井研-犍为地区筇竹寺组页岩储层含气性测井评价

钟文俊,熊亮,程洪亮,黄璞,黎鸿

(中国石化西南油气分公司勘探开发研究院,四川成都610041)

0 引 言

页岩气通常以游离状态赋存于孔隙和裂缝之中,以吸附态吸附于有机质或黏土矿物表面,还有少量气体溶解于干酪根和沥青中。由于溶解气很少,页岩总含气量主要是吸附气和游离气的总和[1-2]。目前页岩含气量评价方法有钻前地震解释、测录井解释、现场解析、实验分析计算、地质分析以及生产测试这6种方法[3]。

前人针对龙马溪组页岩储层含气量的测井评价方法已经开展诸多研究,取得了成果和认识[4-9]。井研-犍为地区(简称研究区)筇竹寺组受沉积环境影响,与龙马溪组在岩性和测井响应特征等方面明显不同。研究区筇竹寺组发育黑色页岩和粉砂质页岩这2种类型的页岩储层,储层含气性影响因素尚不明确[10]。尤其研究区X1井的筇竹寺组上部黑色页岩经水平井开采后,试采效果不佳,勘探目标待确定。近年研究区内的一批钻井显示,筇竹寺组中部粉砂质页岩段含气性活跃,该类型储层的含气性状况,以及勘探潜力和开采价值,对区块勘探目标的纵向优选至关重要。

本文基于岩心刻度测井,以岩心描述和实验分析数据资料为依据,建立测井信息与地质信息的关系式,获取含气性相关参数,运用回归分析等方法,较为精确地定量计算吸附气、游离气和总含气量,建立适用于研究区粉砂质页岩储层含气性识别和含气性定量评价方法。

1 地质概况

井研-犍为地区位于四川省乐山市、自贡市,构造主体处于川西南坳陷西北部、威远构造西南部,筇竹寺组埋深3 400～4 000 m。受桐湾运动Ⅲ幕和兴凯运动共同作用,形成绵阳-长宁拉张槽相区,井研-犍为位于拉张槽西侧缓坡[11-13],黑色页岩厚1.5～15.5 m。

通过前期研究,研究区筇竹寺组纵向上划分为2段共11层、2种沉积亚相和5种微相、6类岩相。拉张槽型深水陆棚相带筇竹寺组发育3套黑色页岩(①、⑤、⑨号层),热演化程度较高,镜质体反射率(有机质成熟度)为1.77%～2.82%,平均为2.36%,有机质类型为Ⅰ～Ⅱ1型,单层厚度薄、平面展布不稳定,具有演化程度高、总有机碳含量较高、孔隙度较高(平均2.1%)、含气量高的特征。②～④、⑥～⑧、⑩～号层为半深水陆棚亚相,发育含泥粉砂岩、砂质泥岩、粉砂质页岩、含粉砂泥页岩等岩性。砂泥质半深水陆棚深灰色粉砂质页岩为有利沉积微相,主要发育在⑥～⑧号层,具有连续厚度大(85～105 m)、气测显示好、孔隙度高(平均2.3%)、脆性矿物含量高(平均75%)的特征,储集空间以无机孔为主。岩心压汞曲线与低温氮气吸附法联测结果显示,岩心孔隙度最优层段的孔径分布在2～10 nm、50～200 nm这2个峰值区间,黏土矿物层间孔为主要储集空间,发育中孔隙、大孔隙,储集性能较好,但渗透率整体较低,主要分布在0.001～0.100 mD(1)非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同。

2 储层含气性测井定量评价

2.1 含气储层段特征

根据研究区岩性、录井显示、气测全烃、现场解析气、总有机碳含量(TOC)的变化,结合自然伽马、声波时差、中子、密度、深浅双侧向等常规测井,以及自然伽马能谱特征,划分页岩气显示层段(见图1)。其中,①、⑤、⑨号层黑色页岩具有高自然伽马、高铀、高中子、高声波时差、钍铀比小于2、中-低密度、双侧向电阻率呈中低值的特征。自然伽马与无铀伽马曲线叠合区面积越大,表明有机质含量越高。

筇二段⑥、⑦、⑧号层粉砂质页岩整体具有中等自然伽马、低铀、中低钍铀比、低中子、中-低密度、双侧向电阻率呈中等值特征,局部声波时差呈现相对增高变化,中子、密度曲线“挖掘效应”明显,具有较好的含气特征。

实钻井揭示筇竹寺组页岩段及粉砂质页岩段气显示较活跃,含气性较好。气测全烃显示,⑥～⑧号层油气显示最为活跃(见图1)。现场岩心解析总含气量主要分布区间小于2.00 m3/t。其中①、⑨号层黑色页岩平均含气量约为2.00 m3/t,⑥～⑧号层粉砂质页岩段含气量次之,平均含气量为0.81 m3/t。

图1 井研-犍为地区X1井筇竹寺组测井响应图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2.2 关键参数计算

2.2.1TOC含量计算

研究区岩心的TOC含量与测井曲线关系见图2。对于黑色泥页岩,TOC含量与自然伽马、铀、铀钾比、补偿密度呈正相关关系[见图2(a)]。对于粉砂质页岩段,TOC含量与岩心黏土矿物含量有一定正相关性,与测井曲线相关性差[见图2(b)]。

图2 筇竹寺组岩心TOC含量与矿物、测井曲线交会图

选取TOC含量敏感测井曲线信息,建立了多元统计模型。利用常规测井数据计算的黑色页岩总有机碳含量TOC1为

TOC1=

5.71+0.013GR-2.503DEN-0.014CNL

(R=0.84)

(1)

常规测井数据结合能谱测井资料计算的黑色页岩总有机碳含量TOC2为

TOC2=

13.479+0.008GR-5.481DEN+0.188(U/K)

(R=0.87)

(2)

利用常规测井数据结合能谱测井资料计算的粉砂质页岩总有机碳含量TOC3为

TOC3=
-2.827+0.006GR+0.039AC+0.194(U/K)
(R=0.84)

(3)

式中,GR为自然伽马测井值,API;DEN为补偿密度测井值,g/cm3;AC为补偿声波时差测井值,μs/ft;CNL为补偿中子测井值,%;(U/K)为铀钾比值。

2.2.2孔隙度计算

分析黑色页岩段和粉砂质页岩段测井曲线与岩心孔隙度的相关性(见图3),优选补偿密度、自然伽马、补偿声波时差、补偿中子曲线进行多元回归,相关性更好,计算精度较高。黑色页岩孔隙度φ1为

图3 井研-犍为筇竹寺组岩心孔隙度与测井曲线交会图

φ1=7.495-3.652DEN+0.007GR+

0.041AC+0.017CNL

(R=0.79)

(4)

粉砂质页岩孔隙度φ2为

φ2=6.387-5.512DEN+0.0013GR+

0.179AC-0.134CNL

(R=0.64)

(5)

2.2.3黏土矿物含量计算

研究区筇竹寺组岩性复杂,以黏土矿物和石英为主,含钾长石、斜长石以及少量方解石、白云石、黄铁矿、菱铁矿,黏土矿物以伊利石、绿泥石、伊/蒙混层为主。本次研究以岩心全岩X衍射分析及常规测井资料为基础,将矿物合并为黏土、硅质、钙质这3类,利用多元回归方法,建立黏土矿物含量的测井解释计算模型。

Vsh=-229.435+81.929DEN+0.024GR+

0.459AC+1203CNL

(R=0.81)

(6)

式中,Vsh为黏土矿物含量,%。

2.3 吸附气含量计算

利用岩心实测总有机碳含量,建立吸附气含量与总有机碳含量之间的定量关系式,用以计算储层吸附气含量。研究区等温吸附实验有3种温度条件,分别为30、95、110 ℃,其中110 ℃最接近筇竹寺组地层实际温度,在该温度条件下进行了0～30 MPa范围内的等温吸附实验,得到27个样本点的吸附气含量。筇竹寺组⑨号层地层压力约50 MPa,等温吸附实验最大压力值为30 MPa。测井建模首先要将等温吸附实验得到的兰氏模型参数校正到地层压力条件下,再与岩心分析TOC建立吸附气含量计算模型。

GABS=0.6941TOC+0.3138

(R=0.93)

(7)

式中,GABS为吸附气含量,m3/t;TOC为总有机碳含量,%。

2.4 含水饱和度计算

2.4.1孔隙度测井资料计算含水饱和度

页岩几乎不含自由水,以单相束缚水为主。考虑到页岩储层流体赋存空间,采用多元回归法,利用黏土矿物含量、孔隙度测井资料计算含水饱和度;或基于岩心分析含水饱和度数据建立非电阻率测井参数回归模型计算含水饱和度[15-16]。

分析测井曲线与岩心含水饱和度的相关性,优选AC、CNL、DEN,采用多元回归法建立计算公式。黑色页岩含水饱和度SW_1为

SW_1=

1.99AC-1.036CNL+57.09DEN-221.67

(R=0.55)

(8)

粉砂质页岩的含水饱和度SW_2为

SW_2=

-0.31AC+1.00CNL+88.77DEN-175.85

(R=0.54)

(9)

2.4.2电法测井计算含水饱和度

(1)电法计算模型适用性分析。与纯砂岩相比,泥质的导电规律较为复杂,发展并形成了一系列泥质砂岩饱和度评价模型[7]:Simandoux公式、印度尼西亚公式、Waxman Smits模型和双水模型等。这些模型的前提条件是地层黏土矿物含量较低,以地层水导电为主。研究区筇竹寺组黑色页岩受沉积环境影响,黏土矿物含量较高,为30%～50%;⑩～号层非储层段粉砂质页岩黏土矿物含量也较高,为40%～50%;②～④号层非储层段粉砂质页岩、⑥～⑧号层储层段黏土矿物含量整体较低,为20%～30%。对于研究区泥质含量不同的岩性段,应采用适宜的电法测井模型计算饱和度。

Archie公式假设地层为纯岩石、不含泥质(或泥质含量小于5%)和其他导电矿物,且岩石骨架不导电[17]。对于黏土和泥质含量较多的地层,以电法测井为基础的阿尔奇饱和度评价模型适应性较差,误差较大;Simandoux公式适用于含泥质较多,岩性很细的含油气粉砂岩,不考虑黏土或泥质的分布方式,把泥质看成是由黏土和细粉砂组成,并当作是可含油气的、泥质较重、岩性很细的粉砂岩来处理[18];Total Shale公式是在Simandoux公式基础上进行了改进[19],考虑了饱和度指数n,并去除了体积模型中泥质部分对含水饱和度的影响。

(10)

式中,Sw为地层含水饱和度,小数;Rt为地层电阻率,Ω·m;Rw为地层水电阻率,Ω·m;Vsh为黏土矿物含量,小数;φ为有效孔隙度,小数;a为岩性系数;m为胶结指数;n为饱和度指数。

根据X1井筇竹寺组⑨号层试气水样分析资料的矿化度数据,利用等效NaCl溶液电阻率与矿化度和地层温度关系图版,可知筇竹寺组地层水电阻率为0.03 Ω·m。对研究区岩心样品开展岩电实验,得到适用于研究区的岩电参数,可计算地层含水饱和度。

(2)岩电实验参数的确定。目前研究区开展的岩心岩电实验方法为自吸饱和法。将100%饱和地层水的样品电阻率计算得到的地层因素与孔隙度取对数坐标作图,得到地层因素与孔隙度的统计关系式(见图4)。将不同含水饱和度与对应的地层电阻率指数取对数坐标作图,得到饱和度指数n和岩性相关系数b(见图5)。

图4 地层因素与孔隙度关系确定a、m

图5 电阻率指数与饱和度关系确定n、b

利用岩心分析岩电参数,根据公式计算含水饱和度。从图6可知,Archie公式计算的含水饱和度最高,其次是非电法测井模型计算的含水饱和度,Simandoux公式和Total Shal公式计算得到的含水饱和度较低、且趋势较一致,但Total Shal公式计算结果与岩心含水饱和度的吻合度更高(相关系数R=0.85),适用性较好。

图6 X2井测井计算Sw与岩心分析Sw对比图

2.5 游离气含量计算

游离气含量指每吨岩石中所含游离气折算到地面标准温度与压力条件下的天然气体积,游离气含量一般采用通用公式计算[14]。

(10)

式中,Gfree为游离气含量,m3/t;Bg为天然气地层体积系数,取0.03;φe为地层有效孔隙度,小数;ρb为地层岩石体积密度,g/cm3。确定孔隙度、含水饱和度参数,就可定量计算游离气含量。

3 现场应用及效果

3.1 单井含气性评价

X3井是研究区的一口勘探评价井,利用常规测井、自然伽马能谱等特殊测井资料,结合录井显示以及岩心实验分析,应用分析模型对该井筇竹寺组进行含气性综合评价(见图7)。

图7 井研-犍为地区X3井筇竹寺组测井综合评价图

对研究区筇竹寺组黑色页岩储层,参照中国石化五峰-龙马溪组页岩气综合评价标准(见表1),该井黑色页岩储层(①、⑤、⑨号层)累计厚度为10.2 m,其中Ⅱ类储层厚度为8.7 m,Ⅲ类储层厚度为1.5 m。脆性矿物含量平均值为65.1%,黏土矿物含量平均值为27.9%, 孔隙度平均值为2.2%,TOC含量平均值为1.1%,吸附气含量平均为1.6 m3/t,游离气含量平均为2.0 m3/t,总含气量平均为3.6 m3/t(见图7)。

表1 五峰-龙马溪组页岩气综合评价标准数据

龙马溪组页岩储层评价标准体系不适用于筇竹寺组粉砂质页岩储层,对于筇竹寺组粉砂质页岩储层,优选参数评价指标(见表2),建立以游离气为核心参数的储层评价方法。采用该评价分类指标,将筇竹寺组粉砂质页岩储层划分为气层、差气层、含气层共3种类型。表2与表1是2个评价体系,非对应关系。

表2 筇竹寺组粉砂质页岩储层含气性测井评价优选指标

粉砂质页岩(⑥、⑦、⑧号层)脆性矿物含量平均值为77.6%,黏土矿物含量平均值为20.2%,孔隙度平均值为2.2%,吸附气含量平均为0.87 m3/t,游离气含量平均为2.25 m3/t,总含气量平均为3.12 m3/t。论证选取⑦号层的气层段层量5.2 m,其孔隙度平均4.1%,脆性矿物含量平均75.9%,含水饱和度21.5%,游离气含量平均4.3 m3/t,总含气量平均5.0 m3/t,取其作为该井水平段靶体。根据井眼崩落与偶极各向异性显示,该井最大水平主应力方向约70°(见图8),根据最小主应力方向设计水平井轨迹。实钻水平段长2 000 m,钻遇油气显示良好。目前井研-犍为地区筇竹寺组还未提交探明储量,X3井水平段的实施将有望在本区获得非常气规勘探突破。

图8 井研-犍为地区X3井筇竹寺组电成像结合偶极分析最大主应力方向

3.2 区域综合评价

对井研-犍为地区筇竹寺组页岩储层进行综合评价,相对龙马溪组的优质页岩,①、⑨号层厚度薄,TOC含量、孔隙度较低,含气量、脆性矿物含量较高,属于中-低品质Ⅱ-Ⅲ类储层。另外,按照初步优选的筇竹寺组粉砂质页岩储层含气性测井评价优选指标,⑥～⑧号层孔隙度、游离气含量、总含气量、脆性矿物(石英、长石、方解石、白云石等)含量相对较高,属于中等品质的储层,其中⑦号层相对高伽马段(4～10 m)评价为气层,且平面分布稳定,可作为水平井靶窗的最优甜点层段。

4 结 论

(1)井研-犍为地区筇竹寺组黑色页岩与⑥～⑧号层粉砂质页岩以游离气为主,且⑥～⑧号层的游吸比较高,黑色页岩略低。采用Total Shale公式评价含水饱和度与岩心分析结果相关性高,且孔隙度与游离气含量呈正相关。

(2)龙马溪组页岩储层评价方法与标准体系不适用于筇竹寺组粉砂质页岩储层,一定的有机质含量是筇竹寺组该类页岩储层的物质基础,但不是决定性因素。新建立的筇竹寺组粉砂质页岩储层评价指标,将该类页岩储层划分为气层、差气层、含气层3种类型,其中⑦号层品质相对较优,是该区的甜点层。

(3)运用交会图、多元回归分析等方法可以有效识别和评价该类储层含气性,本文建立的筇竹寺组页岩储层含气性测井评价方法应用于该区目标优选,可为资源潜力评价提供技术支撑。