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页岩气储层矿物组分测井分析方法(值得参考!!!)_图文

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页岩 气储层 矿物 组分 测井 分析 方法 值得 参考 图文
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第 9卷 第 5期2012年 9月CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSVol.9,No.5Sep.,2012文章编号 :1672—7940(2012)05—0607—07 doi:10.3969/j.issn.1672-7940.2012.05.018页岩气储层矿物组分测井分析方法侯颉1,邹长春1,杨玉卿2(1.中国地质大学 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京100083;2.中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部,北京101149)基金项目 :教育部科学技术研究重点项目 (编号 :109035),中央高校基本科研业务费专项资金 (编号 :2011YXL009)联合资助 。作者简介 :侯颉 (1989-),女 ,天津人 ,中国地质大学 (北京 )地球物理与信息技术学院学生 。E-mail:jiejie198907@126.com皱长春 (1969-),男 ,江西万载人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事地球物理测井和岩石物理方面的教学与研究工作 。E-mail:zoucc@cugb.edu.cn摘要 :页岩气藏一般发育在暗色泥页岩 、高碳泥页岩及其间所夹砂质 、粉砂质岩类地层中 ,页岩气储层识别与划分以及矿物组分计算 ,是页岩气储层测井评价中的关键内容 。目前国内外页岩气储层测井评价中 ,一般采用常规测井 、元素俘获能谱测井 (ECS)、自然伽马能谱测井 (NGS)和岩性密度测井等资料来计算页岩的矿物组分 。它们不仅为页岩气储层矿物组分问题的解决提供了有效手段 ,而且对我国页岩气的勘探开发具有一定的借鉴作用 。关键词 :页岩气 ;矿物组分 ;元素俘获测井 ;自然伽马能谱测井 ;岩性密度测井中图分类号 :P631.8文献标识码 :A收稿日期 :2012-05-14Wel Logging Method in the Analysis ofthe Mineralogical Composition of Shale Gas ReservoirsHou Jie1,Zou Changchun1,YangYuqing2(1.KeyLaboratoryofGeo-detection MinistryofEducation,China UniversityofGeosciencesBeijing100083,China;2.Oilfield TechnologyDepartment,China Oilfield Services Limited,Beijing101149,China)Abstract:The shale gas generalydevelops in dark shale,high-carbon shale,the sandyand siltyrock.Distinguishingand dividingthe shale gas reservoirs as wel as calculatingthe mineralogicalcomposition are the committed points of the loggingevaluation of shale gas reservoirs.At thepresent time,the data such as conventional logging,elemental capture spectroscopylogging(ECS),natural gamma-rayspectral logging(NGS)and litho-densitylogginghave been usedoften to calculate the mineralogical composition of shale in the evaluation methodologyof the shalegas reservoirs at home and abroad.These not only provide an efective method for resolving theproblem of the mineralogical composition of the shale gas reservoirs,but also provide a referencefor the exploration and exploitation of shale gas in China.Keywords:shale gas;mineralogical composition;elemental capture spectroscopylogging;natural gamma-rayspectral logging;litho-densitylogging           工程地球物理学报 (ChineseJournal of Engineering Geophysics)第 9卷1 引言页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩及其间所夹砂质 、粉砂质岩类地层中 ,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1~6],其形成和富集有着自身独特的特点 ,往往分布在盆地内厚度较大 、分布较广的页岩烃源岩地层中 。页岩气作为一种重要的非常规天然气资源 ,它的发展是解决能源供应不足的一个有效途径 ,但目前仅美国和加拿大取得了页岩气工业开发的成功 。作为世界上页岩气勘探开发时间最长 、程度最高 、研究工作开展最多的国家 ,美国的页岩气分布广泛 ,主要发育在20个州21个大小不等的盆地里 ,目前商业性开采的页岩气主要产自FortWorth、San Juan、Michigan、Appalachian、Ilinois这5个 盆 地[7]。2011年 美 国 页 岩 气 产 量 已 达1800亿m3,据美国能源信息总署 (EIA)预测 ,2035年美国页岩气产量将接近1700×108 m3,占届时美国天然气总消费量的24%左右[8]。而我国制定的页岩气 “十二五 ”规划主要发展目标有到2015年 :基本完成页岩气资源潜力调查评价 ;在全国重点地区建设19个页岩气勘探开发区 ,页岩气产量达到65亿m3/年 ;突破页岩气勘探开发关键技术 。对页岩气藏发育的泥页岩矿物组分的有效评价是页岩气勘探开发的关键[9],而测井评价技术是页岩气储层评价最为核心的技术之一 。目前 ,在页岩气勘探开发方面 ,国内外采用常规测井技术结合一些特殊测井技术方法 ,在一定程度上解决了页岩储层识别及矿物组分的确定 。斯伦贝谢公司于2004年通过对北美12个页岩气田进行测井解 释 ,建 立 了 包 括 常 规 测 井 、电 阻 率 成 像(FMI)、伽马能谱 (HNGS)以及元素俘获能谱测井 (ECS)在内的页岩气测井系列 。近期 ,斯伦贝谢公司又对我国四川盆地志留系和寒武系页岩气储层进行了专项测井 ,通过常规测井 、元素俘获能谱测井 (ECS)、自然伽马能谱测井 (NGS)和岩性密度测井等资料详细评价了储层矿物组分[10]。本文将介绍多种现有页岩气储层矿物组分的测井分析方法 ,旨在为我国页岩气储层矿物组分的测井评价工作提供依据 。2 页岩矿物组分页岩是由黏土矿物经压实 、脱水 、重结晶作用后形成的 。其矿物组分较复杂 ,除高岭石 、蒙脱石 、伊利石 、绿泥石 、海绿石等黏土矿物以外 ,还混杂石英 、长石 、云母等许多碎屑矿物和铁 、铝 、锰的氧化物 、氢氧化物 ,碳酸盐 、硫酸盐 、硫化物 、硅质矿物及一些磷酸盐等自生矿物 。其中石英含量通常大于50%,且可高达75%,且多呈黏土粒级 ,常以纹层形式出现[11~13]。石英含量越高 ,页岩脆性越强 ,更容易形成天然裂缝和诱导裂缝 ,有利于天然气渗流[14~16]。因此勘探中 ,首要目标是寻找低泊松比 、高弹性模量 、富含有机质的脆性页岩 。根据 国 内 外 钻 探 资 料 ,Fort Worth盆 地Barnett页岩作为美国已成功开发的储量巨大的页岩气藏[17],其泥页岩主要为细粒沉积 ,呈暗色或黑色薄层状产出 ,其石英 、长石和黄铁矿含量为20%!80%(其中石英含量为40%!60%),碳酸盐矿物 含 量 低 于25%,黏土矿物含量通常小于50%[18,19];而我国四川盆地寒武系筇竹寺组和志留系龙马溪组两套页岩各组分平均含量为石英43.4%,黏土矿物37%,长石8.7%(钾长石2.6%,斜长石7%),碳酸盐7.4%(方解石3.6%,白云 石5.4%),黄 铁 矿4.1%,石 膏3.25%等[18~20](图1)。图1 不同地区页岩矿物组分对比三角图 (改自文献18)Fig.1 Contrast of triangular diagram of mineral compositionof shale in different parts(Adapted from literature 18)据研究 ,矿物组分的差异与沉积环境 、沉积模式的不同有密切关系 。北美典型页岩气藏发育于静水缺氧环境 ,属于海相饥饿性盆地沉积 ,有利于有机质的赋存 ,具有较高的有机质质量分数 ,不含或含较少陆源碎屑岩 。我国页岩气储层分为海相 、陆相两种 ,其中海相页岩时代老 、层系多 、构造运动多期复杂 、破坏强度大 、热演化史复杂 、成熟度高 ;陆相页岩时代新 、埋藏深 、成熟度低 、脆性矿物含量低 。而我国四川盆地页岩气藏发育于半封闭性深水还原环境 ,属于海陆过渡相沉积[12~14],806 第 5期侯颉等 :页岩气储层矿物组分测井分析方法其矿物组分中硅质 、钙质等含量较低 ,黏土含量相对较高 。3 测井分析方法页岩的矿物组分分析包括黏土矿物含量和类型 、石英含量和灰质含量的计算 。这些矿物含量与储层孔隙度大小 、储层质量有关 。目前页岩气储层测井评价中往往采用常规测井方法结合元素俘获测井 (ECS)或自然伽马能谱测井 (NGS)的方法计算页岩的矿物含量 。此外 ,光电吸收截面指数 (Pe)也是分析页岩矿物组份 、划分页岩类型的重要参考指标[22,23]。识别非常规天然气所需的常规测井方法主要有 :自然伽马 、井径测井 、中子密度测井 、岩性密度测井 、体积密度测井 、声波时差 、电阻率测井[10]。含气页岩常规测井响应不同于普通页岩 ,具有高自然伽马 、高电阻率 、高声波 、低体积密度和低光电效应等特点[24]。对某含气页岩地层的具体识别 (图2),由于自然伽马为高值 ,判断图中上下层位均以泥质岩为主 ,但上部层位自然伽马值更高 ,推测此处有机质含量较高 ,且某些有机质中含有高放射性物质 ;泥质岩层段中子孔隙度高 、密度孔隙度低 ,而含天然气层段恰恰相反 ,其中子孔隙度低 、密度孔隙度高 ,图中下部两种孔隙度测井值相差较大 ,为典型泥质岩层段 ,而上部差值较小 ,为天然气与泥质岩相互影响造成 ;电阻率测井值为高值 ,一般泥质岩的视电阻率值都较低 ,但在泥岩裂缝含油气层段 ,表现出较高的视电阻率值 ,反映其中油气的富集 。由此可推断 ,此图中上部层位为页岩气储层 ,下部层位为不含气的典型页岩 (传统曲线来自于Syl-van Formation页岩 ,含气页岩曲线来自于Wood-ford页岩 )。利用体积模型原理 ,根据矿物成分分析结果 ,可将含气页岩组分模型简化为以下四类 ,依次为陆源碎屑 (包括石英 、长石和云母 )、碳酸盐 、黏土矿物等三种固相组分 ,以及岩石孔隙 。自然伽马 、地层体积密度 、中子孔隙度等测井值 ,可以看作测井仪器探测范围内岩石单位体积内各组成部分响应物理量的平均值[26,27],从而得到公式 (1)形式的测井响应方程组[28]:图2 根据测井曲线识别含气页岩层 (改自文献25)Fig.2 Identifygas-bearingshale beds basedon wel logs(Adapted from literature 25)γqtz×Cqtz+γc arb×Cc arb+γc lay×Cc lay+γpore×Cpore=γmeaρqtz×Cqtz+ρc arb×Cc arb+ρc lay×Cc lay+ρpore×Cpore=ρmeaΦqtz×Cqtz+Φc arb×Cc arb+Φc lay×Cc lay+Φpore×Cpore=ΦmeaCqtz+Ccarb+Cclay+Cpore=烅烄烆1(1)式中 :γ,ρ,Φ分别代表无铀自然伽玛 、地层体积密度和中子孔隙度测井值 ;下标qtz,carb,clay,pore分别代表陆源碎屑 、碳酸盐 、黏土矿物和孔隙四种地层组分 ;下标mea表示实测值 ;C代表各地层组分的体积分数 ,为待求的未知量 。方程组 (1)有4个方程 ,但待求未知数只有3个 ,是一个超定方程组 ,因此无解析解 。但在给定约束条件下 ,根据最优化算法 ,可得其近似解 。素俘获测井 (ECS)是目前唯一能从岩石组分角度解决岩性识别问题的测井方法 。ECS通过对该技术测量的图谱进行剥谱分析得到Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等多种元素的相对百分含量 ,利906           工程地球物理学报 (ChineseJournal of Engineering Geophysics)第 9卷用氧化物闭合模型和综合处理解释确定岩石中矿物的含量 ,进而对复杂储层的敏感性矿物进行识别[29,34]。目前 ,斯伦贝谢公司基于早年开发的Elan-Plus模块以及之后的SpectroLith模块已基本实现了利用ECS方法对页岩气储层矿物组分进行分析 。其中ElanPlus是斯仑贝谢公司GeoFrame软件平台中用于不同岩性组合的剖面 ,尤其是复杂岩性剖面测井资料的处理和解释的软件模块[35]。而SpectroLith是斯伦贝谢公司基于该公司的Platform Express测井软件平台和ECS测井技术 ,开发的专门处理软件包[25]。该模块结合密度 、中子 、Pe、NGS等测井资料 ,通过随机求解方法可获得包括总黏土 、总碳酸岩 、黄铁矿 、石膏以及Q-F-M(石英+长石+云母 )[36]等物质成分的精确评估 。实际工作中 ,常使用SpectroLith和ElanPlus对比分析 ,得出结论 (图3)。图3中由中子孔隙度和密度孔隙度的差值变化 ,以及ElanPlus可判断下部层位可能为潜在的页岩气储层 。图中显示了ElanPlus的输入参数 (自然伽马 、孔隙度 、Pe和SpectroLith)和输出参数 。油母岩质在含气页岩层位被明显标出 。第三道比较了SpectroLith、ElanPlus所计算等不同岩石密度 。在不含气的典型页岩层段 ,以上二者计算的岩石密度与岩心分析的结果较一致 ;但在含气页岩层段Spectro-Lith计算结果误差较大 。分析其原因为 :Elan-Plus考虑了低密度油母岩质的因素 ,而Spectro-Lith对油母岩质内的元素不敏感[20]。石中的总自然伽马放射性随泥质含量的增加而增加 ,黏土矿物放射性最高 。页岩矿物组分不同 ,各种测井响应值不同 ,其铀 、钍 、钾的含量也不同[37~39]。自然伽马能谱测井资料包括 :地层总自然伽马 (GR),地 层 无 铀 伽 马 (SGR),及 地 层 中 铀(Uran)、钍 (Thor)、钾 (Pota)的含量 (图4)。图4中中段自然伽马 、铀含量均异常高 ,钍铀比较低 ,判断此层段为高有机质含量的含气页岩 。针对页岩气开发利用其测量值可以研究地层特性 、计算泥质含量 、识别高自然伽马放射性储层 、地层黏土矿物归类及含量计算等 。图3 采用ECS判断页岩气潜在储层 (改自文献 [25])Fig.3 Determine the potential shale gas reservoirs with ECS(Adapted from literature[25])016 第 5期侯颉等 :页岩气储层矿物组分测井分析方法图4 Arkoma盆地Woodford页岩层自然伽马能谱测井实例 (改自文献 [34])Fig.4 Instance of NGS of Woodford shale bedsin Arkoma Basin(Adapted from literature[34])以下为黏土矿物归类及含量计算方法 ,可将其推广到页岩气组分含量计算中 :1)图版法 。由于不同种类黏土矿物放射性含量不同 ,尤其是Th/K比值 ,因此应用Th/K确定黏土矿物类型图版 (图5)可定性区分高岭石 、蒙脱石 、伊利石 、云母及海绿石等 。也可以根据Th、K含量在高岭石和伊利石中的差异 ,根据黏土矿物定量计算解释图版 (图6)定量地分析出黏土矿物中高岭石和伊利石的大致含量[38]。2)模型法 。黏土矿物含量的定量解释模型 ,根据模型中的的多元统计关系确定页岩层中的黏土矿物含量 。例如以下模型 :W(K)=K0+K1×W(U)+K2×W(Th)+K3×W(K)W(I)=I0+I1×W(U)+I2×W(Th)+I3×W(K)W(S)=S0+S1×W(U)+S2×W(Th)+S3×W(K)W(C)=C0+C1×W(U)+C2×W(Th)+C3×W(K熿燀)(2)式中 :W(U)、W(Th)、W(K)分别为随深度变化的自然伽马能谱测井的铀 、钍 、钾含量 ;Ki、Ii、Si、Ci(i=0,1,2,3)为待定系数 ,其因分析对象不同而不同[40];W(K)、W(I)、W(S)、W(C)分别为矿图5 Th/K确定黏土矿物类型图版Fig.5 Chart of determiningthe type ofclayminerals with Th/K图6 黏土矿物定量计算解释图版Fig6 Chart of quantitative calculationand interpretation of claymineral物中高岭石 、伊利石 、蒙脱石 、绿泥石的含量 。计算结果为黏土矿物的体积百分数 ,再乘以泥质含量得到相应的绝对含量 ,及质量百分数 。性密度测井岩性密度测井是密度测井的改进和扩展 ,它除了记录岩石密度之外 ,还可测量地层的光电吸收截面指数 (Pe),Pe是描述发生光电效应时物质对伽马光子吸收能力的一个参数 ,它是伽马光子与岩石中一个电子发生的作用平均光电吸收截面 。Pe与原子序数的关系 :Pe=α×Z3.6(3)式中 :"为常数 。由此可见 ,地层岩性不同 ,Z不同 ,则Pe不同 ,Pe对地层岩性很敏感 (3.6次116           工程地球物理学报 (ChineseJournal of Engineering Geophysics)第 9卷方 ),且几乎不受孔隙度 、孔隙流体成分变化的影响 ,因此利用Pe可识别不同岩性 。例如 ,页岩气储集层的Pe为低值 (图3和图4)。但Pe不能用于体积模型 ,于是引入另一参数体积光电吸收截面指数U,U同样能有效地识别岩性 ,且可用于体积模型 。Pe与U的关系为 :Pe=Uρe(4)亦可将体积光电吸收截面指数如无铀自然伽马 、地层体积密度 、中子孔隙度等测井值一样建立页岩组分体积模型方程 ,组成超定方程组 (5):γqtz×Cqtz+γcarb×Ccarb+γclay×Cclay+γpore×Cpore=γmeaρqtz×Cqtz+ρcarb×Ccarb+ρclay×Cclay+ρpore×Cpore=ρmeaΦqtz×Cqtz+Φcarb×Ccarb+Φclay×Cclay+Φpore×Cpore=ΦmeaUqtz×Cqtz+Ucarb×Ccarb+Uclay×Cclay+Upore×Cpore=UmeaCqtz+Ccarb+Cclay+Cpore=烅烄烆1(5)式中 :U为体积光电吸收截面指数 ,其余变量同式 (1)。4 结语1)目前用于分析页岩气储层矿物组分的测井方法有常规测井 、元素俘获能谱测井 (ECS)、自然伽马 能 谱 测 井 (NGS)和 岩 性 密 度 测 井 。尤 其ECS测井目前在国外页岩气勘探开发中对岩石矿物解释具有非常重要的作用 ,加强对其的研究与推广将对我国的页岩气勘探产生很大帮助 。2)实际工作中 ,可利用体积模型 、ElanPlus模块 、SpectroLith模块以及套用黏土矿物评价中的模板法 、模型法对页岩气储层矿物组分进行评价 。3)应结合国外现有成功评价的经验方法 ,针对我国海相 、陆相页岩气的地质特殊性 ,按照 “十二五 ”规划积极探寻适合我国页岩气的储层矿物组分评价方法 。参考文献 :[1]张金川 ,金之钧 ,袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业 ,2004,24(7):15~18.[2]张金川 ,薛会 ,张德明 ,等.页岩气及其成藏机理[J].现代地质 ,2003,17(4):466.[3]Ross D K,Bustin R M.Characterizing the Shale GasResource Potential of Devonian-Mississippian Stratain the Western Canada Sedimentary Basin:Applica-tion of An Integrated Formation Evaluation[J].AAPG 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