页岩含气是一种普遍现象,能否具有工业开发价值,主要取决于页岩含气量的高低。在资源调查和勘探的初期,如何利用地球物理测井技术求取页岩TOC含量、含气量等关键参数,对经济、快速地寻找和确定有利的页岩气富集区具有重要意义[1]。
岩性特征:页岩是主要由固结的粘土颗粒组成的片状岩石,是地球上最普遍的沉积岩石[2]。尽管含气页岩通常被称作“黑色页岩”,其实并不仅仅是指单纯的页岩,它也包括细粒的粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩及灰岩、白云岩等。在矿物组成上,主要包括一定数量的碳酸盐、黄铁矿、粘土质、石英和有机碳。
储集物性:作为储层,含气页岩大多显示出低的孔隙度(小于10%)[3]。在十分微细的原生孔隙中存在大量的内表面积。内表面积拥有许多潜在的吸附地方[4],它可储存大量气体。页岩可以有很大的孔隙度,并在这些孔隙里储存大量的油气。页岩具有极低的渗透率,其渗透率甚全比含气致密砂岩还要低很多(远小于1×10-3μm2)。页岩中的一些天然裂缝及粉砂岩和砂岩的互层会提高渗透率,裂缝的渗透率远远大于基质渗透率,是页岩气游离气储集的主要场所。
地球化学特征:页岩层的总有机碳含量、干酪根类型、热演化程度等对页岩气的富集具有重要的控制作用。美国五大页岩中的总有机碳含量一般在1.5%~20%,通常总有机碳含量在0.5%以上的页岩可认为是有潜力的源岩[4]。在热成因的页岩气储层中,烃类是在时间、温度和压力的共同作用下生成。干酪根的成熟度可以用来预测源岩中生烃的潜能,页岩的热成熟度可以从0.4%~0.6%(临界值)到0.6%~2.0%(成熟),页岩气的生成贯穿于有机质向烃类演化的整个过程。美国页岩气盆地的页岩中的干酪根主要以Ⅰ型与Ⅱ型干酪根为主,也有部分Ⅲ型干酪根[7]。不同的干酪根类型的页岩中都生成了大量的气,干酪根的类型并不影响源岩层的产气数量,它只影响天然气吸附率和扩散率,有机质的总量和热成熟度才是决定源岩产气能力的重要变量。
页岩气储集层独特的岩性和地球化学特征在测井曲线上有明显的特征响应(表1)。利用测井曲线形态和测井曲线相对大小可以快速而直观地识别页岩气储集层。
识别页岩气层常用的常规测井方法主要包括自然伽马、自然电位、井径、深浅侧向电阻率、岩性密度、补偿中子与声波时差测井等。与普通页岩相比,含气页岩具有自然伽马强度高、电阻率大、地层体积密度和光电效应低等特征。自然伽马强度能区分含气页岩与普通页岩;自然电位能划分储层的有效性;深浅电阻率在一定程度上能反映页岩的含气性;岩性密度测井能定性区分岩性;补偿中子与声波时差在页岩储层为高值。通常密度随着页岩气含量的增加变小、中子与声波时差测井随着页岩气含量的增加而变大[5]。
高自然伽马强度被认为是页岩中干酪根的函数。通常情况下干酪根能形成一个使铀沉淀下来的还原环境,从而影响自然伽马曲线。高含气饱和度导致高电阻率,但电阻率也会随着流体含量和粘土类型而变化。粘土含量及干酪根的存在能降低地层体积密度,干酪根的比重较低,介于0.95~1.0 5 g/c m3之间。
有机质含量决定了页岩的生烃能力、孔隙空间的大小和吸附能力,对富有机质页岩的含气量起决定性的作用。产气页岩中的总有机碳含量一般为1%~20%,而0.5%认为是有潜力的页岩气源岩的下限,较高的TOC值往往代表更高的产气能力。从国内外的实测结果看,有机质含量直接影响含气量,有机质含量越高,含气量越大。两者具有近似线性的相关关系,相关程度很高[6]。利用声波时差测井、电阻率、密度测井等资料,对页岩有机质丰度做出评价。
测井评价页岩的有机质丰度是根据△Lg R与有机质TOC之间的相关性得出的关系所做的研究。△Lg R技术是埃克森(Exxon)和埃索(Esso)公司于1979年开发实验的技术[7]。这种方法采用测井曲线重叠(声波时差和电阻率曲线重叠)的间距△Lg R来直观反映有机质的相对丰度。
一般孔隙度曲线主要与固体有机质的数量有关,电阻率曲线与生成烃类的物质有关。在未成熟的烃源岩中,间距主要由声波时差曲线向左移动(增大)造成,反映有机质丰度。在成熟的源岩层,间距是由声波和电阻率共同造成的。△Lg R和TOC有很好的相关性,并且也是成熟度的函数,因此根据上述特征计算TOC的公式为:
式中:R为测井曲线不同深度所对应的电阻率值,Ω·m;
△t为测井曲线不同深度所对应的声波时差,μs/ft;
R基线为非泥页岩电阻率曲线和声波时差曲线重合时的电阻率值;
△t基线为非泥页岩电阻率曲线和声波时差曲线重合时的声波时差值,μs/ft;
k为依赖于每一个电阻率刻度所对应的声波时差的比值。
需要注意的是,在非泥页岩层段内取基线,基线段内的TOC为零值。但是实际上地层不同的曲段内,都含有有机质,只是相对的量不同。基线段的计算TOC就应该加上有机碳背景值,同样,不管间距多大,计算的TOC还应该加上背景值△TOC。故对上述公式应该校正得到下面的公式:
另外,岩性矿物组分变化也对应用Δlog R方法来识别页岩有机质含量具有影响。某层段中上段主要以黏土、石英长石成分为主,电阻率较低,中子孔隙度较高,下段含有较高的碳酸盐岩矿物成分,明显地无铀伽马测井值降低、补偿中子和补偿声波测井值减小,电阻率增大。
富含有机质的低孔泥页岩中,地层密度的变化对应于有机质丰度的变化。Manlike和Raja采用最小二乘拟合法,对印度洋Assam盆地碳质页岩的有机质丰度(TOC)和地层密度(ρb由测井获得)的关系进行了研究,发现TOC和ρb存在反比关系[8]。
页岩含气量是指每吨岩石中所含天然气折算到标准温度和压力条件下(101.325k Pa,25℃)的天然气总量,包括游离气、吸附气、溶解气等。目前主要关注吸附气和游离气。游离气是指以游离状态赋存于孔隙和微裂缝中的天然气;吸附气是指吸附于有机质和粘土矿物表面的天然气,以有机质吸附为主,伊利石等粘土矿物也有一定的吸附能力。
通过分类测定页岩中的游离气、吸附气,得到页岩气总含气量,是目前应用最广的页岩气含气量测定方法。游离气的测定首先通过岩心确定含水饱和度,如果含油,确定含油饱和度,进而确定游离气含气饱和度。通过建立岩电关系,利用饱和度测井确定游离气含量。吸附气含量主要通过等温吸附模拟和测井手段获取。
等温吸附模拟可以用来直接评估有机物吸附天然气的最大能力,在煤层气研究中为成熟技术,在国外页岩气含气量研究中也为成熟技术。通过等温吸附模拟,可以研究不同有机质含量、类型、湿度等富有机质页岩的吸附特征和能力,获得吸附气含量参数数据,并与解吸等其它手段获得的数据综合,得到富有机质页岩的含气量及其变化规律的参数数据。
由于压力在页岩气吸附中的作用要远大于温度的影响。因此,可利用页岩地面样品的等温压力吸附实验模拟不同压力阶段页岩的吸附气量。理论上,最大吸附气体量由特定产气页岩的兰格缪尔体积VL决定。美国Marcellus页岩的兰格缪尔体积VL和TOC之间线性正相关关系。四川盆地龙马溪组页岩拟合结果表明TOC与兰格缪尔体积之间也有类似线性正相关性[9]。
通过测井资料综合解释确定富有机质页岩含气量,已经在北美页岩气勘探开发中普遍应用。页岩气的勘探实践表明,含气量越高,测得的地层电阻率也就越大,这与常规油气藏的规律是一致的。对于这个问题,斯仑贝谢通过测井资料确定富有机质页岩的含气量,首先要建立岩电关系,包括岩石密度与有机质含量的关系,放射性物质含量与有机质含量的关系,有机质含量与含气量的关系等。在岩电关系的基础上,通过测井资料解释精确得到粘土矿物的含量、类型和地层孔隙度,然后利用双水模型,采用ELAN-Plus优化解释程序,得到游离气饱和度。最终得到吸附气含量、游离气含量和总含气量。
本文介绍了页岩气层的常规测井响应特征,阐述了测井方法解释有机质丰度,及有机质成熟度的解释技术,最后测井技术应用在页岩气层含气量评价中。对于页岩气的测井解释评价工作的开展具有参考意义。但是由于页岩气在岩性,尤其是成藏机制方面的独特性,常规油气勘探采用的测井评价方法难以完全适应,需要针对页岩气地层的特点,开发新的解释技术。
摘要：本文在大量调研分析的基础上,通过对页岩气的岩性、物性和地球化学特征综合分析,总结归纳了页岩气层测井响应特征;从页岩气评价的特殊性出发,通过四性关系研究,有针对性地选取测井项目,探索对页岩含气量的测井解释模式,对于今后页岩气定性和定量评价工作的开展具有重要的参考意义。
关键词：页岩气,测井相应,测井解释模型,含气量评价
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