页岩气地球物理测井解释技术

地球物理测井在页岩气勘探开发中起到了重要的技术支持作用,它在研究复杂岩性、非均质性等方面具有独特的优势。 测井技术具有比较高的分辨率,对页岩气储层的评价主要包括:生烃能力、储集运移能力和力学性质。 这就意味着从测井曲线中分析计算页岩的有机碳含量、岩性、矿物组分、孔渗饱参数、裂缝与力学参数成为重点(表2.14)。

页岩属于极低孔极低渗的范畴,且具有很强的非均质性和各向异性,常规油气藏测井解释评价方法适用性有限,须建立新的页岩气测井评价技术体系。 目前,我国页岩气地球物理测井技术还处在起步阶段,研究缺乏系统性,主要是跟踪国外发展动态,与国外测井服务公司合作对页岩气进行评价。

评价页岩气藏的潜力涉及对多种影响因素的权衡,包括页岩矿物组分和结构、黏土含量及类型、干酪根类型及成熟度、流体饱和度、吸附气和游离气存储机制、埋藏深度、温度和孔隙压力等。 其中,孔隙度、总有机碳含量和含气量等对于确定页岩储层是否具有进一步开发价值非常重要。

以下介绍国内外在评价页岩气储层重要参数方面的一些测井技术方法。

1)烃源岩测井解释技术

(1)总有机碳(TOC)

与砂泥岩相比,有机质的存在,使得测井曲线发生相应的变化。 基于这种变化,可以利用测井技术预测TOC(表2.15)。

表2.14　页岩气储层常规测井曲线响应特征变化

续表

①自然伽马能谱测井法。

Fertl and Chilinger 研究了高放射性的富含有机质的黑色含气页岩,认为这种富含有机质的页岩是潜在的烃源岩,其测井相应值都是高K、高TU 且非常高的U 值。 作者主要是通过统计资料得出TOC 和伽马测井曲线值具正相关的关系。 由于干酪根富集铀、钍、钾元素,泥质的铀、钍、钾含量小于干酪根的铀、钍、钾含量,所以干酪根含量增大会引起页岩中铀、钍、钾含量增大,故地层中的铀、钍、钾含量与岩石中有机质含量呈正相关性。

Supernaw 等提出使用自然伽马能谱射线评价地下页岩的有机碳含量。 U/K 比值和C含量成正相关关系。 类似的TU/K 比值和K/U 比值也能得出相应的关系。 此外,还有一些学者建立了U 与TOC 之间的定量关系。

②密度测井法。

体积密度是岩石骨架,地层孔隙度和孔隙中流体密度的函数。 由于沉积岩的有机质密度低(声波时差大、氢含量高),所以密度测井曲线通常能用来确定有机碳含量。

Schmoker 等提出用密度测井可以估算泥质烃源岩的TOC 含量,这种方法要考虑储层的流体和矿物是否大概一致。

③多测井组合法。

张立鹏等构造一个地层参数B,与有机碳含量具有线性关系。 由于富含有机质的地层与不含(或含少量) 有机质的地层的差别之一是它的声波传播速度低、体密度低。 基于此特点,认为速度的平方与体积密度的乘积可能会更好地体现二者的差异。

④Δlog R 方法。

Passey(1990)认为电阻率测量和有机质体积间具有很强的关系,尽管碳不是导电物质。他提出了电阻率—孔隙度曲线交会图法识别、评价烃源岩。 此方法使用合适刻度的孔隙度测井与电阻率曲线重叠。 在饱和水的、有机质贫乏的岩石中,由于两条曲线都是对地层孔隙度变化的响应,它们互相平行;而在含烃储层或富含有机质的非储层岩石中,这两条曲线就发生偏离。 有机质夹层中的偏移由两种结果导致:一是由于低速低黏度的干酪根对孔隙度曲线的影响;二是地层流体对电阻率的影响。 在非成熟的有机质岩石中,没有油气的产生,曲线偏移是由于孔隙度曲线的影响;成熟源岩中,除了孔隙度曲线的影响,由于油气的存在,电阻率曲线也会增大。 公式如下:

其中,R 为岩石的实测电阻率(Ω·m);Δt 为实测的声波时差(μs/ft);Δt基线为非烃源岩层段对应的声波测井值;R基线为非源岩层段相对应Δt基线的电阻率测井值;LOM 表示有机变质作用和成熟度的等级;k 为声波时差Δt 的单位相对电阻率R 的一个对数坐标单位的系数。

⑤核磁-密度孔隙度法。

核磁-密度孔隙度法,利用核磁共振(NMR)测井资料和体积密度测井曲线相结合来计算TOC。 干酪根的密度较低,为1.1 ~1.3 g/cm3,因此干酪根的存在将会降低密度测井值,从而增加了由密度测井计算得到的孔隙度;而核磁共振孔隙度不受有机质存在的影响,只是反映了地层包含流体的孔隙空间。 因此,通过计算干酪根的体积就可以得到TOC 含量。测井评价TOC 的方法见表2.15。

表2.15　测井评价TOC 的方法

(2)热成熟度

当前评价有机质热成熟度的指标有很多,如镜质体反射率,孢粉炭化程度、热变指数、岩石热解参数等,但利用测井资料评价热成熟度还很少。 William H.Lang 探讨了声波时差曲线确定烃源岩的热成熟度,有机质的热成熟度随着深度增加而增大,声波时差也有同样的趋势,用化学方法分析岩屑的热成熟度,而声波时差则是直接来自测井曲线。 通过分析大量的数据资料,确定它们之间的关系。 Hank Zhao 定义了一个热成熟度指数MI,他用岩心资料、电阻率曲线、密度测井曲线、中子测井曲线和含水饱和度计算岩心的平均热成熟度,公式如下:

式中,N 为取样深度处密度孔隙度不小于9%、含水不高于75%的数据样本总数;Φn9i为密度孔隙度不低于9%时各点的中子孔隙度;Swi 为各点的含水饱和度;Sw75i 为符合上述条件的各点的含水饱和度Swi;Rw 为地层水电电阻率;Φd 为密度孔隙度;Φd9i 为密度孔隙度中不低于9%的各点读数;Ri 为数据点的深电阻率读数。 用上述公式求出的成熟度指数是综合有效层井眼测试数据计算出来的一个平均值。 实测中,中子值与MI 呈逆相关。 高含烃饱和度、低中子值表示高含气饱和度和高热成熟度;低含烃饱和度、高中子值表示低含气饱和度和低热成熟度。

此种方法创造性地使用测井资料评价有机质的热成熟度,结合了电阻率测井、中子测井和密度测井方法。 但是要求条件很多,Φd9i=Φd-0.09,是因为通过实验室测量的孔隙度与密度测井计算的孔隙度相差9%,因此其他地区在使用本方法时要修改它们之间的差别;含水饱和度小于75%是为了把电阻率较小的值过滤掉,这在其他地区也不一定适用,需要重新调整。 这种方法测量的只是岩心井段的平均值,并不能反映真正的成熟度趋势,也不受地层厚度的影响。

(3)干酪根体积含量

张厚福认为TOC 乘以1.22 或1.33,即为有机质体积含量;Guidry 提出了一种计算干酪根含量的方法。 泥盆纪页岩中总的碳氢化合物和有机质由自由气、自由油和干酪根组成,自由气的含量很少,可以忽略不计。 自由油(称S1)由热解方法测量。 干酪根就等于总的有机碳减去自由的油。 John Quirein 对Guidry 方法进行改进公式(不含油):

2)储层测井模拟技术

(1)岩相识别技术

Hickey 和Henk 根据有机质相对含量、碎屑状淤泥、生物碎屑成分和早期自生岩相的不同,将Mississippian Barnett 页岩分为富含有机质页岩、含有化石的页岩、方解石菱形页岩、白云质页岩、凝固的碳酸盐岩和磷灰岩。 Jacobi 根据地化特征和利用ECS 测井计算的矿物,分出5 种重要的岩相,这对于Canney 和Woodford 地区的静水压力非常重要。

富硅有机质泥岩:Th/U 值小于2、U 值高,TOC 高,石英含量也高。

少硅有机质泥岩:Th/U 值小于2、U 值高,TOC 高,石英含量低。

硅质泥岩:Th/U 值大于2、U 值低,TOC 低,石英含量高。

碳酸质泥岩:从方解石、白云石和菱铁矿中计算的总碳酸盐矿物。

低有机质泥岩:Th/U 值小于2、U 值高,TOC 低,石英含量低。

岩相的分类对压裂改造有很大帮助,一般选取富含有机质的区域进行压裂,而少有机质的则不利于压裂。 Jacobi 结合地球化学资料、声波测井、核磁共振等评价岩性、矿物、干酪根体积;用矿物、孔隙度、声波、体积密度、孔隙压力和上覆压力用来计算各层的泊松比、水平压力等;综合岩相和力学参数等划分出有利压裂带。

(2)多矿物组分模拟

页岩矿物成分复杂,各种矿物的物理性质差异性较大,且有机质的存在影响孔隙分布,测井评价页岩气储层难度加大。 实验室确定矿物的方法有:X-射线绕射,傅里叶红外转换光谱(FTIR)和从X-射线荧光或元素俘获仪中取得的元素重组。 含气页岩主要是由石英、碳酸盐岩和黏土组成,而附加矿物和各种各样的黏土使这些储层的测井分析面临很大挑战。 (X-射线绕射)XFR 能用于确定基本矿物,这种方法很好,但是当黏土分离不是很好时,会过多地预测石英含量。 傅里叶转换红外分光光谱(FTIR)提供一个快速有效的方法消除此缺点且不需要黏土分离。 但是,分析之前必须先去掉有机质。 XFR 通常被一些实验室用来确定富含黏土的储集层的矿物。 XRF 量化元素丰度,然后按化学计量分配给常见矿物,过多的碳指派给干酪根,XRF 不会过多地预测石英含量。

复杂岩性地层测井解释中,判别岩性主要采用交会图技术。 交会图方法考虑的岩性比较简单,参数选择不当就会出现错误。 王大力等提出一种处理复杂岩性测井解释的技术,主要采用“模型的概率”来选择岩性组合或解释模型,通过实际资料处理验证该方法解释结果,与取心分析对比符合较好。 郭海峰、李红奇等使用基于突现自组织映射的数据挖掘方法识别岩性。

最优化方法的引入,给利用常规测井资料识别复杂岩性和计算孔隙度带来了便利。 毛志强等在已知矿物类型的情况下,按照最优化测井解释原理,在Geoframe 平台上编制相应的计算机模块,对实际资料进行处理,即可得到矿物含量。

使用常规测井方法获得矿物含量,利用最优化测井解释模型需要:a.从XRD 或FTIR 中得到的矿物;b.准确的黏土含量;c. 常规的测井曲线,包括中子、密度、Pe、声波和电阻率曲线;d.TOC 的重量百分比曲线。 实际操作,把TOC 曲线作为输入,结合常规孔隙度、Pe 和黏土含量曲线,再用最小平方法分配矿物体积以使输入曲线最佳化。 这种方法只要矿物数量多于测井曲线个数就可以使用。

元素俘获测井的开发很大程度上解决了复杂矿物储层的岩性问题。 元素俘获测井(ECS)是通过化学源向地层中发射快中子,快中子在地层中与一些元素发生非弹性散射、能量减少,经过几次非弹性碰撞快中子变为热中子,最终被周围的原子俘获,元素通过释放伽马射线回到初始状态。 地层中各种矿物都有非常固定的化学元素成分,而岩石是由不同的矿物所组成。 用ECS 测量的主要元素包括Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd 等,其中Si 主要与石英关系密切,Ca 与方解石和白云石密切相关,利用S 和Ca 可以计算石膏的含量,Fe 与黄铁矿和菱铁矿等有关,Al 与黏土(高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、海绿石)含量密切相关。 John Quin、吴庆红等都运用了ECS 测井来评价页岩气储层。 Pemper 介绍了一种新的测井仪器它包括自然伽马能谱(K、Th、U)和俘获谱(Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、Mn)以及非弹性谱(Si、Mg、Al、C)3 个测量系统。 这又丰富了测量的元素信息。 Jacobi 借助这种仪器计算有机碳含量并划分岩相。

表2.16　测井评价矿物成分的方法

(3)孔隙度模拟

F.P.Wang 将具有生气能力的页岩气系统中分为4 种类型的孔隙介质:非有机质骨架,有机质,自然裂缝和压裂改造缝。 两种骨架类型的孔隙是纳米级或微米级的孔,通常纳米级小孔在有机质和富含黏土的泥岩中,而微米孔在富硅的泥岩中。

测井资料评价页岩气孔隙度最有效的方法是核磁共振法表2.17。 核磁共振测井是目前唯一能够直接反映岩石孔隙结构信息的测井方法,它在评价孔隙结构方面更是具有独特的优势。 与矿物无关的孔隙度估计是NMR 测井的一个重要应用。 页岩气储层矿物复杂,传统测井方法求孔隙度不准确,而NMR 可以解决这个问题。

Mavor 等利用体积物理模型法建立密度测井孔隙度的关系。 模型包括非有机质骨架、有机质、油气和水四部分,但骨架参数选取困难。

Michael 等提出用元素俘获能谱测井对孔隙度进行计算。 首先,通过400 多块样品的矿物分析和地球化学实验,得到骨架密度值、中子值与元素含量的关系式为

式中　ρma——骨架密度值;

Nma——骨架中子值;

WSi——硅元素含量百分比;

WCa——钙元素含量百分比;(www.xing528.com)

WFe——铁元素含量百分比;

Ws——硫元素含量百分比。

把这两个参数代入利用体积模型求孔隙度的公式即可求得。

表2.17　测井评价孔隙度的方法

(4)渗透率模拟

目前,测井资料确定渗透率的方法大多是建立在渗透率和其他参数间的经验关系基础上。

利用孔隙度和束缚水饱和度计算渗透率较为通用的公式有:

一般关系式:

Timur 公式:

式中　φ——有效孔隙度;

Swb——束缚水饱和度。

利用核磁共振测井确定渗透率的公式有:

Coates 公式:

式中　FFI——自由流体孔隙度;

BVI——束缚水孔隙度;

C——系数。

SDR 模型:

式中　T2GM——T2 分布的几何平均值;

C——系数。

利用电阻率与渗透率的经验关系确定的公式有:

声-感组合公式:

表2.18　测井评价渗透率的方法

(5)饱和度模拟

确定含水饱和度的测井方法有电阻率测井、介电常数测井、中子寿命测井和碳氧比测井等。 它们分别利用地层中岩石和流体的电阻率、介电常数、热中子俘获特性等建立与饱和度的关系。 中子寿命法和碳氧比法主要用于套管井地层评价。 介电常数测井的理论、方法和仪器尚处于发展阶段,应用不广泛。 目前,在裸眼井测井解释中,主要依靠各种电阻率测井提供的参数信息。

常用的电阻率计算饱和度公式有:阿尔奇公式、印度尼西亚公式、Simandoux 公式、Waxman-Smits 模型、双水模型等。

表2.19　测井计算饱和度的方法

目前,针对页岩储层的岩电实验较少,阿尔奇公式的实用性还有待改善,特别是岩电参数的确定。 饱和度的计算主要是利用阿尔奇公式计算,参数选取方便。

(6)裂缝分析

页岩气井与自然裂缝网相交叉较为普遍,识别和表征自然裂缝,对于提高压裂有效性,了解自然缝类型、分布和方向较为重要。 探测裂缝的常用方法是使用高分辨率成像测井,再结合其他测井资料,能综合定量分析裂缝,包括计算裂缝密度、裂缝长度和裂缝开度。 齐宝权等应用电成像测井识别四川盆地南部页岩气储层的张开缝和充填缝;中国石油勘探开发研究院以及王贵文等都介绍了计算裂缝参数的方法。

3)含气量测井解释技术

吸附气含量的评价主要有吸附等温法和回归法。 Schlumberger 公司根据地区的等温吸附曲线和测井得到地层温度、压力计算地层的吸附气含量。 等温吸附曲线是在特定的温度和压力下得到的,因此确定地层条件下的吸附气含量,须经过一系列的校正。 Langmuir 等温吸附线表示如下:

式中　gc——气体含量,scf/ton;

P——储层压力,pisa;

Vl——兰氏体积,scf/ton;

Pl——兰氏压力,pisa。

在精确得到黏土矿物含量及其类型和地层孔隙度的基础上,利用双水模型,采用ELANplus 优化解释程序,得到游离气饱和度,可以把有效孔隙度、含气饱和度、含气量、储层压力以及温度转换到罐存状态下的含气量。

4)油气水层识别

了解储集层的流体性质及其生产能力,识别油气水层,对于油气田的勘探开发具有重要意义。 目前,识别储层流体性质的常用方法有以下六种:

(1)电阻率特征判别法

气层和油层的电阻率明显大于围岩和水层的电阻率,而水层电阻率比围岩更低。 其适用条件为:第一,只有在电性主要反映地层孔隙流体的情况下,这一方法才能得到较好的应用效果;第二,本方法适合于所研究层段具有可对比的典型纯水层,在地层水性上应属于一套水系,或者说应具有比较相近的油水性质。

(2)交会图法

交会图法是用测井读数或计算参数的数据构成交会图,根据交会图图形显示的特点评价地层的岩性、含油性、可动油气或可动水。 交会图法是常用的流体识别方法,交会图法的类型很多。

(3)模糊识别法

利用单一的测井解释方法进行低孔低渗储层的油水层识别往往得不到理想效果,而模糊识别方法由于综合统计学和计算数学知识,因此在此类识别问题上具有一定优势。

(4)阵列感应测井法

高分辨率阵列感应测井是一种新型的电阻率测井技术,它克服了常规双感应测井纵向分辨率低、探测深度固定、不能解释复杂侵入剖面、不能划分渗透层等缺点,经过数据处理后可以得到地层真电阻率、冲洗带电阻率及侵入深度,从而得到直观形象的侵入剖面,因此比常规测井更能准确地确定流体性质。

(5)核磁共振测井法

核磁共振技术进行流体识别,主要依赖的是岩石孔隙中的不同流体对回波测量的不同敏感性。 这些测量对流体的黏度和分子扩散系数敏感,从而提供了流体识别的必要信息。目前,核磁共振流体识别技术主要分为两大类型:基于扩散效应测量和基于弛豫试剂抑制。

5)力学参数模拟

泊松比和杨氏模量是岩石力学两个重要参数,它们可以用来鉴别页岩的塑性和脆性。塑性页岩并不是好的储层,因为此地层能够闭合任何自然的或压裂的裂缝,而这恰好是塑性页岩作为盖层的一个优点,它能阻止油气从下层脆性页岩运移出去。 而且在压裂方面塑性页岩比脆性页岩复杂得多,因此,压裂时要找到脆性页岩,所以精确地计算出这两个参数就显得尤为重要。

常规测井曲线中能够计算岩石弹性参数的方法主要是声波测井,Grieser 和Bray 以及Rickman 等通过测量全波列的声波测井曲线,计算得到E 和υ。 就单个参数而言,υ 越低,E越大,页岩的脆性越大。 通常情况下,根据不同的E 和υ 组合,判别塑性页岩和脆性页岩,一般E＜34.5 MPa 且υ＜0.25,则被认为是脆性页岩。 在压裂方面,塑性页岩比脆性页岩复杂得多,因此,压裂时要找到脆性页岩。

通过随钻声波测井资料,能够计算储层横向上相关的力学参数,如杨氏模量、泊松比、应力梯度和应力走向等。 利用声波测井能够得到纵波和横波的声波时差,它们最重要的用途是被用来分析地下应力场。 在均匀各向同性介质中,通常使用2D 的孔隙弹性应力方程来进行压力场分析。 但是对于页岩,它本身表现出很强的VTI 各向异性特征,当井穿过页岩地层时会产生大角度裂缝,使得水平方向的最大主应力和最小主应力之间的差异增大,此时,页岩通常表现为VTI 和HTI 性质共存。 无论是HTI 还是TTI,都需要运用各向异性条件下的孔隙应力方程进行压力场分析,因此需要同时测量垂向和水平的杨氏模量和泊松比作为输入。 S.Y. Han 等利用随钻声波测井处理了某地区,得到很好的应用效果。

Dan Buller 等分析了动态杨氏模量与静态杨氏模量的关系,以便更好地把测井曲线应用在地层评价中,并指出水平测量的杨氏模量大于垂直测量的杨氏模量。 利用各参数转化为各向异性后,横向上各向异性随着黏土含量增加而增大。 此外,还定义一个相对脆性指数(RBI),使用矿物含量就可大概判断岩石脆性。