鄂尔多斯盆地延长组页岩含气量测井评价

史 鹏，姜呈馥，陈义国，祁攀文，王 晖

(陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西 西安 710075)



鄂尔多斯盆地延长组页岩含气量测井评价

史 鹏，姜呈馥，陈义国，祁攀文，王 晖

(陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西 西安 710075)

以鄂尔多斯盆地甘泉地区三叠系延长组泥页岩为研究对象，通过现场含气量解析及等温吸附实验分别对页岩含气量及页岩吸附能力进行研究。根据TOC、实测含气量、孔隙度及含气饱和度等实验分析数据与测井曲线进行拟合，建立了页岩吸附气含量和游离气含量解释模型。利用改进的ΔlgR法对研究区内延长组页岩TOC进行了计算，并利用多参数法及阿尔奇公式分别预测区内页岩孔隙度和含气饱和度。根据解释模型，对吸附气和游离气含气量分别进行了测井解释。测井解释结果与实测数据相关性较好，证明了解释方法在研究区具有较强的适用性。

页岩气；测井评价；等温吸附；延长组；鄂尔多斯盆地

0 引 言

页岩气资源被认为是常规油气的重要接替，对世界能源格局及天然气市场供应产生了巨大影响。北美地区页岩气的成功开发对世界能源格局及天然气市场供应产生了极大影响。近年来，在政策支持和技术进步的推动下，中国页岩气的勘探和开发取得了突破性的进展[1-2]，其中中国石化涪陵地区以及中国石油长宁—威远地区页岩气已进入商业开发阶段。延长石油集团针对鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组页岩层系开展了一系列工作，取得了陆相页岩气的突破，证明了陆相页岩气具有巨大的资源潜力和良好的勘探前景[3-8]。

含气量是页岩气资源评价和储量计算最重要的参数之一，准确获得页岩储层的含气量是页岩气勘探必不可少的环节。选取鄂尔多斯盆地甘泉地区延长组页岩为研究对象，通过现场含气量解析、等温吸附实验以及其他分析测试手段，对延长组页岩含气量进行了定量分析，并根据测井曲线对各赋存状态含气量解释方法进行了研究，以指导该区页岩气勘探。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是发育在华北克拉通之上的多旋回叠合盆地，晚古生代二叠纪以后发育陆相沉积体系，晚三叠世暖湿气候及湖泊沉积环境为陆相页岩气的形成提供了良好的基础条件。

研究区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡南部甘泉地区，区域构造为一平缓的西倾单斜，地层倾角小于1 °，平均坡降为7～8 m/km，内部构造简单，局部具有差异压实形成的低幅度鼻状隆起。研究区地层自上古生界以来发育齐全，中生界发育三叠系刘家沟组、和尚沟组、纸坊组和延长组地层。根据标志层和沉积旋回将延长组自上而下划分为10个油层组。该区主要烃源岩的页岩层系发育于长9和长7。长9顶部和长7中下部主要发育深湖—半深湖相黑色页岩，即李家畔页岩和张家滩页岩。这2套页岩在盆地内稳定分布，是重要的区域标志层。

延长组长7和长9富有机质页岩单层厚度大，分布面积广，有机质丰度高，热演化程度适中，埋藏相对较浅，具有很强的生烃能力，是鄂尔多斯盆地中生界陆相页岩气勘探的有利层位[3-6]。鄂尔多斯盆地延长组页岩气的赋存形式具有多样性，以游离态、吸附态及溶解态3种形式存在。

2 延长组页岩含气量分析

2.1 现场含气量解析

现场解析方法是判断泥页岩含气性的一种重要手段。基本操作流程是：利用钻井取心工具从地层中钻取岩心并提钻到地面，迅速将解析样品密封在解析罐中，利用解析仪测定解析气量。现场解析结束后，利用球磨仪测定岩心中的残余气量。利用解析曲线拟合估算取心过程中逸散的损失气量。将解析气量、残余气量和损失气量相加便可获得页岩总含气量[9-12]。

研究区共有20多口井300余块样品进行了延长组页岩含气量解析。解析结果显示，长7页岩解析气含量为0.23～2.24 cm3/g，最大可达3.05 cm3/g，平均含量约为1.44 cm3/g。

残余气是在现场解析结束后，在实验室用球磨仪将岩样粉碎，从而获取页岩中相应的残余气量。从分析结果可知，研究区残余气含量为0.15～0.60 cm3/g，平均含量约为0.32 cm3/g。

损失气是指取心时从钻遇页岩样品到岩样密封于解析罐这一时间段内逸散的页岩气。此次损失气量的恢复方法是采用USBM直线法。根据扩散模拟原理，在解析作用初期，解析的总气量随时间的平方根呈线性变化。因此，将最初几个小时解析作用的读数外推至计时起点，运用直线拟合可以计算出损失气量，除以岩心质量即为样品的损失气含量：

(1)

式中：Vs为解析气体积，cm3；V0(取绝对值)为损失气体积，cm3；k为直线段斜率；t0为散失时间，min；t为实测解析时间，min。

USBM直线法确定的散失时间通常用提钻时间的一半加上在地面岩心装入解析罐之前的处理时间，因损失气量恢复受现场取心时间、解析设备、损失气拟合算法及岩心自身非均质性等多种因素影响，不同样品恢复的损失气量含量差异较大。经过曲线拟合分析，研究区损失气含量为0.40～1.55 cm3/g。

将直接解析气量、损失气量及残余气量相加即得总含气量数据，长7样品总含气量为1.82～3.54 cm3/g，平均约为2.23 cm3/g(表1)。

表1 延长组页岩现场解析含气量数据

2.2 等温吸附实验

吸附气是指吸附于有机质和黏土矿物表面的天然气，以有机质吸附为主，伊利石等黏土矿物也有一定的吸附能力。一般认为，多数泥页岩对甲烷的吸附为单分子层吸附，可以用Langmuir吸附等温方程进行描述。理想状态下的Langmuir等温吸附线在较高的压力条件下甲烷吸附量表现为缓慢增加。因此，可通过分析页岩的甲烷等温吸附曲线特征来了解页岩的吸附能力。页岩气勘探实践表明，页岩吸附气基本符合Langmuir等温吸附方程：

V=VLp/(pL+p)

(2)

式中：V表示页岩吸附气含量，cm3/g；VL为Langmuir体积常数，cm3/g；pL为Langmuir压力常数，MPa；p为气体压力，MPa。

VL描述的是一定温度下页岩能吸附气体的饱和含量。pL描述的是吸附气量等于1/2 Langmuir体积时所对应的压力。获得兰氏体积和兰氏压力后，便可根据样品所在地层压力得出相应的甲烷吸附能力。

对研究区21口井56块延长组页岩开展等温吸附实验。实验结果发现，页岩最大吸附能力为3.42 cm3/g，最小为0.51 cm3/g，主要为1.20～2.85 cm3/g，平均为1.74 cm3/g(图1)。

图1 部分井延长组页岩样品等温吸附曲线

3 页岩含气量测井评价

3.1 吸附气含量测井解释

前人研究表明，有机碳具有多微孔的特征，为吸附态页岩气的主要载体。随着微孔数量的增加，有机质表面积也随之增大，为吸附气提供了更多的吸附条件，页岩吸附能力和有机碳含量具有较好的正相关性[13-15]。

此次吸附气含量测井解释主要流程是：利用页岩段实测有机碳含量和等温吸附实验获取的吸附气含量建立二者相互关系，根据测井曲线解释出TOC含量，进而获得吸附气含量。本次研究工作基于大量分析测试数据，并结合前人成果认识，利用等温吸附数据及实测TOC数据建立的页岩吸附能力与TOC关系式见公式(3)，拟合结果如图2所示。

图2 延长组页岩TOC与吸附气相关性

(3)

式中：Cx为吸附气含量，cm3/g；TOC为有机碳含量，%。

因实测TOC样品数量有限，为获取TOC含量在单井页岩段纵向连续分布特征，结合有机地球化学实测资料，利用埃克森建立的基于测井数据的TOC计算模型(ΔlgR法)开展TOC含量研究，具体计算方法详见公式(4)、(5)。

TOC=102.297-0.1688LOMΔlgR+ΔTOC

(4)

(5)

式中：LOM为热变指数，反映有机质成熟度，%；ΔTOC为有机碳含量背景值；R为电阻率，Ω·m；R基线为非烃源岩段对应的电阻率测井值，Ω·m；Δt为声波时差，μs/m；Δt基线为非烃源岩段对应的声波时差，μs/m；K为叠合系数。

基于该方法完成研究区页岩气井TOC计算工作。其中长7页岩TOC含量为2.10%～8.20%，平均为5.30%。通过Y2井TOC计算值与实测数据对比发现，两者具有较好的一致性(图3)。

采用TOC回归法对Y2井长7页岩吸附气含量进行了测井解释，解释的吸附气量最小值为0.51 cm3/g，最大值为2.46 cm3/g，平均值为1.53 cm3/g(图3)。

3.2 游离气含量测井解释

游离气含量主要影响因素为孔隙度和含气饱和度，研究区延长组页岩中砂质纹层发育的部位物性较好，游离气含量相对较高。测井解释游离气含量目前主要是通过岩石物理实验，在确定相关参数的基础上，计算出孔隙度和含气饱和度，进而预测游离气含量[16-22]。游离气计算公式如下：

(6)

式中：Cy为游离气含气量，cm3/g；φg为有效孔隙度，%；Sg为含气饱和度，%；ρ为页岩密度，cm3/g；Bg为天然气体积系数。

3.2.1 页岩孔隙度

孔隙度是影响游离气含气量的主要影响因素之一。延长组页岩样品分析结果显示，长7孔隙度为0.20%～5.16%，平均为2.35%。利用实测孔隙度资料，对应分析三孔隙度以及泥质指示曲线对其响应的敏感性，从而根据声波时差、密度、中子及自然伽马测井与孔隙度相关关系，建立长7页岩孔隙度测井解释模型。页岩孔隙度计算公式为：

φ=0.017AC+5.048DEN+0.138CNL+0.033ΔGR-20.378，R2=0.886

(7)

式中：φ为岩心分析孔隙度，%；AC为声波时差，μs/m；DEN为密度，g/cm3；CNL为中子孔隙度，%；ΔGR为自然伽马相对值(页岩段伽马值减去普通稳定泥岩段平均伽马值)，API；R为相关系数。

对长7泥页岩的岩心分析孔隙度和计算孔隙度进行对比，其误差范围均属于测井精度要求的范围。对研究区内页岩气井进行了长7页岩孔隙度解释，其孔隙度为0.11%～4.78%，平均为2.42%。

图3 Y2井长7页岩含气量测井解释

3.2.2 页岩含气饱和度

含气饱和度是游离气含气量计算中的另一个重要参数，直接获取方式是通过保压密闭取心进行分析测试。保压密闭取心技术是取得储层完整岩心并保持本来流体状态的一种有效方法。通过该方式取得的岩心可准确求得井底条件下储层流体饱和度、含气性及物性等数据。

从研究区内保压密闭取心样品的饱和度分析结果看，85块样品含水饱和度平均为39.9%；含油饱和度平均为0.7%；含气饱和度平均为59.4%。因含油饱和度极小，此次研究忽略含油饱和度，根据阿尔奇公式计算出含水饱和度后，可近似得到含气饱和度。

根据孔隙度和含气饱和度解释结果，利用式(6)对鄂尔多斯盆地延长组Y2井进行游离气含气量解释，根据解释结果，长7页岩游离气含量为0.22～1.04 cm3/g，平均约为0.62 cm3/g(图3)。

3.3 总含气量测井解释

页岩总含气量包括游离气含量、吸附气含量及溶解气含量。因溶解气含量极小，此次研究通过测井解释的吸附气含量及游离气含量之和，可近似得到总含气量。根据测井解释成果，Y2井总含气量为1.24～3.12 cm3/g(图3)，平均约为2.16 cm3/g。与现场解析测试含气量(未含损失气量)对比，趋势上有较好的对应关系。通过建立测井解释模型对研究区其他井进行了含气量解释，并与表1中通过现场解析获得的总含气量相比，总体比较接近，证明所采用的方法在鄂尔多斯盆地南部延长组页岩含气量测井解释中适用性较好。

4 结 论

(1) 现场解析法是目前获取页岩含气量的一种手段，分别获取直接解析气量、残余气并根据解析曲线拟合损失气量可得到页岩总含气量。通过现场解析法获取的甘泉地区延长组页岩含气量约1.82～3.54 cm3/g。

(2) 利用声波时差和电阻率曲线对TOC进行测井解释，并利用TOC拟合法对延长组页岩吸附气含气量进行计算，解释结果与等温吸附实验结果相关度较高。

(3) 根据页岩测井解释孔隙度和含气饱和度对延长组页岩游离气含量进行测井解释，并综合吸附气含气量解释结果得到总含气量。与现场解析总含气量进行对比分析，二者结果相近，证明了测井解释方法的可行性。

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编辑 林树龙

20151111；改回日期：20160105

陕西省科技统筹创新工程计划项目“延长石油陆相页岩气成藏机理及资源潜力评价”(2012KTZB03-03-01-01)

史鹏(1984-)，男，工程师，2007年毕业于中国石油大学(华东)勘查技术与工程专业，2010年毕业于该校地质学专业，获硕士学位，现从事非常规油气勘探工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.014

TE122.1

A

1006-6535(2016)03-0061-05