李 軍,武清釗,路 菁,金武軍

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083)

頁巖氣儲層總孔隙度與有效孔隙度測量及測井評價
——以四川盆地龍馬溪組頁巖氣儲層為例

李 軍1,2,武清釗1,路 菁1,金武軍1

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083)

在地層束縛水條件下，對頁巖氣儲層有效孔隙度理解及測量方法尚無統(tǒng)一標準，由此造成同一樣品的孔隙度測量結果顯著差異，給儲層評價帶來困難。對來自四川盆地龍馬溪組頁巖氣儲層的平行巖心樣品分別依據(jù)GRI和SY/T 5336—2006標準進行總孔隙度和有效孔隙度測量，并配套進行巖礦組分、粘土組分和有機碳含量(TOC)測量。通過實驗數(shù)據(jù)分析認為，頁巖氣儲層總孔隙度和有效孔隙度測量結果兩者相差1～3倍，造成差異的根本原因是對與粘土有關的束縛水體積不同的處理方式；頁巖氣儲層中充氣孔隙度與TOC呈高度正相關關系，相關系數(shù)達到0.9以上，表明有機孔隙是頁巖氣儲層中有效孔隙的主要貢獻者；束縛水孔隙與粘土礦物含量呈現(xiàn)良好正相關關系，表明與粘土有關的微細孔隙被束縛水占據(jù)，為無效孔隙?；谏鲜稣J識，構建了有效孔隙定量關系。同時，基于干粘土體積模型建立了總孔隙度評價方法，利用測井資料確定了實際地層的總孔隙度和有效孔隙度。應用表明，測井評價結果與不同實驗室測定的總孔隙度和有效孔隙度吻合較好。

總孔隙度；有效孔隙度；測井；頁巖氣；龍馬溪組；四川盆地

孔隙度是儲層巖石的固有性質,也是油氣儲層評價的基礎參數(shù)。對于傳統(tǒng)砂巖儲層來說，孔隙度測量技術是成熟技術，不同商業(yè)實驗室測量結果一致性較好，測量精度值得信賴。但對頁巖氣儲層來說，則不然：由不同實驗室或不同方法對同一樣品的孔隙度測量結果差異大，其差異可達1～3倍[1]，巖心測量結果也難與與測井評價結果吻合。例如，一個頁巖巖心，其束縛水飽和度為100%，由兩家實驗室分別在不同條件下對其進行孔隙度測量，一實驗室在完全干燥條件下測量其孔隙度，其值為15%，另一實驗室在不同濕度條件下測量其孔隙度，其值為6%，且測量結果隨著測量條件不同而變化，變動范圍可達5%～15%。測井評價有效孔隙為0。這種孔隙度測量結果差異給頁巖氣儲層評價和資源評價帶來極大不確定性。工業(yè)界迫切需要對如下兩個問題進行回答：如何定義和測量高束縛水條件下頁巖氣儲層孔隙度？如何利用和評價由不同實驗室測量得到孔隙度數(shù)據(jù)，它們之間有何聯(lián)系?以四川盆地龍馬溪組頁巖氣儲層為例，進行系統(tǒng)測量和研究，力圖對這些問題進行回答。

四川盆地龍馬溪組頁巖氣已進入商業(yè)勘探和開發(fā)階段，已有大量巖心測試和測井資料，巖心測量孔隙度分屬于不同實驗室測量，有的進行所謂總孔隙度測量，有的進行所謂“有效孔隙度”測量，兩者差異大，給區(qū)域評價和對比帶來困難。本文選定國際上普遍認可先進的巖心分析GRI標準和國內(nèi)巖心分析行業(yè)標準(SY/T 5336—2006)，對同一深度的平行樣品分別依據(jù)兩種標準標準進行孔隙度測量，分析其差異和影響因素，確定其轉換關系和測井評價方法。以此為基礎，利用測井資料確定頁巖氣儲層總孔隙度和有效孔隙度，測井評價結果與巖心實驗室測定結果高度吻合，為在區(qū)域范圍內(nèi)準確評價頁巖氣儲層奠定了基礎。

1 實驗及測井評價中總孔隙度和有效孔隙度內(nèi)涵差異

按照測量方式不同，巖心孔隙度測量包括總孔隙度測量和有效孔隙度測量。巖心實驗中，總孔隙度是指一定實驗條件下(包括干燥、溫度和壓力等)對連通孔隙和孤立孔隙度的度量，而有效孔隙度是指一定實驗條件下對連通孔隙的度量，不包括孤立孔隙。實驗條件不同(尤其是干燥條件不同)，導致測量結果差異。測量有效孔隙度和總孔隙度的原理簡單：一般利用標準柱塞樣品測量有效孔隙度，通過注入流體(包括液體或氣體)直接確定連通孔隙體積，進而得到有效孔隙度[2]；利用碎樣方式測量總孔隙度，首先測定巖樣總體積(BV)，然后將樣品粉碎到一定程度，以充分破壞樣品中的不連通的孤立孔隙，然后測定碎樣顆粒體積(GV)，進而確定總孔隙度(Φt，小數(shù))[2]。

(1)

式中：BV為總體積，cm3；GV為顆粒體積，cm3。

地下巖石都含有束縛水，尤其是細粒巖石，孔隙中大部分被束縛水占據(jù)。實驗室測定時常常對巖石進行干燥烘干處理，以去除巖石中的水分。目前有兩種干燥烘干處理方式：一是完全干燥方式，二是模擬地層束縛水條件，采用濕度控制/干燥技術，使粘土或其他礦物表面保留一定量的束縛水，使得測量結果能夠反映地下地層束縛水條件的結果。不同實驗室不同束縛水處理方式，給孔隙度測量結果帶來差異。

一般來說，只有在火山巖中由于發(fā)育孤立氣孔，碳酸鹽巖中由于選擇性溶蝕作用形成大量孤立孔隙，使得總孔隙度和有效孔隙度差異大。而對于傳統(tǒng)砂巖儲層，不連通孤立孔隙不發(fā)育或較少發(fā)育，束縛水體積含量占比小，因此總孔隙度與有效孔隙度測量結果相近(圖1a)，且有效孔隙度測量技術成熟、測量時間短、效率高，因此在生產(chǎn)實踐中，常常選擇有效孔隙度進行測量，并作為測井和儲層評價的基礎數(shù)據(jù)。而對于頁巖氣儲層由于束縛水含量高，不同實驗室條件下測量孔隙度差異大(圖1b)，給地質評價和資源評價帶來不確定性。

在地層評價中，通常采用測井方法確定地層孔隙度。測井地層評價中的總孔隙度是指對地下流體占據(jù)的所有孔隙空間的量度，包括連通孔隙和孤立孔隙，也包括束縛水所占據(jù)的孔隙。測井地層評價中的有效孔隙度則指對自由流體所占據(jù)的連通孔隙的量度，不包括束縛水孔隙，也不包括孤立孔隙。由于實驗條件下束縛水含量與地層條件下束縛水含量差異，造成地層評價中的孔隙度與實驗室?guī)r心測量孔隙度涵義不完全相同。圖2展示不同干燥條件下巖心總孔隙度、有效孔隙度與測井分析中總孔隙度、有效孔隙度涵義對比。只有在完全干燥條件下，巖心測量的總孔隙度與測井地層評價中的總孔隙度涵義一致，在完全模擬地層束縛水條件下巖心測量的有效孔隙度與測井地層評價中有效孔隙度涵義一致。但實際上，實驗室的濕度控制/干燥條件很難準確模擬地層束縛水條件，必然造成巖心測量有效孔隙度與測井分析不一致，尤其是對于頁巖氣儲層兩者可能呈現(xiàn)顯著差異。

在頁巖氣儲層中，由于儲層中沒有可動水，只有束縛水，因此有效孔隙度相當于含氣孔隙度。

圖1 不同測量條件下砂巖及頁巖孔隙度結果對比[1]Fig.1 Comparison of porosity of shale and sandstone measured under different conditions[1]a.不同條件下砂巖測量孔隙度相近;b.不同條件下頁巖測量孔隙度差異大

圖2 實驗及測井地層評價中總孔隙度與有效孔隙度涵義Fig.2 Definition of total porosity and effective porosity in laboratory measurement and logging formation evaluation

2 頁巖氣儲層巖心總孔隙度、有效孔隙度測量及結果分析

樣品來自四川盆地周邊龍馬溪組頁巖氣儲層，為井場新鮮樣品。為了保持樣品原始狀態(tài)，取樣后對樣品進行密封處理。對同一深度點頁巖樣品分別進行總孔隙度和有效孔隙度測量，并配套進行有機碳含量(TOC)、X-衍射全巖礦物及粘土組分、有機質成熟度(Ro，鏡質體反射率)測量。分別采用GRI和SY/T5336—2006標準測定頁巖總孔隙度和有效孔隙度。GRI測量方法包括3個步驟：1)取全直徑巖心(約300 g)，稱重，采用汞注入法測定樣品總體積，計算樣品體密度；2)將樣品粉碎到一定程度，取粉碎樣品并稱重(約100 g)，利用甲苯萃取1～2周，然后在110 ℃下干燥1～2周，直到稱重穩(wěn)定為止；3)利用氦氣介質測定干燥后的顆粒體積，并計算顆粒密度和總孔隙度。GRI測量結果在國內(nèi)外行業(yè)認可程度較高，但是測量周期長，不便于大規(guī)模應用。GRI方法除可以測定總孔隙度之外，同時還可以測定總孔隙度中束縛水孔隙度、剩余油孔隙度以及充氣孔隙度[3]。充氣孔隙度在數(shù)值上等于總孔隙度減去束縛水孔隙度和剩余油孔隙度。對于本文涉及的高成熟度頁巖氣儲層來說，殘余油孔隙度較小或沒有，充氣孔隙度近似為總孔隙度與束縛水孔隙度之差，也就相當于地層束縛水條件下的有效孔隙度(本文稱為GRI有效孔隙度)。SY/T5336-2006標準采用柱塞樣品，經(jīng)60 ℃溫度干燥，利用氦氣介質和波義耳方程確定連通孔隙體積，進而得到有效孔隙度(本文稱為SYT有效孔隙度)。表1列出了孔隙度、巖礦組分、粘土含量和有機碳含量等測量結果。

2.1 總孔隙度與有效孔隙度差異

圖3a展示兩種測量方式測得孔隙度的差異，總孔隙度大于有效孔隙度1～3倍，這與國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的規(guī)律一致(圖1b)。將GRI有效孔隙度與SYT有效孔隙度對比，呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性：對于粘土礦物含量小于40%的樣品(TOC大于1.5%)，其GRI有效孔隙度與SYT有效孔隙度相當，而對于粘土礦物大于40%的樣品(TOC小于1.5%)，兩者差異大，GRI有效孔隙度幾乎為0，而SYT有效孔隙度為3%～4%(圖3b)。由此可見，對粘土礦物有關的束縛水處理方式確實是影響有效孔隙度測量結果的關鍵因素。

表1 四川盆地龍馬溪組頁巖氣儲層孔隙度、巖礦組分及有機碳含量

圖3 四川盆地龍馬溪組頁巖氣巖心不同方法測量孔隙度對比Fig.3 Comparison of porosity measured with different criteria of the shale samples from the Longmaxi Formation in the Sichuan Basina.GRI總孔隙度與SYT有效孔隙度；b.GRI有效孔隙度與SYT有效孔隙度

2.2 束縛水孔隙度與粘土礦物含量關系

頁巖氣儲層中束縛水孔隙度與粘土礦物含量密切相關，束縛水孔隙度隨粘土礦物含量增加而增加，且增加到一定程度時而趨近一致(圖4a)。含水飽和度隨粘土礦物含量增加而呈現(xiàn)指數(shù)增加趨勢(圖4b)。粘土礦物表面具有親水性質，粘土表面以及微細粘土孔隙被束縛水占據(jù)。

2.3 GRI有效孔隙度與有機質含量關系

GRI有效孔隙度(充氣孔隙度)與有機碳含量(TOC)密切相關，隨TOC增大而呈線性增大，相關系數(shù)達到0.9以上(圖5a)，表明發(fā)育于有機質中的有機孔隙是主要的含氣孔隙來源。頁巖氣儲層是自生自儲的含氣儲層，隨著有機質的熱成熟演化程度加深，促使有機孔隙形成和演化。有機孔的存在為自生天然氣提供了儲存空間(包括吸附和游離態(tài))。圖5b展示了GRI有效孔隙度與總孔隙度良好的正相關關系，它反映了儲層中自生自儲的天然氣與有機孔演化的內(nèi)在聯(lián)系。當GRI有效孔隙度為0時，對應總孔隙度為3.5%，這一孔隙度代表本區(qū)形成有效頁巖氣儲層的孔隙度下限，小于這一孔隙度，孔隙中全被束縛水所占據(jù)，為無效儲層?？梢岳眠@個關系估算頁巖儲層中含氣量。

2.4 頁巖氣儲層有效孔隙地質涵義及定量關系

地下束縛水條件下，砂巖儲層有效孔隙地質涵義明確，它包括連通的原生粒間孔隙和次生孔隙，不包括束縛水所占據(jù)的微細孔隙。束縛水包括粘土束縛水和毛管束縛水，前者為粘土礦物表面或粘土礦物晶間吸附的薄膜水，后者為微細喉道中由毛管力滯留的束縛水。對于頁巖等細粒儲層，孔隙以納米級孔隙為主[4-9]，毛管阻力大，因此一般泥頁巖中的孔隙全被粘土束縛水和毛管束縛水所占據(jù)，測井解釋有效孔隙度為0，這也是常規(guī)砂泥巖儲層測井評價中的常識。而對于頁巖氣儲層有效孔隙的理解則要摒棄這種常識。頁巖氣儲層孔隙成因與常規(guī)儲層明顯不同：除無機成因的各種孔隙外，還包括有機質演化形成的有機孔隙，有機孔隙甚至占主導地位。概括來說，頁巖氣儲層孔隙分為無機孔隙和有機孔隙，無機孔隙包括粘土孔隙、脆性礦物孔隙和微裂縫等[10-11]。有機孔隙表面具有親油性，不含束縛水[12]，孔隙中為自生自儲的天然氣，因此有機孔是地下頁巖氣儲層有效孔隙主要來源，這從GRI充氣孔隙度與TOC呈高度正相關關系得到證明(圖5a)。此外，微裂縫和尺寸較大的粒間孔隙也是有效孔隙的貢獻者。粘土礦物表面和粘土晶間微孔隙主要為束縛水占據(jù)，與粘土有關的粘土微孔隙為無效孔隙。綜上所述，地層束縛水條件下，頁巖氣儲層有效孔隙主要包括有機孔隙、微裂縫以及少量尺寸較大的顆粒粒間孔隙。定量關系如下：

圖4 四川盆地龍馬溪組束縛水含量與粘土礦物含量關系Fig.4 Relationship between irreducible water content and clay mineral content of the Longmaxi Formation in the Sichuan Basina.束縛水孔隙度與粘土礦物含量關系；b.束縛水飽和度與粘土礦物含量關系

圖5 四川盆地龍馬溪組頁巖氣儲層GRI有效孔隙度與TOC、總孔隙度關系Fig.5 Relationship of GRI effective porosity with TOC and total porosity of shale samples from the Longmaxi Formation in the Sichuan Basina.GRI有效孔隙度與TOC關系；b.GRI有效孔隙度與總孔隙度關系

(2)

式中：Φe為有效孔隙度，小數(shù)；Φorg為有機孔隙度，小數(shù)；Φcrack為裂縫孔隙度，小數(shù)；Φintergranular為脆性礦物粒間孔隙度，小數(shù)。

有機孔隙、脆性礦物粒間孔隙和微裂縫孔隙定量計算方法見參考文獻[10]。

從另一方面來看，頁巖氣儲層中有效孔隙度是總孔隙度減去束縛水孔隙度，即：

(3)

式中：Φt為總孔隙度，小數(shù)；Φwir為束縛水孔隙度，小數(shù)，主要與粘土礦物含量有關。進一步可得：

(4)

式中：Φclaywet為地層條件下濕粘土含水孔隙度，小數(shù)；Vclay為粘土礦物含量，小數(shù)。

3 頁巖氣儲層總孔隙度、有效孔隙度測井評價

基于干粘土、有機質、非粘土顆粒骨架和孔隙流體體積模型，利用密度測井、中子測井及聲波測井等測井響應方程，確定總孔隙度。方程組如下：

(5)

式中：ρb為測井密度，g/cm3；CNL為測井中子孔隙度，小數(shù)；Δt為測井聲波時差，μs/m；Swb為束縛水飽和度，小數(shù)；ρgr，ρcldry，ρorg，ρw，ρf分別為非粘土顆粒、干粘土、有機質、束縛水、孔隙流體骨架密度，g/cm3；CNgr，CNcldry，CNorg，CNw，CNf分別為非粘土顆粒、干粘土、有機質、束縛水、孔隙流體骨架中子孔隙度，小數(shù)；Δtgr，Δtcldry，Δtorg，Δtw，Δtf分別為非粘土顆粒、干粘土、有機質、束縛水、孔隙流體骨架聲波時差，μs/m；Vgr，Vcldry，Vorg分別為非粘土顆粒、干粘土、有機質體積分量，小數(shù)；Φt為總孔隙度；小數(shù)。

首先，利用自然伽馬能譜或者其他測井方法確定有機質體積含量，并確定各個骨架值，再對方程組(5)求優(yōu)化解，進而確定總孔隙度以及各礦物組分等參數(shù)。

總孔隙度包含束縛水和含烴孔隙度。確定粘土礦物體積含量后，再利用式(2)和式(4)計算有效孔隙度。

4 應用效果

利用測井資料計算總孔隙度與有效孔隙度并與巖心分析結果對比。圖6中顯示同一實驗室對同一深度點樣品分別采用GRI標準測量的總孔隙度和采用SY/T5336—2006標準測量的有效孔隙度與測井計算結果對比，兩者吻合較好。

圖7顯示另一地區(qū)測井計算結果。巖心孔隙度為采用SY/T5336—2006標準測量的有效孔隙度。依據(jù)干粘土骨架等參數(shù)，計算總孔隙度，然后依據(jù)式(4)計算有效孔隙度，測井計算有效孔隙度與巖心測試結果分布基本吻合。

5 問題與建議

孔隙度參數(shù)是油氣資源評價最基本參數(shù)，頁巖氣儲層總孔隙度與有效孔隙度巖心測量結果差異大，不同實驗室之間有效孔隙度測量結果也有顯著差異。這種差異性給油氣資源評價帶來極大的不確定性。對于頁巖有效孔隙度，由于束縛水含量高、實驗室條件下很難準確模擬地層束縛水條件，造成不同實驗環(huán)境下測量結果差異大，在實際使用時，應慎重對待這些數(shù)據(jù)，了解這些測量數(shù)據(jù)的實驗條件，同時建議盡快編制統(tǒng)一的測量規(guī)范。頁巖氣儲層總孔隙度地質意義及界限明確，而且通過實驗和測井手段都可以得到穩(wěn)定的準確結果，建議頁巖氣儲層評價中采用總孔隙度概念及其測量結果。

圖6 四川盆地龍馬溪組LM1井測井計算總孔隙度、有效孔隙度與巖心測量結果對比Fig.6 Comparison of the calculated and measured total porosity and effective porosity for the Longmaxi Formation in Well LM1,Sichuan Basin

6 結論

1) 對于頁巖氣儲層，由于束縛水含量高，不同測量條件造成孔隙度測量結果差異大，相差可達1～3倍，在完全干燥條件下，巖心實驗測量可以得到穩(wěn)定可靠的總孔隙度，基于干粘土骨架體積模型，利用測井資料也可以確定頁巖總孔隙度，兩者具有一致性。

2) 目前對頁巖氣儲層“有效孔隙度”涵義理解不一致，由于實驗室條件難以準確模擬地層束縛水條件，測量結果不穩(wěn)定，不同實驗室條件下測量結果變化大。

3) 對于頁巖氣儲層，束縛水孔隙度與粘土含量呈現(xiàn)良好正相關關系，GRI有效孔隙度與有機碳含量呈現(xiàn)高度正相關關系，在地下束縛水條件下，有機孔隙是頁巖氣儲層有效孔隙主要來源，微裂縫和尺寸較大的粒間孔隙為次要來源，基于上述認識構建了總孔隙度與有效孔隙之間定量關系，利用這一關系實現(xiàn)基于測井資料計算總孔隙度和有效孔隙度。

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(編輯 張亞雄)

Measurement and logging evaluation of total porosity and effective porosity of shale gas reservoirs：A case from the Silurian Longmaxi Formation shale in the Sichuan Basin

Li Jun1,2,Wu Qingzhao1,Lu Jing1,Jin Wujun1

(1.PetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismandEffectiveDevelopment,Beijing100083,China)

There is no consensus on the understanding and measurement of effective porosity of shale gas reservoirs under irreducible water conditions in LAB. It gives rise to a great variance of core-measurement results,even on the same sample,and brings about difficulties and confusions in evaluation of shale gas reservoirs.To cope with the problem,both total and effective porosity are measured on paired-samples from the Longmaxi Formation in Sichuan Basin according to the criteria of GRI and SY/T 5336-2006,respectively.In addition,mineralogy,clay content andTOCare also measured.The results show that the total porosity and effective porosity of the paired-samples vary by a factor of 1 to 3.The large difference is mainly caused by the different treatment approaches of clay-related irreducible water volume in shale gas reservoirs.The gas-filled porosity (effective porosity) shows strong positive correlation withTOC.The coefficient of correlation is over 0.9.It implies that the organic matter pore is the main contributor to effective porosity in shale gas reservoirs.The irreducible water-filled porosity shows significant positive correlation with clay content.It implies that the clay-related micro-pores are occupied by irreducible water and are ineffective pores.A quantitative equation of effective porosity is established based on the above-mentioned understandings.Meanwhile,a logging evaluation method of total porosity is established based on the dry clay volume model.Both total porosity and effective porosity are calculated by using actual logging data,and the results coincide well with the core-measured results.

total porosity,effective porosity,logging,shale gas,Longmaxi Formation,Sichuan Basin

2016-08-02;

2017-03-20。

李軍(1967—)，男，教授，測井資料解釋與評價。E-mail:lijun67.syky@sinopec.com。

國家科技重大專項(2016ZX05060001-012)。

0253-9985(2017)03-0602-08

10.11743/ogg20170320

TE122.2

A