一種考慮復雜孔隙結(jié)構(gòu)的泥頁巖地震巖石物理模型

王 團, 趙海波, 李奎周, 甘立燈, 霍秋立

(1.大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江大慶 163712; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083)

對于泥頁巖油勘探而言,地震技術(shù)是儲層識別和評價的核心,泥頁巖的地震巖石物理是利用地震屬性預(yù)測儲層屬性特征及其力學特征的橋梁[1-4]。國外在泥頁巖勘探方面起步較早,對于泥頁巖儲層巖石物理研究較為系統(tǒng)。針對北美黑色Bakken頁巖,Vernik等[5-6]基于Backus平均理論進行巖石物理建模,系統(tǒng)研究了有機質(zhì)體積分數(shù)、成熟度等因素對頁巖各向異性的影響。Sayers[7]通過建立巖石物理模型,研究了黏土礦物的分布對頁巖彈性參數(shù)的影響。Nicols-López和Valdiviezo-Mijangos[8]基于自洽方程,綜合考慮頁巖巖石骨架的礦物組分、有機質(zhì)和孔隙流體的影響,建立了頁巖巖石物理模板,指導了頁巖儲層評價。國內(nèi)方面,關(guān)于泥頁巖巖石物理及應(yīng)用研究近些年逐步得到重視。張廣智等[9]基于頁巖巖石物理等效模型,實現(xiàn)了最小水平地應(yīng)力的有效預(yù)測。鄧繼新等[10]基于龍馬溪組頁巖微觀結(jié)構(gòu)特征分析,建立相應(yīng)的地震巖石物理表征模型,為頁巖氣儲層“甜點”預(yù)測提供了依據(jù)。由于不同地區(qū)泥頁巖儲層在沉積環(huán)境和成巖作用(礦物組分、沉積結(jié)構(gòu)、孔隙類型等)等方面存在差異,造成針對特定儲層的巖石物理研究結(jié)果也具有區(qū)域性而不能隨意外推。國內(nèi)泥頁巖勘探主要集中在四川盆地龍馬溪組等區(qū)域,對于古龍凹陷青山口組復雜陸相泥頁巖油儲層,目前還沒有針對性的巖石物理建模理論,因此建立適用于該地區(qū)泥頁巖油地震巖石物理模型并分析其巖石物理規(guī)律具有重要的意義。筆者從研究區(qū)泥頁巖地質(zhì)特征分析出發(fā),以巖石物理基礎(chǔ)理論為依據(jù),提出適用于富有機質(zhì)泥頁巖的復雜孔隙結(jié)構(gòu)巖石物理模型,基于模型分析有機質(zhì)體積分數(shù)、裂縫孔隙度和孔隙縱橫比等因素對巖石彈性性質(zhì)的影響,并根據(jù)有機質(zhì)體積分數(shù)和孔隙度的影響建立巖石物理交會模板,進行泥頁巖儲層的縱、橫波速度預(yù)測。

1 泥頁巖基本地質(zhì)特征

1.1 巖石學特征

通過對松遼盆地北部青山口組67個泥頁巖巖心樣品X射線衍射全巖分析可知,儲層巖石骨架的礦物組分主要包括黏土礦物、石英、長石、方解石和白云石,其中石英體積分數(shù)平均為36%,長石體積分數(shù)平均為21%,碳酸鹽礦物體積分數(shù)平均為7%,黏土礦物體積分數(shù)平均為36%,黏土礦物以伊利石為主,占60%～80%。

通過與北美沃斯堡盆地Barnett頁巖[11]相比(圖1),青山口組泥頁巖長石含量高,碳酸鹽含量低,石英和黏土含量大致相當。但Barnett頁巖富含硅質(zhì)泥巖和含鈣泥巖,高有機碳豐度烴源巖主要發(fā)育在硅質(zhì)泥巖中,而青山口組泥巖以黏土質(zhì)泥巖為主,少量含鈣泥巖,泥巖中的硅以碎屑搬運沉積為主,缺少過剩硅,脆性一般。因此Barnett頁巖與青山口組泥頁巖巖相學特征雖然較相似,但巖石特征和礦物組分具有一定的差異性。

圖1 巖心樣品礦物組分三角圖Fig.1 Temary plot of sample mineral composition

1.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)掃描電鏡、鑄體薄片和巖心樣品觀察結(jié)果可知,青山口組陸相泥頁巖儲層的孔隙空間主要包括微觀孔隙和裂縫系統(tǒng)兩大部分。

微觀孔隙主要為原生粒間孔、次生溶蝕孔、晶間微孔、生物鑄模孔和有機質(zhì)孔,原生粒間孔(圖2(a))主要存在于脆性礦物顆粒或晶粒之間以及脆性礦物顆粒與黏土之間,孔徑在1～5 μm;次生溶蝕孔(圖2(b))多為膠結(jié)物溶解而形成,孔徑相對較大,主要分布在2～10 μm;晶間微孔主要指黏土礦物晶間微孔(圖2(c))和石英顆粒晶間微孔(圖2(d)),微孔隙很細小,一般小于1 μm;生物鑄?？?圖2(e))主要為介形蟲骨架和腔體內(nèi)部溶解發(fā)育孔隙,孔徑可達100 μm,呈孤立橢球狀;有機質(zhì)孔主要指的是有機質(zhì)收縮孔(圖2(f)),為藻類生烴后殘留孔隙,呈不規(guī)則狀,多為納米孔。其中原生粒間孔和次生溶蝕孔連通性較好,晶間微孔、生物鑄?？缀陀袡C質(zhì)孔的連通性較差,多呈孤立狀存在。裂縫系統(tǒng)則主要包括構(gòu)造裂縫、成巖裂縫和層間縫,以構(gòu)造裂縫為主,裂縫傾角普遍大于70°,發(fā)育少量的斜交縫和低角度裂縫,利用蒙特卡洛逼近法對巖心裂縫物性進行計算,裂縫孔隙度一般小于0.35%,最大為0.65%,滲透率主要分布在(25～100)×10-3μm2,說明裂縫是泥頁巖油的重要儲集空間和主要滲流通道。

有機質(zhì)是泥頁巖油聚集成藏最重要的控制因素之一,根據(jù)掃描電鏡照片(圖2(g))觀察可知,泥質(zhì)是泥頁巖中的主要基質(zhì)礦物,有機質(zhì)呈塊狀在其中分布,有機質(zhì)中孔隙不發(fā)育,總有機碳含量(TOC)平均大于2%,鏡質(zhì)體反射率在0.9%～1.7%,處于成熟—高成熟生油階段。這種特征與美國威利斯頓盆地Bakken頁巖[12]和四川盆地龍馬溪組頁巖[13-14]存在明顯差異,Bakken頁巖中有機質(zhì)呈近似平行層理的條帶狀分布,龍馬溪組頁巖中有機質(zhì)主要呈分散狀分布,局部呈條帶狀,其內(nèi)部普遍發(fā)育有機質(zhì)微孔隙,鏡質(zhì)體反射率為2.5%～3.2%,處于高—過成熟生氣階段。

圖2 微觀孔隙和有機質(zhì)的掃描電鏡及鑄體薄片照片F(xiàn)ig.2 SEM photomicrographs and casting thin sections of micro-porosity and organic

2 泥頁巖地震巖石物理模型

通過上述對松遼盆地北部青山口組陸相泥頁巖基本地質(zhì)特征進行分析,發(fā)現(xiàn)其巖石結(jié)構(gòu)比較復雜,與國內(nèi)外其他盆地泥頁巖存在明顯差異,主要表現(xiàn)在巖石骨架礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)的分布特征等方面,為此針對松遼盆地北部青山口組特殊的泥頁巖油沉積和成巖特點,綜合利用Kuster & Toks?z模型、自相容模型、雙連通孔隙模型和線性滑動模型,建立一種適用于松遼盆地青山口組的復雜孔隙結(jié)構(gòu)泥頁巖地震巖石物理模型。構(gòu)建流程主要分為巖石基質(zhì)等效彈性模量的計算、“干”孔隙巖石骨架彈性模量的求取以及飽和巖石彈性參數(shù)的計算3部分。其流程如圖3所示。

2.1 巖石基質(zhì)等效彈性模量的計算

利用V-R-H平均混合石英、長石、方解石和白云石,得到混合礦物1;將有機質(zhì)作為球型包含物,利用Kuster & Toks?z模型添加到泥質(zhì)背景中,得到混合礦物2;使用自洽模型將這兩種等效介質(zhì)進行混合,得到巖石基質(zhì)的等效彈性模量。

2.1.1 Voigt-Reuss-Hill平均

V-R-H平均[15]可以用來計算各向同性、完全彈性介質(zhì)的等效彈性模量,在古龍凹陷青山口組泥頁巖儲層巖石骨架礦物組分中,石英、長石、方解石和白云石均為剛性介質(zhì),彈性性質(zhì)較為接近,可用該模型進行混合,其表達式為

(1)

其中

式中,φi和Mi分別為第i種組分的體積分數(shù)和彈性模量;MVRH為混合礦物的彈性模量。

圖3 泥頁巖巖石物理建模流程Fig.3 Flow chart of mud shale rock physics model

2.1.2Kuster&Toks?z模型

Kuster & Toks?z模型[16]主要是應(yīng)用長波一階散射理論,考慮了包裹體體積分數(shù)、彈性性質(zhì)和形狀的影響,得到了一個應(yīng)用廣泛的雙相介質(zhì)有效模型。根據(jù)上述巖心樣品掃描電鏡照片觀察可知,泥質(zhì)是泥頁巖中的主要基質(zhì)礦物,有機質(zhì)呈塊狀在其中分布,并且有機質(zhì)中孔隙不發(fā)育,因此可以將有機質(zhì)等效為球形包含物,利用Kuster & Toks?z模型添加到泥質(zhì)背景中,其表達式為

(2)

(3)

其中

式中,K、Km、Ki、μ、μm、μi分別是飽和巖石、巖石基質(zhì)和第i種包含物的體積模量和剪切模量;φi為第i種包含物的體積分數(shù);Pmi、Qmi表示在背景基質(zhì)m中加入包含物材料i后的效果。

2.1.3 自洽模型

對于沒有優(yōu)勢組分的介質(zhì),Budiansky與Hill[17-18]在Eshelby提出的應(yīng)變能理論基礎(chǔ)上,通過計算將包含物置于無限大背景材料產(chǎn)生的形變所引起的應(yīng)變來估計巖石的體積模量和剪切模量,給出自洽模型。該模型考慮了彼此靠近的包含物的相互作用,適用于多種礦物共同作為巖石骨架的情況?；旌系V物1和混合礦物2含量相當,沒有絕對優(yōu)勢組分的介質(zhì),共同作為巖石骨架的組成部分,使用自洽模型混合最為合適。模型表達式如下:

(4)

(5)

2.2 “干”孔隙巖石骨架彈性模量的求取

利用雙連通孔隙模型將飽和孤立孔隙和干燥連通孔隙加入到巖石基質(zhì)中,得到最初“干”孔隙巖石;在此基礎(chǔ)上,利用線性滑動模型將干燥裂縫加入其中,得到最終的“干”孔隙巖石的彈性模量。

2.2.1 雙連通孔隙模型

雙連通孔隙模型[19]把孔隙分為以大孔隙為主的連通體系和以微孔為主的孤立體系,而且認為由兩種以上不同平均孔隙半徑的簡單孔隙構(gòu)成,從而建立孔隙結(jié)構(gòu)模型。用連通系數(shù)來表示連通孔隙占總孔隙度的比例,能夠表征巖石孔隙的整體連通性,用縱橫比(孔隙長度和孔隙直徑的比值)表示孔隙形態(tài)(剛性孔、柔性孔),用比例因子表示各種形態(tài)孔隙(連通剛性孔、連通柔性孔、孤立剛性孔、孤立柔性孔)的含量。古龍凹陷青山口組泥頁巖儲層微觀孔隙主要包括原生粒間孔、次生溶蝕孔、晶間微孔、生物鑄?？缀陀袡C質(zhì)孔,其中原生粒間孔和次生溶蝕孔連通性較好,晶間微孔、生物鑄?？缀陀袡C質(zhì)孔的連通性較差,多呈孤立狀存在,因此可以將微觀孔隙分成以粒間孔和溶蝕孔為主的連通體系和以晶間微孔為主的孤立體系兩大部分,利用雙連通孔隙模型將連通孔隙和孤立孔隙加入到巖石基質(zhì)中,得到“干”孔隙巖石。模型表達式如下:

φiso=φ-φcon=φ(1-ζ),

(6)

(7)

(8)

2.2.2 線性滑動模型

古龍凹陷青山口組泥頁巖儲層裂縫系統(tǒng)主要包括構(gòu)造裂縫、成巖裂縫和層間縫,以構(gòu)造裂縫為主,裂縫傾角普遍大于70°,發(fā)育少量的斜交縫和低角度裂縫。因此可以在以上“干”孔隙巖石骨架的基礎(chǔ)之上,通過線性滑動理論[20]加入泥頁巖儲層的高角度裂縫,得到最終的“干”孔隙巖石骨架的彈性模型。其表達式如下:

(9)

其中

式中,δN、δT分別為裂縫法向弱度和切向弱度;φf為裂縫孔隙度。

2.3 飽和巖石彈性參數(shù)的計算

古龍凹陷青山口組泥頁巖儲層鏡質(zhì)體反射率在0.9%～1.7%,處于成熟—高成熟生油階段,孔隙流體包含油、水兩相,因此可以利用Wood公式[21]對孔隙流體(油、水)進行混合,得到混合流體的體積模量;利用各向異性Gassmann方程[22]對模型進行孔隙流體充填,得到飽和流體的巖石物理模型彈性系數(shù)表達式,即

(10)

(11)

其中

式中,Ki、φi分別為第i種組分的體積模量和體積分數(shù)。

最后,利用縱橫波相速度與彈性系數(shù)之間的關(guān)系式求得最終的飽和流體巖石的相速度。

3 儲層參數(shù)影響因素

基于建立的復雜孔隙結(jié)構(gòu)泥頁巖巖石物理模型,系統(tǒng)分析有機質(zhì)體積分數(shù)、裂縫孔隙度、基質(zhì)孔隙度、孔隙縱橫比和孔隙連通系數(shù)5種因素對巖石彈性參數(shù)的影響,為泥頁巖巖石物理交會模板建立提供理論依據(jù)。所用的礦物及流體參數(shù)如表1所示。

表1 礦物組分參數(shù)

3.1 有機質(zhì)體積分數(shù)和裂縫孔隙度的影響

圖4中給出了彈性參數(shù)隨裂縫孔隙度φf和有機質(zhì)體積分數(shù)φ0的變化,裂縫孔隙度的變化范圍為0～0.01,有機質(zhì)體積分數(shù)的變化范圍是0～0.08,基質(zhì)孔隙度為0?？梢钥闯?隨著裂縫孔隙度的增加,除泊松比外,其他的彈性參數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢;增加有機質(zhì)體積分數(shù),各彈性參數(shù)均減小,有機質(zhì)體積分數(shù)的變化不會改變彈性參數(shù)隨裂縫孔隙度的變化趨勢。

圖4 彈性參數(shù)隨裂縫孔隙度和有機質(zhì)體積分數(shù)變化Fig.4 Variation of elastic parameters with fracture porosity and organic volume fraction

3.2 基質(zhì)孔隙度和孔隙縱橫比的影響

圖5中給出了彈性參數(shù)隨基質(zhì)孔隙度φm和孔隙縱橫比的變化,基質(zhì)孔隙度的變化范圍是0～0.15,孔隙縱橫比的變化范圍是0.01～0.2,孔隙連通系數(shù)為0.5,裂縫孔隙度為0?？梢钥闯?隨著基質(zhì)孔隙度的增加,除泊松比外,其他的彈性參數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢,其中孔隙縱橫比取較小值0.01時,各彈性參數(shù)變化最為明顯;增大孔隙縱橫比,除泊松比外,其他的彈性參數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢,并且基質(zhì)孔隙度越大,改變孔隙縱橫比,各彈性參數(shù)變化越明顯。

圖5 彈性參數(shù)隨基質(zhì)孔隙度和孔隙縱橫比變化Fig.5 Variation of elastic parameters with matrix porosity and pore aspect ratio

3.3 基質(zhì)孔隙度和孔隙連通系數(shù)的影響

圖6中給出了彈性參數(shù)隨基質(zhì)孔隙度φm和孔隙連通系數(shù)ζ的變化,基質(zhì)孔隙度的變化范圍是0～0.15,孔隙連通系數(shù)ζ的變化范圍是0.1～0.7,剛性孔隙縱橫比為0.1,柔性孔隙縱橫比為0.01,裂縫孔隙度為0?？梢钥闯?隨著孔隙連通系數(shù)ζ的增加,橫波阻抗和剪切模量保持不變,這主要是由于孔隙連通系數(shù)ζ的變化只改變泥頁巖孔隙的連通性,不影響其孔隙形態(tài)、孔隙大小、流體成分和巖石骨架成分,其他彈性參數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢但變化不明顯。

圖6 彈性參數(shù)隨基質(zhì)孔隙度和孔隙連通系數(shù)變化Fig.6 Variation of elastic parameters with matrix porosity and pore connectivity coefficient

4 巖石物理交會模板建立及速度預(yù)測

4.1 巖石物理交會模板建立

在泥頁巖油儲層評價過程中,有機質(zhì)體積分數(shù)和總孔隙度起著重要的作用。有機質(zhì)體積分數(shù)影響泥頁巖的生油潛力、儲集能力并進而決定了泥頁巖儲層的含油量及產(chǎn)能[23-24];孔隙體積決定了泥頁巖油的儲集空間[25]。因此需要優(yōu)選出可以識別有機質(zhì)和孔隙的敏感參數(shù),再利用敏感參數(shù)進行泥頁巖油儲層巖石物理模板的構(gòu)建。

基于上述建立的泥頁巖巖石物理模型和彈性參數(shù)影響因素分析結(jié)果,分別比較縱波阻抗、縱橫波速度比、彈性模量、泊松比、λρ和μρ等彈性參數(shù)受有機質(zhì)體積分數(shù)和總孔隙度的影響,進行有機質(zhì)和孔隙敏感參數(shù)的優(yōu)選。圖7是各彈性參數(shù)隨有機質(zhì)體積分數(shù)和總孔隙度的相對變化,可以看出,識別有機質(zhì)的敏感參數(shù)從高到底分別為λρ、μρ、泊松比、縱波阻抗、彈性模量和縱橫波速度比,識別總孔隙度的敏感參數(shù)從高到底分別是μρ、彈性模量、λρ、縱波阻抗、泊松比和縱橫波速度比。通過對比優(yōu)選,最終確定出λρ和μρ為識別有機質(zhì)和孔隙的敏感參數(shù),并且兩者變化方向唯一、相關(guān)性較弱,可應(yīng)用于泥頁巖巖石物理模板的構(gòu)建。

在構(gòu)建過程中,以泥頁巖巖石物理模型為依據(jù),以λρ和μρ為橫縱坐標,利用礦物組分含水飽和度模型[26]得到不同礦物組分含量下的含水飽和度曲線,用巖心測試分析數(shù)據(jù)對模板進行校正,調(diào)節(jié)各輸入?yún)?shù),從而建立基質(zhì)礦物為石英、長石、方解石、白云石和黏土礦物,有機質(zhì)體積分數(shù)為0、4%、8%和12%,總孔隙度為0～14%,孔隙流體為水和油的泥頁巖巖石物理交會模板(圖8)。由于研究區(qū)塊內(nèi)泥頁巖中發(fā)育有含介形蟲灰?guī)r,因此在制作模板時建立了灰?guī)r線(圖8中黑色曲線),用于識別含介形蟲灰?guī)r和泥頁巖。

圖7 有機質(zhì)體積分數(shù)和孔隙度對各彈性參數(shù)的影響Fig.7 Impact of organic volume fraction and porosity on each parameter

圖8 泥頁巖巖石物理模板Fig.8 Rock physics template of mud shale

利用松遼盆地北部青山口組經(jīng)過巖心刻度的2口泥頁巖井數(shù)據(jù)驗證巖石物理模板的適用性。驗證結(jié)果如圖9所示,圖中三角表示含介形蟲灰?guī)r,圓點表示泥頁巖?？梢钥闯?含介形蟲灰?guī)r主要分布在泥頁巖線和灰?guī)r線之間,不同有機質(zhì)體積分數(shù)和不同孔隙度的實際數(shù)據(jù)點位置也與巖石物理模板結(jié)果基本一致,說明使用建立的巖石物理交會模板能較好地將泥頁巖和含介形蟲灰?guī)r區(qū)分開來,并且該模板做到了不同有機質(zhì)體積分數(shù)和不同孔隙度的有效區(qū)分,可以作為松遼盆地青山口組陸相泥頁巖儲層評價和“甜點”有利區(qū)識別的依據(jù)。

圖9 巖心刻度的測井數(shù)據(jù)對巖石物理模板驗證Fig.9 Verification of logging data on rock physics template

4.2 速度預(yù)測結(jié)果分析

利用建立的泥頁巖巖石物理模型對松遼盆地北部青山口組某泥頁巖井進行縱橫波速度預(yù)測,分析該模型在實際泥頁巖儲層中的預(yù)測效果。井中各種礦物組分體積分數(shù)、有機質(zhì)體積分數(shù)、基質(zhì)孔隙度、裂縫孔隙度和飽和度信息通過測井解釋并經(jīng)巖心測試校正得到,孔隙連通系數(shù)由8塊泥頁巖樣品經(jīng)過核磁共振巖心實驗分析得到,數(shù)值為0.48,孔隙縱橫比依據(jù)巖心樣品納米CT掃描的3D圖像統(tǒng)計結(jié)果得到,剛性孔隙縱橫比為0.12,柔性孔隙縱橫比為0.01。圖10為預(yù)測的縱橫波速度與實際測井曲線測量結(jié)果對比,可以看出,預(yù)測的縱橫波速度與實測的縱橫波速度變化趨勢基本一致,吻合度較好,相對誤差低于5%,從而保證了本文中提出的泥頁巖巖石物理模型的可靠性和適用性。

圖10 預(yù)測的縱橫波速度與實際測井曲線測量結(jié)果對比Fig.10 Comparison of prediction P(S)-wave velocity and actual logging data

5 結(jié) 論

(1)基于泥頁巖基本地質(zhì)特征分析,以巖石物理基礎(chǔ)理論為依據(jù),建立了一種考慮復雜孔隙結(jié)構(gòu)的泥頁巖地震巖石物理模型,經(jīng)過實際測井數(shù)據(jù)驗證,表明該模型對于松遼盆地北部青山口組復雜孔隙結(jié)構(gòu)泥頁巖縱橫波速度預(yù)測是合理有效的。

(2)利用建立的泥頁巖巖石物理模型,系統(tǒng)分析了有機質(zhì)體積分數(shù)、裂縫孔隙度等5種因素對巖石彈性參數(shù)的影響,結(jié)果表明除了孔隙連通系數(shù)的影響較小外,其他因素的影響均較明顯,為泥頁巖巖石物理交會模板的建立提供理論依據(jù)。

(3)基于泥頁巖巖石物理模型和彈性參數(shù)影響因素分析結(jié)果,優(yōu)選出了對有機質(zhì)和孔隙敏感的彈性參數(shù)λρ和μρ,構(gòu)建了可指導實際應(yīng)用的泥頁巖巖石物理交會模板,該模板能較好地將泥頁巖和含介形蟲灰?guī)r區(qū)分,且可實現(xiàn)不同有機質(zhì)體積分數(shù)和不同孔隙度的有效區(qū)分。

(4)由于已鉆井中缺乏裂縫發(fā)育層段,目前該模型對裂縫性質(zhì)的影響分析,需要通過實際資料進一步驗證。