页岩气储层测井评价方法研究

　第４４卷第３期煤炭科学技术Ｖｏｌ．４４　Ｎｏ．３　　２０１６年３月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ．２０１６　页岩气储层测井评价方法研究李　俊１，２，唐书恒１，２，张松航１，２，赵俊斌１，２（１􀆰中国地质大学（北京）海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京　１０００８３；２􀆰中国地质大学（北京）页岩气资源勘查与战略评价国土资源部重点实验室，北京　１０００８３）摘　要：为了建立适用于页岩气评价的测井解释体系，对比分析了页岩气测井与常规测井的差异，选取国外页岩气勘探实例，说明了测井组合在识别含气页岩层上的应用，根据页岩气勘探需求，对页岩气储层测井评价方法进行探讨。结果表明：常规测井组合能够满足页岩气层的识别要求；传统测井与特殊测井系列组合可用于求取孔隙度、含气量等储集参数，还可用于估算总有碳含量（ＴＯＣ）、成熟度指数等关键指标；一些特殊测井技术多用于裂缝的识别与岩石力学参数评价。常规测井与特殊测井各有优势，加强对常规测井与特殊测井结合应用的研究应是未来探索方向。关键词：页岩气；测井技术；响应特征；储层识别；地质评价中图分类号：ＴＥ１３３　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：０２５３－２３３６（２０１６）０３－０１４１－０６ＳｔｕｄｙｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｌｏｇｇｉｎｇｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓＬｉＪｕｎ１，２，ＴａｎｇＳｈｕｈｅｎｇ１，２，ＺｈａｎｇＳｏｎｇｈａｎｇ１，２，ＺｈａｏＪｕｎｂｉｎ１，２（１􀆰ＭＯＥＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｒｉｎＲｅｓｅｒｖｏｉｒＥｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄＨｙｄｒｏｃａｒｂｏｎＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２􀆰ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｈａｌｅＧａｓＲｅｓｏｕｒｃｅｓＳｔｒａｔｅｇｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＬａｎｄａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｂｕｉｌｄｌｏｇｇｉｎｇｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｓｈａｌｅｇａｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｓｈａｌｅｇａｓｌｏｇｇｉｎｇａｎｄｃｏｍｍｏｎｌｏｇｇｉｎｇｗｅｒｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｎｅｘａｍｐｌｅｏｆｓｈａｌｅｇａｓｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｇａｓｂｅａｒｉｎｇｓｈａｌｅｓｗａｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｌｏｇｇｉｎｇｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｍｏｎｌｏｇｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｇａｓｂｅａｒｉｎｇｓｈａｌｅｓ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｍｏｎａｎｄｓｐｅｃｉａｌｌｏｇｇｉｎｇｗｅｒｅａｖａｉｌａｂｌｅｆｏｒｃａｌ⁃ｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅｒｖｏｉｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｐｏｒｏｓｉｔｙ，ｇａｓｃｏｎｔｅｎｔａｓｗｅｌｌａｓｓｏｍｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｌｉｋｅＴＯＣ，ｍａｔｕｒｉｔｙｉｎｄｅｘ；ｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｌｏｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏ⁃ｇｙｗｅｒｅｕｓｅｄｆｏｒｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇｔｈｅｆｉｓｓｕｒｅｓａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｎｇｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｂｏｔｈｃｏｍｍｏｎｌｏｇｇｉｎｇａｎｄｓｐｅｃｉａｌｈａｄｔｈｅｉｒｓｐｅｃ⁃ｔａｌａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｍｏｎａｎｄｓｐｅｃｉａｌｌｏｇｇｉｎｇｓｈｏｕｌｄｂｅｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｅｇａｓ；ｌｏｇｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎ收稿日期：２０１５－０９－１８；责任编辑：曾康生　　ＤＯＩ：１０．１３１９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｓｔ．２０１６．０３．０２７基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１２７２１７６）作者简介：李　俊（１９９１—），男，重庆人，硕士研究生。Ｔｅｌ：[phone]，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉ１９９１＠ｈｏｔｍａｉｌ􀆰ｃｏｍ引用格式：李　俊，唐书恒，张松航，等．页岩气储层测井评价方法研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１６，４４（３）：１４１－１４６．ＬｉＪｕｎ，ＴａｎｇＳｈｕｈｅｎｇ，ＺｈａｎｇＳｏｎｇｈａｎｇ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｌｏｇｇｉｎｇｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，４４（３）：１４１－１４６．０　引　　言页岩气作为一种非常规能源，在世界范围内分布广泛。美国具有丰富的页岩气资源，是目前实现页岩气商业化开采最成功的国家，并有较长的开发历史；我国页岩气资源十分可观，以南方海相页岩气储层为代表，揭示了良好的勘探开发前景。加速推进页岩气的勘探开发，对于改善我国能源环境、优化能源结构、缓解常规油气资源紧缺的现状具有十分重要的意义。作为页岩气勘探开发中的重要技术手段，地球物理测井能快速捕获多种地层信息，再结合相应的解释技术，可以有效识别储层并对地层进行评价［１］，相较于复杂且昂贵的钻井取心与岩心实验室分析，测井技术具有快速高效的优势。页岩气储层属于低孔、特低渗储层［２］，非均质性较强，它的成藏特点和评价方法与常规气藏差异明显，这为常规测井技术和解释理论的适用性提出了难题，也为新的１４１２０１６年第３期煤炭科学技术第４４卷测井技术提供了发展空间。国内外针对页岩气测井技术及储层测井评价技术的研究在不断创新与进步。页岩气测井系列的选择在不断优化，一些新技术的应用不断成熟，例如元素俘获能谱测井（ＥＣＳ）技术。斯伦贝谢公司（Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ）最新仪器元素扫描测井可直接获取碳元素含量，在页岩气评价中具有良好的应用前景，但是成本太高。目前，国内针对页岩气测井评价的研究还较少，测井评价技术的方法及应用还不成熟，具有较大的研究价值。笔者旨在通过对国内外页岩气测井技术的调研，总结页岩气的测井响应特征，探讨测井技术在页岩气储层识别和地层评价上的应用，分析页岩气测井技术的发展方向，从而能更好地指导勘探开发工作。１　页岩气测井技术及其含气页岩识别１􀆰１　页岩气测井技术简介国外在页岩气测井领域开展工作较早，斯伦贝谢公司在北美页岩气田的勘探实践基础上，建立了包括自然伽马、电阻率、声波时差、中子、密度、电阻率成像（ＦＭＩ）和元素俘获能谱（ＥＣＳ）等测井技术在内的页岩气测井系列，其中，元素俘获能谱测井、电阻率成像测井和声波扫描测井被认为是页岩气测井的关键技术［３］。泥页岩及其所含的烃类气体对常规测井有良好的响应，故以探测地层电性、放射性和声波传播特性为主的常规测井系列对页岩气储层适配性较好；又由于页岩气特殊的成藏规律和储层物性特征，常规的测井方法和解释理论并不能完全适用于页岩气储层。传统测井技术在识别页岩气储层、确定储层有效厚度等方面具有十分重要的应用；而一些特殊测井技术，如ＥＣＳ、ＦＩＭ等测井方法的应用，更有效地解决了页岩矿物成分确定、裂缝发育指标评价等难题［４］。同时测井技术还在确定压裂层位、提供破裂压力等参数方面，具有十分重要的作用。１􀆰１􀆰１　常规测井系列常规测井技术主要指以探测地层电性、放射性、以及声波传播特性等的一系列测井方法，包括自然电位、自然伽马、井径、深浅侧向电阻率、声波时差、岩性密度与补偿中子等测井技术，能满足页岩气储层的识别要求。普通页岩与含气页岩可以通过自然伽马加以区分；自然电位测井能划分有效储层；而深浅电阻率测井可以反映页岩的含气性；声波时差与补偿中子测井在含气页岩地层中呈高值，并随含气量的增加而变大；密度测井值常随页岩含气量的增加而变小［５］。１􀆰１􀆰２　特殊测井系列核磁共振测井、元素俘获能谱测井、声电成像测井、偶极声波测井等特殊测井技术［６］，在地层矿物成分含量的计算、岩石力学参数的求取，以及裂缝发育指标的评价等方面具有很明显的特点和优势，目前国外对这些特殊测井技术应用较多。元素俘获能谱测井可求取地层元素和黏土矿物含量，可以通过ＥＳＣ获得相关物性参数，同时在评价地层孔隙度和有机碳含量计算上也有应用。偶极声波测井能提供横波时差、纵波时差信息，然后利用相关软件进行各向异性分析处理，可以判断地层最大、最小水平应力方向并计算其大小；它还可用于求取泊松比、杨氏模量、破裂压力等岩石力学参数，从而指导压裂方案的设计。声、电成像测井具有可视性、高分辨率和高井眼覆盖率的特点，对识别裂缝类型、指导页岩储层压裂改造具有重要意义［７］，也可用于评定储层的开发效果。１􀆰２　含气页岩的识别在页岩气勘探中，识别出含气层当属首要任务，而常规测井系列可以满足识别页岩气层的基本要求。含气页岩与普通页岩相比，其测井响应表现为具有高自然伽马、高电阻率、高声波时差、高中子孔隙度、低地层体积密度和低光电效应这样“三高两低”或“四高两低”的特点，具体的页岩气常规测井响应特征见表１。表１　页岩气测井响应特征Ｔａｂｌｅ１　Ｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｈａｌｅｇａｓｗｅｌｌｌｏｇｇｉｎｇ测井曲线曲线特征影响因素自然伽马高值（＞１００ＡＰＩ），局部低值　泥质含量高；有机质中可能含有放射性高的物质井径扩径　泥岩地层常显扩径，外加有机质的存在会加剧扩径现象声波时差相对高值，有周波跳跃　含气量增加会使时差值增大；遇裂缝发生周波跳跃中子孔隙度高值　天然气含氢量低地层密度中低值　含气量大使密度值偏低；有机质使测量值偏低岩性密度低值　含气量增大使得测量值偏小深浅电阻率高值　泥质使电阻率偏低，但有机质电阻率极大，测量值常为高值２４１李　俊等：页岩气储层测井评价方法研究２０１６年第３期　　页岩中的有机质和黏土矿物常对放射性元素具有较强的吸附能力，又由于有机质多形成于铀元素含量较高的还原环境，故使得含气页岩普遍具有异常高的自然伽马值。泥岩由于导电性好，常呈低阻特征，而有机质为极性分子，不导电，会使得电阻率增大［８］，同时，由于烃类的存在使电阻率进一步增大，所以成熟的富有机质泥页岩普遍具有高电阻率的特征。页岩气储层较为致密，孔隙度小，声波时差为高值，遇到裂缝气层会有周波跳跃现象，当页岩有机质含量增加时，其声波时差会增大。含气页岩地层的密度值为低值。地层密度值反映的是地层的电子密度，而电子密度正比于地层体积密度，随着有机质和烃类气体含量增加将会使地层密度值更低［９］。基于上述页岩气的测井响应特征，可以借助相应常规测井组合的方法来识别页岩气层。国外有学者［１０］利用自然伽马、电阻率、密度和中子测井组合方法得出了含气页岩的典型测井曲线，对比分析了美国俄克拉荷马州密西西比系Ｗｏｏｄｆｏｒｄ页岩（图１）：上部地层自然伽马、电阻率表现为高值，密度、Ｐｅ值相对偏低，为含气页岩；下部地层电阻率和自然伽马值明显偏低，为普通页岩。１—５探测深度分别为２５􀆰４、５０􀆰８、７６􀆰２、１５２􀆰４、２２８􀆰６ｃｍ图１　测井组合识别含气页岩层［１１］Ｆｉｇ􀆰１　Ｓｈａｌｅｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｂｙｗｅｌｌｌｏｇｇｉｎｇｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ２　页岩气储层测井评价技术与方法在识别出含气层后，便可开展页岩气储层的定性、定量评价。应用测井技术对页岩气储层进行评价包括多个方面：主要有针对地层孔隙度、渗透率、含气饱和度等物性参数在内的储层储集参数