CN108694264B - 一种确定页岩气储层渗透率的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种确定页岩气储层渗透率的方法。该方法包括以下步骤：1)在实验室条件下获得页岩岩心样品的孔径分布；2)得到核磁共振孔径分布；3)拟合页岩岩心样品的渗透率测试数据与所述孔隙结构指示参数值之间的关系，建立页岩岩心的渗透率模型；4)基于核磁共振测井资料获得页岩气储层的孔隙结构指示参数值；5)结合页岩岩石相分类，将步骤4)中所获得的页岩气储层的孔隙结构指示参数值代入步骤3)中建立的渗透率模型中，从而得到了页岩气储层的渗透率。本发明提出的确定页岩气储层渗透率的方法，有效地克服了现有技术中存在的对裂缝贡献估计不足及无法对纳米有机质孔进行有效表征的双重缺陷。

Description

一种确定页岩气储层渗透率的方法

技术领域

本发明涉及油汽地球物理技术领域，更具体地，涉及一种确定页岩气储层 渗透率的方法。

背景技术

页岩气(Shale Gas)是指以游离和吸附方式赋存于富有机质泥页岩及其它 岩性夹层中的一种非常规天然气资源，其在全球范围内分布广泛、储量巨大， 具有广阔的开采利用前景。

页岩气储层的渗透率是页岩气勘探开发过程中的重要参数，渗透率不仅是 气藏工程建模的关键参数，对产能评价起到重要作用，而且对于压裂设计及页 岩气生产过程也至关重要。

在页岩渗透率的测井评价上，国外一般采用岩心刻度的方法建立地区经验 公式或模型对渗透率进行预测；国内在页岩渗透率方面所开展的研究工作较少， 孙建孟等(孙建孟，闫国亮.渗透率模型研究进展[J].测井技术，2012， 36(4):329-335)指出基于孔渗关系建立起来的拟合公式相关性差，导致渗透率评 价精度低、可靠性差。核磁共振T2谱能够反映孔隙结构，常用来对渗透率进行 预测(邹良志，刘清华.核磁共振测井渗透率模型分析[J].国外测井技术， 2011(3):27-31；J.K.Hassall.Comparison of permeabilitypredictors from NMR, Formation Image and other logs in a carbonate reservoir[J].2004,SPE,88683)。现有 的基于核磁共振的渗透率模型有两个，分别为Coates-束缚水渗透率模型和SDR- 弛豫时间渗透率模型，例如，Coates模型是通过T2截止值的确定来区分束缚流 体和可动流体进而计算地层渗透率的，然而上述模型在页岩中存在两点不足之处，其一是模型将裂缝或微裂缝仅当作大孔对待，这样并没有凸显裂缝或微裂 缝对渗透率的显著贡献作用；其二是由于页岩气储层中发育大量的纳米有机孔， 其孔径通常小于粘土孔，采用上述模型处理时会将纳米有机孔当作束缚流体对 待，显然这无形中忽略了纳米有机质孔对渗透率的贡献。此外，肖亮等人(肖 亮，刘晓鹏，毛志强.结合NMR和毛管压力资料计算储层渗透率的方法[J].石油 学报，2009，30(1):100-103；肖忠祥，肖亮.基于核磁共振测井和毛管压力的储 层渗透率计算方法[J].原子能科学技术，2008，42(10):868-871)提出了一种结合 NMR和毛管压力资料计算储层渗透率的方法，然而，该评价方法依赖于核磁共 振横向弛豫时间几何平均值的确定，且并没有给出孔隙结构参数的具体构建方 法和步骤。因此有必要提出一种既充分考虑裂缝又兼顾纳米有机质孔发育的基 于孔隙结构的渗透率评价模型及方法。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术 的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人 员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提出了一种基于页岩 的孔径分布的确定页岩气储层渗透率的方法，能够克服现有评价方法的缺点和 不足。

本发明的确定页岩气储层渗透率的方法可以包括以下步骤：

1)在实验室条件下获得页岩岩心样品的孔径分布；

2)将在井下条件下获得的核磁共振T2谱与步骤1)所获得的页岩岩心样品 的孔径分布达到最佳匹配时二者的转换关系，从而得到核磁共振孔径分布，其 中T2指的是核磁共振T2弛豫时间；

3)基于步骤1)所获得的页岩岩心样品的孔径分布提取孔隙结构指示参数 值，并拟合页岩岩心样品的渗透率测试数据与所述孔隙结构指示参数值之间的 关系，建立页岩岩心的渗透率模型；

4)基于核磁共振测井资料获得页岩气储层的孔隙结构指示参数值；

5)结合页岩岩石相分类，将步骤4)中所获得的页岩气储层的孔隙结构指 示参数值代入步骤3)中建立的渗透率模型中，从而得到了页岩气储层的渗透率。

优选地，在步骤1)中通过高压压汞、低温液氮吸附、二氧化碳吸附中的至 少一种获得页岩岩心样品的孔径分布。

优选地，核磁测井T2谱与步骤1)中所获得的孔径分布达到最佳匹配时二 者的转换关系为：

D_孔＝52T₂ (1)

其中，D_孔为孔径。

优选地，在步骤3)中所建立的渗透率模型为：

K_页岩＝a×(ξ)^b (2)

其中，ξ为孔隙结构指示参数，K_页岩为页岩岩心渗透率，系数a及幂指数 b为核磁测井T2谱与孔径分布达到最佳匹配时的对应值。

优选地，在步骤4)中利用等进汞饱和度法或等进汞压力法获得页岩气储层 的孔隙结构指示参数值。

优选地，等进汞饱和度法通过以下公式获得页岩气储层的孔隙结构指示参 数值ξ_dPc：

其中，n为核磁共振T2谱所包含的孔隙分量数目，j＝n-i+1，r_d(j)代表核 磁共振孔隙分布中的孔隙直径大小，phi(j)代表这一孔隙直径下其孔隙度分量的 值。

优选地，等进汞压力法通过以下公式获得页岩气储层的孔隙结构指示参数 值ξ_dPc：

其中，k为核磁共振T2谱的T2弛豫时间按照等对数刻度所划分的段数， u＝1,2,3,...,k-1,k，v＝k-u+1，r_d(v)代表核磁共振孔隙分布中的孔隙直径大小， phi(v)代表这一孔隙直径下其孔隙度分量的值。

本发明提出的确定页岩气储层渗透率的方法，有效地克服了现有技术中存 在的对裂缝贡献估计不足及无法对纳米有机质孔进行有效表征的双重缺陷，评 价结果得到实际井资料验证，计算的渗透率评价精度在一个数量级范围之内， 显著地提高了页岩渗透率测井评价精度，为解决页岩气储层渗透率评价难题提 供了一种行之有效的方法，而且也扩展了核磁共振新方法测井资料在页岩气储 层评价中的适用性。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文 中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图 和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本 发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以 及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中， 相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本发明的示例性实施方案的确定页岩气储层渗透率的方法的流 程图。

图2为不同配套实验方法得到的页岩岩心样品的孔径分布曲线对比图。

图3为饱和不同流体的高精度核磁共振T2谱与页岩岩心样品的孔径分布曲 线对比图。

图4显示页岩岩心样品的孔隙结构指示参数与渗透率之间的相关性。

图5a显示核磁共振T2分布，图5b显示视进汞饱和度曲线，图5c显示各 视进汞饱和度下进汞快慢程度的分布形态曲线，其中横坐标accum-phi(j)表示对 孔隙度分量进行累计的结果。

图6为本发明提出的渗透率评价模型及方法的实际评价效果对比图。

图7a为测试井中同一深度段钻井取芯岩心样品的孔渗关系图，图7b为本 发明计算得到的测井渗透率与岩心样品渗透率的对比图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实 施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例 所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将 本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

以下参考图1详细描述根据本发明示例性实施例的确定页岩气储层渗透率 的方法，其主要包括：

1)基于实验获得页岩岩心样品的孔径分布。

通过开展页岩岩心高压压汞、低温液氮吸附、二氧化碳吸附、扫描电镜及饱 和不同流体的高精度核磁共振等专项配套实验及分析，系统地明确页岩的微观 孔隙结构特征，并获取页岩的孔径大小分布。

为了获得页岩孔隙发育及连通性信息，将各种实验方法得到的页岩孔径分 布曲线叠合到一个坐标系下，如图2所示。根据不同实验方法测量原理及探测 范围差异，分析得出页岩孔隙主要以300nm以下的纳米孔为主，结合饱和油和 水的高精度核磁共振实验(如图3所示)，得出有机孔孔径集中在50nm以下， 粘土等无机孔集中在20-300nm之间，微裂缝孔径在1000nm以上。

2)将在井下条件下获得的核磁共振T2谱与步骤1)所获得的页岩岩心样品 的孔径分布达到最佳匹配时二者的转换关系，从而得到核磁共振孔径分布，其 中T2指的是核磁共振T2弛豫时间。

通过液氮吸附-高压压汞获取的孔径分布，联合自吸油和自吸水的核磁T2 时间分布，确定二者之间的转换关系。也即，根据孔径大小分布对自吸油和自 吸水的核磁共振T2谱进行孔径分布刻度，得到涵盖整个有机孔和无机孔孔隙体 系的核磁共振孔径大小分布。

在示例性实施例中，最佳匹配时二者的转换关系为：

D_孔＝52T₂ (1)

其中，D_孔为孔径。

3)拟合页岩岩心样品的孔隙结构指示参数值与页岩岩心样品的渗透率册数 数据之间的关系，建立页岩岩心的渗透率模型。

基于页岩的孔径分布，从中提取出能够反映页岩渗透性的孔隙结构指示参 数，通过数学方法拟合渗透率与孔隙结构指示参数之间的关系，在此基础上建 立渗透率评价模型。

可以通过以下方法建立渗透率评价模型：将多块样品的孔隙结构指示参数 与对应的岩心渗透率进行交会(如图4所示)，交会结果显示，当二者之间用幂 函数的形式来表达时，其相关性达到最好，有：

K_shale＝a×(ξ)^b

其中，ξ为孔隙结构指示参数，在实验室条件下其值由压汞资料获取，K_shale为页岩岩心渗透率，系数a及幂指数b为二者相关关系最好时的对应值。本领 域技术人员应当理解，这两个系数会随地区不同及储层类型差异而改变。

4)基于核磁共振测井资料获得页岩气储层的孔隙结构指示参数值。

对实测核磁测井T2谱进行处理，由步骤2)中确定的转换关系构建得到核 磁孔径分布曲线，分别利用等进汞饱和度和等进汞压力两种新方法，求取储层 连续深度点上的孔隙结构指示参数。

利用核磁共振测井资料求取孔隙结构指示参数的原理如下：

首先对测井原始回波串数据进行回波匹配，反演得到各个测量深度点上的 连续T2分布，即反映页岩储层孔隙系统的核磁共振横向弛豫时间分布(如图5a 所示)；接下来将核磁共振T2谱与压汞孔径分布曲线对应起来，利用步骤2)得 到的转换关系获得核磁孔径分布曲线。基于核磁孔径分布曲线求取孔隙结构指 示参数步骤为：对核磁孔径分布沿大到小的方向，对其进行反向累计，累计的 孔隙度分量之和视为孔径分布曲线中的进汞饱和度，对应孔径倒数视为进汞压 力。显然，页岩储层核磁共振测井的T2时间越大，谱分布越宽，反映其大孔部 分越发育，其对应的孔径分布则越小。

本发明提出了两种利用核磁共振测井资料获取孔隙结构指示参数的方法，一 种是等进汞饱和度构建法，一种是等进汞压力构建法，并对二者的评价结果进 行了对比。这两种方法的具体过程阐述如下：

1、等进汞饱和度构建法

已知核磁测井T2谱由n个孔隙分量组成，i代表任意分量，其值范围为从1 到n，则核磁孔径分布表示为rd，有如下：

i＝1,2,...,n-1,n，又令j＝n-i+1；核磁孔径分布表示如下：

横坐标：rd(1),rd(2),...,rd(n-1),rd(n)

纵坐标：phi(1),phi(2),...,phi(n-1),phi(n)

构建孔隙结构曲线，对应点上的横纵坐标的值分别为：

横坐标：

纵坐标：1/rd(j)

定义核磁孔隙结构指示参数

对每一个深 度点上的核磁孔径大小分量进行反向累计，得到视进汞饱和度曲线(如图5b所 示)，然后对视进汞饱和度曲线进行归一化，即

归一化之后所 有的视进汞饱和度曲线横轴分布范围均为0-1，饱和度区间的划分采取等间隔进 行，即进汞增量dSHg为固定常数。通常，饱和度间隔划分越小，对应的求解精 度越高，作为本申请中的一个实施例，可将视饱和度区间划分为50等分，则每 次进汞对应的幅度为2％，每一个视进汞饱和度下对应的视孔径分布值按照插值 方式处理得到。按照上述步骤，生成一条包含50个点的核磁毛管压力分布曲线， 在此分布曲线的基础上，作出各视进汞饱和度下进汞快慢程度的分布形态曲线， 如图5c所示，并从该曲线中拾取出核磁孔隙结构指示参数值

该值用于页岩储层渗透率的评价。

2、等进汞压力构建法

从测井原始数据获得储层孔隙的横向弛豫时间过程与等进汞饱和度构建法 一致，获得了储层的核磁T2谱后，将T2时间按照等对数刻度进行任意等分为 k段，每一段的长度，即log△T2为固定常数，并令u＝1,2,3,...,k-1,k；v＝k-u+1；分 段之后T2时间分别表示为T2(1),T2(2),...,T2(k-1),T2(k)，并通过插值方法求出 每一弛豫时间下孔隙度分量值phi(u)，通过实验条件下刻度得到的转换关系，将 核磁T2谱转换为核磁孔径分布谱，rd(u)同理对核磁孔径分布中的各孔隙分量值 进行反向累加，累加值

可作为对应弛豫时间下的视进汞饱和度，用作构 建核磁孔隙结构参数曲线时使用，而每一孔径的倒数(1/rd(u))作为核磁孔径分 布曲线的视进汞压力值。由于核磁共振时间为等对数刻度下等分，因此，视进 汞压力也是等对数间隔的。通过上述方式可将核磁T2谱构建出类似于高压压汞孔径分布曲线的一条曲线，在此曲线基础上可提取出每一个深度点上储层的孔 隙结构指示参数

以用于页岩储层渗透率的评 价。

两种构建方法分别得到孔隙结构指示参数ξ_dSHg和ξ_dPc，可以将孔隙结构指示 参数ξ_dSHg和ξ_dPc代入到渗透率模型之中，以对储层渗透率进行评价。

综上所述，页岩的渗透率与其微观孔隙结构密切相关，其大小主要由连通性 较好的孔隙及微裂缝所决定。在步骤1)中，页岩的微观孔隙结构通过高压压汞、 低温液氮吸附、二氧化碳吸附等反映其孔隙大小及分布的实验资料得到。通过 实验分析，明确页岩储层孔径大小分布特征及孔隙之间连通性的好坏；进一步 地，在步骤2)中将自吸油和自吸水的高精度核磁共振T2谱(回波间隔为0.06ms) 与配套实验获得的页岩孔径分布进行对比，通过相关对比得出，当二者之间的 刻度转换关系为D_pore＝52T₂时，其核磁T2谱与液氮吸附及高压压汞的孔径分布达 到最佳匹配。根据这一刻度关系，实现了利用饱和不同流体的核磁T2谱来连续 定量表征核磁孔隙结构的目的，不仅弥补了单独依靠压汞资料不能反映有机孔的缺陷，且还能获得对渗透率其重要贡献的微裂缝信息；在步骤3)中，孔隙结 构指示参数定义为单位压力下流体进入页岩孔隙体系中体积的多少，该参数从 物理含义上直接反映了页岩储层渗透性的好坏，而且有效地突出了裂缝及大孔 对渗透率的主要贡献作用，克服了传统核磁渗透率评价模型中不能较好反映裂 缝对渗透率贡献作用的局限。孔隙结构指示参数在实验室条件下通过孔径分布 曲线反演求取，在井下条件通过核磁共振测井T2谱间接求取。由于孔隙结构指 示参数与岩心渗透率之间具有较强的相关性，因此，在本发明中利用该参数进 行渗透率模型的建立；在步骤4)中，对于岩性复杂的页岩储层，核磁共振测井 只探测地层中的氢核响应，只对孔隙流体有响应，因而很好的排除了岩性差异 对测量信号的干扰，是获得储层孔隙结构的优良方法，且能获得储层纵向深度 上连续的流体响应信息。基于核磁测井T2谱，首先通过步骤2)中已确定的转 换关系，创新地构造了两种孔隙结构参数的求取方法，以用于渗透率测井评价； 在步骤5)中，在岩相发生变化时，对渗透率模型作相应优化，实现页岩渗透率 的测井评价。

应用示例

将本发明提出的确定页岩气储层渗透率的方法应用到页岩储层实际井中， 如图6所示，其中，第三道和第四道分别为基于等进汞饱和度构建法和等进汞 压力构建法所构建的孔隙结构指示参数所计算的页岩储层渗透率与岩心样品渗 透率的对比图。由图可见，两种方法所得到的渗透率评价结果效果良好，且第 二种方法在局部要稍优于第一种方法，渗透率的评价精度在一个数量级范围之 内，显著地提高了页岩渗透率测井评价精度，为解决页岩储层渗透率评价难题 提供了一种行之有效的方法。

图7a为该井同一深度段钻井取芯岩心样品的孔渗关系，相关度在0.01以下， 图7b为本发明所计算的测井渗透率与岩心渗透率的对比。对比表明，使用本发 明的确定页岩气储层渗透率的方法所得到的测井渗透率与岩心渗透率吻合较 好，二者误差在一个数量级范围之内。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性 地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出 的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的， 并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的 情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。 本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场 中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各 实施例。

Claims (2)

1.一种确定页岩气储层渗透率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）在实验室条件下获得页岩岩心样品的孔径分布；

2）根据在井下条件下获得的核磁共振T2谱与步骤1）所获得的页岩岩心样品的孔径分布达到最佳匹配时二者的转换关系，得到核磁共振孔径分布，其中T2指的是核磁共振T2弛豫时间；

3）基于步骤1）所获得的页岩岩心样品的孔径分布提取孔隙结构指示参数值，并拟合页岩岩心样品的渗透率测试数据与所述孔隙结构指示参数值之间的关系，建立页岩岩心的渗透率模型；

4）基于核磁共振测井资料获得页岩气储层的孔隙结构指示参数值；

5）结合页岩岩石相分类，将步骤4）中所获得的页岩气储层的孔隙结构指示参数值代入步骤3）中建立的渗透率模型中，从而得到了页岩气储层的渗透率；

在步骤4）中利用等进汞饱和度法或等进汞压力法获得页岩气储层的孔隙结构指示参数值；

等进汞饱和度法通过以下公式获得页岩气储层的孔隙结构指示参数值ξ _dSHg：

（3）

其中，n为核磁共振T2谱所包含的孔隙分量数目，j=n-i+1，r _d (j)代表核磁共振孔隙分布中的孔隙直径大小，phi(j)代表这一孔隙直径下其孔隙度分量的值；

等进汞压力法通过以下公式获得页岩气储层的孔隙结构指示参数值

：

（4）

其中，k为核磁共振T2谱的T2弛豫时间按照等对数刻度所划分的段数，u=1,2,3,…,k- 1,k，v=k-u+1，r _d (v)代表核磁共振孔隙分布中的孔隙直径大小，phi(v)代表这一孔隙直径下其孔隙度分量的值；

其中，核磁测井T2谱与步骤1）中所获得的孔径分布达到最佳匹配时二者的转换关系为：

D _孔=52T ₂ （1）

其中，D _孔为孔径；

在步骤3）中所建立的渗透率模型为：

（2）

其中，

为孔隙结构指示参数，K _页岩为页岩岩心渗透率，系数a及幂指数b为核磁测井T2谱与孔径分布达到最佳匹配时的对应值。

2.根据权利要求1所述的确定页岩气储层渗透率的方法，其特征在于，在步骤1）中通过高压压汞、低温液氮吸附、二氧化碳吸附中的至少一种获得页岩岩心样品的孔径分布。

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