涪陵頁巖氣儲層產氣性評價方法

廖 勇，譚 判，石文睿，馮愛國，何浩然

(1.中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司,湖北潛江 433123；2.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500；3.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川成都 610500)

頁巖氣是指賦存于頁巖及其夾層中、以吸附和游離狀態為主要存在方式的烴類氣體[1_4]。由于頁巖氣儲層具有特低孔低滲、非均質性強等特點[5_6]，造成了測錄井評價結果與實際頁巖氣儲層產氣性有差異。金之鈞等人[7]研究了川東南地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集與高產控制因素，指出頁巖氣具有“五性一體”雙甜點特征；郭彤樓等人[8]對焦石壩地區頁巖氣富集高產模式進行了研究；梁興等人[9]進行了中國南方復雜山地頁巖氣選區評價指標體系研究，提出了頁巖氣評價十大指標；徐兵祥等人[10]根據儲層含氣量、頁巖氣滲流機理和儲層壓裂改造特征等建立了產量預測模型。綜上所述，國內外學者在頁巖氣高產富集模式、評價指標和產能預測等方面進行了深入的研究，對頁巖儲層自身品質認識較深，但對影響頁巖氣產氣性地質條件的分析較少，且缺少評價頁巖氣儲層產氣性的方法，因此有必要建立基于頁巖氣儲層自身品質和其他地質因素影響的頁巖氣儲層產氣性評價方法。

筆者以測錄井資料為基礎，通過研究測試結果與試驗數據，分析了頁巖氣儲層的測錄井參數和其他地質因素對頁巖氣儲層產氣性的影響，優選評價參數，建立了以評價參數賦分標準為約束的頁巖氣儲層產氣性評價方法，并對涪陵地區頁巖氣儲層的產氣性進行了評價。

1 評價思路

涪陵頁巖氣田所處構造隸屬于川東褶皺帶，位于萬縣復向斜南部與方斗山背斜帶西側的交匯區域[11]。研究區在晚奧陶世五峰組—早志留世龍馬溪組時期主要為淺海陸棚沉積，先后沉積了2套比較穩定的、富有機質的頁巖。

深入分析涪陵焦石壩地區40余口頁巖氣井產氣剖面認為,同一構造上頁巖氣儲層的產氣性具有一定規律，主要表現為受儲層自身品質和地質條件的雙重控制。為此，結合前人對頁巖氣產氣評價參數的研究成果[12]，優選出產氣性評價參數，建立產氣性評價參數賦分標準，運用灰度關聯理論確定各參數權重。將影響頁巖氣儲層產氣性的測錄井評價參數歸為頁巖氣儲層評價指數LEI類，將影響頁巖氣儲層產氣性的其他地質因素歸為頁巖氣產氣影響因子GPF類，分別計算頁巖氣產氣影響因子GPF和頁巖氣儲層評價指數LEI分值，建立評價圖版，進行各層段產氣性評價。

2 評價方法

結合頁巖氣儲層甜點評價的研究成果[13_15]和頁巖氣儲層產氣測試分析結果，優選出涪陵頁巖氣儲層產氣性評價參數，并將其分為頁巖氣儲層評價參數和頁巖氣產氣影響評價參數2類。

2.1 頁巖氣儲層評價參數

在常規油氣藏儲層評價參數密度、補償中子、孔隙度及泥質含量的基礎上，引入了總有機碳含量和生物成因硅質含量作為頁巖氣儲層評價參數。

密度反映地層總孔隙度的大小，由于有機質密度較小，密度反映明顯。補償中子反映地層含氫量，因此對含氣頁巖儲層具有較強的敏感性。泥質含量影響頁巖氣儲層的儲集特性，同時影響測井各項解釋參數；孔隙度主要反映頁巖儲層孔隙的大小，同時間接反映儲層的孔隙特征和滲透能力?？傆袡C碳含量作為有機質豐度評價的重要指標，能夠衡量烴源巖的生烴強度和生烴量，是評價頁巖氣儲層的關鍵參數。生物成因硅質含量與頁巖微觀孔隙和頁巖氣產量存在著較好的相關性，生物成因硅質對硅質頁巖的形成有明顯貢獻,而且生物來源硅對硅質頁巖孔隙的發育和巖石的壓裂性質有重要影響，由于存在這樣的耦合關系，生物成因硅質含量成為頁巖氣儲層評價的一個重要參數。因此，選取密度、中子、孔隙度、泥質含量、總有機碳含量及生物成因硅質含量作為頁巖氣儲層評價參數。

2.2 頁巖氣產氣影響評價參數

研究發現，頁巖氣儲層產氣性影響因素主要包括頁巖氣儲層巖性非均質性、烴對比系數、地層壓力系數、儲層埋深和脆性指數。

2.2.1 儲層巖性非均質性

儲層非均質性主要包括巖性和物性2個方面，研究發現,儲層巖性非均質性對頁巖氣儲層產氣性的影響主要表現為頁巖儲層的縱向非均質性越強，儲層的壓裂改造效果越差，影響頁巖氣縱向滲流。因此，引入能反映儲層巖性變化的去鈾自然伽馬的標準差作為儲層巖性非均質性系數，表示頁巖氣儲層每段去鈾自然伽馬偏離均值的程度，評價儲層巖性的非均質性。其計算公式為：

(1)

式中：σKTh為去鈾自然伽馬的標準差，API；N為自由度；q(KTh)i為第i個去鈾自然伽馬值，API；q(KTh)a為去鈾自然伽馬值的算術數平均值，API。

2.2.2 烴對比系數

烴對比系數為目的層全烴或甲烷異常顯示值與非目的層段基值的比[16]，能準確反映地層含烴量的變化，同時間接反映儲層壓力的高低。

2.2.3 地層壓力系數

頁巖氣井單井產能與地層壓力系數存在明顯的強正相關關系[17](見圖1)，同時地層壓力系數在一定程度上能夠反映頁巖氣的保存條件，壓力系數越高，儲層保存頁巖氣的條件越好。儲層壓力系數越高，越有利于儲層微裂縫發育，也越有利于儲層壓裂改造。

圖1 地層壓力系數與無阻流量的關系Fig.1 Relationship between formation pressure coefficient and open flow capacity

2.2.4 儲層埋藏深度

頁巖儲層埋藏深度(簡稱埋深)與儲層評價參數有著密切的關系，直接影響頁巖氣的聚集和生產。埋深增加，上覆巖層壓力增大，頁巖裂隙閉合，滲透率降低，產氣量降低[18]。

2.2.5 脆性指數

實踐表明，頁巖儲層的脆性指數對儲層壓裂改造至關重要。當其他條件相同、脆性指數不同時，人工裂縫形態不同，可見脆性指數直接影響儲層壓裂改造的效果，間接影響儲層的產氣性(見圖2)。

圖2 脆性礦物含量與產氣貢獻率的關系Fig.2 Relationship between the content of brittle minerals and gas production contribution rate

脆性指數計算公式為：

(2)

式中：Ibr為儲層脆性指數；VSi為儲層長英質礦物含量；VC為儲層碳酸鹽巖礦物含量；VTh為儲層黏土礦物含量。

2.3 建立頁巖氣儲層產氣性評價賦分標準

根據研究區內頁巖氣儲層劃分標準，將頁巖氣產氣影響因子GPF和頁巖氣儲層評價指數LEI按照0～1的范圍等分為4個賦分區間。將影響頁巖氣產氣的參數和頁巖氣儲層評價參數與分段產氣剖測試結果相結合進行數理統計后，確定了頁巖氣產氣影響因子和頁巖氣儲層評價指數的賦分標準(見表1和表2)。

表1 頁巖氣產氣影響因子GPF賦分標準Table 1 The parameters assignment criterion of shale gas production influence factor GPF

表2 頁巖氣儲層評價指數LEI賦分標準Table 2 The parameters assignment criterion of shale gas reservoir evaluation index LEI

2.4 建立評價圖版

2.4.1 確定頁巖氣產氣影響因子GPF及頁巖氣儲層評價指數LEI分值

頁巖氣產氣影響因子GPF分值是根據儲層產氣性評價參數賦分標準，分別對巖性非均質性系數、烴對比系數、地層壓力系數、儲層埋深和脆性指數賦以分值，然后將各參數分值乘以權重后求和，得到產氣影響因子GPF分值。

頁巖氣儲層評價指數LEI分值是根據儲層產氣性評價參數賦分標準，分別賦以密度、總有機碳含量、孔隙度、補償中子、泥質含量和生物成因硅質含量分值，然后將各參數分值乘以權重后求和，得到頁巖氣儲層評價指數LEI分值。

參數對應權重計算方法是采用灰色關聯度[19]對各個參數進行科學賦值，從而確定參數權重。具體計算方法為：

1) 確定所有m個評價層段組和所有n個評價參數，組成一個m×n的關聯矩陣E。

2) 對原始數據矩陣進行初值化變換或進行均值化變換。確定每列中最大序列值為1，其他序列值與最大序列值相除變為小于1的數值；然后將極性不一致的數據轉化為極性一致的數據，再計算評價對象下的比較序列與參考序列之間的差序列及其極值。各因素的關聯度計算公式為：

(3)

式中：rj為第j個參數的關聯度；m為評價層段數；kmin為兩極最小差；kmax為兩極最大差；Δk為絕對差。

3) 對關聯度進行歸一化處理，得權重集A={a1,a2,…,an}。其中aj的計算公式為：

(4)

式中：ai為第j個參數的權重。

根據涪陵頁巖氣田實際獲得的頁巖氣地質數據，選取6段頁巖氣層段，獲取相關參數(見表3和表4)。按照上述方法求得頁巖氣產氣影響因子GPF的評價參數巖性非均質性系數、烴對比系數、地層壓力系數、儲層埋深和脆性指數的權重依次為0.172，0.212，0.212，0.198和0.206；頁巖氣儲層評價指數LEI的評價參數密度、總有機碳含量、孔隙度、補償中子、泥質含量和生物成因硅質含量的權重依次為0.165，0.164，0.174，0.164，0.169和0.164。

表3 頁巖氣儲層產氣影響因子GPF參數統計結果Table 3 Parametric statistics of shale gas production influence factor GPF

表4 頁巖氣儲層評價指數LEI參數統計結果Table 4 Parametric statistics of shale gas reservoir evaluation index LEI

2.4.2 建立GPF-LEI評價圖版

根據涪陵地區頁巖氣儲層評價分類賦分標準，將頁巖氣儲層產氣性類別劃分為4個類別區間：Ⅰ類為優質頁巖氣儲層，區間值為GPF、LEI分值均大于等于0.75，該類層段壓裂試氣有望獲得相對較高的工業氣流；Ⅱ類為中等頁巖氣儲層，區間值為GPF、LEI分值均大于等于0.50、且小于0.75，該類層段壓裂試氣有望獲得中等產量；Ⅲ類為低等頁巖氣儲層，區間值為GPF、LEI分值均大于等于0.25、且小于0.50，該類層段壓裂試氣能夠獲得低產量；Ⅳ類為非有效頁巖氣儲層，區間值為GPF、LEI分值均小于等于0.25，該類層段基本無產能。按照上述原則繪制得到GPF-LEI評價圖版(見圖3)。圖中，紅色圓點表示Ⅰ類產氣層段；黃色三角形點表示較好的Ⅱ類產氣層段，紫色的三角形點表示中等的Ⅱ類產氣層段，綠色三角形點表示較差的Ⅱ類產氣層段；黑色菱形點為Ⅲ類產氣層段。

圖3 頁巖氣儲層產氣性評價圖版Fig.3 Segmental gas production evaluation of shale gas reservoir

3 應用效果分析

采用上述頁巖氣儲層產氣性評價方法對涪陵頁巖氣焦石壩地區73段頁巖氣層段進行產氣性評價，將評價結果與產氣剖面試氣成果進行對比分析，分析結果表明，頁巖氣儲層產氣性評價類別越好，無阻流量越高。

產氣剖面統計結果表明，Ⅰ類產氣層段無阻流量為(2.52～6.09)×104m3/d，平均3.51×104m3/d，產氣量高且較穩定；Ⅱ類產氣層段無阻流量為(0.21～3.55)×104m3/d，平均1.06×104m3/d，產氣量分布范圍大且波動頻繁；Ⅲ類產氣層段無阻流量在(0～0.25)×104m3/d，平均0.21×104m3/d，產氣量低且基本穩定(見圖4)。

圖4 產氣性評價類別與無阻流量區間分布統計結果Fig.4 The interval distribution statistics for gas production property categories and open flow capacity

A井是涪陵頁巖氣田二期產能建設區平橋區塊部署的一口生產井，水平段在龍馬溪組—五峰組頁巖儲層穿行1 523.00 m。該井水平段評價參數特征為:密度2.53～2.72 g/cm3，總有機碳含量2.21%～4.61%，孔隙度2.5%～5.5%，補償中子10.1%～19.7%，泥質含量7.6%～31.7%，生物成因硅質含量10.5%～81.3%，巖性非均質性系數7.9～21.9，烴對比系數3.2～16.2，地層壓力系數1.40～1.45，儲層埋深2 797.40～2 999.60 m，脆性指數66.2%～91.8%。該井分18段壓裂，按照該方法評價各段的產氣性(見圖5)。其中，1個層段的產氣性評價為Ⅰ類，16個層段的產氣性評價為Ⅱ類，1個層段的產氣性評價為 Ⅲ 類。按照產氣平均無阻流量，預測該井試氣測試無阻流量為21.47×104m3/d，單井測試無阻流量18.59×104m3/d，相對誤差為15.5%，該井頁巖氣儲層產氣性評價結果與測試無阻流量基本吻合，達到了評價效果。

4 結論與建議

1) 綜合考慮頁巖氣儲層自身物性與其他地質因素，通過優選評價參數和確定評價標準，建立了一種頁巖氣儲層產氣性評價方法。

2) 采用GPF_LEI綜合評價涪陵頁巖氣儲層的產氣性時，首先優選頁巖氣產氣影響因子GPF、頁巖氣儲層評價指數LEI具體參數并建立賦分標準，然后利用交匯圖版法評價頁巖氣儲層的產氣性。

3) 以往研究主要針對地質條件相對穩定的涪陵頁巖氣區，隨著涪陵頁巖氣勘探開發區域不斷擴展，儲層評價結果與產氣性具有差異的層段越來越多，需要對地質與工程條件更加復雜區域相關問題進行深入研究。

4) 建議進一步開展與頁巖氣儲層產氣性相關的壓裂工程參數拓展研究。