元素錄井技術(shù)在南堡凹陷頁(yè)巖儲(chǔ)層識(shí)別評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

趙 文 睿

(中國(guó)石油冀東油田公司勘探開發(fā)建設(shè)工程事業(yè)部)

0 引 言

頁(yè)巖儲(chǔ)層[1]勘探實(shí)踐表明,頁(yè)巖本身既是烴源巖又是儲(chǔ)層，是一種典型的“原位飽和成藏”的形成機(jī)制。脆性礦物含量是影響頁(yè)巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等方面的重要因素。頁(yè)巖中黏土礦物含量越低，脆性礦物含量越高，巖石脆性越強(qiáng)，在外力因素作用下越易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，越有利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集和開采。南堡凹陷古近系泥頁(yè)巖空間展布總體上具有分布廣、厚度大的特點(diǎn)，石油地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，作為新的油氣產(chǎn)能替代層系和領(lǐng)域在南堡凹陷勘探中占有重要地位。通過(guò)加強(qiáng)地質(zhì)元素分析工作，綜合分析元素?cái)?shù)據(jù)，基于脆性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)，建立元素儲(chǔ)層識(shí)別評(píng)價(jià)模型，形成了優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層追蹤方法，準(zhǔn)確識(shí)別裂縫性儲(chǔ)層發(fā)育帶[2]，為南堡凹陷整體開發(fā)、增儲(chǔ)上產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 南堡凹陷概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷西北部，古近系發(fā)育沖積扇、辮狀河道-辮狀三角洲、水下扇、扇三角洲和湖相等沉積體系，其中扇三角洲是本區(qū)發(fā)育最廣的沉積體系，凹陷內(nèi)自上而下發(fā)育了明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組、沙河街組、白堊系、侏羅系、石炭系、二疊系、奧陶系及寒武系等地層。東營(yíng)組與沙河街組地層發(fā)育以泥頁(yè)巖為主，次為粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等。由于盆地經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，遭受了多期抬升剝蝕，導(dǎo)致盆地部分地區(qū)地層縱向發(fā)育不全，橫向展布變化較大，接觸關(guān)系復(fù)雜。

南堡凹陷是渤海灣盆地重要的含油氣區(qū)構(gòu)造，基于大范圍整體面積及海域面積的展布，區(qū)域內(nèi)的油氣資源比較豐富。泥頁(yè)巖廣泛發(fā)育的東營(yíng)組與沙河街組地層為主要的研究層位，工區(qū)位于河北省唐山市境內(nèi)，構(gòu)造上處于渤海灣盆地黃驊坳陷北部的南堡凹陷，應(yīng)用元素錄井技術(shù)探索東營(yíng)組與沙河街組頁(yè)巖儲(chǔ)層的元素特征組合，篩選優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層，為優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層壓裂段選取提供有效依據(jù)[3]。

2 元素特征參數(shù)及其意義

頁(yè)巖地層的廣袤發(fā)育為頁(yè)巖儲(chǔ)層圈閉的形成提供了潛在的物質(zhì)基礎(chǔ)，區(qū)塊單井縱向頁(yè)巖地層發(fā)育穩(wěn)定；經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)改造，基于頁(yè)巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)，選取南堡凹陷頁(yè)巖發(fā)育的二十幾口井及樣品萬(wàn)余顆，開展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià)分析工作，基于元素錄井技術(shù)[4]，應(yīng)用特征參數(shù)脆性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)分析潛在頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育段。

2.1 脆性指數(shù)

古近系地層發(fā)育的頁(yè)巖沉積展布面積大，厚度深，具有潛在的生烴和儲(chǔ)集油氣能力。頁(yè)巖中本身的有機(jī)質(zhì)熱演化生成油和氣，油賦存于烴源巖附近孔縫發(fā)育的地層中，而生物化學(xué)生氣階段生成的天然氣或石油裂解氣首先吸附在有機(jī)質(zhì)和巖石顆粒表面或聚集在有機(jī)質(zhì)孔隙內(nèi)，原位滯留飽和后，過(guò)飽和的天然氣以游離相或溶解相向外初次運(yùn)移到上覆無(wú)機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地層的孔縫中聚集，以游離相存在于粒內(nèi)、粒間孔或裂縫中，再飽和后其中一部分天然氣二次運(yùn)移到常規(guī)儲(chǔ)層，形成常規(guī)天然氣藏。油氣的運(yùn)移、富集形成油氣藏的過(guò)程依賴于頁(yè)巖儲(chǔ)層孔縫發(fā)育的程度，脆性物質(zhì)的含量是頁(yè)巖孔縫發(fā)育的主要影響因素，通過(guò)對(duì)主要造巖元素進(jìn)行相關(guān)性分析，篩選出與地層脆性物質(zhì)相關(guān)性較強(qiáng)的代表性元素。

2.1.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是指對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量?jī)蓚€(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。只有元素或參數(shù)之間存在一定的聯(lián)系才可以進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)性不等于因果性，也不是簡(jiǎn)單的個(gè)性化。通過(guò)分析相關(guān)的多個(gè)變量元素與脆性指數(shù)的相關(guān)性，依據(jù)脆性物質(zhì)的代表元素，可以篩選出相關(guān)性較強(qiáng)的特征元素，用于脆性指數(shù)的擬合。

基于Pearson相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法對(duì)脆性物質(zhì)與多元素變量進(jìn)行相關(guān)性分析計(jì)算，將每一種元素的數(shù)值當(dāng)成自變量X，與脆性物質(zhì)含量Y進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下[5]：

基于相關(guān)性的元素或參數(shù)存在一定的聯(lián)系或者概率原理，進(jìn)行相關(guān)性數(shù)據(jù)分析，篩選出Si、Mg、Ca、S、Al、K元素與脆性指數(shù)具有較大相關(guān)性，從中剔除不屬于主量的S元素和歸屬于塑性物質(zhì)的Al、K元素，最后提取Si、Mg、Ca三個(gè)相關(guān)程度較強(qiáng)的特征元素作為計(jì)算脆性指數(shù)的基本元素。

2.1.2 脆性指數(shù)擬合

脆性指數(shù)的計(jì)算依賴于地層中脆性礦物含量的多少，脆性礦物含量是影響頁(yè)巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式的重要因素。相關(guān)性分析篩選出的Si、Mg、Ca元素在頁(yè)巖地層分別指向石英、白云石、方解石，并且這些礦物均屬于淺色礦物。淺色礦物表征的元素含量愈高，地層巖石愈易破碎；暗色黏土礦物含量高的頁(yè)巖塑性較強(qiáng)，吸收能量的能力亦強(qiáng)，易于形成平面裂縫的特性不利于頁(yè)巖的壓裂改造。黏土礦物與脆性礦物的相對(duì)含量是頁(yè)巖中油氣運(yùn)移與聚集所需有效裂縫形成的主要因素[6]，根據(jù)頁(yè)巖地層的地質(zhì)特征，對(duì)元素分析數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理。

(1) 頁(yè)巖成分?jǐn)?shù)據(jù)歸一化處理：頁(yè)巖地層發(fā)育的主要礦物為石英、方解石、白云石及黏土四種礦物[7]，通過(guò)對(duì)相關(guān)元素進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及礦物反演求出相應(yīng)礦物的相對(duì)含量用于脆性指數(shù)的計(jì)算。

式中：X物質(zhì)相對(duì)含量為四種礦物之一的單礦物歸一化后在總礦物中的占比；W單礦物為石英、方解石及白云石單一礦物反演計(jì)算出的相對(duì)含量，%；WQuartz、WCalcite、WDolomite、WClay分別為計(jì)算得到的石英、方解石、白云石、黏土礦物巖石化學(xué)成分的相對(duì)含量，%[8-9]。

(2) 脆性指數(shù)計(jì)算公式為：

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)

組成石油的化學(xué)元素主要是C、H，其次為S、N、O及含量較高的微量元素Ni、Cu、Pb、V、Ba等，近似自然界有機(jī)物的元素組成，說(shuō)明石油與原始有機(jī)質(zhì)存在著明顯的親緣關(guān)系。石油中很多微量元素如Ni、Cu等都是親S元素，它們與S元素形成硫化物賦存于地層中，S的富集并且含量明顯高于其他單一微量元素含量的特性使該元素成為評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層有效的特征元素，故石油中S元素含量的多少與儲(chǔ)層油氣的富集呈正相關(guān)性[10-11]。

與常規(guī)儲(chǔ)層不同，以頁(yè)巖為主的頁(yè)巖層系中所含的石油資源賦存于頁(yè)巖的孔隙裂縫中，S元素伴生于地層中，而頁(yè)巖中黏土礦物主要為含水鋁硅酸鹽礦物，以富含Al元素為主要的化學(xué)成分構(gòu)成，通過(guò)計(jì)算其比值建立有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)可用于評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的含油氣情況。有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)計(jì)算公式為：

OI=XS/XAl

式中：OI為有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)；XS、XAl分別為元素技術(shù)分析得到的巖石S、Al元素的相對(duì)含量，%。

3 儲(chǔ)層識(shí)別與評(píng)價(jià)

南堡凹陷古近系東營(yíng)組與沙河街組地層主要發(fā)育泥頁(yè)巖，由于頁(yè)巖沉積物發(fā)育在相對(duì)較好的緩坡帶，水系長(zhǎng)距離推進(jìn),流域范圍廣，沉積相展布面積大，經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)改造，具有成為潛力儲(chǔ)層的頁(yè)巖縫、洞類型儲(chǔ)集空間發(fā)育。分析和應(yīng)用脆性指數(shù)及有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)，識(shí)別和評(píng)價(jià)有效儲(chǔ)層段對(duì)頁(yè)巖油氣藏勘探開發(fā)具有重大意義。

3.1 儲(chǔ)層參數(shù)敏感性分析

針對(duì)南堡凹陷陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)，引入儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)敏感性分析方法，參數(shù)敏感性分析是考察其中兩個(gè)參數(shù)同時(shí)變化對(duì)結(jié)果最終的影響。基于試油數(shù)據(jù)和氣測(cè)數(shù)據(jù)作為基本的原始資料，通過(guò)大量的有效儲(chǔ)層段的數(shù)據(jù)表現(xiàn)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，確定出對(duì)潛力儲(chǔ)層有較大影響的參數(shù)及其對(duì)儲(chǔ)層敏感性程度，歸納總結(jié)規(guī)律并應(yīng)用于儲(chǔ)層參數(shù)敏感性分析中，界定出脆性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)對(duì)頁(yè)巖縫洞性油氣儲(chǔ)層有效貢獻(xiàn)率的大小，為識(shí)別和評(píng)價(jià)優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層提供依據(jù)。

3.2 儲(chǔ)層識(shí)別與評(píng)價(jià)

渤海灣盆地黃驊坳陷中生代主要經(jīng)歷印支運(yùn)動(dòng)與燕山運(yùn)動(dòng)兩期應(yīng)力方向不同的擠壓構(gòu)造活動(dòng), 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擠壓碰撞及斷層的同時(shí)形成了大量的構(gòu)造裂縫，脆性物質(zhì)的較高含量也為裂縫的形成提供了有利的因素，同時(shí)裂縫性空間的廣泛發(fā)育為油氣的聚集提供了有效的運(yùn)移通道和圈閉空間。脆性指數(shù)的應(yīng)用是基于南堡凹陷古近系發(fā)育沖積扇、辮狀河道-辮狀三角洲、水下扇、扇三角洲和湖相沉積體系的特點(diǎn)，根據(jù)地層發(fā)育的脆性物質(zhì)含量情況擬合脆性指數(shù)，并與有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)相結(jié)合對(duì)儲(chǔ)層段進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)[12-13]。

根據(jù)南堡凹陷的地質(zhì)特征，采用二元參數(shù)評(píng)價(jià)模式對(duì)儲(chǔ)層段進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，建立解釋圖板(圖1)，篩選優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層段。元素錄井技術(shù)分析認(rèn)為Ⅲ類儲(chǔ)層歸屬于較低的脆性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)類別，有效的油氣儲(chǔ)集空間發(fā)育較差，一般很難成為較好的油氣儲(chǔ)層段；Ⅱ類儲(chǔ)層表現(xiàn)為中等的脆性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)，基于地質(zhì)特征歸為Ⅱ類儲(chǔ)層，具有有效儲(chǔ)層的基本條件，縫洞儲(chǔ)集空間較發(fā)育，但產(chǎn)油潛力有限；Ⅰ類儲(chǔ)層雙指數(shù)均呈現(xiàn)高值特征，縫洞儲(chǔ)集空間高度發(fā)育，地層孔滲性好，如儲(chǔ)層厚度和儲(chǔ)層展布面積有效配合，則該儲(chǔ)層段即為壓裂試采的最優(yōu)勢(shì)層段。

圖1 儲(chǔ)層解釋評(píng)價(jià)圖板

在儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)參數(shù)有時(shí)并不能很好地與儲(chǔ)層解釋評(píng)價(jià)圖板相匹配，儲(chǔ)層的分類判別具有一定難度?；趦?chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)敏感性分析結(jié)果，根據(jù)脆性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)對(duì)優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層貢獻(xiàn)率大小的評(píng)價(jià)過(guò)程中，儲(chǔ)層類型的劃分應(yīng)傾向于增加貢獻(xiàn)率較大的評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重；應(yīng)用該解釋模型評(píng)價(jià)篩選頁(yè)巖優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層段的過(guò)程中，儲(chǔ)層的沉積物源類型、儲(chǔ)層厚度、埋藏深度及埋藏位置也是必要的考慮因素。

通過(guò)探索南堡凹陷東三段、沙河街組層位巖性的元素特征組合關(guān)系，根據(jù)頁(yè)巖裂縫性儲(chǔ)層特征，基于有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)和脆性指數(shù)參數(shù)的評(píng)價(jià)模式，研究分析優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層特征并制定儲(chǔ)層解釋評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 應(yīng)用實(shí)例及效果

通過(guò)對(duì)南堡凹陷20余口井進(jìn)行元素參數(shù)的儲(chǔ)層識(shí)別和評(píng)價(jià)及儲(chǔ)層對(duì)比工作，篩選出21層Ⅰ類儲(chǔ)層段及133層Ⅱ類儲(chǔ)層段，實(shí)施壓裂措施改造。對(duì)多井Ⅰ、Ⅱ類目標(biāo)儲(chǔ)層段壓裂試油結(jié)果表明，Ⅰ類儲(chǔ)層較Ⅱ類儲(chǔ)層具有產(chǎn)油多出水少的特征，整體有效儲(chǔ)層識(shí)別符合率達(dá)到88.95%，多口井的試油結(jié)果驗(yàn)證了元素評(píng)價(jià)資料的高可靠性，為制定頁(yè)巖儲(chǔ)層開發(fā)方案提供了重要依據(jù)。針對(duì)頁(yè)巖油(氣)儲(chǔ)層，利用巖石化學(xué)分析數(shù)據(jù)計(jì)算脆性指數(shù)及有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)，對(duì)頁(yè)巖油(氣)儲(chǔ)層進(jìn)行初步識(shí)別與評(píng)價(jià)，實(shí)施單井縱向優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層劃分及多井優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層段對(duì)比分析；基于評(píng)價(jià)參數(shù)綜合分析優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層段特點(diǎn)及其元素參數(shù)的共性特征，總結(jié)規(guī)律并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的壓裂試油作業(yè)。

以南堡凹陷為例(圖2)，對(duì)X井4 816～4 850 m井段進(jìn)行元素分析，脆性指數(shù)為0.543，有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)達(dá)到0.173，采取元素錄井技術(shù)評(píng)價(jià)方法解釋為Ⅰ類優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層段，對(duì)該井東三下亞段地層進(jìn)行壓裂試采喜獲工業(yè)油流，日產(chǎn)油15.9 m3，該試油結(jié)果與元素錄井技術(shù)分析解釋的優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層匹配良好?；赬井的儲(chǔ)層元素解釋評(píng)價(jià)方法及良好的試油結(jié)果，應(yīng)用該方法于不同層位的XX井并篩選評(píng)價(jià)優(yōu)勢(shì)井段，也取得了較好的壓裂試油效果，驗(yàn)證了元素解釋評(píng)價(jià)方法可以廣泛應(yīng)用于不同層位的頁(yè)巖儲(chǔ)層段。

圖2 南堡凹陷元素錄井解釋評(píng)價(jià)圖

南堡凹陷X井壓裂試油獲得成功，以及后續(xù)多口井較好的試油結(jié)果，充分展示了南堡凹陷頁(yè)巖儲(chǔ)層良好的勘探潛力，進(jìn)一步拓展了潛在的找油領(lǐng)域。

5 結(jié) 論

南堡凹陷古近系東營(yíng)組與沙河街組地層主要發(fā)育以泥頁(yè)巖為主，而構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是頁(yè)巖地層產(chǎn)生裂縫性儲(chǔ)集空間的主要影響因素；脆性物質(zhì)的含量直接影響頁(yè)巖縫洞的發(fā)育程度及連通性，并與縫洞發(fā)育程度及儲(chǔ)層連通性具有正相關(guān)關(guān)系。

頁(yè)巖儲(chǔ)層較好發(fā)育的各種類型裂縫與地層有效孔隙共同為油氣的運(yùn)移及聚集提供必要的通道和圈閉空間，而基于脆性物質(zhì)擬合的脆性指數(shù)的應(yīng)用從元素錄井技術(shù)角度詮釋了潛在的孔縫發(fā)育帶及成為有效油氣聚集空間的條件。

應(yīng)用特征參數(shù)及其元素組合，基于相關(guān)性和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)敏感性綜合分析，形成頁(yè)巖裂縫性儲(chǔ)層識(shí)別評(píng)價(jià)方法；元素錄井技術(shù)在頁(yè)巖裂縫發(fā)育帶識(shí)別、優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層選取等方面具有獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

脆性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)豐度指數(shù)在陸相頁(yè)巖地層的應(yīng)用表明，元素錄井技術(shù)在頁(yè)巖裂縫性儲(chǔ)層的有效識(shí)別方面取得了良好的效果，為壓裂試采井段的選取提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了成功應(yīng)用。