一种结合甲烷吸附和测井数据来评估页岩气含量及赋存特征的综合方法：以四川盆地琼珠寺组为例

《Fuel》：An Integrated method for shale gas content and occurrence characteristics assessment using methane adsorption and logging data: A case study in the Qiongzhusi formation, Sichuan Basin

本研究基于测井数据与30组甲烷等温吸附实验及3组变温吸附实验，建立了页岩气吸附气与自由气含量预测模型，误差率平均11.89%。通过测井解释，Qiongzhusi Formation页岩气含量为1.56-18.55 cm3/g，以自由气为主（平均占比3.78），层位间差异显著，层4自由气占比最高（8.55），具有重要勘探价值。

　　

Huan Miao|Shi Zhensheng|Tian He|Jiang Zhenxue|Shi Demin|Wu Jianchen|Wu Wei

中国石油大学（北京）石油资源与工程国家重点实验室，北京 102249，中国

摘要

气体含量及其赋存特征是评估页岩气储层勘探和开发潜力的两个关键因素。然而，传统的分析方法通常成本较高，且只能生成离散数据。为了解决这一问题，本研究以四川盆地的琼竹寺组页岩为例，通过整合测井数据与30次甲烷等温吸附实验和3次变温吸附实验的结果，开发了基于测井的预测模型，用于预测吸附态和游离态气体含量。这些模型用于表征该地层的气体含量。根据实验结果，模型预测的总气体含量与保存岩心测试结果相比存在轻微偏差，平均误差率为11.89%。测井解释表明，琼竹寺组页岩的气体含量为1.56至18.55立方厘米/克，其中游离态气体占主导地位。游离态气体与吸附态气体的比例在0.001至8.55之间，平均值为3.78。按层排序，气体含量依次为：⑤ > ④ > ⑦ > ③ > ⑥ > ① > ② > ⑧。值得注意的是，第④层的游离态气体与吸附态气体比例最高，这表明勘探不应仅限于第⑤层和第⑥层——第④层、第⑦层和第③层也具有显著的潜力。

引言

气体含量是评估页岩气储层勘探和开发潜力的核心指标。此外，气体赋存特征，特别是吸附态气体和游离态气体的比例及分布，对制定开发策略和最终生产能力有着重要影响[1]、[2]、[3]。因此，准确确定页岩气含量及其赋存特征有助于指导高效的页岩气勘探和开发。

页岩气含量评估方法主要分为两类：直接法和间接法。直接法利用现场脱附、压力保持取芯和实验室甲烷等温吸附等技术，在样品尺度上表征气体含量和赋存状态[3]、[4]、[5]、[6]。间接法则通过经验回归模型或人工智能算法，利用测井数据和地震数据来预测气体含量[7]、[8]。然而，这两种方法目前都存在显著局限性。直接法不仅成本高昂，而且产生的数据具有空间离散性，无法满足精细储层表征的需求[4]、[5]、[6]。对于游离态气体含量较高的深部或超深部页岩气储层，现场脱附方法的误差率会显著增加[6]、[8]。尽管间接法能够实现气体含量的连续评估，但无法区分气体赋存状态或分别量化吸附态和游离态气体的体积[7]、[9]，这严重限制了其在精细储层表征和开发参数优化中的应用。因此，迫切需要一种能够区分页岩气赋存状态的连续评估方法。

关于页岩气的赋存状态，以往的研究主要通过甲烷吸附实验和气体状态方程建立了吸附态气体和游离态气体的计算模型，从而实现了对页岩气赋存状态的评估[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。研究表明，吸附态气体含量主要受有机物丰度和粘土矿物含量的控制[10]、[11]、[12]，而游离态气体含量则主要受页岩储层物理性质和孔隙压力的影响[13]、[14]。尽管传统实验方法可以提供相对准确的吸附态气体数据，但由于实验结果的离散性和样品数量的限制，难以在单井或区域尺度上实现连续评估[15]、[16]。相比之下，测井技术可以生成反映关键页岩物理性质的连续地层数据，包括孔隙度、矿物组成和有机质丰度（TOC）。这些性质与吸附态气体和游离态气体的赋存特征密切相关。因此，在甲烷吸附实验的基础上，整合测井数据可以间接预测吸附态和游离态气体含量，为评估页岩气赋存状态提供有效支持。

琼竹寺组页岩是中国商业页岩气开发的新层位，继龙马西组之后。该层位在TOC含量、矿物组成和有机质（OM）成熟度方面与龙马西组存在显著差异[17]、[18]。目前，琼竹寺组页岩气尚未得到充分勘探，对其气体赋存状态和总体含量的了解仍然不足。虽然已有一些关于影响甲烷吸附因素的知识[19]、[20]，但对该层位的全面系统定量研究仍十分缺乏。

为了表征页岩气储层，本研究选取了30个琼竹寺组页岩样本，旨在开发一种预测页岩气含量及其赋存状态的 方法。该方法整合了甲烷等温吸附和变温吸附实验数据、气体状态方程以及测井测量结果。具体步骤包括：（1）利用测井数据拟合等温吸附实验得到的朗缪尔体积（V_L）和朗缪尔压力（P_L）；（2）使用朗缪尔方程计算绝对吸附量（Q_ab）；（3）结合气体状态方程和测井数据建立游离态气体预测模型。该方法的应用有助于分析四川盆地内琼竹寺组页岩的气体含量和赋存特征，从而促进其勘探和开发。

地质背景

四川盆地面积约为26万平方公里，位于扬子地台的四川坳陷内。其地质演化可追溯至新元古代（10亿年前）。早期，该地区作为特提斯洋的边缘海域，形成了厚厚的海洋碳酸盐岩和富蒸发岩地层。侏罗纪时期（2亿年前），印度-中国造山运动对该地区产生了显著的压缩应力。

样品

本研究选取了30个琼竹寺组页岩岩心样本，这些样本来自Z201、Z202、Z217和WY1H井（图1b）。所有岩心样本均进行了编目，其TOC、矿物组成和测井数据由西南油气田提供。测井数据包括声波传输时间（DT）、电阻率（RT）、自然伽马（GR）、口径（CAL）、中子（CN）、密度（DEN）、含水饱和度（SW）和孔隙度（POR）。

TOC和矿物组成

图3展示了30个样本的TOC和矿物组成。这些样本的TOC含量范围为0.1%至5.45%，平均值为1.51%，低于吴峰-龙马西组页岩的平均值（2.16%）[35]、[51]、[52]、[53]、[54]。这种差异可能与琼竹寺组页岩较高的热成熟度和相对较浅的沉积水深有关[17]、[18]。在矿物组成方面，石英是最主要的成分。

结论

通过整合甲烷等温吸附和变温吸附实验、气体状态方程以及测井数据，建立了一种预测页岩气含量和赋存状态的方法。该方法系统地表征了四川盆地琼竹寺组页岩的气体含量，得出以下结论：

（1）

通过结合甲烷吸附实验和测井数据评估页岩气赋存状态和气体含量的方法

作者贡献声明

Huan Miao：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论设计、数据整理、概念构建。Shi Zhensheng：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、资金获取。Tian He：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、数据整理、概念构建。Jiang Zhenxue：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、资金获取。Shi Demin：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目（项目编号U24A20592和42272137）以及中国石油集团公司重点应用科学技术项目（项目编号2023ZZ21和2024DJ87）的资助。同时，我们也感谢编辑和审稿人的宝贵建议。