廖 勇，譚 判，石文睿，馮愛國，何浩然

(1.中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司,湖北潛江 433123；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.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500)

頁巖氣是指賦存于頁巖及其夾層中、以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的烴類氣體[1_4]。由于頁巖氣儲層具有特低孔低滲、非均質(zhì)性強等特點[5_6]，造成了測錄井評價結(jié)果與實際頁巖氣儲層產(chǎn)氣性有差異。金之鈞等人[7]研究了川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集與高產(chǎn)控制因素，指出頁巖氣具有“五性一體”雙甜點特征；郭彤樓等人[8]對焦石壩地區(qū)頁巖氣富集高產(chǎn)模式進行了研究；梁興等人[9]進行了中國南方復(fù)雜山地頁巖氣選區(qū)評價指標(biāo)體系研究，提出了頁巖氣評價十大指標(biāo)；徐兵祥等人[10]根據(jù)儲層含氣量、頁巖氣滲流機理和儲層壓裂改造特征等建立了產(chǎn)量預(yù)測模型。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在頁巖氣高產(chǎn)富集模式、評價指標(biāo)和產(chǎn)能預(yù)測等方面進行了深入的研究，對頁巖儲層自身品質(zhì)認識較深，但對影響頁巖氣產(chǎn)氣性地質(zhì)條件的分析較少，且缺少評價頁巖氣儲層產(chǎn)氣性的方法，因此有必要建立基于頁巖氣儲層自身品質(zhì)和其他地質(zhì)因素影響的頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價方法。

筆者以測錄井資料為基礎(chǔ)，通過研究測試結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)，分析了頁巖氣儲層的測錄井參數(shù)和其他地質(zhì)因素對頁巖氣儲層產(chǎn)氣性的影響，優(yōu)選評價參數(shù)，建立了以評價參數(shù)賦分標(biāo)準為約束的頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價方法，并對涪陵地區(qū)頁巖氣儲層的產(chǎn)氣性進行了評價。

1 評價思路

涪陵頁巖氣田所處構(gòu)造隸屬于川東褶皺帶，位于萬縣復(fù)向斜南部與方斗山背斜帶西側(cè)的交匯區(qū)域[11]。研究區(qū)在晚奧陶世五峰組—早志留世龍馬溪組時期主要為淺海陸棚沉積，先后沉積了2套比較穩(wěn)定的、富有機質(zhì)的頁巖。

深入分析涪陵焦石壩地區(qū)40余口頁巖氣井產(chǎn)氣剖面認為,同一構(gòu)造上頁巖氣儲層的產(chǎn)氣性具有一定規(guī)律，主要表現(xiàn)為受儲層自身品質(zhì)和地質(zhì)條件的雙重控制。為此，結(jié)合前人對頁巖氣產(chǎn)氣評價參數(shù)的研究成果[12]，優(yōu)選出產(chǎn)氣性評價參數(shù)，建立產(chǎn)氣性評價參數(shù)賦分標(biāo)準，運用灰度關(guān)聯(lián)理論確定各參數(shù)權(quán)重。將影響頁巖氣儲層產(chǎn)氣性的測錄井評價參數(shù)歸為頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI類，將影響頁巖氣儲層產(chǎn)氣性的其他地質(zhì)因素歸為頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF類，分別計算頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF和頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI分值，建立評價圖版，進行各層段產(chǎn)氣性評價。

2 評價方法

結(jié)合頁巖氣儲層甜點評價的研究成果[13_15]和頁巖氣儲層產(chǎn)氣測試分析結(jié)果，優(yōu)選出涪陵頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價參數(shù)，并將其分為頁巖氣儲層評價參數(shù)和頁巖氣產(chǎn)氣影響評價參數(shù)2類。

2.1 頁巖氣儲層評價參數(shù)

在常規(guī)油氣藏儲層評價參數(shù)密度、補償中子、孔隙度及泥質(zhì)含量的基礎(chǔ)上，引入了總有機碳含量和生物成因硅質(zhì)含量作為頁巖氣儲層評價參數(shù)。

密度反映地層總孔隙度的大小，由于有機質(zhì)密度較小，密度反映明顯。補償中子反映地層含氫量，因此對含氣頁巖儲層具有較強的敏感性。泥質(zhì)含量影響頁巖氣儲層的儲集特性，同時影響測井各項解釋參數(shù)；孔隙度主要反映頁巖儲層孔隙的大小，同時間接反映儲層的孔隙特征和滲透能力?？傆袡C碳含量作為有機質(zhì)豐度評價的重要指標(biāo)，能夠衡量烴源巖的生烴強度和生烴量，是評價頁巖氣儲層的關(guān)鍵參數(shù)。生物成因硅質(zhì)含量與頁巖微觀孔隙和頁巖氣產(chǎn)量存在著較好的相關(guān)性，生物成因硅質(zhì)對硅質(zhì)頁巖的形成有明顯貢獻,而且生物來源硅對硅質(zhì)頁巖孔隙的發(fā)育和巖石的壓裂性質(zhì)有重要影響，由于存在這樣的耦合關(guān)系，生物成因硅質(zhì)含量成為頁巖氣儲層評價的一個重要參數(shù)。因此，選取密度、中子、孔隙度、泥質(zhì)含量、總有機碳含量及生物成因硅質(zhì)含量作為頁巖氣儲層評價參數(shù)。

2.2 頁巖氣產(chǎn)氣影響評價參數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，頁巖氣儲層產(chǎn)氣性影響因素主要包括頁巖氣儲層巖性非均質(zhì)性、烴對比系數(shù)、地層壓力系數(shù)、儲層埋深和脆性指數(shù)。

2.2.1 儲層巖性非均質(zhì)性

儲層非均質(zhì)性主要包括巖性和物性2個方面，研究發(fā)現(xiàn),儲層巖性非均質(zhì)性對頁巖氣儲層產(chǎn)氣性的影響主要表現(xiàn)為頁巖儲層的縱向非均質(zhì)性越強，儲層的壓裂改造效果越差，影響頁巖氣縱向滲流。因此，引入能反映儲層巖性變化的去鈾自然伽馬的標(biāo)準差作為儲層巖性非均質(zhì)性系數(shù)，表示頁巖氣儲層每段去鈾自然伽馬偏離均值的程度，評價儲層巖性的非均質(zhì)性。其計算公式為：

(1)

式中：σKTh為去鈾自然伽馬的標(biāo)準差，API；N為自由度；q(KTh)i為第i個去鈾自然伽馬值，API；q(KTh)a為去鈾自然伽馬值的算術(shù)數(shù)平均值，API。

2.2.2 烴對比系數(shù)

烴對比系數(shù)為目的層全烴或甲烷異常顯示值與非目的層段基值的比[16]，能準確反映地層含烴量的變化，同時間接反映儲層壓力的高低。

2.2.3 地層壓力系數(shù)

頁巖氣井單井產(chǎn)能與地層壓力系數(shù)存在明顯的強正相關(guān)關(guān)系[17](見圖1)，同時地層壓力系數(shù)在一定程度上能夠反映頁巖氣的保存條件，壓力系數(shù)越高，儲層保存頁巖氣的條件越好。儲層壓力系數(shù)越高，越有利于儲層微裂縫發(fā)育，也越有利于儲層壓裂改造。

圖1 地層壓力系數(shù)與無阻流量的關(guān)系Fig.1 Relationship between formation pressure coefficient and open flow capacity

2.2.4 儲層埋藏深度

頁巖儲層埋藏深度(簡稱埋深)與儲層評價參數(shù)有著密切的關(guān)系，直接影響頁巖氣的聚集和生產(chǎn)。埋深增加，上覆巖層壓力增大，頁巖裂隙閉合，滲透率降低，產(chǎn)氣量降低[18]。

2.2.5 脆性指數(shù)

實踐表明，頁巖儲層的脆性指數(shù)對儲層壓裂改造至關(guān)重要。當(dāng)其他條件相同、脆性指數(shù)不同時，人工裂縫形態(tài)不同，可見脆性指數(shù)直接影響儲層壓裂改造的效果，間接影響儲層的產(chǎn)氣性(見圖2)。

圖2 脆性礦物含量與產(chǎn)氣貢獻率的關(guān)系Fig.2 Relationship between the content of brittle minerals and gas production contribution rate

脆性指數(shù)計算公式為：

(2)

式中：Ibr為儲層脆性指數(shù)；VSi為儲層長英質(zhì)礦物含量；VC為儲層碳酸鹽巖礦物含量；VTh為儲層黏土礦物含量。

2.3 建立頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價賦分標(biāo)準

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)頁巖氣儲層劃分標(biāo)準，將頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF和頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI按照0～1的范圍等分為4個賦分區(qū)間。將影響頁巖氣產(chǎn)氣的參數(shù)和頁巖氣儲層評價參數(shù)與分段產(chǎn)氣剖測試結(jié)果相結(jié)合進行數(shù)理統(tǒng)計后，確定了頁巖氣產(chǎn)氣影響因子和頁巖氣儲層評價指數(shù)的賦分標(biāo)準(見表1和表2)。

表1 頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF賦分標(biāo)準Table 1 The parameters assignment criterion of shale gas production influence factor GPF

表2 頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI賦分標(biāo)準Table 2 The parameters assignment criterion of shale gas reservoir evaluation index LEI

2.4 建立評價圖版

2.4.1 確定頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF及頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI分值

頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF分值是根據(jù)儲層產(chǎn)氣性評價參數(shù)賦分標(biāo)準，分別對巖性非均質(zhì)性系數(shù)、烴對比系數(shù)、地層壓力系數(shù)、儲層埋深和脆性指數(shù)賦以分值，然后將各參數(shù)分值乘以權(quán)重后求和，得到產(chǎn)氣影響因子GPF分值。

頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI分值是根據(jù)儲層產(chǎn)氣性評價參數(shù)賦分標(biāo)準，分別賦以密度、總有機碳含量、孔隙度、補償中子、泥質(zhì)含量和生物成因硅質(zhì)含量分值，然后將各參數(shù)分值乘以權(quán)重后求和，得到頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI分值。

參數(shù)對應(yīng)權(quán)重計算方法是采用灰色關(guān)聯(lián)度[19]對各個參數(shù)進行科學(xué)賦值，從而確定參數(shù)權(quán)重。具體計算方法為：

1) 確定所有m個評價層段組和所有n個評價參數(shù)，組成一個m×n的關(guān)聯(lián)矩陣E。

2) 對原始數(shù)據(jù)矩陣進行初值化變換或進行均值化變換。確定每列中最大序列值為1，其他序列值與最大序列值相除變?yōu)樾∮?的數(shù)值；然后將極性不一致的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為極性一致的數(shù)據(jù)，再計算評價對象下的比較序列與參考序列之間的差序列及其極值。各因素的關(guān)聯(lián)度計算公式為：

(3)

式中：rj為第j個參數(shù)的關(guān)聯(lián)度；m為評價層段數(shù)；kmin為兩極最小差；kmax為兩極最大差；Δk為絕對差。

3) 對關(guān)聯(lián)度進行歸一化處理，得權(quán)重集A={a1,a2,…,an}。其中aj的計算公式為：

(4)

式中：ai為第j個參數(shù)的權(quán)重。

根據(jù)涪陵頁巖氣田實際獲得的頁巖氣地質(zhì)數(shù)據(jù)，選取6段頁巖氣層段，獲取相關(guān)參數(shù)(見表3和表4)。按照上述方法求得頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF的評價參數(shù)巖性非均質(zhì)性系數(shù)、烴對比系數(shù)、地層壓力系數(shù)、儲層埋深和脆性指數(shù)的權(quán)重依次為0.172，0.212，0.212，0.198和0.206；頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI的評價參數(shù)密度、總有機碳含量、孔隙度、補償中子、泥質(zhì)含量和生物成因硅質(zhì)含量的權(quán)重依次為0.165，0.164，0.174，0.164，0.169和0.164。

表3 頁巖氣儲層產(chǎn)氣影響因子GPF參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Parametric statistics of shale gas production influence factor GPF

表4 頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Parametric statistics of shale gas reservoir evaluation index LEI

2.4.2 建立GPF-LEI評價圖版

根據(jù)涪陵地區(qū)頁巖氣儲層評價分類賦分標(biāo)準，將頁巖氣儲層產(chǎn)氣性類別劃分為4個類別區(qū)間：Ⅰ類為優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層，區(qū)間值為GPF、LEI分值均大于等于0.75，該類層段壓裂試氣有望獲得相對較高的工業(yè)氣流；Ⅱ類為中等頁巖氣儲層，區(qū)間值為GPF、LEI分值均大于等于0.50、且小于0.75，該類層段壓裂試氣有望獲得中等產(chǎn)量；Ⅲ類為低等頁巖氣儲層，區(qū)間值為GPF、LEI分值均大于等于0.25、且小于0.50，該類層段壓裂試氣能夠獲得低產(chǎn)量；Ⅳ類為非有效頁巖氣儲層，區(qū)間值為GPF、LEI分值均小于等于0.25，該類層段基本無產(chǎn)能。按照上述原則繪制得到GPF-LEI評價圖版(見圖3)。圖中，紅色圓點表示Ⅰ類產(chǎn)氣層段；黃色三角形點表示較好的Ⅱ類產(chǎn)氣層段，紫色的三角形點表示中等的Ⅱ類產(chǎn)氣層段，綠色三角形點表示較差的Ⅱ類產(chǎn)氣層段；黑色菱形點為Ⅲ類產(chǎn)氣層段。

圖3 頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價圖版Fig.3 Segmental gas production evaluation of shale gas reservoir

3 應(yīng)用效果分析

采用上述頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價方法對涪陵頁巖氣焦石壩地區(qū)73段頁巖氣層段進行產(chǎn)氣性評價，將評價結(jié)果與產(chǎn)氣剖面試氣成果進行對比分析，分析結(jié)果表明，頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價類別越好，無阻流量越高。

產(chǎn)氣剖面統(tǒng)計結(jié)果表明，Ⅰ類產(chǎn)氣層段無阻流量為(2.52～6.09)×104m3/d，平均3.51×104m3/d，產(chǎn)氣量高且較穩(wěn)定；Ⅱ類產(chǎn)氣層段無阻流量為(0.21～3.55)×104m3/d，平均1.06×104m3/d，產(chǎn)氣量分布范圍大且波動頻繁；Ⅲ類產(chǎn)氣層段無阻流量在(0～0.25)×104m3/d，平均0.21×104m3/d，產(chǎn)氣量低且基本穩(wěn)定(見圖4)。

圖4 產(chǎn)氣性評價類別與無阻流量區(qū)間分布統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 The interval distribution statistics for gas production property categories and open flow capacity

A井是涪陵頁巖氣田二期產(chǎn)能建設(shè)區(qū)平橋區(qū)塊部署的一口生產(chǎn)井，水平段在龍馬溪組—五峰組頁巖儲層穿行1 523.00 m。該井水平段評價參數(shù)特征為:密度2.53～2.72 g/cm3，總有機碳含量2.21%～4.61%，孔隙度2.5%～5.5%，補償中子10.1%～19.7%，泥質(zhì)含量7.6%～31.7%，生物成因硅質(zhì)含量10.5%～81.3%，巖性非均質(zhì)性系數(shù)7.9～21.9，烴對比系數(shù)3.2～16.2，地層壓力系數(shù)1.40～1.45，儲層埋深2 797.40～2 999.60 m，脆性指數(shù)66.2%～91.8%。該井分18段壓裂，按照該方法評價各段的產(chǎn)氣性(見圖5)。其中，1個層段的產(chǎn)氣性評價為Ⅰ類，16個層段的產(chǎn)氣性評價為Ⅱ類，1個層段的產(chǎn)氣性評價為 Ⅲ 類。按照產(chǎn)氣平均無阻流量，預(yù)測該井試氣測試無阻流量為21.47×104m3/d，單井測試無阻流量18.59×104m3/d，相對誤差為15.5%，該井頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價結(jié)果與測試無阻流量基本吻合，達到了評價效果。

4 結(jié)論與建議

1) 綜合考慮頁巖氣儲層自身物性與其他地質(zhì)因素，通過優(yōu)選評價參數(shù)和確定評價標(biāo)準，建立了一種頁巖氣儲層產(chǎn)氣性評價方法。

2) 采用GPF_LEI綜合評價涪陵頁巖氣儲層的產(chǎn)氣性時，首先優(yōu)選頁巖氣產(chǎn)氣影響因子GPF、頁巖氣儲層評價指數(shù)LEI具體參數(shù)并建立賦分標(biāo)準，然后利用交匯圖版法評價頁巖氣儲層的產(chǎn)氣性。

3) 以往研究主要針對地質(zhì)條件相對穩(wěn)定的涪陵頁巖氣區(qū)，隨著涪陵頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)域不斷擴展，儲層評價結(jié)果與產(chǎn)氣性具有差異的層段越來越多，需要對地質(zhì)與工程條件更加復(fù)雜區(qū)域相關(guān)問題進行深入研究。

4) 建議進一步開展與頁巖氣儲層產(chǎn)氣性相關(guān)的壓裂工程參數(shù)拓展研究。