謝慧卓,李會(huì)銀,袁衛(wèi)國(guó),馮明剛,嚴(yán)偉,孫建孟

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266580;2.中國(guó)石化勘探分公司勘探研究院,四川成都610041)

0 引 言

傳統(tǒng)的頁(yè)巖氣藏含氣飽和度[1]計(jì)算方法是利用Archie公式,基于測(cè)井獲得的電阻率、孔隙度和地層水電阻率等數(shù)據(jù),公式應(yīng)用前提是地層骨架礦物不導(dǎo)電,僅僅是地層水導(dǎo)電。但是,因?yàn)槭`水含量高、儲(chǔ)層中含有導(dǎo)電的黃鐵礦或頁(yè)巖“石墨化”等因素,造成儲(chǔ)層出現(xiàn)低電阻率現(xiàn)象,由Archie公式計(jì)算的含氣飽和度的精度也會(huì)降低[2]。張晉言、Vivek Anand、張建平、石文睿等[3-6]對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣飽和度計(jì)算進(jìn)行了研究,然而對(duì)于多種方法計(jì)算低電阻率頁(yè)巖儲(chǔ)層飽和度的比較和適用性分析較少。針對(duì)上述現(xiàn)狀,本文通過(guò)對(duì)3種非電阻率法含氣飽和度確定方法進(jìn)行比較,并結(jié)合測(cè)井資料,分析低電阻率頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的含氣飽和度計(jì)算方法適用性,以推動(dòng)低電阻率頁(yè)巖氣藏測(cè)井解釋的發(fā)展,提高了頁(yè)巖氣含氣量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

1 低電阻率頁(yè)巖氣層成因分析

導(dǎo)致頁(yè)巖氣儲(chǔ)層低電阻率的因素很多,各種影響因素共同作用,使儲(chǔ)層具有較低的視電阻率[7-11]。此外,地質(zhì)因素也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層電阻率產(chǎn)生影響。A井頁(yè)巖氣層段呈現(xiàn)相對(duì)較低的電阻率值的原因主要有3個(gè)方面。

1.1 黏土礦物附加導(dǎo)電作用對(duì)地層電阻率的影響

黏土礦物是含水層狀結(jié)晶的硅酸鹽礦物和少量含水非晶硅酸鹽礦物的總稱(chēng),具有非常細(xì)的顆粒(直徑<0.01 mm)。碎屑巖中有4種常見(jiàn)的黏土礦物:高嶺石、蒙脫石、伊利石和綠泥石。通常,由黏土顆粒表面上的負(fù)電荷吸附的陽(yáng)離子是固定的,但吸附不是很緊密。黏土礦物的陽(yáng)離子交換現(xiàn)象意味著在外部電場(chǎng)的作用下,這些吸附的陽(yáng)離子可以與巖溶液中的其他水合離子交換位置以引起導(dǎo)電。黏土礦物的附加電導(dǎo)性是黏土礦物的陽(yáng)離子交換產(chǎn)生的電導(dǎo)率。最常見(jiàn)的可交換陽(yáng)離子是Na+、K+、Mg2+、Ca2+等。擁有附加導(dǎo)電性的黏土,能夠很大程度提高儲(chǔ)層導(dǎo)電性,形成低電阻率儲(chǔ)層[12]。通常,蒙脫石具有最強(qiáng)的附加導(dǎo)電性,其次是伊利石、高嶺石,綠泥石最弱。

X射線分析資料統(tǒng)計(jì)表明,A井所在地區(qū)伊蒙混層含量普遍較高。當(dāng)儲(chǔ)層的伊蒙混層含量較高時(shí),蒙脫石和伊蒙混層的附加導(dǎo)電性最為明顯,附加導(dǎo)電性導(dǎo)致儲(chǔ)層電阻率顯著降低。由于黏土礦物的比表面比砂巖高,導(dǎo)致束縛水飽和度較高,造成低電阻率儲(chǔ)層的形成。

1.2 地層水礦化度對(duì)地層電阻率的影響

沉積環(huán)境、成藏驅(qū)替作用以及后期地層水活動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致地層水礦化度不同。在成巖作用過(guò)程中,泥質(zhì)含量高、巖性細(xì)的儲(chǔ)層由于其較大的比表面和較強(qiáng)的吸附能力,可以吸附水中的離子,在顆粒表面形成鹽度較高的水膜;在成藏過(guò)程中,微孔和小孔喉中的地層水難以被驅(qū)替,從而保留了較高礦化度地層水;在后期水活動(dòng)中,較淡地層水進(jìn)入優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層,礦化較差的儲(chǔ)層保留了較高礦化度地層水。當(dāng)?shù)貙铀V化度變化大時(shí),儲(chǔ)層電阻率將受到很大影響,使得油氣層與水層之間的界面難以識(shí)別。儲(chǔ)層中的高地層水礦化度將形成發(fā)達(dá)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),這將降低儲(chǔ)層的電阻率,并且隨著地層水礦化度增加,儲(chǔ)層的電阻率將降低[13]。因此,地層水礦化度越高,地層中導(dǎo)電離子越多,導(dǎo)電離子移動(dòng)越快,導(dǎo)電性越強(qiáng),地層電阻率越低。通過(guò)對(duì)A井所在區(qū)塊的水樣分析,可以確定地層水類(lèi)型以CaCl2為主,少數(shù)MgCl2型,總礦化度平均值約80 043.8 mg/L,且當(dāng)高礦化度的地層水分布在儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)中并相互連接時(shí),可明顯降低氣層的電阻率。

1.3 石墨化對(duì)地層電阻率的影響

頁(yè)巖氣產(chǎn)層的有機(jī)質(zhì)成熟度變化很大,可以分為過(guò)成熟頁(yè)巖氣、過(guò)低成熟度混合頁(yè)巖氣和低成熟頁(yè)巖氣3種類(lèi)型。不同有機(jī)質(zhì)成熟度的頁(yè)巖儲(chǔ)層,其孔隙結(jié)構(gòu)特征存在明顯差異,從而導(dǎo)致電阻率有明顯不同。烴源巖熱演化進(jìn)程中,隨著熱成熟度升高,有機(jī)質(zhì)降解為干酪根,干酪根在隨后變化過(guò)程中產(chǎn)出甲烷氣。隨著溫度增加,干酪根不斷發(fā)生變化,逐漸轉(zhuǎn)變成低氫量的碳質(zhì)殘余物,并最終轉(zhuǎn)化為石墨(即石墨化),發(fā)生由離子向電子導(dǎo)電轉(zhuǎn)化,從而可能呈現(xiàn)電阻率降低的現(xiàn)象[14-15]。而鏡質(zhì)體反射率(Ro)是最重要的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo),當(dāng)鏡質(zhì)體反射率增大到一定程度時(shí)會(huì)造成巖石石墨化,地層出現(xiàn)低電阻率現(xiàn)象。A井電阻率和鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系見(jiàn)表1,可以看出隨著鏡質(zhì)體反射率增大,對(duì)應(yīng)的地層電阻率減小。因此,頁(yè)巖石墨化是A井出現(xiàn)低電阻率現(xiàn)象的影響因素。

表1 A井鏡質(zhì)體反射率對(duì)底層電阻率影響

2 含氣飽和度模型比較

2.1 TOC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê瑲怙柡投饶Ｐ?/h3>

Archie法求取頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣飽和度的前提條件是僅有地層水導(dǎo)電,構(gòu)成地層骨架礦物成分不導(dǎo)電。然而,當(dāng)頁(yè)巖石墨化或者儲(chǔ)層中存在導(dǎo)電礦物黃鐵礦時(shí),通過(guò)Archie公式計(jì)算的含氣飽和度準(zhǔn)確度會(huì)降低并且可靠性變差。因此,采用非電阻率法計(jì)算含氣飽和度,即TOC法計(jì)算頁(yè)巖氣層飽和度。

基于TOC的頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣飽和度主要是通過(guò)錄井儀測(cè)量或基于諸如聲波時(shí)差、電阻率、巖性密度、元素俘獲等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)而獲得的TOC數(shù)據(jù)。通過(guò)該方法獲得的頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣飽和度稱(chēng)為T(mén)OC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê瑲怙柡投?用Sg表示。TOC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê瑲怙柡投鹊墓綖閇5]

(1)

Sg=1-Sw

(2)

基本求取過(guò)程:①頁(yè)巖氣顯示層要依據(jù)地層巖性、氣測(cè)甲烷、鉆時(shí)和測(cè)井自然伽馬及密度曲線變化等進(jìn)行劃分;②讀取頁(yè)巖儲(chǔ)層TOC曲線數(shù)據(jù)用TOCb(%)表示;③選取與頁(yè)巖儲(chǔ)層相鄰的非儲(chǔ)層TOC平均值,為該頁(yè)巖儲(chǔ)層的TOC背景值,用TOCt(%)表示;④確定n值。

頁(yè)巖氣層的最小含氣飽和度被定義為50%,即非儲(chǔ)層TOC最小值TOCt,min與TOCb存在關(guān)系

(3)

Kc,min=TOCt,min/TOCb

(4)

n=lg (TOCt,min/TOCb)/lg 2

(5)

n=lgKc,min/lg 2

(6)

式中,Kc,min為頁(yè)巖氣層的TOC最小比值。頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣飽和度指數(shù)n,范圍通常為2～3。由公式(1)、(2)求取頁(yè)巖儲(chǔ)層段的含氣飽和度Sg。

2.2 中子密度交會(huì)法計(jì)算含氣飽和度模型

黃鐵礦可以導(dǎo)致密度測(cè)井值的增加和中子孔隙度的減少:蒙脫石傾向于增加中子測(cè)井值并降低密度值。但由于黃鐵礦含量低,密度和中子的實(shí)際測(cè)井曲線沒(méi)有明顯的異常變化。在計(jì)算氣體飽和度時(shí),利用視密度孔隙度與視中子孔隙度重疊、巖心刻度測(cè)井,又相當(dāng)于進(jìn)行了一定的內(nèi)部校正?？梢哉f(shuō),這種地層中黃鐵礦和黏土礦物的存在基本上不影響該方法的含氣飽和度計(jì)算。

龍馬溪-五峰組頁(yè)巖氣層段從上到下有機(jī)質(zhì)含量及含氣量逐漸增加,體積密度逐漸變小;下部含氣性最好的頁(yè)巖氣層段受天然氣指數(shù)降低和挖掘效應(yīng)的影響,補(bǔ)償中子測(cè)井值最小。中子值越小,視中子孔隙度越小;密度值越小,視密度孔隙度越大。體積密度與補(bǔ)償中子重疊、視密度孔隙度與視中子孔隙度重疊,可直接反映地層含氣量差異。應(yīng)用其差值進(jìn)行巖心刻度測(cè)井,計(jì)算低電阻率氣層的含氣飽和度。

通過(guò)使用中子—密度測(cè)井曲線重疊差值法計(jì)算含氣飽和度,得到擬合公式[3]

Sw=98.75EDN+75.0

(7)

EDN=|DEN-DENB|+k|CNL-CNLB|

式中,Sw為含水飽和度值,%;EDN為中子與密度差異值;DENB為DEN基值,A井取2.65 g/cm3;CNLB為CNL基值,A井取14%;k為疊合系數(shù),最佳值為0.005。

2.3 元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度模型

斯倫貝謝公司推出的LithoScanner新型元素俘獲能譜測(cè)井儀可以通過(guò)非彈譜中提取總碳(TC)含量,將與碳酸鹽礦物相關(guān)的無(wú)機(jī)碳含量從總碳中扣除,就可以量化地層中總有機(jī)碳含量(TOC)[16]。為解決ECS等儀器無(wú)法直接得到TOC值的問(wèn)題,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式來(lái)進(jìn)行擬合,通過(guò)總碳含量與無(wú)機(jī)碳含量相減得到總有機(jī)碳含量(TOC)。

2.3.1針對(duì)ECS儀器應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算間接獲得TOC含量

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種根據(jù)誤差反向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),主要分為輸入層、隱藏層和輸出層,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。輸入層是指輸入數(shù)據(jù)集構(gòu)成的向量集合,其輸出是輸入層及權(quán)值點(diǎn)積與激活函數(shù)的計(jì)算結(jié)果;隱含層可以是1層或多層,通常不超過(guò)2層,輸入是上層輸出層與權(quán)重的點(diǎn)積標(biāo)量,輸出是該標(biāo)量與激活函數(shù)的計(jì)算結(jié)果;輸出層只有1層,其輸入是前一個(gè)輸出層和權(quán)重的點(diǎn)積,輸出層計(jì)算與隱含層相同,計(jì)算結(jié)果是最終預(yù)期分類(lèi)權(quán)重[17-19]。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練分為2步:①根據(jù)當(dāng)前參數(shù)值,計(jì)算前項(xiàng)傳播過(guò)程中每一層的輸出值;②根據(jù)實(shí)際輸出和預(yù)期輸出之間的差異反向傳播計(jì)算每一層的誤差傳播項(xiàng),結(jié)合每一層輸出關(guān)于該層參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù),實(shí)現(xiàn)每一層參數(shù)的更新。重復(fù)以上2步,直至該過(guò)程收斂。

A井擁有ECS測(cè)得的各元素含量及LithoScanner測(cè)得的各元素含量、總碳含量、無(wú)機(jī)碳含量和總有機(jī)碳含量(TOC)等數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^(guò)應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),利用ECS儀器測(cè)得Si、Ca、Al、Fe、S、Ti、K等6種元素建立與LithoScanner儀器得到的總碳含量、無(wú)機(jī)碳含量的擬合關(guān)系,而總有機(jī)碳含量(TOC)可以通過(guò)總碳含量與無(wú)機(jī)碳含量的相減計(jì)算得到。總有機(jī)碳含量、無(wú)機(jī)碳含量和有機(jī)碳含量的擬合效果見(jiàn)圖2。總有機(jī)碳含量、無(wú)機(jī)碳含量及有機(jī)碳含量的平均相對(duì)誤差較小,分別是0.006、0.005和0.042。由此可見(jiàn),訓(xùn)練所得到的BP網(wǎng)絡(luò)的性能好,可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)ECS測(cè)井資料間接計(jì)算得到總有機(jī)碳含量(TOC)。

2.3.2元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度

ECS儀器應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算間接獲得TOC值后,根據(jù)巖石的體積組分關(guān)系可以得到有機(jī)碳的質(zhì)量,含油氣飽和度可以根據(jù)有機(jī)碳的質(zhì)量計(jì)算得到。巖石的基本組成主要為巖石骨架、骨架之間的孔隙以及孔隙里面的充填流體三部分。因此,巖石骨架的性質(zhì)、孔隙度的大小、流體飽和度也就是流體充填程度以及充填流體性質(zhì)共同決定著巖石的物理性質(zhì)。通過(guò)建立等效的巖石物理模型,利用等效介質(zhì)理論描述巖石。已建立的等效介質(zhì)模型是礦物屬性的體積平均值,通常稱(chēng)為空間平均模型。

計(jì)算含油氣飽和度模型的基礎(chǔ):巖石是由固體和液體兩相介質(zhì)組成,空間分布的巖石骨架和孔隙流體分別根據(jù)各自的體積比排列和組合,即所有的骨架變形排列為1層水平固相,所有孔隙流體也被無(wú)形框架匯合成1層水平液相,各自的總體積不變(見(jiàn)圖3)。

圖3 巖石體積物理模型

假設(shè)巖石體的邊長(zhǎng)為1,且為立方體,巖石里面所有的骨架物質(zhì)重組為立方體里面一個(gè)均勻的層狀,而所有的孔隙也重組為相鄰的一個(gè)均勻?qū)訝罱橘|(zhì),厚度即為孔隙度φ,那么固體骨架層的厚度就為1-φ。假設(shè)有機(jī)碳的唯一來(lái)源為油氣,則含油氣飽和度公式為[4]

(8)

式中,TOC為總有機(jī)碳含量;ρB為體積密度;ρhc為油氣密度,油密度約0.8 g/cm3,天然氣密度約0.2 g/cm3;Xhc為烴與C重量百分比轉(zhuǎn)換系數(shù),油的轉(zhuǎn)換系數(shù)約0.85,天然氣的轉(zhuǎn)換系數(shù)約0.75;φt為總孔隙度。

3 低電阻率氣層含氣飽和度評(píng)價(jià)

圖4 A井多種方法計(jì)算與巖心分析含氣飽和度對(duì)比圖

圖4為A井龍馬溪-五峰組頁(yè)巖氣層段利用3種方法計(jì)算含氣飽和度與巖樣分析含氣飽和度對(duì)比圖。第5道,含氣飽和度1為T(mén)OC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄓ?jì)算含氣飽和度;含氣飽和度2為中子密度交會(huì)法計(jì)算含氣飽和度;含氣飽和度3為通過(guò)ECS計(jì)算得到TOC,用該TOC進(jìn)行元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度;含氣飽和度4為通過(guò)LithoScanner得到的TOC,用該TOC進(jìn)行元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度。通過(guò)ECS得到的含氣飽和度與LithoScanner得到的含氣飽和度基本一致,故可以依據(jù)ECS測(cè)井資料,通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得到TOC,解決ECS等元素測(cè)井資料無(wú)法直接獲得TOC值的問(wèn)題。在2 324～2 345 m層段,3種模型計(jì)算的含氣飽和度都與巖心分析含氣飽和度吻合度較好。而在2 300～2 324 m層段,采用模型3元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度的結(jié)果與巖心數(shù)據(jù)吻合,能夠更好反映地層真實(shí)含氣飽和度情況。因此,元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度效果最佳。

4 結(jié) 論

(1)由于黏土礦物種類(lèi)、黏土礦物含量、石墨化,地層水礦化度等因素的影響,最優(yōu)頁(yè)巖氣層段電阻率測(cè)井?dāng)?shù)值偏低,難以準(zhǔn)確反映地層含氣性,致使利用電法測(cè)井信息計(jì)算含氣飽和度數(shù)值嚴(yán)重偏低。

(2)應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算間接獲得TOC值,獲得的TOC值與利用LithoScanner獲得的TOC值一致。根據(jù)ECS獲得TOC值和LithoScanner獲得的TOC值分別采用元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度,得到的含氣飽和度也基本一致。ECS儀器可以應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算間接獲得TOC值,并根據(jù)該TOC值計(jì)算含氣飽和度,解決了ECS等儀器無(wú)法直接獲得TOC值的問(wèn)題。

(3)中子密度交會(huì)法計(jì)算含氣飽和度、TOC經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄓ?jì)算含氣飽和度、元素測(cè)井體積組分法計(jì)算含氣飽和度,可以有效地避免低電阻率因素對(duì)電法測(cè)井的影響,從根本上解決了含氣飽和度計(jì)算值低的問(wèn)題。從普遍性和相關(guān)性的角度來(lái)看,元素測(cè)井體積分量法計(jì)算氣體飽和度,效果最好。

(4)對(duì)含氣飽和度的計(jì)算方法研究還需要繼續(xù)深化,特別是通過(guò)提高巖心實(shí)驗(yàn)技術(shù)和相關(guān)機(jī)理分析,以建立更高精度的含氣飽和度計(jì)算模型。