威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

周 樺，魏力民，王 同，王 巖，龐河清，張?zhí)觳?/p>

（中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，四川成都610041）

儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)是勘探與開(kāi)發(fā)、宏觀與微觀、基礎(chǔ)研究與工程工藝相結(jié)合的系統(tǒng)工程[1]，旨在儲(chǔ)層特征研究的基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)層品質(zhì)進(jìn)行分級(jí)分類，從而深刻認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層、尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，為氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的核心參數(shù)是孔隙度和滲透率[2]，而頁(yè)巖氣藏是典型的“自生自儲(chǔ)”型氣藏，其特殊的成藏機(jī)理與成藏特征決定了其評(píng)價(jià)思路和方法明顯區(qū)別于常規(guī)氣藏，除了研究巖石學(xué)、物性等儲(chǔ)層基本特征外，還需綜合考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層改造難易程度等要素[2-5]。因此，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的核心在于綜合研究?jī)?chǔ)層地化特征、礦物組成、孔滲條件、儲(chǔ)集空間特征、含氣性及巖石力學(xué)性質(zhì)，充分利用關(guān)鍵參數(shù)探索儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)新方法顯得尤為重要。

威榮頁(yè)巖氣田位于四川盆地中南部，大地構(gòu)造隸屬川西南低陡褶帶，埋深介于3 550～3 880 m，構(gòu)造平緩，總體呈“兩凹一凸”的構(gòu)造特征。奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組一段為暗色富有機(jī)質(zhì)富硅質(zhì)泥頁(yè)巖，厚度80～85 m，分布穩(wěn)定。地層壓力系數(shù)1.94～2.13，地溫梯度2.8～3.3 ℃/hm，甲烷含量95.75%～97.67%，屬深層、常溫、超壓、彈性氣驅(qū)、超低滲、干氣、自生自儲(chǔ)式連續(xù)型頁(yè)巖氣藏[6-7]。頁(yè)巖儲(chǔ)層縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)、評(píng)價(jià)難度大，前期中國(guó)石油、中國(guó)石化分別建立起相應(yīng)的分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8-10]，一致認(rèn)為TOC、含氣量、孔隙度、脆性礦物及黏土礦物含量可作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)賦予范圍值（表1），然而缺乏反映巖石力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)，導(dǎo)致儲(chǔ)層在地質(zhì)參數(shù)相似的條件下，壓裂改造效果可能存在較大差距，難以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的目的。另外，當(dāng)多個(gè)參數(shù)無(wú)法同時(shí)滿足某一類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果容易出現(xiàn)交叉、矛盾的現(xiàn)象，難以客觀判斷儲(chǔ)層的優(yōu)劣。

隨著頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究技術(shù)的不斷進(jìn)步，儲(chǔ)層定量表征方法得到大力發(fā)展，利用量化的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀判斷儲(chǔ)層品質(zhì)，逐步成為儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)技術(shù)的新趨勢(shì)[11-14]。目前針對(duì)多因素的定量評(píng)價(jià)方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、A.古林法、多元統(tǒng)計(jì)分析、模糊數(shù)學(xué)、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法，鑒于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有部分信息明確、部分信息不明確的特性，與灰色系統(tǒng)的“灰”含義一致[15]，因此，采用灰色關(guān)聯(lián)理論可以更有效地綜合已有研究成果，彌補(bǔ)其它“白色”系統(tǒng)定性評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的不足，具有較強(qiáng)的探索意義與價(jià)值[16-17]。為此，本文嘗試引入灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行定量化表征，以期實(shí)現(xiàn)多因素影響下儲(chǔ)層品質(zhì)的精細(xì)評(píng)價(jià)，為明確優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層提供依據(jù)。

1 巖石相及儲(chǔ)層分類

前期熊亮（2019）、魏力民（2019）等[6-7]針對(duì)威榮地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)展了巖石相精細(xì)劃分，在深入對(duì)比TOC含量和礦物組成差異的基礎(chǔ)上，參照沉積巖命名方案，以改進(jìn)的巖石三角分類圖版為依據(jù)，按照TOC分類結(jié)合黏土礦物、硅質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物含量“三端元”分類的方法，劃分出七種巖石相類型。從圖1可以明顯看出，以富有機(jī)質(zhì)生物硅質(zhì)頁(yè)巖相為界，向上TOC含量降低、黏土礦物含量升高，向下TOC含量降低、碳酸鹽礦物含量升高，該方法突出了TOC和礦物組成的縱向變化，使③號(hào)層的巖石相分類精度由前期的20 m 以上精確到1 m以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的提升。在巖石相精細(xì)劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合紋層、物性、電性、含氣性及成烴生物組合等參數(shù)，將儲(chǔ)層劃分為硅質(zhì)類、混合類、黏土類等三類7 種類型，底部的生物硅質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層具有高TOC、高含氣量、高有機(jī)孔占比、高脆性礦物含量、高脆性指數(shù)、低黏土礦物含量和低水平應(yīng)力差異系數(shù)的特點(diǎn)，是目前的核心優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[6-7]。儲(chǔ)層類型的劃分實(shí)現(xiàn)了定性描述，為儲(chǔ)層精細(xì)定量評(píng)價(jià)奠定了重要基礎(chǔ)。

2 儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)思路

儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)的實(shí)質(zhì)是對(duì)影響儲(chǔ)層品質(zhì)的多個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)定，進(jìn)而判斷儲(chǔ)層的優(yōu)劣[18-19]。在儲(chǔ)層定性描述的基礎(chǔ)上，結(jié)合威榮深層頁(yè)巖氣形成條件和富集規(guī)律，優(yōu)選與儲(chǔ)層品質(zhì)密切相關(guān)的評(píng)價(jià)參數(shù)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算多參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)程度，以加權(quán)平均法確定各參數(shù)在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的權(quán)重分配后[11,13,20-22]，計(jì)算出不同類型儲(chǔ)層的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用該值劃分儲(chǔ)層等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)由定性向定量的轉(zhuǎn)變，為客觀評(píng)價(jià)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層提供依據(jù)（圖2）。

表1 龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8-10]Table 1 Evaluation criteria for shale gas reservoir of Longmaxi Formation[8-10]

圖1 威榮頁(yè)巖氣田巖石相精細(xì)劃分及儲(chǔ)層分類Fig.1 Fine division of lithofacies and reservoir classification in Weirong Shale Gas Field

2.2 評(píng)價(jià)流程

2.2.1 評(píng)價(jià)參數(shù)優(yōu)選

圖2 儲(chǔ)層品質(zhì)定量評(píng)價(jià)思路Fig.2 Thoughts on quantitative evaluation of reservoir

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)參數(shù)通常包括表征生氣能力、儲(chǔ)集能力、含氣能力和開(kāi)采能力的參數(shù)，其中有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度、含氣量、孔隙度、埋深、地層壓力、脆性礦物及黏土礦物含量、裂縫發(fā)育程度等因素與儲(chǔ)層品質(zhì)密切相關(guān)[2,18-19]。

儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)的前提是儲(chǔ)層特征參數(shù)的優(yōu)選，在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中需要結(jié)合評(píng)價(jià)目的，有針對(duì)性地選擇評(píng)價(jià)參數(shù)[15-17]。為提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)單因素分析，優(yōu)選了TOC、有機(jī)孔占比、含氣量、脆性礦物含量、黏土礦物含量、脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差異系數(shù)等7 個(gè)參數(shù)，其中，TOC、含氣量、有機(jī)孔占比、脆性礦物含量及脆性指數(shù)與儲(chǔ)層品質(zhì)呈正相關(guān)，而黏土礦物含量、水平應(yīng)力差異系數(shù)則與儲(chǔ)層品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)[18-19]，以此形成威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)系列。由于有機(jī)孔隙是游離氣的主要賦存空間，也為吸附氣的賦存提供吸附劑，其值可以更加直觀地反映儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力[23-24]，故將原標(biāo)準(zhǔn)中的孔隙度更改為有機(jī)孔占比。

根據(jù)儲(chǔ)層類型分別統(tǒng)計(jì)威榮頁(yè)巖氣田5 口取心井各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)并求取平均值，從而得到威榮地區(qū)不同類型儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)參數(shù)值（表2）。

2.2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種量化預(yù)測(cè)分析，通過(guò)計(jì)算研究對(duì)象與影響因素之間的關(guān)聯(lián)度來(lái)分析影響程度[15,25-26]。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論和方法，首先確定反映系統(tǒng)行為特征的參考序列和影響系統(tǒng)行為的比較序列，即母、子序列；其次對(duì)母、子序列進(jìn)行無(wú)量綱化處理，消除原始數(shù)據(jù)物理意義以及量綱間的差異；然后計(jì)算出兩者間的灰色關(guān)聯(lián)度，該值越大證實(shí)兩者的相關(guān)性越好。具體的計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11,13,15-17,20-22,25]。

前人研究認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖氣生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，TOC越高，生烴潛力就越大，其值大小可直接判別儲(chǔ)層的優(yōu)劣，應(yīng)當(dāng)作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的母序列，其它參數(shù)為子序列[11,21]。由于影響儲(chǔ)層品質(zhì)的參數(shù)之間有著非常復(fù)雜的關(guān)系，為消除主觀經(jīng)驗(yàn)，本文嘗試將優(yōu)選的各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)依次作為母序列，其余參數(shù)作為子序列，分別求取兩者的關(guān)聯(lián)程度，即循環(huán)關(guān)聯(lián)分析。

設(shè)母序列為Xi，

表2 威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)Table 2 Evaluation parameters of deep shale reservoir in Weirong Deep Shale Gas Field

式中：m表示評(píng)價(jià)參數(shù)個(gè)數(shù)，n表示序列長(zhǎng)度。

設(shè)子序列為Xj，

式中：Xj表示除去第i項(xiàng)參數(shù)序列的其余參數(shù)序列。

采用極大值標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)母、子序列進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算出母、子序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)（ξji(k)）和關(guān)聯(lián)度（rji），從而得到不同母序列條件下各子序列與其的關(guān)聯(lián)度矩陣（表3），考慮到數(shù)據(jù)分析的精確性及評(píng)價(jià)效果的明顯性，分辨系數(shù)取值為0.5。

式中：Δji(k)表示兩個(gè)比較序列的絕對(duì)差，Xi'(k)和Xj'(k)為第k個(gè)參數(shù)點(diǎn)無(wú)量綱化處理后的數(shù)值，Δjmax和Δjmin分別表示所有絕對(duì)差中的最大值和最小值。

關(guān)聯(lián)度大小既能反映各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)本身與儲(chǔ)層品質(zhì)的相關(guān)性，也能反映不同評(píng)價(jià)參數(shù)之間隱含的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)TOC為母序列時(shí)，其余評(píng)價(jià)參數(shù)與TOC的關(guān)聯(lián)度依次為含氣量＞脆性礦物含量＞有機(jī)孔占比＞脆性指數(shù)＞黏土礦物含量＞水平應(yīng)力差異系數(shù)；同理可得其余評(píng)價(jià)參數(shù)為母序列時(shí)與子序列的關(guān)聯(lián)度。計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)在不同母序列條件下關(guān)聯(lián)程度的平均值，即可得到其與儲(chǔ)層品質(zhì)的關(guān)聯(lián)度：含氣量＞TOC＞有機(jī)孔占比＞脆性礦物＞脆性指數(shù)＞黏土礦物含量＞水平應(yīng)力差異系數(shù)，表明含氣量是指示優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的首要參數(shù)，深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的核心是尋找富氣層。

2.2.3 權(quán)重及指標(biāo)的確定

在關(guān)聯(lián)度矩陣的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)平均法分別計(jì)算在不同母序列條件下各子序列的權(quán)重值，每個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)作為母序列時(shí)將得到1 個(gè)權(quán)重系數(shù)序列，7個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)則獲得7 個(gè)權(quán)重系數(shù)序列（表4），例如，當(dāng)TOC為母序列時(shí)，TOC的權(quán)重為0.195 2，含氣量的權(quán)重為0.164 8，有機(jī)孔占比的權(quán)重為0.145 9，脆性礦物的權(quán)重為0.153 2，黏土礦物的權(quán)重為0.111 5，脆性指數(shù)的權(quán)重為0.141 1，水平應(yīng)力差異系數(shù)的權(quán)重為0.088 3。

將無(wú)量綱化后的各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)依次與其權(quán)重系數(shù)相乘，得到該項(xiàng)參數(shù)的權(quán)衡值（q）。將所有評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)衡值相加，可得到儲(chǔ)層的綜合評(píng)價(jià)值，即儲(chǔ)層品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（Q）。

其中，Q和q的取值范圍均介于0 到1 之間。由于7個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)獲得7個(gè)權(quán)重系數(shù)序列，則不同類型儲(chǔ)層相應(yīng)獲得不同權(quán)重系數(shù)序列下的儲(chǔ)層品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（表5）。Q越接近l，表明儲(chǔ)層品質(zhì)越好，反之越差。

3 儲(chǔ)層品質(zhì)劃分及其應(yīng)用

計(jì)算結(jié)果表明（表5），不同類型儲(chǔ)層的品質(zhì)差異較大，其中生物硅質(zhì)頁(yè)巖最優(yōu)，Q值為0.68～0.85，中值為0.8；其次為含鈣-黏土質(zhì)-硅質(zhì)頁(yè)巖，Q值為0.6～0.77，中值為0.72；黏土質(zhì)頁(yè)巖最差，Q值為0.23～0.34，中值為0.29。根據(jù)不同類型儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量特征，可以明確威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的優(yōu)劣順序?yàn)椋荷锕栀|(zhì)頁(yè)巖—含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖＞鈣質(zhì)黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖—黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖＞硅質(zhì)鈣質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖—硅質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖＞黏土質(zhì)頁(yè)巖，因此，參照前述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可將儲(chǔ)層劃分為4 個(gè)等級(jí)：Q＞0.7 為A級(jí)，0.5＜Q＜0.7 為B 級(jí)，0.3＜Q＜0.5 為C 級(jí)，Q＜0.3為D級(jí)（表6）。A級(jí)儲(chǔ)層主要為生物硅質(zhì)頁(yè)巖和含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖；B級(jí)儲(chǔ)層主要為鈣質(zhì)黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖，在硅質(zhì)鈣質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖中也有分布；C 級(jí)儲(chǔ)層主要為硅質(zhì)鈣質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖；D級(jí)儲(chǔ)層主要為黏土質(zhì)頁(yè)巖。

表3 不同母序列條件下的灰色關(guān)聯(lián)度矩陣Table 3 Gray incidence matrix under different parent sequence conditions

表4 威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)Table 4 Weight coefficients of reservoir evaluation parameters in Weirong Deep Shale Gas Field

表5 威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Comprehensive evaluation index of deep shale reservoir in Weirong Deep Shale Gas Field

采用上述評(píng)價(jià)方法，應(yīng)用于威榮氣田W1井五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖儲(chǔ)層，計(jì)算出的Q值在縱向上呈現(xiàn)出明顯的分級(jí)特征（圖3），與儲(chǔ)層品質(zhì)劃分結(jié)果較為吻合，A級(jí)儲(chǔ)層集中分布在生物硅質(zhì)頁(yè)巖頂部和含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖底部，與目前水平井的靶窗位置一致，證實(shí)量化的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)可準(zhǔn)確反映儲(chǔ)層的優(yōu)劣，實(shí)現(xiàn)了多因素影響下儲(chǔ)層品質(zhì)的精細(xì)定量評(píng)價(jià)，為明確威榮地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層提供了依據(jù)，對(duì)同類型氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。

值得注意的是，圖3顯示W(wǎng)1井黏土質(zhì)儲(chǔ)層的品質(zhì)呈現(xiàn)明顯的二分性，上部為D 級(jí)儲(chǔ)層、下部為C 級(jí)儲(chǔ)層，這是因?yàn)樵摲椒ǖ慕⑹腔趦?chǔ)層類型的劃分結(jié)果，依據(jù)儲(chǔ)層類型分別統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)的數(shù)值，評(píng)價(jià)結(jié)果表明W1井的⑤—⑨號(hào)層并非全為黏土質(zhì)儲(chǔ)層，有必要進(jìn)一步細(xì)分，從側(cè)面反映出該方法對(duì)于提高儲(chǔ)層分類精度具有一定的指導(dǎo)作用。

表6 威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層品質(zhì)評(píng)價(jià)Table 6 Quality classification of deep shale reservoir in Weirong Deep Shale Gas Field

圖3 W1井儲(chǔ)層品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)效果Fig.3 Comprehensive evaluation effect of reservoir in Well-W1

4 結(jié)論

1）優(yōu)選TOC、含氣量、有機(jī)孔占比、脆性礦物含量、黏土礦物含量、脆性指數(shù)及水平應(yīng)力差異系數(shù)作為深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，能有效反映儲(chǔ)層品質(zhì)的差異。

2）以灰色系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)參數(shù)與儲(chǔ)層品質(zhì)的關(guān)聯(lián)度，明確含氣量是指示優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的首要參數(shù)，表明威榮深層頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的核心是尋找富氣層。

3）通過(guò)計(jì)算儲(chǔ)層品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（Q），可將儲(chǔ)層劃分為4個(gè)等級(jí)，A級(jí)儲(chǔ)層主要為生物硅質(zhì)頁(yè)巖和含鈣-黏土質(zhì)-硅質(zhì)頁(yè)巖，與目前水平井靶窗位置一致，研究成果與開(kāi)發(fā)實(shí)踐具有較高吻合度，該方法實(shí)現(xiàn)了多因素影響下儲(chǔ)層品質(zhì)的精細(xì)定量評(píng)價(jià)，為明確威榮地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層提供了依據(jù)。