页岩含气量测井评价方法研究

夏宏泉，刘 畅，王瀚玮, 赵 昊，周灵烨

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；3. 四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610000)

0 引 言

准确地计算含气量对页岩气资源量和开发潜力的评价有着重要意义[1]。页岩气以吸附气和游离气为主，溶解气含量很少[2-4]。目前，对页岩含气量的测井解释方法研究较少[5]。Decker等人通过页岩实测含气量与有机碳含量(TOC)相关性分析，以及TOC与体积密度相关性分析，建立了体积密度与含气量的预测模型[6]，但页岩含气量受控因素较多，只考虑单一的影响因素会导致含气量计算结果不准确。赵金洲等人通过测井方法计算了页岩游离气含量[7]，但在确定模型关键参数时，若电阻率测井资料品质不好，会降低游离气含量计算结果的准确性。钟光海等人通过等温吸附方程计算了页岩吸附气含量[8]，但并未建立等温吸附方程与测井曲线的关系式。据此，基于兰格缪尔等温吸附方程，优选利用多条测井曲线得到其关键参数计算方法，由此建立了基于常规测井资料的页岩含气量计算新模型，为页岩气水平井的地质导向钻井和储层评价提供了可靠依据。

1 吸附气含量计算方法

吸附气占页岩总含气量的20%～80%，常吸附于页岩有机质表面，其影响因素较多，包括页岩的TOC、孔隙结构和埋藏深度等。

1.1 兰格缪尔等温吸附方程

页岩的吸附气含量可以由兰格缪尔等温吸附方程来表示：

(1)

式中：Va为页岩吸附气含量，m3/t；p为储层孔隙压力，MPa ；pL为兰格缪尔压力，表示吸附量达到饱和吸附量一半时的压力，MPa ；VL为兰格缪尔体积，表示吸附量达到饱和时的吸附气含量，m3/t。

1.2 兰格缪尔方程中参数模型的建立

TOC是影响页岩吸附气含量的主要因素[9]。通过岩心等温吸附实验数据，分析VL、pL与TOC的关系，发现pL与TOC相关性较好，pL随TOC增大而减小；同时，VL也与TOC相关性较好，VL随TOC的增大而增大。因此，式(1)中的2个参数VL、pL可通过TOC计算得到，如图1和式(2)、(3)所示。

pL=14.143TOC-0.444，R2=0.787

(2)

VL=2.023TOC0.496，R2=0.857

(3)

式中：TOC为有机碳含量，%。

图1 兰格缪尔体积、压力与TOC关系

同时，可采用式(4)计算储层孔隙压力[10]：

p=0.00981αpρwH

(4)

式中：αp为地层压力系数；ρw为地层水密度，g/cm3；H为地层深度，m。

1.3 关键参数TOC的确定

传统△logR法在确定基线时，非烃源岩的TOC为0，由于砂泥岩等本身含有一定量的TOC，因此，该值将更难确定；有机碳地区背景值△TOC是为减少计算误差人为加入的，存在不确定性。

通过对页岩储层总伽马(SGR)、无铀伽马(CGR)和岩心实验TOC数据进行拟合，发现TOC随SGR的增大而增大，与SGR相关性较好；同时TOC也随CGR的增大而增大，但相关性低于SGR，如图2和式(5)、(6)所示。

图2 无铀伽马、总伽马与TOC关系

(5)

TOCCGR=0.0325CGR-1.9143，R2=0.258

(6)

式中：SGR为总伽马测井值，API；CGR为无铀伽马测井值，API；TOCSGR为总伽马值计算的有机碳含量，%；TOCCGR为无铀伽马值计算的有机碳含量，%。

铀元素含量的高低直接反映了页岩含气量的大小，CGR中去除了铀元素，这是导致CGR与TOC相关性比SGR差的原因。此外，将密度测井值(DEN)与岩心实验TOC数据进行了拟合，发现TOC随DEN增大而减小，负相关性较好，如式(7)所示。

TOCDEN=-7.007DEN+20.063，R2=0.605

(7)

式中：DEN为密度测井值，g/cm3；TOCDEN为密度测井值计算的有机碳含量，%。

对比SGR和DEN与TOC的相关性，SGR要好于DEN，是由于DEN受井眼环境等影响较大，因此，在利用密度测井曲线计算TOC时，应进行井眼环境影响校正[11]。可以综合利用SGR、DEN来计算TOC：

TOC=-3.459DEN+0.02SGR+7.942，R2=0.776

(8)

表1为2种方法计算TOC的计算结果。由表1可知，传统△logR法计算TOC时，与岩心数据的相对误差大多达到25.00%以上，平均相对误差达到25.03%。基于SGR-DEN的测井计算方法计算TOC，平均相对误差为10.73%，与传统△logR法相比降低14.30%，计算结果更加合理准确。

表1 传统△logR法与SGR-DEN法TOC计算结果

2 游离气含量计算方法

游离气一般存在于泥页岩的微孔隙和裂缝中，其含量的大小主要取决于气藏的有效孔隙度和含气饱和度，其含量的计算采用国际上通用的方法，如式(9)所示：

(9)

式中：Vf为游离气含量，m3/t；Ψ为常数，页岩取0.91；Bg为气体的体积压缩系数，页岩取0.0046；φ为储层有效孔隙度；Sg为储层含气饱和度。

2.1 页岩孔隙度计算方法

孔隙度是页岩气储层评价的关键参数之一，不同的孔隙度将导致页岩产气量的巨大差异[12-13]。多元回归法较单因素回归法考虑到更多的影响因素，DEN、中子(CNL)、声波时差(AC)和铀含量(URA)等测井值能够较好地反映页岩储层的孔隙度，计算精度更高。研究分析岩心孔隙度与这些测井曲线的相关性，可以建立页岩储层孔隙度的测井计算公式：

φAC=0.0378AC-5.4051，R2=0.724

(10)

φDEN=-8.6138DEN+26.537，R2=0.767

(11)

φURA=0.164URA+3.018，R2=0.543

(12)

φCNL=0.0826CNL+2.4719，R2=0.050

(13)

式中：φAC为声波时差计算的孔隙度，%；φDEN为密度计算的孔隙度，%；φURA、φCNL分别为铀含量、中子计算的孔隙度，%；AC为声波时差测井值，μs/m；DEN为密度测井值，g/cm3；CNL为中子测井值，%；URA为铀含量，mg/L。

通过对研究区块测井数据与岩心实验数据拟合回归发现，φAC随AC的增大而增大，二者相关性较好；φDEN随DEN的增大而减小，二者负相关性较好；φURA随URA的增大而增大，二者相关性也较好；φCNL随CNL的增大而增大，但φ和CNL相关性较差，如图3和式(10)—(13)所示。

图3 岩心孔隙度与声波时差、密度测井值、铀含量、中子测井值关系

因此，选用AC、DEN、URA进行多元回归，其相关性更好，计算精度更高。综合利用AC、DEN、URA建立的孔隙度计算公式为：

φ=0.026AC-1.114DEN+0.082URA，R2=0.976

(14)

2.2 含气饱和度计算方法

目前确定含气饱和度的方法主要有实验室岩心测量和测井资料计算法[14-19]。长宁某井龙马溪组测井数据与岩心实验数据(SGR、DEN)进行回归拟合，发现含气饱和度随密度的增大而减小，负相关性较好；含气饱和度随伽马测井值的增大而增大，相关性较好，如图4和式(15)、(16)所示。

SDEN=-249.35DEN+701.18，R2=0.904

(15)

SSGR=0.432SGR-22.708，R2=0.843

(16)

式中：SDEN为密度测井值计算的含气饱和度，%；SSGR为伽马测井值计算的含气饱和度，%。

页岩含气饱和度与TOC含量有关，有机质含量越高，铀含量越丰富，SGR值也越高；同时含气饱和度越高，DEN越低。因此，基于自然伽马测井值和密度测井值计算含气饱和度(Sg)的公式为：

图4 含气饱和度与密度测井值和伽马测井值关系

Sg=0.422SGR-8.013DEN，R2=0.970

(17)

阿尔奇法和西门度法[20](电阻率法)计算的页岩含气饱和度平均误差分别为5.09%、4.44%，要大于测井计算(非电法)含气饱和度的平均误差(3.04%)，且计算的含气饱和度普遍偏小，这主要是电阻率异常低值的影响 (表2)，而经验公式法计算的页岩含气饱和度更为合理。

表2 不同方法计算含气饱和度与岩心实验数据对比

注：Ⅰ为阿尔奇法计算与岩心含气饱和度之差；Ⅱ为西门度法计算与岩心含气饱和度之差；Ⅲ为测井计算与岩心含气饱和度之差。

3 总含气量计算模型

页岩总含气量由吸附气含量和游离气含量组成，如式(18)所示，Va、Vf可通过式(1)、(9)计算。

(18)

式中：Vt为页岩总含气量，m3/t。

将式(2)、(3)、(4)、(8)、(14)、(17)分别代入式(18)可得:

Vt=[0.11αpρwH(0.02SGR-3.459DEN+7.942)0.496]·
[0.00981αpρwH+14.143(0.02SGR-3.459DEN

+7.942)-0.444]-1+0.0198(0.085AC-1.108DEN+

0.082URA)(0.422SGR-8.013DEN)DEN-1

(19)

页岩总含气量计算新模型通过吸附气含量和游离气含量相加得到。建立的页岩含气量计算新模型将页岩含气量关键参数转换为简单的测井资料即可进行计算，同时避开了地层电阻率和岩电参数差异的影响，在电阻率测井资料品质不好的情况下只需利用其他常规测井资料就可以准确求得页岩含气量。

4 实例分析

以长宁地区页岩气井X井为例：①新模型计算的TOC、φ、Sg与岩心实验数据具有较好的一致性；②由于页岩储层中黄铁矿的存在使得地层电阻率异常变小，导致电阻率法计算的含气饱和度准确度降低，而SGR-DEN法在计算含气饱和度时避开了地层电阻率和岩电参数的影响，计算的含气饱和度更加准确；③长宁X井下志留系龙马溪组页岩储层含气量从顶部到底部呈现逐渐增大趋势，Ⅲ号储层段(3 036～3 134 m)平均TOC为1.52%、游离气含量为0.99 m3/t、总含气量为1.82 m3/t；Ⅱ号储层段(3 134～3 155 m)平均TOC为2.38%、游离气含量为1.81 m3/t、总含气量为2.68 m3/t；Ⅰ号储层段(3 155～3 174 m)平均TOC为2.93%、游离气含量为2.37 m3/t、总含气量为3.27 m3/t。可见，Ⅰ号储层段含气性最好，平均TOC高、游离气含量高、总含气量大，因此，Ⅰ号储层段为龙马溪组的优质页岩储层段。

综上所述，页岩含气量计算新模型能够较好地实时计算页岩储层的含气量，为页岩气水平井地质导向钻井目标层的优选提供依据。

5 结 论

(1) 用于计算页岩吸附气含量的兰格缪尔等温吸附方程中VL、pL参数与TOC相关性好，可由TOC计算得到。SGR-DEN法计算的TOC优于传统△logR法，进而计算吸附气含量，其结果与岩心吸附气含量具有较好的一致性。

(2) 优选AC-DEN-URA多参数可准确计算页岩有效孔隙度，用非电阻率法(SGR-DEN)计算其含气饱和度，并结合公式(7)可准确计算游离气含量。

(3) 建立的页岩含气量计算新模型优势在于避开了地层电阻率和岩电参数差异的影响，在电阻率测井资料品质不好的情况下只需利用其他常规测井资料就可以准确求得页岩含气量，进一步提高页岩含气储层测井解释的符合率，值得推广应用。

(4) 长宁地区X井龙马溪组页岩储层中，Ⅰ号储层段含气性最好，平均TOC高、游离气含量高、总含气量大，为页岩储层的“甜点”段，为水平井导向目标层的优选提供依据。