基于测井资料的页岩含气量定量评价

何羽飞,万金彬,于小龙,程道解,倪军,陈玉林

(1.中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安710075)

0 引 言

目前中国基于测井资料对页岩含气量进行准确定量计算还比较薄弱[1-2],页岩含气量受到诸如储层有机碳、矿物组分、温度、压力等众多复杂因素综合影响,给页岩气资源评价工作带来困难[2]。选取影响页岩含气量评价关键参数,才能克服目前利用单一因素定量评价含气量的局限。因此,综合考虑各影响参数,基于测井资料建立含气量计算方法并对页岩含气量连续性剖面作出准确评价,是页岩气储层评价研究的迫切内容之一[2-4]。

本文将影响页岩含气量的各个地质参数进行相关分析,优选出影响含气量的关键地质参数;通过优选的地质关键因素建立含气量计算模型;进一步利用丰富、经济的测井资料定量评价各个地质关键参数;进而通过多因素含气量模型定量求取页岩含气量的连续性剖面。最终实现了利用测井资料对页岩储层含气量进行连续性定量评价的目的,具有简便、快速、经济、实用等优越性,能够为现场试气层位的优选和区块“甜点”评价提供有效的技术支撑。

1 页岩含气量地质关键参数优选及新模型构建

页岩的含气量除受沉积环境影响外,还受到热演化史、埋藏史等因素影响,根据页岩气的聚集特征和聚集机理,可将影响页岩含气量的众多控制因素分为内部和外部因素[3-4]。内部因素主要包括页岩有机碳含量、矿物组分和储层物性等;外部因素主要有温度、压力和深度等[5-9]。不同地质沉积背景下,不同区域各个控制因素对含气量影响程度有所不同,需要结合区域储层特征,进行针对性优选研究。

在条件允许的情况下,应尽可能多地考虑各影响参数对页岩含气量影响,以达到更好地预测效果[10]。由于同一区块温度和深度变化不大,在进行参数优选时不将其列入其中考虑。结合X区块页岩气储层特征和实际条件,对各个影响参数分别与实验测试的含气量进行单因素相关性拟合分析,优选拟合相关系数较高的影响参数。

从内部和外部影响因素等各个影响指标与总含气量的相关关系图可知,总含气量与地层压力、孔隙度呈正相关,与密度呈负相关,拟合相关系数较高,最终优选为研究区总含气量评价指标(见图1)。从各个影响指标与吸附气量的相关关系图分析可知,吸附气与有机碳、比表面呈正相关性,与密度呈一定的负相关性(见图2),且拟合相关系数较高,最终优选为吸附气量的评价指标。

图1 优选评价指标与总含气量的相关关系

图2 优选评价指标与吸附气量的相关关系

基于以上岩心数据分析,优选影响总含气量的地层压力、孔隙度以及密度作为最终评价地质关键参数,建立总含气量复杂函数计算模型。优选影响吸附气量的有机碳、密度以及比表面地质关键参数,建立吸附气量复杂函数计算模型。通过含气量模型分别计算出总含气量与吸附气含量,两者之差便可获得游离气含量,最终达到预测含气量的目的[7-10]。

Vt=f(pp,ρ,φ)

(1)

Va=(ρ,TOC,S)

(2)

Vf=Va-Vt

(3)

式中,Vt、Va、Vf分别为页岩总气量、页岩吸附气量、页岩游离气量,m3/t;ρ为页岩密度,g/cm3;pp为地层压力系数;φ为孔隙度,%;TOC为总有机碳含量,%;S为比表面,m2/g。

2 页岩含气量新模型测井定量计算及应用

2.1 页岩含气量新模型测井定量计算

2.1.1 有机碳含量测井评价

页岩的总有机碳含量(TOC)是影响页岩吸附气体能力的主要因素之一,TOC较高的页岩对吸附态页岩气具有更高的存储能力,TOC越高,页岩气的吸附能力就越大。

X区块由于取心层段有限,为了获取未取心井段烃源岩中有机碳含量,采用测井方法,建立研究区有机碳与相关测井曲线的数学模型。目前根据有机碳含量测井计算的手段和方法,在X区块进行应用,单一测井密度法(见图3),两元测井核磁共振—密度法(见图4)效果较好,并进行了有机碳含量测井定量计算。

图3 单一因素测井评价TOC

图4 两元因素测井评价TOC

2.1.2 地层压力测井评价

一般情况下,在一定范围内地层压力与页岩储层的含气量呈正相关关系,在盆地内部,压力系数一般较高,保存条件较好,总含气量较高;反之,压力系数一般较低,保存条件较差,总含气量较低[9-12]。

目前,有多种测井系列都能较好地反映地层孔隙压力。该区块选用资料来源最广的声波时差资料,应用效果最好。对于页岩欠压实机理产生的异常压力,首先需要建立声波时差的正常压实趋势线,通过正常压实趋势线与实际测井声波时差进行对比,求取地层压力(见图5)。Eaton法综合考虑了压实作用以及其他高压形成机制作用[12],并建立与声波时差之间的关系

pp=po-(po-pw)(Δtn/Δt)c

(4)

式中,pp为地层压力,MPa;po为上覆地层的静岩压力,MPa;pw为地层水静液柱压力,MPa;Δt为观察点测井实测;Δtn为同一深度正常压实趋势线上的对应值;c为压实指数。

图5 Δt与深度的关系曲线*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

图6 X区块页岩气Y井地层压力测井预测图

压力异常和含气性都会引起纵波时差增大,在预测孔隙压力前,应该对纵波时差进行校正,消除含气影响[11]。横波时差受气体影响较小,当横波速度确定时,通过不含气页岩层段的纵波、横波时差关系模型可求取纵波时差,并得到不受气体影响的纵波时差,从而实现含气性校正,才能更好实现压力预测。

2.1.3 孔隙度测井评价

常规储层评价研究中,物性参数是评价储层特征的主要参数,对于非常规页岩气储层也同样适用。页岩的物性参数孔隙度主要影响着页岩的含气量。孔隙是页岩中气体的储集空间,孔隙大小很大程度上决定着页岩的储能大小,它主要控制着页岩游离气的含量[10-13]。

由于页岩气储层中含有一定量的有机质,有机质的性质接近于流体,但占据矿物骨架体积,使孔隙结构变得复杂,因此,传统三孔隙度算法已不能准确求取泥页岩孔隙度。

通过对密度孔隙度作类似于泥质校正的方法进行校正以后的孔隙度,接近于页岩气储层的真实有效孔隙度,故提出以下孔隙测井计算模型[12-15]

(5)

式中,φe为有效孔隙度,%;φd为密度孔隙度,%;VTOC为有机质体积,%;Vsh为泥质含量,%;ρma为骨架密度,g/cm3;ρTOC为有机质密度,g/cm3;ρf为流体密度,g/cm3。

2.1.4 比表面积测井评价

孔隙比表面控制着吸附气含量,由于页岩气储层干酪根中微孔隙的发育,微孔隙表面积对甲烷有较强的吸附能力。页岩储层比表面积的构成较为复杂,它与总有机碳、岩石组分、矿物成分以及黏土矿物的内表面积和外表面积等因素密切相关。

通过交会分析,比表面积与有机碳和孔隙结构相关关系高,建立相关函数关系(见图7、图8),并进一步通过测井资料定量评价比表面积。

图7 比表面积与TOC关系

图8 比表面积与孔隙结构系数关系

2.2 实例应用

针对页岩气X区块通过对优选的地质关键因素分别与总含气量和吸附气量进行数学关联性分析并建立含气量模型。基于丰富的测井资料定量求取影响含气量各地质关键参数连续性剖面。方法应用于X区块Y2井,模型方法与实验方法的计算结果较为一致(见图9)。实现了利用测井资料对页岩气储层含气量进行连续性剖面定量评价的目的。

图9 X区页岩气Y2井含气量测井评价

3 结 论

(1)从各个影响指标与含气量的相关关系图分析,总含气量与地层压力、孔隙度呈正相关,与密度呈负相关,最终优选为研究区总含气量评价指标;吸附气与有机碳、比表面呈正相关性,与密度呈一定的负相关性,且拟合相关系数较高,最终优选为吸附气量的评价指标。

(2)通过优选的含气量地质关键影响参数建立含气量新模型,进一步实现利用测井资料对页岩储层含气量进行连续性剖面的定量评价,根据新模型公式计算的含气量与实验测试的含气量值吻合较好,说明达到预测页岩含气量的良好效果。