湘鄂西下志留统龙马溪组页岩含气性测井评价

陈 康，张金川，唐 玄

(1.中国地质大学，北京 100083；2.页岩气勘查与评价国土资源部重点实验室，北京 100083)



湘鄂西下志留统龙马溪组页岩含气性测井评价

陈 康1，2，张金川1，2，唐 玄1，2

(1.中国地质大学，北京 100083；2.页岩气勘查与评价国土资源部重点实验室，北京 100083)

测井评价技术具有纵向上信息连续且分辨率高的优势，利用测井技术评价页岩含气性，能经济并有效地指导页岩气勘探。遴选了与湘鄂西龙马溪组页岩地质参数密切相关的测井曲线，应用合适的计算模型对有机地球化学、储层物性和含气性参数进行预测和评价。测井评价结果显示该地区龙马溪组页岩有机质丰度高，孔隙度较低，含气饱和度高，吸附气含量较游离气多，总含气量较高，平均为1.705 m3/t。通过对3段页岩气层的研究，认为含气量与TOC和孔隙度成正相关关系，且单位TOC的含气量和孔隙度在页岩底部会明显升高，为页岩底部储集空间大、封闭性强、天然气逸散能力弱所致，说明该地区龙马溪组页岩层底部具有较强的页岩气富集能力。

页岩气；测井评价；含气性；湘鄂西；龙马溪组

0 引 言

页岩气是在页岩层或与其毗邻的粉砂岩和细砂岩夹层中聚集的天然气，其吸附于有机质或矿物表面，或游离于基质孔隙和裂缝之间，是一种重要的非常规天然气藏[1-2]。测井解释技术能够提供页岩有机碳含量、储层物性、含气性等多方面参数，对此前人已有许多研究成果。SCHMOKER等利用TOC与自然伽马和密度的线性关系计算TOC[3-4]，朱光有等利用影响TOC的多个参数建立多元回归方程来计算TOC[5-7]。MOSTAFA等采用三孔隙度曲线拟合公式计算页岩含气量[8]。测井解释方法具有地区适用性，须在前人研究的基础上根据地质条件找出合适的测井解释方法。中扬子湘鄂西地区在晚奥陶世—早志留世沉积了一套上奥陶统五峰组及下志留统龙马溪组黑色泥页岩，页岩厚度大、分布广，由北西向南东方向逐渐减薄[9]。选择该地区的LD1井作为研究代表，对龙马溪组页岩岩心密集采样，实验获取地化、物性和含气性方面的参数。分析并遴选测井资料中与上述地质参数相关性好的测井曲线，采用合理的计算模型对这些实测参数进行拟合，利用拟合参数对目的层段进行综合评价，并分析含气量影响因素和变化特征。

1 页岩气测井解释

1.1 TOC测井解释

页岩的有机质丰度TOC是页岩气评价的重要指标，决定了页岩的生气量和生气潜力问题。为了建立适合该地区的TOC测井解释模型，首先对测井曲线与实测的TOC值做交会分析，相关性最好的曲线为声波时差、密度和电阻率，但相关程度均不高。将这些曲线组合并进行多元线性回归分析，将各组合模型及其相关系数进行分析对比(表1)，可以看出，lgRt、DEN和AC的三元线性组合预测的TOC与实测TOC的相关性最好，相关性达到0.862 3，是该地区预测有机碳含量TOC的较好方法。

表1 不同线性回归方法计算TOC结果

1.2 孔隙度测井解释

常规测井确定地层孔隙度主要利用声波时差、补偿中子和体积密度等孔隙度测井曲线结合威利公式计算得到。对于页岩气储层，孔隙常存在于碎屑矿物、黏土矿物、干酪根和微裂缝中及其周围[10]，复杂的矿物成分和多样的孔隙结构使单孔隙曲线计算孔隙度有局限性。因此，在实测孔隙度拟合的基础上建立了三孔隙度曲线线性回归关系式：

φ=0.015AC-4.86DEN-0.118CNL+11.796

(1)

式中：φ为岩石孔隙度，%；CNL为补偿中子孔隙度，%。

式(1)预测的孔隙度与实测孔隙度的平均误差较小，说明拟合方程适用于该地区。

1.3 含气饱和度测井解释

成熟的页岩孔隙流体含水较少，该地区以生气为主，含油饱和度可以忽略不计。可利用阿尔奇公式计算页岩储层的含水饱和度，公式如下：

Sw=[abRw/(φm·Rt)]1/n

(2)

Sg=1-Sw

(3)

式中：Sg为含气饱和度，%；Sw为含水饱和度，%；Rw为地层水电阻率，Ω·m，取0.12 Ω·m；m为岩石胶结指数，取2；n为饱和度指数，取2；a、b为岩性系数，均取1。

1.4 吸附气量测井解释

大量实验表明，页岩的吸附遵循Langmuir等温吸附关系，Langmuir体积能表示页岩的最大吸附气量[11]。利用等温吸附实验样品的最大吸附气量与对应样品的TOC值做交会图(图1)，可看出吸附气量与TOC呈良好的线性关系，得到如下吸附气线性拟合公式：

QA= 0.545TOC+ 1.129

(4)

式中：QA为吸附气量，cm3/g。

上式中相关系数为0.916 7，线性相关性非常好，利用TOC来拟合吸附气量具有较高的可靠性。

图1 等温吸附气量与TOC交会图

1.5 游离气量测井解释

游离气是以游离状态赋存在储层孔隙和裂缝中的天然气。确定游离气含量的重要参数是有效孔隙度和含气饱和度。计算公式如下：

Qf=φSg/(ρZ)

(5)

式中：Qf为游离气含量，cm3/g；ρ为该岩石的密度，g/cm3；Z为气体体积压缩因子，与深度呈线性关系。

2 页岩气测井综合评价

对上述测井解释的预测TOC、孔隙度、含气饱和度、吸附气、游离气和总含气量曲线进行综合分析评价，结果见图2。预测TOC与实测TOC吻合较好，龙马溪组页岩TOC为0.42%～4.18%，平均值为1.52%，高TOC值位于龙马溪组的顶部和底部，能达到4.20%。预测孔隙度和实测孔隙度同样具有较高的吻合度，龙马溪组页岩孔隙度为0.12%～2.09%，平均孔隙度为1.13%，龙马溪组底部黑色炭质页岩孔隙度最大，达到2.09%。龙马溪组含气饱和度整体很高，除上部地层含气饱和度为65%左右，其余地层的含气饱和度在78%左右。龙马溪组吸附气含量为0.5～2.4 m3/t，游离气含量为0.14～0.82 m3/t，两者比值约为3∶1。总含气量曲线与实测值总体趋势一致，平均误差为0.314 m3/t，在合理范围内，其值为1.057～2.719 m3/t，平均为1.939 m3/t，含气量高值部分集中在龙马溪组的上部、中部和底部，达到2.3 m3/t以上。总体上龙马溪组页岩有机质丰度高，具有形成页岩气的良好物质基础。页岩的孔隙度不高而孔隙含气饱和度普遍较高，具备一定的储集条件。含气量中吸附气占主要成分，整体上含气量较大，具有良好的资源潜力。

图2 测井解释综合分析

在分析龙马溪组页岩各项参数的基础上，以岩性、厚度、TOC、孔隙度和含气量为主要参考指标，可将龙马溪组划分出3个页岩气层：1号层，896.00～910.40 m，黑色页岩，平均TOC为1.5%，孔隙度为0.8%，含气量为1.5 m3/t；2号层，922.30～931.28 m，黑色页岩，平均TOC为1.02%，孔隙度为0.82%，含气量为1.83 m3/t。3号层，黑色炭质页岩，941.90～949.10 m，平均TOC为2.17%，孔隙度为1.08%，含气量为2.66 m3/t。

3 含气量的主控因素

3.1 TOC与含气量之间的关系

TOC与含气量的正相关性在很多页岩研究中被证实。该地区龙马溪组页岩层系有机碳含量和含气量拟合关系表明两者呈很好的线性关系(图3a)，相关系数达到0.74。TOC与含气量相关性好，主要原因是含气量中吸附气的比重多，而TOC增加使得可供天然气吸附的表面积增大，页岩吸附气含量随之增加[12]，如图3b所示，TOC增加吸附气含量也随之增加，TOC和含气量呈较好正相关性。但TOC与游离气的交会图中没有看到明显的相关性(图3c)，一定程度上说明游离气的赋存空间与TOC关系不大。

3.2 孔隙度与含气量之间的关系

由图4a可知，含气量与孔隙度呈弱正相关性，而游离气量与孔隙度呈明显正相关性，相关系数达到0.86(图4b)。高含气饱和度的孔隙体积对游离气有直接贡献，但由于含气量中游离气占的比重小，因此，总体上孔隙度对总含气量的影响较小。而吸附气与孔隙度并没有很好的相关性(图4c)，说明孔隙度增加但能让吸附气吸附的孔隙表面积并没有增加。

图3 含气量与TOC关系

3.3 深度与含气量之间的关系

含气量随深度的纵向变化规律前人讨论的比较少，利用测井曲线纵向分辨率高的优点来研究含气量随深度的变化效果显著，相对于零散的实测数据，连续测井预测的曲线能充分体现参数的局部变化特征。

从图5中预测TOC和预测含气量随深度变化可以看出，3个层的TOC和含气量都有层中部大顶底小的变化规律。层顶底与砂岩或砂质泥岩相接触，沉积环境和岩性发生渐变，TOC变小，含气量也随之变小。预测含气量与预测TOC的比值，反映的是单位TOC的含气能力。图中3个层段的单位TOC含气量整体都稳定集中在1.5～2.0 m3/t，但到层底部单位TOC含气量突然变大，其中1号层和3号层表现尤为突出，在层底部2～3 m的厚度范围内，两者单位TOC含气量分别从1.7 m3/t左右增加到3.8 m3/t和4.9 m3/t，该现象说明层底部的单位TOC含气能力强。图5中3个页岩层底部的孔隙度都增大，而孔隙度与游离气正相关关系强，说明底部储集空间大使含气量中游离气成分增大，进而单位TOC含气能力变强。从天然气逸散方面来说，致密页岩层段的中上部对页岩底部自生自储的页岩气来说具有很好的封存能力，而中上部的页岩气会由于不具备良好的保存条件，有部分逸散到上部的非致密岩层中。1号和3号层页岩相对于2号层页岩较厚，所以其对底部页岩气的封存能力相比2号层页岩要更好，底部的单位TOC含气量要高。这些现象体现了该地区龙马溪组页岩层底部对页岩气具有富集能力。

图4 含气量与孔隙度关系

图5 TOC、含气量和孔隙度的深度变化

4 结 论

(1) 页岩气测井解释需根据地区地质特征选择合适的测井曲线和计算模型。湘鄂西地区下志留统龙马溪组页岩的实测参数值与测井预测参数值吻合程度高，测井计算模型具有地区推广性。测井评价结果显示，该地区龙马溪组页岩有机质丰度高，平均TOC为1.52%，孔隙度较低，平均为1.13%。含气饱和度整体高，平均为78%。含气量中吸附气占主要成分，总含气量较高，为0.23～3.37 m3/t，平均为1.705 m3/t。综合各类参数，将龙马溪组页岩划分成3段页岩气层。

(2) 湘鄂西龙马溪组页岩含气量与TOC和孔隙度呈正相关关系，TOC与吸附气正相关性强，对游离气影响不大，孔隙度与游离气正相关性强，对吸附气没有太大促进作用。单位TOC含气能力和孔隙度在页岩底部会变高，认为页岩底部具有更好的储层空间和封存条件，体现了该地区龙马溪组页岩层底部具有页岩气富集能力。

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编辑 刘兆芝

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.004

20150812；改回日期20151120

国家自然科学基金项目“风化作用对我国南方页岩含气性影响定量研究——以渝东南龙马溪组为例”(41102088)

陈康(1988-)，男，2009年毕业于长江大学地球物理学专业，现为中国地质大学(北京)矿产普查与勘探专业在读博士研究生，专业方向为非常规油气地质与地球物理研究。

TE122.2

A

1006-6535(2016)01-0016-05