下扬子盆地页岩气有利储层分布及测井评价技术

下扬子盆地页岩气有利储层分布及测井评价技术

刘巍

中石化经纬有限公司华东测控分公司  江苏省扬州市  邮编225007

摘要：下扬子盆地广泛发育了多套黑色碳质页岩，其形成条件、地质背景、沉积环境等均与北美页岩气藏具有较好相似性，具备形成页岩气藏的有利条件。本文通过对下扬子盆地页岩层分布、岩性特征以及页岩地化参数等进行综合阐述，分析了下扬子盆地页岩气资源勘探开发前景，并总结了页岩储层的测井评价思路和技术。

关键词：下扬子 页岩气 储层评价 吸附气

1 地质背景

1.1下扬子盆地页岩气资源概述

下扬子地区从晚震旦世开始至中三叠世沉积了三套巨厚的海相烃源岩系，即上震旦统－上奥陶统、石炭系－二叠系、下三叠统海相烃源岩，其热演化特点各不不同，有的处于成熟干气阶段、有的处于生油阶段晚期，少数处于未成熟阶段，总体烃源条件极为理想，具有良好的油气勘探前景，多年来区域所部署的钻井中也频频见到油气显示，但基始终未获油气突破，很尴尬的成为中国最后一个没有找到规模性油气田的大型沉积盆地。

下扬子盆地未获突破的原因很多，地质上认为主要原因是燕山早、中期构造运动的强烈挤压严重破坏了原有油气藏，但这种构造运动对烃源岩中残余气破坏极为有限，再加上页岩气自生自储以及以吸附气为主的储层特性，因此在烃源岩中寻找页岩气，为下扬子地区油气资源的勘探提供了斩新思路，初步匡算的页岩气资源量是8436亿立方。

1.2页岩气有利储层分布

目前下扬子盆地已钻油气井页岩气主要分布在二叠统，其中中-上二叠统泥页岩主要分布在龙潭组、大隆组，区域上分布在皖南-浙北-苏南及苏北南部，厚度一般在50～200m，大隆组主要分布于皖南芜湖-苏南句容-苏北海安一线，厚度一般在20～50m；下扬子区下二叠统泥页岩分布广泛，主要在沿江断裂以南地区，栖霞组和孤峰组的厚度均在50～100m。而页岩厚度和分布面积是保证页岩气藏有足够的有机质及充足的储集空间的重要条件。

其中在大隆组、龙潭组、孤峰组稳定发育厚度较大（厚度大于100米）的页岩，页岩微孔隙发育，薄片分析页岩中富含脆性矿物，且埋藏深度适中，一般为1400-3500米，录井显示裂隙含气，气测异常，页岩有机碳含量TOC>2%，热演化程度R0：1%-1.35%，有机质演化处于生气窗，具备页岩气藏生成的有利条件，是页岩气勘探的有利区块。

下图1是下扬子地区的某口井测井图，分析认为大隆组地层具有较好的页岩气显示。

图1  黄桥地区××井典型页岩气测井电性特征

2 泥页岩矿物组成分析

下二叠统（孤峰组）和上二叠统（龙潭组、大隆组）岩性是由钙质泥岩、硅质泥页岩、和炭质泥岩组成。

通过对上二叠统（龙潭组、大隆组）、下二叠统（孤峰组）页岩岩芯样品实验分析（见图2），二叠系岩芯的矿物组分以石英、长石、黄铁矿和粘土矿物为主，硅质成份占大部分，不同层位不同岩石类型其含量不同。其中石英、长石、黄铁矿含量为14～94%，平均72.3%。碳酸盐岩含量较少，多介于0～6%，平均1.3%。孤峰组岩矿成份以石英、长石、黄铁矿为主，占矿物总量的80%以上，几乎不含碳酸盐岩和硬石膏。大隆组层位的石英、长石、黄铁矿的含量大于40%，其中部分岩芯样品含量大于90%，但其碳酸盐岩和硬石膏的含量仍然非常低。龙潭组层位的石英、长石、黄铁矿的含量为40～90%之间，比孤峰组层位的有所降低，碳酸盐岩、硫酸盐岩的含量比孤峰组略高一点。

从矿物成分上来看二叠系泥页岩硅质、钙质矿物成分较高，能使地层脆性加大从而易于压裂造缝，而页岩具有非常低的原始渗透率，如果天然裂缝发育不够充分，就必须进行压裂来产生更多的裂缝，促进裂缝与井筒相连，为天然气解析提供更大的压降和面积，确保页岩气长期稳产。

图2  X射线全岩衍射的二叠系岩石矿物组分平均含量直方图

3 页岩有机地化参数特征

泥页岩自身地球化学特征与页岩气成藏密切相关，泥页岩有机地化特征不但影响着岩石的生气能力，而且对岩石的储集能力（尤其是吸附能力）具有重要的控制作用。富含有机质页岩中生成天然气的数量主要取决于以下三个因素：①岩石中原始沉积的有机物质的数量，即岩石中的有机碳含量；②不同类型有机物质成因的联系和原始生成天然气的能力，即有机质类型；③有机物质转化成烃类天然气的程度，有机质热演化程度。前两个因素主要取决于沉积位置的环境，而第三个主要取决于沉积后热演化的强度和持续时间，或是在最大埋深下的压实变质作用。

3.1有机质丰度

含气页岩的有机质丰度（有机碳含量），不但决定页岩气的生成量，而且影响页岩气的赋存和富集，进而影响页岩气的资源丰度。而有机碳含量是页岩气藏评价中的一个重要指标，它既是页岩生气的物质基础，决定页岩的生烃强度，也是页岩吸附气的载体之一，决定页岩的吸附气大小，还是页岩孔隙空间增加的重要因素之一，决定页岩新增游离气的能力，图3有机碳与含气量关系图。二叠系页岩有机碳含量普通大于2%，有机质丰度较高，具有形成良好页岩气藏的物质基础。

3.2干酪根成熟度

干酪根的成熟度不仅可以用来预测源岩中生烃潜能，还可以用于高变质地区寻找裂缝性页岩气储层潜能，作为页岩储层系统有机成因气研究的指标。干酪根的热成熟度也影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的天然气量。含气页岩的热成熟度通常用Ro来表示，对于质量相同或相近的烃源岩，一般来说Ro越高表明生气的可能越大（生气量越大），裂缝发育的可能性越大（游离态的页岩气相对含量越大），页岩气的产量越大。热成熟度控制有机质的生烃能力，不但直接影响页岩气的生气量，而且影响生烃后天然气的赋存状态、运移程度、聚集场所。适当的热成熟度配合适宜的生烃条件使生气作用处于最佳状态。

下扬子二叠系页岩为浅海陆棚沉积，硅质页岩发育稳定，镜质组反射率Ro 1-1.35％，有机质演化处于生气窗，达到页岩气藏的有机碳、成熟度指标，具备形成页岩气藏的基本条件，是页岩气藏开发的有利区。

4 页岩层测井评价思路与方法

页岩气测井评价技术主要分为五个方面：一是定性识别有利储层；二是定量计算总有机碳含量、成熟度等地球化学参数，类似烃源岩评价；三是储层参数计算；四是地应力和岩石物理参数计算；五是优化完井方案。

4.1 页岩的定性识别

准确的进行页岩识别是页岩气测井评价的关键，含气页岩在测井曲线与普通泥页岩具有明显的区别，通过总结分析，与普通页岩相比，含气页岩储层具有高自然伽马、高电阻率、高声波时差、高中子、低光电吸收指数、低体积密度的特征。利用测井资料可以有效地定性识别页岩气储层，见图4。

4.2 有机质评价技术

有机质含量与页岩吸附气量之间存在线形关系，因此有机炭含量是评价含气量的决定性的地化指标，对于页岩气的勘探开发具有重要的参考意义。利用测井方法可以快速、经济地求取烃源岩有机质丰度，获取钻井剖面的有机碳含量曲线。目前测井评价有机碳采用的方法主要有：自然伽马－电阻率法、电阻率－孔隙度曲线交会法、ΔLgR法、回归法以及自然伽马能谱法等，在有精确的岩心分析数据的基础上，标定测井模型，从而可以有效的利用测井手段进行页岩层的有机质评价。

4.3 估算成熟度指数

当页岩中总有机质含量达到一定指标后，有机质的成熟度则成为气源岩生烃潜力的重要评价指标，成熟度越高生气量越大。长江大学潘仁芳教授提出了一种利用分析化验资料和测井资料结合估算成熟度指标MI，该指标与镜质体反射率Ro有较好的线形正相关性。

4.4 含气量计算

页岩气主要由吸附气和游离气组成，这两种气的赋存机理截然不同，但共同的特点是丰度低，现有的计算的方法也不同。

岩石中的吸附气丰度较低，对现有的所有测井手段都不能造成有效响应，因此测井计算十分困难，但目前国内外进行了大量尝试，也总结除了一系列行之有效的方法，主要有单元线形回归法、等温吸附线法、多元非线形回归法。目前测井进行页岩气吸附气含量计算主要是通过朗格缪尔等温吸附线法，其原理示意图见图5。

图5  页岩气等温吸附示意图

4.5储层参数计算

页岩根据成份的不同，分为黑色页岩、炭质页岩、钙质页岩、硅质页岩、油页岩等，其中黑色页岩和炭质页岩有机炭含量高，有利于生气；石英含量高的页岩比较脆、易压裂，有利与天然气产出，因此分析钻遇页岩的成份，对于评价储层具有主要意义。

元素俘获测井用中子与地层各种元素作用发生辐射俘获核反应,瞬发的γ射线能量不同，测量和分析瞬发俘获γ能谱、定性、定量确定地层中的元素成分和含量，以此可以定量分析组成页岩的矿物成份，准确判断页岩类型。此外，元素俘获测井通过准确获得页岩气矿物组分，从而标度岩性，给出骨架参数，为页岩气的孔隙度、渗透率以及泥质含量等关键储层参数计算奠定了基础。

补偿密度、补偿中子、声波时差等测井参数与泥质、硅质、钙质、干酪根以及孔隙体积百分含量的响应方程，表达式为：

式中：Xlog——分别为声波时差、密度、中子等测井数值；

Vcl、Vs、VL、Vtoc、VΦ——分别为泥质、硅质、钙质、干酪根和孔隙体积百分比，单位均为（%）；

Xcl、Xm、Xtoc、XΦ——分别为泥质、硅质、钙质、干酪根和孔隙流体的声波、密度和中子的骨架值。

4.6 页岩层理、裂缝分析

页岩基质有效孔隙度很小，天然渗透性极差，页岩气的渗流通道主要是自身的层理及天然、人工裂缝，因此准确评价层理和裂缝的发育程度是储层评价的重要组成部分。

利用测井资料评价裂缝和岩石层理是常规油气层勘探开发的重要手段，理论和方法已经非常成熟，其中最为直观、有效的是声电成像测井，可以对岩石层理、裂缝产状、张开程度等进行精确的定性乃至定量分析，其突出的应用效果在长期实践中已经为业界所公认，可以直接应用在页岩气井中，描述天然裂缝系统的几何结构，为压裂设计方案提供依据。

4.7 岩石弹性模量计算和压裂预测

因为页岩固有的低孔、低渗透性，所以压裂增产是页岩气开发的最关键的技术之一，压裂改造的成功与否直接决定着井的成败。而压裂作业之前必须清楚的了解地区构造应力、最大主应力方向、压力系数等地应力资料，以及待压裂层及其上下围岩的岩性、物性、弹性模量、波松比等参数，在此基础上计算破裂压裂剖面、评估地层的可压裂性、预测缝高，并以此为依据制定压裂设计方案。

上述重要资料中除区域构造应力外都是可以利用测井资料方便、经济的求取，可以由长源距声波、多极子声波、双井径等成熟的测井方法获得所需的纵横波速度、井眼长轴方向等数据，从而进行地应力、岩石力学参数计算等（图6）。如果有岩芯力学实验数据标定，效果会更加理想。

图6  岩石力学计算成果图

5结论

（1）下扬子盆地是有利的页岩气勘探发育区域，纵向上发育三套黑色碳质页岩，主要集中在龙潭组、大隆组和孤峰组，这三套页岩横向上发育稳定，有机质含量丰富，且页岩的成藏条件、地质背景等与北美含气页岩均有较好的相似性。

（2）二叠系页岩有机质丰度高，有机碳含量大于2％，镜质组反射率Ro： 1-1.35％，有机质演化处于生气窗，该层位在区域上多口井见气测异常显示，均达到页岩气藏的有机碳、成熟度指标，且页岩泥质含量较低，小于30％，硅质含量高，这些条件均是形成页岩气藏开发的有利条件。

（3）通过对页岩储层特征的综合研究，建立的页岩气测井评价思路和流程已经成功运用到下扬子盆地老井复查研究中，通过对比岩芯实验数据、测试数据以及区域地质特征，证明测井建立的页岩气测井方法行之有效，页岩储层测井评价结果能够满足页岩气的勘探开发需求。

参考文献:

[1] 马林等，下扬子及黔西海相地层页岩气老井资料复查及测井评价报告，内部资料，2011年

[2] 翟常博、王果寿等，中国南方页岩气选区评价研究报告，内部资料

[3] 马林，页岩储层关键参数测井评价方法研究，2013年12月

[4] 张金川.中国页岩气资源勘探潜力[J]. 天然气工业. 第28卷第6期.2008

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