復(fù)雜井筒條件下的有機(jī)質(zhì)測(cè)井計(jì)算方法優(yōu)選

吳見(jiàn)萌，黎澤剛，何傳亮，韓芳芳，任 杰

(中石化經(jīng)緯有限公司 西南測(cè)控公司，四川 成都 610100)

1 引 言

永川地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層埋深普遍超過(guò)3 500 m，具有“四高三低”的測(cè)井響應(yīng)特征，即高自然伽馬、高鈾、相對(duì)高聲波時(shí)差、相對(duì)高電阻率、相對(duì)低無(wú)鈾伽馬、低體積密度和低中子；儲(chǔ)層在該區(qū)域伽馬測(cè)值特征上具有明顯的三峰特征，其中最優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)段分布在Ⅱ號(hào)峰與Ⅲ號(hào)峰之間，Ⅰ號(hào)峰一般作為卡層的重要標(biāo)志。

通常有機(jī)碳含量(TOC)是頁(yè)巖氣藏評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料中提及的的方法主要基于直井條件下建立[1-6]，主要有：①利用能譜測(cè)井分析各種元素含量與TOC之間建立關(guān)系的自然伽馬能譜法；②利用各種測(cè)井響應(yīng)特征與TOC建立的多元擬合法；③建立體積密度和TOC經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算TOC的體積密度法；④利用孔隙度和電阻率疊合的ΔlogR法等計(jì)算評(píng)價(jià)TOC含量。以上方法在一定的地質(zhì)條件下都比較有效，但均具有一定的地域局限性；因此，針對(duì)永川地區(qū)直井條件下的TOC計(jì)算模型需要進(jìn)行一定的探討，從而優(yōu)選出適宜的方法。

目前該區(qū)開發(fā)中部署基本以水平井為主，受地質(zhì)工程綜合影響，測(cè)井施工難度大，資料難以取全。大部分井均僅采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井+自然伽馬能譜項(xiàng)目，部分井在井眼條件好的情況下采集了補(bǔ)償密度，總體測(cè)井質(zhì)量普遍較直井段少且差。針對(duì)此類測(cè)井資料，建立在直井筒條件下的模型大部分受到局限或不能直接應(yīng)用，如：ΔlogR法中電阻率除受黃鐵礦影響外，水平井中受界面或灰質(zhì)夾層的影響較大，局部會(huì)出現(xiàn)異常高阻，此時(shí)測(cè)值并非儲(chǔ)層含氣反映；能譜法中針對(duì)龍馬溪底部Ⅲ號(hào)峰鉆井的水平井中會(huì)出現(xiàn)諸多異常高伽馬井段，此時(shí)高(特高)伽馬特征與有機(jī)質(zhì)的最大值并不完全對(duì)應(yīng)。對(duì)于目前尚未有文獻(xiàn)涉及如何將TOC計(jì)算方法應(yīng)用于水平井中，為此也需要開展適用于水平井型的TOC計(jì)算模型探討。

2 有機(jī)質(zhì)計(jì)算方法

2.1 直井模型

2.1.1 體積模型法

體積模型中將巖儲(chǔ)層體積模型簡(jiǎn)化為“五元體積模型”[7]，即：

V硅質(zhì)+V鈣質(zhì)+V黏土礦物+V有機(jī)質(zhì)+V孔隙=1

(1)

首先，應(yīng)用式(1)中體積模型確定有機(jī)質(zhì)體積百分含量：

(2)

式(2)中Vker為有機(jī)質(zhì)體積百分含量；ρk、ρma、ρker分別為計(jì)算點(diǎn)、巖石骨架點(diǎn)(默認(rèn)值為2.68)、有機(jī)質(zhì)極值點(diǎn)的密度值(默認(rèn)值為2.25)，單位為g/cm3。

然后，將有機(jī)質(zhì)體積百分含量轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)重量百分含量(TOC)，公式為：

(3)

式(3)中TOC為有機(jī)碳重量百分含量；ρker、ρb分別為有機(jī)質(zhì)密度和體積密度，單位為g/cm3。K為有機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，永川龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)以Ⅰ型干酪根為主，一般取1.23左右。

2.1.2 ΔlogR法

ΔlogR技術(shù)通過(guò)大量數(shù)據(jù)擬合及實(shí)驗(yàn)分析來(lái)評(píng)價(jià)烴源巖，該技術(shù)利用電阻率和聲波時(shí)差兩條測(cè)井曲線對(duì)烴源巖的差異響應(yīng)刻畫有機(jī)質(zhì)豐度[8,9]。

從統(tǒng)計(jì)永川地區(qū)巖心分析TOC與補(bǔ)償聲波、電阻率特征關(guān)系可以看出(圖1a、圖1b)，補(bǔ)償聲波、電阻率與TOC關(guān)系均較差，主要原因有：一是礦物組分復(fù)雜，聲波時(shí)差受礦物成分、灰質(zhì)巖和黏土含量以及顆粒間壓實(shí)程度等多種因素影響，掩蓋了儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)的發(fā)育程度大??；二是受區(qū)域上黃鐵礦分布的影響，電阻率局部呈低阻特征明顯，電阻率大小不再反映儲(chǔ)層含氣豐度。

圖1 巖心分析TOC與補(bǔ)償聲波、電阻率關(guān)系Fig.1 Relationship betweenTOC, compensated sound wave and resistivity in core analysis

2.1.3 體積密度法

根據(jù)區(qū)域化驗(yàn)分析資料建立模型，發(fā)現(xiàn)永川地區(qū)測(cè)井密度法模型精度較高(圖2)，部分相關(guān)性較差的點(diǎn)受控因素主要來(lái)自兩部分影響：一是黃鐵礦在地層中的存在會(huì)導(dǎo)致測(cè)井異常高值；二是受井眼垮塌影響，測(cè)井儀器推靠臂若貼不到井壁，會(huì)使得測(cè)值明顯降低，未能真實(shí)反應(yīng)地層特征。

地層巖性密度與巖心分析TOC相關(guān)公式如下：

TOC=-17.806×ρ+48.513(R2=0.775)

(4)

式(4)中，ρ為密度測(cè)井值，g/cm3。

2.1.4 自然伽馬能譜法

自然伽馬能譜測(cè)井利用鈾、釷含量還可以評(píng)價(jià)地層有機(jī)質(zhì)豐度，同時(shí)利用回歸分析得到自然伽馬能譜測(cè)井特征與有機(jī)碳含量的關(guān)系[10]。結(jié)合建立的模型關(guān)系可以看出，圖3(a)表明，地層中鈾含量增大，TOC也會(huì)相應(yīng)增大，但是兩者并不具有很好的線性關(guān)系，主要由于富有機(jī)質(zhì)地層在一定的還原環(huán)境中會(huì)使得鈾離子急劇加大，而對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)大小在沉積過(guò)程中是逐漸變化的，與供給量有關(guān)；圖3(b)表明，在不同的氧化還原環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)大小具有明顯的差異；當(dāng)Th/U≥7時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量普遍偏低，部分有機(jī)質(zhì)被氧化；Th/U≤2時(shí)，一般處于深水強(qiáng)還原環(huán)境中，有利于有機(jī)質(zhì)形成，巖心分析有機(jī)質(zhì)含量普遍較高。

圖3 巖心分析TOC與伽馬能譜關(guān)系Fig.3 Relationship between TOC and gamma-ray spectrum in core analysis

從鈾測(cè)井值與TOC線性關(guān)系看，具體公式如下：

TOC=0.254×U+0.455(R2=0.623)

(5)

式(5)中，U為鈾測(cè)井值，ppm。

2.1.5 多元擬合法

多元線性擬合的基本思想：假定y是通過(guò)X1,X2,…,Xm來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的隨機(jī)變量，又因?yàn)樗鼈冎g存在某種線性關(guān)系，則可建立m元線性回歸模型[11]：

Y=β0+X1β1+X2β2+…+Xmβm+ξ

(6)

式(6)中，β0、β1、β2…βm為待估參數(shù)；ξ是隨機(jī)誤差，且ξ～N(0，σ2)。

基于區(qū)域內(nèi)實(shí)驗(yàn)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，開展并建立了巖心分析TOC與各測(cè)井參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。前面描述的測(cè)井參數(shù)不再重述，從圖4可以看出，隨著TOC含量的增加，伽馬測(cè)值總體趨勢(shì)是明顯變高；但受高伽馬儲(chǔ)層的影響(高鈾)，伽馬測(cè)值的遞增量要明顯高于TOC的增量，導(dǎo)致參數(shù)關(guān)系數(shù)并不高(圖4a)。補(bǔ)償中子與TOC呈非線性關(guān)系，補(bǔ)償中子與TOC非線性關(guān)系來(lái)自兩方面：①補(bǔ)償中子值大小部分取決于井眼大小、井內(nèi)鉆井液組成；②與黏土含量、其它礦物組分關(guān)系也較大，高黏土與高灰質(zhì)層均表現(xiàn)為低TOC，但測(cè)值分別為高中子和低中子(圖4b)。

圖4 巖心分析TOC與自然伽馬、補(bǔ)償中子關(guān)系Fig.4 Relationship betweenTOC, natural gamma and compensated neutron in core analysis

總體來(lái)說(shuō)，部分特征參數(shù)雖然在較大程度上反映了有機(jī)質(zhì)的富集程度，但還受到較多其他因素的制約；為尋找有機(jī)質(zhì)富集程度的指示方法，較好地消除單一測(cè)井因素的影響，宜采用多元擬合的方法，結(jié)合上述補(bǔ)償密度與TOC參數(shù)關(guān)系，建立多元模型為：

(7)

式(7)中，DEN為密度測(cè)井值，g/cm3；GR為伽馬測(cè)井值，API；CNL為中子測(cè)井值，%。

2.2 水平井模型

2.2.1 能譜疊合區(qū)域差值法

基于直井建立的能譜法在水平井中并不能直接應(yīng)用，提出應(yīng)用能譜疊合區(qū)域差值法解決水平井適用性問(wèn)題。該方法的原理是：以伽馬能譜模型為基礎(chǔ)，考慮盡量消除本底的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)富有機(jī)碳頁(yè)巖TOC的定量評(píng)價(jià)，進(jìn)一步量化總伽馬(GR)曲線與去鈾伽馬(KTh)曲線的分離，并分析兩曲線分離程度(D)與有機(jī)碳含量之間的關(guān)系[12,13]。

(8)

式(8)中,定義D為GR與KTH兩曲線分離度；GR與KTH分別為自然伽馬能譜測(cè)井總伽馬曲線與去鈾伽馬曲線，單位均為API；GRleft和KThleft為曲線的最大值;GRright和KThright為曲線的最小值。

本次研究選取永川工區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為研究目標(biāo)，按測(cè)井資料明確沉積環(huán)境(參考圖3b)，分析巖心TOC大小與GR-KTh曲線重疊區(qū)域分離度D的相關(guān)關(guān)系(圖5)。通過(guò)趨勢(shì)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，巖心TOC與D均呈線性相關(guān)關(guān)系，偏離線性點(diǎn)部分為軌跡縱向上變化引起，在模型計(jì)算時(shí)可根據(jù)軌跡與地層的關(guān)系加以判斷，并選用合適的模型。據(jù)此可初步建立GR—KTh重疊區(qū)域儲(chǔ)層有機(jī)碳含量測(cè)井計(jì)算關(guān)系，結(jié)合水平段軌跡層位所處的沉積環(huán)境，其構(gòu)建模型為：

(9)

2.2.2 體積密度法

采用方法與直井模型相同，考慮水平井測(cè)井中密度測(cè)井受井眼影響大需要校正，局部阻卡點(diǎn)在測(cè)井過(guò)程中由于不斷伸張儀器推靠臂，導(dǎo)致部分測(cè)值異常偏高或偏低需要采取畸點(diǎn)剔除；因此，在計(jì)算前需對(duì)密度曲線作一定環(huán)境校正再進(jìn)行模型計(jì)算。

3 實(shí)例分析

3.1 直井(取心井)驗(yàn)證

應(yīng)用上述方法對(duì)YY2井4 010.0～4 090.0 m龍馬溪儲(chǔ)層段采用多種模型進(jìn)行有機(jī)碳大小計(jì)算對(duì)比(圖6)，分別為ΔlogR法、伽馬能譜法、體積模型法、體積密度法、多元擬合法。表1先從精度上對(duì)上述模型進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：多元擬合法相對(duì)誤差12.7 %、體積密度法相對(duì)誤差17.7 %、體積模型法相對(duì)誤差20.9 %、伽馬能譜法相對(duì)誤差24.1 %、ΔlogR法相對(duì)誤差43.1 %。從誤差大小看，多元擬合法、體積密度法、體積模型法相對(duì)其它方法誤差量略?。粡目刹僮餍詠?lái)講，由于體積模型中要確定巖石骨架點(diǎn)、有機(jī)質(zhì)極值點(diǎn)的密度值，需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，不利于快速評(píng)價(jià)；因此最終確定多元擬合法、體積密度法為本區(qū)直井中最優(yōu)模型。

表1 YY2井不同模型計(jì)算TOC誤差統(tǒng)計(jì)

3.2 水平井驗(yàn)證

圖7為YY2HF水平井針對(duì)能譜疊合區(qū)域差值法、密度法開展的TOC計(jì)算對(duì)比分析，從水平道四可以看出，兩種方法單獨(dú)計(jì)算TOC均存在一定缺陷。密度法中，密度曲線有明顯的“高跳”現(xiàn)象，結(jié)合聲波曲線為非真實(shí)地層特征，如：4 750.0～4 790.0 m、5 410.0～5 455.0 m附近，導(dǎo)致計(jì)算TOC明顯偏低。能譜疊合區(qū)域差值法中，由于軌跡縱向上鉆遇地層變化，以龍馬溪底部③號(hào)層Ⅲ號(hào)峰為例，如：5 025.0～5 100.0 m附近，此時(shí)高(特高)伽馬并不對(duì)應(yīng)于最大TOC，采用該方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，能在部分程度上消除本底影響，但無(wú)法完全消除特高伽馬的影響，此時(shí)需結(jié)合軌跡與地層關(guān)系綜合分析，及時(shí)選用合理模型?？紤]兩者相結(jié)合的方法，即為本文提到的綜合法。

圖7 YY2HF井不同模型計(jì)算TOC對(duì)比分析Fig.7 Comparative analysis of TOC calculated by different models in YY2HF well

針對(duì)在自然伽馬能譜和密度兩種資料都測(cè)量的情況下，結(jié)合軌跡綜合分析，選擇與導(dǎo)眼井和鄰井誤差最小的一種計(jì)算值作為最終結(jié)果，或者取兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。水平道四分別對(duì)比了三種模型計(jì)算結(jié)果，可以看出綜合法的可信度最高。水平道六進(jìn)一步對(duì)比了綜合模型計(jì)算TOC與現(xiàn)場(chǎng)全烴分析結(jié)果，總體趨勢(shì)一致，即：高全烴顯示以高含有機(jī)質(zhì)為烴源基礎(chǔ)，與實(shí)際地質(zhì)情況符合。

在永川地區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明，該方法對(duì)工區(qū)10余口頁(yè)巖氣井進(jìn)行了處理解釋(表2)，測(cè)井計(jì)算有機(jī)質(zhì)與巖屑實(shí)驗(yàn)分析相對(duì)誤差平均為84.4 %，證實(shí)了該方法的可行性。

表2 水平井中計(jì)算TOC與實(shí)驗(yàn)分析誤差統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

1)直井中，通過(guò)對(duì)比研究，確定多元擬合法、體積密度法為頁(yè)巖氣計(jì)算有機(jī)碳含量的有效方法，能夠滿足頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)需求。

2)水平井中，考慮測(cè)井資料的品質(zhì)及全面性，推薦采用伽馬能譜疊合區(qū)域差值法與體積密度法相結(jié)合，同時(shí)考慮軌跡與儲(chǔ)層的空間關(guān)系的綜合計(jì)算，該方法的可靠性得到了生產(chǎn)驗(yàn)證，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。