鐘光海等：頁巖氣儲層品質(zhì)測井綜合評價(jià)
刊出時(shí)間:2020-03-13
作者簡介：鐘光海，1982 年生，高級工程師，碩士；主要從事頁巖氣測井資料處理及綜合解釋工作。地址：（610041）四川省成都市成華區(qū)建設(shè)北路一段83 號。ORCID: 0000-0001-6555-829X。
E-mail: zgh_kty@petrochina.com.cn
鐘光海1,2 陳麗清1 廖茂杰1
王廣耀1 楊 楊1 高 翔1
1. 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院
2. 頁巖氣評價(jià)與開采四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘 要：頁巖氣儲層品質(zhì)對壓裂改造至關(guān)重要，直接影響到試油層位的優(yōu)選和壓裂施工的效果，進(jìn)而影響頁巖氣產(chǎn)能的高低。為此，針對四川盆地南部地區(qū)海相頁巖儲層開展綜合評價(jià)研究：首先，通過巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測井曲線相關(guān)性分析，優(yōu)選鈾含量、密度計(jì)算有機(jī)碳含量，優(yōu)選聲波、密度、鈾含量計(jì)算儲層孔隙度和有機(jī)孔隙度，建立多參數(shù)計(jì)算頁巖儲層參數(shù)模型，參數(shù)精度高；其次，利用頁巖氣水平井單段測試產(chǎn)量與儲層參數(shù)開展主成分方法分析，優(yōu)選頁巖孔隙度、有機(jī)碳含量、脆性指數(shù)、總含氣量，建立頁巖氣水平井儲層品質(zhì)綜合評價(jià)模型，形成了頁巖氣水平井儲層品質(zhì)測井綜合評價(jià)方法，評價(jià)結(jié)果與生產(chǎn)測井測試成果有著較好的對應(yīng)性。研究結(jié)果表明：①聲波能較好地表征無機(jī)孔隙度，鈾含量能較好地表征頁巖有機(jī)孔隙度；②水平井靶體應(yīng)盡量控制在頁巖儲層品質(zhì)好、脆性礦物含量高、脆性指數(shù)高的小層內(nèi)，易于被壓裂，形成的壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜，測試產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)大。結(jié)論認(rèn)為，頁巖氣水平井儲層品質(zhì)測井評價(jià)方法對水平井儲層品質(zhì)級別具有較好的指示性，為現(xiàn)場水平井靶體優(yōu)化和優(yōu)質(zhì)頁巖儲層壓裂分段優(yōu)選提供了技術(shù)支撐，可以有效地指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：四川盆地；海相頁巖氣；水平井；儲集層品質(zhì)；有機(jī)孔隙度；有機(jī)碳含量；總含氣量；脆性指數(shù)
0 引言
水平井水力壓裂開采是目前頁巖氣開發(fā)中采用的主要技術(shù)，頁巖儲層品質(zhì)對壓裂改造至關(guān)重要，直接影響到試油層位的優(yōu)選和壓裂施工的效果，進(jìn)而影響頁巖儲層產(chǎn)能的高低。影響頁巖氣水平井產(chǎn)氣量的因素較多，主要包括地質(zhì)、工程等因素，因而建立一套現(xiàn)場簡易適用性好的頁巖氣儲層品質(zhì)評價(jià)方法是目前頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)場的迫切需求，具有非常重要的實(shí)際意義。為此筆者以四川盆地南部國家級頁巖氣示范區(qū)已開展產(chǎn)能測試的30 余口水平井資料為基礎(chǔ)，以頁巖氣儲層參數(shù)測井精細(xì)評價(jià)為切入點(diǎn)，結(jié)合該區(qū)水平井的產(chǎn)能測試數(shù)據(jù)，開展頁巖氣儲層地質(zhì)、工程的靜態(tài)因素綜合分析，確定影響產(chǎn)能的主要因素，建立頁巖氣水平井儲層品質(zhì)評價(jià)模型，以期為綜合評價(jià)頁巖氣儲層分類、優(yōu)化水平井靶體、優(yōu)選頁巖氣試油層段提供技術(shù)支撐，為頁巖氣效益開發(fā)提供技術(shù)保障。1 頁巖儲層關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法
頁巖儲層參數(shù)計(jì)算方法較多，筆者從巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)入手，與測井曲線進(jìn)行相關(guān)分析，通過實(shí)驗(yàn)與理論的結(jié)合，優(yōu)選與巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性較好的測井曲線，尋找參數(shù)計(jì)算的實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)，尤其是頁巖有機(jī)碳含量和頁巖孔隙度數(shù)據(jù)的計(jì)算。頁巖含氣量計(jì)算方法[1] 和脆性指數(shù)計(jì)算方法[2] 已公開發(fā)表，可參考相關(guān)文獻(xiàn)，此不贅述。1.1 有機(jī)碳含量
通過研究分析，由于富有機(jī)質(zhì)頁巖吸附了大量的鈾元素，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)頁巖段具有異常高的放射性，即高自然伽馬[3]。且有機(jī)質(zhì)干酪根的密度是較低的，當(dāng)含有機(jī)質(zhì)含量升高時(shí)，密度測井也能較好反映。針對川南地區(qū)海相頁巖氣儲層，本次研究發(fā)現(xiàn)鈾含量與巖心總有機(jī)碳含量具有正相關(guān)關(guān)系（圖1），而密度與巖心總有機(jī)碳含量具有負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2）。因此，利用多曲線擬合得到有機(jī)碳含量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算式為：
從圖3 中可以看出，利用鈾含量計(jì)算的TOC 與巖心TOC 在一定層段對應(yīng)性較差，而用鈾—密度法計(jì)算的TOC 與巖心TOC 具有較好的一致性。因此，優(yōu)選鈾—密度方法來計(jì)算海相頁巖的有機(jī)碳含量。
圖3 A1 井鈾—密度法與鈾含量計(jì)算頁巖TOC 成果圖對比圖
1.2 頁巖孔隙度
1.2.1 頁巖有機(jī)孔隙度
針對頁巖儲層巖心孔隙結(jié)構(gòu)識別的研究[4-6]，在綜合采用氬離子拋光、場發(fā)射掃描電鏡與能譜儀識別無機(jī)孔、有機(jī)孔的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)有機(jī)孔與無機(jī)孔的面孔率，最終確定有機(jī)孔所占比例。根據(jù)頁巖孔隙度巖心實(shí)驗(yàn)分析成果，得到每塊巖心的有機(jī)孔隙度，與測井曲線相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)頁巖有機(jī)孔隙度與鈾含量具有良好的相關(guān)性（圖4）。因此，表明鈾含量能夠較好地表征有機(jī)孔隙度，進(jìn)而由圖4 擬合得到頁巖有機(jī)孔隙度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/span>
圖4 頁巖巖心有機(jī)孔隙度與鈾含量關(guān)系圖
1.2.2 頁巖孔隙度
頁巖儲層孔隙度與巖石測井值具有一定的相關(guān)性[7-8]，因而可利用巖心孔隙度直接刻度測井曲線，建立孔隙度測井評價(jià)模型用于頁巖氣儲層孔隙度的計(jì)算。通過實(shí)驗(yàn)表明，鈾含量能較好表征有機(jī)孔隙度，再利用工區(qū)內(nèi)多口評價(jià)井開展測井曲線與巖心孔隙度相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)聲波、密度、鈾與巖心孔隙度具有較好相關(guān)性，而中子相關(guān)性較差。因此，優(yōu)選聲波、密度、鈾含量并結(jié)合巖心孔隙度，建立川南地區(qū)頁巖儲層孔隙度測井精細(xì)計(jì)算模型為：
在孔隙度驗(yàn)證中，采用取心段較長，歸位后連續(xù)性較好的巖心孔隙度與測井計(jì)算孔隙度進(jìn)行對比分析。如圖5 計(jì)算結(jié)果對比分析，利用聲波曲線計(jì)算的無機(jī)孔隙度與巖心孔隙度在2 480 ～ 2 505 m 區(qū)域內(nèi)其一致性較好，但是在優(yōu)質(zhì)頁巖段2 505 ～ 2 522m 與巖心孔隙度對應(yīng)性較差，該段優(yōu)質(zhì)頁巖富含有機(jī)質(zhì)，有機(jī)孔也相對較發(fā)育。由此說明，聲波基本不能反映有機(jī)孔，而鈾含量能較好地反映。因此，綜合利用聲波、密度、鈾含量計(jì)算的孔隙度與巖心孔隙度具有較好的一致性，該評價(jià)方法綜合考慮了頁巖儲層的無機(jī)孔和有機(jī)孔，能較精確評價(jià)頁巖儲層孔隙度，進(jìn)一步表明聲波能夠較好表征無機(jī)孔隙度，鈾含量能較好表征有機(jī)孔隙度。
圖5 B1 井不同方法計(jì)算孔隙度與巖心孔隙度對比圖
2 頁巖儲層品質(zhì)評價(jià)方法
2.1 影響產(chǎn)能的主要因素分析
由于影響儲層改造效果的因素眾多[9-10]，如何找出最主要的影響因素是一個(gè)非常困難的事情，研究采用主成分分析[11] 的數(shù)學(xué)方法量化分析這些因素，把原來各個(gè)指標(biāo)化為可數(shù)的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)的方法，可以達(dá)到數(shù)據(jù)簡化、揭示變量之間的關(guān)系和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類解釋的目的。通過主成分分析，由相關(guān)系數(shù)矩陣可計(jì)算得到特征值，因?yàn)樘卣髦凳潜硎局鞒煞钟绊懥Χ却笮〉闹笜?biāo)。因此，主成分提取原則，為主成分對應(yīng)的特征值大于1 的主成分，如果特征值小于1，則影響力度較小，可不考慮其影響。以川南國家級頁巖氣示范區(qū)已開展產(chǎn)能測試的30 余口水平井資料為基礎(chǔ)，利用形成的頁巖儲層參數(shù)測井評價(jià)方法，對頁巖氣水平井儲層進(jìn)行精細(xì)評價(jià)，得到較為可靠的水平井儲層參數(shù)，結(jié)合頁巖氣水平井單段的平均產(chǎn)能測試成果，利用主成分分析方法，開展頁巖氣水平井產(chǎn)能的地質(zhì)、工程靜態(tài)參數(shù)的主要影響因素分析。得到頁巖氣水平井儲層參數(shù)主成分的特征值及貢獻(xiàn)率和主要因素權(quán)重分布表（表1），前4個(gè)主成分特征值大于1，依次提取前4 個(gè)主成分。對應(yīng)的主要因素權(quán)重分布，可看出各因素在主成分的權(quán)重絕對的大小，第1 主成分為權(quán)重較大的為有機(jī)碳含量；第2 主成分為儲層孔隙度占權(quán)重較大；第3主成分為巖石脆性指數(shù)占權(quán)重較大；第4 主成分為總含氣量占權(quán)重最大。表1 頁巖氣水平井儲層參數(shù)主成分及貢獻(xiàn)率表和
主要因素權(quán)重分布表
綜上分析，通過主成分分析方法確定了頁巖氣水平儲層產(chǎn)能的主要影響因素[12]，分別為有機(jī)碳含量、孔隙度、脆性指數(shù)、總含氣量。
2.2 建立頁巖氣儲層品質(zhì)評價(jià)模型
將優(yōu)選的試油段的頁巖氣儲層參數(shù)作為分類樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過分類判別，得到頁巖氣儲層品質(zhì)評價(jià)模型。根據(jù)頁巖氣水平井單段產(chǎn)能劃分表（表2），優(yōu)選Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類頁巖氣層的儲層參數(shù)，包括有機(jī)碳含量、孔隙度、脆性指數(shù)、總含氣量，通過分類判別綜合分析得到了儲層品質(zhì)評價(jià)模型為：
表2 頁巖氣水平井儲層品質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)表
根據(jù)頁巖儲層品質(zhì)模型實(shí)際評價(jià)成果，結(jié)合區(qū)域試油成果，得到了頁巖儲層品質(zhì)類型圖版（圖6）和頁巖氣水平井儲層品質(zhì)分類劃分標(biāo)準(zhǔn)（表2）。
圖6 頁巖水平井儲層產(chǎn)能級別與儲層品質(zhì)類型劃分圖版
3 頁巖氣水平井儲層品質(zhì)綜合分析
利用形成的頁巖氣儲層關(guān)鍵參數(shù)的測井評價(jià)方法，計(jì)算頁巖氣水平井B1-1 井儲層參數(shù)（圖7），第7 道為頁巖氣水平井的儲層孔隙度，第8 道為脆性指數(shù)，第9 道為有機(jī)碳含量，第10 道為含氣量，進(jìn)一步利用儲層品質(zhì)模型評價(jià)該水平井頁巖儲層品質(zhì)（第11 道）；進(jìn)一步根據(jù)儲層參數(shù)及儲層品質(zhì)，開展頁巖氣水平井儲層綜合解釋（第15 道），填充“紅色”為Ⅰ類頁巖氣層，“黃色”為Ⅱ類頁巖氣層，“橙色”為Ⅲ類頁巖氣層，“灰色”為非頁巖儲層，非儲層基本為寶塔組石灰?guī)r（圖7）。
圖7 B1-1 井頁巖氣水平井儲層品質(zhì)綜合評價(jià)圖
根據(jù)第1 道自然伽馬曲線、第2 道三孔隙度曲線和第3 道電阻率曲線，綜合對比分析，劃分了該井鉆遇小層（第5 道）。綜合利用鉆遇小層、頁巖氣水平井儲層品質(zhì)、生產(chǎn)測井（第13 ～ 14 道）分析，發(fā)現(xiàn)測試產(chǎn)量高段（試油段為第9、12、13、17 段）位于儲層品質(zhì)均為Ⅰ類頁巖氣層段，表明所形成的頁巖氣水平井儲層品質(zhì)測井評價(jià)方法能較好地指示儲層品質(zhì)級別。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)測試產(chǎn)能高段主要位于第2 小層，結(jié)合巖性礦物剖面和脆性指數(shù)，第2 小層黏土含量低、脆性礦物含量高、脆性指數(shù)高，表明該小層易壓裂，形成的壓裂縫網(wǎng)相對復(fù)雜[13-16]，測試產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)大。因此，通過綜合分析第2 小層即壓裂和鉆井的工程“甜點(diǎn)”[17]，也為地質(zhì)“甜點(diǎn)”中心，是壓裂施工能夠兼顧上下地質(zhì)“甜點(diǎn)”的儲層。4 結(jié)論及啟示
通過對川南海相頁巖儲層參數(shù)計(jì)算方法和儲層品質(zhì)測井評價(jià)方法研究，形成了頁巖氣儲層參數(shù)及儲層品質(zhì)的測井評價(jià)方法，得到以下結(jié)論及啟示。1）通過實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，發(fā)現(xiàn)鈾含量、密度與頁巖有機(jī)碳含量相關(guān)性較好；聲波、密度、鈾含量與頁巖孔隙度相關(guān)性較好，能夠較好評價(jià)頁巖儲層無機(jī)孔和有機(jī)孔，建立了多參數(shù)計(jì)算模型，提高了參數(shù)計(jì)算精度。2）利用主成分方法分析，明確了影響頁巖氣水平井產(chǎn)量的靜態(tài)參數(shù)主要為有機(jī)碳含量、儲層孔隙度、脆性指數(shù)、總含氣量，形成的基于產(chǎn)能的頁巖氣儲層品質(zhì)測井綜合評價(jià)方法，能夠較好地指示頁巖氣水平井儲層品質(zhì)級別。3）通過綜合分析，表明頁巖氣水平井靶體應(yīng)盡量控制在頁巖儲層品質(zhì)好的脆性礦物含量高、脆性指數(shù)高的小層內(nèi)，易壓裂，壓裂縫網(wǎng)復(fù)雜，測試產(chǎn)氣量貢獻(xiàn)大。形成的頁巖氣儲層品質(zhì)評價(jià)方法能夠?yàn)楝F(xiàn)場水平井靶體優(yōu)化和壓裂分段優(yōu)化提供技術(shù)支撐，有效指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)開發(fā)實(shí)踐。參考文獻(xiàn)請點(diǎn)擊下方“閱讀原文”查看
編 輯 韓曉渝
論文原載于《天然氣工業(yè)》2020年第2期
基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范工程——頁巖氣地質(zhì)評價(jià)及開發(fā)優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號：2016ZX05062002）、四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目“四川盆地及邊緣古生代海相頁巖氣資源潛力評價(jià)”（編號：18ZDYF0884）。
