基于M—N動態(tài)交會的頁巖油巖性組分定量計(jì)算方法

徐文遠(yuǎn)，趙靜，趙延靜，徐蘊(yùn)穎，錢晨，左東星

（中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710021）

0 引 言

中國的頁巖油氣資源豐富，二十世紀(jì)六十年代就已經(jīng)在多個盆地發(fā)現(xiàn)了頁巖油，當(dāng)時認(rèn)為是儲存在泥頁巖裂縫中的油藏。隨著對頁巖油氣認(rèn)識的不斷深入和科學(xué)技術(shù)手段的持續(xù)進(jìn)步，近年在鄂爾多斯、松遼、濟(jì)陽、濮陽、準(zhǔn)噶爾以及南襄等多個盆地頁巖地層獲得勘探突破。與常規(guī)儲層相比，頁巖儲層從巖性、儲集空間到流體賦存狀態(tài)都存在很大的差別，不能延用解釋常規(guī)儲層的理論和方法進(jìn)行評價。

鄂爾多斯盆地延長組長7地層資源量豐富、儲量規(guī)模大，共發(fā)育3類頁巖油，其中I類頁巖油已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模效益開發(fā)，建成了國家級頁巖油示范區(qū)；長73地層主要發(fā)育II類、III類頁巖油，為陸相湖盆沉積體系，以半深湖-深湖重力流沉積相為主，具有源儲共生、礦物組分多樣及孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)[1-2]。常規(guī)測井響應(yīng)可以總結(jié)為“四高一低一失真”，即高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差、高補(bǔ)償中子、低密度以及自然電位失真。綜合解釋對成像測井及鉆井取心的依賴性強(qiáng)，在劃分有效儲層及定量計(jì)算參數(shù)方面存在明顯的技術(shù)短板。精確計(jì)算泥質(zhì)及總有機(jī)碳含量是盆地高自然伽馬頁巖油測井評價的關(guān)鍵?？傆袡C(jī)碳含量的測井評價方法有很多，主要分為兩大類。①以多元線性回歸為基礎(chǔ)的曲線擬合法。1945年，Beers[3]利用自然伽馬放射性強(qiáng)度評價總有機(jī)碳含量（TOC），利用鈾元素與總有機(jī)碳含量的關(guān)系進(jìn)行烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價。②以ΔlogR法為代表的測井曲線疊合法。1990年，Passey等[4]結(jié)合巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了ΔlogR與總有機(jī)碳含量的擬合關(guān)系，繪制了TOC的計(jì)算圖版。兩類方法在含油氣盆地的烴源巖評價中均取得了較好應(yīng)用效果[5-12]。泥質(zhì)含量計(jì)算方法主要有自然伽馬（電位）法、中子密度法及電阻率法等[13]，受測井曲線“四高一低一失真”的影響，現(xiàn)有技術(shù)手段在目標(biāo)層系應(yīng)用效果并不理想。截至2020年5月，長慶油田累計(jì)有17口井在高自然伽馬地層獲得工業(yè)油流，其中11口井在測井解釋時未進(jìn)行儲層劃分，其余井參考核磁共振及巖心資料識別出了有效儲層，但提供的巖性剖面不能反映儲層內(nèi)部的非均質(zhì)性，與地質(zhì)規(guī)律不符。

該文以常規(guī)測井曲線為基礎(chǔ)，對ΔlogR法進(jìn)行技術(shù)延展，用聲—電面積替代固定的聲波、電阻率基線，考慮了巖性及孔隙度對測井響應(yīng)的影響，提高了總有機(jī)碳含量的計(jì)算精度。通過對礦物組分的系統(tǒng)分析，確定了泥巖線的表述方程，采用三角交會的方式逐點(diǎn)求取泥巖點(diǎn)與砂巖點(diǎn)位置，既考慮了曲線標(biāo)準(zhǔn)化及有機(jī)質(zhì)對測井曲線的影響，也解決了巖石骨架參數(shù)變化大的難題，實(shí)現(xiàn)了長73地層主要巖性組分的定量計(jì)算。

1 地層主要巖性及測井特征

長73地層巖性組分主要包括石英、長石（鉀長石、斜長石）、黏土礦物（伊利石、伊蒙混層、高嶺石、蒙脫石等）、黃鐵礦、碳酸鹽巖礦物（方解石、白云石）等。砂巖碎屑中“石英+長石”含量達(dá)70%～80%，受物源影響，石英、長石所占比例略有不同（見表1）。

表1 長73 地層砂巖碎屑構(gòu)成統(tǒng)計(jì)表

綜合地質(zhì)評價需求及測井響應(yīng)特征差異，將巖性分為黑色頁巖、暗色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及凝灰?guī)r這5大類。不同巖石類型均見含油氣顯示，其中砂巖顯示最好，以油斑、油跡為主；黑色頁巖、暗色泥巖為生油巖，氣測全烴顯示明顯。試油試采及薄片分析結(jié)果證實(shí)粉砂巖、細(xì)砂巖為研究區(qū)有效儲集巖性，泥巖及頁巖孔隙以微孔為主，為非有效儲集巖性。表2為各巖性對應(yīng)的測井特征及判別標(biāo)準(zhǔn)。

表2 長73 地層主要巖性測井特征及判別標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表

2 巖性組分定量計(jì)算

總有機(jī)碳含量是烴源巖評價中反映巖石有機(jī)質(zhì)豐度最主要的一個指標(biāo)，其計(jì)算精度一是可以厘清烴源巖縱橫向展布規(guī)律，落實(shí)資源潛量；二是有利于分析干酪根對測井響應(yīng)特征的影響，為其他參數(shù)的精確求取奠定基礎(chǔ)。泥質(zhì)含量是砂泥巖地層參數(shù)計(jì)算與評價的重要基礎(chǔ)參數(shù)，它不僅反映地層的巖性，而且與儲層的有效孔隙度、含水飽和度、束縛水飽和度、滲透率等參數(shù)密切相關(guān)。綜合長73地層地質(zhì)評價需求及不同巖性組分的測井特征差異，將地層分為泥質(zhì)、砂質(zhì)及有機(jī)質(zhì)3部分，這3部分巖性組分的準(zhǔn)確求取可為頁巖油識別提供解決方案。

2.1 總有機(jī)碳含量

長7段發(fā)育的黑色頁巖和暗色泥巖是盆地中生界主要烴源巖，鏡下觀察鑒定為I型或Ⅱ型，總有機(jī)碳含量大于6%，氯仿瀝青大于0.6%[12]?；诙嗫诰南到y(tǒng)取心，以多元回歸為基礎(chǔ)建立了總有機(jī)碳含量計(jì)算模型

式中，AC為測井測量的聲波時差值，μs/m；DEN為測井測量的密度值，g/cm3；GR為測井測量的自然伽馬值，API。

該模型豐富了盆地內(nèi)烴源巖評價方法，為資源潛量預(yù)測提供了依據(jù)，但其在非源巖及低豐度源巖段的計(jì)算結(jié)果偏高，不利于開展巖性組分精細(xì)評價。該文以ΔlogR法為基礎(chǔ)進(jìn)行延展，通過選用合適的刻度參數(shù)，用聲—電面積替代固定的聲波、電阻率基線，考慮了巖性及孔隙度對測井響應(yīng)的影響，結(jié)合自然伽馬曲線擬合獲得總有機(jī)碳含量計(jì)算公式，其計(jì)算精度顯著提高[見式 （2）]。同時，進(jìn)一步計(jì)算了干酪根體積組分[見式 （3）]。

式中，Srtac為特定刻度下聲波時差及電阻率曲線歸一化的包絡(luò)面積，小數(shù)；Vt為干酪根體積組分，小數(shù)；ρt為干酪根密度，g/cm3；K為干酪根轉(zhuǎn)化因子，一般取1.2。

圖1為新、舊方法計(jì)算總有機(jī)碳含量與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的對比。圖1中第9道藍(lán)色實(shí)線為原模型計(jì)算總有機(jī)碳含量，非源巖段計(jì)算總有機(jī)碳整體在6%以上，與實(shí)際不符。第10道為新方法計(jì)算總有機(jī)碳含量與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對比，效果提升明顯。

圖1 城Aa井總有機(jī)碳含量新、舊模型計(jì)算對比

2.2 泥質(zhì)與砂質(zhì)含量

泥質(zhì)含量是巖石中粒徑小于0.1 mm的細(xì)粉砂和濕黏土的體積占巖石體積的百分?jǐn)?shù)，其主要計(jì)算方法有自然電位法、自然伽馬法、自然伽馬能譜法、光電吸收截面指數(shù)法等。受高放射性有機(jī)質(zhì)等因素影響，長73地層自然伽馬及自然電位在目的層段沒有分層能力，亦不能用于泥質(zhì)含量定量計(jì)算；勘探成本、井眼環(huán)境等因素也制約了自然伽馬能譜與光電吸收截面指數(shù)法在目的層段的規(guī)模化應(yīng)用?；诖耍撐囊匀紫抖葴y井為基礎(chǔ)，建立了基于M—N動態(tài)交會的泥質(zhì)含量計(jì)算方法。

M、N分別是聲波—密度和中子—密度交會圖上某一巖性線的斜率，是三孔隙度曲線消除孔隙度影響得到的重要參數(shù)，對地層巖性反映靈敏，其計(jì)算公式為

式中，Δtf為流體聲波時差值，μs/m；ρf為流體密度值，g/cm3；φnf為流體中子值，%；CNL為地層補(bǔ)償中子，%；系數(shù)0.003是當(dāng)聲波時差采用法定計(jì)量單位（μs/m）時加入的系數(shù)，目的是使M與N大小相當(dāng)。

研究區(qū)主要巖性的M、N值見表3，其在M—N交會圖中的對應(yīng)位置見圖2。從圖2可見，干酪根與砂泥組分物理性質(zhì)差異較大，在交會圖中距離較遠(yuǎn)，說明有機(jī)質(zhì)對三孔隙度曲線影響大，巖性組分含量的求取應(yīng)先進(jìn)行干酪根校正；相比其他礦物組分，石英和長石在交會圖中位置較近，可以作為一個整體，即砂質(zhì)來進(jìn)行表述；黏土礦物組分多樣，蒙脫石、伊利石、高嶺石在交會圖中不集中但整體在一條直線上，通過擬合方式可以獲得泥巖線方程，表述為N=a×M+b，其中a、b為常數(shù)。

表3 常見巖性及干酪根的M、N 值統(tǒng)計(jì)表

圖2 長7地層主要巖性組分在M—N交會圖中的位置

基于以上分析，分兩步實(shí)現(xiàn)泥質(zhì)含量計(jì)算：① 干酪根校正。綜合地質(zhì)評價需求及地層巖石骨架體積模型，推導(dǎo)獲得干酪根校正后骨架的M、N值為

式中，Mgj、Ngj分別為經(jīng)干酪根校正后骨架的M、N值，小數(shù)；Mt、Nt分別為干酪根理論M、N值，小數(shù)。

② 基于M—N動態(tài)交會計(jì)算地層泥質(zhì)含量。如圖3所示，過蒙脫石、伊利石及高嶺石點(diǎn)擬合得到泥巖線表述方程N(yùn)=- 0 . 1 95M+0. 5 08；過蒙脫石及高嶺石點(diǎn)分別作數(shù)據(jù)體的切線，兩切線交點(diǎn)的位置即為砂巖點(diǎn)位置Q；過砂巖點(diǎn)Q及地層采樣點(diǎn)S繪制直線g（M、N）與泥巖線相交，交點(diǎn)位置即是采樣點(diǎn)泥質(zhì)骨架在M—N交會圖中的位置；設(shè)泥質(zhì)骨架點(diǎn)與采樣點(diǎn)、砂巖點(diǎn)間的距離分別為L1、L2，即可獲得泥質(zhì)含量計(jì)算公式為

圖3 基于M — N三角交會的泥質(zhì)含量計(jì)算方法評價示意圖

忽略黃鐵礦、方解石等非主要礦物的影響，砂質(zhì)含量計(jì)算公式為

3 應(yīng)用效果分析

研究成果在鄂爾多斯盆地延長組長7地層頁巖油測井解釋中全面推廣應(yīng)用。圖4為寧Abc井長73地層綜合解釋成果圖，圖5為近年完鉆的一口探井蔡Ab井綜合解釋成果圖。

圖4 寧Abc井長73地層綜合解釋成果圖

圖5 蔡Ab井長73地層綜合解釋成果圖

圖4中1 730 ～1 740 m層段自然伽馬為高值，由于前期認(rèn)識不足，測井解釋未能識別出有效儲層。該段氣測全烴顯示異常，錄井見油跡顯示，在1 735 ～1 738 m井段進(jìn)行壓裂測試，日產(chǎn)純油24.23 t。采用基于M—N動態(tài)交會的巖性組分定量計(jì)算方法對該井進(jìn)行重新處理，識別出53 ～56號儲層，其中55號儲層聲波時差為250.0 μs/m，密度為2.47 g/cm3，計(jì)算的泥質(zhì)含量為21.90%，孔隙度為12.58%，滲透率為1.35×10-3μm2，綜合解釋為油層，與試油結(jié)果一致。

圖5中長73地層1 882 ～1 910 m層段自然電位失真，自然伽馬中高值，常用測井方法劃分儲層困難，采用基于M—N動態(tài)交會的巖性組分定量計(jì)算方法對該層段進(jìn)行精細(xì)處理，識別出64 ～69號儲層，巖性剖面與取心及成像測井資料吻合。64號儲層計(jì)算的泥質(zhì)含量為11.35%，孔隙度為10.32%，解釋為油層。66、67、69號層識別為差油層，解釋結(jié)論得到試油資料證實(shí)。在1 882 ～1 906 m層段進(jìn)行壓裂測試，日產(chǎn)純油33.32 t。應(yīng)用該方法重新處理3 000余口老井，拓展砂體分布范圍達(dá)4 000 m3；同時，處理近300口新井，其中16口井試油壓裂，14口井獲得工業(yè)油流，取得良好應(yīng)用效果，改變了以往因巖性組分認(rèn)識不清導(dǎo)致油層漏解釋的局面?；诔Ｒ?guī)測井曲線的巖性組分定量計(jì)算方法為頁巖油老井重新認(rèn)識及新井降本增效提供了技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

（1）該文以ΔlogR法為基礎(chǔ)進(jìn)行延展，用聲—電面積替代固定的聲波、電阻率基線，考慮了巖性及孔隙度對測井響應(yīng)的影響，總有機(jī)碳含量計(jì)算精度顯著提高。

（2）針對高伽馬地層巖性表征難題，創(chuàng)新形成基于M—N三角交會的泥質(zhì)含量計(jì)算方法，該方法能夠逐點(diǎn)計(jì)算地層砂、泥巖骨架M、N值，既消除了干酪根的影響，也自帶曲線標(biāo)準(zhǔn)化屬性，實(shí)現(xiàn)了頁巖地層泥質(zhì)含量的準(zhǔn)確求取。

（3）巖性組分定量計(jì)算與儲層識別是長73高伽馬頁巖油測井評價的關(guān)鍵，該文以常規(guī)測井為基礎(chǔ)，提供了一種頁巖油地層巖性組分定量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。