冀昆,余春昊,郭瑛,李國軍,李新,王曉冬

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司技術(shù)中心,陜西 西安 710077;2.中國石油集團(tuán)測井有限公司塔里木分公司,新疆 庫爾勒 841599)

0 引 言

頁巖氣除了極少部分呈溶解狀態(tài)賦存于干酪根、瀝青和結(jié)構(gòu)水中外,絕大部分天然氣以吸附狀態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物顆粒表面(20%～85%),或以游離方式賦存于孔隙和裂縫之中[1]。通過測井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合巖心實(shí)驗(yàn)建立頁巖儲(chǔ)層吸附氣含量的測井解釋模型,可以預(yù)測頁巖的有效吸附氣體含量,減少實(shí)驗(yàn)成本。Decker等[2]研究發(fā)現(xiàn),頁巖實(shí)測含氣量與有機(jī)碳含量存在較好的正相關(guān)性,而有機(jī)碳含量與體積密度存在很好的負(fù)相關(guān),從而建立體積密度與含氣量的計(jì)算模型預(yù)測Antrim頁巖含氣量。Cluff等[3]以等溫吸附和體積模型為基礎(chǔ),利用測井解釋參數(shù)計(jì)算了Delaware盆地Barnett頁巖和Woodford頁巖原地資源量。Utley等[4]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算關(guān)鍵參數(shù),基于等溫吸附和體積模型計(jì)算了Fayetteville頁巖含氣量。

Lewis等[5]提出了基于等溫吸附實(shí)驗(yàn)的測井校正模型,該模型被用在斯倫貝謝公司的測井解釋軟件中。模型首先對Langmuir參數(shù)進(jìn)行溫度的校正,再進(jìn)行TOC的校正估算儲(chǔ)層條件下不同深度點(diǎn)的吸附氣量。在實(shí)際頁巖儲(chǔ)層中,頁巖儲(chǔ)層吸附的介質(zhì)主要是有機(jī)質(zhì),但黏土礦物孔隙中仍吸附部分甲烷氣。且不同的干酪根,不同的有機(jī)質(zhì)成熟度和排烴強(qiáng)度,不同的孔隙發(fā)育以及不同的含水飽和度都會(huì)影響頁巖中介質(zhì)對甲烷氣體吸附量[6]。

本文以滇黔北昭通國家級頁巖氣示范區(qū)的昭通A井的巖心數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過Langmuir體積的物理含義,探討有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物孔隙對氣體吸附的影響。并考察通過有機(jī)質(zhì)孔隙空間和黏土礦物孔隙空間對Langmuir體積作更合理的校正。

1 研究區(qū)塊和實(shí)驗(yàn)概況

滇黔北探區(qū)大地構(gòu)造上屬于揚(yáng)子地塊構(gòu)造域西南邊緣的滇黔北坳陷,主體為威信凹陷的中西部區(qū)域,其北側(cè)為四川盆地(海相古生界構(gòu)造臺(tái)坳)。昭通A井位于昭通凹陷。研究資料來自于昭通A井龍馬溪組的15塊樣品數(shù)據(jù)。收集了該井等溫吸附數(shù)據(jù)、孔隙度、X衍射全巖分析等數(shù)據(jù)。等溫吸附采用300型等溫吸附儀,樣品等溫吸附溫度為30 ℃。等溫吸附方法和標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T19560—2004標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,等溫吸附結(jié)果見表1。從表1可以看出,雖然在同一壓力下,頁巖整體吸附特性隨TOC的增大而增大,但很多時(shí)候并不完全與TOC成正比。有些低TOC點(diǎn)也表現(xiàn)出了良好的吸附特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該頁巖儲(chǔ)層干酪根類型為Ⅲ型,鏡質(zhì)體反射率在2.7～3.8之間,有機(jī)質(zhì)含量在0.26%～3.85%之間。

表1 昭通A井龍馬溪組巖石樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 對不同溫度校正模型

對于采用Langmuir方程計(jì)算吸附氣含量,首先需要確定等溫吸附參數(shù)(Langmuir壓力和Langmuir體積),然后計(jì)算吸附氣含量。確定不同深度、不同性質(zhì)頁巖的等溫吸附參數(shù)成為計(jì)算吸附氣含量的關(guān)鍵。工程中普遍采用的Langmuir方程為

(1)

式中,Ga為吸附氣含量,m3/t;p為油藏壓力,MPa;pL為Langmuir壓力,MPa;VL為Langmuir體積,m3/t。

斯倫貝謝公司基于大量的北美含氣頁巖等溫吸附線,建立了等溫吸附參數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)法。首先通過大量等溫吸附線,得到Langmuir體積、壓力及溫度差(等溫吸附實(shí)驗(yàn)溫度與不同深度頁巖的溫度差)近似呈指數(shù)關(guān)系,Langmuir體積與總有機(jī)碳含量呈線性關(guān)系,根據(jù)這2種關(guān)系對等溫吸附線進(jìn)行溫度和總有機(jī)碳含量的校正,得到不同深度、不同性質(zhì)頁巖的等溫吸附參數(shù)[5]。

圖1 龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的不同

溫度校正方法為

VLt=10(-c1·T+c2)

pLt=10(c3·T+c4)

c2=logVL+(c1·Ti)

c4=logpL+(-c3·Ti)

(2)

式中,VLt為在油藏溫度下的Langmuir體積,m3/t;pLt為在油藏溫度下的Langmuir壓力,MPa;c1和c3為常數(shù);c2和c4為中間過渡變量;T為油藏溫度;Ti為等溫實(shí)驗(yàn)的溫度。c1和c3需要根據(jù)具體的地區(qū)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行刻度,在缺少樣品數(shù)據(jù)時(shí),可分別取值0.002 7和0.005。具體計(jì)算可簡化為[6]

VLt=35.3357VL×1.0062Ti-T

(3)

pLt=145.1379pL×1.0116T-Ti

3 對不同吸附孔隙表面積的校正模型

在實(shí)際頁巖儲(chǔ)層中,甲烷的吸附空間不僅存在于有機(jī)質(zhì)孔隙的表面,還存在于黏土礦物孔隙的表面。頁巖吸附表面積應(yīng)由有機(jī)質(zhì)孔隙空間和黏土礦物孔隙空間2部分組成。頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),不同的頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育情況差別很大。這也導(dǎo)致頁巖儲(chǔ)層實(shí)際可供氣體吸附的孔隙表面積差別很大。由于孔隙的成因不同及其結(jié)構(gòu)演化的不同,其吸附能力也有所差別。為了便于計(jì)算,將關(guān)系式簡化為有機(jī)質(zhì)和黏土礦物對吸附的孔隙表面積的貢獻(xiàn)權(quán)重。

VLc=a·TOC+b·Vsh+c

(4)

3.1 有機(jī)質(zhì)吸附空間

泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育,在富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖中,有機(jī)質(zhì)孔隙甚至可以達(dá)到總孔隙的90%。有機(jī)質(zhì)孔隙半徑跨度大,范圍10～300 nm[7]。有機(jī)質(zhì)孔隙可以為吸附氣提供有利的空間。有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育受到有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度以及壓實(shí)作用的綜合影響(見圖1),龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度和方式存在較大差別。

一般來講,有機(jī)質(zhì)孔隙占總孔隙的百分比隨有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度的提高而提高。不同干酪根類型其有機(jī)質(zhì)的Langmuir常數(shù)差別較大:Ⅰ型干酪根的Langmuir常數(shù)最小,而Ⅲ型干酪根的最大。這是因?yàn)棣┬透衫腋枷慊潭容^低。近年來,有學(xué)者提出含水對有機(jī)質(zhì)孔隙吸附能力的影響。Larsen等[12]通過實(shí)驗(yàn)表明,干酪根表面或孔隙內(nèi)部的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)致使有機(jī)質(zhì)孔隙具有一定吸水能力。同時(shí),Hu等[13]通過分子模擬表明,具有活性官能團(tuán)的干酪根孔隙對水具有吸附能力。因此,如果頁巖生烴能力較強(qiáng),原生孔隙內(nèi)水分被排出,甲烷以吸附態(tài)與游離態(tài)存在于孔隙中。如果生烴能力較弱,原生孔隙可能仍然存在大量可動(dòng)水,而甲烷僅以溶解態(tài)及吸附態(tài)(固-液界面吸附)形式存在于孔隙中[14],這時(shí)應(yīng)進(jìn)行含水校正。

3.2 無機(jī)質(zhì)吸附空間

黏土礦物是泥頁巖的主要成巖礦物,占巖石的60%左右。黏土礦物孔隙發(fā)育,黏土礦物孔隙也為甲烷吸附提供了大量空間。但不同黏土礦物對甲烷的吸附能力存在較大差異。樣品為干樣時(shí),黏土礦物吸附能力的大小順序與比表面積一致,蒙脫石>高嶺石>伊利石,當(dāng)樣品處于平衡濕度時(shí),各組分吸附能力發(fā)生變化,呈現(xiàn)出伊利石>蒙脫石>高嶺石的現(xiàn)象[17](見圖2)。

圖2 龍馬溪組無機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育

相對高成熟頁巖,吸附能力受控于黏土礦物的特性在低成熟度頁巖中體現(xiàn)更加明顯[18]。成巖過程中,黏土礦物的轉(zhuǎn)化可導(dǎo)致相關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)的變化,進(jìn)而影響無機(jī)組分吸附頁巖氣的作用。因此,黏土礦物對頁巖的吸附性能也有重要影響,尤其在低TOC的頁巖中,伊利石等黏土礦物具有微孔結(jié)構(gòu),也能夠吸附氣體。

由于黏土礦物具有極強(qiáng)的親水性,實(shí)際儲(chǔ)層黏土孔隙表面吸附水膜,并且孔隙中存在一定毛細(xì)水及可動(dòng)水[15]。在黏土孔隙表面存在水膜的情況下,大多數(shù)甲烷分子表現(xiàn)為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]。這就在一定程度上降低了黏土對甲烷的吸附能力。因此,在黏土束縛水較多的儲(chǔ)層,有必要對這部分吸附甲烷的能力加以校正。建議等溫吸附實(shí)驗(yàn)粉樣的平衡水分采用盡量與儲(chǔ)層條件相同。

孔隙率較低的無機(jī)礦物對甲烷吸附的貢獻(xiàn)較弱[19],這是由于其孔隙內(nèi)存在束縛水、可動(dòng)水及游離氣。而在未被礦物填充的微裂縫中通?？梢哉J(rèn)為其被可動(dòng)水及游離氣充填。

3.3 a、b權(quán)值的影響因素

在研究中發(fā)現(xiàn),高演化程度古生界海相富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)集層中發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔隙(孔徑多小于50 nm),頁巖比表面和甲烷吸附量隨有機(jī)碳含量的增加而增大,此時(shí)有機(jī)質(zhì)孔隙是控制高豐度頁巖甲烷吸附能力的最主要因素。但是由于有機(jī)碳含量低和熱演化程度低,低豐度海相頁巖和陸相頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度有限,頁巖儲(chǔ)集空間主要由30 nm～4.5 μm孔徑的無機(jī)孔隙構(gòu)成,此時(shí)黏土礦物孔隙為甲烷吸附提供了更多的比表面,成為影響其甲烷吸附能力的重要因素。隨著成熟度增加,頁巖儲(chǔ)集層的主要孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由無機(jī)孔隙向有機(jī)質(zhì)孔隙轉(zhuǎn)變,有利于提高頁巖吸附能力。在成熟度高、有機(jī)碳含量低的海相頁巖中,有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育少,從而突出了黏土礦物孔隙對甲烷吸附能力的影響,有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)孔隙處于均勢,優(yōu)勢孔隙類型多變可能是其吸附性能變化不規(guī)律的主要原因。陸相頁巖處于相對較低的熱演化階段,有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育有限,黏土礦物孔隙為甲烷的吸附提供了相對更多的比表面和吸附點(diǎn)位,是影響其甲烷吸附能力的重要因素。因此,在不同類型的頁巖儲(chǔ)層中,a與b的比值隨之變化。

4 昭通A井龍馬溪組吸附氣含量估算

由于樣品都是在地層溫度下測量,因此,假設(shè)樣品已經(jīng)過溫度校正。進(jìn)行對Langmuir體積吸附比表面的校正。

經(jīng)過擬合Langmuir體積與TOC和泥質(zhì)含量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)TOC的影響要大于泥質(zhì)含量的影響。具體擬合后的公式為

VL=0.1136TOC+0.0512Vsh+0.0458

(5)

通過式(5)計(jì)算得到VL,將其與樣品的實(shí)際值作比較(見圖3)。模型計(jì)算值在整體趨勢上與實(shí)驗(yàn)值相同,但在部分點(diǎn)差別較大。

圖3 Langmuir體積實(shí)驗(yàn)測試值與模型計(jì)算值對比

通過實(shí)驗(yàn)得到以上關(guān)系式后,若要計(jì)算昭通A井龍馬溪組縱向吸附氣含量剖面,需先計(jì)算黏土含量和有機(jī)質(zhì)含量的剖面。

4.1 黏土含量剖面的計(jì)算

研究發(fā)現(xiàn),中子與密度曲線的離差可以很好地反映黏土含量的變化,一般情況下,黏土含量增加,中子測井明顯增大,而密度測井變化較小,故采用基于中子密度歸一化差的方法計(jì)算黏土含量[23-24]。由于昭通A井龍馬溪組井況條件比較好,基本上沒有擴(kuò)徑現(xiàn)象,測井曲線值都比較正常,因此,中子密度離差能夠很好反映地層黏土含量,選用基于中子密度離差歸一化的方法計(jì)算黏土含量(見圖4)。由于研究區(qū)龍馬溪組缺乏巖心分析黏土數(shù)據(jù),故在建模時(shí)采用斯倫貝謝公司的ECS計(jì)算的黏土含量與中子密度差建立相關(guān)關(guān)系(見圖5)。

圖4 通過密度中子差值計(jì)算黏土含量

圖5 計(jì)算黏土含量與實(shí)驗(yàn)黏土含量交會(huì)圖

因此,黏土含量可以表示為

Vsh=19.663e2.1887ΔND

(6)

(7)

式中,Vsh為泥質(zhì)含量,%;ΔND為歸一化后密度與中子差值,小數(shù);ρb為密度測井值;φn為中子測井值。計(jì)算得黏土含量剖面與巖心黏土含量呈較好的對應(yīng)關(guān)系(見圖5)。

4.2 TOC剖面計(jì)算

TOC的計(jì)算方法較多。在實(shí)際運(yùn)用中較多采用聲波電阻率重疊法。依據(jù)有機(jī)質(zhì)的非導(dǎo)電性和水及黏土的導(dǎo)電性差異,在相同的壓實(shí)程度和類似礦物成分的巖石中,當(dāng)水或黏土的含量增大時(shí),對應(yīng)的聲波時(shí)差增大、電阻率降低;當(dāng)有機(jī)質(zhì)的含量增大時(shí),對應(yīng)的聲波時(shí)差增大、電阻率也增大[20-22]。

由圖6看出,計(jì)算的TOC剖面與實(shí)驗(yàn)測得的TOC值在上部有較好的吻合,聲波電阻率法能較好表征該地區(qū)頁巖儲(chǔ)層的有機(jī)質(zhì)含量。

圖6 TOC計(jì)算剖面與TOC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

4.3 吸附氣量及總含氣量計(jì)算

得到了黏土含量和有機(jī)質(zhì)含量剖面,就可以根據(jù)上面得到的該井經(jīng)驗(yàn)公式來擬合出Langmuir體積的剖面。校正后吸附氣量的計(jì)算公式為

(8)

游離氣體的含量則可以通過體積模型計(jì)算

(9)

式中,Gf為游離氣量,m3/t;Bg為氣體壓縮系數(shù),m3/m3;φe為有效孔隙度;Sge為有效含氣飽和度;ρb為地層密度,g/cm3。

圖7 昭通A井含氣量綜合測井解釋圖*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

圖7為計(jì)算獲得者的含氣量部分剖面。第7道綠色曲線為總含氣量,藍(lán)色曲線為吸附氣含量,它們中間充填代表游離氣含量。可以看出下部吸附氣含量和總含氣量都在同等增加。并且孔滲性也較上部明顯地改善。因此,可以看出下部具有較大的資源潛力。這與現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)基本一致(見表1)。實(shí)際計(jì)算結(jié)果說明該方法具有一定的合理性?？梢杂脕碛?jì)算和表征頁巖儲(chǔ)層的吸附氣含量。

5 討論

(1)溫度是影響氣體吸附量的重要因素。在通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)的樣品數(shù)據(jù)計(jì)算目的層段的吸附氣量剖面甚至含氣量剖面時(shí),若實(shí)驗(yàn)溫度與儲(chǔ)層實(shí)際溫度差別較大,應(yīng)先進(jìn)行溫度的校正。

(2)由于頁巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性,尤其是陸相頁巖儲(chǔ)層,不同深度點(diǎn)的泥頁巖其可供氣體吸附的比表面也有很大的不同。Langmuir體積代表在一定溫度下,樣品最大的吸附量,這受可供氣體吸附的比表面大小有關(guān)。利用頁巖樣品建立Langmuir體積與黏土礦物含量和TOC含量的關(guān)系,進(jìn)而擬合出目的層段的吸附氣量剖面。TOC和黏土礦物含量權(quán)值隨著頁巖儲(chǔ)層的沉積類別和地域變化。

(3)在邵通A井的計(jì)算中,根據(jù)該井的具體情況,通過中子密度差值計(jì)算了該井黏土含量剖面。通過聲波電阻率重疊法計(jì)算了TOC剖面。并以此計(jì)算出了吸附氣含量剖面。游離氣剖面由體積模型計(jì)算,得出總的含氣量剖面,計(jì)算結(jié)果顯示目的層段下部具有較豐富的含氣量,這與現(xiàn)場解析的結(jié)果一致。

6 結(jié)論

(1)有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育受到有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度以及壓實(shí)作用共同影響,且其吸附能力受到干酪根類型以及束縛水的影響。而黏土礦物孔隙則會(huì)受到黏土礦物成分的不同以及束縛水含量的影響。有機(jī)質(zhì)孔隙與黏土礦物孔隙對儲(chǔ)層頁巖吸附空間的貢獻(xiàn)取決于儲(chǔ)層的沉積和成巖環(huán)境,富有機(jī)質(zhì)海相頁巖比演化程度低的陸相頁巖相比,有機(jī)質(zhì)在頁巖吸附空間上占有更大的權(quán)重比。

(2)通過昭通A井的樣品數(shù)據(jù),擬合了TOC以及黏土礦物含量與Langmuir體積的關(guān)系。模型計(jì)算值雖在大體趨勢上能較好地吻合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但在個(gè)別點(diǎn)卻還是有較大的誤差。通過測井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算昭通A井的TOC剖面和黏土礦物剖面,進(jìn)而計(jì)算出昭通A井吸附氣量剖面和含氣量剖面。剖面顯示下吸附氣量以及總含氣量均小于上部。這與現(xiàn)場解析數(shù)據(jù)反映基本一致。然而,計(jì)算得到的實(shí)際上是頁巖儲(chǔ)層在地層條件下能夠吸附的最大含氣量。其假設(shè)前提是頁巖已經(jīng)達(dá)到能夠生成足夠天然氣的成熟度,該模型對成熟或高成熟的頁巖適用性很好。對于成熟度較低的頁巖,如果生氣能力達(dá)不到吸附飽和,利用等溫吸附計(jì)算得到的吸附氣量會(huì)比儲(chǔ)層實(shí)際吸附氣量大。通過該模型計(jì)算的頁巖含氣量也因此比儲(chǔ)層實(shí)際含氣量大。

致謝:本文得到了中國石油集團(tuán)測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持,感謝姜黎明等人對本文提出的寶貴意見。