史 鵬，姜呈馥，陳義國(guó)，祁攀文，王 暉

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

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鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁(yè)巖含氣量測(cè)井評(píng)價(jià)

史 鵬，姜呈馥，陳義國(guó)，祁攀文，王 暉

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

以鄂爾多斯盆地甘泉地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)含氣量解析及等溫吸附實(shí)驗(yàn)分別對(duì)頁(yè)巖含氣量及頁(yè)巖吸附能力進(jìn)行研究。根據(jù)TOC、實(shí)測(cè)含氣量、孔隙度及含氣飽和度等實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)與測(cè)井曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，建立了頁(yè)巖吸附氣含量和游離氣含量解釋模型。利用改進(jìn)的ΔlgR法對(duì)研究區(qū)內(nèi)延長(zhǎng)組頁(yè)巖TOC進(jìn)行了計(jì)算，并利用多參數(shù)法及阿爾奇公式分別預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)頁(yè)巖孔隙度和含氣飽和度。根據(jù)解釋模型，對(duì)吸附氣和游離氣含氣量分別進(jìn)行了測(cè)井解釋。測(cè)井解釋結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，證明了解釋方法在研究區(qū)具有較強(qiáng)的適用性。

頁(yè)巖氣；測(cè)井評(píng)價(jià)；等溫吸附；延長(zhǎng)組；鄂爾多斯盆地

0 引 言

頁(yè)巖氣資源被認(rèn)為是常規(guī)油氣的重要接替，對(duì)世界能源格局及天然氣市場(chǎng)供應(yīng)產(chǎn)生了巨大影響。北美地區(qū)頁(yè)巖氣的成功開(kāi)發(fā)對(duì)世界能源格局及天然氣市場(chǎng)供應(yīng)產(chǎn)生了極大影響。近年來(lái)，在政策支持和技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)下，中國(guó)頁(yè)巖氣的勘探和開(kāi)發(fā)取得了突破性的進(jìn)展[1-2]，其中中國(guó)石化涪陵地區(qū)以及中國(guó)石油長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣已進(jìn)入商業(yè)開(kāi)發(fā)階段。延長(zhǎng)石油集團(tuán)針對(duì)鄂爾多斯盆地南部三疊系延長(zhǎng)組頁(yè)巖層系開(kāi)展了一系列工作，取得了陸相頁(yè)巖氣的突破，證明了陸相頁(yè)巖氣具有巨大的資源潛力和良好的勘探前景[3-8]。

含氣量是頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)和儲(chǔ)量計(jì)算最重要的參數(shù)之一，準(zhǔn)確獲得頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣量是頁(yè)巖氣勘探必不可少的環(huán)節(jié)。選取鄂爾多斯盆地甘泉地區(qū)延長(zhǎng)組頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)含氣量解析、等溫吸附實(shí)驗(yàn)以及其他分析測(cè)試手段，對(duì)延長(zhǎng)組頁(yè)巖含氣量進(jìn)行了定量分析，并根據(jù)測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)各賦存狀態(tài)含氣量解釋方法進(jìn)行了研究，以指導(dǎo)該區(qū)頁(yè)巖氣勘探。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是發(fā)育在華北克拉通之上的多旋回疊合盆地，晚古生代二疊紀(jì)以后發(fā)育陸相沉積體系，晚三疊世暖濕氣候及湖泊沉積環(huán)境為陸相頁(yè)巖氣的形成提供了良好的基礎(chǔ)條件。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南部甘泉地區(qū)，區(qū)域構(gòu)造為一平緩的西傾單斜，地層傾角小于1 °，平均坡降為7～8 m/km，內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，局部具有差異壓實(shí)形成的低幅度鼻狀隆起。研究區(qū)地層自上古生界以來(lái)發(fā)育齊全，中生界發(fā)育三疊系劉家溝組、和尚溝組、紙坊組和延長(zhǎng)組地層。根據(jù)標(biāo)志層和沉積旋回將延長(zhǎng)組自上而下劃分為10個(gè)油層組。該區(qū)主要烴源巖的頁(yè)巖層系發(fā)育于長(zhǎng)9和長(zhǎng)7。長(zhǎng)9頂部和長(zhǎng)7中下部主要發(fā)育深湖—半深湖相黑色頁(yè)巖，即李家畔頁(yè)巖和張家灘頁(yè)巖。這2套頁(yè)巖在盆地內(nèi)穩(wěn)定分布，是重要的區(qū)域標(biāo)志層。

延長(zhǎng)組長(zhǎng)7和長(zhǎng)9富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖單層厚度大，分布面積廣，有機(jī)質(zhì)豐度高，熱演化程度適中，埋藏相對(duì)較淺，具有很強(qiáng)的生烴能力，是鄂爾多斯盆地中生界陸相頁(yè)巖氣勘探的有利層位[3-6]。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁(yè)巖氣的賦存形式具有多樣性，以游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)3種形式存在。

2 延長(zhǎng)組頁(yè)巖含氣量分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)含氣量解析

現(xiàn)場(chǎng)解析方法是判斷泥頁(yè)巖含氣性的一種重要手段?；静僮髁鞒淌牵豪勉@井取心工具從地層中鉆取巖心并提鉆到地面，迅速將解析樣品密封在解析罐中，利用解析儀測(cè)定解析氣量?，F(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)束后，利用球磨儀測(cè)定巖心中的殘余氣量。利用解析曲線(xiàn)擬合估算取心過(guò)程中逸散的損失氣量。將解析氣量、殘余氣量和損失氣量相加便可獲得頁(yè)巖總含氣量[9-12]。

研究區(qū)共有20多口井300余塊樣品進(jìn)行了延長(zhǎng)組頁(yè)巖含氣量解析。解析結(jié)果顯示，長(zhǎng)7頁(yè)巖解析氣含量為0.23～2.24 cm3/g，最大可達(dá)3.05 cm3/g，平均含量約為1.44 cm3/g。

殘余氣是在現(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)束后，在實(shí)驗(yàn)室用球磨儀將巖樣粉碎，從而獲取頁(yè)巖中相應(yīng)的殘余氣量。從分析結(jié)果可知，研究區(qū)殘余氣含量為0.15～0.60 cm3/g，平均含量約為0.32 cm3/g。

損失氣是指取心時(shí)從鉆遇頁(yè)巖樣品到巖樣密封于解析罐這一時(shí)間段內(nèi)逸散的頁(yè)巖氣。此次損失氣量的恢復(fù)方法是采用USBM直線(xiàn)法。根據(jù)擴(kuò)散模擬原理，在解析作用初期，解析的總氣量隨時(shí)間的平方根呈線(xiàn)性變化。因此，將最初幾個(gè)小時(shí)解析作用的讀數(shù)外推至計(jì)時(shí)起點(diǎn)，運(yùn)用直線(xiàn)擬合可以計(jì)算出損失氣量，除以巖心質(zhì)量即為樣品的損失氣含量：

(1)

式中：Vs為解析氣體積，cm3；V0(取絕對(duì)值)為損失氣體積，cm3；k為直線(xiàn)段斜率；t0為散失時(shí)間，min；t為實(shí)測(cè)解析時(shí)間，min。

USBM直線(xiàn)法確定的散失時(shí)間通常用提鉆時(shí)間的一半加上在地面巖心裝入解析罐之前的處理時(shí)間，因損失氣量恢復(fù)受現(xiàn)場(chǎng)取心時(shí)間、解析設(shè)備、損失氣擬合算法及巖心自身非均質(zhì)性等多種因素影響，不同樣品恢復(fù)的損失氣量含量差異較大。經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)擬合分析，研究區(qū)損失氣含量為0.40～1.55 cm3/g。

將直接解析氣量、損失氣量及殘余氣量相加即得總含氣量數(shù)據(jù)，長(zhǎng)7樣品總含氣量為1.82～3.54 cm3/g，平均約為2.23 cm3/g(表1)。

表1 延長(zhǎng)組頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量數(shù)據(jù)

2.2 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

吸附氣是指吸附于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面的天然氣，以有機(jī)質(zhì)吸附為主，伊利石等黏土礦物也有一定的吸附能力。一般認(rèn)為，多數(shù)泥頁(yè)巖對(duì)甲烷的吸附為單分子層吸附，可以用Langmuir吸附等溫方程進(jìn)行描述。理想狀態(tài)下的Langmuir等溫吸附線(xiàn)在較高的壓力條件下甲烷吸附量表現(xiàn)為緩慢增加。因此，可通過(guò)分析頁(yè)巖的甲烷等溫吸附曲線(xiàn)特征來(lái)了解頁(yè)巖的吸附能力。頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐表明，頁(yè)巖吸附氣基本符合Langmuir等溫吸附方程：

V=VLp/(pL+p)

(2)

式中：V表示頁(yè)巖吸附氣含量，cm3/g；VL為L(zhǎng)angmuir體積常數(shù)，cm3/g；pL為L(zhǎng)angmuir壓力常數(shù)，MPa；p為氣體壓力，MPa。

VL描述的是一定溫度下頁(yè)巖能吸附氣體的飽和含量。pL描述的是吸附氣量等于1/2 Langmuir體積時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力。獲得蘭氏體積和蘭氏壓力后，便可根據(jù)樣品所在地層壓力得出相應(yīng)的甲烷吸附能力。

對(duì)研究區(qū)21口井56塊延長(zhǎng)組頁(yè)巖開(kāi)展等溫吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖最大吸附能力為3.42 cm3/g，最小為0.51 cm3/g，主要為1.20～2.85 cm3/g，平均為1.74 cm3/g(圖1)。

圖1 部分井延長(zhǎng)組頁(yè)巖樣品等溫吸附曲線(xiàn)

3 頁(yè)巖含氣量測(cè)井評(píng)價(jià)

3.1 吸附氣含量測(cè)井解釋

前人研究表明，有機(jī)碳具有多微孔的特征，為吸附態(tài)頁(yè)巖氣的主要載體。隨著微孔數(shù)量的增加，有機(jī)質(zhì)表面積也隨之增大，為吸附氣提供了更多的吸附條件，頁(yè)巖吸附能力和有機(jī)碳含量具有較好的正相關(guān)性[13-15]。

此次吸附氣含量測(cè)井解釋主要流程是：利用頁(yè)巖段實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量和等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲取的吸附氣含量建立二者相互關(guān)系，根據(jù)測(cè)井曲線(xiàn)解釋出TOC含量，進(jìn)而獲得吸附氣含量。本次研究工作基于大量分析測(cè)試數(shù)據(jù)，并結(jié)合前人成果認(rèn)識(shí)，利用等溫吸附數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)TOC數(shù)據(jù)建立的頁(yè)巖吸附能力與TOC關(guān)系式見(jiàn)公式(3)，擬合結(jié)果如圖2所示。

圖2 延長(zhǎng)組頁(yè)巖TOC與吸附氣相關(guān)性

(3)

式中：Cx為吸附氣含量，cm3/g；TOC為有機(jī)碳含量，%。

因?qū)崪y(cè)TOC樣品數(shù)量有限，為獲取TOC含量在單井頁(yè)巖段縱向連續(xù)分布特征，結(jié)合有機(jī)地球化學(xué)實(shí)測(cè)資料，利用埃克森建立的基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的TOC計(jì)算模型(ΔlgR法)開(kāi)展TOC含量研究，具體計(jì)算方法詳見(jiàn)公式(4)、(5)。

TOC=102.297-0.1688LOMΔlgR+ΔTOC

(4)

(5)

式中：LOM為熱變指數(shù)，反映有機(jī)質(zhì)成熟度，%；ΔTOC為有機(jī)碳含量背景值；R為電阻率，Ω·m；R基線(xiàn)為非烴源巖段對(duì)應(yīng)的電阻率測(cè)井值，Ω·m；Δt為聲波時(shí)差，μs/m；Δt基線(xiàn)為非烴源巖段對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差，μs/m；K為疊合系數(shù)。

基于該方法完成研究區(qū)頁(yè)巖氣井TOC計(jì)算工作。其中長(zhǎng)7頁(yè)巖TOC含量為2.10%～8.20%，平均為5.30%。通過(guò)Y2井TOC計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者具有較好的一致性(圖3)。

采用TOC回歸法對(duì)Y2井長(zhǎng)7頁(yè)巖吸附氣含量進(jìn)行了測(cè)井解釋?zhuān)忉尩奈綒饬孔钚≈禐?.51 cm3/g，最大值為2.46 cm3/g，平均值為1.53 cm3/g(圖3)。

3.2 游離氣含量測(cè)井解釋

游離氣含量主要影響因素為孔隙度和含氣飽和度，研究區(qū)延長(zhǎng)組頁(yè)巖中砂質(zhì)紋層發(fā)育的部位物性較好，游離氣含量相對(duì)較高。測(cè)井解釋游離氣含量目前主要是通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)，在確定相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出孔隙度和含氣飽和度，進(jìn)而預(yù)測(cè)游離氣含量[16-22]。游離氣計(jì)算公式如下：

(6)

式中：Cy為游離氣含氣量，cm3/g；φg為有效孔隙度，%；Sg為含氣飽和度，%；ρ為頁(yè)巖密度，cm3/g；Bg為天然氣體積系數(shù)。

3.2.1 頁(yè)巖孔隙度

孔隙度是影響游離氣含氣量的主要影響因素之一。延長(zhǎng)組頁(yè)巖樣品分析結(jié)果顯示，長(zhǎng)7孔隙度為0.20%～5.16%，平均為2.35%。利用實(shí)測(cè)孔隙度資料，對(duì)應(yīng)分析三孔隙度以及泥質(zhì)指示曲線(xiàn)對(duì)其響應(yīng)的敏感性，從而根據(jù)聲波時(shí)差、密度、中子及自然伽馬測(cè)井與孔隙度相關(guān)關(guān)系，建立長(zhǎng)7頁(yè)巖孔隙度測(cè)井解釋模型。頁(yè)巖孔隙度計(jì)算公式為：

φ=0.017AC+5.048DEN+0.138CNL+0.033ΔGR-20.378，R2=0.886

(7)

式中：φ為巖心分析孔隙度，%；AC為聲波時(shí)差，μs/m；DEN為密度，g/cm3；CNL為中子孔隙度，%；ΔGR為自然伽馬相對(duì)值(頁(yè)巖段伽馬值減去普通穩(wěn)定泥巖段平均伽馬值)，API；R為相關(guān)系數(shù)。

對(duì)長(zhǎng)7泥頁(yè)巖的巖心分析孔隙度和計(jì)算孔隙度進(jìn)行對(duì)比，其誤差范圍均屬于測(cè)井精度要求的范圍。對(duì)研究區(qū)內(nèi)頁(yè)巖氣井進(jìn)行了長(zhǎng)7頁(yè)巖孔隙度解釋?zhuān)淇紫抖葹?.11%～4.78%，平均為2.42%。

圖3 Y2井長(zhǎng)7頁(yè)巖含氣量測(cè)井解釋

3.2.2 頁(yè)巖含氣飽和度

含氣飽和度是游離氣含氣量計(jì)算中的另一個(gè)重要參數(shù)，直接獲取方式是通過(guò)保壓密閉取心進(jìn)行分析測(cè)試。保壓密閉取心技術(shù)是取得儲(chǔ)層完整巖心并保持本來(lái)流體狀態(tài)的一種有效方法。通過(guò)該方式取得的巖心可準(zhǔn)確求得井底條件下儲(chǔ)層流體飽和度、含氣性及物性等數(shù)據(jù)。

從研究區(qū)內(nèi)保壓密閉取心樣品的飽和度分析結(jié)果看，85塊樣品含水飽和度平均為39.9%；含油飽和度平均為0.7%；含氣飽和度平均為59.4%。因含油飽和度極小，此次研究忽略含油飽和度，根據(jù)阿爾奇公式計(jì)算出含水飽和度后，可近似得到含氣飽和度。

根據(jù)孔隙度和含氣飽和度解釋結(jié)果，利用式(6)對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組Y2井進(jìn)行游離氣含氣量解釋?zhuān)鶕?jù)解釋結(jié)果，長(zhǎng)7頁(yè)巖游離氣含量為0.22～1.04 cm3/g，平均約為0.62 cm3/g(圖3)。

3.3 總含氣量測(cè)井解釋

頁(yè)巖總含氣量包括游離氣含量、吸附氣含量及溶解氣含量。因溶解氣含量極小，此次研究通過(guò)測(cè)井解釋的吸附氣含量及游離氣含量之和，可近似得到總含氣量。根據(jù)測(cè)井解釋成果，Y2井總含氣量為1.24～3.12 cm3/g(圖3)，平均約為2.16 cm3/g。與現(xiàn)場(chǎng)解析測(cè)試含氣量(未含損失氣量)對(duì)比，趨勢(shì)上有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)建立測(cè)井解釋模型對(duì)研究區(qū)其他井進(jìn)行了含氣量解釋?zhuān)⑴c表1中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解析獲得的總含氣量相比，總體比較接近，證明所采用的方法在鄂爾多斯盆地南部延長(zhǎng)組頁(yè)巖含氣量測(cè)井解釋中適用性較好。

4 結(jié) 論

(1) 現(xiàn)場(chǎng)解析法是目前獲取頁(yè)巖含氣量的一種手段，分別獲取直接解析氣量、殘余氣并根據(jù)解析曲線(xiàn)擬合損失氣量可得到頁(yè)巖總含氣量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解析法獲取的甘泉地區(qū)延長(zhǎng)組頁(yè)巖含氣量約1.82～3.54 cm3/g。

(2) 利用聲波時(shí)差和電阻率曲線(xiàn)對(duì)TOC進(jìn)行測(cè)井解釋?zhuān)⒗肨OC擬合法對(duì)延長(zhǎng)組頁(yè)巖吸附氣含氣量進(jìn)行計(jì)算，解釋結(jié)果與等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)度較高。

(3) 根據(jù)頁(yè)巖測(cè)井解釋孔隙度和含氣飽和度對(duì)延長(zhǎng)組頁(yè)巖游離氣含量進(jìn)行測(cè)井解釋?zhuān)⒕C合吸附氣含氣量解釋結(jié)果得到總含氣量。與現(xiàn)場(chǎng)解析總含氣量進(jìn)行對(duì)比分析，二者結(jié)果相近，證明了測(cè)井解釋方法的可行性。

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編輯 林樹(shù)龍

20151111；改回日期：20160105

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“延長(zhǎng)石油陸相頁(yè)巖氣成藏機(jī)理及資源潛力評(píng)價(jià)”(2012KTZB03-03-01-01)

史鵬(1984-)，男，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)勘查技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)，2010年畢業(yè)于該校地質(zhì)學(xué)專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事非常規(guī)油氣勘探工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.014

TE122.1

A

1006-6535(2016)03-0061-05