基于气测录井的页岩气地层含气量计算方法

郭 琼 蔡 君 宋庆彬 刘 龙 王锁涛 李瑜琴 张 勇

(①中国石油渤海钻探第一录井公司；②中国石油杭州地质研究院；③中国石油渤海钻探科技开发处；④中国石油渤海钻探第二录井公司；⑤中国石油渤海钻探泥浆技术服务分公司)

0 引 言

对于页岩气勘探开发而言，其储量分级即探明地质储量、控制地质储量和预测地质储量的计算均需要勘察阶段所获取的储集层含气量这项参数，没有这项参数，就无从得到相应的地质储量数据，也就不清楚所勘探开发的页岩气层是否达到最低经济条件。而当页岩气进入规模开发阶段，在无钻井取心的情况下，现场钻井过程中如能够快速地估算出页岩气层段含气总量，那么无疑会对钻完井后续作业方案的确定发挥一定的指导帮助作用。

1 当前页岩地层含气量测量计算方法

1.1 解吸法

在页岩地层中，部分页岩气通常以吸附状态存在，页岩表面分子与甲烷分子间的作用力表现为范德华力。当处于运动状态的气体分子因温度及压力等条件的变化导致动能增加，以至克服引力而脱离页岩吸附成为游离气，即形成页岩气解吸现象。页岩解吸气量也称为解吸气量[1]。

用解吸法测定的含气量由损失气量、解吸气量和残余气量三部分组成。损失气量是指岩心快速取出后现场直接装入解析罐之前释放出的气量，这部分气体无法测量，必须根据损失时间的长短及实测解吸气量的变化速率进行理论计算；解吸气量是指岩心装入解析罐之后解吸出的气体总量，通常延续2周至4个月，根据解吸气量的大小而定，一般在1周内平均解吸速度小于10 cm3/d 时可终止解吸；残余气量是指终止解吸后仍留在样品中的那部分气体，需将岩样装入密闭的球磨罐中破碎，然后放入恒温装置内，待恢复到储集层温度后按规定的时间间隔反复进行气体解吸，直至连续1周解吸的气体量小于或等于10 cm3/d，测定其残余气量[2]。解吸法能够在模拟地层实际环境的条件下反映页岩的含气性特征，它被用来作为页岩气含量测定的基本方法。

1.2 等温吸附法

由于页岩气地层中黏土矿物颗粒、有机质颗粒及孔隙表面分子与其内部分子受力有差异，存在剩余表面力场，从而形成表面势能，使得气体分子在细小颗粒表面上的浓度增大，形成页岩气吸附现象[1]。

根据赋存状态，页岩气可分为吸附气、游离气和溶解气三部分，由于溶解气在页岩含气量中所占比例十分微小，在计算时可忽略不计。故用等温吸附试验法计算页岩含气量时，需要分别对吸附气含量和游离气含量进行计算。

等温吸附法中页岩吸附气含量的确定主要是借鉴煤层气中吸附气的评价方法，通过等温吸附模拟试验，建立吸附气含量与压力、温度的关系模型。实验过程是在恒温条件下，测试不同压力下气体的吸附量，再由压力和吸附量绘制出吸附等温线，根据兰氏模型计算吸附气含量[2]。

游离气是指以游离状态赋存于裂缝、基质孔隙等空间中的天然气，它是通过岩石有效孔隙度、含气饱和度、岩石密度以及气体体积压缩因子来求得的。

1.3 测井解释法

测井解释法是通过求取页岩的电阻率、孔隙度、含气饱和度、矿物组成、地层温度、地层压力等参数来计算出页岩气地层总含气量的。它所关联的页岩地层的参数较多，而且需要在钻完井之后方能予以解释，因此其得到的解释结果误差较大、时效性不够理想。

2 问题提出

在实施页岩气井钻探开发过程中，目前每一口井都需配套页岩气解吸仪来测量计算页岩地层含气量，这在页岩气勘探阶段是必要的。当实施区域规模开发时，如果考虑到经济因素，不一定每口井在钻入页岩气地层时都要进行钻井取心，况且实施水平井钻采时水平段也无法实施钻井取心作业。没有岩心样品，测量计算页岩地层含气量的解吸法、等温吸附法便不能进行。但是页岩地层含气量这项数据对完钻井后续的作业部署、地质储量计算以及长远规划有着不可或缺的作用，因此录井服务应通过另外的技术途径和方法在第一时间获取页岩地层含气量。

3 气测录井计算页岩地层含气量方法

3.1 页岩气解吸与气测录井的数据相关性分析

页岩气解析仪专门用于测定地下岩心单位体积和重量的含气能力，它与气测录井检测分析仪一样，采用氢火焰离子检测原理来测定密封于解析罐内的岩心样品中含气量，既包含岩心样品在大气压下自然解吸的气体含量即解吸气量，同时包含钻遇岩心到取出岩心装入解析罐之前释放出来的气体含量即损失气量，还包含岩心样品在解析罐中解吸终止后仍残留在岩心中的气体含量即残余气量。

气测录井是综合录井的核心技术之一，是检测钻井液从井底返到井口所携带上来的烃类气体含量和成分从而寻找地下油气层的一种有效方法[3]。地下页岩气层被钻开后，气层中的烃类气体或多或少地侵入井筒钻井液中并通过钻井液循环上返到地面，经过钻井液脱气器的高速旋转搅拌将侵入钻井液中的气体连续脱出，然后泵入气体检测分析仪(全烃检测仪、色谱组分检测仪、非烃检测仪)不间断地测定气体组分和含量，显然其中既有被钻头破碎岩石的基质孔隙和夹层孔隙中的游离气，也有被钻头破碎的岩屑表面上的吸附气在离开原始环境后所逸出的游离气。

气测录井在页岩气层某个深度点测量到的气体全量(或全烃含量)与页岩气解吸仪对应深度点的岩样分析得到的总含气量存在较强的相关性。对此通过选取已知页岩气井显示层取心段的多点气测录井和解吸数据以及取心段气测全烃含量、页岩气解吸仪分析得到的岩心含气量，以破碎岩石体积、取心全烃含量、岩心体积、岩心含气量、岩石体积为计算参量，按照页岩层段为均质性页岩来衡量，可得到该层段在正常钻进条件下页岩气解析仪测定的岩石总含气量(某一层段地层总气量)、气测录井测出的满井眼全烃含量数据，并用于进行正常钻进条件下气测录井的岩石全烃含量(某一层段总的全烃含量)与岩石总含气量的线性及非线性分析。

从图1各回归分析曲线可得到如下结论：岩石全烃含量与岩石总含气量相关性由弱到强的次序依次是对数回归分析、幂回归分析、线性回归分析、指数回归分析、多项式回归分析，最强相关的回归曲线方程是多项式，其回归分析模型为：

y=0.114 6x2-0.220 3x+0.806 9；r2=0.632 7

相关系数约为0.8。按相关性标准两者属于超强相关。当然线性回归与指数回归分析，岩石全烃含量与岩石总含气量也属于强相关，只不过它们分析得出的相关系数要小于多项式回归分析的相关系数。

3.2 页岩地层含气总量的气测录井计算方法

根据气测录井数据与页岩气解吸数据相关性分析结果，确定以多项式回归分析为准、以气测全烃含量为自变量，按照下面的计算模型求取页岩气储集层含气量估算值：

GCs=0.114 6Tg2-0.220 3Tg+0.806 9

式中:GCs为页岩地层含气总量，m3/t；Tg为页岩地层全烃含量，%。

选择某井页岩地层的气测录井、页岩气解吸数据，即现场录井技术服务采集处理得到的全烃含量、全烃基值、全烃峰基比、解吸气量、损失气量、总气量数据，进行相关性多类回归分析，计算数据见表1。

从表1所列的数据来看，该井页岩气层段岩心总气量34.736 m3/t，其中解吸气量10.364 m3/t、损失气量24.372 m3/t，这个损失气量与实际情况存在较大的误差，原因是页岩气解析仪对损失气量的计算是根据解吸气标准体积与解吸时间的关系曲线图来计算样品进入密闭解吸罐前的损失气标准体积。通过与该层段岩心体积、破碎岩石体积匹配计算获取的岩石总含气量为51.885 m3/t，而通过多类回归分析方程，依次得到多项式总气量为51.874 m3/t、对数总气量为51.885 m3/t、线性总气量为51.883 m3/t、幂总气量为36.944 m3/t、指数总气量为43.759 m3/t。显然，前三类回归分析方程计算出的地层总气量与岩石总含气量近似相等，考虑到相关强度、数据不可能为负，以气测全烃含量为自变量的多项式回归分析方程求取出来的该页岩气层段总含气量能够真实反映该层段的气体储集能力。

图1 页岩气地层岩石全烃含量与岩石总含气量相关性多类分析

表1 某井页岩气储集层含气量与全烃含量相关性分析计算数据

从图2可看出，在页岩气显示层段1 431.00～1 450.00 m，岩石含气量曲线形态特征与全烃含量的多项式、指数回归计算出的总气量曲线特征极其近似，只是在个别单点幅度上有所差异。

图2 某井页岩气地层全烃含量与岩石含气量相关性分析曲线特征对比

3.3 实例应用

该方法已在大港油田QY 2H井沙一段、四川CNH 23-2 井等8口井泥页岩储集层进行了现场应用，其解释评价结论经试气验证，有7口井符合，解释符合率高达87.5%。

CNH 23-2井是某页岩气田一口水平井。当钻进至井深3 100.00 m钻达目的层龙马溪组A靶点，垂深2 693.53 m，井斜100.1°，气测全烃含量由之前的3.56%升高到7.77%；在钻至井深4 574.65 m钻达龙马溪组B靶点，垂深2 437.30 m，井斜104.0°，气测全烃含量由水平段高全烃异常19.96%降至1.24%，最终在斜深4 574.65 m完钻。在水平段钻遇过程中，气测全烃含量最高值19.96%，平均值8.02%，整个页岩层段厚度高达260 m，利用全烃含量计算的地层总含气量为1.044 9×104m3/t(图3)。

按照相关标准[4]，页岩有效厚度大于50 m，其有经济效益的可采页岩气含量下限应高于1×104m3/t，利用全烃含量计算所得1.044 9×104m3/t的地层总含气量高于标准规定的下限；气藏埋深在2 000～3 000 m，井型为水平井的平均产气量的下限为4×104m3/d。该井在3 095.00～4 398.00 m井段压裂求得产气4.07×104m3/d。利用气测录井全烃含量计算得出的含气总量确定该层段为有经济效益的可采页岩气层段。该结论与试气压裂求产的结果相符。

图3 CNH 23-2井录井含气量评价图

4 结束语

气测录井计算页岩地层含气量方法是通过气测录井系统检测分析得到的全烃含量与页岩气解析仪测量得到的含气总量的相关性分析建立起来的数学模型，由于两种仪器各自存在的局限及在钻井作业现场所受到的诸多影响因素限制，计算结果与页岩气地层层段实际的含气量之间有一定的误差，该误差的大小需要通过大量的页岩气井生产数据来衡定。当拥有大量的实测全烃含量与含气总量数据时，两者相关性分析的数学模型也可能不是多项式计算模型，即使是多项式计算模型，其中的变量系数和常数项数值可能有所改变。

笔者提出并通过数据回归分析得到的这种页岩地层含气量的气测录井计算方法不能精确地给出页岩气地层含气总量，它只是具有一定误差的估算值，但是这一估算值在页岩气井钻井现场随钻过程中所发挥的作用不容忽视。这是因为，在无页岩气解吸仪配套于钻井作业现场或者无钻井取心的情况下，它至少能评估某一页岩气储集层内的气体是否是具有经济效益的可开采页岩气，从而达到不盲目实施测试作业、避免无效成本投入的目的。