页岩气储层测井评价技术研究与应用现状

冷 玥，赵迪斐，郭英海，李艳芳，崇 璇，周道生.

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.中国科学院自然科学史研究所，北京 100190；3.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008；4. 南京大学 地球科学与工程学院，江苏南京 210023；5.中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏无锡 214126)

页岩气是赋存于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以热成熟作用或连续的生物作用为主以及两者相互作用生成而聚集在烃源岩中的天然气[1-3]。我国具有丰富的页岩气资源储量，但页岩气储层储集空间小，具有自生自储、非均质性强的特点，其评价研究具有一定难度[4-7]。

地球物理测井能快速高效获取多种地层信息，有效识别储层并对其进行评价[8-10]，相较于复杂且昂贵的钻井取心与岩心分析，将测井技术应用于页岩气储层研究具有快速高效的优势[11-13]，可确定页岩气储层的岩性、孔隙度和渗透率、评价储集层的有机碳含量、热演化程度、含气饱和度、储集层厚度等[14-16],并与成像技术结合直观显示地层裂缝、孔隙等情况[17-18]。

近年来，国内外在页岩气测井技术及储层测井评价技术等方面取得了很多技术研究与应用实践的进展。页岩气商业化开发后，美国墨菲石油公司(Murphy oil)的 LeCompte 等(2010)根据页岩气储层岩性复杂、非均质性强等特点，提出了适用于页岩气储层评价的测井系列[19-20]，斯伦贝谢公司(Schlumberger) 最新仪器元素扫描测井可直接获取碳元素含量[21]，贝克休斯公司采用常规和成像测井结合评价页岩气储层，并开发应用常规测井软件平台Platform Express[1]，斯伦贝谢旗下的 TerraTek公司开发了一种被称为致密岩石分析(TRA)的岩石热解分析技术，对岩石颗粒密度、孔隙度、流体饱和度、渗透率和含气页岩总有机质含量等进行分析和描述[22]。国内张培先(2011)基于对川东南海相地层页岩气评价研究，提出了计算页岩游离气含量“四步法”和吸附气含量“三步法”[23]；谢庆明，程礼军等(2013)综合岩心分析、常规测井和特殊测井资料对渝东南黔江地区龙马溪组页岩气储层建立了测井解释模型[24]；王濡岳，冷济高等(2015)综合常规测井、元素测井、核磁共振测井等方法对上扬子地区下寒武统牛蹄塘组优质页岩储层进行测井识别和评价[25]，冉伟、刘向君等(2015)利用自然伽马能谱对川东南地区龙马溪组页岩进行了TOC评价[26]。本文结合前人成果，综述不同类型测井技术的原理及页岩气响应特征，总结页岩气测井识别的成图方式和储层评价方法，以期为相关研究提供参考。

1 页岩气测井类型、原理及响应特征

1.1 页岩气常规测井

常规测井以地层电性、放射性、声波传播特性等为基础，常用的方法有电阻率测井、核测井、声速测井、井径测井等。

(1)电阻率测井。

电阻率测井主要反映岩层电阻率大小。页岩气储层中，泥质和水的增加使电阻率降低，但所含气体使电阻率迅速增高，反映在测井曲线上为低异常反映区域中夹杂局部高异常反映。

(2)核测井。

核测井又称放射性测井，按探测射线来分，可分为伽马法和中子法两大类[11]。在页岩气储层评价中常用的有自然伽马测井、密度测井、岩性密度测井、中子-伽马测井等。

自然伽马测井记录地层自然伽马射线强度或能量，反映的是地层中天然放射性物质的多少。通常情况下，页岩气储层中泥质和有机质含量高，自然伽马曲线呈现高异常反映。密度测井测定的是散射伽马射线强度，当伽马源能量为中等时，散射伽马射线强度与地层密度有密切关系，间接反映岩层密度差异。一般而言，页岩气储层结构较松散，有机质、气体、裂缝的存在使得密度曲线呈现低异常反映。岩性密度测井记录的是地层的光电吸收截面指数和电子密度指数。烃类和气体具有较低的光电吸收截面指数，岩性密度曲线呈现低异常反映。中子-伽马测井记录的是中子被原子核俘获后所放出的伽马射线强度。中子-伽马射线强度决定于岩层的含氢量，而含氢量又反映了岩层孔隙率的大小。页岩气储层的孔隙、裂隙发育和有机质的存在令中子-伽马曲线一般表现为高异常反映。但中子-伽马测井受井的影响较大，必须与其他测井资料综合研究对比。

(3)声速测井。

声速测井记录的是声波在岩层中传播的声波时差。页岩气储层泥质含量较多，有机质和气体的存在等令声速测井曲线呈现高异常反映，在裂缝处还常伴有周波跳跃现象。声速测井还常用于划分地层，对于层序识别难度较大、宏观均质性较强的页岩储层，声速测井可以为地层划分、层序研究、储层控制影响因素研究等提供科学依据。

(4)井径测井。

井径测井反映的是井眼情况。页岩气储层泥质含量较多，存在有机质和裂缝，常表现为扩径现象，在含页岩地层层系中，井径测井可以协助识别页岩层系位置并划分岩性。

1.2 页岩气特殊测井

当常规测井不能完全满足评价要求，特殊测井技术，如 ECS、FIM 等，可更有针对性地解决矿物成分确定、物性参数评价等定量评价难题[3]。

(1)元素俘获测井(ECS)。

ECS是目前唯一能从岩石组分角度解决岩性组分问题的测井方法[17]。该技术与中子-伽马测井原理相似，对得到的伽马射线根据不同元素各自峰值进行解谱，获取地层中最重要的6种元素(Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd)的相对含量[1]，是评价地层性质、计算矿物组分的重要方法。ECS测井目前在国外页岩气勘探开发中对岩石矿物解释具有重要作用，斯伦贝谢公司综合应用ECS和Platform Express实现了岩气储层矿物组分的评价[27]。

(2)井周声波-电阻率成像测井。

井周声波-电阻率成像测井直观反映井筒的地质特征，具有高分辨率、高井眼覆盖率和可视性特点[17]，可以为页岩储层的岩性识别与裂缝分析等提供基础依据。雷茂盛(2007)、丁文龙(2009)、莫修文(2011)、齐宝权(2011)、李启翠(2013)等先后将声-电成像测井应用于判断裂缝类型、识别地层结构构造、确定裂缝产状和获取裂缝定量参数，取得良好效果[31-34]。

(3)核磁共振测井。

核磁共振测井是在外加磁场作用下，测量地层孔隙中可动流体氢核的弛豫时间，它只与地层的空隙大小和结构有关，与流体性质及岩性无关，是获取准确孔隙度的重要方法。核磁共振(NMR)测井在页岩储层的关键参数计算与流体性质判别中逐步得到应用，LeCompte(2010)利用核磁共振测井(NMR)计算了页岩孔隙度，计算结果与岩心分析值高度-致[35]。

(4)交叉偶极阵列声波测井。

交叉偶极阵列声波测井利用阵列声波得到岩层的纵横波速度，是计算岩石力学参数的重要手段。高坤(2007)、赖富强(2007)、朱玉林(2007)、王丽忱(2013)等利用阵列声波测井结合密度测井资料计算出岩石的弹性力学参数和岩石强度参数，并进一步计算出岩石的破裂压力[36-37]。

1.3 测井系列的优化组合

(1)标准测井系列。

标准测井系列可用于对比页岩储层的区域地层、识别页岩层位，是页岩气地质普查、勘探与开发必不可少的测井方法组合。原则上，标准测井系列一般包括电阻率测井、自然伽马测井与自然电位测井，部分区域视情况可增加声测井[1]。

(2)评价测井系列。

评价测井系列被应用于准确评价页岩气层特征，在页岩气普查、勘探、开发各阶段略有差异。常用的评价测井系列包括单孔隙度测井系列与三孔隙度测井系列，单孔隙度测井系列包括的测井方法含有标准测井系列与井径测井、侧向测井和感应测井；三孔隙度测井系列包括的测井方法除单孔隙测井系列外，还包括岩性密度测井和补偿中子测井；当常规测井不能满足评价要求时，应用中还可以补充特殊测井类型。

2 页岩气识别方法

2.1 常规测井曲线

常规测井曲线上，页岩气储层总体表现为“三高两低一扩”的基本特征[10]，即高自然伽马值，高声波时差值、电阻率局部高值、低密度值、低岩性密度值和扩径特征 (图1)。利用自然伽玛、电阻率、中子孔隙度、声波时差和感应测井的测井组合，可以识别出龙马溪组页岩气储层，与实际开采情况一致性好[38]。

2.2 交会图和Z值图技术

交会图以两种测井方法资料为变量，突出岩性、物性等不同特征，以达到识别页岩气、减少多解性的目的，利用自然伽马和电阻率交会图，可识别高自然伽马、高电阻率区的页岩气层；自然伽马和泥质含量交会图，可圈定自然伽马数值大、泥质含量变化不大的页岩气层区；声波时差(DT)和电阻率值(取对数)交会图可确定页岩分界线，区分岩性(如图2)[29]等。

Z值图则是以三种测井方法资料为变量，以达到识别优质页岩气储层的目的，如密度-中子-电阻率Z值图，可识别高石英含量、大孔隙度、高电阻率的优质页岩气储层，可以为页岩储层的科学评价提供科学依据[1]。

图1 页岩储层测井曲线图(据)Fig.1 Well logging curve of shale reservoir (according to[28])

2.3 声速与电阻率叠合法

将声速测井曲线与电阻率曲线进行叠加，以的变化差异反应烃源岩有机物质的情况[30]，是国内外利用测井资料识别烃源岩的最常用方法[1]。

2.4 成像测井和岩心法

成像测井通过地球物理成像，实现对井周岩石的表征，主要包括井壁成像、井边成像和井间成像，所利用的基本原理主要包括电阻率成像、声波成像、电磁波成像、电阻率成像、热中子成像。成像测井和岩心法是结合岩心资料在整个井筒长度范围内进行电阻率成像和井筒地层倾角分析，以识别层理和裂缝。

2.5 光电吸收截面指数法

光电吸收截面指数法定义了一个与电子光电吸收截面成正比的参数Pe，该参数与能量无关，可以为岩性判别提供基础依据，主要是通过岩石的平均原子序数反映岩性。应用光电吸收截面指数法可以结合光电吸收截面指数与自然伽马、中子、密度测井值，建立含气页岩地层模型，以估算储层矿物成分，突出层段的岩性信息。

2.6 人工神经网络法

人工神经网络法是一种常用的运算模型，由关键节点(或称神经元)及其之间相互联接构成。测井相应与实际的地层信息间的相应是高度非线性的，应用人工网络算法则是处理这些非线性关系的有效手段，应用人工网络算法综合分析测井资料，可以英语页岩矿物组分的识别[1]。

图2 声波时差—电阻率交会图(据[28])Fig.2 Intersection of acoustic time difference and resistivity (according to[28])

3 页岩气储层评价方法

3.1 页岩气储层物质成分评价

页岩气储层物质成分包括有机质、石英等脆性矿物、粘土矿物、水分等，其中地层的砂质含量、泥质含量、孔隙度和干酪根含量等是最为重要的核心参数。

测井资料的多解性和页岩气层的复杂性，使得仅仅通过测井资料定量计算地层组分缺乏准确性，因此必须结合实际地质条件，建立相应地质模型对测井资料的解释进行约束，从而建立最优化多矿物反演模型，识别和计算页岩气储层物质成分。

3.2 页岩气储层有机地化特征

(1)总有机碳含量(TOC)。

总有机碳含量(TOC)是页岩气储层含气量的重要影响因素。常用的TOC评价方法包括自然伽马测井-密度测井资料法、变量叠合图法、干酪根转换法等。

自然伽马测井-密度测井资料法是基于TOC与自然伽马测井值以及密度测井值的良好相关性，利用线性相关关系计算TOC。 变量叠合图法是将两类测井曲线，如电阻率与孔隙度曲线进行叠合，根据两曲线的差异计算TOC。干酪根转换法主要是是利用干酪根与TOC的转换关系计算出储层的TOC参数值[1]，如贵州下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩TOC测井计算中，研究人员选取了自然伽马(GR)、铀(U、钍(Th)、钾(K)、密度、声波时差、补偿中子(CNL)与电阻率(lgR)8个参数进行回归分析，效果较好[27]。

(2)热成熟度指数(MI)。

热成熟度指数(MI)也是页岩生气量的重要指标，含气页岩成熟度越高，说明页岩储层经历的热演化充分，页岩储层本身所产生、赋存的页岩气体也往往越多。综合利用密度、中子、电阻率测井资料，可综合预测出储层的热成熟度指数(MI)值[1]。

3.3 页岩储气层物性参数评价

(1)渗透率、孔隙度和饱和度。

渗透率、孔隙度和饱和度是页岩储气层最为重要的物性参数。孔隙度可直接利用常规测井曲线计算得到；渗透率的计算较为复杂，常用的计算方法包括基于致密多孔介质的标准哈根-泊肃叶公式法、基于经验的克林肯伯格公式法以及基于渗透率与孔隙度关系的岩心法；饱和度的计算则可利用阿尔奇公式进行估算[1]。

(2)吸附气和游离气含量。

页岩气包括吸附气与游离气。页岩含气量的测量母目前缺少专门的行业标准，主要参照煤层气行业中的测量方法，结合页岩的特性对参数等做相应修改调试。页岩吸附性、含气性影响因素复杂[39]，吸附气含量的计算，目前主要采用的等温吸附模拟实验法，即根据岩性、物性、矿物组成、有机质含量等，选取合适的样品参数、实验条件进行等温吸附模拟实验，将得到的实验数据换算为兰格缪尔体积和兰格缪尔压力后，经过温度校正计算气体体积。游离气含量的计算可据其与地层孔隙度、含气饱和度的关系计算得到[1]。聂海宽等(2012)选取TOC、总烃含量、石英含量、粘土矿物含量、孔隙度、密度、黄铁矿含量和碳酸盐含量8个参数拟合计算了四川盆地周缘下古生界龙马溪组和牛蹄塘组页岩的含气量，并指出TOC和孔隙度对页岩气含量的影响[40]。

4 存在问题及前景展望

4.1 存在问题

我国在页岩气地质评价方面已取得较大进展，但仍存在以下问题：

(1)我国页岩气真实的资源总量和分布情况并未完全掌握[41]，页岩气储层地质特征、成藏机理认识有待提高[42]，不同地区测井资料与老井资料利用不足[27]，动态及静态信息综合不够[39]。

(2)我国在常规测井资料分析与解释方面处于国际先进水平，但针对非常规油气储层评价的专项测井技术、仪器和方法研究等方面与国外尚有一定差距[27]。

(3)我国页岩气地质条件复杂，海相、陆相及海陆过渡相页岩气储层差别较大、非均质性和各向异性较强[27]，极大地限制了某区测井评价方法在其他地区的推广。

4.2 前景展望

(1)加强资料收集及挖掘。结合岩心测试与测井数据，岩心测试科学且直观，测井信息量大、数据处理及时，二者有效结合，可以起到事半功倍的效果[43]；创新应用现代数学理论，如分形、模糊数学、神经网络等，提高数值模拟精度；综合多种方法充分提取老井资料有用信息。

(2)创新发展测井新技术新方法。结合地震技术和测井方法，通过建立测井曲线与地震响应的关系，勘探页岩气层[41]，是一个重要研究方向；高精度地层元素测井使用高性能大尺寸溴化镧晶体伽马光子探测器和脉冲中子发射技术, 能显著提高地层元素测井的分辨率和测量精度[44]；水平井钻井技术能钻遇更多物性较好的储层[45]，在我国已得到较好发展[46]，亟需针对水平井测井的曲线响应与解释评价的进一步研究。

(3)实现方法的系统化与特殊化。我国页岩气地质条件比北美盆地更加复杂，在借鉴国外先进经验的基础上，开展适合我国页岩气成藏特点的勘探技术研究[41]，创立针对我国不同地质状况的普遍性、高精度方法体系是未来发展的重难点。

(4)积极研发高精度测井新仪器，丰富测井评价解释软件，发展针对我国地质条件的测井评价领域的标杆企业[46]。

(5)针对页岩的测井研究起步较早，但在页岩气商业化生产之前，对页岩的测井研究主要是对页岩测井信号分析与评价的研究，而并不针对储层特征[47]。发挥页岩测井分析在储层预测、评价、分析中的连续性优势，对如何精准预测储层矿物组分、有机质特征、微观结构、含气性、物性等展开针对性研究，建立适用于我国特定、特殊页岩储层的预测与评价方案。

5 结语

测井技术在页岩气储层评价研究中具有重要意义。常规测井之间以及常规测井与特殊测井的组合，大大减少了测井资料地质解释的多解性，增强了岩层地质特征解释的准确性和直观性。应用测井资料，以多种成图方式和方法互为补充，可以有效提高页岩气储层识别的精确性，实现页岩气储层物质成分、有机地化特征、物性参数等重要指标的准确全面评价，为经济快捷地实现页岩气储层评价提供基础依据，为页岩气勘探开发提供参考。