鐘文俊，熊 亮，黎 鴻，董曉霞，周 靜

（中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都610041）

頁巖氣已成為油氣勘探開發(fā)的重要領域，測井技術的應用對于解決頁巖氣地質(zhì)問題和提高頁巖氣勘探開發(fā)整體效益都有著重要的作用。由于頁巖氣儲層的巖性、物性、含氣性等特征與常規(guī)油氣藏相比有明顯的不同，傳統(tǒng)的常規(guī)油氣測井方法和技術難以適應和滿足要求。斯倫貝謝、哈里伯頓等測井公司以及國內(nèi)一些頁巖氣田大多采用的頁巖氣特殊測井系列包括：常規(guī)測井加元素俘獲測井、巖性掃描測井、電成像測井、陣列聲波測井等。研究、配套相應的測井解釋技術和方法，計算頁巖儲層的巖石學、地球化學、巖石力學等方面的參數(shù)，為頁巖氣地質(zhì)綜合評價和勘探開發(fā)部署提供了豐富的基礎資料和重要依據(jù)[1-6]。

川南威榮深層頁巖細粒沉積、富有機質(zhì)的特點，決定其測井解釋評價屬于超致密儲層的解釋評價范疇，由于實驗技術條件的限制，含氣飽和度、游離氣含量測量不夠準確，導致測井精確標定存在難度，礦物組分含量的計算也存在局限性。

針對目前存在的難題，以鉆井巖心描述和實驗分析數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，建立取心井各項分析數(shù)據(jù)與測井曲線的對應關系，分析優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的測井響應特征，應用交會圖技術統(tǒng)計分析頁巖儲層的“六性”之間的關系。在此基礎上，運用回歸分析、優(yōu)化的頁巖儲層巖石物理體積模型等方法，建立了一套適用于威榮深層頁巖儲層識別和礦物組分、孔隙度、有機碳含量（TOC）、含氣量以及巖石力學參數(shù)等定量計算的測井解釋模型。現(xiàn)已應用于頁巖氣井的測井解釋評價，并取得較好效果。

1 頁巖儲層特征

1.1 頁巖儲層地質(zhì)特征

威榮深層頁巖氣田地理位置位于內(nèi)江市和自貢市境內(nèi)，構造主體處于威遠背斜構造的斜坡帶，以丘陵地貌為主。主要目的層龍馬溪組整體處于深水陸棚沉積相帶，巖性以黑色含鈣硅質(zhì)頁巖（鈣質(zhì)硅質(zhì)頁巖）、黑色含碳頁巖（碳質(zhì)頁巖）、灰黑色或灰色粉砂質(zhì)泥巖為主[7-8]，富有機質(zhì)頁巖[9]（TOC≥2.0%）分布范圍廣，厚度在25～39 m。干酪根類型以Ⅰ型為主，TOC介于0.02%～5.52%，平均約1.89%。有機質(zhì)成熟度介于1.93%～2.43%，平均約2.26%，演化程度適中，以生成干氣為主。儲層物性相對較好，孔隙度介于2.02%～10.05%，平均約5.75%；水平滲透率為（0.01～1）×10-3μm2，以特低滲頁巖層為主；孔隙類型以基質(zhì)孔和裂縫為主，發(fā)育納米—微米孔隙，孔隙結構較為復雜，以50～200 nm孔徑為主；泥頁巖含氣性較好，巖心實測總含氣量在0.55 m3/t～12.61 m3/t，平均約5.57 m3/t；脆性礦物含量自上而下逐漸增高，脆性礦物含量介于33%～81%，平均約53.58%，以硅質(zhì)（石英+長石）為主，鈣質(zhì)（方解石+白云石）次之。整體具有“低泊松比、高楊氏模量”的特征，以X1井優(yōu)質(zhì)頁巖（TOC≥4.0%）為例，其泊松比為0.24，楊氏模量為19.65 GPa，最小水平主應力為92.21 MPa，最大水平主應力為101.32 MPa，水平主應力差異系數(shù)較?。?%），壓裂較易形成網(wǎng)狀裂縫。

1.2 頁巖儲層測井特征

1.2.1 龍馬溪組頁巖測井響應特征

縱向上，川南威榮地區(qū)五峰—龍馬溪組一段頁巖測井電性特征可明顯劃分為3段（圖1）。從下往上，第一段（3 813.7～3 849 m）呈4 高3 低特征，即高自然伽馬、高鈾、高聲波、高電阻率、相對低中子、低密度，低釷鈾比，中子曲線挖掘效應明顯，具有較高的游離氣豐度；第二段（3 795.8～3 813.7 m）的測井響應特征與第一段類似，但中子、密度挖掘效應差，有一定的含氣特征；第三段（3 766.7～3 795.8 m）與上述兩段差異明顯，中子、密度關系顛倒，無明顯含氣特征。橫向上，該地區(qū)五峰—龍馬溪組特征相似。

1.2.2 優(yōu)質(zhì)頁巖測井響應特征

1）高自然伽馬和高鈾

優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段富含有機質(zhì)且易于吸附高放射性鈾元素，導致總伽馬明顯增加、高鈾異常，采用總伽馬-無鈾伽馬、鈾-鉀曲線重疊法能定性指示頁巖儲層（圖1）。

2）釷/鈾比值小于2指示最有利頁巖氣相帶

強還原沉積環(huán)境有利于有機質(zhì)保存，是頁巖氣儲層發(fā)育的有利相帶。測井釷/鈾（TH/U）比值反映沉積環(huán)境。TH/U小于2指示地層沉積環(huán)境為強還原環(huán)境，對應圖1中3 842.8～3 849 m區(qū)間，包絡面積最大，為優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段；TH/U介于2～4指示為強還原環(huán)境到半還原環(huán)境，對應圖1中3 795.8～3 842.8 m區(qū)間，測井TH/U比值包絡面積小，為富有機質(zhì)頁巖。

3）中子曲線呈現(xiàn)強烈“挖掘效應”特征

呈現(xiàn)“挖掘效應”特征是頁巖中存在游離氣的反映，且電阻率增高，深電阻率相對高阻，密度、中子測井值均減小。高游離氣含量是有效開發(fā)頁巖氣的基礎，也是優(yōu)質(zhì)頁巖儲層普遍特征（圖1）。

圖1 威榮深層頁巖氣田X1井龍馬溪組頁巖測井響應曲線Fig.1 Well logging response curves of Longmaxi Formation in Well-X1 of Weirong Deep Shale Gas Field

4）層理縫發(fā)育，高角度構造縫較少發(fā)育

巖心觀察、井壁成像測井解釋表明，優(yōu)質(zhì)頁巖氣段層理縫發(fā)育，而高角度構造縫較少發(fā)育。在成像測井圖像上，層理縫呈暗色波紋狀條帶，在電阻率曲線上表現(xiàn)為鋸齒狀特征。

圖2 頁巖巖心實驗分析儲層參數(shù)相關關系Fig.2 Correlation of reservoir parameters by shale core experiment analysis

2 優(yōu)質(zhì)頁巖儲層“六性”關系

頁巖氣賦存方式和儲集空間具有多樣性和復雜性，導致頁巖儲層與常規(guī)油氣儲層測井評價差異較大，傳統(tǒng)儲層評價的“四性”關系（巖性、物性、電性、含油氣性）不能滿足頁巖儲層的評價，由此拓展為“巖石組分特征、物性、地化特性、電性、含氣性、可壓性”的“六性”關系[10-11]。

圖2所示，TOC與硅質(zhì)含量、孔隙度、含氣量呈正相關關系；含水飽和度與孔隙度呈負相關關系；孔隙度與黏土含量呈負相關關系，與含氣量呈正相關關系。測井電性曲線與儲層參數(shù)的相關性有好有差，其中密度曲線是龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖的指示曲線，與TOC、孔隙度、含氣量、脆性礦物呈負相關關系，與TOC 相關性最好，其次是孔隙度；自然伽馬曲線與TOC、孔隙度、黏土礦物含量呈正相關關系；U曲線與TOC、孔隙度呈正相關關系，且與TOC 相關性最好；聲波時差曲線與黏土礦物、孔隙度有一定正相關性；電阻率曲線與脆性礦物含量、黏土含量有一定的負相關性?！傲浴标P系研究表明，威榮深層頁巖氣儲層巖性、有機地化特性、物性和含氣性關系明顯。

威榮深層頁巖氣田X2井頁巖儲層“六性”關系圖中，3 668.3～3 722.5 m井段為優(yōu)質(zhì)頁巖段（圖3），該段從上到下黏土含量降低，脆性礦物升高，脆性指數(shù)變大，TOC含量增大，孔隙度與含氣量也逐次增大，該井水平井測試獲得高產(chǎn)。

3 頁巖儲層測井評價技術

3.1 儲層地質(zhì)參數(shù)定量評價

3.1.1 有機碳含量

目前，有機碳含量是評價頁巖儲層烴源巖最為直接的指標，利用測井曲線計算有機碳含量的方法有：ΔlgR 法、自然伽馬（或自然伽馬能譜）法、巖性密度法、多元回歸法、巖性掃描測井法等[12-14]。

圖3 威榮深層頁巖氣田X2井龍馬溪組頁巖儲層“六性關系”Fig.3 Six-property relation of Longmaxi Formation shale reservoir in Well-X2 of Weirong Deep Shale Gas Field

為了計算威榮深層地區(qū)有機碳含量，選取與TOC含量最敏感的測井參數(shù)（圖4），優(yōu)選出精度最高的多元回歸模型：

式中：TOC為有機碳含量，%；GR為自然伽馬，API；DEN為補償密度，g/cm3；CNL為中子孔隙度，%。

3.1.2 儲層物性參數(shù)

頁巖孔隙包括有機孔隙與無機孔隙，而無機孔隙又包括黏土孔隙與脆性礦物顆?？紫抖萚15]。頁巖孔隙度的測井常規(guī)計算方法主要有以下2種。

1）通過對不同孔隙度測井曲線的測量原理及與地層敏感程度分析，綜合考慮頁巖孔隙度組成以及響應參數(shù)，以多元回歸技術為手段，建立孔隙度測井評價模型：

式中：POR為孔隙度，%；AC為聲波時差，μs/m。

圖4 巖心實測有機碳含量與測井曲線關系Fig.4 Relation between measured TOC of core and logging curves

2）基于干黏土骨架參數(shù)比較穩(wěn)定的特點，針對威榮地區(qū)不同實驗方法測量頁巖孔隙度的不確定性，分析主要影響因素，采用基于干黏土、有機質(zhì)、非黏土骨架和孔隙流體體積模型，利用密度、中子、聲波等測井信息，建立測井響應方程組，確定總孔隙度[16]。

3.1.3 礦物組分含量

頁巖中脆性礦物類型與含量、以及黏土類型與含量，對頁巖儲層改造和開采尤其重要。本文研究區(qū)頁巖礦物組分含量（w）的測井評價有3種方法。

1）利用對巖性敏感的測井資料建立基于多測井因素的地區(qū)經(jīng)驗多元回歸模型：

式中：a、b、c、d分別是GR、AC、CNL、DEN的待定系數(shù)；e是常數(shù)項。

2）基于體積模型，確定敏感測井信息和特定礦物或有機質(zhì)之間的定量關系，建立地質(zhì)約束最優(yōu)化模型測井響應方程式，求最優(yōu)化解[17]。

3）采用斯倫貝謝巖性掃描測井（Lithoscanner），可同時采集俘獲譜和非彈譜，每個譜的結果被轉換成元素干重含量，由此解釋確定礦物成分含量[18]。

3.1.4 含氣量評價

頁巖孔隙中的天然氣是自生自儲，有吸附氣和游離氣2種相態(tài)。游離氣以游離狀態(tài)賦存于頁巖孔隙和裂縫之中，吸附氣則吸附于頁巖干酪根（或黏土礦物）表面，頁巖總含氣量是二者之和[19-22]。

吸附氣含量由以下2種方法求得。

1）采用蘭格繆爾（Langmuir）等溫吸附方程式。利用等溫吸附實驗得到的Langmuir 參數(shù)，將實驗數(shù)值校正到地層壓力下，再利用校正之后的數(shù)據(jù)點同TOC實驗分析數(shù)據(jù)建立吸附氣含量計算模型：

式中：GX為吸附氣含量，m3/t；VL為朗氏體積，m3；P為地層壓力，MPa；PL為朗氏壓力，MPa。

2）考慮到有機質(zhì)含量是吸附氣含量的主要控制因素，依據(jù)等溫吸附實驗結果，結合儲層實測的有機質(zhì)含量，建立吸附氣含量與有機質(zhì)之間的定量關系（圖5）：

圖5 威榮深層頁巖氣田龍馬溪組頁巖吸附氣含量與TOC含量關系Fig.5 Relation between adsorbed gas content and TOC of Longmaxi shale in Weirong Deep Shale Gas Field

3.2 儲層工程參數(shù)評價

3.2.1 巖石力學參數(shù)計算

頁巖儲層巖石力學參數(shù)評價主要涉及泊松比、楊氏彈性模量，利用地層的縱橫波時差和密度等測井資料可計算得到動態(tài)彈性參數(shù)[23-24]。

楊氏模量：

泊松比：

在應力幅值、加載速度和所引起的巖石變形等方面，地下巖層應力更接近巖石靜態(tài)測試的條件，在地應力計算和實際工程中應采用巖石的靜態(tài)彈性參數(shù)。動/靜態(tài)楊氏模量轉換方法：

式（6）—（8）中：Ed為動態(tài)楊氏模量，MPa；ρb為巖性密度，g/cm3；υs為橫波時差，μs/m；υp為縱波時差，μs/m；μd為動態(tài)泊松比；Es為靜態(tài)楊氏模量，MPa；a、b為動/靜態(tài)楊氏模量轉換地區(qū)經(jīng)驗系數(shù)。

3.2.2 脆性指數(shù)評價

脆性指數(shù)是評價頁巖可壓裂性的重要參數(shù)，目前，計算脆性指數(shù)的方法有以下2種。

1）巖石礦物組分法

先算出各礦物組分含量，再用式（9）計算脆性指數(shù)：

式中：Brit1為脆性指數(shù)，%；w（S）為硅質(zhì)礦物百分含量，%；w（Ca）為鈣質(zhì)礦物百分含量，%；w（Clay）為黏土礦物百分含量，%。

2）偶極聲波計算法

將計算出的動態(tài)泊松比和動態(tài)楊氏模量單位進行均一化處理，然后平均產(chǎn)生百分數(shù)表示脆性系數(shù)。根據(jù)改進的Rickman公式計算出脆性指數(shù)，該方法得到的脆性指數(shù)也叫可壓裂指數(shù)[25]：

式中：Brit2為脆性指數(shù)（可壓裂指數(shù)）；BIY為均一化后的靜態(tài)楊氏模量均值；BIP為均一化后的靜態(tài)泊松比均值。

3.2.3 裂縫評價

頁巖儲層裂縫的識別和有效性評價一直是個難題。常規(guī)測井方法識別頁巖裂縫，不同類型的裂縫，測井曲線響應敏感程度也不同，聲電成像、核磁共振等特殊測井在儲層裂縫識別和有效性評價中發(fā)揮了重大作用[26-27]。威榮區(qū)塊電成像測量井段解釋的裂縫類型主要有高阻縫、髙導縫、微斷層、鉆井誘導縫。X1井髙導縫和高阻縫是以構造作用為主的天然裂縫，主要發(fā)育在龍馬溪組非儲層段。髙導縫的裂縫間隙未被方解石等高阻礦物充填，為有效縫，對儲層的改造有重要作用，在FMI圖像（地層微電阻率掃描成像）上呈現(xiàn)出暗黑色正弦曲線。高阻縫裂縫間隙被方解石等高阻礦物部分或半充填，有效性差，F(xiàn)MI 圖像上呈現(xiàn)亮黃色。統(tǒng)計結果顯示，X1井髙導縫傾角集中在8°～48°，為低—中角度裂縫，傾向為NNE 方向；微斷層走向與髙導縫走向較為一致，近NEE—SWW方向（圖6）。

3.2.4 地應力評價

地應力在空間上可用3個主應力表示：垂向主應力（Sv）、水平最大主應力（SH）和水平最小主應力（Sh）。垂向主應力是由上覆巖層壓力（Po）確定的，由密度測井資料求得。水平方向的主應力由2 部分構成：一是上覆巖層壓力引起，是巖石泊松比的函數(shù)；二是由地質(zhì)構造應力引起，與巖石泊松比無關[25，28]。

利用電成像測井資料研究地應力方向的方法有2種：一是根據(jù)誘導縫走向進行分析，二是根據(jù)井眼崩落特征進行分析?；跈M波各向異性的地應力方向分析，是在橫波提取基礎上，對橫波進行分離，得到快、慢橫波速度及方位，快、慢橫波的差異程度代表了地層各向異性程度，各向異性的方位通常指快橫波方位，快橫波的方位常常代表裂縫發(fā)育方位，當裂縫由地應力不均衡誘導產(chǎn)生時，各向異性方位代表了最大主應力方位。如圖7所示，X1井最大主應力方位為近東西向。

圖6 威榮深層頁巖氣田X1井龍馬溪組頁巖裂縫評價Fig.6 Evaluation of shale fracture of Longmaxi formation in Well-X1 of Weirong Deep Shale Gas Field

4 測井綜合評價實例分析

4.1 優(yōu)質(zhì)頁巖儲層測井識別標準

由于威榮地區(qū)頁巖氣測井響應特征具有明顯的“四高三低”特征，電阻率高低阻共存，呈鋸齒狀特征，中子測井出現(xiàn)明顯的氣層“挖掘效應”特征，參照中國石化龍馬溪組頁巖氣儲層評價標準，將威榮深層頁巖氣田頁巖儲層劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，排除井眼、鉆井液侵入等因素對測井響應的影響，確定這3類頁巖氣層定性識別標準（表1）。

圖7 威榮深層頁巖氣田X1井FMI結合偶極聲波測井評價龍馬溪組地應力方位Fig.7 Evaluation of stress orientation of Longmaxi formation by FMI combined with cross-dipole acoustic logging in Well-X1 of Weirong Deep Shale Gas Field

4.2 應用實例分析

X1井是威榮深層頁巖氣田的一口開發(fā)評價井，利用常規(guī)測井、電成像、偶極、巖性掃描測井資料，結合巖心實驗分析，對該井志留系龍馬溪組下部—奧陶系五峰組頁巖層段進行了測井綜合評價（圖8）。

綜合X1井各參數(shù)指標來看，該井龍馬溪組共解釋53.2 m頁巖氣儲層，其中脆性礦物含量48%～77%，平均為56.9%；黏土含量19%～48%，平均為38%；孔隙度4.5%～7.5%，平均為5.4%；TOC含量1.5%～6.1%，平均為2.8%；游離氣含量2.3 m3/t～10.2 m3/t，平均為4.5 m3/t；總含氣量4.8 m3/t～14.5 m3/t，平均為7.4 m3/t。其中，底部（3 813.7～3 849 m）總含氣量最高，儲層厚度達35.3 m，是最有潛力的頁巖氣藏發(fā)育層段，電成像測井顯示該段微裂縫較發(fā)育；偶極橫波各向異性分析最大主應力方向為北東東—南西西。選取I類優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段3 842.8～3 849 m作為該井1 500 m水平段靶窗，實鉆優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率為100%，對水平段分20段進行射孔和大型壓裂，在井口套壓穩(wěn)定在35.4 MPa下，獲產(chǎn)26×104m3/d，鉆探的多口頁巖氣井均獲高產(chǎn)工業(yè)氣流。目前，威榮深層頁巖氣田已提交1 246.78×108m3探明儲量，顯示出良好的勘探開發(fā)前景。

5 結論

1）威榮深層頁巖氣田探井采用常規(guī)綜合測井加測元素俘獲測井及巖性掃描測井、電成像測井、陣列聲波測井等特殊測井的頁巖氣測井系列基本滿足頁巖儲層參數(shù)測井解釋評價需要。

2）TOC含量、孔隙度、含氣量、脆性指數(shù)等是頁巖儲層評價的關鍵參數(shù)，富含有機質(zhì)是形成優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的基礎，TOC含量與孔隙度、含氣量和脆性指數(shù)均呈正相關關系。

表1 威榮深層頁巖儲層測井識別標準Table1 Logging identification standard of Weirong deep shale reservoir

圖8 威榮深層頁巖氣田X1井龍馬溪組頁巖氣綜合評價Fig.8 Comprehensive evaluation of Longmaxi formation shale gas in Well-X1 of Weirong Deep Shale Gas Field

3）運用交會圖、回歸分析、優(yōu)化的頁巖儲層巖石物理體積模型等方法可以有效識別頁巖儲層并建立儲層評價參數(shù)的測井解釋模型。建立的威榮深層頁巖氣儲層測井解釋模型在該區(qū)實際生產(chǎn)應用中取得了較好的效果。