鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖油儲層裂縫特征及常規(guī)測井識別方法

唐小梅，曾聯(lián)波，岳 鋒，趙向原 （中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249）

王曉東，李向平 （長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710021）

鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖油儲層裂縫特征及常規(guī)測井識別方法

唐小梅，曾聯(lián)波，岳 鋒，趙向原 （中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249）

王曉東，李向平 （長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710021）

鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7油層組底部廣泛發(fā)育張家灘頁巖，厚度15～60m，中間夾薄層細(xì)砂巖或泥質(zhì)粉砂巖，是很好的頁巖油儲層。野外露頭觀察、巖心分析及成像測井資料解釋均表明該頁巖段近東西向高角度構(gòu)造裂縫和近水平頁理縫發(fā)育，為致密頁巖油儲層提供了良好的滲流通道。依據(jù)巖心分析和成像測井資料解釋確定單井內(nèi)裂縫類型和分布；選取對裂縫敏感的常規(guī)測井曲線自然電位、聲波時(shí)差、密度、中子及深淺電阻率差比，根據(jù)巖心分析和成像測井解釋結(jié)果，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理系統(tǒng)確定不同測井曲線的權(quán)系數(shù)，采用綜合概率指數(shù)法和分形維數(shù)法識別頁巖油儲層及裂縫。

頁巖油；裂縫特征；常規(guī)測井識別；鄂爾多斯盆地

隨著非常規(guī)油氣在世界石油天然氣工業(yè)中展現(xiàn)出舉足輕重的作用，頁巖油氣作為一種非常規(guī)油氣資源也越來越受到重視。近幾年北美海相頁巖氣的成功勘探開發(fā)表明，富含有機(jī)質(zhì)的低孔隙度、低滲透率的頁巖也能成為有效的油氣儲層，其中最重要的因素就是要有足夠的天然裂縫為儲層提供有效的儲集空間和主要的滲流通道［1～3］。國內(nèi)學(xué)者的大量研究表明，中國存在海相頁巖和陸相頁巖，都有成為工業(yè)油氣儲層的可能，并在泌陽凹陷、遼河西部凹陷等地區(qū)成功獲得頁巖油氣［4～7］。目前已有的研究成果側(cè)重于頁巖氣儲層中發(fā)育的裂縫類型、成因及評價(jià)等［8～10］，對頁巖油儲層中的裂縫研究甚少。

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長7油層組底部廣泛發(fā)育湖相頁巖，稱為“張家灘頁巖”，分布范圍廣、厚度較大、含油率較高，具有巨大的頁巖油資源潛力［11，12］。目前將該層作為烴源巖的相關(guān)研究很多，但是將其作為頁巖油儲層來研究的很少。為此，筆者利用野外露頭觀察、巖心分析及成像測井資料，解釋分析了鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長7油層組頁巖油儲層的天然裂縫發(fā)育特征，研究了頁巖段發(fā)育不同程度和不同類型天然裂縫時(shí)，對應(yīng)深度段常規(guī)測井的響應(yīng)特征，并提出了有效的識別方法，為該區(qū)頁巖油儲層的勘探開發(fā)提供了理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地以陰山、大青山和狼山為北界，南到秦嶺，西自賀蘭山和六盤山，東至呂梁山，總面積大約37× 104km2。盆地內(nèi)部構(gòu)造相對比較簡單，斷層不發(fā)育，地層平緩，傾角一般小于1°（圖1）。上三疊統(tǒng)延長組是一套在湖盆發(fā)展全盛期形成的以河流和湖泊相為主的陸源碎屑巖沉積，發(fā)育了盆地主要的含油層系，從上到下可以劃分為10個(gè)油層組（即長1～長10油層組）［13］。其中長7油層組形成于湖盆最大擴(kuò)張期，水體變深，沉積的范圍也明顯擴(kuò)大，形成大面積的深湖－半深湖相的沉積，發(fā)育厚層的暗色泥巖和油頁巖，特別是長7油層組底部的“張家灘頁巖”，在整個(gè)盆地分布廣泛，厚度約15～100m，有機(jī)質(zhì)豐度高，是中生界最主要的烴源巖分布區(qū)［11］。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置簡圖

該次研究的西峰油田合水區(qū)位于鄂爾多斯盆地中的伊陜斜坡西南緣?！皬埣覟╉搸r”在該區(qū)分布穩(wěn)定，厚度約15～60m，有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)含量屬于中等偏上，干酪根的類型為Ⅱ2型，是常見的生油巖類型，生油品質(zhì)較好，含油率高，潛力中等，能夠?yàn)轫搸r油的形成提供充足的油氣來源［11］?？v向上主要為1～2m的小層，中間夾薄層細(xì)砂巖或泥質(zhì)粉砂巖，能夠提供有效的儲集空間。

2 裂縫分布特征

根據(jù)對該區(qū)野外露頭觀察、36口井共638．5m的巖心觀察、描述與統(tǒng)計(jì)分析以及1口成像測井資料的裂縫分析，西峰油田合水區(qū)長7油層組頁巖段主要發(fā)育有高角度構(gòu)造裂縫（圖2（a））、近水平成巖縫（圖2（b））和近水平頁理縫（圖2（c））3種天然裂縫類型。近水平成巖縫通常順微層面發(fā)育，并具有隨微層面彎曲、斷續(xù)、分枝等分布特點(diǎn)，側(cè)向連通性差。頁理縫則是由于頁巖通常由在強(qiáng)水動力條件下形成的一系列薄層頁巖組成，在機(jī)械壓實(shí)作用和失水收縮作用下會沿著頁理發(fā)生破裂，形成頁理縫，是頁巖中最為發(fā)育的裂縫，多數(shù)情況下表現(xiàn)為水平裂縫。野外露頭觀察和成像測井顯示，該區(qū)頁巖油儲層控制流體滲流系統(tǒng)的主要是高角度構(gòu)造裂縫和近水平頁理縫。

圖2 西峰油田延長組長7油層組頁巖段巖心上觀察的天然裂縫

3 裂縫的常規(guī)測井響應(yīng)特征

依據(jù)巖心分析和成像測井資料解釋結(jié)果確定單井內(nèi)裂縫類型和分布。研究表明，不同類型裂縫發(fā)育段常規(guī)測井響應(yīng)特征差異明顯。巖性指示曲線上：井徑（CAL）均無異常擴(kuò)徑或縮徑現(xiàn)象，井徑大小范圍保持在21．5～22．1cm之間，平均井徑約為21．8cm；自然伽馬值（GR）在近水平頁理縫發(fā)育段異常高，平均值超過400API，在高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育段略有降低，但也大大超過一般砂巖地層自然伽馬值；自然電位（SP）明顯負(fù)異常，且在近水平頁理縫發(fā)育段負(fù)異常程度高于高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育段（圖3）。三孔隙度曲線中：聲波時(shí)差（AC）增大，且在近水平頁理縫發(fā)育段增大程度高于高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育段；中子孔隙度（CNL）增大，有突然拔高現(xiàn)象，且在近水平頁理縫發(fā)育段增大程度高于高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育段；密度值（DEN）變小，且在近水平頁理縫發(fā)育段減小程度遠(yuǎn)高于高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育段（圖4）。電阻率曲線上：電阻率值區(qū)別不大，但深電阻率（RT）和淺電阻率（RXO）差異明顯不同，以高角度構(gòu)造裂縫為主的層段深淺電阻率明顯負(fù)差異，以近水平頁理縫為主的層段明顯正差異（圖5）。

4 常規(guī)測井識別裂縫

由于“張家灘頁巖”為富鈾層，故自然伽馬測井值只能用來識別頁巖層的存在，其變化與裂縫變化關(guān)系不大。另外，井徑曲線在整個(gè)頁巖油儲層段變化很小，也不能反映裂縫發(fā)育情況。因此，根據(jù)常規(guī)測井曲線對裂縫的敏感性，選取自然電位、聲波時(shí)差、密度、中子及深淺電阻率差比，依據(jù)巖心分析和成像測井解釋結(jié)果，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理系統(tǒng)確定不同測井曲線的權(quán)系數(shù)，采用綜合概率指數(shù)法和分形維數(shù)法識別頁巖油儲層及裂縫。

圖3 巖性指示曲線交會圖

圖4 三孔隙度曲線交會圖

圖5 深淺電阻率曲線交會圖

4．1 綜合概率指數(shù)（CWP）方法

對比計(jì)算的各種特征參數(shù)曲線和鉆井取心段的巖心觀測資料或成像測井解釋成果，分析各種特征參數(shù)對不同類型裂縫的識別能力，確定相應(yīng)參數(shù)的加權(quán)系數(shù)，然后把所有特征參數(shù)綜合起來，得到反映不同類型裂縫是否存在及發(fā)育程度的綜合指標(biāo)，然后根據(jù)綜合指標(biāo)的高低對裂縫發(fā)育級別進(jìn)行分類［14］。具體步驟如下：

1）根據(jù)提取的裂縫異常特征參數(shù)，在關(guān)鍵井取心段或成像測井解釋段中確定各種特征參數(shù)反映的裂縫發(fā)育的有效厚度hi（i＝1，2，…，m；m為反映裂縫特征參數(shù)的個(gè)數(shù)）。

2）計(jì)算出各種特征參數(shù)對應(yīng)的裂縫發(fā)育厚度百分比：

式中，H為取心段的厚度或成像測井解釋段厚度，m。

3）計(jì)算出各種特征參數(shù)對應(yīng)的裂縫權(quán)系數(shù)：

4）綜合所提取的各種特征參數(shù)，計(jì)算反映裂縫發(fā)育程度的綜合概率指數(shù)CWP：

式中，wi為第i種對裂縫有反映的測井特征參數(shù)的加權(quán)系數(shù)；Curve，i為第i種對裂縫有反映的測井特征參數(shù)值。

最后得到的綜合概率指數(shù)CWP越大，裂縫發(fā)育程度越高。由于解釋井段無井徑異常擴(kuò)徑段，故井徑變化對解釋結(jié)果幾乎沒有影響，提高了解釋結(jié)果的可信度。

4．2 測井曲線分形維數(shù)方法

通過計(jì)算儲集層測井曲線的分形維數(shù)D值，可以反映其裂縫發(fā)育程度［15］。計(jì)算方法是：將研究的儲層段的測井曲線所在平面進(jìn)行網(wǎng)格逐次加密，將曲線依次穿過的網(wǎng)格數(shù)分別記錄為N（L1），N（L2），…，N（Lk），則可以得到網(wǎng)格數(shù)的統(tǒng)計(jì)公式：

式中，N為研究層段內(nèi)曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；Lk為第k次網(wǎng)格加密后得到的網(wǎng)格數(shù)，1≤k≤t≤n，n為測井值個(gè)數(shù)；Vt為第t個(gè)測井值，電阻率測井可以用其對數(shù)值；Vmax為測井最大值；Vmin為測井最小值；INT（）為取整函數(shù)。

根據(jù)分形理論，記錄曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)能夠存在一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

式中，C為常數(shù)系數(shù)；D為分形維數(shù)。

對式（5）兩邊取對數(shù)，則有：

用式（6）來擬合不同網(wǎng)格數(shù)Li與相應(yīng)曲線穿過網(wǎng)格次數(shù)的N（Li）數(shù)據(jù)系列，就可以獲得分形維數(shù)值D。D值越高，裂縫發(fā)育程度越高。

圖6 常規(guī)測井解釋裂縫結(jié)果與成像測井解釋結(jié)果對比（莊30井，深度1888～1925m）

圖6為西峰油田合水區(qū)莊30井長7油層組底部1888～1925m井段常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用綜合概率指數(shù)法與分形維數(shù)法解釋出裂縫發(fā)育位置及程度，將其與成像測井解釋裂縫結(jié)果對比可以看出，應(yīng)用常規(guī)測井資料在頁巖油儲層識別出裂縫的發(fā)育位置及程度與成像測井解釋描述的裂縫符合性較好，符合率可達(dá)85%以上。表明對常規(guī)測井資料采用綜合概率指數(shù)法及分形維數(shù)法識別頁巖油儲層裂縫是可靠的。因此，可將該方法應(yīng)用到其他非取心井或無成像測井的井中識別裂縫。

5 結(jié)論

1）西峰油田合水區(qū)長7油層組頁巖段主要發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫和近水平頁理縫，天然裂縫控制整個(gè)儲層的滲流系統(tǒng)。

2）常規(guī)測井曲線對長7油層組頁巖段響應(yīng)特征差異明顯，能夠根據(jù)常規(guī)測井曲線響應(yīng)特征差異區(qū)分純頁巖層和細(xì)砂巖或泥質(zhì)粉砂巖薄夾層，區(qū)分不同類型裂縫的存在。

3）綜合概率指數(shù)法和分形維數(shù)法能有效識別頁巖油儲層裂縫，并定量確定裂縫發(fā)育程度。

［1］Gale J F W，Reed R M，Holder J．Natural fractures in the Barnett Shale and their importance for hydraulic fracture treatments［J］．AAPG Bulletin，2007，91（4）：603～622．

［2］Bowker K A．Barnett shale gas production，F(xiàn)ort Worth Basin：Issues and discussion［J］．AAPG Bulletin，2007，91（4）：523～533．

［3］李欣，段勝楷，孫揚(yáng)，等．美國頁巖氣勘探開發(fā)最新進(jìn)展［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（8）：124～126．

［4］Chen S，Zhu Y，Wang H，et al．Shale gas reservoir characterization：A typical case in the southern Sichuan Basin of China［J］．Energy，2011，36（11）：6609～6616．

［5］Zou C，Dong D，Wang S，et al．Geological characteristics and resource potential of shale gas in China［J］．Petroleum Exploration and Development，2010，37（6）：641～653．

［6］Huang J，Zou C，Li J，et al．Shale gas generation and potential of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in the Southern Sichuan Basin，China［J］．Petroleum Exploration and Development，2012，39（1）：75～81．

［7］劉德華，肖佳林，關(guān)富佳．頁巖氣開發(fā)技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向［J］．石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33（1）：119～123．

［8］Ding W，Li C，Li C，et al．Fracture development in shale and its relationship to gas accumulation［J］．Geoscience Frontiers，2012，3（1）：97～105．

［9］吳禮明，丁文龍，張金川，等．渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖儲層裂縫分布預(yù)測［J］．石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33（9）：43～46．

［10］王怡，徐江，梅春桂，等．含裂縫的硬脆性泥頁巖理化及力學(xué)特性研究［J］．石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33（6）：104～108．

［11］丁敏，姚志剛，張狄杰．鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖油存在的可能性分析［J］．石油化工應(yīng)用，2011，30（12）：59～63．

［12］徐士林，包書景．鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖氣形成條件及有利發(fā)育區(qū)預(yù)測［J］．天然氣地球科學(xué)，2009，20（3）：460～465．

［13］楊俊杰．鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化與油氣分布規(guī)律［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2002．

［14］孫建孟，劉蓉，梅基席，等．青海柴西地區(qū)常規(guī)測井裂縫識別方法［J］．測井技術(shù)，1999，23（4）：28～32．

［15］尹燕義，柳成志，陳洪波，等．裂縫型儲層裂縫發(fā)育程度分形描述方法［J］．大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，22（1）：10～12．

［編輯］ 龍 舟

P631．84

A

1000－9752（2012）06－0095－05

2012－02－20

國家重大科技專項(xiàng)（2011ZX05013－004）。

唐小梅（1979－），女，2002年大學(xué)畢業(yè)，講師，博士生，現(xiàn)主要從事致密儲層油氣勘探開發(fā)方面的研究工作。