页岩气地球物理测井技术

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  一、内容概述

  图1 Barnett页岩某井典型测井图

  地球物理测井简称测井，是在钻孔中使用测量电、声、热、放射性等物理性质的仪器，以辨别地下岩石和流体性质的方法，是勘探和开发油气田的重要手段。测井也是页岩气勘探不可缺少的技术手段，发挥着十分重要的作用（图1）。数十年来，大多数页岩气田均进行了测井采集，以满足页岩气储层评价的需要。根据Luffel和Guidry（1989）的文献，Appalachian盆地大多数采用空气钻井，采用测井系列包括双感应、岩性密度测井、井壁中子、自然伽马能谱，还包括井下电视和温度测井。

  页岩气勘探、开发与石油等其他的勘探手段有相似之处，所采用的地球物理测井方法和仪器基本是相同的。国外在页岩气勘探与开发中，普遍采用了斯仑贝谢、贝克-休斯、哈里伯顿等国际测井服务公司的先进技术。地球物理测井是在钻孔中研究地层物理性质的一系列探测方法的统称。当前国内外使用的先进探测仪器都集成了信息、计算机控制、处理、应用物理等多个领域中最先进的技术，它们对地层物理性质探测的数量和质量都达到了前所未有的高度。总体来说，目前在油气勘探领域使用的测井技术大致可以分为下述几种类型：

  1）以探测地层的电性为主的一系列测井方法，如普通电极系测井、侧向测井、感应测井、自然电位测井、介电测井等。

  2）以探测地层的放射性为主的一组方法，如自然伽马测井、能谱测井、中子测井、密度测井、元素测井等。

  3）以探测地层的声波传播特性和弹性参数为主的一组方法，如声波速度测井、声幅测井、声波全波测井等。

  除此之外，有时还使用一些其他的测井方法，如磁测井、重力测井、温度测井等。这些方法应用范围虽然不广泛，但它们对于解决一些特定的地质或者工程问题往往非常有用。

  随着理论和技术的进步，测井仪器也经历了模拟-数字-数控-成像的演变过程。目前国内外常用的先进方法有电阻率扫描成像、声波成像、阵列感应、核磁成像等。

  页岩气勘探中涉及的岩石类型、流体性质和研究任务决定了它使用的测井与油气勘探中的测井系列基本是相同的。因此，上述常用的测井方法在页岩气勘探中同样有着广泛的应用，可以关于目的层尽可能详尽的岩石物理信息（图2）。

  墨菲石油公司根据页岩气储层评价需求，提出了较为全面的页岩气测井序列，包括：

  1）电阻率、密度、中子测井；

  2）核磁共振测井，用于确定页岩孔隙度（不受TOC影响）；

  3）声波测井，用于岩石力学性质分析；

  4）成像测井，用于识别裂缝。

  测井在页岩气藏勘探开发中有两大任务，一是储层及含气量的评价，二是为完井服务指导参数并在钻井中起地质导向作用，这其中包含了岩性、孔隙、裂缝、有机碳、储层岩石力学等参数评价。勘探和开发不同阶段达到上述目的采用的测井系列是不同的，表1总结了国外针对不同井别采用的测井采集系列。对于新区，一般而言，最经济的测井系列包括自然伽马测井、自然电位测井、井径、岩性密度测井、补偿中子测井、电阻率测井（双侧向或者阵列感应测井）、元素俘获能谱测井和声波时差测井。从表1 中可见，除了一些常规油气藏采用的测井方法，在页岩气测井采集中还采用了一些测井新技术，包括元素俘获能谱测井、核磁共振测井、微电阻率成像测井和声波时差测井，这些测井新技术的应用在页岩气勘探开发的初期是非常有必要的，有助于含气页岩储层特征的综合评价，也有助于指导油气公司后续的勘探开发。例如，运用微电阻率成像测井、声波全波测井和井下声波电视可以确定裂缝性质；用元素俘获能谱测井能够确定岩石矿物含量并计算有机碳和无机碳含量。

  图2 地球物理测井技术对页岩岩心综合特征和页岩气地质储量的校正

  1.部分测井技术简介

  （1）自然伽马测井

  岩层的自然伽马曲线幅度主要取决于地层中放射性物质铀、钍、钾含量及地层中泥质含量的高低。页岩气的自然伽马曲线相对于碎屑岩类为明显高值异常特征。这是由于：①页岩中泥质含量高，泥质含量越高伽马放射性就越高；②某些有机质中含有高放射性物质。一般性地层中，泥页岩在地层中伽马显示最高值（＞100 API）。相比之下，砂岩和煤层显示低值。

  （2）井径测井

  砂岩显示缩径；泥页岩一般为扩径。

  （3）地层密度测井

  地层密度值实际上测量的是地层的密度，而密度相当于地层体积密度。页岩密度为低值，比砂岩和碳盐岩地层密度测井值低，但是比煤层和硬石膏层密度值高出很多。随着有机质和烃类气体含量增加将会使地层密度值更低。存在裂缝，也会使地层密度测井值降低。

  表1 页岩气不同井别采用的测井采集系列

  （4）岩性密度测井

  现代测井仪器可以同时测量地层密度和岩性密度。岩性密度测井Pe值可以用来指示岩性。岩性密度测井可应用于识别页岩黏土矿物类型。页岩矿物组成的变化将导致单位体积页岩岩性密度测井值的变化。结合取心材料，可以很好地分析某地区的黏土岩矿物成分。

  （5）中子测井

  页岩气储集层中子测井值为高值。中子测井值反映的是岩层中的含氢量。含氢物质一般为：水、石油、结晶水和含水砂，即中子密度测井反映的是地层孔隙度。页岩地层孔隙度一般小于10%。页岩气储集层中，要注意两个相反的影响因素：地层中含气使得中子密度值减小，而水则使中子密度值偏大。水饱和度大于含气饱和度，故认为水对于中子测井值的影响较大。有机质中的氢含量也会对中子测井产生影响使孔隙度偏大。在页岩气储集层段，中子孔隙度值显示低值，这代表高的含气量、短链碳氢化合物。

  （6）电阻率测井

  页岩气所含的有机质不具导电性，使页岩气的电阻率增大。使得在测井曲线上页岩气的电阻率明显高于泥岩、页岩。一般腐殖质含量愈高电阻率愈大，因此页岩气的典型特征是衡量页岩气品质的一个重要标志。

  （7）声波时差测井

  页岩气储层声波时差值显示高值。页岩比泥岩致密，孔隙度小，声波时差介于泥岩和砂岩之间。遇到裂缝气层有周波跳反应，或者曲线突然拔高。页岩有机质含量增加时，其声波时差增大；声波值偏小，则反映了有机质丰度低。

  （8）元素俘获能谱（ECS）测井

  该测井技术可求取地层元素含量，由元素含量计算出岩石矿物成分。它所的丰富信息，能满足评价地层各种性质、获取地层物性参数、计算黏土矿物含量、区别沉积体系、划分沉积相带和沉积环境、推断成岩演化、判断地层渗透性等的需要。

  （9）偶极声波测井

  能纵波时差、横波时差，利用相关软件可进行各向异性分析处理，判断水平最大地层应力的方向，计算水平最大与最小地层应力，求取岩石泊松比、杨氏模量、剪切模量、破裂压力等重要岩石力学参数，满足岩石力学参数计算模型建立的要求，指导页岩储层的压裂改造。

  （10）声、电成像测井

  具有高分辨率、高井眼覆盖率和可视性特点，在岩性与裂缝识别、构造特征分析方有良好的应用效果。识别页岩储层裂缝的类型，对指导页岩气的改造、评定页岩储层的开发效果有着重要的意义。

  2.测井评价技术

  这里重点介绍勘探阶段中的测井评价技术，该评价技术主要包括以下几个方面：

  （1）含气页岩储层的测井识别

  页岩气与常规气一样，是不导电介质，具有密度值很小、含氢指数低、传播速度慢等物理特性。与普通页岩相比，页岩气中有机质含量较高，放射性元素铀含量比较高，干酪根的密度较低，通常介于0.95 ～1.05g/m³ 之间。含气页岩测井响应为“四高两低”特征，即高伽马、高电阻率、高声波时差、高中子孔隙度，低密度、低光电效应。

  （2）总有机碳（TOC）含量、热成熟度（R_o）指标计算

  干酪根的形成多是在一个放射性元素铀含量比较高的还原环境，因而它使自然伽马曲线出现高值。利用自然伽马测井，通过ECS测井测得自然伽马能谱，分析钾、铀、钍主要元素的丰度，可以定量确定总有机碳的含量。中子-密度法可以指示镜质体反射率（R_o）。

  （3）页岩孔隙、裂缝参数评价

  根据补偿声波和长源距声波、补偿中子、体积密度评价孔隙度。可根据QFM模型由ECS测得的元素含量换算有关骨架参数的方法来计算含气页岩的孔隙度。微电阻率扫描成像测井和核磁共振测井对天然缝、诱导缝以及断层等，都有着良好的分辨能力。压裂后裂缝识别评价可采用井温测井、同位素测井或交叉偶极横波测井来识别评价裂缝高度和长度。

  （4）页岩储集层含气饱和度估算

  利用双侧向、感应测井、CMR核磁共振测井等来估算。另外还可根据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，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，计算游离气饱和度。

  （5）页岩渗透性评价

  利用自然电位、自然伽马能谱、微电极、CMR核磁共振测井等来评价。

  （6）页岩岩矿组成测定

  ECS元素俘获能谱测井是一种很好的方法，其ECS探头应用中子感生俘获自然伽马能谱测定矿物中硅、钙、硫、铁、钛、钆、、钡和氢的含量，可以获得准确的地层成分评价结果，包括黏土、碳盐、硬石膏、石英、长石和云母等。

  （7）页岩岩石力学参数计算

  根据声波扫描测井、中子密度、成像测井来综合计算岩石弹性参数（泊松比、杨氏模量），确定地层应力和最大主应力方位。

  二、应用范围及应用实例

  在页岩气储层评价中，测井可以进行定性和定量解释。定性解释内容包括识别岩性、判断含气页岩层、识别裂缝等。定量解释内容包括：确定矿物成分；计算孔隙度、渗透率；计算干酪根含量/总有机碳含量（TOC）、吸附气和游离气含量；计算热成熟度和热成熟度指数（MI）；计算储层厚度；计算弹性参数；评价天然气地质储量（GIP）等。下面分别对应用情况做简单的介绍：

  1.识别岩性和计算矿物成分

  Flower（1983）利用声波测井、电阻率测井，快速直观地识别了俄亥俄泥盆纪页岩储层。Walter等（1990）利用自然伽马能谱等测井识别了俄克拉荷马和德克萨斯Woodford页岩气储层等。Luffel等（1992）综合分析测井、岩心，识别Appalachian盆地泥盆纪页岩气储层的岩性，并计算了其矿物成分。Richard等（2007）利用自然伽马测井、电阻率测井识别了得克萨斯Fort Worth盆地密西西比纪Barnett页岩气储层及其厚度。Kinley等（2008）利用测井识别了得克萨斯特拉华盆地密西西比纪页岩气储层。Ross等（2008）综合利用测井分析了加拿大西部沉积盆地泥盆纪—密西西比纪页岩气储层的矿物成分。Scott等（2008）利用测井划分了得克萨斯Fort Worth盆地密西西比纪Barnett页岩气储层岩性。Gary等（2011）对Appalachian盆地中泥盆统Marcellus地层的页岩气储层进行了识别。

  2.裂缝识别与评价

  Gale等（2007）综像测井和岩心对Fort Worth盆地密西西比纪Barnett页岩气储层的裂缝体系进行了评价（图3）。Boyer等（2010）指出，在页岩气水的开发中，随钻成像测井系统已被应用于解决水测井存在的一些问题。应用该系统可以在整个井筒长度范围内进行电阻率成像和井筒地层倾角分析。成像能够将地层天然裂缝和钻井诱发裂缝进行比较，帮助作业者确定射孔和油井增产的最佳目标。利用测井得到的成像来识别地震无法识别的断层。Hamed Soroush等指出，在页岩气储层测井为了防止井眼垮塌时，通常采用油基泥浆钻井，为了评价裂缝通常使用油基泥浆电阻率成像测井（OBMI）和超声成像测井（UBI）。Waters等（2010）论述了页岩气水钻井中成像测井的应用，用于识别层理和裂缝。

  图3 水力压裂示意图

  （a）水力压裂增长过程；（b）微地震图；（c）岩心中压裂引起的裂隙封闭和张开

  3.判断含气页岩

  Lewis等（2004）给出了含气页岩的典型测井曲线图，上部含气页岩为Oklahoma州泥盆系—密西西比系Woodford页岩，表现为伽马、电阻率高值，密度、Pe低值；下部为Sylvan地层，不含气。测井曲线差异明显。

  4.计算孔隙度、渗透率、饱和度

  Soeder于1984年计算了Appalachian盆地泥盆纪页岩气储层的孔隙度及渗透率。Luffel等（1989）综合利用测井、岩心，计算了Appalachian盆地泥盆纪页岩气储层的孔隙度、有效孔隙度及含气饱和度，并分析了其渗透率。Ross等（2008）综合利用测井计算了加拿大西部沉积盆地泥盆纪—密西西比纪页岩气储层总孔隙度、渗透率。LeCompte等（2010）的研究指出核磁共振测井（NMR）也可用于计算孔隙度，计算结果与岩心分析孔隙度非常一致。

  5.确定总有机碳含量

  研究表明，页岩气储层的含气量主要取决于其总有机碳含量。

  根据自然伽马测井可计算TOC。Schmoker于1981年对美国Illinois州New Albany页岩岩心进行研究，发现自然伽马测井值与TOC呈线性关系。

  据密度测井计算TOC。Schmoker于1979年对美国Illinois的New Albany页岩岩心进行研究，发现TOC与密度测井值之间具有良好的相关性，因此利用密度测井计算总有机碳含量。Schmorker和Hester（1979）、Hester和Schmorker（1987）的文献均有相关内容的报道。Schmorker和Hester于1979 年在Anadarko盆地Woodford页岩层分析中，TOC计算结果的置信度达到90%，误差约为± 1.6%（质量分数）。

  电阻率-孔隙度曲线叠合图也可以用于确定TOC，这种方法也称为ΔlgR法。Passey等（1990）给出了利用声波时差和地层电阻率计算TOC的数学表达式。

  6.确定热成熟度指数

  图4 来自测井分析的热成熟度图

  当页岩中TOC达到一定指标后，有机质的成熟度则成为页岩气源岩生烃潜力的重要预测指标，含气页岩的成熟度越高表明页岩生气量越大，页岩中可能赋存的气体也越多。

  Zhao Hank等（2007）研究了Fort Worth盆地Barnett页岩气层的热成熟度指数（图4），给出了利用测井计算MI的公式。

  Miller（2010）对比了页岩层不同镜质体反射率R_o的各种测井曲线响应特征，认为R _o影响测井曲线的变化：当R _o在1.8～2.0范围内时，密度低值，密度和中子曲线重叠，地层电阻率高值达到（100Ω·m）；当R_o＞4.5时，密度高值，密度和中子曲线分开，地层电阻率非常小（＜1Ω·m）。

  7.计算储层岩石力学参数

  Gatens等（1990）利用声波测井、原位应力计算了Appalachian盆地页岩气储层的力学参数，绘制了地应力剖面。

  Rick Rickman等（2008）针对页岩气储层的压裂问题论述了每一种页岩气储层不见得都与Barnett地层相同。在压裂中必须进行优化设计，为此必须进行演示物理参数的计算，在这篇文献中他提出了脆性、闭合压力、压裂宽度、杨氏模量、泊松比等计算方法，并给出了实例。

  8.确定天然气地质储量等

  Cluff（2006）利用Langmuir公式计算了Woodford页岩气储层的平均地质储量，并绘制成平面图。

  三、来源

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