复杂井筒条件下的有机质测井计算方法优选

吴见萌，黎泽刚，何传亮，韩芳芳，任 杰

(中石化经纬有限公司 西南测控公司，四川 成都 610100)

1 引 言

永川地区页岩气储层埋深普遍超过3 500 m，具有“四高三低”的测井响应特征，即高自然伽马、高铀、相对高声波时差、相对高电阻率、相对低无铀伽马、低体积密度和低中子；储层在该区域伽马测值特征上具有明显的三峰特征，其中最优质甜点段分布在Ⅱ号峰与Ⅲ号峰之间，Ⅰ号峰一般作为卡层的重要标志。

通常有机碳含量(TOC)是页岩气藏评价中的重要指标，国内外文献资料中提及的的方法主要基于直井条件下建立[1-6]，主要有：①利用能谱测井分析各种元素含量与TOC之间建立关系的自然伽马能谱法；②利用各种测井响应特征与TOC建立的多元拟合法；③建立体积密度和TOC经验关系估算TOC的体积密度法；④利用孔隙度和电阻率叠合的ΔlogR法等计算评价TOC含量。以上方法在一定的地质条件下都比较有效，但均具有一定的地域局限性；因此，针对永川地区直井条件下的TOC计算模型需要进行一定的探讨，从而优选出适宜的方法。

目前该区开发中部署基本以水平井为主，受地质工程综合影响，测井施工难度大，资料难以取全。大部分井均仅采用标准测井+自然伽马能谱项目，部分井在井眼条件好的情况下采集了补偿密度，总体测井质量普遍较直井段少且差。针对此类测井资料，建立在直井筒条件下的模型大部分受到局限或不能直接应用，如：ΔlogR法中电阻率除受黄铁矿影响外，水平井中受界面或灰质夹层的影响较大，局部会出现异常高阻，此时测值并非储层含气反映；能谱法中针对龙马溪底部Ⅲ号峰钻井的水平井中会出现诸多异常高伽马井段，此时高(特高)伽马特征与有机质的最大值并不完全对应。对于目前尚未有文献涉及如何将TOC计算方法应用于水平井中，为此也需要开展适用于水平井型的TOC计算模型探讨。

2 有机质计算方法

2.1 直井模型

2.1.1 体积模型法

体积模型中将岩储层体积模型简化为“五元体积模型”[7]，即：

V硅质+V钙质+V黏土矿物+V有机质+V孔隙=1

(1)

首先，应用式(1)中体积模型确定有机质体积百分含量：

(2)

式(2)中Vker为有机质体积百分含量；ρk、ρma、ρker分别为计算点、岩石骨架点(默认值为2.68)、有机质极值点的密度值(默认值为2.25)，单位为g/cm3。

然后，将有机质体积百分含量转化为有机质重量百分含量(TOC)，公式为：

(3)

式(3)中TOC为有机碳重量百分含量；ρker、ρb分别为有机质密度和体积密度，单位为g/cm3。K为有机碳转换系数，永川龙马溪组页岩有机质以Ⅰ型干酪根为主，一般取1.23左右。

2.1.2 ΔlogR法

ΔlogR技术通过大量数据拟合及实验分析来评价烃源岩，该技术利用电阻率和声波时差两条测井曲线对烃源岩的差异响应刻画有机质丰度[8,9]。

从统计永川地区岩心分析TOC与补偿声波、电阻率特征关系可以看出(图1a、图1b)，补偿声波、电阻率与TOC关系均较差，主要原因有：一是矿物组分复杂，声波时差受矿物成分、灰质岩和黏土含量以及颗粒间压实程度等多种因素影响，掩盖了储层有机质的发育程度大小；二是受区域上黄铁矿分布的影响，电阻率局部呈低阻特征明显，电阻率大小不再反映储层含气丰度。

图1 岩心分析TOC与补偿声波、电阻率关系Fig.1 Relationship betweenTOC, compensated sound wave and resistivity in core analysis

2.1.3 体积密度法

根据区域化验分析资料建立模型，发现永川地区测井密度法模型精度较高(图2)，部分相关性较差的点受控因素主要来自两部分影响：一是黄铁矿在地层中的存在会导致测井异常高值；二是受井眼垮塌影响，测井仪器推靠臂若贴不到井壁，会使得测值明显降低，未能真实反应地层特征。

地层岩性密度与岩心分析TOC相关公式如下：

TOC=-17.806×ρ+48.513(R2=0.775)

(4)

式(4)中，ρ为密度测井值，g/cm3。

2.1.4 自然伽马能谱法

自然伽马能谱测井利用铀、钍含量还可以评价地层有机质丰度，同时利用回归分析得到自然伽马能谱测井特征与有机碳含量的关系[10]。结合建立的模型关系可以看出，图3(a)表明，地层中铀含量增大，TOC也会相应增大，但是两者并不具有很好的线性关系，主要由于富有机质地层在一定的还原环境中会使得铀离子急剧加大，而对应的有机质大小在沉积过程中是逐渐变化的，与供给量有关；图3(b)表明，在不同的氧化还原环境中，有机质大小具有明显的差异；当Th/U≥7时，有机质含量普遍偏低，部分有机质被氧化；Th/U≤2时，一般处于深水强还原环境中，有利于有机质形成，岩心分析有机质含量普遍较高。

图3 岩心分析TOC与伽马能谱关系Fig.3 Relationship between TOC and gamma-ray spectrum in core analysis

从铀测井值与TOC线性关系看，具体公式如下：

TOC=0.254×U+0.455(R2=0.623)

(5)

式(5)中，U为铀测井值，ppm。

2.1.5 多元拟合法

多元线性拟合的基本思想：假定y是通过X1,X2,…,Xm来进行预测的随机变量，又因为它们之间存在某种线性关系，则可建立m元线性回归模型[11]：

Y=β0+X1β1+X2β2+…+Xmβm+ξ

(6)

式(6)中，β0、β1、β2…βm为待估参数；ξ是随机误差，且ξ～N(0，σ2)。

基于区域内实验和测井数据，开展并建立了岩心分析TOC与各测井参数的相关关系。前面描述的测井参数不再重述，从图4可以看出，随着TOC含量的增加，伽马测值总体趋势是明显变高；但受高伽马储层的影响(高铀)，伽马测值的递增量要明显高于TOC的增量，导致参数关系数并不高(图4a)。补偿中子与TOC呈非线性关系，补偿中子与TOC非线性关系来自两方面：①补偿中子值大小部分取决于井眼大小、井内钻井液组成；②与黏土含量、其它矿物组分关系也较大，高黏土与高灰质层均表现为低TOC，但测值分别为高中子和低中子(图4b)。

图4 岩心分析TOC与自然伽马、补偿中子关系Fig.4 Relationship betweenTOC, natural gamma and compensated neutron in core analysis

总体来说，部分特征参数虽然在较大程度上反映了有机质的富集程度，但还受到较多其他因素的制约；为寻找有机质富集程度的指示方法，较好地消除单一测井因素的影响，宜采用多元拟合的方法，结合上述补偿密度与TOC参数关系，建立多元模型为：

(7)

式(7)中，DEN为密度测井值，g/cm3；GR为伽马测井值，API；CNL为中子测井值，%。

2.2 水平井模型

2.2.1 能谱叠合区域差值法

基于直井建立的能谱法在水平井中并不能直接应用，提出应用能谱叠合区域差值法解决水平井适用性问题。该方法的原理是：以伽马能谱模型为基础，考虑尽量消除本底的影响，实现对富有机碳页岩TOC的定量评价，进一步量化总伽马(GR)曲线与去铀伽马(KTh)曲线的分离，并分析两曲线分离程度(D)与有机碳含量之间的关系[12,13]。

(8)

式(8)中,定义D为GR与KTH两曲线分离度；GR与KTH分别为自然伽马能谱测井总伽马曲线与去铀伽马曲线，单位均为API；GRleft和KThleft为曲线的最大值;GRright和KThright为曲线的最小值。

本次研究选取永川工区页岩气储层为研究目标，按测井资料明确沉积环境(参考图3b)，分析岩心TOC大小与GR-KTh曲线重叠区域分离度D的相关关系(图5)。通过趋势点发现，岩心TOC与D均呈线性相关关系，偏离线性点部分为轨迹纵向上变化引起，在模型计算时可根据轨迹与地层的关系加以判断，并选用合适的模型。据此可初步建立GR—KTh重叠区域储层有机碳含量测井计算关系，结合水平段轨迹层位所处的沉积环境，其构建模型为：

(9)

2.2.2 体积密度法

采用方法与直井模型相同，考虑水平井测井中密度测井受井眼影响大需要校正，局部阻卡点在测井过程中由于不断伸张仪器推靠臂，导致部分测值异常偏高或偏低需要采取畸点剔除；因此，在计算前需对密度曲线作一定环境校正再进行模型计算。

3 实例分析

3.1 直井(取心井)验证

应用上述方法对YY2井4 010.0～4 090.0 m龙马溪储层段采用多种模型进行有机碳大小计算对比(图6)，分别为ΔlogR法、伽马能谱法、体积模型法、体积密度法、多元拟合法。表1先从精度上对上述模型进行误差统计，结果表明：多元拟合法相对误差12.7 %、体积密度法相对误差17.7 %、体积模型法相对误差20.9 %、伽马能谱法相对误差24.1 %、ΔlogR法相对误差43.1 %。从误差大小看，多元拟合法、体积密度法、体积模型法相对其它方法误差量略小；从可操作性来讲，由于体积模型中要确定岩石骨架点、有机质极值点的密度值，需要实验数据支撑，不利于快速评价；因此最终确定多元拟合法、体积密度法为本区直井中最优模型。

表1 YY2井不同模型计算TOC误差统计

3.2 水平井验证

图7为YY2HF水平井针对能谱叠合区域差值法、密度法开展的TOC计算对比分析，从水平道四可以看出，两种方法单独计算TOC均存在一定缺陷。密度法中，密度曲线有明显的“高跳”现象，结合声波曲线为非真实地层特征，如：4 750.0～4 790.0 m、5 410.0～5 455.0 m附近，导致计算TOC明显偏低。能谱叠合区域差值法中，由于轨迹纵向上钻遇地层变化，以龙马溪底部③号层Ⅲ号峰为例，如：5 025.0～5 100.0 m附近，此时高(特高)伽马并不对应于最大TOC，采用该方法进行计算时，能在部分程度上消除本底影响，但无法完全消除特高伽马的影响，此时需结合轨迹与地层关系综合分析，及时选用合理模型。考虑两者相结合的方法，即为本文提到的综合法。

图7 YY2HF井不同模型计算TOC对比分析Fig.7 Comparative analysis of TOC calculated by different models in YY2HF well

针对在自然伽马能谱和密度两种资料都测量的情况下，结合轨迹综合分析，选择与导眼井和邻井误差最小的一种计算值作为最终结果，或者取两种方法计算结果的平均值作为最终结果。水平道四分别对比了三种模型计算结果，可以看出综合法的可信度最高。水平道六进一步对比了综合模型计算TOC与现场全烃分析结果，总体趋势一致，即：高全烃显示以高含有机质为烃源基础，与实际地质情况符合。

在永川地区的应用结果表明，该方法对工区10余口页岩气井进行了处理解释(表2)，测井计算有机质与岩屑实验分析相对误差平均为84.4 %，证实了该方法的可行性。

表2 水平井中计算TOC与实验分析误差统计

4 结 论

1)直井中，通过对比研究，确定多元拟合法、体积密度法为页岩气计算有机碳含量的有效方法，能够满足页岩气储层评价需求。

2)水平井中，考虑测井资料的品质及全面性，推荐采用伽马能谱叠合区域差值法与体积密度法相结合，同时考虑轨迹与储层的空间关系的综合计算，该方法的可靠性得到了生产验证，具有较好的推广应用价值。