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页岩储层含气量测井解释方法及其应用研究

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页岩 储层含 气量 测井 解释 方法 及其 应用 研究
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基金项目:中国海油青年科技与管理创新课题(编号: J Z T W 2 0 1 2 K J 4 5 ) 、国家自然科学基金项目(编号: 4 1 2 7 2 1 6 7 ) 。作者简介:唐颖, 1 9 8 6年生,工程师,博士研究生;主要从事非常规天然气地质研究工作。地址: ( 1 0 0 0 2 8 )北京市朝阳区太阳宫南街6号中海油大厦。电话: ( 0 1 0 ) 8 4 5 2 7 7 4 1 。 E - m a i l : t a n g y i n g @ s i n a .c ,3 李乐忠1 蒋时馨11 京)能源学院3 0 1 4,3 4(1 2):4 6 - 5 4 含气量是页岩储层评价的关键参数,对含气量的解释则是页岩测井评价的核心工作。为此,通过调研文献和综合研究,建立了以等温吸附和体积模型为基础的页岩含气量测井解释模型,并介绍了模型关键参数的测井计算方法。以澳大利亚E r o -m a n g o o l e b u 岩心实验为基础,测井解释为手段,将相关性模型与经验公式结合起来计算关键参数,进行了T o o l e b u 与实验测试结果进行对比分析,证明了含气量解释模型的合理性。结果表明:①基于等温吸附和体积模型的页岩含气量测井解释模型适用于页岩储层,模型中关键参数可以通过实验结果和测井数据的相关性模型或经验公式计算获得;②等温吸附和体积模型解释的含气量与储层实际含气性特征比较吻合,适用性强,尤其是对含气量较低的页岩,误差较小;③相关性模型在不同地区应用,需要根据储层的岩心实验结果和测井数据来不断修正。结论认为,通过测井资料分别计算游离气量、吸附气量是表征页岩含气量的最合理方法。关键词 页岩气 含气量 吸附气 游离气 测井解释 等温吸附 体积模型 T o o l e b u r o m a n g I:1 0 8 7/j .i s s n 0 0 - 0 9 7 6 1 4 6a n g Y i n g 1 , 2 , 3 , L i L e z h o n g 1 , J i a n g S h i x i n 1( 0 0 2 7 , 0 0 8 3 , 0 0 8 3 , A T U R . G A S I N D . V O L U M E 3 4 , I S S U E 1 2 , p p - 5 4 , 1 2 / 2 5 / 2 0 1 4 . ( I S S N 1 0 0 0 - 0 9 7 6 ; I n C h i n e s e )G a s c o n t e n t i s a k e y p a r a m e t e r o f s h a l e r e s e r v o i r s a n d i t s i n t e r p r e t a t i o n i s t h e c o r e o f l o g g i n g e v a l u a t i o n . B a s e d o n a l i t e r a -t u r e r e v i e w a n d a c o m p r e h e n s i v e s t u d y , w e b u i l t a l o g g i n g i n t e r p r e t a t i o n m o d e l o f s h a l e g a s c o n t e n t b y u s i n g t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r ma n d v o l u m e m o d e l a n d d i s c u s s e d t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d s o f t h e k e y p a r a m e t e r s o f t h e m o d e l . A c a s e s t u d y w a s p e r f o r m e d o n t h r e es h a l e g a s w e l l s i n t h e T o o l e b u c S h a l e o f t h e E r o m a n g a B a s i n i n A u s t r a l i a . B a s e d o n c o r e e x p e r i m e n t s , l o g g i n g i n t e r p r e t a t i o n w a s a p -p l i e d t o p r e d i c t t h e g a s c o n t e n t o f t h e T o o l e b u c S h a l e w i t h t h e i n t e g r a t i o n o f t h e c o r r e l a t i v i t y m o d e l a n d e x p e r i m e n t a l f o r m u l a . T h er e s u l t s m a t c h e d w e l l w i t h t h e e x p e r i m e n t a l t e s t r e s u l t s , v e r i f y i n g t h e r a t i o n a l i t y o f t h i s p r e s e n t e d m o d e l . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n sw e r e d r a w n . ( 1 ) T h e g a s c o n t e n t l o g g i n g i n t e r p r e t a t i o n m o d e l b u i l t b a s e d o n t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r m a n d v o l u m e m o d e l i s a p p l i c a b l et o s h a l e r e s e r v o i r s a n d i t s m a j o r p a r a m e t e r s c a n b e o b t a i n e d b y u s e o f t h e c o r r e l a t i v i t y m o d e l b e t w e e n c o r e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n dl o g g i n g d a t a o r e m p i r i c a l f o r m u l a . ( 2 ) T h e g a s c o n t e n t o b t a i n e d b y u s e o f t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r m a n d v o l u m e m o d e l m a t c h e s w e l lw i t h t h e m e a s u r e d v a l u e s e s p e c i a l l y f o r t h e s h a l e w i t h r e l a t i v e l y l o w g a s c o n t e n t . W h e n a p p l i e d i n d i f f e r e n t a r e a s , t h e c o r r e l a t i v i t ym o d e l s h o u l d b e m o d i f i e d a c c o r d i n g t o c o r e e x p e r i m e n t r e s u l t s a n d l o g g i n g d a t a . F i n a l l y , i t i s p o i n t e d o u t t h a t s e p a r a t e c a l c u l a t i o n o ff r e e g a s c o n t e n t a n d a d s o r b e d g a s c o n t e n t v i a l o g g i n g d a t a i s t h e m o s t r a t i o n a l m e t h o d f o r s h a l e g a s c o n t e n t d e s c r i p t i o n s h a l e g a s , g a s c o n t e n t , a d s o r b e d g a s , f r e e g a s , l o g g i n g i n t e r p r e t a t i o n , a d s o r p t i o n i s o t h e r m , v o l u m e m o d e l , T o o l e b u cs h a l e , E r o m a n g a B a s i n·1·第3 4卷第1 2期 地 质 勘 探 含气量是页岩储层评价的关键参数,对页岩含气性评价、储量预测具有重要意义[ 1 - 2 ] 。含气量确定包括现场解吸法、等温吸附法和测井解释法。现场解吸法反映了样品的实际含气量,但受取心方式和提钻时间影响,损失气估算误差较大,等温吸附法获得的是页岩的最大吸附气量,未考虑游离气量部分,与实际含气量有较大差别。通过测井数据结合岩心实验建立含气量的测井解释模型,可以预测页岩的含气量,减少实验成本。 D e c k e 岩实测含气量与有机碳含量(在很好的正线性相关关系,而可以建立体积密度与含气量的计算模型来预测A n t r i 3 ] 。 L e w i 4 ] ,该模型被用在斯伦贝谢公司测井解释软件中。C l u f 用测井解释参数计算了D e l a w a r a r n e t o o d f o r 5 ] 。 U t l e a y e t t e v i l l 6 ] 。目前,对页岩含气量的测井解释方法研究较少,笔者以澳大利亚E r o m a n g o o l e b u 论页岩储层含气量测井解释方法,以供参考。1 研究区块概况本次研究资料来自于位于澳大利亚昆士兰州E r o m a n g E 、 的层为白垩系T o o l e b u 1 ) 。 T o o l e b u r o m a n g a l i l e E r o m a n g 演化成熟度较低。研究收集到3口井测井数据各1套,岩心分析1 8 6项次,其中测井数据使用W e t h e r f o r o m p a c 心分析由W e t h e r f o r o r e L a 1 研究区地理位置和地层发育情况图2 气量计算模型在计算页岩储层原地资源量时通常使用吸附气和游离气之和来表征总含气量[ 7 - 1 2 ] 。北美地区页岩气勘探经验表明,通过吸附气和游离气计算总含气量比解吸实验获得的含气量更能反映页岩的含气性特征。2 1 吸附气量吸附气是页岩气的主要组成部分,占总含气量的2 0 % ~ 8 5 % [ 9 , 1 2 ] ,基于页岩的吸附特征,用L a n g m u i 过等温吸附·2· 天 然 气 工 业 2 0 1 4年1 2月实验获得页岩的L a n g m u i a n g m u i 不同温度、压力和要对各参数进行测井校正[ 4 ] 。 L a n g m u i a n g -m u i l t=3 5 7 6 21 )pl t=1 4 7 9 1 6 2 )式中Vl a n g m u i m 3 / t ;pl a n g m u i M P a ;℃ ;℃ ;a n g m i r m 3 / t ;a n g m u i P a 。l c=Vl s o( 3 )式中Vl a n g m u i m 3 / t ;s 据L a n g m u i 岩吸附气量为:l cp(p+pl t )( 4 )式中m 3 / t ;M P a 。2 2 游离气量游离气量是页岩孔隙空间中的含气量,通过体积模型计算:5 )式中m 3 / t ;m 3 / m 3 ;φg g / c m 3 。根据G R φe =φ吸附态的气体存在会影响游离气的容纳空间,在计算游离气含量时减去吸附气所占的体积空间[ 1 1 ] 。因此游离气实际体积为:ø÷ ( 6 )C= 8×1 0�7 )式中􀮄g / m o l ,甲烷为1 6 ;ρg / c m 3 ,ρs = 0 5 0 - 0 3 3 ,页岩储层一般取0 [ 1 1 ] 。键参数的测井解释方法近年来,随着测井技术的发展,国外几大服务公司形成了各自的特殊测井系列并在页岩储层各种参数的解释中取得了很好的效果。特殊测井数据需要配套的测井设备采集,并且有配套的解释技术,本研究只讨论使用常规测井系列解释关键参数的方法。根据上述含气量计算模型,在计算过程中需要使用的储层参数包括隙度和含气饱和度。2 1 有机碳含量(人对页岩储层1 ) ,大致可以分为3类: ①通过实测②使用声波电阻率法( Δ l 算③使用核磁共振、脉冲中子表1 方法简介代表性研究自然伽马能谱法使用e r t i e k e ( 1 9 8 0 ) , F e r t h i l i n g e r ( 1 9 8 8 ) , G u i d r a l s h ( 1 9 9 3 ) , G R I - 9 5 / 0 4 9 6自然伽马法使用自然伽马与e r t h i l i n g e r ( 1 9 8 8 )体积密度法通过建立体积密度与c h m o k e r ( 1 9 7 9 ) , S c h m o k e e s t e r ( 1 9 8 3 )自然伽马—密度法根据自然伽马和体积密度两者与c h m o k e 1 9 8 1声波—电阻率法利用声波和电阻率的差值与a s s e 1 9 9 0 , 2 0 1 0干酪根体积法利用干酪根体积与有机碳的转换关系计算e w i 2 0 0 4神经网络法使用常规测井系列通过神经网络法预测e z a e 2 0 0 7体积密度—核磁共振—元素测井法通过体积密度和核磁共振计算包含有机质在内的页岩骨架密度,通过元素测井计算不含有机质的页岩骨架密度,利用两者密度差计算a c o b 2 0 0 8脉冲中子—自然伽马能谱法使用脉冲中子测井和自然伽马能谱测井得到各地层元素含量,从而建立最佳矿物模型,多余碳元素分配给干酪根,进一步估算e m p e 2 0 0 9注:本表根据本文参考文献[ 1 6 ]修改·3·第3 4卷第1 2期 地 质 勘 探 等特殊测井计算过实测算精度可以满足勘探要求;声波电阻率法是烃源岩用于页岩是通过该方法计算的殊测井费用较高,多数页岩气探井不进行特殊测井,单针对规测井已经能够满足需要。因此,多数情况下,根据各地区实测的择相关性较好的测井系列与实测算精度基本能够满足勘探的需要,当实验数据增加时,需要对线性模型进行修正。2 2 总孔隙度常规砂岩储层中,当岩性和骨架参数已知时,对于含水的纯地层,利用经过环境校正的密度或中子测井曲线中的任何一种,或者在没有次生孔隙的情况下用声波测井曲线都能确定孔隙度[ 1 3 ] 。计算页岩孔隙度常使用密度曲线,由于页岩中有机质密度较低,且不同层段骨架矿物组成也不同。因此,在使用密度曲线计算页岩孔隙度时必须考虑所有影响体积密度响应的因素。L u f f e 利用岩心实测可动油与干酪根的相关性计算可动油含量,最后根据总烃体积与实测孔隙度的相关性建立了孔隙度计算的线性方程并计算了D e v o n i a 1 4 ] 。 U t l e 机质和流体3种组分[ 1 5 ] ,推导得出页岩总孔隙度计算公式为:φT=ρ C+1æèç öø÷ρl( 8 )S o n d e r g e l 层水、天然气和有机质等组分[ 1 6 ] ,推导出页岩总孔隙度计算公式为:φT=ρ C+1æèç öø÷ρl+ l 1 9 )总之,页岩孔隙度测井解释是以体积密度为基础建立合理的岩石体积模型,通过求解体积模型的方程组得出孔隙度,在建立体积模型时需要注意两点: ①模型的组分不能太多,以保证体积模型方程组有解,常用的组分包括基质、有机质、流体和天然气; ②模型中的组分应该尽量简单,以便确定合理的骨架值。另外,计算过程中通常不使用体积密度计算的然多数情况下使用体积密度计算的实际情况不符。2 3 饱和度页岩储层致密,一般不含水,成熟的页岩以生气为主,含油饱和度较低,可以忽略不计,因此页岩的饱和度通常只计算含气饱和度,只在成熟度较低时考虑含油饱和度。常规砂岩储层通常使用阿尔奇( A r c h i e )公式计算含水饱和度,研究认为阿尔奇公式在页岩储层中也有很好的适用性,其计算结果的准确性取决于针对页岩地层的各个参数取值是否合理[ 1 4 , 1 7 - 2 1 ] 。1 0 )式中Ω · m ;φ为总孔隙度;Ω · m ;岩中m、于泥岩或白垩岩,根据实测孔隙度与地层系数之间的关系,得到0 ,裂缝和条痕的存在会降低胶结指数[ 2 2 - 2 3 ] 。 D e v o n i n m= 1 n= 1 1 7 - 1 8 ] 。 B a r n e t m= 1 n= 2 1 9 ] 。地层水电阻率是阿尔奇公式中最敏感的参数,其准确性直接影响到计算含水饱和度的准确性。页岩孔隙度极低且多为干层,其地层水电阻率可以使用与页岩相邻或相近的砂岩或灰岩地层水电阻率。3 键参数测井解释3 1 有机碳含量(次研究共收集到3口井实测个,对实测果表明R) 、体积密度(、中子孔隙度(0 水平(双侧)上显著相关,其中2 ) 。根据相关性分析结果,分别使用R、时使用3个参数与使用Δ l 2 ) 。对于多元线性回归结果,给定显著性水平α= 0 ,多元回归的样本容量M= 6 5 ,回归方程n= 3 ,因F= 9 9 > (n, ) = ( 3 , 6 1 ) = ,因此多元回归关系成立。使用上述5种方法计算与岩心实测2 ) , 5种方法中,多元线性回归法预测精度最高,其次为次为4· 天 然 气 工 业 2 0 1 4年1 2月表2 不同方法计算0 3 4r= 0 9- 3 4 38 2 4r= - 0 20 8 6r= 0 7多元线性回归- 2 0 90 6 ×0 64 7 1R= 0 1F= 9 9 9Δ l 1 0 9 Δ l r= 0 2图2 l 此,对本研究区来说,多元线性回归法预测预测 2 孔隙度公式( 8 ) 、 ( 9 )两种孔隙度计算模型都适用于页岩储层孔隙度的测井计算[ 1 6 ] ,分别使用两种模型计算T o o l e b u 据岩心实验结果ρT O C = 1 . 0 4 g / c m 3 。由于T o o l e b u 质密度和流体密度可以取灰岩刻度骨架值[ 1 6 , 2 4 ] ,ρm = 2 g / c m 3 ,ρf l = 1 g /c m 3 。研究同时使用地层实际刻度计算孔隙度与石灰岩刻度进行对比,根据岩心实验结果,ρm = 2 g /c m 3 ,ρf l = 0 g / c m 3 。研究共收集到岩心样品实测孔隙度4 7个,平均为1 5 % ,公式( 8 )实际地层刻度计算平均孔隙度为1 7 % ,石灰岩刻度计算平均孔隙度为1 4 % ,公式( 9 )实际地层刻度计算平均孔隙度为1 8 % ,石灰岩刻度计算平均孔隙度为1 5 % 。两种孔隙度模型在两种刻度下计算结果对比分析(图3 ) ,两种模型石灰岩刻度计算结果都比实际地层刻度计算误差小,单就在石灰岩刻度下,公式( 8 )计算结果比公式( 9 )计算结果误差更小,公式( 8 )计算平均总孔隙度与岩心实验平均总孔隙度误差为0 % ,在孔隙度测井预测合理误差范围之内。图3 1 饱和度C a d n a - O w i o o l e b u 1 ) ,根据E r o m a n g E r o m a n g e w a 层中的水均来自地表[ 2 5 ] 。因此C a d n a - O w i o o l e b u 时,由于本区勘探资料较少,缺少m、过估算各参数计算的含水饱和度误差较大,含水饱和度采用下述方法计算。对阿尔奇公式两边取对数,经整理后变成l gφ、l l l a0+a1 l a2 l gφ+a3 l 1 1 )式中为测井解释总孔隙度;Ω · m 。通过3口井2 5个岩心分析含水饱和度值和测井参数进行多元线性回归,结果如下:l 8 l 3 l 7 ( 1 2 )(R= 5 ,F=1 5 )公式( 1 2 )计算含水饱和度结果与岩心分析结果对比, 2 5个点中除3个点相对误差较大之外,多数点相对误差在5 %左右,误差较小(图4 ) 。图4 ·第3 4卷第1 2期 地 质 勘 探 同时,岩心实测含油饱和度( 、含气饱和度(和含水饱和度(表现出很好的相关性,可以通过其相关关系计算含油饱和度和含气饱和度。即 3 9 9 1( 9 9 ) ( 1 3 ) 1 4 )气量计算及误差分析研究对3口井1 8块岩心样品进行了等温吸附实验,实验温度使用各井的平均地层温度,由于等温吸附实验温度和地层温度相差很小,使用公式( 1 ) 、 ( 2 )校正前后结果基本相同。通过对实验结果进行相关性分析发现, L a n g m u i 相关性较低,吸附气量与5 ) 。吸附气量是L a n g m u i 附气量与附气量与a n g -m u i 明通过压力校正后能够提高此,可以根据实测样品的等温吸附结果进行压力校正建立吸附气量的预测模型。使用E x c e l S l o v e 个样品点l 、到最优化条件如下: 1 5 0 7 ( 1 5 ) 7 9 6 5 ( 1 6 )在最优化条件下,使用L a n g m u i 1 8个样品点计算得出的吸附气量平均为0 c m 3 / g ,而样品等温吸附实验计算吸附气量平均为0 c m 3 / g ,最优化条件计算吸附气量均值与等温吸附实验结果相同,说明该最优化条件计算吸附气量误差很小。以据公式( 4 ) 、 ( 1 5 ) 、 ( 1 6 )计算吸附气量,根据公式( 6 ) ~ ( 8 ) 、 ( 1 2 ) ~ ( 1 4 )计算游离气量,1 / 6 1 m 3 / m 3 ,计算结果如表3所示。由于T o o l e b u 类产物中同时存在油和气。因此实验分析和测井解释结果中含水饱和度和含油饱度比成熟页岩高,通过岩心分析结果计算水中溶解气约为0 g / c m 3 ,在计算总含气量时参考行业惯例忽略。测井解释结果与等温吸附实验及解吸实验结果对比(图6 ) ,测井解释含气量随深度变化趋势与等表3 ( m 3 · t - 1 )( m 3 · t - 1 )( m 3 · t - 1 )1 2 % 1 5 9 0 % 4 % 0 0 0 2 4 % 1 4 7 2 % 1 6 % 0 0 0 3 4 % 1 4 5 8 % 2 5 % 0 0 1 4 1 5 % 9 5 9 % 2 4 % 0 1 1 5 6 % 1 5 8 6 % 6 % 0 0 0 6 5 % 1 4 8 4 % 7 % 0 0 0 7 5 % 1 4 8 5 % 7 % 0 0 0 8 6 % 1 3 8 2 % 9 % 0 0 0 9 4 % 1 5 9 0 % 4 % 0 0 0 1 0 2 % 1 6 9 2 % 2 % 0 0 0 1 1 3 % 1 4 6 0 % 2 4 % 0 0 0 1 2 5 % 1 5 8 6 % 6 % 0 0 0 1 3 5 % 1 4 8 6 % 6 % 0 0 0 1 4 5 % 1 4 8 6 % 6 % 0 0 0 1 5 4 % 1 5 9 2 % 2 % 0 0 0 ·6· 天 然 气 工 业 2 0 1 4年1 2月图6 温吸附含气量对比图温吸附实验和解吸实验获得的含气量随深度变化趋势相同,单个点的值比解吸实验值略大,这是因为在取心过程中岩心中部分天然气散失,估算损失气量时存在误差,测井解释含气量本身也存在一定的误差,另外由于T o o l e b u 生气能力可能达不到吸附饱和,造成使用等温吸附模型计算吸附气量比地层实际吸附气量略大;测井解释含气量比等温吸附计算含气量略大,是因为计算含气量除包含吸附气之外,还包含游离气。综上分析,本模型解释的含气量结果基本可信,误差在合理的范围内。4 型在不同成熟度页岩含气量解释中的适用性等温吸附与体积模型相结合计算页岩含气量,从不同相态气体的计算过程来看,游离气的计算本质是通过孔隙中已经存在的天然气电性特征根据体积模型计算,无论是低熟还是成熟的页岩,只要一定量的气体在孔隙中聚集,都能通过孔隙度和含气饱和度等参数计算得出游离气量。吸附气量计算原理是等温吸附理论,计算得到的实际上是页岩储层在地层条件下能够吸附的最大含气量,其假设前提是页岩已经达到能够生成足够天然气的成熟度,由于国内外大多数页岩都属于成熟或者高成熟页岩,生气量可以达到吸附饱和,理论上可以认为实际吸附量等于最大吸附量。因此该模型对成熟或高成熟的页岩适用性很好。对于成熟度较低的页岩,如果生气能力达不到吸附饱和,利用等温吸附计算得到的吸附气量会比储层实际吸附气量大,通过本模型计算的页岩含气量也因此比储层实际含气量大,但是在勘探阶段预测储层原地资源量时误差在合理的范围之内。因此本模型对于成熟度较低的页岩同样适用。同含气量测井解释方法的对比通过建立实测含气量与测井参数之间的线性或非线性模型预测含气量在煤层气井中应用效果较好,前人研究较多[ 2 6 - 3 0 ] ,线性回归法对含气量较低的井误差较高,非线性模型需要建立在区域大量样品实验结果的基础上。煤层含气量主要分布在5 ~ 1 8 m 3 / t ,美国5套开发页岩含气量主要分布在0 ~ 9 m 3 / t ,多数小于3 m 3 / t ,页岩含气量总体远小于煤层,通过线性回归计算结果误差较大; T o o l e b u m 3 / t ,通过实测含气量与测井数据相关性分
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