南方地区页岩气储层工业组分与有机碳测井计算方法

苗其师

（中石化华东石油局测井公司，江苏扬州225007）

0 引言

页岩气已经成为我国新兴的资源,资源量可观［1］.页岩储层的工业组分可简化为包括泥质、硅质、钙质、干酪根、孔隙等5部分［2］.侯颉等提出了针对页岩矿物组分测井分析，并提出了各组分测井响应参数的获取方法［3］.潘仁芳等将地球物理化学测井引入到页岩储层评价，提高了应用测井解释页岩矿物组分含量的精度［4］.

本文通过对南方彭水、黄平、娄底3个工区74块实验室岩心分析、有机碳测定，建立页岩储层五组分体积模型,建立了工业组分与测井曲线的经验关系式，并通过对有机碳含量与深侧向电阻率、声波时差、补偿中子、岩性密度、铀5条测井曲线进行相关分析，为消除单测井曲线受环境影响的局限性，建立了多元回归计算有机碳含量的计算公式，这一研究成果应用于南方地区页岩气井的处理，取得了满意的地质效果.

1 页岩气储层特征及储集性

1.1 页岩储层特征［5］

与常规及其他非常规天然气藏不同，页岩气藏具有如下6个方面的地质特征［6］：1）源储一体，页岩既是生气源岩，也是储集层，成藏过程为持续充注，原位饱和聚集；2）成因类型多样，既有生物成因气、热成因气和热裂解成因气，也有混合成因以热成因气为主；3）页岩储层超致密，孔隙类型多样，尤其发育有机质孔隙，孔隙大小以微—纳米级为主；4）气体组分以甲烷为主，赋存方式以吸附气、游离气两种方式为主，比例差异较大；5）页岩气分布不受构造控制，没有圈闭界限，但含气范围受生气源岩面积和良好封盖层控制；6）资源规模大，丰度低，但存在高丰度的“甜点区”.

另外，在测井评价方面也与常规储层不同，除了与常规储层一样要考虑骨架（钙质和硅质）、泥质和孔隙外，还必须要考虑到有机质.

1.2 气体在页岩中的赋存形式

页岩气在页岩中的储集机理与常规天然气的差别较大.在页岩气藏中，页岩气的赋存方式多种多样，除极少量溶解状态的天然气储存于干酪跟、沥青质及石油中外，大部分页岩气以吸附态赋存于干酪跟、黏土颗粒及孔隙表面，或以游离态赋存于孔隙、裂缝及其他储集空间［1］.以吸附态赋存的页岩气与有机质含量及比表面积密切相关，且页岩具有有机质含量高、比表面积大的特点，吸附天然气含量在20%～80%之间［8］.如图1所示.由于页岩气藏孔隙度、渗透率极小，存在与常规气藏、煤层气藏不同的赋存形式，常规油气和煤层气藏含气量计算方法都不能有效地进行页岩气藏的含气量计算，因此需要考虑页岩工业组分及其含量，这样含气量计算才能更准确.

2 页岩工业组分的计算

工业组分计算首先要确立岩石体积模型，根据研究区74块岩心分析测试研究表明，三个工区页岩储层均主要由5部分组成：泥质、硅质、钙质、干酪根和孔隙.本文在测井评价时直接用有机碳含量代替干酪根.测井的岩性密度、补偿中子、声波时差值等宏观物理量是由这5部分贡献之和，进而联立方程组，确定各部分的相对含量.岩性密度、补偿中子、声波时差等测井参数与泥质、硅质、钙质、有机碳以及孔隙体积含量的响应方程:

式中，Xlog分别为声波时差、密度、中子等测井数值；Vcl、Vs、VL、VTOC、VΦ分别为泥质、硅质、钙质、有机碳和孔隙体积百分比（小数）；Xcl、Xs、XL、XTOC、XΦ分别为泥质、硅质、钙质、有机碳和孔隙流体的声波、密度和中子值.前人的研究多是用多条曲线直接求解这5部分的体积.然而5部分的5种测井参数往往确定不准引起评价的误差.本文则采用这种5部分的构成，充分利用分析资料建立适合于研究区的关系式，从而避免参数选择及其带来的误差.

2.1 泥质含量

泥质含量是评价页岩气藏质量的重要指标，通常情况下泥质含量小于40%才能有较好的经济价值.常规测井中，泥岩的中子、密度测井曲线响应特征与砂岩、碳酸盐岩等地层差别较大，通常表现为高中子、低密度特征，通过中子-密度曲线重叠可以有效指示泥质含量.因此利用中子-密度曲线刻度差值与岩心分析的泥质含量建立关系模型（图2），其相关系数R2达到0.8533.其公式为：

式中，Vcl为泥质含量（%）；DCNL为中子-密度刻度差值（%）.

图1 常规气藏与页岩气藏对比图Fig.1 Comparison between conventional gas reservoirs and shale gas reservoirs

图2 DCNL刻度差值与泥质含量交会图Fig.2 Diagram of DCNL VS.shale content

2.2 硅质、钙质含量

利用岩心分析的砂岩、碳酸盐岩含量与测井曲线建立关系.矿物组分与自然伽马能谱、岩性密度、补偿中子和声波时差相关性较好，通过多元回归的方法建立关系式（相关系数为0.73和0.52），计算矿物组分含量.测井计算成果见图3（可以看出第5、6道分别为用多元回归公式计算的砂岩、碳酸盐岩含量与岩心实验数据基本重合）.

该方法计算公式：

Vs、VL分别为砂岩、碳酸盐岩含量（%），CNL、DEN、AC、KTH为中子、密度、声波、无铀伽马测井值.

2.3 干酪根（有机碳）

干酪根为腊状有机物质，是沉积有机质的主体，约占总有机质的80%～90%.烃源岩中，有机质丰度在测井响应上有直接的反映，所以利用测井资料可有效地进行评价.本文通过有机碳含量来反映该参数.

有机碳含量（TOC）是评价有机质丰度的主要指标，通过对已有页岩气井测井资料的综合分析，采用线性回归法计算TOC与岩心化验得到的TOC数据进行相关性分析建立关系式.

测井曲线与有机碳含量的关系分析研究表明，有机碳含量与声波时差、电阻率、铀呈一定正相关关系，与补偿中子、补偿密度则呈一定的负相关关系.为克服单参数的局限性，采用逐步判别分析法对测井分析的需要，确定利用有机碳与补偿密度和铀，有机碳与钍铀比分别构成两个二元回归计算有机碳含量的公式.

图3 测井计算骨架矿物含量与岩心分析对比图Fig.3 Comparison of matrix contents between log data and core analysis

a.钍铀比与有机碳多元回归，相关系数较高，R2=0.859（见图 4）

图4 钍铀比与有机碳交会图Fig.4 Diagram of thorium-uranium ratio vs.TOC

b.密度、铀与有机碳多元回归，相关系数R2=0.821.

图5为利用该方法计算的有机碳含量与实验分析数据对比图，图中第5道为测井计算的有机碳含量曲线与岩心分析有机碳含量数据点基本重合，说明应用多元回归计算有机碳含量的精度较高.

图5 HY1井有机碳含量计算成果图Fig.5 TOC calculation result for well HY1

2.4 孔隙度

中子、密度交会确定岩性骨架值，采用密度计算储层孔隙度.有机质的性质接近于流体，但同时占据矿物骨架体积，所以用密度计算孔隙度消去有机质、泥质的影响，计算模型如下.

式中：ρma为地层骨架密度值（g/cm3）；ρTOC为有机质密度（g/cm3）；ρcl为泥岩密度（g/cm3）；ρf为流体密度（g/cm3）；Φe、Φd为校正后和校正前的孔隙度（小数）；VTOC、Vcl为有机质和泥岩的体积百分比（小数）.

3 处理实例

应用上述方法对南方地区3口探井进行了处理.分别计算了页岩储层的有机碳含量、孔隙度、矿物体积含量等曲线.

1）HY1井：页岩孔隙度2.0%，TOC大于4%（图5）.

2）XY1井：页岩计算孔隙度平均3.5%，TOC在2.9%，该井的岩心实验分析数据与测井综合评价结果基本一致.

3）PY1井：图6为PY1井的结果，图中第5道显示计算的有机碳含量曲线与岩心分析的数据点基本重合，从有机碳、泥质含量、厚度等因素来看都是较好的页岩层段，测井解释孔隙度大于4%，TOC大于2%，泥质含量小于35%.该井测井计算的TOC以及孔隙度等参数与实验吻合性较好.

从上述处理实例成果分析可以看出：建立的页岩工业组分模型和多元回归公式计算的页岩工业组分、TOC与岩心实验分析结果基本吻合.

以上方法适用于南方地区页岩工业组分评价，为提高用测井方法计算页岩含气量的精度打下了基础.

4 结论

（1）基于研究区74块样品的分析数据建立了页岩储层五元工业组分体积模型.

（2）对测井曲线与页岩矿物含量的相关分析，分别建立了计算泥岩、砂岩、碳酸盐岩、孔隙度和有机碳的多元回归计算公式.因此通过测井曲线完全可以达到准确评价页岩各组分含量的目的.

（3）页岩储层中铀元素与有机碳含量存在较好的线性正相关关系，多元回归的钍铀比与有机碳含量相关性更好，拟合系数（r2）达0.859；

本文方法可以避免响应方程法评价页岩组分含量时5种组分多种参数确定的问题及参数不准带来的评价误差.

对南方地区3口页岩气井实际处理的成果检验了该方法的有效性.为下一步含气量的计算打下了基础.

图6 PY1井综合解释成果图Fig.6 Comprehensive interpretation for well PY1

［1］戴金星，吴少华，等.天然气地质学［M］.北京：石油工业出版社,1986: 18—25.

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［3］侯颉，邹长春，杨玉卿.页岩气储层矿物组分测井分析方法［J］.工程地球物理学报, 2012, 9（5）: 607—613.

［4］潘仁芳，伍媛，宋争.页岩气勘探的地化指标及测井分析方法初探［J］.中国石油物探, 2009（3）: 6—9, 28.

［5］张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布［J］.天然气工业,2004, 24（7）: 15—18.

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