陳 揚(yáng)，夏雪飛，魏遠(yuǎn)明，郭秀云，石元會(huì)

（1.中國(guó)石化江漢石油工程有限公司測(cè)錄井公司，湖北 潛江433123；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430074）

頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。頁(yè)巖氣表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式；在成藏機(jī)理上既具有吸附、游離、水溶等多重特征，又具有自生、自儲(chǔ)、自保、儲(chǔ)層致密等特點(diǎn)，是一種典型的連續(xù)性大規(guī)模、低豐度、非常規(guī)天然氣聚集［1－7］。由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層存在特低孔隙度、特低滲透率特征及以吸附和游離態(tài)聚集的特殊模式，與常規(guī)油氣藏有著很大的區(qū)別，傳統(tǒng)常規(guī)測(cè)井解釋方法不適應(yīng)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層解釋［1－3，6－9］。

通過(guò)對(duì)建南地區(qū)某井東岳廟段巖心與測(cè)井資料的整理、分析和深入研究，建立了該地區(qū)首套基于常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目的解釋處理模型，并依據(jù)其解釋模型進(jìn)行了2口井的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層精細(xì)解釋。

1 測(cè)井解釋模型

1.1 頁(yè)巖氣體積模型

根據(jù)Ambrose等國(guó)外學(xué)者研究，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層體積模型可以抽象由粘土礦物、非粘土礦物、束縛水、干酪跟及天然氣、油及水組成構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。天然氣主要以吸附氣與游離氣存在，溶解到水中天然氣可以忽略不計(jì)。

圖1 頁(yè)巖氣體積模型示意圖（據(jù)Ambrose等，2010）

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者利用測(cè)錄井資料研究頁(yè)巖氣解釋評(píng)價(jià)模型，也是基本圍繞頁(yè)巖氣體積模型來(lái)開(kāi)展，這里我們也采用該模型建立東岳廟段頁(yè)巖氣測(cè)井解釋模型。

1.2 測(cè)井解釋模型

1.2.1 巖性識(shí)別

建南地區(qū)東岳廟段地層巖性主要由泥巖、頁(yè)巖、含泥質(zhì)灰?guī)r組成（見(jiàn)圖2），巖性相對(duì)單一，較容易的定性識(shí)別。

頁(yè)巖:自然伽馬GR相對(duì)高值，一般大于90API；聲波時(shí)差A(yù)C相對(duì)高，一般在270us／m；巖性密度DEN相對(duì)高值，一般大于2.58g／cm3。

泥巖:GR相對(duì)高值，一般大于90API；AC相對(duì)較高，一般為240us／m～275us／m；DEN相對(duì)低值，一般小于2.58g／cm3。

含泥質(zhì)灰?guī)r:GR相對(duì)低值，一般小于75API；LLD相對(duì)高值；AC相對(duì)較小，一般小于240us／m。DEN密度相對(duì)高值，一般大于2.65g／cm3。

不難看出，利用GR、AC、DEN測(cè)井曲線，可以有效識(shí)別巖性相對(duì)單一的東岳廟段地層巖性。

1.2.2 儲(chǔ)層識(shí)別

從國(guó)內(nèi)外典型頁(yè)巖氣藏來(lái)看，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有“三高二低”即GR、RT和CNL高、DEN與PE值（PEF）低的測(cè)井曲線特征［1］。由于本區(qū)含灰?guī)r成分較重，DEN、PE值低特征不明顯，圖2中591.0m～643.0m井段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，具有明顯“三高”特征，“二低”特征不明顯。由于受礦物含量、粘土類型、有機(jī)質(zhì)類型等因素的影響，建南地區(qū)東岳廟段“三高二低”的測(cè)井曲線特征不太明顯。

?？松‥xxon）和埃索（Esso）公司Passey（1990）等發(fā)明的“聲波－電阻率”法即DT－ΔlogRt（DT－RT）方法［1］，經(jīng)后人多次改進(jìn)，能夠較好地定性劃分儲(chǔ)層、半定量計(jì)算頁(yè)巖氣儲(chǔ)層總有機(jī)碳含量TOC。其基本原理就是:利用聲波曲線AC（DT）與電阻率曲線LLD（Rt）疊合，不含有機(jī)質(zhì)的泥巖段AC與LLD曲線基線基本重疊在一起，幅度差異能夠反映地層富含有機(jī)質(zhì)的情況，參考巖性曲線和孔隙度曲線，能夠綜合判別和劃分頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。如圖2中591.0m～643.0m井段，DT－RT“幅度差”明顯，表征頁(yè)巖層TOC豐富。

圖2 東岳廟段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層常規(guī)測(cè)井圖

1.2.3 礦物含量模型

1）泥質(zhì)含量模型

由于泥質(zhì)顆粒細(xì)小，具有較大的比面，使它對(duì)放射性物質(zhì)有較大的吸附能力，且沉積時(shí)間長(zhǎng)，有充分時(shí)間與溶液中的放射性物質(zhì)一起沉積下來(lái)，所以泥質(zhì)（粘土 ）具有較高的放射性。在不含放射性礦物的情況下，泥質(zhì)含量的多少就決定了沉積巖石的放射性強(qiáng)弱。因此，泥質(zhì)含量的計(jì)算可以采用自然伽馬曲線GR或去鈾自然伽馬曲線CGR，計(jì)算公式:

式中:GCUG－經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，新地層選擇2；GR－目的層自然伽馬，API；IGR－泥質(zhì)含量指數(shù)；GRmax－目的層純泥巖的GR值，一般取180，API；GRmin－目的層純砂巖的GR值，一般取20，API。

2）砂巖與灰?guī)r含量模型

當(dāng)PE≥PE上限值PEUP時(shí)，PE＝PEUP；當(dāng)PE≤下限值PEDN時(shí)，PE＝PEDN。

解如下聯(lián)立方程可求解泥頁(yè)巖地層砂巖與灰?guī)r含量。

式中:VSH、SAND、LIME－泥質(zhì)、砂巖、灰?guī)r含量，%；PESH、PESAND、PELIME－泥巖、砂巖、灰?guī)rPE值，無(wú)量綱；

由圖2可以看出，用GR、PEF曲線計(jì)算的礦物含量和實(shí)驗(yàn)值比較匹配。

3）脆性礦物含量與脆性指數(shù)模型

脆性礦物含量估算公式:

式中:Vsi＋co3－儲(chǔ)層脆性礦物含量，%；Vsi－儲(chǔ)層砂巖含量，%；Vco3－儲(chǔ)層碳酸鹽巖（灰?guī)r、白云巖）含量，%。

礦物法脆性指數(shù)估算公式:

式中:BRIT－儲(chǔ)層脆性指數(shù)，小數(shù)；Vsh－儲(chǔ)層粘土含量，%。楊氏模量－泊松比法脆性指數(shù)估算公式［11，12］:

式中:Ec－頁(yè)巖氣儲(chǔ)層楊氏模量，10GPa；μ－頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖石泊松比，無(wú)量綱。

1.2.4 孔隙度、飽和度與滲透率模型

1）孔隙度模型

在利用常規(guī)測(cè)井曲線計(jì)算多礦物地層的孔隙度時(shí)，泥質(zhì)較重情況下一般多采用 “中子－聲波”方法計(jì)算的孔隙度。

東岳廟段頁(yè)巖采用“中子－聲波”孔隙度計(jì)算模型［1，4，8－9］:

式中:VSH、VSND、VLIME－ 泥質(zhì)、砂巖、灰?guī)r含量，%；φ－孔隙度，%；AC－聲波時(shí)差，μs／m；Tf－流體聲波，一般取600，μs／m；Tsand－純砂巖聲波值，一般取180，μs／m；Tlime－純灰?guī)r聲波值，一般取156，μs／m；CNL－補(bǔ)償中子值，%；Nf:－流體、中子值，一般取100，%；Nsand－純砂巖中子值，一般?。?.1，%；Nlime－純灰?guī)r中子值，一般取0，%。

2）飽和度模型

與常規(guī)儲(chǔ)層不同，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層泥質(zhì)含量大，泥質(zhì)對(duì)飽和度的影響較大，并且儲(chǔ)層含水飽和度與地層孔隙度也緊密相關(guān)，一般采用Total－shale含水飽和度計(jì)算模型。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層含水與含氣飽和度計(jì)算模型［1，4，8－10］:

式中:Rsh－泥巖電阻率，東岳廟取16或20，Ω·m；Vsh－泥質(zhì)含量，%；Rt－深探測(cè)電阻率，Ω·m；Sw－含水飽和度，小數(shù)；Sg－含氣飽和度，小數(shù)；Rw－地層水電阻率，東岳廟取0.06，Ω·m；φ－地層孔隙度，%；a－巖性系數(shù)，取1.0，無(wú)量綱；m－地層膠結(jié)指數(shù)，取2.0，無(wú)量綱；n－飽和度指數(shù)，取2.0，無(wú)量綱。

3）滲透率模型

由于建南地區(qū)東岳廟段頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率極低，常規(guī)的測(cè)井滲透率計(jì)算模型難以獲得的理想的效果。巖心孔滲實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，東岳廟段孔隙度和滲透率相關(guān)性較好，可利用巖心孔滲實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)建立滲透率計(jì)算模型:

式中:K－滲透率，md；φ－孔隙度，%；a－巖心實(shí)驗(yàn)回歸系數(shù)，取0.0003；b－巖心實(shí)驗(yàn)回歸系數(shù)，取0.781。

1.2.5 TOC計(jì)算模型

國(guó)內(nèi)外利用測(cè)井曲線計(jì)算有機(jī)碳含量的方法有許多，如DEN（Daniel Rose，2008）、GR、U 含量、DT－RT法等。

建頁(yè)HF－A井東岳廟段DEN與巖心實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的TOC回歸，TOC＝－0.85×DEN＋3.32，R＝ －0.1，相關(guān)性極弱；GR與TOC回歸，TOC＝－0.004×GR＋0.761，R＝0.4，相關(guān)性較弱；U含量與TOC回歸，TOC＝－0.34×U＋0.65，R＝0.6，相關(guān)性弱，不適應(yīng)利用測(cè)井曲線計(jì)算TOC。

聲波－電阻率曲線法計(jì)算公式:

式中:A、B－井區(qū)系數(shù)，東岳廟段A取6、B取0。

時(shí)差曲線AC基值A(chǔ)C0取240μs／m，電阻率曲線基值LLD0取20Ω·m。

利用DT－RT法計(jì)算TOC（見(jiàn)圖3），電阻率曲線LLD對(duì)數(shù)刻度（Ω·m），左刻度0.2、右刻度200；時(shí)差曲線AC線性刻度（μs／m），左刻度450、右刻度150。這時(shí)，聲波－電阻率曲線在TOC含量少的地方重疊，選擇上部泥巖段，重疊時(shí)的聲波時(shí)差值為Acb，重疊時(shí)的深電阻率值為L(zhǎng)LDb。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，東岳廟段利用“聲波－電阻率”法計(jì)算的有機(jī)碳含量與室內(nèi)巖心分析結(jié)果較為匹配，儲(chǔ)層TOC平均1.23%，相對(duì)誤差小于 ±20%。

1.2.6 干酪根計(jì)算模型

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層干酪根含量采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［10］:

式中:KE－干酪根體積，%；TOC－有機(jī)碳含量，%；DEN－測(cè)井巖性密度，g／cm3；K－地區(qū)干酪根轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.8；Dker:地區(qū)干酪根密度，取1.05，g／cm3。

建頁(yè) HF－A井東岳廟段591.0m～643.0m井段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層干酪根計(jì)算結(jié)果TOC對(duì)應(yīng)較好（見(jiàn)圖3）。

圖3 測(cè)井TOC及含氣量計(jì)算結(jié)果與巖心測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

1.2.7 含氣量計(jì)算模型

1）游離氣含量模型

游離氣一般賦存于泥頁(yè)巖的孔隙或裂縫中，主要與泥頁(yè)巖孔隙度、含氣飽和度等因素有關(guān)。游離氣含量系指單位體積頁(yè)巖中的游離氣在地面條件下的體積，單位是 m3／t。游離氣含量計(jì)算模型［7－9］:

式中:Gf－游離氣含量，m3／t；Bg－天然氣體積系數(shù)，建南地區(qū)東岳廟段取0.015～0.018，平均取0.016；φ－孔隙度，小數(shù)；Sw－含水飽和度，小數(shù)；ρb－測(cè)井體積密度，g／cm3。

將純甲烷氣視作非理想氣體時(shí)，游離氣含量需再乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)Ψ＝0.92。游離氣含量計(jì)量單位取scf／t時(shí)，并且將純甲烷氣視作非理想氣體時(shí)，Ψ＝32.1。

2）吸附氣含量模型

吸附于頁(yè)巖儲(chǔ)層中的氣體基主要為CH4。1916年法國(guó)化學(xué)家Langmuir在研究固體表面吸附特性時(shí)，提出了單分子層吸附的狀態(tài)方程，即Langmuir方程:

式中:Gs－泥頁(yè)巖吸附氣含量，m3／t；VL－泥頁(yè)巖儲(chǔ)層朗氏體積，m3／t；PL－泥頁(yè)巖儲(chǔ)層朗氏壓力，MPa；P－泥頁(yè)巖儲(chǔ)層地層壓力，MPa。

在低壓下，氣體吸附量隨著壓力的增大快速增加，達(dá)到一定壓力后吸附量達(dá)到飽和，成為一條平滑的直線。這一飽和吸附量稱為朗氏體積VL，到達(dá)1／2朗氏體積吸附氣量所需的實(shí)驗(yàn)壓力稱為朗氏壓力PL。北美地區(qū)的勘探實(shí)踐表明，頁(yè)巖吸附氣大多服從Langmuir方程。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層溫度與解析試驗(yàn)溫度接近時(shí)，不需要進(jìn)行溫度壓力校正。Langmuir方程適用于估算存在游離氣的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層單層飽和吸附氣含量平均值，主要用于評(píng)估利用其它方法確定的吸附氣含量的合理性，不宜逐點(diǎn)計(jì)算單層內(nèi)各點(diǎn)泥頁(yè)巖飽和吸附量。

建南地區(qū)東岳廟段建頁(yè) HF－A井21塊巖心測(cè)試結(jié)果表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層平均朗氏體積和朗氏壓力分別為:VL＝1.2m3／t、PL＝2.3MPa。同時(shí)，得到總有機(jī)碳含量TOC與吸附氣含量Gs（m3／t）回歸方程:

3）總含氣量模型

頁(yè)巖氣總含氣量Gt（m3／t）計(jì)算公式:

2 實(shí)例分析

1）實(shí)例一:A井

A井東岳廟518.0m～643.0m井段、厚47.0m；自然伽馬103API、巖性密度2.54g／cm3、電阻率66.0Ω·m、聲波時(shí)差271μs／m；泥質(zhì)含量34%、儲(chǔ)層平均孔隙度4.6%、平均含水飽和度45.0%、含氣飽和度55.0%、平均有機(jī)碳含量1.2%、吸附氣平均含量0.70m3／t、游離氣平均含量0.61m3／t、平均總氣含量1.31m3／t，游離氣含量略小吸附氣含量；脆性礦物含量平均75.0%，脆性指數(shù)平均0.60；氣測(cè)烴異常顯示明顯，地層壓力檢測(cè)顯示儲(chǔ)層無(wú)異常壓力存在，地層壓力梯度1.07MPa／Hm，地層破裂壓力梯度1.86MPa／Hm。

綜合解釋東岳廟518.0m～643.0m井段為氣層（見(jiàn)圖4）。參照中揚(yáng)子致密碳酸鹽巖氣層產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法、經(jīng)驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)水力壓裂后產(chǎn)能2 000m3／d～15 000m3／d［10］。

完井后，水力壓裂試氣井段610.0m～646.0m。采用9.0m3／min的大排量注入方式壓裂作業(yè)，累計(jì)用液量2 083.0m3，加砂65.0m3，平均砂比4.7%，施工壓力24.0MPa。返排放噴10h后，出口點(diǎn)火成功，焰高1m～4m。地層呈正常壓力變化，天然氣最高產(chǎn)量4 000m3／d，穩(wěn)定產(chǎn)量1 860m3／d～2 200m3／d，不含硫化氫，有少量地層水產(chǎn)出。試采6個(gè)月后，并入生產(chǎn)管線，采用氣舉方式正常開(kāi)采，穩(wěn)定產(chǎn)量2 700m3／d。正常開(kāi)采3個(gè)月即累計(jì)開(kāi)采9個(gè)月后，穩(wěn)定產(chǎn)量仍保持在2 100m3／d以上。

圖4 A井頁(yè)巖氣層測(cè)井解釋成果圖

2）實(shí)例二:B井

B井東岳廟591.0m～643.0m 井段、厚52.0m；自然伽馬115API、巖性密度2.65g／cm3、電阻率56.0Ω·m、聲波時(shí)差280μs／m；泥質(zhì)含量40%、孔隙度6.0%、含水飽和度45.0%、含氣飽和度55.0%、滲透率0.02md、有機(jī)碳含量1.23%、吸附氣含量0.69m3／t、游離氣含量0.78m3／t、總含氣量1.47m3／t，游離氣含量略大于吸附氣含量；脆性礦物含量平均65.0%，脆性指數(shù)平均0.45；氣測(cè)烴異常顯示明顯，地層壓力檢測(cè)顯示儲(chǔ)層無(wú)異常壓力存在，地層壓力梯度1.07MPa／Hm，地層破裂壓力梯度1.89MPa／Hm。

綜合解釋東岳廟591.0m～643.0m井段為氣層（見(jiàn)圖5）。參照中揚(yáng)子致密碳酸鹽巖氣層產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法、經(jīng)驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測(cè)水力壓裂后產(chǎn)能為1×104m3／d～3×104m3／d。

完井后，在氣層段側(cè)鉆水平井，水平段長(zhǎng)1到22.5 m，分8段水力壓裂試氣（第5段因遇阻而放棄壓裂 ）。壓裂施工排量為10m3／min～10.5m3／min，入井總液量為12 037.6m3，總砂量為394.5m3，平均砂比為4.1%，反排求產(chǎn)，測(cè)得產(chǎn)氣量1.2×104m3／d、產(chǎn)水量43m3／d。

圖5 B井頁(yè)巖氣層測(cè)井解釋成果圖

3 主要認(rèn)識(shí)

1）基于巖心試驗(yàn)建立的頁(yè)巖氣常規(guī)測(cè)井解釋模型，適用建南地區(qū)東岳廟段頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)，可以擴(kuò)展用于整個(gè)建南地區(qū)及中揚(yáng)子地區(qū)陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。

2）參照實(shí)例井壓裂試氣結(jié)果和國(guó)內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)，東岳廟段頁(yè)巖氣層解釋評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)［7，9］:厚度 H≥30 m；孔隙度 φ≥3.0%，含氣飽和度Sg≥50.0%，；TOC≥1.0%，，游離氣含量 Gf≥0.5m3／t，吸附氣含量為 Gs≥0.5m3／t，總含氣量 Gt≥1.0m3／t；脆性礦物含量Vsi＋co3≥50.0%，脆性指數(shù) BRIT≥0.5。

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