万金彬，李庆华，白松涛

（中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西 西安 710077）

0 引 言

随着世界经济对石油需求的快速增长，非常规油气资源接替已迫在眉睫。20世纪末，人们已把注意力逐步转向非常规油气资源的勘探开发。页岩气是储存在页岩中以游离态和吸附态存在的天然气，是一种非常规油气资源[1－3]。国内页岩气资源的勘探开发尚处于起步阶段，需要了解和借鉴国外的相关技术，建立适合中国实际情况的页岩气储层评价体系。取心技术和测井评价是评价页岩气储层的2种主要手段。笔者以收集的2008－2011年的有关文献对页岩气储层测井评价技术及进展进行简述。

1 页岩气储层的地质特点

页岩气发育具有广泛的地质意义，存在于几乎所有的盆地中，只是由于埋藏深度、含气饱和度等差别较大分别具有不同的工业价值。页岩气也具有典型的无或短距离运移、自生自储、隐蔽成藏以及较强的抗构造破坏能力等特点。

1.1 岩性特征

页岩主要由固结的黏土颗粒组成的片状岩石，包括细粒的粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩及灰岩、白云岩等。

在矿物组成上，主要包括一定数量的碳酸盐、黄铁矿、黏土质、石英和有机碳。页岩作为岩层，为不同颗粒大小和不同岩性的混合。页岩颗粒一般小于0.005mm，岩性致密，页岩颗粒分选较差、性脆，在一定压力下易产生裂缝。

1.2 储集层物性特征

页岩气储层大多显示出低的孔隙度（一般小于10%），也可以有很大的孔隙度，并在这些孔隙里储存大量的油气[4]。其有效孔隙度一般不及总孔隙度的一半。页岩一般具有双重孔隙性质（原生孔隙和次生孔隙同时存在），孔喉小[5]。在原生孔隙中存在大量的内表面积，内表面积拥有许多潜在的吸附空间，它可储存大量气体，是页岩气吸附气存在的重要场所。

页岩具有极低的渗透率，一般在0.0001～0.000001mD＊＊非法定计量单位，1mD＝9.87×10－4μm2，下同之间，比致密砂岩储层的渗透率（0.01～0.001mD）低2～3个数量级。含气页岩的裂缝规模差别较大，裂缝类型多样，裂缝的渗透率远远大于基质渗透率，天然裂缝段渗透率可达1×10－3μm2，是页岩气游离气储集的主要场所。

页岩吸附能力通常与页岩的许多特征有关，如总有机碳、干酪根成熟度、储层温度、压力、页岩原始含水量和天然气组分等。

2 岩心分析技术进展

在页岩岩心渗透率为微达西、纳达西范围时，用常规的实验室岩心测量方法（气吹法）测量孔隙度、渗透率、饱和度存在很大的不确定性。ExxonMobil采用粉碎岩样方法测量页岩岩心孔隙度和渗透率，而粉碎岩样过程会给孔隙度和渗透率带来潜在的不确定度。另外，页岩柱样岩心的准备过程一直备受行业和学术界争议[6]。

同一块岩心，在不同的实验室测量，因测试温度不同所得的孔隙度测量结果也存在差异，需要对数据进行标准化。标准化方法为，假设在不同的实验室，孔隙度测量是在同一烃孔隙体积基础上进行，用数学方法将不同实验室测量结果联系起来实现岩心测量数据标准化。如果有3家实验室测量同一岩心样品，孔隙度标准化计算公式为

式中，φ为第2或第3家实验室的总孔隙度值；φ1为第1家实验室的有效孔隙度值；A1为第1家实验室在最高测试温度测量的黏土束缚水；A′为A1的校正值，与第1家实验室的孔隙度值有关。样品的矿物组分（如石英、黏土）与A′大小有关。黏土体积增大，则A′增大。

已经开发了多种复杂的地球化学技术评估岩样中总有机碳（TOC）及岩样的成熟度。许多地球化学实验室都采用法国石油研究院开发的程序化热解技术，该技术已经成为源岩地球化学测试的工业标准[7]。

3 页岩气储层测井系列

大多数页岩气田均进行了测井数据采集，以满足页岩气储层评价的需要。除了常规三组合测井外，地球化学测井在美国页岩气勘探中是一种普遍采用的测井方式，它主要用于确定总有机碳含量和矿物、岩性。在北美，偶极声波成像测井在探井是常规必测项目，以帮助刻度地震属性。电成像测井主要用于识别裂缝和断层，划分页岩层[8]。页岩气储层使用的测井系列：

（1）Appalachian盆地大多数采用空气钻井，采用测井系列包括双感应、岩性密度、井壁中子、自然伽马能谱、井下电视和温度测井。

（2）北美Fort Worth盆地泥盆系Barnett页岩，典型测井系列包括自然伽马、井径、密度、中子、岩性密度、感应、地球化学测井。

（3）对于薄互层的Haynesville页岩，测井系列包括自然伽马、双井径、阵列感应（AIT）、中子、体积密度、自然伽马能谱、光电吸收截面指数测井。

（4）墨菲石油公司等（2010年）根据页岩气储层评价需求，提出了较为全面的页岩气测井系列，包括自然伽马、井径、电阻率、密度、中子、核磁共振、阵列声波和电声成像测井。

4 页岩气储层测井评价及进展

4.1 页岩气储层定性识别

4.1.1 判断含气页岩层

美国的页岩气开发主要针对富含有机质的硅质页岩。页岩气储层的特点决定了其测井评价除了计算储层有效厚度、孔隙度、渗透率、含气饱和度外，侧重点更在于计算总有机碳与成熟度、确定页岩矿物成分、识别裂缝，用声波测井资料计算岩石力学参数满足压裂需求。

页岩气具有不导电、密度小、含氢指数低、传播速度慢等特点。通常，页岩气层的测井响应特征不是很明显。与普通页岩相比，好的页岩气层具有自然伽马强度高、电阻率大、低补偿中子、低地层体积密度、高声波时差和低光电效应等测井响应特征。利用测井曲线形态和测井曲线幅值相对大小可以快速直观地识别页岩气储层，现在，依据孔隙度差异识别气层技术拓展到利用密度－核磁共振孔隙度或者中子－核磁共振孔隙度之间的幅度差异判别气层。好气层在微电阻率成像测井图（静态）上会出现气斑或者白化现象，气斑的多少与井筒中的含气量有关。可以利用vp／vs或vp／vs－Δt判识气层。好气层在地层压力梯度上也有显示，可以用核磁共振测井的差谱、移谱判识气层。用中子时间推移测井下套管后最佳时间测量的中子与固井后24h内测量的中子曲线重叠，利用其差值识别气层[9]。

Miller（2010年）[10]对比了页岩层不同镜质体反射率RO的各种测井曲线响应特征，认为RO影响测井曲线的变化：当RO在1.8～2.0范围内时，密度为低值，密度和中子曲线重叠，地层电阻率高值达到100Ω·m；当RO＞4.5时，密度为高值，密度和中子曲线分开，地层电阻率非常小（小于1Ω·m）（见图1）。

图1 页岩层不同镜质体反射率RO的各种测井曲线响应特征

4.1.2 识别黏土矿物

Boonen等[11]介绍了已用于现场的随钻三中子孔隙度测量值间的幅度差说明黏土矿物的存在。

在Eagle Ford和Haynesville页岩地层，使用过一种随钻测井密度－中子测井仪，它有近、中、远3个不同源距的中子探头。由近探头与远探头、中探头与远探头、近探头与中探头的计数率比值计算出三中子孔隙度，即近／远、中／远、近／中中子孔隙度。对三中子孔隙度进行环境校正。在页岩和泥质砂岩，三中子孔隙度始终以中／远中子孔隙度最大、近／中中子孔隙度最小的相同幅度分离。地层中黏土矿物含量越高，中子孔隙度越大。在地层孔隙度小于10%时，三中子孔隙度幅度差一般小，指示黏土会有大的波动。对中子孔隙度需要进行黏土校正。

黏土对三中子孔隙度值的影响不同，用Monte Carlo模拟研究人造地层中黏土对中子孔隙度值的影响。该方法利用近／中、近／远中子孔隙度之间的差异对近／远中子孔隙度进行黏土影响校正[11]。校正后的中子孔隙度与密度孔隙度重叠能更好地指示页岩气。

4.1.3 识别裂缝／层理／断层

Hamed Soroush等人指出[12]，为了防止页岩地层井眼垮塌，通常采用油基泥浆钻井。微电阻率成像测井是识别裂缝最好的工具，现已发展到能在油基泥浆水平井中用随钻电阻率成像识别裂缝甚至层理、断层，其技术已经成熟（见图2）。评价裂缝通常用油基泥浆电阻率成像测井（OBMI）和超声成像测井（UBI）。

图2 利用随钻成像测井识别天然裂缝和钻井诱导裂缝

4.2 页岩气储层定量评价及进展

4.2.1 页岩气储层划分

Marouby等[13]介绍了采用 Heidari等[11]的非线性联合反演方法，由测井曲线（密度、中子孔隙度、电阻率、光电吸收截面指数、伽马能谱）计算出矿物组分的体积含量、总孔隙度、水／气饱和度。基于声波、核、电阻率测井，用岩石物理模型计算弹性模量。Heidari给出了有机页岩的岩石物理模型（见图3）[14]。

图3 有机页岩岩石物理模型

利用常规测井资料和微电阻率成像测井资料能有效地划分页岩储层，主要是利用自然伽马、自然电位、井径曲线。

4.2.2 计算矿物成分和确定岩性

建立区域性的典型页岩气层特征样本数据库。数据库的样本细到层组，数据是全面的。用测井资料计算的岩性通过与本地样本比对能准确判断岩性。

斯伦贝谢公司的做法是用常规三组合和ECS（元素俘获能谱）测井资料，采用该公司的Spectro-Lith技术确定地层中黏土、石英－长石－云母、碳酸盐、黄铁矿或硬石膏的含量[7]。根据石英和方解石的重量浓度，用交会图识别岩性。根据总孔隙度和石英或方解石的重量浓度，用交会图识别岩性[14]。

仅依靠自然伽马测井资料确定黏土含量容易导致高估黏土含量。

4.2.3 计算孔隙度、渗透率、饱和度进展

核磁共振测井也被用于计算有效孔隙度（不受总有机碳影响），计算结果与岩心分析孔隙度非常一致。

Shabro等（2011年）[15]认为，气体解析对含气页岩视渗透率没有明显影响，介绍一种孔隙级气体流动模型，由流体分布评估视渗透率。Eastward等（2011年）介绍了用 Bardon-Pied（1969年）改进的Simandoux含水饱和度模型评估初始总体积水。

4.2.4 确定总有机碳（TOC）

在岩性较纯的页岩气层，GR－TOC、密度－TOC呈线性相关。Hichey和 Henk（2007年）在Barnett某些层段用体积密度－TOC计算TOC。

Passey等[16]给出了利用声波时差和地层电阻率计算TOC的数学表达式。后来，Passey等（2010年）又给出了用Δlog Rt－TOC评估TOC。该方法具有实用性，一直沿用至今，适用于岩性相对均匀的页岩地层；对于复杂岩性泥岩，其岩性差异，尤其是黏土体积，而不是过成熟干酪根会低估TOC（Eastwood等，2011年）。

类似有：① 用（电阻率－中子－密度）－TOC评估Barnett页岩的干酪根成熟度（Zhao等，2007年），该方法一直在使用[17]；② 用（密度－核磁共振测井）－TOC评估TOC值与由地球化学测井确定TOC相比较确定有机质密度；③ 渗透率K－TOC为负相关。

用多矿物页岩气模型计算TOC，需要有较好的岩屑和岩心分析数据资料支持。Eastword等[18]认为应根据页岩的不同矿物组分选择测井模型计算TOC。Coope等（2009年）提出了一种适用于LWD测井系列的有限矿物模型方法计算TOC。它将页岩看作为只有一种单一重矿物或轻矿物，采用的是一种分析方法。

综合应用常规三组合和地球化学测井资料确定页岩中的有机碳含量。用地球化学测井探测地层中的碳[19]。用式（2）计算每一层的TOC

式中，TOC为总有机碳；C1为由地球化学测井测量的碳；C方解石、C白云石、C菱铁矿分别为由该层的地球化学测井资料计算出的方解石、白云石、菱铁矿的含量所推导出的相应的碳值。

4.2.5 确定页岩热成熟度指数（MI）

当页岩中TOC达到一定指标后，有机质的成熟度则成为页岩气源岩生烃潜力的重要预测指标，含气页岩的成熟度越高表明页岩生气量越大，页岩中可能赋存的气体也越多。

Hank Zhao等[17]用三种裸眼井测井曲线——中子（中子孔隙度）、感应（深电阻率）和体积密度（或密度孔隙度）计算热成熟度指数。假设条件：页岩气是自生自储和没有外来物源，含水饱和度、所生成的烃密度随着热成熟度增加而减小。计算出的MI值与从实际生产井资料得到的气油比（GOR）建立关系（相关性好）。由此，建立地区经验关系式。该方法有助于了解生气窗内页岩源岩的热成熟度水平。由数百口井的资料绘制的MI、GOR、气体生热值图可识别不同成熟阶段和页岩的产油、凝析气、湿气、干气的面积。与岩样（岩心或岩屑）的实验分析相比，这种方法更为快速、更加可靠。选择具有一整套从油到气的烃成熟度谱的页岩进行研究（中子孔隙度－密度孔隙度放在同一道内，即用中子－密度幅度差直观识别气层）。

统计得到计算MI的关系式为

式中，MI为页岩的成熟度指数；φN为中子测井孔隙度；N为密度孔隙度φD大于等于取心段的平均有效孔隙度和束缚水饱和度等于或小于产气页岩的束缚水饱和度截止值的数据样本数为取心段的平均有效孔隙度（有效孔隙度＝φD－φw）；Swi为小于等于产气页岩的束缚水饱和度截止值的页岩骨架束缚水饱和度。

可见，中子测井值越低、含烃饱和度越高，则含气饱和度、页岩的热成熟度越高；中子测井值、含烃饱和度越高，则含气饱和度、页岩的热成熟度越低。

影响MI计算结果的因素为密度孔隙度、老的测井资料的可靠性（主要是在20世纪60年代和70年代测井数据）、测井刻度。

4.2.6 计算储层岩石力学参数

评价地层力学性质的方法有经验关系式、有效介质理论以及岩石物理模型。

近年来，现有的有效介质理论的进展之一为Xu和 White考虑黏土矿物，在Kuster-Toksöz和DEM基础上给出。而Marouby等介绍了基于声波、核、电阻率测井评估有机页岩弹性性质新方法[13]：①采用Heidari等描述的方法获得矿物浓度的估计值，其优点为较基于常规测井评价方法所得的矿物含量值受围岩影响小[20]；② 利用自一致近似模型计算有机页岩的弹性模量，再识别出优质产层，计算地层的纵、横波速度；③ 用复制的弯曲波和斯通利波曲线评估所计算出的弹性模量的质量。

Buller等[21]介绍了采用偶极横波和经过天然气校正后的纵波速度计算脆性指数。Rickman[22]等针对页岩气储层的压裂问题论述了每一种页岩气储层不见得都与Barnett地层相同，在压裂中必须进行优化设计。为此，必须进行岩石物理参数的计算；同时，他提出了岩石脆性、闭合压力、压裂宽度、弹性模量、泊松比等计算方法。

Gatens等人[23]1990年利用声波测井资料、原位应力数据计算了Appalachian盆地页岩气储层的力学参数，绘制了地层应力剖面。

4.2.7 评价裂缝及确定天然气地质储量

图4 综合成像测井和岩心资料对Fort Worth盆地密西西比纪Barnett页岩气储层的裂缝体系进行评价

Patterson等[24]报道了在孔隙压力梯度高、气显示明显的Haynesville页岩气层用深探测偶极横波成像技术判断裂缝走向、方向（距井眼60ft的裂缝）。类似的还有Gale等的研究（见图4）。在油基泥浆井中用阵列感应资料计算裂缝长度（Xue，2008年）。Cluff（2006年）利用Langmuir公式计算了Woodford页岩气储层的平均地质储量，并绘制成平面图。

5 对目前页岩气测井技术的思考

（1）有必要建立产气页岩的典型样本数据库，样本信息应全面。

（2）对于微达西、纳达西的页岩岩心测量，尤其是渗透率的测量，需要建立新的测量方法。对孔隙度岩心数据也有必要标准化。未来的页岩岩心分析需要刻度岩心测试的标准材料（天然的或合成的），降低测量数据组中的不确定度和误差。

（3）在有些含气页岩地层中观察到介电常数大，如在得克萨斯、俄克拉何马及犹他州，薄黏土层的大小以及黄铁矿的存在导致介电常数异常高，并为烃类的形成提供了粒间孔隙，呈现高介电常数特征的气源岩页岩层被低介电常数的非气源岩所包围。我们提出进行富有机质页岩岩心研究，研究与异常介电常数的关系，尤其是较低电阻率页岩，这些研究至少能提供含气页岩地层的沉积环境和热历史信息。

（4）斯伦贝谢公司的研究人员试图对感应测井仪器所测得的电压测量数据进行研究。他们通过分析AIT阵列感应成像仪的原始数据，发现了超出页岩层正常范围的较大的正交负信号。相反，邻层砂岩和页岩则呈现较小的正交正信号，这些信号代表该地区典型的电导率测量结果。他们正着手研究这些电性特征在气源岩和非气源岩页岩中的变化程度。随着进一步的测试和改进，对普通的感应测井资料的详细分析能够提供页岩层正交信号与其烃类形成能力之间的相互联系[17]。

（5）在水平井，纵波时差不可靠而X－Y偶极横波测量值相对可靠，但偶极横波会将严重狗腿度处误解释为各向异性。

（6）与常规电阻率相比，中子俘获截面测井对干酪根更为敏感。有必要研究中子俘获截面、电阻率与总有机碳的关系，将其作为直接测量总有机碳的替代方法。

6 结 论

（1）对于页岩岩心测量，尤其是渗透率测量需要建立新测量方法。非常有必要建立产气页岩的典型样本数据库，样本信息要全面。对页岩岩心数据也有必要标准化。

（2）好的页岩气储层在常规测井曲线上具有典型的气层测井响应特征。页岩气储层的特点决定了它的测井评价重点在于计算总有机碳含量、热成熟度指数和识别岩性、矿物，即找到富含有机质的硅质页岩储层。

（3）需要探索能更好反映页岩气层与围岩差异的测井新方法。

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