页岩吸附气含量测井计算模型及其在昭通A井的应用

冀昆,余春昊,郭瑛,李国军,李新,王晓冬

(1.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西 西安 710077;2.中国石油集团测井有限公司塔里木分公司,新疆 库尔勒 841599)

0 引 言

页岩气除了极少部分呈溶解状态赋存于干酪根、沥青和结构水中外,绝大部分天然气以吸附状态赋存于有机质和黏土矿物颗粒表面(20%～85%),或以游离方式赋存于孔隙和裂缝之中[1]。通过测井数据结合岩心实验建立页岩储层吸附气含量的测井解释模型,可以预测页岩的有效吸附气体含量,减少实验成本。Decker等[2]研究发现,页岩实测含气量与有机碳含量存在较好的正相关性,而有机碳含量与体积密度存在很好的负相关,从而建立体积密度与含气量的计算模型预测Antrim页岩含气量。Cluff等[3]以等温吸附和体积模型为基础,利用测井解释参数计算了Delaware盆地Barnett页岩和Woodford页岩原地资源量。Utley等[4]使用神经网络计算关键参数,基于等温吸附和体积模型计算了Fayetteville页岩含气量。

Lewis等[5]提出了基于等温吸附实验的测井校正模型,该模型被用在斯伦贝谢公司的测井解释软件中。模型首先对Langmuir参数进行温度的校正,再进行TOC的校正估算储层条件下不同深度点的吸附气量。在实际页岩储层中,页岩储层吸附的介质主要是有机质,但黏土矿物孔隙中仍吸附部分甲烷气。且不同的干酪根,不同的有机质成熟度和排烃强度,不同的孔隙发育以及不同的含水饱和度都会影响页岩中介质对甲烷气体吸附量[6]。

本文以滇黔北昭通国家级页岩气示范区的昭通A井的岩心数据为基础,通过Langmuir体积的物理含义,探讨有机质孔隙和黏土矿物孔隙对气体吸附的影响。并考察通过有机质孔隙空间和黏土矿物孔隙空间对Langmuir体积作更合理的校正。

1 研究区块和实验概况

滇黔北探区大地构造上属于扬子地块构造域西南边缘的滇黔北坳陷,主体为威信凹陷的中西部区域,其北侧为四川盆地(海相古生界构造台坳)。昭通A井位于昭通凹陷。研究资料来自于昭通A井龙马溪组的15块样品数据。收集了该井等温吸附数据、孔隙度、X衍射全岩分析等数据。等温吸附采用300型等温吸附仪,样品等温吸附温度为30 ℃。等温吸附方法和标准采用GB/T19560—2004标准执行,等温吸附结果见表1。从表1可以看出,虽然在同一压力下,页岩整体吸附特性随TOC的增大而增大,但很多时候并不完全与TOC成正比。有些低TOC点也表现出了良好的吸附特性。实验结果显示该页岩储层干酪根类型为Ⅲ型,镜质体反射率在2.7～3.8之间,有机质含量在0.26%～3.85%之间。

表1 昭通A井龙马溪组岩石样品实验数据

2 对不同温度校正模型

对于采用Langmuir方程计算吸附气含量,首先需要确定等温吸附参数(Langmuir压力和Langmuir体积),然后计算吸附气含量。确定不同深度、不同性质页岩的等温吸附参数成为计算吸附气含量的关键。工程中普遍采用的Langmuir方程为

(1)

式中,Ga为吸附气含量,m3/t;p为油藏压力,MPa;pL为Langmuir压力,MPa;VL为Langmuir体积,m3/t。

斯伦贝谢公司基于大量的北美含气页岩等温吸附线,建立了等温吸附参数计算的经验法。首先通过大量等温吸附线,得到Langmuir体积、压力及温度差(等温吸附实验温度与不同深度页岩的温度差)近似呈指数关系,Langmuir体积与总有机碳含量呈线性关系,根据这2种关系对等温吸附线进行温度和总有机碳含量的校正,得到不同深度、不同性质页岩的等温吸附参数[5]。

图1 龙马溪组有机质孔隙发育的不同

温度校正方法为

VLt=10(-c1·T+c2)

pLt=10(c3·T+c4)

c2=logVL+(c1·Ti)

c4=logpL+(-c3·Ti)

(2)

式中,VLt为在油藏温度下的Langmuir体积,m3/t;pLt为在油藏温度下的Langmuir压力,MPa;c1和c3为常数;c2和c4为中间过渡变量;T为油藏温度;Ti为等温实验的温度。c1和c3需要根据具体的地区样品数据进行刻度,在缺少样品数据时,可分别取值0.002 7和0.005。具体计算可简化为[6]

VLt=35.3357VL×1.0062Ti-T

(3)

pLt=145.1379pL×1.0116T-Ti

3 对不同吸附孔隙表面积的校正模型

在实际页岩储层中,甲烷的吸附空间不仅存在于有机质孔隙的表面,还存在于黏土矿物孔隙的表面。页岩吸附表面积应由有机质孔隙空间和黏土矿物孔隙空间2部分组成。页岩储层非均质性强,不同的页岩有机质孔隙和无机质孔隙发育情况差别很大。这也导致页岩储层实际可供气体吸附的孔隙表面积差别很大。由于孔隙的成因不同及其结构演化的不同,其吸附能力也有所差别。为了便于计算,将关系式简化为有机质和黏土矿物对吸附的孔隙表面积的贡献权重。

VLc=a·TOC+b·Vsh+c

(4)

3.1 有机质吸附空间

泥页岩有机质孔隙发育,在富含有机质的泥页岩中,有机质孔隙甚至可以达到总孔隙的90%。有机质孔隙半径跨度大,范围10～300 nm[7]。有机质孔隙可以为吸附气提供有利的空间。有机质孔隙发育受到有机质丰度、类型、成熟度以及压实作用的综合影响(见图1),龙马溪组有机质孔隙发育程度和方式存在较大差别。

一般来讲,有机质孔隙占总孔隙的百分比随有机质丰度、成熟度的提高而提高。不同干酪根类型其有机质的Langmuir常数差别较大:Ⅰ型干酪根的Langmuir常数最小,而Ⅲ型干酪根的最大。这是因为Ι型干酪根芳香化程度较低。近年来,有学者提出含水对有机质孔隙吸附能力的影响。Larsen等[12]通过实验表明,干酪根表面或孔隙内部的官能团结构致使有机质孔隙具有一定吸水能力。同时,Hu等[13]通过分子模拟表明,具有活性官能团的干酪根孔隙对水具有吸附能力。因此,如果页岩生烃能力较强,原生孔隙内水分被排出,甲烷以吸附态与游离态存在于孔隙中。如果生烃能力较弱,原生孔隙可能仍然存在大量可动水,而甲烷仅以溶解态及吸附态(固-液界面吸附)形式存在于孔隙中[14],这时应进行含水校正。

3.2 无机质吸附空间

黏土矿物是泥页岩的主要成岩矿物,占岩石的60%左右。黏土矿物孔隙发育,黏土矿物孔隙也为甲烷吸附提供了大量空间。但不同黏土矿物对甲烷的吸附能力存在较大差异。样品为干样时,黏土矿物吸附能力的大小顺序与比表面积一致,蒙脱石>高岭石>伊利石,当样品处于平衡湿度时,各组分吸附能力发生变化,呈现出伊利石>蒙脱石>高岭石的现象[17](见图2)。

图2 龙马溪组无机质孔隙的发育

相对高成熟页岩,吸附能力受控于黏土矿物的特性在低成熟度页岩中体现更加明显[18]。成岩过程中,黏土矿物的转化可导致相关孔隙结构的变化,进而影响无机组分吸附页岩气的作用。因此,黏土矿物对页岩的吸附性能也有重要影响,尤其在低TOC的页岩中,伊利石等黏土矿物具有微孔结构,也能够吸附气体。

由于黏土矿物具有极强的亲水性,实际储层黏土孔隙表面吸附水膜,并且孔隙中存在一定毛细水及可动水[15]。在黏土孔隙表面存在水膜的情况下,大多数甲烷分子表现为聚集在孔隙中心或者吸附在水膜上,而并非吸附在黏土表面[16]。这就在一定程度上降低了黏土对甲烷的吸附能力。因此,在黏土束缚水较多的储层,有必要对这部分吸附甲烷的能力加以校正。建议等温吸附实验粉样的平衡水分采用尽量与储层条件相同。

孔隙率较低的无机矿物对甲烷吸附的贡献较弱[19],这是由于其孔隙内存在束缚水、可动水及游离气。而在未被矿物填充的微裂缝中通常可以认为其被可动水及游离气充填。

3.3 a、b权值的影响因素

在研究中发现,高演化程度古生界海相富有机质页岩储集层中发育大量有机质孔隙(孔径多小于50 nm),页岩比表面和甲烷吸附量随有机碳含量的增加而增大,此时有机质孔隙是控制高丰度页岩甲烷吸附能力的最主要因素。但是由于有机碳含量低和热演化程度低,低丰度海相页岩和陆相页岩中有机质孔隙发育程度有限,页岩储集空间主要由30 nm～4.5 μm孔径的无机孔隙构成,此时黏土矿物孔隙为甲烷吸附提供了更多的比表面,成为影响其甲烷吸附能力的重要因素。随着成熟度增加,页岩储集层的主要孔隙网络系统由无机孔隙向有机质孔隙转变,有利于提高页岩吸附能力。在成熟度高、有机碳含量低的海相页岩中,有机质孔隙发育少,从而突出了黏土矿物孔隙对甲烷吸附能力的影响,有机质孔隙和无机孔隙处于均势,优势孔隙类型多变可能是其吸附性能变化不规律的主要原因。陆相页岩处于相对较低的热演化阶段,有机质孔隙发育有限,黏土矿物孔隙为甲烷的吸附提供了相对更多的比表面和吸附点位,是影响其甲烷吸附能力的重要因素。因此,在不同类型的页岩储层中,a与b的比值随之变化。

4 昭通A井龙马溪组吸附气含量估算

由于样品都是在地层温度下测量,因此,假设样品已经过温度校正。进行对Langmuir体积吸附比表面的校正。

经过拟合Langmuir体积与TOC和泥质含量的关系,发现TOC的影响要大于泥质含量的影响。具体拟合后的公式为

VL=0.1136TOC+0.0512Vsh+0.0458

(5)

通过式(5)计算得到VL,将其与样品的实际值作比较(见图3)。模型计算值在整体趋势上与实验值相同,但在部分点差别较大。

图3 Langmuir体积实验测试值与模型计算值对比

通过实验得到以上关系式后,若要计算昭通A井龙马溪组纵向吸附气含量剖面,需先计算黏土含量和有机质含量的剖面。

4.1 黏土含量剖面的计算

研究发现,中子与密度曲线的离差可以很好地反映黏土含量的变化,一般情况下,黏土含量增加,中子测井明显增大,而密度测井变化较小,故采用基于中子密度归一化差的方法计算黏土含量[23-24]。由于昭通A井龙马溪组井况条件比较好,基本上没有扩径现象,测井曲线值都比较正常,因此,中子密度离差能够很好反映地层黏土含量,选用基于中子密度离差归一化的方法计算黏土含量(见图4)。由于研究区龙马溪组缺乏岩心分析黏土数据,故在建模时采用斯伦贝谢公司的ECS计算的黏土含量与中子密度差建立相关关系(见图5)。

图4 通过密度中子差值计算黏土含量

图5 计算黏土含量与实验黏土含量交会图

因此,黏土含量可以表示为

Vsh=19.663e2.1887ΔND

(6)

(7)

式中,Vsh为泥质含量,%;ΔND为归一化后密度与中子差值,小数;ρb为密度测井值;φn为中子测井值。计算得黏土含量剖面与岩心黏土含量呈较好的对应关系(见图5)。

4.2 TOC剖面计算

TOC的计算方法较多。在实际运用中较多采用声波电阻率重叠法。依据有机质的非导电性和水及黏土的导电性差异,在相同的压实程度和类似矿物成分的岩石中,当水或黏土的含量增大时,对应的声波时差增大、电阻率降低;当有机质的含量增大时,对应的声波时差增大、电阻率也增大[20-22]。

由图6看出,计算的TOC剖面与实验测得的TOC值在上部有较好的吻合,声波电阻率法能较好表征该地区页岩储层的有机质含量。

图6 TOC计算剖面与TOC实验数据对比*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

4.3 吸附气量及总含气量计算

得到了黏土含量和有机质含量剖面,就可以根据上面得到的该井经验公式来拟合出Langmuir体积的剖面。校正后吸附气量的计算公式为

(8)

游离气体的含量则可以通过体积模型计算

(9)

式中,Gf为游离气量,m3/t;Bg为气体压缩系数,m3/m3;φe为有效孔隙度;Sge为有效含气饱和度;ρb为地层密度,g/cm3。

图7 昭通A井含气量综合测井解释图*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

图7为计算获得者的含气量部分剖面。第7道绿色曲线为总含气量,蓝色曲线为吸附气含量,它们中间充填代表游离气含量。可以看出下部吸附气含量和总含气量都在同等增加。并且孔渗性也较上部明显地改善。因此,可以看出下部具有较大的资源潜力。这与现场解析实验认识基本一致(见表1)。实际计算结果说明该方法具有一定的合理性。可以用来计算和表征页岩储层的吸附气含量。

5 讨论

(1)温度是影响气体吸附量的重要因素。在通过等温吸附实验的样品数据计算目的层段的吸附气量剖面甚至含气量剖面时,若实验温度与储层实际温度差别较大,应先进行温度的校正。

(2)由于页岩储层的非均质性,尤其是陆相页岩储层,不同深度点的泥页岩其可供气体吸附的比表面也有很大的不同。Langmuir体积代表在一定温度下,样品最大的吸附量,这受可供气体吸附的比表面大小有关。利用页岩样品建立Langmuir体积与黏土矿物含量和TOC含量的关系,进而拟合出目的层段的吸附气量剖面。TOC和黏土矿物含量权值随着页岩储层的沉积类别和地域变化。

(3)在邵通A井的计算中,根据该井的具体情况,通过中子密度差值计算了该井黏土含量剖面。通过声波电阻率重叠法计算了TOC剖面。并以此计算出了吸附气含量剖面。游离气剖面由体积模型计算,得出总的含气量剖面,计算结果显示目的层段下部具有较丰富的含气量,这与现场解析的结果一致。

6 结论

(1)有机质孔隙的发育受到有机质丰度、成熟度以及压实作用共同影响,且其吸附能力受到干酪根类型以及束缚水的影响。而黏土矿物孔隙则会受到黏土矿物成分的不同以及束缚水含量的影响。有机质孔隙与黏土矿物孔隙对储层页岩吸附空间的贡献取决于储层的沉积和成岩环境,富有机质海相页岩比演化程度低的陆相页岩相比,有机质在页岩吸附空间上占有更大的权重比。

(2)通过昭通A井的样品数据,拟合了TOC以及黏土矿物含量与Langmuir体积的关系。模型计算值虽在大体趋势上能较好地吻合实验数据,但在个别点却还是有较大的误差。通过测井数据计算昭通A井的TOC剖面和黏土矿物剖面,进而计算出昭通A井吸附气量剖面和含气量剖面。剖面显示下吸附气量以及总含气量均小于上部。这与现场解析数据反映基本一致。然而,计算得到的实际上是页岩储层在地层条件下能够吸附的最大含气量。其假设前提是页岩已经达到能够生成足够天然气的成熟度,该模型对成熟或高成熟的页岩适用性很好。对于成熟度较低的页岩,如果生气能力达不到吸附饱和,利用等温吸附计算得到的吸附气量会比储层实际吸附气量大。通过该模型计算的页岩含气量也因此比储层实际含气量大。

致谢:本文得到了中国石油集团测井重点实验室的大力支持,感谢姜黎明等人对本文提出的宝贵意见。