鐘文俊,熊亮,程洪亮,黃璞,黎鴻

(中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院,四川成都610041)

0 引 言

頁巖氣通常以游離狀態(tài)賦存于孔隙和裂縫之中,以吸附態(tài)吸附于有機(jī)質(zhì)或黏土礦物表面,還有少量氣體溶解于干酪根和瀝青中。由于溶解氣很少,頁巖總含氣量主要是吸附氣和游離氣的總和[1-2]。目前頁巖含氣量評價(jià)方法有鉆前地震解釋、測錄井解釋、現(xiàn)場解析、實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算、地質(zhì)分析以及生產(chǎn)測試這6種方法[3]。

前人針對龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層含氣量的測井評價(jià)方法已經(jīng)開展諸多研究,取得了成果和認(rèn)識[4-9]。井研-犍為地區(qū)(簡稱研究區(qū))筇竹寺組受沉積環(huán)境影響,與龍馬溪組在巖性和測井響應(yīng)特征等方面明顯不同。研究區(qū)筇竹寺組發(fā)育黑色頁巖和粉砂質(zhì)頁巖這2種類型的頁巖儲(chǔ)層,儲(chǔ)層含氣性影響因素尚不明確[10]。尤其研究區(qū)X1井的筇竹寺組上部黑色頁巖經(jīng)水平井開采后,試采效果不佳,勘探目標(biāo)待確定。近年研究區(qū)內(nèi)的一批鉆井顯示,筇竹寺組中部粉砂質(zhì)頁巖段含氣性活躍,該類型儲(chǔ)層的含氣性狀況,以及勘探潛力和開采價(jià)值,對區(qū)塊勘探目標(biāo)的縱向優(yōu)選至關(guān)重要。

本文基于巖心刻度測井,以巖心描述和實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)資料為依據(jù),建立測井信息與地質(zhì)信息的關(guān)系式,獲取含氣性相關(guān)參數(shù),運(yùn)用回歸分析等方法,較為精確地定量計(jì)算吸附氣、游離氣和總含氣量,建立適用于研究區(qū)粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層含氣性識別和含氣性定量評價(jià)方法。

1 地質(zhì)概況

井研-犍為地區(qū)位于四川省樂山市、自貢市,構(gòu)造主體處于川西南坳陷西北部、威遠(yuǎn)構(gòu)造西南部,筇竹寺組埋深3 400～4 000 m。受桐灣運(yùn)動(dòng)Ⅲ幕和興凱運(yùn)動(dòng)共同作用,形成綿陽-長寧拉張槽相區(qū),井研-犍為位于拉張槽西側(cè)緩坡[11-13],黑色頁巖厚1.5～15.5 m。

通過前期研究,研究區(qū)筇竹寺組縱向上劃分為2段共11層、2種沉積亞相和5種微相、6類巖相。拉張槽型深水陸棚相帶筇竹寺組發(fā)育3套黑色頁巖(①、⑤、⑨號層),熱演化程度較高,鏡質(zhì)體反射率(有機(jī)質(zhì)成熟度)為1.77%～2.82%,平均為2.36%,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ～Ⅱ1型,單層厚度薄、平面展布不穩(wěn)定,具有演化程度高、總有機(jī)碳含量較高、孔隙度較高(平均2.1%)、含氣量高的特征。②～④、⑥～⑧、⑩～號層為半深水陸棚亞相,發(fā)育含泥粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)頁巖、含粉砂泥頁巖等巖性。砂泥質(zhì)半深水陸棚深灰色粉砂質(zhì)頁巖為有利沉積微相,主要發(fā)育在⑥～⑧號層,具有連續(xù)厚度大(85～105 m)、氣測顯示好、孔隙度高(平均2.3%)、脆性礦物含量高(平均75%)的特征,儲(chǔ)集空間以無機(jī)孔為主。巖心壓汞曲線與低溫氮?dú)馕椒?lián)測結(jié)果顯示,巖心孔隙度最優(yōu)層段的孔徑分布在2～10 nm、50～200 nm這2個(gè)峰值區(qū)間,黏土礦物層間孔為主要儲(chǔ)集空間,發(fā)育中孔隙、大孔隙,儲(chǔ)集性能較好,但滲透率整體較低,主要分布在0.001～0.100 mD(1)非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同。

2 儲(chǔ)層含氣性測井定量評價(jià)

2.1 含氣儲(chǔ)層段特征

根據(jù)研究區(qū)巖性、錄井顯示、氣測全烴、現(xiàn)場解析氣、總有機(jī)碳含量(TOC)的變化,結(jié)合自然伽馬、聲波時(shí)差、中子、密度、深淺雙側(cè)向等常規(guī)測井,以及自然伽馬能譜特征,劃分頁巖氣顯示層段(見圖1)。其中,①、⑤、⑨號層黑色頁巖具有高自然伽馬、高鈾、高中子、高聲波時(shí)差、釷鈾比小于2、中-低密度、雙側(cè)向電阻率呈中低值的特征。自然伽馬與無鈾伽馬曲線疊合區(qū)面積越大,表明有機(jī)質(zhì)含量越高。

筇二段⑥、⑦、⑧號層粉砂質(zhì)頁巖整體具有中等自然伽馬、低鈾、中低釷鈾比、低中子、中-低密度、雙側(cè)向電阻率呈中等值特征,局部聲波時(shí)差呈現(xiàn)相對增高變化,中子、密度曲線“挖掘效應(yīng)”明顯,具有較好的含氣特征。

實(shí)鉆井揭示筇竹寺組頁巖段及粉砂質(zhì)頁巖段氣顯示較活躍,含氣性較好。氣測全烴顯示,⑥～⑧號層油氣顯示最為活躍(見圖1)?，F(xiàn)場巖心解析總含氣量主要分布區(qū)間小于2.00 m3/t。其中①、⑨號層黑色頁巖平均含氣量約為2.00 m3/t,⑥～⑧號層粉砂質(zhì)頁巖段含氣量次之,平均含氣量為0.81 m3/t。

圖1 井研-犍為地區(qū)X1井筇竹寺組測井響應(yīng)圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

2.2.1TOC含量計(jì)算

研究區(qū)巖心的TOC含量與測井曲線關(guān)系見圖2。對于黑色泥頁巖,TOC含量與自然伽馬、鈾、鈾鉀比、補(bǔ)償密度呈正相關(guān)關(guān)系[見圖2(a)]。對于粉砂質(zhì)頁巖段,TOC含量與巖心黏土礦物含量有一定正相關(guān)性,與測井曲線相關(guān)性差[見圖2(b)]。

圖2 筇竹寺組巖心TOC含量與礦物、測井曲線交會(huì)圖

選取TOC含量敏感測井曲線信息,建立了多元統(tǒng)計(jì)模型。利用常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算的黑色頁巖總有機(jī)碳含量TOC1為

TOC1=

5.71+0.013GR-2.503DEN-0.014CNL

(R=0.84)

(1)

常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合能譜測井資料計(jì)算的黑色頁巖總有機(jī)碳含量TOC2為

TOC2=

13.479+0.008GR-5.481DEN+0.188(U/K)

(R=0.87)

(2)

利用常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合能譜測井資料計(jì)算的粉砂質(zhì)頁巖總有機(jī)碳含量TOC3為

TOC3=
-2.827+0.006GR+0.039AC+0.194(U/K)
(R=0.84)

(3)

式中,GR為自然伽馬測井值,API;DEN為補(bǔ)償密度測井值,g/cm3;AC為補(bǔ)償聲波時(shí)差測井值,μs/ft;CNL為補(bǔ)償中子測井值,%;(U/K)為鈾鉀比值。

2.2.2孔隙度計(jì)算

分析黑色頁巖段和粉砂質(zhì)頁巖段測井曲線與巖心孔隙度的相關(guān)性(見圖3),優(yōu)選補(bǔ)償密度、自然伽馬、補(bǔ)償聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子曲線進(jìn)行多元回歸,相關(guān)性更好,計(jì)算精度較高。黑色頁巖孔隙度φ1為

圖3 井研-犍為筇竹寺組巖心孔隙度與測井曲線交會(huì)圖

φ1=7.495-3.652DEN+0.007GR+

0.041AC+0.017CNL

(R=0.79)

(4)

粉砂質(zhì)頁巖孔隙度φ2為

φ2=6.387-5.512DEN+0.0013GR+

0.179AC-0.134CNL

(R=0.64)

(5)

2.2.3黏土礦物含量計(jì)算

研究區(qū)筇竹寺組巖性復(fù)雜,以黏土礦物和石英為主,含鉀長石、斜長石以及少量方解石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦,黏土礦物以伊利石、綠泥石、伊/蒙混層為主。本次研究以巖心全巖X衍射分析及常規(guī)測井資料為基礎(chǔ),將礦物合并為黏土、硅質(zhì)、鈣質(zhì)這3類,利用多元回歸方法,建立黏土礦物含量的測井解釋計(jì)算模型。

Vsh=-229.435+81.929DEN+0.024GR+

0.459AC+1203CNL

(R=0.81)

(6)

式中,Vsh為黏土礦物含量,%。

2.3 吸附氣含量計(jì)算

利用巖心實(shí)測總有機(jī)碳含量,建立吸附氣含量與總有機(jī)碳含量之間的定量關(guān)系式,用以計(jì)算儲(chǔ)層吸附氣含量。研究區(qū)等溫吸附實(shí)驗(yàn)有3種溫度條件,分別為30、95、110 ℃,其中110 ℃最接近筇竹寺組地層實(shí)際溫度,在該溫度條件下進(jìn)行了0～30 MPa范圍內(nèi)的等溫吸附實(shí)驗(yàn),得到27個(gè)樣本點(diǎn)的吸附氣含量。筇竹寺組⑨號層地層壓力約50 MPa,等溫吸附實(shí)驗(yàn)最大壓力值為30 MPa。測井建模首先要將等溫吸附實(shí)驗(yàn)得到的蘭氏模型參數(shù)校正到地層壓力條件下,再與巖心分析TOC建立吸附氣含量計(jì)算模型。

GABS=0.6941TOC+0.3138

(R=0.93)

(7)

式中,GABS為吸附氣含量,m3/t;TOC為總有機(jī)碳含量,%。

2.4 含水飽和度計(jì)算

2.4.1孔隙度測井資料計(jì)算含水飽和度

頁巖幾乎不含自由水,以單相束縛水為主?？紤]到頁巖儲(chǔ)層流體賦存空間,采用多元回歸法,利用黏土礦物含量、孔隙度測井資料計(jì)算含水飽和度;或基于巖心分析含水飽和度數(shù)據(jù)建立非電阻率測井參數(shù)回歸模型計(jì)算含水飽和度[15-16]。

分析測井曲線與巖心含水飽和度的相關(guān)性,優(yōu)選AC、CNL、DEN,采用多元回歸法建立計(jì)算公式。黑色頁巖含水飽和度SW_1為

SW_1=

1.99AC-1.036CNL+57.09DEN-221.67

(R=0.55)

(8)

粉砂質(zhì)頁巖的含水飽和度SW_2為

SW_2=

-0.31AC+1.00CNL+88.77DEN-175.85

(R=0.54)

(9)

2.4.2電法測井計(jì)算含水飽和度

(1)電法計(jì)算模型適用性分析。與純砂巖相比,泥質(zhì)的導(dǎo)電規(guī)律較為復(fù)雜,發(fā)展并形成了一系列泥質(zhì)砂巖飽和度評價(jià)模型[7]:Simandoux公式、印度尼西亞公式、Waxman Smits模型和雙水模型等。這些模型的前提條件是地層黏土礦物含量較低,以地層水導(dǎo)電為主。研究區(qū)筇竹寺組黑色頁巖受沉積環(huán)境影響,黏土礦物含量較高,為30%～50%;⑩～號層非儲(chǔ)層段粉砂質(zhì)頁巖黏土礦物含量也較高,為40%～50%;②～④號層非儲(chǔ)層段粉砂質(zhì)頁巖、⑥～⑧號層儲(chǔ)層段黏土礦物含量整體較低,為20%～30%。對于研究區(qū)泥質(zhì)含量不同的巖性段,應(yīng)采用適宜的電法測井模型計(jì)算飽和度。

Archie公式假設(shè)地層為純巖石、不含泥質(zhì)(或泥質(zhì)含量小于5%)和其他導(dǎo)電礦物,且?guī)r石骨架不導(dǎo)電[17]。對于黏土和泥質(zhì)含量較多的地層,以電法測井為基礎(chǔ)的阿爾奇飽和度評價(jià)模型適應(yīng)性較差,誤差較大;Simandoux公式適用于含泥質(zhì)較多,巖性很細(xì)的含油氣粉砂巖,不考慮黏土或泥質(zhì)的分布方式,把泥質(zhì)看成是由黏土和細(xì)粉砂組成,并當(dāng)作是可含油氣的、泥質(zhì)較重、巖性很細(xì)的粉砂巖來處理[18];Total Shale公式是在Simandoux公式基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)[19],考慮了飽和度指數(shù)n,并去除了體積模型中泥質(zhì)部分對含水飽和度的影響。

(10)

式中,Sw為地層含水飽和度,小數(shù);Rt為地層電阻率,Ω·m;Rw為地層水電阻率,Ω·m;Vsh為黏土礦物含量,小數(shù);φ為有效孔隙度,小數(shù);a為巖性系數(shù);m為膠結(jié)指數(shù);n為飽和度指數(shù)。

根據(jù)X1井筇竹寺組⑨號層試氣水樣分析資料的礦化度數(shù)據(jù),利用等效NaCl溶液電阻率與礦化度和地層溫度關(guān)系圖版,可知筇竹寺組地層水電阻率為0.03 Ω·m。對研究區(qū)巖心樣品開展巖電實(shí)驗(yàn),得到適用于研究區(qū)的巖電參數(shù),可計(jì)算地層含水飽和度。

(2)巖電實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定。目前研究區(qū)開展的巖心巖電實(shí)驗(yàn)方法為自吸飽和法。將100%飽和地層水的樣品電阻率計(jì)算得到的地層因素與孔隙度取對數(shù)坐標(biāo)作圖,得到地層因素與孔隙度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式(見圖4)。將不同含水飽和度與對應(yīng)的地層電阻率指數(shù)取對數(shù)坐標(biāo)作圖,得到飽和度指數(shù)n和巖性相關(guān)系數(shù)b(見圖5)。

圖4 地層因素與孔隙度關(guān)系確定a、m

圖5 電阻率指數(shù)與飽和度關(guān)系確定n、b

利用巖心分析巖電參數(shù),根據(jù)公式計(jì)算含水飽和度。從圖6可知,Archie公式計(jì)算的含水飽和度最高,其次是非電法測井模型計(jì)算的含水飽和度,Simandoux公式和Total Shal公式計(jì)算得到的含水飽和度較低、且趨勢較一致,但Total Shal公式計(jì)算結(jié)果與巖心含水飽和度的吻合度更高(相關(guān)系數(shù)R=0.85),適用性較好。

圖6 X2井測井計(jì)算Sw與巖心分析Sw對比圖

2.5 游離氣含量計(jì)算

游離氣含量指每噸巖石中所含游離氣折算到地面標(biāo)準(zhǔn)溫度與壓力條件下的天然氣體積,游離氣含量一般采用通用公式計(jì)算[14]。

(10)

式中,Gfree為游離氣含量,m3/t;Bg為天然氣地層體積系數(shù),取0.03;φe為地層有效孔隙度,小數(shù);ρb為地層巖石體積密度,g/cm3。確定孔隙度、含水飽和度參數(shù),就可定量計(jì)算游離氣含量。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

3.1 單井含氣性評價(jià)

X3井是研究區(qū)的一口勘探評價(jià)井,利用常規(guī)測井、自然伽馬能譜等特殊測井資料,結(jié)合錄井顯示以及巖心實(shí)驗(yàn)分析,應(yīng)用分析模型對該井筇竹寺組進(jìn)行含氣性綜合評價(jià)(見圖7)。

圖7 井研-犍為地區(qū)X3井筇竹寺組測井綜合評價(jià)圖

對研究區(qū)筇竹寺組黑色頁巖儲(chǔ)層,參照中國石化五峰-龍馬溪組頁巖氣綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表1),該井黑色頁巖儲(chǔ)層(①、⑤、⑨號層)累計(jì)厚度為10.2 m,其中Ⅱ類儲(chǔ)層厚度為8.7 m,Ⅲ類儲(chǔ)層厚度為1.5 m。脆性礦物含量平均值為65.1%,黏土礦物含量平均值為27.9%, 孔隙度平均值為2.2%,TOC含量平均值為1.1%,吸附氣含量平均為1.6 m3/t,游離氣含量平均為2.0 m3/t,總含氣量平均為3.6 m3/t(見圖7)。

表1 五峰-龍馬溪組頁巖氣綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系不適用于筇竹寺組粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層,對于筇竹寺組粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層,優(yōu)選參數(shù)評價(jià)指標(biāo)(見表2),建立以游離氣為核心參數(shù)的儲(chǔ)層評價(jià)方法。采用該評價(jià)分類指標(biāo),將筇竹寺組粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層劃分為氣層、差氣層、含氣層共3種類型。表2與表1是2個(gè)評價(jià)體系,非對應(yīng)關(guān)系。

表2 筇竹寺組粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層含氣性測井評價(jià)優(yōu)選指標(biāo)

粉砂質(zhì)頁巖(⑥、⑦、⑧號層)脆性礦物含量平均值為77.6%,黏土礦物含量平均值為20.2%,孔隙度平均值為2.2%,吸附氣含量平均為0.87 m3/t,游離氣含量平均為2.25 m3/t,總含氣量平均為3.12 m3/t。論證選取⑦號層的氣層段層量5.2 m,其孔隙度平均4.1%,脆性礦物含量平均75.9%,含水飽和度21.5%,游離氣含量平均4.3 m3/t,總含氣量平均5.0 m3/t,取其作為該井水平段靶體。根據(jù)井眼崩落與偶極各向異性顯示,該井最大水平主應(yīng)力方向約70°(見圖8),根據(jù)最小主應(yīng)力方向設(shè)計(jì)水平井軌跡。實(shí)鉆水平段長2 000 m,鉆遇油氣顯示良好。目前井研-犍為地區(qū)筇竹寺組還未提交探明儲(chǔ)量,X3井水平段的實(shí)施將有望在本區(qū)獲得非常氣規(guī)勘探突破。

圖8 井研-犍為地區(qū)X3井筇竹寺組電成像結(jié)合偶極分析最大主應(yīng)力方向

3.2 區(qū)域綜合評價(jià)

對井研-犍為地區(qū)筇竹寺組頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行綜合評價(jià),相對龍馬溪組的優(yōu)質(zhì)頁巖,①、⑨號層厚度薄,TOC含量、孔隙度較低,含氣量、脆性礦物含量較高,屬于中-低品質(zhì)Ⅱ-Ⅲ類儲(chǔ)層。另外,按照初步優(yōu)選的筇竹寺組粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層含氣性測井評價(jià)優(yōu)選指標(biāo),⑥～⑧號層孔隙度、游離氣含量、總含氣量、脆性礦物(石英、長石、方解石、白云石等)含量相對較高,屬于中等品質(zhì)的儲(chǔ)層,其中⑦號層相對高伽馬段(4～10 m)評價(jià)為氣層,且平面分布穩(wěn)定,可作為水平井靶窗的最優(yōu)甜點(diǎn)層段。

4 結(jié) 論

(1)井研-犍為地區(qū)筇竹寺組黑色頁巖與⑥～⑧號層粉砂質(zhì)頁巖以游離氣為主,且⑥～⑧號層的游吸比較高,黑色頁巖略低。采用Total Shale公式評價(jià)含水飽和度與巖心分析結(jié)果相關(guān)性高,且孔隙度與游離氣含量呈正相關(guān)。

(2)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)體系不適用于筇竹寺組粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層,一定的有機(jī)質(zhì)含量是筇竹寺組該類頁巖儲(chǔ)層的物質(zhì)基礎(chǔ),但不是決定性因素。新建立的筇竹寺組粉砂質(zhì)頁巖儲(chǔ)層評價(jià)指標(biāo),將該類頁巖儲(chǔ)層劃分為氣層、差氣層、含氣層3種類型,其中⑦號層品質(zhì)相對較優(yōu),是該區(qū)的甜點(diǎn)層。

(3)運(yùn)用交會(huì)圖、多元回歸分析等方法可以有效識別和評價(jià)該類儲(chǔ)層含氣性,本文建立的筇竹寺組頁巖儲(chǔ)層含氣性測井評價(jià)方法應(yīng)用于該區(qū)目標(biāo)優(yōu)選,可為資源潛力評價(jià)提供技術(shù)支撐。