鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組陸相頁(yè)巖測(cè)井評(píng)價(jià)

陳斐然, 陳?ài)`發(fā), 姜呈馥, 史鵬, 董勁, 陳娟, 楊春龍

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 3.延長(zhǎng)石油集團(tuán)有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075)

0 引 言

通過(guò)對(duì)32個(gè)國(guó)家頁(yè)巖氣資源量的初步評(píng)價(jià),頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)可使全球天然氣可采資源量增加40%以上[1]。中國(guó)也開(kāi)展了大量關(guān)于頁(yè)巖氣前期資源評(píng)價(jià)及相關(guān)勘探開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的研究[2-5],初期勘探成果表明中國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力巨大[6]。對(duì)鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段的初步研究結(jié)果表明,該區(qū)頁(yè)巖厚度大,有機(jī)碳含量較高,具有較好的頁(yè)巖氣資源潛力[7]。目前,延長(zhǎng)油田股份有限公司已在探區(qū)內(nèi)成功部署了中國(guó)第1批陸相頁(yè)巖氣探井,并且已在研究區(qū)內(nèi)的柳評(píng)177井長(zhǎng)7段獲得工業(yè)氣流,證明了陸相頁(yè)巖氣的存在[8]。

頁(yè)巖原地總含氣量的估算主要包括頁(yè)巖的吸附氣和游離氣部分以及富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段的厚度[9-12]。在控制頁(yè)巖氣生成與聚集的諸多因素中,總有機(jī)碳含量(TOC)被普遍認(rèn)為是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣成藏及進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)的關(guān)鍵性參數(shù)[11,13-15]。這主要是由于頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)不僅是頁(yè)巖生氣的物質(zhì)基礎(chǔ),決定著頁(yè)巖的生烴強(qiáng)度,也是頁(yè)巖吸附氣的載體之一,決定著頁(yè)巖的吸附氣量[16]。前人研究發(fā)現(xiàn)TOC與頁(yè)巖甲烷吸附能力之間存在著較好的正相關(guān)性[16-21]。

為精確評(píng)價(jià)陸相頁(yè)巖氣經(jīng)濟(jì)潛力,估算頁(yè)巖原地總含氣量,需要對(duì)頁(yè)巖的空間分布特征進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)。但由于受現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用及實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制,實(shí)際工作中很難得到整個(gè)頁(yè)巖層段連續(xù)的TOC值,因此可以借助測(cè)井資料連續(xù)性好及垂向分辨率高的優(yōu)勢(shì),利用不同測(cè)井曲線對(duì)有機(jī)質(zhì)及圍巖物理特性的異常響應(yīng),對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥頁(yè)巖測(cè)井評(píng)價(jià)方法及測(cè)井響應(yīng)特征已經(jīng)做了大量的研究與闡述[22-33],但不同的方法均具有一定的局限性和適用范圍。

本文在綜合整理國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的多種關(guān)于利用測(cè)井信息評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖方法的基礎(chǔ)上,將各方法在研究區(qū)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用對(duì)比,并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)選;利用優(yōu)選出的方法對(duì)研究區(qū)各資料井的TOC進(jìn)行擬合,分區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),精細(xì)刻畫(huà)研究區(qū)長(zhǎng)7、長(zhǎng)9段不同TOC區(qū)間段泥頁(yè)巖厚度。

1 研究區(qū)泥頁(yè)巖地質(zhì)特征

研究區(qū)主要位于陜北斜坡的東南部,主體位于陜西省延安市。研究目的層為三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段和長(zhǎng)9段,其中上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組是發(fā)育在穩(wěn)定沉降時(shí)期的湖相碎屑巖層系,湖盆經(jīng)歷了一個(gè)完整的湖侵湖退沉積旋回[34]。

長(zhǎng)7段為湖盆最大的擴(kuò)張時(shí)期,沉積厚度80～150 m,巖性主要為暗色頁(yè)巖、碳質(zhì)泥巖、油頁(yè)巖夾薄層細(xì)砂巖。根據(jù)巖性特征可進(jìn)一步劃分為3個(gè)亞段。長(zhǎng)7段底部為一套灰黑色半深湖相油頁(yè)巖,頁(yè)理一般較發(fā)育,測(cè)井響應(yīng)特征明顯,是一套較好的區(qū)域性標(biāo)志層。

長(zhǎng)9段發(fā)育在湖侵時(shí)期,受西南邊緣斷裂活動(dòng)影響,以三角洲及半深湖相沉積為主,厚度范圍在90～120 m,頂部發(fā)育一套區(qū)域穩(wěn)定分布的“李家畔”頁(yè)巖,厚度約為20 m。

2 測(cè)井評(píng)價(jià)方法

2.1 泥頁(yè)巖測(cè)井響應(yīng)特征

測(cè)井信息評(píng)價(jià)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的基本原理主要是利用不同測(cè)井工具對(duì)巖石有機(jī)質(zhì)含量的特征響應(yīng)。其中富有機(jī)質(zhì)的沉積物通常具有幾個(gè)明顯的物理特征:高放射性、低密度、高氫含量,一般不導(dǎo)電或?qū)щ娦圆睢Ｗ匀毁ゑR、聲波、密度及電阻率測(cè)井曲線一般對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖都會(huì)有一個(gè)明顯的響應(yīng)特征。

富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的自然伽馬值一般高于其他常規(guī)泥頁(yè)巖或泥灰?guī)r,并且?guī)r石的總有機(jī)碳含量與自然伽馬曲線之間常存在著正相關(guān)的線性關(guān)系[35]。這主要是由于有機(jī)質(zhì)對(duì)鈾元素的吸附性較強(qiáng),導(dǎo)致鈾元素會(huì)在有機(jī)質(zhì)中富集。

密度測(cè)井曲線顯示巖石的密度與有機(jī)碳含量之間存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這是由于有機(jī)質(zhì)的密度小于巖石的其他固體成分[32,35-37]。隨著有機(jī)質(zhì)含量增加,巖石的聲波時(shí)差也會(huì)增大,聲波測(cè)井與有機(jī)質(zhì)豐度之間的這種正相關(guān)性已經(jīng)得到許多學(xué)者的論證[36-37]。

由于有機(jī)質(zhì)的非導(dǎo)電性,它的存在會(huì)導(dǎo)致巖石的電阻率增加。以前也有許多學(xué)者曾在成熟烴源巖中觀察到電阻率急劇增加的現(xiàn)象[38-40],然而,與孔隙度曲線不同的是電阻率與泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,有機(jī)質(zhì)對(duì)巖石導(dǎo)電性的影響除了厚度以外,還有成熟度的影響。

2.2 測(cè)井評(píng)價(jià)方法

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖就被作為常規(guī)油氣的烴源巖層進(jìn)行研究,經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展,提出了很多方案與方法(見(jiàn)表1)。從最早期的模型驅(qū)動(dòng)方法,到模型結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),再到近年來(lái)興起的純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),不同的測(cè)井評(píng)價(jià)方法具有不同的適用范圍,且不同擬合計(jì)算方法在同一地區(qū)得到的結(jié)果也存在一定的差異[28-33]。這主要是由于各方法提出的區(qū)域地質(zhì)背景及特定條件的不同。因此在進(jìn)行測(cè)井評(píng)價(jià)之前應(yīng)當(dāng)對(duì)各方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用對(duì)比,優(yōu)選出適用于研究區(qū)的測(cè)井評(píng)價(jià)方法。

表1 利用測(cè)井信息評(píng)價(jià)烴源巖各主要方法總結(jié)

3 方法應(yīng)用及優(yōu)選

將前人提出的幾種測(cè)井評(píng)價(jià)方法在下寺灣地區(qū)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用,對(duì)該區(qū)YY-12井的TOC進(jìn)行擬合。通過(guò)擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比,繪制綜合對(duì)比柱狀圖(見(jiàn)圖1),可以看出Schmoker[28]提出的第1種密度圖版法擬合結(jié)果明顯偏小,與實(shí)測(cè)值不存在線性關(guān)系,均方誤差較大(見(jiàn)表2);同樣,Schmoker[30]提出的自然伽馬法擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)TOC相比也偏小,而且在貧有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段擬合結(jié)果普遍偏大,擬合效果較差。

應(yīng)用Schmoker[31]提出的第2種密度圖版法及Myers[41]提出的新密度圖版法擬合效果相對(duì)較好,均方誤差分別為1.39與2.22。同前2種方法相比具有一定的可適用性,但在貧有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段擬合結(jié)果整體偏大,穩(wěn)定性較差。同樣,應(yīng)用Huang[33]提出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演法(BP-ANN)在取樣層段擬合效果較好,但在其他層段擬合值明顯偏高,說(shuō)明該方法擬合結(jié)果的準(zhǔn)確性與該地區(qū)訓(xùn)練樣本(即樣品實(shí)測(cè)值)的分布范圍與數(shù)量密切相關(guān)。

本文最終選用穩(wěn)定性更強(qiáng)(均方誤差為1.28)、應(yīng)用條件較少(僅需聲波與電阻率曲線)的ΔlogR法[32]作為該地區(qū)測(cè)井評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖的主要方法進(jìn)行推廣應(yīng)用。

表2 YY-12井?dāng)M合TOC值與實(shí)測(cè)值均方誤差對(duì)比

4 陸相頁(yè)巖測(cè)井評(píng)價(jià)

4.1 建立Δlog R模型

Passey等提出的ΔlogR方法是一種模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方法[32]。該方法主要是利用聲波曲線與電阻率曲線的疊加擬合泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度,考慮到成熟度值選取的不便性及容易產(chǎn)生整體的偏差,國(guó)內(nèi)學(xué)者多采用改進(jìn)后的ΔlogR方法進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)[42-44]

TOC=A×ΔlogR+B

(1)

式中,A為擬合系數(shù);ΔlogR被定義于聲波曲線與電阻率曲線的間隔;B為與ΔlogR相關(guān)的常數(shù)。

本文選用實(shí)測(cè)TOC數(shù)據(jù)較多的YY-9井作為標(biāo)準(zhǔn)井,應(yīng)用改進(jìn)后的ΔlogR方法建立研究區(qū)測(cè)井評(píng)價(jià)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的模型(見(jiàn)圖2)

TOC=2.229×ΔlogR+0.188

(2)

為檢驗(yàn)該模型的實(shí)用性,選取YY-8井作為檢驗(yàn)井,應(yīng)用該模型擬合YY-8井的TOC,并將擬合TOC與實(shí)測(cè)TOC進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)二者誤差較小,相關(guān)系數(shù)R2接近0.83(見(jiàn)圖3)。結(jié)果表明應(yīng)用該方法計(jì)算研究區(qū)頁(yè)巖的TOC可信度高,適于在該區(qū)推廣應(yīng)用。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)井YY-9井Δlog R值與實(shí)測(cè)TOC關(guān)系

圖3 檢驗(yàn)井YY-8井?dāng)M合TOC與實(shí)測(cè)TOC關(guān)系

4.2 頁(yè)巖空間分布

4.2.1 縱橫向分布

依據(jù)建立的ΔlogR評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)62口探井的頁(yè)巖主要分布層段(長(zhǎng)7、長(zhǎng)9段)TOC進(jìn)行測(cè)井?dāng)M合,依據(jù)擬合結(jié)果對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)。從繪制的連井剖面圖中可以看出,①縱向上,長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要分布在長(zhǎng)7段中下部,有機(jī)碳含量主要分布在3.5%～6.5%,最高可達(dá)到10.0%以上,單層厚度較大,分布中心區(qū)厚度可達(dá)到70 m以上;長(zhǎng)9段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖所占比例相對(duì)較低,主要分布在長(zhǎng)9段頂部,厚度約為20 m,TOC可達(dá)4.0%～6.0%;長(zhǎng)8段與長(zhǎng)9段中下部以泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖為主,有機(jī)碳含量相對(duì)較低,有部分暗色泥巖夾層。②橫向上,長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度由西向東有明顯變薄的趨勢(shì)(由70 m減至20 m左右),而長(zhǎng)9段頁(yè)巖厚度卻有略微增加(見(jiàn)圖4),這說(shuō)明在該時(shí)期內(nèi)研究區(qū)分布中心由西向東方向發(fā)生偏移。

圖4 研究區(qū)LP171—YY11—YY6—X57—X59地層對(duì)比圖

4.2.2 平面展布

通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)62口井富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段的TOC進(jìn)行擬合并統(tǒng)計(jì),在單井綜合研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合沉積相平面展布及相關(guān)資料的研究,由點(diǎn)到面,由單井綜合柱狀圖到連井剖面圖,再分TOC區(qū)間繪制研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的平面厚度等值線圖(見(jiàn)圖5、圖6)。

圖5 研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁(yè)巖TOC(>1.0%)平面厚度圖

圖6 研究區(qū)長(zhǎng)9段泥頁(yè)巖TOC(>1.0%)平面厚度圖

研究區(qū)長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度存在由西南向東北逐漸減薄的趨勢(shì),TOC>1.0%頁(yè)巖厚度范圍主要分布在20～100 m(見(jiàn)圖5),TOC>2.0%頁(yè)巖厚度主要在10～80 m,厚度最大部分出現(xiàn)在研究區(qū)西南角,推測(cè)該區(qū)為研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖分布中心。

長(zhǎng)9段整體地層厚度較厚,中下部包含大段泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖(TOC<2.0%),其中TOC>1.0%的泥頁(yè)巖厚度普遍可達(dá)到50 m以上(見(jiàn)圖6);但長(zhǎng)9段TOC>2.0%以上的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段厚度所占比例較小(主要分布于頂部),僅占地層總厚度的20%左右,厚度范圍在10～30 m。分布中心同長(zhǎng)7段相比,發(fā)生了明顯的東北方向的偏移,由研究區(qū)西南部轉(zhuǎn)移至中部。

5 結(jié) 論

(1) 通過(guò)對(duì)各測(cè)井評(píng)價(jià)方法對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法擬合的TOC結(jié)果明顯優(yōu)于單純的模型驅(qū)動(dòng)方法,這主要是由于模型驅(qū)動(dòng)圖版法的提出具有一定的地質(zhì)背景特定性及條件假設(shè)性,因此實(shí)際推廣適用性不強(qiáng)。

(2) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演法(BP-ANN)在實(shí)測(cè)TOC層段擬合效果較好,但在貧有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段的擬合結(jié)果明顯偏高,整體評(píng)價(jià)較差,而ΔlogR法擬合泥巖的TOC含量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較一致、應(yīng)用條件較少可在研究區(qū)推廣應(yīng)用。

(3) 長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要分布在長(zhǎng)7段中下部,有機(jī)碳含量主要分布在3.5%～6.5%,最高可達(dá)10.0%,單層厚度較大;長(zhǎng)9段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要分布在長(zhǎng)9段頂部,厚度約為20 m,TOC可達(dá)4.0%～6.0%。

(4) 研究區(qū)長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度存在由西南向東北逐漸減薄的趨勢(shì),富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的分布中心位于研究區(qū)西南部,TOC>1.0%頁(yè)巖厚度范圍主要分布在20～100 m,TOC>2.0%頁(yè)巖厚度主要在10～80 m;長(zhǎng)9段沉積中心轉(zhuǎn)移至研究區(qū)中部,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段(TOC>2.0%)厚度所占比例較小,僅占地層總厚度的20%左右,厚度范圍在10～30 m。

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要使馬鈴薯獲得優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)，選擇適宜馬鈴薯生長(zhǎng)的土壤十分重要，種植馬鈴薯的地塊應(yīng)該滿足以下兩個(gè)基本條件：一是選擇土壤肥沃、地勢(shì)平坦、排灌方便、土層深厚、土質(zhì)疏松的微酸性沙壤土或壤土進(jìn)行栽培。二是選擇三年內(nèi)沒(méi)栽培過(guò)馬鈴薯、番茄、辣椒、茄子等茄科作物的地塊，以減少病蟲(chóng)害的發(fā)生。前茬最好為豆科、十字花科、禾谷類(lèi)等作物，如以大豆、油菜、蔥、大蒜作為前茬作物，還可有效防止細(xì)菌性青枯病的危害。

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