基于主成分分析的頁巖油有利區(qū)評價
——以儀隴—平昌地區(qū)大安寨段為例

張繼偉

（中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

我國陸相頁巖油主要分布在松遼、四川、鄂爾多斯、準噶爾等盆地，資源量十分巨大，但截至目前勘探工作普遍處于起步階段[1-3]。以四川盆地為例，其海相頁巖油氣勘探開發(fā)已獲巨大成功，但是陸相頁巖油勘探尚未取得較大突破。四川盆地侏羅系主要為湖泊相和河流、湖泊交替相沉積，共發(fā)育4套富有機質(zhì)頁巖層，其中自流井組大安寨段頁巖十分發(fā)育，是頁巖油勘探突破的首選層位[4-5]。本次研究的儀隴—平昌地區(qū)位于川中隆起帶北部-川北坳陷帶，區(qū)內(nèi)鉆井主要針對長興組、飛仙關(guān)組、雷口坡組等海相沉積地層和須家河組海陸過渡相沉積地層。近年來，多位專家研究認為，該區(qū)大部分為四川盆地大安寨段頁巖油的一類有利區(qū)[6-7]。因此，現(xiàn)階段應(yīng)積極轉(zhuǎn)變思路，重視大安寨段頁巖油的勘探。本次擬采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法開展攻關(guān)研究，重點明確研究區(qū)內(nèi)頁巖油的相對富集區(qū)，從而指導(dǎo)下一步勘探工作。

1 評價方法及指標(biāo)優(yōu)選

1.1 評價方法

地質(zhì)異常是指在成分、構(gòu)造或成因序次等方面與周圍環(huán)境有明顯差異的地質(zhì)體或地質(zhì)體組合。地質(zhì)異?？梢岳斫獬筛黝惍惓Ｖ笜?biāo)的綜合反映，各類優(yōu)質(zhì)異常指標(biāo)綜合反映出的差異性與綜合屬性的差異性較好吻合[8-9]。應(yīng)用地質(zhì)異常理論的思路，采用主成分分析方法，可以將多項原始指標(biāo)降維壓縮成新的綜合指標(biāo)，每項新的綜合指標(biāo)均能夠反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息，且所含信息互相不重復(fù)，再通過主成分載荷確定各項主成分對應(yīng)的權(quán)重，從而客觀、定量化確定各指標(biāo)的重要性，以指導(dǎo)地質(zhì)勘查。此方法在常規(guī)石油天然氣成藏有利區(qū)、儲層巖性識別、油氣田開發(fā)效果預(yù)測等方面已經(jīng)取得良好效果[10-12]，但在頁巖油氣有利區(qū)的研究中未見報道。

為更好確定四川盆地儀隴—平昌地區(qū)大安寨段頁巖油的相對優(yōu)勢區(qū)，本文通過主成分分析分配評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，并形成權(quán)重系數(shù)與評價指標(biāo)的線性組合，定量化評價研究區(qū)大安寨段頁巖油有利區(qū)分布，從而明確頁巖油的甜點（相對優(yōu)勢區(qū)）在空間的展布。

1.2 指標(biāo)優(yōu)選

選取以下5項評價指標(biāo)（均為地質(zhì)參數(shù)）：頁巖有效厚度（統(tǒng)計總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）大于1.0%的頁巖層）、鏡質(zhì)組反射率（Ro）、TOC、地層壓力系數(shù)和脆性指數(shù)。在頁巖油有利區(qū)評價中，各項評價指標(biāo)具有不同的地質(zhì)意義。前3項指標(biāo)是烴源巖評價中最常用的地質(zhì)參數(shù)，分別描述頁巖的有效生烴厚度、頁巖有機質(zhì)成熟度和有機質(zhì)豐度。頁巖有效厚度與頁巖層的生油量、壓裂改造的產(chǎn)油總量直接相關(guān)。TOC不僅反映頁巖的生烴潛量（S1），且與頁巖油可流動性密切相關(guān)，這是因為頁巖有機質(zhì)豐度越高，越容易形成干酪根網(wǎng)絡(luò)，從而有利于可溶烴在頁巖層中的流動。目前通常用含油飽和度指數(shù) OSI（S1/TOC）來劃分頁巖油可動性[13]。

頁巖有效厚度數(shù)據(jù)通過測井、錄井和地震資料讀取，Ro通過實測地化數(shù)據(jù)獲取。除實測地化數(shù)據(jù)外，TOC可通過Δlg R法（R為電阻率）獲得，即采用電阻率與孔隙度曲線重疊法計算。未將有機質(zhì)類型作為評價指標(biāo)，是因為研究區(qū)大安寨段頁巖有機質(zhì)類型幾乎全部為腐泥型-腐殖型過渡的Ⅱ型干酪根，有機質(zhì)類型差異小，不適合作為本區(qū)評價指標(biāo)。地層壓力系數(shù)是很重要的評價指標(biāo)，因為頁巖油遵循非達西滲流運距機制，地層超壓有利于達到頁巖油動用的啟動壓力；同時超壓有利于地層裂縫的形成，而裂縫既是頁巖油賦存空間，也有利于后期壓裂改造。本次研究中，地層壓力系數(shù)除實測數(shù)據(jù)外，利用等效深度法計算。脆性指數(shù)反映頁巖地層的脆性，頁巖脆性好時，壓裂開發(fā)容易形成網(wǎng)狀縫網(wǎng)，可以有效改善儲層滲流條件。脆性指數(shù)的數(shù)據(jù)除實驗實測數(shù)據(jù)外，還可利用陣列聲波測井資料和礦物組合的方法求得。

綜合研究認為，上述5項評價指標(biāo)可以準確、全面預(yù)測和評價研究區(qū)的頁巖油有利區(qū)（研究區(qū)位置見圖1）。利用上述數(shù)據(jù)分別繪制了研究區(qū)大安寨段頁巖5項地質(zhì)參數(shù)的等值線圖（見圖2）。由圖可知：儀隴—平昌地區(qū)大安寨段黑色頁巖有效厚度大，埋深范圍介于1 500～3 500 m，TOC 在 1%～4%（均值在 1%～2%），Ro在1.0%～1.5%，處于生油高峰-凝析油氣階段，原油具有低密度、低黏度、高氣油比的特點，具有良好的勘探前景。

圖1 四川盆地構(gòu)造區(qū)劃分及研究區(qū)位置示意

2 評價過程及結(jié)果討論

在前面研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的思路，將研究區(qū)大安寨段頁巖5項地質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)集合輸入SPSS軟件[14-15]，進行KMO檢驗和巴利特球形度檢驗，前者檢測指標(biāo)大于0.50，后者顯著性指標(biāo)小于0.05。這表明各評價指標(biāo)存在一定相關(guān)性，且具備根據(jù)數(shù)據(jù)集合開展主成分分析的條件。因為各類數(shù)據(jù)具有的不同量綱會影響評價準確性，所以有必要對研究區(qū)頁巖地質(zhì)數(shù)據(jù)先標(biāo)準化處理。采用極差法處理后的原始數(shù)據(jù)分布范圍介于0～1（無量綱）。利用SPSS軟件的因子分析功能中的降維操作，選取主成分分析方法輸出結(jié)果，得出主成分方差貢獻率（見表1）。

圖2 研究區(qū)大安寨段頁巖主要地質(zhì)參數(shù)分布特征

選取主成分時，一般要滿足特征值大于1，且累計方差貢獻率大于80%。當(dāng)抽取前2個主成分時，具有相對較大累計方差貢獻率（80.144%），可有效解釋數(shù)據(jù)集合中的絕大部分信息。

表1 研究區(qū)大安寨段頁巖數(shù)據(jù)集合主成分方差貢獻率

因此，本次研究確定主成分數(shù)量為2，并獲得其成分矩陣（見表2），主成分載荷的絕對值大小可以表征各主成分對地質(zhì)參數(shù)的不同依賴程度[16-17]。主成分1在頁巖有效厚度、Ro、脆性指數(shù)上具有較大載荷絕對值，反映富有機質(zhì)頁巖層的沉積埋藏過程和可壓裂改造的產(chǎn)能（即陸源可壓性頁巖油有利因子）。主成分2在TOC、地層壓力系數(shù)上具有較大載荷絕對值，反映有機質(zhì)生烴潛力和可動性頁巖油的產(chǎn)能 （即生源可動性頁巖油有利因子）。

表2 研究區(qū)大安寨段頁巖數(shù)據(jù)集合的成分矩陣

接下來，計算2項主成分評價分數(shù)的線性組合中的系數(shù)，其數(shù)值等于評價指標(biāo)數(shù)值除以對應(yīng)主成分特征值的平方根。例如頁巖有效厚度對應(yīng)的主成分1的線性組合的系數(shù)。按此方法，依次計算并完成各項評價指標(biāo)對應(yīng)2項主成分的評價分數(shù)表達式：

式中：F1，F(xiàn)2分別為主成分 1，2 的評價分數(shù)；x1，x2，x3，x4，x5分別為5項評價指標(biāo)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過極差化處理后的無量綱數(shù)值。

根據(jù)式（1）和式（2），計算出評價分數(shù) F1，F(xiàn)2后，就可以進一步計算綜合評價分數(shù)。這是因為，原有的5項評價指標(biāo)可以用2項主成分描述，所以要對評價指標(biāo)在2項主成分的線性組合中的系數(shù)加權(quán)平均。例如，頁巖有效厚度指標(biāo)在綜合評價分數(shù)中的系數(shù)=（0.56×48.960%+0.15×31.184%）/80.143%=0.400。 依據(jù)此方法，求出5項評價指標(biāo)在綜合評價分數(shù)中對應(yīng)的系數(shù)依次為 0.400，0.265，0.170，0.430，0.275。又因為各項指標(biāo)綜合權(quán)重和應(yīng)為1，所以將綜合評價模型中指標(biāo)權(quán)重系數(shù)歸一化后，得到頁巖有效厚度、Ro、TOC、地層壓力系數(shù)、脆性指數(shù)在綜合評價分數(shù)中對應(yīng)的系數(shù)分別為 25.95%，17.16%，11.03%，28.01%，17.85%。 最終的權(quán)重值結(jié)果表明，研究區(qū)大安寨段頁巖有效厚度和地層壓力系數(shù)對頁巖油的有利勘探開發(fā)影響程度較大。綜合評價分數(shù)的無因次線性組合為

式中：F為某井大安寨段頁巖油的綜合評價分數(shù)，理論上限是100%，下限是0，分別對應(yīng)評價中的最高和最低品質(zhì)。

進一步統(tǒng)計表明，通過主成分分析方法計算的各井綜合評價分數(shù)符合正態(tài)分布特征，各項評價指標(biāo)對應(yīng)的地質(zhì)信息可以通過綜合評價分數(shù)來定量化表征，具備理論上的規(guī)律性和可預(yù)測性。最后，根據(jù)井位基礎(chǔ)信息和綜合評價分數(shù)，繪制了研究區(qū)大安寨段頁巖油綜合評價分數(shù)及試油成果疊合圖（見圖3），綜合評價分數(shù)高值區(qū)對應(yīng)頁巖油有利區(qū)[18]。

由圖3可以看出：1）研究區(qū)頁巖油一類有利區(qū)域分布在龍崗氣田的Lg9—Lg28井一帶、儀隴-南部縣城附近地區(qū)和稅家槽附近的Lg42—Lg30井一帶，大致呈現(xiàn)出沿北西—南東向分布的特點。Lg9—Lg28井一帶，Lg9，Lg17，Lg18井為高產(chǎn)油層，Lg23井為低產(chǎn)油層，Lg29，Lg28，Lg161，Lg11 等井雖然經(jīng)錄井、測井綜合解釋為好油層，但由于當(dāng)時的勘探目標(biāo)主要為長興組、飛仙關(guān)組和須家河組等地層，并未對大安寨段進行試油。儀隴-南部縣城附近地區(qū)中Sh1，G31，G75等井在大安寨段經(jīng)過試油為工業(yè)油層或工業(yè)油氣層，Lg20井綜合解釋為差油層，未對大安寨段進行試油。稅家槽附近的Lg42—Lg30 井一帶，Lg42 井為為工業(yè)氣層，S8，Lg13井為低產(chǎn)油層，其余井經(jīng)綜合解釋為好油層，但未對大安寨段試油。2）頁巖油二類有利區(qū)域位于平昌、營山縣城附近等地區(qū)，例如營山地區(qū)約40口井，僅有幾口井大安寨段試油為工業(yè)油層、低產(chǎn)油層或產(chǎn)微量油，其余大部分井大安寨段綜合解釋為差油層或非儲層。

綜上所述，本次研究得出的頁巖油有利區(qū)分布與大安寨段目前的試油成果吻合，說明基于主成分分析的頁巖油有利區(qū)評價方法在本研究區(qū)有效可行，下一步有必要根據(jù)綜合評價分數(shù)高值區(qū)來部署新井，并對大安寨段解釋為油層的老井開展復(fù)查等工作。

圖3 大安寨段頁巖油綜合評價分數(shù)與試油成果疊合

3 結(jié)論

1）頁巖有效厚度、Ro、TOC、地層壓力系數(shù)、脆性指數(shù)等5項地質(zhì)參數(shù)作為評價指標(biāo)，可以比較準確、全面地評價頁巖油有利區(qū)。頁巖有效厚度和地層壓力系數(shù)具有相對較高的權(quán)重值，對研究區(qū)大安寨段頁巖油的有效勘探開發(fā)有比較重要的影響。

2）利用主成分分析方法通過降維、確定權(quán)重，建立了綜合評價模型，并計算和繪制成果圖件，圖件蘊含豐富的地質(zhì)信息，而且簡明直觀。在對研究區(qū)大安寨段頁巖油有利區(qū)評價預(yù)測時，顯示出較好的效果和適用性。

3）研究區(qū)內(nèi)頁巖油相對最有利區(qū)域分布在龍崗氣田的Lg9—Lg28井一帶，其次為儀隴、南部縣城周邊及稅家槽附近的Lg42—Lg30井等地區(qū)。采用主成分分析方法確定的綜合評價模型，可以有效指導(dǎo)未來的頁巖油勘探開發(fā)工作。