改進(jìn)的Δlog R模型在烴源巖評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

劉亞洲,剛文哲,陳果,田成博

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 昌平 102249)

0 引 言

就泥頁(yè)巖來(lái)說(shuō),甜點(diǎn)區(qū)塊往往有其特定的地球化學(xué)、地球物理和巖石力學(xué)參數(shù)?？紤]到有機(jī)質(zhì)對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的影響[1-2],許多學(xué)者提出了利用TOC含量來(lái)估算地層的孔隙度、含水飽和度和天然氣含量[3-5]。準(zhǔn)確地獲取有機(jī)質(zhì)豐度可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)樣品的分析化驗(yàn)得到,但由于鉆井取心井段較少,取樣存在隨機(jī)性,難以對(duì)取心井段和未知井段有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行全貌的評(píng)估。因此,基于上述的局限性,實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果往往難以大規(guī)模應(yīng)用到遠(yuǎn)景區(qū)塊的勘探和開(kāi)發(fā)階段。

關(guān)于有機(jī)質(zhì)豐度的預(yù)測(cè),目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要利用測(cè)井曲線(xiàn)和實(shí)測(cè)TOC數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合對(duì)未知井段進(jìn)行預(yù)測(cè)。Fertl等[6]提出利用自然伽馬能譜測(cè)井與實(shí)測(cè)TOC進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析的方法。Passey等[7]提出了利用孔隙度曲線(xiàn)(聲波、密度和中子)和電阻率曲線(xiàn)的疊合建立的ΔlogR模型對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行預(yù)測(cè),該方法最為經(jīng)典并且一直沿用至今。Mohammad等[8-9]提出利用ΔlogR和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)TOC進(jìn)行預(yù)測(cè)。一些學(xué)者提出不同模型的改進(jìn)方法提高TOC預(yù)測(cè)的精度[10-12]。其中,ΔlogR方法最為成熟,但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)。該方法的前提是烴源巖的巖性基本保持不變,孔隙度曲線(xiàn)和電阻率曲線(xiàn)重疊部分作為非烴源巖層段,其重疊層段的聲波時(shí)差和相應(yīng)電阻率作為基線(xiàn)數(shù)值,該基線(xiàn)值人為主觀(guān)性很大,同時(shí)所謂的“非烴源巖層段”含有一定量的有機(jī)質(zhì)即背景值。烴源巖中存在很強(qiáng)的非均質(zhì)性,其不同礦物組成導(dǎo)致其巖石骨架差別很大,致使孔隙度曲線(xiàn)和電阻率曲線(xiàn)疊合形成的基線(xiàn)變化很大[13-15],有時(shí)在研究層段孔隙度曲線(xiàn)和電阻率曲線(xiàn)可能出現(xiàn)不能很好重合的現(xiàn)象。不同孔隙度曲線(xiàn)和電阻率曲線(xiàn)的關(guān)系系數(shù)能否用于研究區(qū)有待檢驗(yàn)。這些種種因素導(dǎo)致了對(duì)未知井段預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度降低。

筆者以前人有關(guān)ΔlogR理論研究為基礎(chǔ),對(duì)ΔlogR理論的由來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)并在此基礎(chǔ)上做了一定程度的改進(jìn),建立了新的ΔlogR求取公式,同時(shí)利用MATLAB數(shù)學(xué)軟件計(jì)算進(jìn)一步精細(xì)化即實(shí)現(xiàn)不同實(shí)測(cè)點(diǎn)斜率動(dòng)態(tài)化和點(diǎn)到曲線(xiàn)最小距離的動(dòng)態(tài)化。選取鄂爾多斯盆地鹽池-定邊地區(qū)長(zhǎng)7油層組泥頁(yè)巖等復(fù)雜巖性為研究對(duì)象,研究區(qū)長(zhǎng)7時(shí)期三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)6和長(zhǎng)8油氣資源量十分巨大[16],但遠(yuǎn)離湖盆中心,主要發(fā)育三角洲相,烴源巖研究還處于滯后的狀態(tài)。建立各個(gè)小層有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測(cè)計(jì)算公式,并將計(jì)算結(jié)果與分析化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證改進(jìn)方法的有效性并進(jìn)行誤差分析,以期為該研究區(qū)的烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)提供一種方法。

1 Δlog R模型簡(jiǎn)述

ΔlogR模型是根據(jù)電阻率曲線(xiàn)和孔隙度曲線(xiàn)計(jì)算烴源巖有機(jī)質(zhì)含量的一種方法?？紫抖惹€(xiàn)采用算數(shù)坐標(biāo),電阻率曲線(xiàn)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo),再將這2條曲線(xiàn)按照相反方向疊合。2條曲線(xiàn)重疊部分對(duì)應(yīng)的值為基線(xiàn),2條曲線(xiàn)之間的距離作為ΔlogR。一般選用聲波時(shí)差曲線(xiàn)表征孔隙度更為準(zhǔn)確。在成熟的烴源巖層段中,由于其中有機(jī)質(zhì)和成熟油氣的存在會(huì)使聲波時(shí)差曲線(xiàn)變大、電阻率曲線(xiàn)增大形成2條曲線(xiàn)分離(見(jiàn)圖1)。在未成熟烴源巖層段中,沒(méi)有成熟油氣的生成致使電阻率曲線(xiàn)幾乎沒(méi)有變化,只有由于巖石骨架中有機(jī)質(zhì)造成的聲波時(shí)差異常。該幅度差主要受到烴源巖中的有機(jī)質(zhì)和油氣的影響,Passey等經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和分析之后建立了TOC和ΔlogR、成熟度之間的關(guān)系,即

(1)

(2)

(3)

TOC=ΔlogR×10(2.297-0.1688LOM)

(4)

式中,R為處理層段的電阻率,Ω·m;RB為基線(xiàn)層段所對(duì)應(yīng)的電阻率,Ω·m;φN、ρ、Δt分別為烴源巖的中子孔隙度、密度,g/cm3、聲波時(shí)差,μs/ft[注]非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;φN,B、ρB、ΔtB分別為基線(xiàn)層段的中子孔隙度、密度,g/cm3、聲波時(shí)差,μs/ft;LOM為烴源巖的熱變指數(shù),可以通過(guò)測(cè)得烴源巖的RO和TMAX獲得[17];4.0、2.5、0.02分別為每一個(gè)對(duì)數(shù)坐標(biāo)的電阻率與所對(duì)應(yīng)的中子孔隙度(25%)的比值、與所對(duì)應(yīng)的密度(0.4 g/cm3)的比值、與所對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差(164 μs/ft或50 μs/ft)的比值;ΔlogR為電阻率曲線(xiàn)和孔隙度曲線(xiàn)疊合的幅度差,無(wú)量綱;TOC為烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度,%。

圖1 Δlog R解釋模型(據(jù)Passey等,1990)

Passey等關(guān)于ΔlogR的提出是基于阿爾奇公式的一系列推導(dǎo)變形而來(lái),利用電阻率曲線(xiàn)和聲波時(shí)差曲線(xiàn)疊合來(lái)研究有機(jī)質(zhì)豐度,建立4種不同巖性的電阻率和聲波時(shí)差理論關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。將80～140 μs/ft的曲線(xiàn)近似當(dāng)作直線(xiàn),該段斜率近似為0.02,以此來(lái)建立電阻率和聲波時(shí)差的關(guān)系,大大簡(jiǎn)化的ΔlogR的計(jì)算。在實(shí)際情況中,烴源巖的聲波時(shí)差不一定都介于80～140 μs/ft之間,同時(shí)不同巖性所對(duì)應(yīng)斜率還存在差異等原因,致使盲目套用公式的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。趙培強(qiáng)等[18-19]使曲線(xiàn)的斜率動(dòng)態(tài)化取代了原始的近似直線(xiàn)的斜率,同時(shí)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)原始骨架的動(dòng)態(tài)化取代原始固定的基線(xiàn)值,使改進(jìn)的ΔlogR模型更準(zhǔn)確地求取2條曲線(xiàn)的幅度差,其公式為

(5)

式中,Rt為烴源巖的電阻率,Ω·m;Δtm為非烴源巖層段的聲波時(shí)差,μs/ft;Δt為烴源巖的聲波時(shí)差,μs/ft;RQ、ΔtQ分別烴源巖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在理論基線(xiàn)曲線(xiàn)各自切點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電阻率,Ω·m;聲波時(shí)差,μs/ft;m為膠結(jié)系數(shù),隨著巖石膠結(jié)程度不同而變化,一般為2左右,無(wú)量綱;ΔlogR為電阻率曲線(xiàn)和孔隙度曲線(xiàn)疊合的幅度差,無(wú)量綱。

前人改進(jìn)后的ΔlogR模型求取有機(jī)質(zhì)豐度較原始的模型得到不同程度的改進(jìn),但代入阿爾奇公式的孔隙度通常是根據(jù)不含泥質(zhì)的體積物理模型而求得,這往往使得求得的孔隙度存在很大的誤差,尤其是非純泥巖層段中,致使其使用范圍受到一定的限制。

剛性執(zhí)行。軍隊(duì)行政權(quán)力清單制度規(guī)范的內(nèi)容，主要是機(jī)關(guān)部門(mén)行使的權(quán)力，一旦列入清單，該項(xiàng)權(quán)力就必須按照規(guī)定的權(quán)限、內(nèi)容和流程行使，任何單位和個(gè)人不得隨意增加和削減清單列入的權(quán)力。對(duì)未列入清單的權(quán)力，則是處于該部門(mén)職權(quán)范圍之外，不得越權(quán)行使。一旦違規(guī)用權(quán)，必須嚴(yán)肅追究責(zé)任，承擔(dān)相應(yīng)后果。

2 改進(jìn)的Δlog R模型

按照Passey提出的ΔlogR理論,利用阿爾奇公式建立孔隙度和電阻率關(guān)系式

(6)

式中,Sw為含水飽和度;Rw為地層水電阻率,Ω·m;φ為地層孔隙度;Rt為地層電阻率,Ω·m;m為膠結(jié)指數(shù);n為飽和度指數(shù);a、b為巖性系數(shù)。

圖2 不同巖性的聲波時(shí)差和電阻率的理論關(guān)系(據(jù)Passey等,1990年修改)

假設(shè)地層飽含水,即Sw=100%,a=b=1,R0為地層飽含水時(shí)的地層電阻率,Ω·m。阿爾奇公式可以簡(jiǎn)化為

(7)

式(7)中孔隙度通常利用Wylie等[20]提出的時(shí)間平均公式(即體積物理模型)來(lái)對(duì)巖石孔隙度進(jìn)行估計(jì)。考慮到泥質(zhì)含量對(duì)聲波時(shí)差的影響,該公式得到一定程度的修訂

Δt=ΔtshVsh+Δtfφ+Δtm(1-Vsh-φ)

(8)

式中,Δt為實(shí)測(cè)的聲波時(shí)差,μs/ft;Δtsh為泥質(zhì)的聲波時(shí)差,μs/ft;Vsh為泥質(zhì)含量,無(wú)量綱;Δtf為孔隙流體的聲波時(shí)差,μs/ft;φ為地層孔隙度,無(wú)量綱;Δtm為巖石骨架聲波時(shí)差,μs/ft。

由式(8)可以看出孔隙度φ與實(shí)測(cè)聲波時(shí)差和泥質(zhì)含量都有函數(shù)關(guān)系,為了使孔隙度φ的模型簡(jiǎn)化,建立孔隙度φ和聲波時(shí)差的交會(huì)圖,擬合成一次函數(shù)曲線(xiàn),其近似簡(jiǎn)化模型表達(dá)式為

φ=c×Δt+d

(9)

將式(9)代入式(7)可以得到

(10)

(11)

對(duì)式(11)兩邊同時(shí)對(duì)Δt求導(dǎo),可以得到理論基線(xiàn)上不同點(diǎn)的斜率

(12)

圖3 改進(jìn)Δlog R模型示意圖

圖4 各層段理論基線(xiàn)和實(shí)測(cè)TOC數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏離情況圖

理論基線(xiàn)是由地層飽含水,貧有機(jī)質(zhì)巖石建立而來(lái)。當(dāng)貧有機(jī)質(zhì)巖石隨著埋藏深度的增加,在覆壓作用下巖石發(fā)生水分排出,致使其電阻率逐漸增大和聲波時(shí)差逐漸減小的一個(gè)過(guò)程(見(jiàn)圖3)。當(dāng)巖石中存在有機(jī)質(zhì)和油氣時(shí),會(huì)使該深度對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差和電阻率增加,致使其實(shí)測(cè)點(diǎn)(A點(diǎn))就會(huì)偏離理論基線(xiàn)。偏離的幅度差反映出巖石中有機(jī)質(zhì)和油氣含量的高低?？紤]到有機(jī)質(zhì)和油氣對(duì)于聲波時(shí)差和電阻率的影響,在某一深度的巖石(A點(diǎn))對(duì)應(yīng)深度的原始貧有機(jī)質(zhì)巖石可能存在BC這個(gè)范圍的任意一個(gè)點(diǎn)。為了使模型簡(jiǎn)化,選取A點(diǎn)到理論基線(xiàn)的最短距離近似作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離理論基線(xiàn)的距離,其交點(diǎn)A′點(diǎn)就是A點(diǎn)對(duì)應(yīng)深度的原始貧有機(jī)質(zhì)的巖石所對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差和電阻率。在此理論的基礎(chǔ)上,并結(jié)合理論基線(xiàn)上不同點(diǎn)的斜率等式(12),對(duì)原始的ΔlogR模型進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)

(13)

式中,Rt為實(shí)測(cè)的電阻率,Ω·m;Δt為實(shí)測(cè)的聲波時(shí)差,μs/ft;RQ、ΔtQ分別為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在理論基線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的各自切點(diǎn)的電阻率,Ω·m、聲波時(shí)差,μs/ft;m為膠結(jié)系數(shù),隨著巖石膠結(jié)程度不同而變化,一般為2左右,無(wú)量綱;a,b為常數(shù),無(wú)量綱;ΔlogR為電阻率曲線(xiàn)和孔隙度曲線(xiàn)疊合的幅度差,無(wú)量綱。

式(13)為改進(jìn)的ΔlogR模型,考慮了泥質(zhì)含量的影響,對(duì)建立的孔隙度模型得到一定程度的改進(jìn),適用范圍得到一定程度的擴(kuò)大。與傳統(tǒng)的ΔlogR模型相比,該模型避免了選取基線(xiàn)值主觀(guān)性的影響和不同區(qū)域使用固定的電阻率和聲波時(shí)差疊合系數(shù)即0.02,改進(jìn)的模型使不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)的疊合系數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化,求取的幅度差更為準(zhǔn)確。

3 實(shí)例分析

三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7油層組是鄂爾多斯盆地中生界的主力烴源巖[21]?！辆挥诩г吹貐^(qū),根據(jù)錄井資料顯示,目的層位主要由碳質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成,同時(shí)發(fā)育大量的黏土礦物和黃鐵礦。長(zhǎng)7油層組根據(jù)沉積旋回和含油氣性的差異分為71、72和73小層,縱向上73到71的巖性變化情況反映出湖退砂進(jìn)的一個(gè)過(guò)程[22]。筆者選用原始的ΔlogR和改進(jìn)的ΔlogR預(yù)測(cè)的TOC對(duì)×井的長(zhǎng)7油層組進(jìn)行評(píng)價(jià)。

考慮到×井長(zhǎng)7油層組沉積背景的差異,結(jié)合表征巖性的測(cè)井曲線(xiàn)按小層建立不同的理論基線(xiàn)。首先選取泥質(zhì)含量和聲波時(shí)差建立各個(gè)小層的孔隙度變化曲線(xiàn),再用孔隙度和聲波時(shí)差作交會(huì)圖建立各層的一次函數(shù)關(guān)系式?！辆L(zhǎng)7油層組共進(jìn)行分析測(cè)試了45數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了達(dá)到預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)的目的,從長(zhǎng)71選取9個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、長(zhǎng)72選取11個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、長(zhǎng)73選取9個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)建立改進(jìn)ΔlogR與TOC之間的理論關(guān)系。圖4顯示了各個(gè)小層帶有實(shí)測(cè)TOC的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離理論基線(xiàn)的關(guān)系圖。從圖4可見(jiàn),各個(gè)小層受到沉積環(huán)境的影響造成巖石骨架的差異,致使各個(gè)小層的理論基線(xiàn)存在很大差異。在進(jìn)行TOC擬合時(shí),需要同時(shí)考慮ΔlogR和熱演化程度,但在此各小層的熱演化程度近似致使其熱變指數(shù)幾乎相等,則TOC含量主要與ΔlogR有關(guān)。

基于上述的計(jì)算原理,利用×井有限的數(shù)據(jù)資料對(duì)2種不同的方法預(yù)測(cè)TOC和實(shí)測(cè)TOC進(jìn)行比較(見(jiàn)圖5和表1)。從表1可以看出,改進(jìn)的ΔlogR模型計(jì)算出的w為7.61%～2.17%,與樣品實(shí)測(cè)TOC(7.72%～1.98%)具有相似性,平均值為4.82%,與樣品實(shí)測(cè)TOC的平均值4.81%最為接近。原始ΔlogR法計(jì)算得出的TOC為8.17%～2.82%,平均值為4.68%,與樣品實(shí)測(cè)TOC差異較大。從圖5可見(jiàn),在高泥質(zhì)含量層段2種方法預(yù)測(cè)TOC和實(shí)測(cè)TOC都能很好吻合,而在低泥質(zhì)含量含量層段原始的ΔlogR預(yù)測(cè)的TOC通常比實(shí)測(cè)TOC偏高,改進(jìn)的ΔlogR預(yù)測(cè)的TOC和實(shí)測(cè)TOC吻合度更好。從這2種方法預(yù)測(cè)的TOC變化曲線(xiàn)上反映出了烴源巖存在很強(qiáng)的非均質(zhì)性,有機(jī)質(zhì)含量變化很大,其中長(zhǎng)73為目的層段中有機(jī)質(zhì)最為富集的層段。從長(zhǎng)73到71有機(jī)質(zhì)含量的減少,也反映出了湖盆的消亡、湖退砂進(jìn)的一個(gè)過(guò)程。這2種預(yù)測(cè)TOC模型盡管都能大致反映TOC的變化趨勢(shì),但都存在一定誤差。原因:①利用聲波時(shí)差來(lái)建立泥巖的孔隙度變化往往存在很大誤差,熱演化程度對(duì)有機(jī)孔影響很大;②泥質(zhì)含量越高,其中的高黏土礦物會(huì)使電導(dǎo)率增加[23-24],造成理論基線(xiàn)又會(huì)發(fā)生變化;③烴源巖的相變引起礦物非均質(zhì)性變化。此外,樣品深度和測(cè)井深度、測(cè)井資料好壞和取樣點(diǎn)的隨機(jī)性等因素都將會(huì)影響計(jì)算的精度。

圖5 鄂爾多斯盆地×井延長(zhǎng)組長(zhǎng)7烴源巖實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)TOC值對(duì)比圖

表1 鹽池定邊地區(qū)長(zhǎng)7油層組×井TOC計(jì)算結(jié)果 與誤差分析

注:(最小值-最大值)/平均值

總的來(lái)說(shuō),通過(guò)改進(jìn)ΔlogR模型預(yù)測(cè)的TOC精度更高,特別是在非純泥巖層段。在進(jìn)行非純泥巖(粉砂質(zhì)泥巖,泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r等)烴源巖評(píng)價(jià)過(guò)程中,可以考慮使用改進(jìn)的ΔlogR模型來(lái)對(duì)烴源巖進(jìn)行有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)ΔlogR數(shù)學(xué)公式推導(dǎo),并對(duì)體積物理模型進(jìn)行改進(jìn),即ΔlogR基線(xiàn)的模型化和不同實(shí)測(cè)點(diǎn)的斜率動(dòng)態(tài)化來(lái)取代原來(lái)的近似直線(xiàn)的算法,得出改進(jìn)的ΔlogR計(jì)算公式。該模型避免了選取基線(xiàn)值主觀(guān)性的影響和不同區(qū)域使用固定的電阻率和聲波時(shí)差疊合系數(shù)即0.02的影響,改進(jìn)的模型使不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)的疊合系數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化,求取的幅度差更為準(zhǔn)確。

(2)在單井TOC計(jì)算中,改進(jìn)的ΔlogR模型計(jì)算得出的TOC值與樣品實(shí)測(cè)TOC值符合程度較好。單井縱向上表現(xiàn)出長(zhǎng)7油層組有機(jī)質(zhì)豐度非均質(zhì)性很強(qiáng),具有向上變小的趨勢(shì)。

(3)改進(jìn)ΔlogR模型與原始的ΔlogR模型相比較,改進(jìn)ΔlogR模型較原始模型計(jì)算誤差最小,適用范圍得到一定程度擴(kuò)大,可在鹽池-定邊地區(qū)推廣應(yīng)用。