CN106285652A - 确定页岩游离气体饱和度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定页岩的游离气体饱和度的方法。该方法包括以下步骤，步骤一：获得页岩储层的总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt，步骤二：确定裂缝孔隙中游离气体积的比例系数b以及碎屑孔隙中游离气体积的比例系数c，步骤三：所述页岩游离气体饱和度S_g由下式表示，本发明的方法以页岩本身的微观结构为基础，可精确地确定页岩游离气体饱和度。此外，本发明的方法所需要的基本参数都可以从测井资料得到，可以快速的得到页岩游离气饱和度S_g，便于工业化推广应用。

Description

确定页岩游离气体饱和度的方法

技术领域

本发明涉及油气田的开发领域，更具体地涉及确定页岩游离气体饱和度的方法。

背景技术

页岩气(Shale Gas)是指主要以游离和吸附方式赋存于富有机质泥页岩及其它岩性夹层中的天然气。

页岩气储层中的游离气含量的确定是评价油气资源量的关键参数。在现有技术中，通常通过测井来确定页岩中的游离气含量。具体步骤如下：首先，利用测井资料确定地下页岩储层孔隙中游离气饱和度S_g，即游离气体积占总孔隙体积的百分比。然后，将地下游离天然气的体积换算成地面体积，以每吨岩石中所含游离气体积来表示。

由上可见，页岩游离气饱和度S_g是测井确定游离气含量的关键参数。在现有技术中，页岩游离气饱和度S_g可由以下方式得到：(1)利用钻井岩心在实验室进行测试，确定页岩游离气饱和度S_g。(2)借用传统纯砂岩含油气饱和度模型(阿尔奇公式)和泥质砂岩含油气饱和度模型(Simandoux公式、Waxman-Smits双水模型等)来确定。

然而，上述方法(1)的成本非常高，并且仅能做离散点分析，难以反映页岩储层的整体状况。在上述方法(2)中，各个模型中需要地层水电阻率R_w，而对于页岩气储层来说，并不存在自由水，也就无法确定R_w。由此，难以使用上述模型来确定页岩储层中的页岩游离气饱和度S_g。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种确定页岩游离气体饱和度的方法。本发明的方法以页岩本身的微观结构为基础，可精确地确定页岩游离气体饱和度。此外，本发明的方法所需要的基本参数都可以从测井资料得到，可以快速的得到页岩游离气饱和度S_g，便于工业化推广应用。

本发明的方法包括以下步骤，步骤一：获得页岩储层的总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt，步骤二：确定裂缝孔隙中游离气体积的比例系数b以及碎屑孔隙中游离气体积的比例系数c，步骤三：页岩游离气体饱和度S_g由下式表示，

$S_g=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{org}}+b{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fissure}}+c{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{silt}}}{{\mathrm{\φ}}_t}.$

根据本发明的方法，页岩游离气体饱和度S_g的计算方法仅涉及总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt、裂缝孔隙中游离气体积的比例系数b以及碎屑孔隙中游离气体积的比例系数c，并不涉及页岩的地层水电阻率R_w，因此本发明的方法特别适合于确定页岩游离气饱和度S_g，便于工业化推广应用。

在一个实施例中，总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt通过测井资料获得。测井技术是本领域的技术人员所熟知的技术。对测井资料处理，可以得到页岩储层总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt。

在一个实施例中，有机质孔隙的尺寸大于2nm。优选地，有机质孔隙的尺寸为大于等于3nm、小于等于100nm。在页岩中，有机质孔隙是由有机质热演化生烃作用膨胀形成。申请人发现，尺寸大于2nm的有机孔隙被游离气体所占据。由此，选取尺寸大于2nm的有机质孔隙，特别是尺寸大于等于3nm、小于等于100nm的有机质孔隙作为研究对象能够精确地反应页岩中游离天然气的状况。应注意地是，有机质孔隙的尺寸和有机质孔隙度φ_org都是表征有机质内的孔隙的参数。

在一个实施例中，比例系数b的值为1。申请人发现，页岩裂缝内仅存在有游离气体，因此比例系数b真实地反应了页岩裂缝孔隙内含有游离气体的状况。

在一个实施例中，比例系数c由下式得出：

c＝1-S_wb，

其中，S_wb为页岩中的束缚水饱和度。申请人发现，在页岩中并不存在自由水，但是存在有束缚水。也就是说，在碎屑孔隙中仅存在有束缚水和游离气体流体。因此比例系数c真实地反应了碎屑孔隙内含有游离气体的状况。

在一个实施例中，束缚水饱和度S_wb由下式计算得到：

$S_{\mathrm{wb}}=\frac{R_{\mathrm{tsh}}}{R_t}\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}{{\mathrm{\φ}}_t},$

式中，R_t为页岩的测井电阻率，R_tsh为纯泥页岩层的测井电阻率，φ_t为页岩的总孔隙度，φ_tsh为纯泥页岩层的总孔隙度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)根据本发明的方法，并不涉及页岩的地层水电阻率R_w，因此本发明的方法特别适合于确定页岩游离气饱和度S_g，而且操作成本低。(2)本发明的方法所涉及的参数都可以依据测井资料而获得，方便了使用者借助于现有的测井资料来使用本发明的方法以精确获得页岩游离气体饱和度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是实施根据本发明的方法的步骤示意图。

图2是使用根据本发明的方法得到的页岩游离气体饱和度与实验室分析得到的页岩游离气体饱和度的比较图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了实施根据本发明的方法的步骤。

首先，进行步骤1：获得页岩储层的总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt。例如，这些参数可通过测井资料而获得，这种获得方法是本领域的技术人员常用方法，这里不再赘述。

应注意地是，有机质孔隙的尺寸大于2nm。申请人发现，尺寸大于2nm的有机孔隙被游离气体所占据。由此，选取尺寸大于2nm的有机质孔隙作为研究对象能够精确地反应页岩中游离天然气的状况。

接下来，进行步骤2：确定裂缝孔隙中游离气体积的比例系数b以及碎屑孔隙中游离气体积的比例系数c。

申请人发现，页岩裂缝孔隙内仅存在有游离气体，因此比例系数b的值为1。

比例系数c由公式1得出：

c＝1-S_wb 公式1

其中，S_wb为页岩中的束缚水饱和度。

束缚水饱和度S_wb则由公式2计算得到：

$S_{\mathrm{wb}}=\frac{R_{\mathrm{tsh}}}{R_t}\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}{{\mathrm{\φ}}_t}$ 公式2，

公式2中，R_t为页岩的测井电阻率，R_tsh为纯泥页岩层(即，有机质含量及天然气含量为0处)的测井电阻率，φ_t为页岩的总孔隙度，φ_tsh为纯泥页岩层的总孔隙度。本领域的技术人员可通过测井资料而得到这些参数，这里不再赘述。

接下来，进行步骤3，获得页岩游离气体饱和度S_g

$S_g=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{org}}+b{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fissure}}+c{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{silt}}}{{\mathrm{\φ}}_t}$ 公式3。

这里应注意地是，本领域的技术人员可根据实际情况调整步骤1和步骤2的实施顺序。

还应理解的是，基于测井资料，总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure、碎屑孔隙度φ_silt以及比例系数c是连续变化的。因此，根据本发明的方法能够连续确定出页岩的游离气体饱和度S_g，确定结果则显示为一条曲线。

对于开采页岩气而言，这里所述的气体则为天然气。

图2在一张图中显示了使用本发明的方法得到的页岩游离天然气饱和度与实验室分析页岩岩芯得到的页岩游离天然气饱和度。在图2中，曲线21是使用本发明的方法得到的页岩游离天然气饱和度，散点22是实验室分析页岩岩芯得到的页岩游离天然气饱和度。从图2中可清楚地看到，使用本发明的方法得到的页岩游离天然气饱和度与实验室测得的页岩游离天然气饱和度非常接近，这说明本发明的方法适合用于确定页岩的游离天然气饱和度，并且结果非常精确。

此外，还可以由所获得的页岩游离气体饱和度S_g确定页岩中的游离天然气的含量(如公式4)：

$G_{\mathrm{free}}=\frac{1}{B_g}{\mathrm{\φ}}_t{S}_g/{\mathrm{\ρ}}_b$ 公式4。

在公式4中，G_free为游离天然气含量，φ_t为页岩总孔隙度，S_g为游离天然气饱和度，ρ_b为地层密度，B_g为天然气体积系数。公式4以及其使用的参数是本领域的技术人员所公知，这里不再赘述。

下面来描述本发明所使用的公式2的得到过程。

本领域的技术人员熟知，页岩气储层中不含自由水，只含束缚水，并且束缚水只存在于纯泥页岩粘土孔隙及碎屑孔隙中。此外，由于页岩气储层岩石骨架的导电性非常差，可认为是非导电骨架，因此页岩气储层岩石导电能力只与束缚水含量及孔隙表面阳离子交换能力有关。

页岩气储层岩石的电导率方程可以表示为公式5，

$C_{\mathrm{silt}}=\frac{S_{\mathrm{wb}}^2}{F_0}\frac{\mathrm{\β}{Q}_v}{S_{\mathrm{wb}}}=\frac{1}{F_0}{S}_{\mathrm{wb}}\left(\mathrm{\β}{Q}_v\right)$ 公式5，

公式5是本领域的技术人员所熟知的。在公式5中，S_wb为束缚水饱和度，F₀为岩石处的地层因素，Q_v为页岩中阳离子交换量，β为交换阳离子当量电导率。

在纯泥页岩层处，束缚水饱和度S_wb＝1.0，因此纯泥页岩层处的电导率为C_tsh可以表示为公式6，

$C_{\mathrm{tsh}}=\frac{\mathrm{\β}{Q}_{\mathrm{vsh}}}{F_{\mathrm{sh}}}$ 公式6，

公式6是本领域的技术人员所熟知的。在公式6中，Q_vsh是纯泥页岩层中阳离子交换量，F_sh为纯泥页岩层处的地层因素。

公式5、6联立可得：

$S_{\mathrm{wb}}=\frac{C_{\mathrm{silt}}}{C_{\mathrm{tsh}}}\frac{F_0}{F_{\mathrm{sh}}}\frac{Q_{\mathrm{vsh}}}{Q_v}$ 公式7，

将岩石中阳离子交换能力等效为有效导电纯泥页岩层的含量，记为V_sh，则可以得到公式组8：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_v=\frac{V_{\mathrm{sh}}}{{\mathrm{\φ}}_t}\\ Q_{\mathrm{vsh}}=\frac{V_{\mathrm{sh}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}\end{array}\right.$ 公式组8。

在公式组8中，Q_v和Q_vsh的计算式是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。在公式组8中，φ_t是页岩储气层的总孔隙度，φ_tsh是纯泥页岩层处的总孔隙度。

由公式组8可得到公式9：

$\frac{Q_{\mathrm{vsh}}}{Q_v}=\frac{\frac{V_{\mathrm{sh}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}}{\frac{V_{\mathrm{sh}}}{{\mathrm{\φ}}_t}}=\frac{{\mathrm{\φ}}_t}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}$ 公式9。

本领域的技术人员熟知，地层因素F＝aφ^-m，其中a为岩石的岩性指数，m为岩石的胶结指数，φ为岩石孔隙度。由此，可以得到公式组10：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_0=a{{\mathrm{\φ}}_t}^{-m}\\ F_{\mathrm{sh}}=a{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}^{-m}\end{array}\right.$ 公式10。

将公式9和公式组10代入公式7可得，

$S_{\mathrm{wb}}=\frac{C_t}{C_{\mathrm{tsh}}}{\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}{{\mathrm{\φ}}_t}\right)}^{m-1}$ 公式11

用电阻率表示：

$S_{\mathrm{wb}}=\frac{R_{\mathrm{tsh}}}{R_t}{\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}{{\mathrm{\φ}}_t}\right)}^{m-1}$ 公式12。

在页岩中，胶结指数m取2.0，由此可得：

$S_{\mathrm{wb}}=\frac{R_{\mathrm{tsh}}}{R_t}\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}{{\mathrm{\φ}}_t}.$

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种确定页岩的游离气体饱和度的方法，包括以下步骤，

步骤一：获得页岩储层的总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt，

步骤二：确定裂缝孔隙中游离气体积的比例系数b以及碎屑孔隙中游离气体积的比例系数c，

步骤三：所述页岩游离气体饱和度S_g由下式表示，

$S_g=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\arg }+b{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{fissure}}+c{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{silt}}}{{\mathrm{\φ}}_t}.$

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总孔隙度φ_t、有机质孔隙度φ_org、裂缝孔隙度φ_fissure以及碎屑孔隙度φ_silt通过测井资料获得。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，有机质孔隙的尺寸为大于2nm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述有机质孔隙的尺寸为大于等于3nm、小于等于100nm。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，所述比例系数b的值为1。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其特征在于，所述比例系数c由下式得出：

c＝1-S_wb，

其中，S_wb为页岩中的束缚水饱和度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述束缚水饱和度S_wb由下式计算得到：

$S_{\mathrm{wb}}=\frac{R_{\mathrm{tsh}}}{R_t}\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{tsh}}}{{\mathrm{\φ}}_t},$

式中，R_t为所述页岩的测井电阻率，R_tsh为纯泥页岩层的测井电阻率，φ_t为所述页岩的总孔隙度，φ_tsh为纯泥页岩层的总孔隙度。