萬金彬，李慶華，白松濤

（中國石油集團(tuán)測井有限公司油氣評價中心，陜西 西安 710077）

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)對石油需求的快速增長，非常規(guī)油氣資源接替已迫在眉睫。20世紀(jì)末，人們已把注意力逐步轉(zhuǎn)向非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)。頁巖氣是儲存在頁巖中以游離態(tài)和吸附態(tài)存在的天然氣，是一種非常規(guī)油氣資源[1－3]。國內(nèi)頁巖氣資源的勘探開發(fā)尚處于起步階段，需要了解和借鑒國外的相關(guān)技術(shù)，建立適合中國實際情況的頁巖氣儲層評價體系。取心技術(shù)和測井評價是評價頁巖氣儲層的2種主要手段。筆者以收集的2008－2011年的有關(guān)文獻(xiàn)對頁巖氣儲層測井評價技術(shù)及進(jìn)展進(jìn)行簡述。

1 頁巖氣儲層的地質(zhì)特點

頁巖氣發(fā)育具有廣泛的地質(zhì)意義，存在于幾乎所有的盆地中，只是由于埋藏深度、含氣飽和度等差別較大分別具有不同的工業(yè)價值。頁巖氣也具有典型的無或短距離運(yùn)移、自生自儲、隱蔽成藏以及較強(qiáng)的抗構(gòu)造破壞能力等特點。

1.1 巖性特征

頁巖主要由固結(jié)的黏土顆粒組成的片狀巖石，包括細(xì)粒的粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及灰?guī)r、白云巖等。

在礦物組成上，主要包括一定數(shù)量的碳酸鹽、黃鐵礦、黏土質(zhì)、石英和有機(jī)碳。頁巖作為巖層，為不同顆粒大小和不同巖性的混合。頁巖顆粒一般小于0.005mm，巖性致密，頁巖顆粒分選較差、性脆，在一定壓力下易產(chǎn)生裂縫。

1.2 儲集層物性特征

頁巖氣儲層大多顯示出低的孔隙度（一般小于10%），也可以有很大的孔隙度，并在這些孔隙里儲存大量的油氣[4]。其有效孔隙度一般不及總孔隙度的一半。頁巖一般具有雙重孔隙性質(zhì)（原生孔隙和次生孔隙同時存在），孔喉小[5]。在原生孔隙中存在大量的內(nèi)表面積，內(nèi)表面積擁有許多潛在的吸附空間，它可儲存大量氣體，是頁巖氣吸附氣存在的重要場所。

頁巖具有極低的滲透率，一般在0.0001～0.000001mD＊＊非法定計量單位，1mD＝9.87×10－4μm2，下同之間，比致密砂巖儲層的滲透率（0.01～0.001mD）低2～3個數(shù)量級。含氣頁巖的裂縫規(guī)模差別較大，裂縫類型多樣，裂縫的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基質(zhì)滲透率，天然裂縫段滲透率可達(dá)1×10－3μm2，是頁巖氣游離氣儲集的主要場所。

頁巖吸附能力通常與頁巖的許多特征有關(guān)，如總有機(jī)碳、干酪根成熟度、儲層溫度、壓力、頁巖原始含水量和天然氣組分等。

2 巖心分析技術(shù)進(jìn)展

在頁巖巖心滲透率為微達(dá)西、納達(dá)西范圍時，用常規(guī)的實驗室?guī)r心測量方法（氣吹法）測量孔隙度、滲透率、飽和度存在很大的不確定性。ExxonMobil采用粉碎巖樣方法測量頁巖巖心孔隙度和滲透率，而粉碎巖樣過程會給孔隙度和滲透率帶來潛在的不確定度。另外，頁巖柱樣巖心的準(zhǔn)備過程一直備受行業(yè)和學(xué)術(shù)界爭議[6]。

同一塊巖心，在不同的實驗室測量，因測試溫度不同所得的孔隙度測量結(jié)果也存在差異，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化方法為，假設(shè)在不同的實驗室，孔隙度測量是在同一烴孔隙體積基礎(chǔ)上進(jìn)行，用數(shù)學(xué)方法將不同實驗室測量結(jié)果聯(lián)系起來實現(xiàn)巖心測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。如果有3家實驗室測量同一巖心樣品，孔隙度標(biāo)準(zhǔn)化計算公式為

式中，φ為第2或第3家實驗室的總孔隙度值；φ1為第1家實驗室的有效孔隙度值；A1為第1家實驗室在最高測試溫度測量的黏土束縛水；A′為A1的校正值，與第1家實驗室的孔隙度值有關(guān)。樣品的礦物組分（如石英、黏土）與A′大小有關(guān)。黏土體積增大，則A′增大。

已經(jīng)開發(fā)了多種復(fù)雜的地球化學(xué)技術(shù)評估巖樣中總有機(jī)碳（TOC）及巖樣的成熟度。許多地球化學(xué)實驗室都采用法國石油研究院開發(fā)的程序化熱解技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)成為源巖地球化學(xué)測試的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3 頁巖氣儲層測井系列

大多數(shù)頁巖氣田均進(jìn)行了測井?dāng)?shù)據(jù)采集，以滿足頁巖氣儲層評價的需要。除了常規(guī)三組合測井外，地球化學(xué)測井在美國頁巖氣勘探中是一種普遍采用的測井方式，它主要用于確定總有機(jī)碳含量和礦物、巖性。在北美，偶極聲波成像測井在探井是常規(guī)必測項目，以幫助刻度地震屬性。電成像測井主要用于識別裂縫和斷層，劃分頁巖層[8]。頁巖氣儲層使用的測井系列：

（1）Appalachian盆地大多數(shù)采用空氣鉆井，采用測井系列包括雙感應(yīng)、巖性密度、井壁中子、自然伽馬能譜、井下電視和溫度測井。

（2）北美Fort Worth盆地泥盆系Barnett頁巖，典型測井系列包括自然伽馬、井徑、密度、中子、巖性密度、感應(yīng)、地球化學(xué)測井。

（3）對于薄互層的Haynesville頁巖，測井系列包括自然伽馬、雙井徑、陣列感應(yīng)（AIT）、中子、體積密度、自然伽馬能譜、光電吸收截面指數(shù)測井。

（4）墨菲石油公司等（2010年）根據(jù)頁巖氣儲層評價需求，提出了較為全面的頁巖氣測井系列，包括自然伽馬、井徑、電阻率、密度、中子、核磁共振、陣列聲波和電聲成像測井。

4 頁巖氣儲層測井評價及進(jìn)展

4.1 頁巖氣儲層定性識別

4.1.1 判斷含氣頁巖層

美國的頁巖氣開發(fā)主要針對富含有機(jī)質(zhì)的硅質(zhì)頁巖。頁巖氣儲層的特點決定了其測井評價除了計算儲層有效厚度、孔隙度、滲透率、含氣飽和度外，側(cè)重點更在于計算總有機(jī)碳與成熟度、確定頁巖礦物成分、識別裂縫，用聲波測井資料計算巖石力學(xué)參數(shù)滿足壓裂需求。

頁巖氣具有不導(dǎo)電、密度小、含氫指數(shù)低、傳播速度慢等特點。通常，頁巖氣層的測井響應(yīng)特征不是很明顯。與普通頁巖相比，好的頁巖氣層具有自然伽馬強(qiáng)度高、電阻率大、低補(bǔ)償中子、低地層體積密度、高聲波時差和低光電效應(yīng)等測井響應(yīng)特征。利用測井曲線形態(tài)和測井曲線幅值相對大小可以快速直觀地識別頁巖氣儲層，現(xiàn)在，依據(jù)孔隙度差異識別氣層技術(shù)拓展到利用密度－核磁共振孔隙度或者中子－核磁共振孔隙度之間的幅度差異判別氣層。好氣層在微電阻率成像測井圖（靜態(tài)）上會出現(xiàn)氣斑或者白化現(xiàn)象，氣斑的多少與井筒中的含氣量有關(guān)?？梢岳胿p／vs或vp／vs－Δt判識氣層。好氣層在地層壓力梯度上也有顯示，可以用核磁共振測井的差譜、移譜判識氣層。用中子時間推移測井下套管后最佳時間測量的中子與固井后24h內(nèi)測量的中子曲線重疊，利用其差值識別氣層[9]。

Miller（2010年）[10]對比了頁巖層不同鏡質(zhì)體反射率RO的各種測井曲線響應(yīng)特征，認(rèn)為RO影響測井曲線的變化：當(dāng)RO在1.8～2.0范圍內(nèi)時，密度為低值，密度和中子曲線重疊，地層電阻率高值達(dá)到100Ω·m；當(dāng)RO＞4.5時，密度為高值，密度和中子曲線分開，地層電阻率非常?。ㄐ∮?Ω·m）（見圖1）。

圖1 頁巖層不同鏡質(zhì)體反射率RO的各種測井曲線響應(yīng)特征

4.1.2 識別黏土礦物

Boonen等[11]介紹了已用于現(xiàn)場的隨鉆三中子孔隙度測量值間的幅度差說明黏土礦物的存在。

在Eagle Ford和Haynesville頁巖地層，使用過一種隨鉆測井密度－中子測井儀，它有近、中、遠(yuǎn)3個不同源距的中子探頭。由近探頭與遠(yuǎn)探頭、中探頭與遠(yuǎn)探頭、近探頭與中探頭的計數(shù)率比值計算出三中子孔隙度，即近／遠(yuǎn)、中／遠(yuǎn)、近／中中子孔隙度。對三中子孔隙度進(jìn)行環(huán)境校正。在頁巖和泥質(zhì)砂巖，三中子孔隙度始終以中／遠(yuǎn)中子孔隙度最大、近／中中子孔隙度最小的相同幅度分離。地層中黏土礦物含量越高，中子孔隙度越大。在地層孔隙度小于10%時，三中子孔隙度幅度差一般小，指示黏土?xí)写蟮牟▌?。對中子孔隙度需要進(jìn)行黏土校正。

黏土對三中子孔隙度值的影響不同，用Monte Carlo模擬研究人造地層中黏土對中子孔隙度值的影響。該方法利用近／中、近／遠(yuǎn)中子孔隙度之間的差異對近／遠(yuǎn)中子孔隙度進(jìn)行黏土影響校正[11]。校正后的中子孔隙度與密度孔隙度重疊能更好地指示頁巖氣。

4.1.3 識別裂縫／層理／斷層

Hamed Soroush等人指出[12]，為了防止頁巖地層井眼垮塌，通常采用油基泥漿鉆井。微電阻率成像測井是識別裂縫最好的工具，現(xiàn)已發(fā)展到能在油基泥漿水平井中用隨鉆電阻率成像識別裂縫甚至層理、斷層，其技術(shù)已經(jīng)成熟（見圖2）。評價裂縫通常用油基泥漿電阻率成像測井（OBMI）和超聲成像測井（UBI）。

圖2 利用隨鉆成像測井識別天然裂縫和鉆井誘導(dǎo)裂縫

4.2 頁巖氣儲層定量評價及進(jìn)展

4.2.1 頁巖氣儲層劃分

Marouby等[13]介紹了采用 Heidari等[11]的非線性聯(lián)合反演方法，由測井曲線（密度、中子孔隙度、電阻率、光電吸收截面指數(shù)、伽馬能譜）計算出礦物組分的體積含量、總孔隙度、水／氣飽和度?；诼暡?、核、電阻率測井，用巖石物理模型計算彈性模量。Heidari給出了有機(jī)頁巖的巖石物理模型（見圖3）[14]。

圖3 有機(jī)頁巖巖石物理模型

利用常規(guī)測井資料和微電阻率成像測井資料能有效地劃分頁巖儲層，主要是利用自然伽馬、自然電位、井徑曲線。

4.2.2 計算礦物成分和確定巖性

建立區(qū)域性的典型頁巖氣層特征樣本數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的樣本細(xì)到層組，數(shù)據(jù)是全面的。用測井資料計算的巖性通過與本地樣本比對能準(zhǔn)確判斷巖性。

斯倫貝謝公司的做法是用常規(guī)三組合和ECS（元素俘獲能譜）測井資料，采用該公司的Spectro-Lith技術(shù)確定地層中黏土、石英－長石－云母、碳酸鹽、黃鐵礦或硬石膏的含量[7]。根據(jù)石英和方解石的重量濃度，用交會圖識別巖性。根據(jù)總孔隙度和石英或方解石的重量濃度，用交會圖識別巖性[14]。

僅依靠自然伽馬測井資料確定黏土含量容易導(dǎo)致高估黏土含量。

4.2.3 計算孔隙度、滲透率、飽和度進(jìn)展

核磁共振測井也被用于計算有效孔隙度（不受總有機(jī)碳影響），計算結(jié)果與巖心分析孔隙度非常一致。

Shabro等（2011年）[15]認(rèn)為，氣體解析對含氣頁巖視滲透率沒有明顯影響，介紹一種孔隙級氣體流動模型，由流體分布評估視滲透率。Eastward等（2011年）介紹了用 Bardon-Pied（1969年）改進(jìn)的Simandoux含水飽和度模型評估初始總體積水。

4.2.4 確定總有機(jī)碳（TOC）

在巖性較純的頁巖氣層，GR－TOC、密度－TOC呈線性相關(guān)。Hichey和 Henk（2007年）在Barnett某些層段用體積密度－TOC計算TOC。

Passey等[16]給出了利用聲波時差和地層電阻率計算TOC的數(shù)學(xué)表達(dá)式。后來，Passey等（2010年）又給出了用Δlog Rt－TOC評估TOC。該方法具有實用性，一直沿用至今，適用于巖性相對均勻的頁巖地層；對于復(fù)雜巖性泥巖，其巖性差異，尤其是黏土體積，而不是過成熟干酪根會低估TOC（Eastwood等，2011年）。

類似有：① 用（電阻率－中子－密度）－TOC評估Barnett頁巖的干酪根成熟度（Zhao等，2007年），該方法一直在使用[17]；② 用（密度－核磁共振測井）－TOC評估TOC值與由地球化學(xué)測井確定TOC相比較確定有機(jī)質(zhì)密度；③ 滲透率K－TOC為負(fù)相關(guān)。

用多礦物頁巖氣模型計算TOC，需要有較好的巖屑和巖心分析數(shù)據(jù)資料支持。Eastword等[18]認(rèn)為應(yīng)根據(jù)頁巖的不同礦物組分選擇測井模型計算TOC。Coope等（2009年）提出了一種適用于LWD測井系列的有限礦物模型方法計算TOC。它將頁巖看作為只有一種單一重礦物或輕礦物，采用的是一種分析方法。

綜合應(yīng)用常規(guī)三組合和地球化學(xué)測井資料確定頁巖中的有機(jī)碳含量。用地球化學(xué)測井探測地層中的碳[19]。用式（2）計算每一層的TOC

式中，TOC為總有機(jī)碳；C1為由地球化學(xué)測井測量的碳；C方解石、C白云石、C菱鐵礦分別為由該層的地球化學(xué)測井資料計算出的方解石、白云石、菱鐵礦的含量所推導(dǎo)出的相應(yīng)的碳值。

4.2.5 確定頁巖熱成熟度指數(shù)（MI）

當(dāng)頁巖中TOC達(dá)到一定指標(biāo)后，有機(jī)質(zhì)的成熟度則成為頁巖氣源巖生烴潛力的重要預(yù)測指標(biāo)，含氣頁巖的成熟度越高表明頁巖生氣量越大，頁巖中可能賦存的氣體也越多。

Hank Zhao等[17]用三種裸眼井測井曲線——中子（中子孔隙度）、感應(yīng)（深電阻率）和體積密度（或密度孔隙度）計算熱成熟度指數(shù)。假設(shè)條件：頁巖氣是自生自儲和沒有外來物源，含水飽和度、所生成的烴密度隨著熱成熟度增加而減小。計算出的MI值與從實際生產(chǎn)井資料得到的氣油比（GOR）建立關(guān)系（相關(guān)性好）。由此，建立地區(qū)經(jīng)驗關(guān)系式。該方法有助于了解生氣窗內(nèi)頁巖源巖的熱成熟度水平。由數(shù)百口井的資料繪制的MI、GOR、氣體生熱值圖可識別不同成熟階段和頁巖的產(chǎn)油、凝析氣、濕氣、干氣的面積。與巖樣（巖心或巖屑）的實驗分析相比，這種方法更為快速、更加可靠。選擇具有一整套從油到氣的烴成熟度譜的頁巖進(jìn)行研究（中子孔隙度－密度孔隙度放在同一道內(nèi)，即用中子－密度幅度差直觀識別氣層）。

統(tǒng)計得到計算MI的關(guān)系式為

式中，MI為頁巖的成熟度指數(shù)；φN為中子測井孔隙度；N為密度孔隙度φD大于等于取心段的平均有效孔隙度和束縛水飽和度等于或小于產(chǎn)氣頁巖的束縛水飽和度截止值的數(shù)據(jù)樣本數(shù)為取心段的平均有效孔隙度（有效孔隙度＝φD－φw）；Swi為小于等于產(chǎn)氣頁巖的束縛水飽和度截止值的頁巖骨架束縛水飽和度。

可見，中子測井值越低、含烴飽和度越高，則含氣飽和度、頁巖的熱成熟度越高；中子測井值、含烴飽和度越高，則含氣飽和度、頁巖的熱成熟度越低。

影響MI計算結(jié)果的因素為密度孔隙度、老的測井資料的可靠性（主要是在20世紀(jì)60年代和70年代測井?dāng)?shù)據(jù)）、測井刻度。

4.2.6 計算儲層巖石力學(xué)參數(shù)

評價地層力學(xué)性質(zhì)的方法有經(jīng)驗關(guān)系式、有效介質(zhì)理論以及巖石物理模型。

近年來，現(xiàn)有的有效介質(zhì)理論的進(jìn)展之一為Xu和 White考慮黏土礦物，在Kuster-Toks?z和DEM基礎(chǔ)上給出。而Marouby等介紹了基于聲波、核、電阻率測井評估有機(jī)頁巖彈性性質(zhì)新方法[13]：①采用Heidari等描述的方法獲得礦物濃度的估計值，其優(yōu)點為較基于常規(guī)測井評價方法所得的礦物含量值受圍巖影響小[20]；② 利用自一致近似模型計算有機(jī)頁巖的彈性模量，再識別出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)層，計算地層的縱、橫波速度；③ 用復(fù)制的彎曲波和斯通利波曲線評估所計算出的彈性模量的質(zhì)量。

Buller等[21]介紹了采用偶極橫波和經(jīng)過天然氣校正后的縱波速度計算脆性指數(shù)。Rickman[22]等針對頁巖氣儲層的壓裂問題論述了每一種頁巖氣儲層不見得都與Barnett地層相同，在壓裂中必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為此，必須進(jìn)行巖石物理參數(shù)的計算；同時，他提出了巖石脆性、閉合壓力、壓裂寬度、彈性模量、泊松比等計算方法。

Gatens等人[23]1990年利用聲波測井資料、原位應(yīng)力數(shù)據(jù)計算了Appalachian盆地頁巖氣儲層的力學(xué)參數(shù)，繪制了地層應(yīng)力剖面。

4.2.7 評價裂縫及確定天然氣地質(zhì)儲量

圖4 綜合成像測井和巖心資料對Fort Worth盆地密西西比紀(jì)Barnett頁巖氣儲層的裂縫體系進(jìn)行評價

Patterson等[24]報道了在孔隙壓力梯度高、氣顯示明顯的Haynesville頁巖氣層用深探測偶極橫波成像技術(shù)判斷裂縫走向、方向（距井眼60ft的裂縫）。類似的還有Gale等的研究（見圖4）。在油基泥漿井中用陣列感應(yīng)資料計算裂縫長度（Xue，2008年）。Cluff（2006年）利用Langmuir公式計算了Woodford頁巖氣儲層的平均地質(zhì)儲量，并繪制成平面圖。

5 對目前頁巖氣測井技術(shù)的思考

（1）有必要建立產(chǎn)氣頁巖的典型樣本數(shù)據(jù)庫，樣本信息應(yīng)全面。

（2）對于微達(dá)西、納達(dá)西的頁巖巖心測量，尤其是滲透率的測量，需要建立新的測量方法。對孔隙度巖心數(shù)據(jù)也有必要標(biāo)準(zhǔn)化。未來的頁巖巖心分析需要刻度巖心測試的標(biāo)準(zhǔn)材料（天然的或合成的），降低測量數(shù)據(jù)組中的不確定度和誤差。

（3）在有些含氣頁巖地層中觀察到介電常數(shù)大，如在得克薩斯、俄克拉何馬及猶他州，薄黏土層的大小以及黃鐵礦的存在導(dǎo)致介電常數(shù)異常高，并為烴類的形成提供了粒間孔隙，呈現(xiàn)高介電常數(shù)特征的氣源巖頁巖層被低介電常數(shù)的非氣源巖所包圍。我們提出進(jìn)行富有機(jī)質(zhì)頁巖巖心研究，研究與異常介電常數(shù)的關(guān)系，尤其是較低電阻率頁巖，這些研究至少能提供含氣頁巖地層的沉積環(huán)境和熱歷史信息。

（4）斯倫貝謝公司的研究人員試圖對感應(yīng)測井儀器所測得的電壓測量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。他們通過分析AIT陣列感應(yīng)成像儀的原始數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了超出頁巖層正常范圍的較大的正交負(fù)信號。相反，鄰層砂巖和頁巖則呈現(xiàn)較小的正交正信號，這些信號代表該地區(qū)典型的電導(dǎo)率測量結(jié)果。他們正著手研究這些電性特征在氣源巖和非氣源巖頁巖中的變化程度。隨著進(jìn)一步的測試和改進(jìn)，對普通的感應(yīng)測井資料的詳細(xì)分析能夠提供頁巖層正交信號與其烴類形成能力之間的相互聯(lián)系[17]。

（5）在水平井，縱波時差不可靠而X－Y偶極橫波測量值相對可靠，但偶極橫波會將嚴(yán)重狗腿度處誤解釋為各向異性。

（6）與常規(guī)電阻率相比，中子俘獲截面測井對干酪根更為敏感。有必要研究中子俘獲截面、電阻率與總有機(jī)碳的關(guān)系，將其作為直接測量總有機(jī)碳的替代方法。

6 結(jié) 論

（1）對于頁巖巖心測量，尤其是滲透率測量需要建立新測量方法。非常有必要建立產(chǎn)氣頁巖的典型樣本數(shù)據(jù)庫，樣本信息要全面。對頁巖巖心數(shù)據(jù)也有必要標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）好的頁巖氣儲層在常規(guī)測井曲線上具有典型的氣層測井響應(yīng)特征。頁巖氣儲層的特點決定了它的測井評價重點在于計算總有機(jī)碳含量、熱成熟度指數(shù)和識別巖性、礦物，即找到富含有機(jī)質(zhì)的硅質(zhì)頁巖儲層。

（3）需要探索能更好反映頁巖氣層與圍巖差異的測井新方法。

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