頁巖氣儲層測井精細評價

陳向陽，陳美軍，芮昀，姚亞彬，石陽志，王成榮

（1.中國石油集團測井有限公司吐哈分公司，新疆 哈密 839009；2.中國石油股份有限公司浙江油田分公司，浙江 杭州 310023；3.中國石油集團測井有限公司地質研究院，陜西 西安710077；4.中國石油天然氣集團有限公司測井重點實驗室，陜西 西安 710077）

0 引 言

四川盆地及周邊地區海相頁巖廣泛分布，上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖是其中最重要的一套頁巖氣儲層。經過“十二五、十三五”期間堅持不懈的建設，四川盆地內長寧-威遠、川東涪陵及云貴川交界處昭通區塊已成為中國最重要的頁巖氣產區及國家級頁巖氣示范區，其頁巖氣年產量在100億方以上，成為中國天然氣增長的重要一極。頁巖氣勘探評價初期，針對該類源儲一體的典型非常規儲層（復雜礦物組分、孔隙結構特征及含氣特征），通常利用測井資料計算總有機碳含量、孔隙度、脆性礦物、含氣量這4個定量評價參數對頁巖儲層進行分類，中國石油天然氣集團有限公司2015年制定了川南頁巖氣儲層評價標準[1]。

隨著勘探評價及開發的深入，地質評價人員發現，上述4個參數無法滿足復雜構造區頁巖氣儲層評價的需求，特別是對處于四川盆地南緣向云貴高原過渡的浙江油田太陽淺層頁巖氣田。該區塊普遍存在構造運動改造強烈、應力復雜、以及由此引起的儲層含氣性差異大等特征[2-3]。

在前人研究的基礎上，該研究從頁巖氣儲層測井基本響應特征入手，從沉積環境、鈾含量及釷鈾比、物性、孔隙結構、有機孔發育程度、孔隙壓力系數、層理、裂縫發育情況等方面，對頁巖儲層進行了綜合分析，豐富了頁巖氣儲層評價參數，建立了復雜構造區頁巖氣儲層測井精細評價標準。

1 頁巖氣儲層精細評價技術思路

頁巖氣儲層測井精細評價技術思路主要根據太陽淺層頁巖氣田頁巖儲層地質特征[4]，在儲層沉積環境、巖性巖相、有機質豐度、物性、含氣性、裂縫、層理發育程度、地層壓力系數等方面對儲層細分評價。圖1為具體技術路線，在非常規儲層“新七性關系”研究的基礎上[5-6]，深入研究頁巖儲層測井響應特征，拓展了釷鈾比、生物硅含量、有機孔占比、裂縫層理發育程度、地層壓力系數等關鍵參數的定性和定量評價標準。在此基礎上，對太陽淺層頁巖氣田開發儲層進行了精細分類評價及壓裂分段優化。

圖1 頁巖氣儲層精細評價技術路線圖

2 頁巖氣儲層精細評價

2.1 基于沉積環境及巖性、巖相分析的頁巖氣儲層分類

上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖主要為陸棚沉積，優質頁巖段沉積微相為深水生物硅泥質陸棚，沉積了具有高自然伽馬值和低密度值的黑色富有機質頁巖和硅質頁巖，總有機質含量通常較高（＞2%）。對沉積環境的研究，通常采用能譜測井中的自然伽馬曲線、釷鈾比（Th/U）曲線。利用釷鈾比研究沉積環境的一般規律為：Th/U＞7，為陸相沉積、氧化環境、風化層；7＞Th/U＞2，為海相沉積、灰色或綠色頁巖；Th/U＜2，為海相黑色頁巖、磷酸鹽巖；釷鈾比值越低，沉積水體越深，沉積環境越穩定，越利于有機質的富集。五峰組-龍號小層中下部整體為深水還原沉積環境，鈾曲線表現為從高值逐漸降低的趨勢特征，釷鈾比值逐漸升高，說明沉積水深逐漸變淺，導致有機質富集程度變低，頁巖顏色從下至上由黑色逐漸變為灰黑色[7]。

五峰-龍馬溪組頁巖中沉積了大量富含硅質礦物的硅質骨針、放射蟲、筆石等生物化石。該區大量直井及水平井鉆井過程中元素錄井分析成果揭示：生物硅含量[Si / （Si+Al+Fe） ]能夠反映沉積時生物的富集程度，優質頁巖（Ⅰ1-Ⅱ1）段生物硅占比在75%以上，尤其在龍小層及龍單層，生物硅占比在80%以上[8]。

頁巖巖性的變化按照黏土質及生物硅含量的占比，可分為黏土質頁巖相、黏土質硅質混合頁巖相、生物硅質頁巖相，其中生物硅質頁巖相為最優勢巖相。在此基礎上形成了基于沉積環境及巖性、巖相分析的頁巖氣儲層分類標準（見表1）。根據釷鈾比、生物硅占比對儲層進行分類與儲層巖電響應特征有較好的一致性。

表1 基于沉積環境及巖性、 巖相及脆性礦物含量的頁巖氣儲層分類標準表

2.2 基于鈾、總有機碳含量的頁巖氣儲層分類

富含有機質是頁巖氣儲層區別于一般常規儲層的基本特征，在古生界奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組深水陸棚環境中，大量藻類生物繁殖，為巖層中有機質的富集提供了物質基礎[8]。由于海相還原環境中，生烴過程產生的腐殖酸會把鈾離子還原為不溶于水的鈾元素而固定在有機質中，同時，有機質存在大量的微孔，導致會吸附更多的鈾元素，因此，鈾元素可以指示有機質的多少?；谶@一地質背景，五峰組-志留系龍馬溪組優質頁巖儲層段通常表現為高自然伽馬、高鈾值的測井響應特征?，F有的總有機碳含量計算方法有5種：①鈾、密度等曲線多元回歸法；②電阻率與孔隙度測井曲線重疊△LogR法；③ 改進的施默克公式計算法；④核磁共振方法；⑤LithoScanner巖性掃描測井法。

其中在海相地層中最適合采用方法①，利用鈾建立的總有機碳計算方法。根據能譜測井鈾含量曲線及計算的總有機碳含量，結合巖心分析數據，建立了頁巖儲層分類標準。Ⅰ類頁巖儲層鈾含量一般大于15 mg/L，總有機碳含量大于3；Ⅱ類頁巖氣層鈾含量一般大于10 mg/L，總有機碳含量大于2；Ⅲ類頁巖氣層鈾含量一般大于5 mg/L，總有機碳含量大于1。

2.3 基于孔隙度、孔隙結構、有機孔占比及孔隙包絡面積的頁巖氣儲層分類

頁巖氣儲層豐富的納米級有機孔是其存儲天然氣及能夠開發的核心要素?？紫抖鹊木_求取、孔隙結構及連通性的評價在頁巖氣儲層含氣性評價方面具有及其重要的作用。頁巖氣儲層孔隙度低，太陽淺層頁巖氣田巖心分析其孔隙度在3.6%～6.2%，主值為4.6%[2]。

在井眼環境較好的評價井中，五峰組-龍馬溪組密度與巖心分析孔隙度存在良好的線性關系，密度計算孔隙度模型精度滿足評價需求。但在復雜井況條件下，井筒擴徑，密度孔隙度的計算精度低，無法滿足頁巖氣儲層高精度物性評價需求，通常采用聲波、密度、鈾等曲線進行二元或者三元公式擬合，采用聲波、密度測井曲線計算的孔隙度與巖心分析孔隙度交會，其相關系數可達0.85以上，能夠滿足儲層測井評價需要?？紫督Y構評價則主要通過核磁共振測井與高壓壓汞試驗建立孔隙結構評價模型實現[9]。

富含有機質的頁巖均發育不同程度的有機孔且類型多種多樣。有機孔孔徑主要分布在10 ～100 nm，而優質頁巖儲層以30 ～60 nm的中孔及部分大孔為主，無機孔分布范圍較廣[10]。頁巖氣儲層中有機孔連通性的好壞是決定后期能否高產穩產的關鍵，太陽氣田某井頁巖巖心實驗室高精度FIB-SEM三維圖像顯示頁巖儲層有機孔發育不均及連通性存在巨大差異[11]，在相同孔隙度下，Ⅰ類儲層有機孔連通性占比大于70%，而部分Ⅲ類儲層有機孔連通性占比小于5%。該特性可能是現階段頁巖氣水平井各井壓裂后產量差異大的最本質原因。對太陽淺層頁巖氣氣田某井頁巖巖心實驗室獲取的面孔率、有機質轉化率、有機孔占比、有機孔面積占比等參數進行分析，可見從上部龍小層至龍小層，有機孔占比越來越大，優質頁巖氣儲層段有機孔占比整體大于60%。有機孔的發育程度由有機質多少及其轉化率決定，通常采用巖心實驗室分析面孔率及有機孔占比與總有機質含量關系建立關系式，利用測井資料計算總有機質含量及有機孔占比，用于儲層精細分類。在孔隙度計算及孔隙結構定性分析、有機孔定量計算的基礎上，進一步采用識別常規氣層中常用的中子—聲波、密度—中子及聲波—密度包絡面積法，利用以上物性特征對頁巖氣儲層進行精細分類（見表2）。

表2 有效孔隙度、 孔隙結構、 有機孔占比及聲波—密度包絡面積頁巖氣儲層分類表

圖2為太陽淺層頁巖氣田YS137井孔隙度、有機孔占比儲層分類圖，重點突破井YS137井根據孔隙度、有機孔占比及聲波—中子、密度包絡面積進行儲層分類，Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1類頁巖氣儲層有機孔大小及占比均較高。

圖2 太陽淺層頁巖氣田YS137井孔隙度、有機孔占比儲層分類圖

2.4 基于含氣量、孔隙壓力系數、密度—電阻率包絡面積的頁巖氣儲層分類

頁巖氣儲層含氣性評價是頁巖氣藏綜合評價中極其重要的部分，主要包括飽和度、孔隙壓力評價及含氣量計算。含氣量是頁巖氣富集的體現，同樣也是決定頁巖氣有無經濟開采價值的重要參數。通常含氣量越高，說明頁巖氣富集程度越高，因此，為了獲得具有經濟開采價值的頁巖氣藏，頁巖中就必須有足夠豐富的含氣量。

頁巖的含氣量通常由3個部分組成：解吸氣量、損失氣量和殘余氣量。頁巖含氣量計算通常簡化為吸附氣和游離氣計算2個部分。對于頁巖氣儲層吸附氣含量而言，主要的控制因素為地層總有機碳含量及有機質成熟度，并且受地層壓力、溫度的影響。通常根據巖心等溫吸附實驗，結合地層壓力、溫度等資料，利用Langmuir方程來計算地層吸附氣含量，并通過實驗、測井資料建立吸附氣含量計算模型。

對于游離氣而言，孔隙度和含氣飽和度是評價游離氣的主要參數，這一點與常規氣藏一致，但與常規氣藏不同的是，頁巖氣儲層要計算游離氣含量，這種含量是指從井下儲層條件換算到地面標準條件下（1個標準大氣壓、25 ℃）每噸巖石所含游離氣的體積，故與地層的壓力和溫度以及天然氣的壓縮因子等參數有關，這與常規氣藏的儲量計算方法類似[12-13]。準確的游離氣含量通常采用保壓取心方式獲得（見圖3）。

圖3 太陽氣田YS151井保壓取心含氣量與測井計算成果對比

由于天然氣可壓縮性極強，地層壓力對頁巖氣儲層含氣量影響甚大，孔隙壓力系數能夠較好地反映頁巖氣藏的保存條件，是頁巖氣藏含氣性評價的重要指示參數。中國頁巖氣區塊多年的研究成果表明，頁巖氣儲層孔隙壓力大小是頁巖氣獲得高產的決定性因素。

利用測井資料進行地層孔隙壓力評價的方法有多種，目前主要有有效深度法、Eaton法、Bowers法等。此外，試井過程中地層測試的壓力測量均是確定地層孔隙壓力的有效技術，這種方法孔隙壓力數據更直接、可靠，但通常數據點較少，不能得到連續地層壓力剖面。因此，通常采用測井資料應用Eaton、Bowers方法進行孔隙壓力計算。

中深層頁巖氣儲層壓力系數通常為1.6 ～2.0，太陽淺層頁巖氣田地層孔隙壓力系數主要分布在1.2 ～1.5。Ⅰ類頁巖氣層孔隙壓力系數通常大于1.2。

在利用含氣量、孔隙壓力系數對頁巖氣儲層含氣性判斷的基礎上，借助常規氣層判斷中常用的縱橫波速度比以及密度—電阻率包絡面積定性指示游離氣含量，綜合判斷頁巖儲層含氣性。該方法在太陽氣田起到了較好的應用效果，建立了儲層含氣性精細評價標準（見表3）。圖4為太陽淺層頁巖氣田采用含氣量、壓力系數、縱橫波速度比及密度—電阻率包絡面積對一口井進行的儲層精細分類成果圖。

表3 含氣量、 壓力系數、 縱橫波速度比及密度—電阻率包絡面積頁巖氣儲層分類標準表

圖4 太陽氣田YS137井頁巖氣儲層分類圖

2.5 基于層理及裂縫發育特征的頁巖氣儲層分類

層理構造是沉積巖中最普遍和最重要的一種原生構造，頁理是沉積層理的一種，比通常意義的沉積層理巖性顆粒更細、厚度更薄。成像測井顯示五峰-龍馬溪組龍一1亞段頁理發育，按厚度主要劃分為厚層狀（＞0.1 m）、中層狀（0.01 ～0.10 m）、薄層狀（0.001 ～0.010 m）、紋層狀（＜0.001 mm）這4種。

通過該區域頁巖儲層巖心CT掃描圖像及成像測井資料分析，五峰-龍馬溪組從下往上，隨著水體逐漸變淺，沉積層理的厚度也出現規律性變化。五峰組-龍小層（Ⅰ～Ⅱ類儲層為主）各區塊均以紋層或薄層狀為主，龍小層以薄層、中層為主，龍小層以厚層夾中層為主。

太陽氣田龍二段和龍一2亞段多發育高角度的高阻縫，五峰-龍一1亞段裂縫整體不發育，寶塔組多見高導縫，各段裂縫發育特征較為明顯。

3 頁巖氣儲層測井精細評價標準的建立及綜合應用

在四參數評價的基礎上，通過綜合頁巖儲層釷鈾比、生物硅含量、有機孔占比、孔隙壓力系數，密度—電阻率包絡面積及層理裂縫發育特征等參數定性及定量評價，形成了昭通頁巖氣區塊太陽氣田頁巖氣儲層精細評價標準，定量參數的區間值通常參考區域大量頁巖氣評價井各類頁巖儲層有效厚度進行標定（見表4）。Ⅰ類頁巖氣（Ⅰ1+Ⅰ2）主要發育在深水生物硅泥質陸棚相，釷鈾比通常小于1，生物硅占比大于70%；脆性礦物含量大于55%，鈾含量大于12 mg/L，對應總有機碳含量大于3%；有效孔隙度大于4%，有機孔占比大于60%，聲波—中子、密度—中子包絡面積大；含氣量大于3 m3/t，密度—電阻率包絡面積較大，孔隙壓力系數通常大于1.2。

表4 太陽淺層頁巖氣儲層測井精細評價標準表

圖5是根據頁巖氣儲層測井精細評價標準對該區評價井進行的綜合評價成果圖。由圖5可見，采用常規四參數（總有機碳含量、孔隙度、脆性礦物含量、含氣量）進行評價時，龍一1亞段Ⅰ類頁巖氣儲層厚度為7.5 m，Ⅱ類頁巖氣儲層厚度為17.8 m；而采用該套評價標準后，Ⅰ類頁巖氣儲層（Ⅰ1+Ⅰ2）厚度為2.5 m，Ⅱ類頁巖氣儲層（Ⅱ1+Ⅱ2）厚度為19.8 m，Ⅰ類頁巖氣儲層厚度有所減小，Ⅱ、Ⅲ類頁巖氣儲層厚度增加，最優靶體厚度從3.5 m左右進一步精細劃分為2.0 m左右。該井以龍和龍下部共2.0 m儲層作為最優靶體進行了水平井產能測試，獲得5×104m3/d的產量。

圖5 太陽氣田頁巖氣評價井測井綜合評價成果圖

該評價標準已在太陽氣田水平井測井評價中推廣應用。結合巖石力學參數、斷裂發育情況及固井質量成果，形成水平井分段模式，在儲層綜合評價、壓裂分段優化方面發揮重要作用，分段成果采納率達100%。

4 結 論

（1）在頁巖氣儲層總有機碳含量、孔隙度、含氣量、脆性礦物含量等4個參數定量評價的基礎上，通過對頁巖氣儲層測井響應特征的精細分析，采用定性與定量結合的方式，構建了生物硅含量、有機孔占比、縱橫波速度比、孔隙壓力系數等定量評價參數，以及密度—電阻率包絡面積、裂縫及層理發育程度等定性評價參數，最終形成了頁巖氣儲層測井精細評價標準。

（2）該評價方法充實了此前僅采用定量計算評價頁巖氣儲層的方法，更適合四川盆地周緣處于構造復雜區頁巖氣儲層的分類評價，對中國復雜構造區頁巖氣儲層測井評價具有較好的借鑒意義。

（3）該評價方法已經在太陽淺層頁巖氣田規模推廣應用，在頁巖氣儲層精細評價、水平井靶體優選及壓裂分段優化等方面發揮了重要作用。