TEMP；油基泥漿條件下，LLD、LLS、MSFL等“串聯(lián)型”電阻率測井項目存在不適應問題，可選用“并聯(lián)型”電阻率測井項目深感應ILD與中感應ILM。

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