CN104573344A - 一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法，其包括以下步骤：步骤一：在研究区中选择页岩气井进行取心，然后对同一个页岩样品分别测量孔隙度有机碳含量TOC_core、含水饱和度S_w-core、胶结指数m、饱和度指数n、兰格缪尔体积V_L、兰格缪尔压力P_L、地层骨架密度ρ_m和地层流体密度ρ_fl；步骤二：通过测井数据计算获取页岩储层含气量的关键参数；步骤三：利用上述关键参数分别计算吸附气含量和游离气含量，并用吸附气和游离气之和来表征页岩储层总含气量。本发明通过测井数据计算页岩储层含气量，减少了钻井取心的成本，缩短了储层含气性评价的周期。同时，本发明分别从吸附气、游离气两个相态计算储层的页岩储层中天然气的总量，符合页岩储层含气性特点，计算精度更高。

Description

一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法

技术领域

本发明涉及一种获取页岩储层含气量的方法，具体涉及一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法。

背景技术

含气量是页岩储层评价的关键参数，对页岩含气性评价、储量预测具有重要意义。含气量确定包括现场解吸法、等温吸附法和测井解释法。现场解吸法反映了样品的实际含气量，但受取心方式和提钻时间影响，损失气估算误差较大。等温吸附法获得的是页岩的最大吸附气量，未考虑游离气量部分，与实际含气量有较大差别。测井解释法是通过测井数据结合岩心实验建立含气量的测井解释模型，可以预测页岩的含气量，减少实验成本。Decker研究发现，页岩实测含气量与TOC(总有机碳含量)存在很好的正线性相关关系，TOC与体积密度存在很好的负线性相关关系，因此可以通过建立体积密度与含气量的计算模型来预测页岩含气量。Cluff等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盆地中Barnett页岩和Woodford页岩原地资源量。Utley等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。

此外，申请号为201410249240.5，发明名称为“一种利用测井曲线获得页岩气含气量的方法”的中国发明专利申请提出通过解析实验所得页岩气含气量与页岩测井数据线性回归，得到页岩气含气量与声波时差、电阻率的一元线性回归方程及二元线性回归方程计算页岩含气量。郭旭升等通过现场实测总含气量与实验分析TOC的线性关系建立一元线性模型计算涪陵气田页岩储层含气量。但是，通过建立实测含气量与测井参数之间的线性模型预测含气量在煤层气井中应用效果较好，而线性回归法对含气量较低的井误差较高，页岩含气量总体远小于煤层含气量。另外页岩气井在钻井取心过程中，受取心方式影响气体损失严重，损失气量占总含气量的40-70％，损失气估算结果误差较大，因此使用测井数据与实测含气量之间的线性或非线性模型预测页岩含气量可能带来很大的误差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法，其包括以下步骤：

步骤一：在研究区中选择页岩气井进行取心，然后对同一个页岩样品分别测量孔隙度有机碳含量TOC_core、含水饱和度S_w-core、胶结指数m、饱和度指数n、兰格缪尔体积V_L、兰格缪尔压力P_L、地层骨架密度ρ_m和地层流体密度ρ_fl；

步骤二：通过测井数据计算获取页岩储层含气量的关键参数：

1)利用多元线性回归法获取测井有机碳含量TOC_log：

①相关性检测：使用SPSS软件将步骤一中岩心实测的页岩样品TOC_core数据与页岩样品采样点相同深度的各测井曲线值进行双变量相关性分析，得到TOC_core与各测井曲线的相关性表，并从相关性表选择在0.01水平上显著相关的测井曲线，包括自然伽马GR、体积密度DEN和中子CNL；

②多元线性回归：使用步骤一中岩心实测的页岩样品TOC_core与显著相关的测井曲线使用SPSS软件进行多元线性回归,得到复相关系数R、统计量F和多元线性回归方程(1)：

TOC_core＝a×GR+b×DEN+c×CNL+d (1)

式中，TOC_core为步骤一中岩心实测的页岩样品有机碳含量，wt％；a、b、c、d为多元回归系数，通过SPSS软件进行线性回归后得到；

③F统计检验：给定显著性水平0.01、多元回归样品容量M和多元线性回归方程元数N，通过查F分布临界值表得到F_0.01(N，M-N-1)，如果F＞F_0.01(N，M-N-1)，多元线性关系显著，则多元线性回归方程(1)成立；如果F≤F_0.01(N，M-N-1)，多元线性关系不显著，则略去相关性分析中Pearson相关系数绝对值较小的测井曲线，重新进行多元线性回归，直到F＞F_0.01(n，M-n-1)成立为止，则通过测井计算的有机碳含量的公式为：

TOC_log＝a×GR+b×DEN+c×CNL+d (2)

2)计算孔隙度：

首先建立岩石体积模型，并通过体积密度得到体积方程：

$V_{\mathrm{TOC}}=\frac{w_{\mathrm{TOC}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TOC}}}{\mathrm{\ρ}}_{b}k---\left(4\right)$

式中，为测井计算的孔隙度,％；ρ_m为地层骨架密度,g/cm³；ρ_b为地层体积密度，g/cm³；V_TOC为有机碳含量体积百分比，vol％；w_TOC为测井计算的有机碳含量TOC_log，wt％；ρ_fl为地层流体密度，g/cm³；k为校正因子；

根据以上体积方程得到孔隙度的计算公式为：

将公式(5)计算得到的孔隙度与步骤一中岩心实测的页岩样品孔隙度进行线性回归：

式中，e、f为线性回归系数，通过SPSS软件进行线性回归后得到；为校正后的测井计算孔隙度，％；

3)计算含气饱和度：

页岩含水饱和度根据阿尔奇公式计算：

式中，S_w为含水饱和度，％；R_w为地层水电阻率，ohmm；为测井计算的孔隙度，％；R_t为地层电阻率，ohmm；m为胶结指数；n为饱和度指数；

将公式(8)计算得到的含水饱和度S_w与步骤一中岩心实测的页岩样品含水饱和度S_w-core进行线性回归：

S_w-core＝g×S_w+h (9)

S_w-log＝g×S_w+h (10)

式中，S_w-log为经过岩心校正的测井计算的含水饱和度，％；g、h为线性回归系数，通过SPSS软件进行线性回归后得到；

页岩含气饱和度为：

S_g＝1-S_w-log (11)

步骤三：计算页岩含气量：

由于在计算页岩储层原地资源量时使用吸附气和游离气之和来表征总含气量，故需要对吸附气含量和游离气含量分别进行计算：

1)吸附气含量：

根据地层实际温度、压力和有机碳含量对页岩样品进行校正，具体包括利用公式(12)进行兰格缪尔压力校正，利用公式(13)进行兰格缪尔体积校正，以及利用公式(14)进行有机碳含量校正：

V_lt＝33.3357V_l×1.0062^Ti-T (12)

P_lt＝145.1379P_l×1.0116^T-Ti (13)

$V_{\mathrm{lc}}=V_{\mathrm{lt}}\·\frac{{\mathrm{TOC}}_{\log }}{{\mathrm{TOC}}_{\mathrm{core}}}---\left(14\right)$

式中，V_lt为储层温度校正的兰格缪尔体积，m³/t；P_lt为储层温度校正的兰格缪尔压力，MPa；T为储层温度，℃；T_i为等温吸附实验温度，℃；V_l为页岩样品兰格缪尔体积，m³/t；P_l为页岩样品兰格缪尔压力，MPa；V_lc为经过储层温度和有机碳含量校正的兰格缪尔体积，m³/t；

根据兰格缪尔方程计算页岩储层吸附气量：

$G_a=\frac{V_{\mathrm{lc}}P}{(P+P_{\mathrm{lt}})}---\left(15\right)$

式中，G_a为吸附气含量，m³/t；P为储层压力，MPa；H为储层深度，m；

2)游离气含量：

游离气量是页岩孔隙空间中的含气量，通过体积模型计算：

式中，G_f为游离气量，m³/t；B_g为气体压缩系数，m³/m³；为测井计算的孔隙度，％；S_g为页岩含气饱和度，％；ρ_b为地层体积密度，g/cm³。

由于吸附气的存在会影响游离气的容纳空间，故需减去吸附气所占的体积空间，因此游离气实际含量为：

$G_f=\frac{\mathrm{\φ}{S}_g}{B_g{\mathrm{\ρ}}_b}-(\frac{C}{B_g}*G_a)---\left(17\right)$

$C=\frac{1.318\×{10}^{-6}\stackrel{\‾}{M}}{{\mathrm{\ρ}}_s}---\left(18\right)$

式中，为天然气的视分子重量，g/mol；ρ_s为吸附态甲烷密度，g/cm³；

最终得到页岩储层总含气量为：

G_t＝G_a+G_f (19)

式中，G_t为页岩储层总含气量，m³/t；G_a为页岩吸附气量，m³/t；G_f为页岩游离气量，m³/t。

在公式(8)中，地层电阻率R_t在页岩储层中常取与页岩相邻或相近的灰岩或砂岩地层水电阻率。

在公式(15)中，储层压力P根据地层压力梯度计算，正常压力梯度情况下P＝9.8×H/1000。

在公式(18)中，天然气的视分子重量根据解吸气组分计算，甲烷为16；吸附态甲烷密度ρ_s＝0.375-0.4233，页岩储层根据经验取0.4。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过测井数据计算页岩储层含气量，减少了钻井取心的成本，缩短了储层含气性评价的周期。2、本发明分别从吸附气、游离气两个相态计算储层的页岩储层中天然气的总量，符合页岩储层含气性特点，计算精度更高。3、本发明基于页岩储层的岩电特征和吸附特征，具有普遍使用性，区域推广应用效果更好。

具体实施方式

本发明提供的通过测井数据获取页岩储层含气量的方法包括以下步骤：

步骤一：在研究区中选择页岩气井进行取心，然后对同一个页岩样品分别测量孔隙度有机碳含量TOC_core、含水饱和度S_w-core、胶结指数m、饱和度指数n、兰格缪尔体积V_L、兰格缪尔压力P_L、地层骨架密度ρ_m和地层流体密度ρ_fl。取心的井位和层位以能够反映研究区页岩基本特征为原则。

步骤二：通过测井数据计算获取页岩储层含气量的关键参数：

1)利用多元线性回归法获取测井有机碳含量TOC_log：

①相关性检测：使用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)软件将步骤一中岩心实测的页岩样品TOC_core数据与页岩样品采样点相同深度的各测井曲线值进行双变量相关性分析，得到TOC_core与各测井曲线的相关性表，并从相关性表选择在0.01水平(双侧)上显著相关的测井曲线。多数情况下,与TOC_core显著相关的测井曲线为自然伽马GR、体积密度DEN和中子CNL。

②多元线性回归：使用步骤一中岩心实测的页岩样品TOC_core与显著相关的测井曲线(GR、DEN、CNL)使用SPSS软件进行多元线性回归,得到复相关系数R(R只是作为一个相关性参考)、统计量F和多元线性回归方程(1)：

TOC_core＝a×GR+b×DEN+c×CNL+d (1)

式中，TOC_core为步骤一中岩心实测的页岩样品有机碳含量，wt％；a、b、c、d为多元回归系数，可以通过SPSS软件进行线性回归后得到。

③F统计检验：给定显著性水平0.01、多元回归样品容量M和多元线性回归方程元数N，通过查F分布临界值表得到F_0.01(N，M-N-1)，如果F＞F_0.01(N，M-N-1)，多元线性关系显著，则多元线性回归方程(1)成立；如果F≤F_0.01(N，M-N-1)，多元线性关系不显著，则略去相关性分析中Pearson相关系数绝对值较小的测井曲线，重新进行多元线性回归，直到F＞F_0.01(n，M-n-1)成立为止，则通过测井计算的有机碳含量的公式为：

TOC_log＝a×GR+b×DEN+c×CNL+d (2)

2)计算孔隙度：

首先建立岩石体积模型，通过体积密度DEN得到体积方程：

$V_{\mathrm{TOC}}=\frac{w_{\mathrm{TOC}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TOC}}}{\mathrm{\ρ}}_{b}k---\left(4\right)$

式中，为测井计算的孔隙度,％；ρ_m为地层骨架密度,g/cm³；ρ_b为地层体积密度，即体积密度DEN，g/cm³；V_TOC为有机碳含量体积百分比，vol％；w_TOC为测井计算的有机碳含量TOC_log，通过公式(2)获得，wt％；ρ_fl为地层流体密度，g/cm³；k为校正因子，一般取1。

根据以上体积方程可以得到孔隙度的计算公式为：

将公式(5)计算得到的孔隙度与步骤一中岩心实测的页岩样品孔隙度进行线性回归：

式中，e、f为线性回归系数，可以通过SPSS软件进行线性回归后得到；为校正后的测井计算孔隙度，％。

3)计算含气饱和度：

成熟页岩不含油，因此含气饱和度和含水饱和度之和等于100％，故一旦含水饱和度确定，就可以通过含水饱和度计算含气饱和度。

页岩含水饱和度可以根据阿尔奇公式计算：

式中，S_w为含水饱和度，％；R_w为地层水电阻率，ohmm；为测井计算的孔隙度，通过公式(5)获得，％；R_t为地层电阻率，ohmm，页岩储层中常取与页岩相邻或相近的灰岩或砂岩地层水电阻率；m为胶结指数；n为饱和度指数。

将公式(8)计算得到的含水饱和度S_w与步骤一中岩心实测的页岩样品含水饱和度S_w-core进行线性回归：

S_w-core＝g×S_w+h (9)

S_w-log＝g×S_w+h (10)

式中，S_w-log为经过岩心校正的测井计算的含水饱和度，％；g、h为线性回归系数，可以通过SPSS软件进行线性回归后得到。

页岩含气饱和度为：

S_g＝1-S_w-log (11)

步骤三：计算页岩含气量：

在计算页岩储层原地资源量时通常使用吸附气和游离气之和来表征总含气量，故需要对吸附气含量和游离气含量分别进行计算：

1)吸附气含量：

根据地层实际温度、压力和有机碳含量对页岩样品进行校正，具体包括利用公式(12)进行兰格缪尔压力校正，利用公式(13)进行兰格缪尔体积校正，以及利用公式(14)进行有机碳含量校正：

V_lt＝33.3357V_l×1.0062^Ti-T (12)

P_lt＝145.1379P_l×1.0116^T-Ti (13)

$V_{\mathrm{lc}}=V_{\mathrm{lt}}\·\frac{{\mathrm{TOC}}_{\log }}{{\mathrm{TOC}}_{\mathrm{core}}}---\left(14\right)$

式中，V_lt为储层温度校正的兰格缪尔体积，m³/t；P_lt为储层温度校正的兰格缪尔压力，MPa；T为储层温度，℃；T_i为等温吸附实验温度，℃；V_l为页岩样品兰格缪尔体积，m³/t；P_l为页岩样品兰格缪尔压力，MPa；V_lc为经过储层温度和有机碳含量校正的兰格缪尔体积，m³/t。

根据兰格缪尔方程计算页岩储层吸附气量：

$G_a=\frac{V_{\mathrm{lc}}P}{(P+P_{\mathrm{lt}})}---\left(15\right)$

式中，G_a为吸附气含量，m³/t；P为储层压力，MPa，根据地层压力梯度计算，正常压力梯度情况下P＝9.8×H/1000；H为储层深度，m。

2)游离气含量：

游离气量是页岩孔隙空间中的含气量，可以通过体积模型计算：

式中，G_f为游离气量，m³/t；B_g为气体压缩系数，m³/m³，根据地层温压条件确定；为测井计算的孔隙度，％；S_g为页岩含气饱和度，％；ρ_b为地层体积密度，g/cm³。

由于吸附气的存在会影响游离气的容纳空间，故需减去吸附气所占的体积空间，因此游离气实际含量为：

$G_f=\frac{\mathrm{\φ}{S}_g}{B_g{\mathrm{\ρ}}_b}-(\frac{C}{B_g}*G_a)---\left(17\right)$

$C-=\frac{1.318\×{10}^{-6}\stackrel{\‾}{M}}{{\mathrm{\ρ}}_s}---\left(18\right)$

式中，为天然气的视分子重量，g/mol，甲烷为16，可根据解吸气组分计算；ρ_s为吸附态甲烷密度，g/cm³,ρ_s＝0.375-0.4233，页岩储层可根据经验取0.4。

最终得到页岩储层总含气量为：

G_t＝G_a+G_f (19)

式中，G_t为页岩储层总含气量，m³/t；G_a为页岩吸附气量，m³/t；G_f为页岩游离气量，m³/t。

上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法，其包括以下步骤：

步骤一：在研究区中选择页岩气井进行取心，然后对同一个页岩样品分别测量孔隙度有机碳含量TOC_core、含水饱和度S_w-core、胶结指数m、饱和度指数n、兰格缪尔体积V_L、兰格缪尔压力P_L、地层骨架密度ρ_m和地层流体密度ρ_fl；

步骤二：通过测井数据计算获取页岩储层含气量的关键参数：

1)利用多元线性回归法获取测井有机碳含量TOC_log：

①相关性检测：使用SPSS软件将步骤一中岩心实测的页岩样品TOC_core数据与页岩样品采样点相同深度的各测井曲线值进行双变量相关性分析，得到TOC_core与各测井曲线的相关性表，并从相关性表选择在0.01水平上显著相关的测井曲线，包括自然伽马GR、体积密度DEN和中子CNL；

②多元线性回归：使用步骤一中岩心实测的页岩样品TOC_core与显著相关的测井曲线使用SPSS软件进行多元线性回归,得到复相关系数R、统计量F和多元线性回归方程(1)：

TOC_core＝a×GR+b×DEN+c×CNL+d (1)

式中，TOC_core为步骤一中岩心实测的页岩样品有机碳含量，wt％；a、b、c、d为多元回归系数，通过SPSS软件进行线性回归后得到；

③F统计检验：给定显著性水平0.01、多元回归样品容量M和多元线性回归方程元数N，通过查F分布临界值表得到F_0.01(N，M-N-1)，如果F＞F_0.01(N，M-N-1)，多元线性关系显著，则多元线性回归方程(1)成立；如果F≤F_0.01(N，M-N-1)，多元线性关系不显著，则略去相关性分析中Pearson相关系数绝对值较小的测井曲线，重新进行多元线性回归，直到F＞F_0.01(n，M-n-1)成立为止，则通过测井计算的有机碳含量的公式为：

TOC_log＝a×GR+b×DEN+c×CNL+d (2)

2)计算孔隙度：

首先建立岩石体积模型，并通过体积密度得到体积方程：

$V_{\mathrm{TOC}}=\frac{w_{\mathrm{TOC}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TOC}}}{\mathrm{\ρ}}_{b}k---\left(4\right)$

式中，为测井计算的孔隙度,％；ρ_m为地层骨架密度,g/cm³；ρ_b为地层体积密度，g/cm³；V_TOC为有机碳含量体积百分比，vol％；w_TOC为测井计算的有机碳含量TOC_log，wt％；ρ_fl为地层流体密度，g/cm³；k为校正因子；

根据以上体积方程得到孔隙度的计算公式为：

将公式(5)计算得到的孔隙度与步骤一中岩心实测的页岩样品孔隙度进行线性回归：

式中，e、f为线性回归系数，通过SPSS软件进行线性回归后得到；为校正后的测井计算孔隙度，％；

3)计算含气饱和度：

页岩含水饱和度根据阿尔奇公式计算：

式中，S_w为含水饱和度，％；R_w为地层水电阻率，ohmm；为测井计算的孔隙度，％；R_t为地层电阻率，ohmm；m为胶结指数；n为饱和度指数；

将公式(8)计算得到的含水饱和度S_w与步骤一中岩心实测的页岩样品含水饱和度S_w-core进行线性回归：

S_w-core＝g×S_w+h (9)

S_w-log＝g×S_w+h (10)

式中，S_w-log为经过岩心校正的测井计算的含水饱和度，％；g、h为线性回归系数，通过SPSS软件进行线性回归后得到；

页岩含气饱和度为：

S_g＝1-S_w-log (11)

步骤三：计算页岩含气量：

由于在计算页岩储层原地资源量时使用吸附气和游离气之和来表征总含气量，故需要对吸附气含量和游离气含量分别进行计算：

1)吸附气含量：

根据地层实际温度、压力和有机碳含量对页岩样品进行校正，具体包括利用公式(12)进行兰格缪尔压力校正，利用公式(13)进行兰格缪尔体积校正，以及利用公式(14)进行有机碳含量校正：

V_lt＝33.3357V_l×1.0062^Ti-T (12)

P_lt＝145.1379P_l×1.0116^T-Ti (13)

$V_{\mathrm{lc}}=V_{\mathrm{lt}}\·\frac{{\mathrm{TOC}}_{\log }}{{\mathrm{TOC}}_{\mathrm{core}}}---\left(14\right)$ 2 -->

式中，V_lt为储层温度校正的兰格缪尔体积，m³/t；P_lt为储层温度校正的兰格缪尔压力，MPa；T为储层温度，℃；T_i为等温吸附实验温度，℃；V_l为页岩样品兰格缪尔体积，m³/t；P_l为页岩样品兰格缪尔压力，MPa；V_lc为经过储层温度和有机碳含量校正的兰格缪尔体积，m³/t；

根据兰格缪尔方程计算页岩储层吸附气量：

$G_a=\frac{V_{\mathrm{lc}}P}{(P+P_{\mathrm{lt}})}---\left(15\right)$

式中，G_a为吸附气含量，m³/t；P为储层压力，MPa；H为储层深度，m；

2)游离气含量：

游离气量是页岩孔隙空间中的含气量，通过体积模型计算：

式中，G_f为游离气量，m³/t；B_g为气体压缩系数，m³/m³；为测井计算的孔隙度，％；S_g为页岩含气饱和度，％；ρ_b为地层体积密度，g/cm³。

由于吸附气的存在会影响游离气的容纳空间，故需减去吸附气所占的体积空间，因此游离气实际含量为：

$G_f=\frac{\mathrm{\φ}{S}_g}{B_g{\mathrm{\ρ}}_b}-(\frac{C}{B_g}*G_a)---\left(17\right)$

$C=\frac{1.318\×{10}^{-6}\stackrel{\‾}{M}}{{\mathrm{\ρ}}_s}---\left(18\right)$

式中，为天然气的视分子重量，g/mol；ρ_s为吸附态甲烷密度，g/cm³；

最终得到页岩储层总含气量为：

G_t＝G_a+G_f (19)

式中，G_t为页岩储层总含气量，m³/t；G_a为页岩吸附气量，m³/t；G_f为页岩游离气量，m³/t。

2.如权利要求1所述的一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法，其特征在于，在公式(8)中，地层电阻率R_t在页岩储层中常取与页岩相邻或相近的灰岩或砂岩地层水电阻率。

3.如权利要求1所述的一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法，其特征在于，在公式(15)中，储层压力P根据地层压力梯度计算，正常压力梯度情况下P＝9.8×H/1000。

4.如权利要求1所述的一种通过测井数据获取页岩储层含气量的方法，其特征在于，在公式(18)中，天然气的视分子重量根据解吸气组分计算，甲烷为16；吸附态甲烷密度ρ_s＝0.375-0.4233，页岩储层根据经验取0.4。