頁(yè)巖油烴源巖地化參數(shù)測(cè)井評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

周妍,王長(zhǎng)勝,林偉川,王艷梅,羅少成,張宇昆

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安710077; 2. 中國(guó)石油天然氣有限公司測(cè)井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710077; 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安710018;4.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司科技處,陜西西安710077)

0 引 言

對(duì)于頁(yè)巖油儲(chǔ)層評(píng)價(jià),烴源巖品質(zhì)評(píng)價(jià)是頁(yè)巖油“四品質(zhì)”評(píng)價(jià)中不可缺少的一部分,對(duì)頁(yè)巖油油氣勘探影響重大[1-2]。用于表征烴源巖品質(zhì)的地化參數(shù)一般通過對(duì)取心樣品的實(shí)驗(yàn)分析獲得,但是由于頁(yè)巖巖性的特殊性常常遇到巖心破損、間斷等諸多問題,導(dǎo)致樣品數(shù)量較少、區(qū)域覆蓋程度低、無法滿足實(shí)際油氣勘探需求。利用測(cè)井資料準(zhǔn)確性高、連續(xù)性好、分辨率強(qiáng)等特點(diǎn),與烴源巖定量化學(xué)指標(biāo)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系和地化參數(shù)計(jì)算模型,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)烴源巖地化參數(shù)縱向上的連續(xù)識(shí)別,從而更精確地評(píng)價(jià)烴源巖品質(zhì),為油氣勘探與開發(fā)提供依據(jù)[3]。目前,通過測(cè)井表征烴源巖品質(zhì)的地化參數(shù)多為有機(jī)碳含量,其他參數(shù)評(píng)價(jià)相對(duì)較少。要實(shí)現(xiàn)烴源巖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià),僅通過計(jì)算有機(jī)碳含量來評(píng)價(jià)是不全面的,生烴潛率等其他地化參數(shù)也是重要的評(píng)價(jià)對(duì)象。因此,構(gòu)建烴源巖綜合評(píng)價(jià)參數(shù),同時(shí)建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),有利于指導(dǎo)后續(xù)“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)。

烴源巖由于富含有機(jī)質(zhì),其物理性質(zhì)與非烴源巖有明顯的不同,在測(cè)井響應(yīng)特征上與非烴源巖也表現(xiàn)出較大的差異。研究表明,烴源巖層段由于富含鈾、釷和鉀等放射性元素,具有放射性異常的特點(diǎn),在測(cè)井響應(yīng)特征上自然伽馬曲線表現(xiàn)為高—特高值;烴源巖層段的巖性主要為泥頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r等,且富含有機(jī)質(zhì),由于有機(jī)質(zhì)具有密度低、不易導(dǎo)電的特點(diǎn),測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為補(bǔ)償密度曲線呈低值、電阻率曲線呈高值的現(xiàn)象;另外,有機(jī)質(zhì)具有低聲速的物理特性,在測(cè)井響應(yīng)特征上聲波時(shí)差曲線多為高值。綜上所述,烴源巖測(cè)井響應(yīng)特征具有“三高一低”的特點(diǎn),即高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、低補(bǔ)償密度[4-5]。

1 烴源巖地化參數(shù)定量表征方法

1.1 有機(jī)碳含量計(jì)算方法

有機(jī)碳含量是表征烴源巖品質(zhì)的重要指標(biāo),是頁(yè)巖油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。評(píng)價(jià)有機(jī)碳含量的方法主要有地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析法和測(cè)井定量評(píng)價(jià)法。地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析法受巖心采樣條件和費(fèi)用的限制,可獲取的烴源巖樣品數(shù)量有限,且取樣不連續(xù),難以滿足烴源巖精細(xì)評(píng)價(jià)的要求;測(cè)井定量評(píng)價(jià)法包括ΔlogR法、多元回歸分析法、鈾曲線計(jì)算法、核磁共振+密度孔隙度差異法、Schmoker模型等,其中ΔlogR法、多元回歸分析法應(yīng)用最廣泛,本次研究在這2種方法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的ΔlogR法、細(xì)分巖性法,用此方法計(jì)算有機(jī)碳含量。

1.1.1電阻率與聲波時(shí)差曲線重疊ΔlogR法

在進(jìn)行有機(jī)碳含量計(jì)算時(shí)一般常用ΔlogR法,其基本原理為利用自然伽馬或自然電位識(shí)別目的層段后,將代表孔隙空間的測(cè)井曲線(如補(bǔ)償密度曲線、總孔隙度曲線、聲波時(shí)差曲線等)與電阻率曲線相疊合。在非儲(chǔ)集層或非烴源巖層段,代表孔隙空間的測(cè)井曲線與電阻率曲線近乎重合;而在儲(chǔ)集層或烴源巖段,這2種曲線則呈現(xiàn)出較明顯的幅度差異[6-7]。該方法具體計(jì)算公式為

ΔlgR=lg(R/R0)+K×(AC-AC0)

(1)

TOC=(ΔlgR)×102.297-0.1688LOM+TOC0

(2)

式中,R為目的層電阻率,Ω·m;R0為非烴源巖層段電阻率,Ω·m;AC為目的層聲波時(shí)差值,μs/m;AC0為非烴源巖層段聲波時(shí)差值,μs/m;K為區(qū)域疊合系數(shù),無量綱;LOM為有機(jī)質(zhì)成熟度指數(shù),無量綱;TOC為烴源巖有機(jī)碳含量,%;TOC0為非烴源巖層段的有機(jī)碳含量,%。

1.1.2改進(jìn)的ΔlogR法

利用ΔlogR法對(duì)TOC進(jìn)行計(jì)算的方法,對(duì)于過于成熟的烴源巖其適應(yīng)性較差,主要由于LOM值的獲取相對(duì)困難,且在成熟度高的烴源巖中黃鐵礦相對(duì)富集,對(duì)電阻率數(shù)據(jù)存在干擾,最終降低了TOC的計(jì)算精度。在原ΔlogR法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),選擇自然伽馬曲線值替代LOM值表征成熟度。同時(shí),由于補(bǔ)償密度曲線對(duì)烴源巖有機(jī)質(zhì)有一定的響應(yīng)特征,因此,選取這2條曲線來對(duì)模型進(jìn)一步改進(jìn),具體計(jì)算公式為

TOC=[a×lg(GR)+b×DEN+c]×ΔlgR+TOC0

(3)

式中,GR為自然伽馬值,API;DEN為補(bǔ)償密度值,g/cm3;a、b、c為擬合系數(shù)。

1.1.3多元回歸分析法

另一種用于有機(jī)碳含量測(cè)井評(píng)價(jià)的方法為多元回歸分析法,該方法多是建立在單因素分析法的基礎(chǔ)上。單因素分析法是建立巖心分析有機(jī)碳含量與單條測(cè)井曲線之間相關(guān)性的模型。由于單因素分析法計(jì)算精度較低,因此,可以建立巖心分析有機(jī)碳含量與多條測(cè)井曲線之間的模型

TOC=a+b×AC+c×DEN+d×GR

(4)

式中,d為擬合系數(shù)。

1.1.4細(xì)分巖性法

研究表明不同巖性的烴源巖,其有機(jī)碳含量也有所差異。因此,當(dāng)研究區(qū)烴源巖巖性不單一時(shí),可通過建立不同巖性的TOC模型來精細(xì)評(píng)價(jià)有機(jī)碳含量,從而提高計(jì)算精度。根據(jù)研究區(qū)烴源巖特征,通過細(xì)分巖性法分別建立聲波時(shí)差、補(bǔ)償密度、自然伽馬曲線的多元回歸TOC模型,得到不同巖性的有機(jī)碳含量計(jì)算模型。

TOCshale=a1+b1×AC+c1×DEN+d1×GR

(5)

TOCmudstone=a2+b2×AC+c2×DEN+d2×GR

(6)

式中,TOCshale為頁(yè)巖的有機(jī)碳含量,%;TOCmudstone為泥巖的有機(jī)碳含量,%;a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2為擬合系數(shù)。

1.2 生烴潛率計(jì)算方法

在反映烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的參數(shù)中,除了有機(jī)碳含量外,生烴潛率也具有較好的表征效果。生烴潛率是指生油巖中的有機(jī)質(zhì)在熱解時(shí)所產(chǎn)生的烴類總和,即巖石中已存在的可溶烴(S1)和巖石中有機(jī)質(zhì)熱解烴(S2)的含量之和。在相同的烴源巖背景下,若有機(jī)質(zhì)類型相同、成熟度相同,則有機(jī)碳含量越高,油氣產(chǎn)量越高。但是僅利用有機(jī)碳含量并不能準(zhǔn)確反映烴源巖的生烴能力,主要因?yàn)闊N源巖中含有不能熱解生烴的碳。因此,生烴潛率可以作為評(píng)價(jià)生油能力的另一個(gè)重要指標(biāo)。研究表明,生烴潛率的主控因素包括烴源巖母質(zhì)類型、分布以及有機(jī)質(zhì)成熟度。在同一研究區(qū)內(nèi),烴源巖母質(zhì)類型一致,有機(jī)質(zhì)成熟度變化也較小,因此,可以利用有機(jī)碳含量作為參數(shù)建立模型連續(xù)表征生烴潛率。

1.3 氯仿瀝青“A”計(jì)算方法

評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的另外一項(xiàng)重要指標(biāo)是氯仿瀝青“A”,它用于表征烴源巖中可溶于氯仿的可溶有機(jī)質(zhì)含量。在頁(yè)巖油評(píng)價(jià)中,如果可溶有機(jī)質(zhì)含量較高,則有機(jī)質(zhì)豐度也較高。在計(jì)算氯仿瀝青“A”指標(biāo)時(shí),除了利用有機(jī)碳含量擬合的方法求取外,還可以通過氯仿瀝青“A”理論值刻度的方法求取[8-9]。

A=a×A0+b

(7)

式中,A0為氯仿瀝青“A”理論值,%;A為巖心分析氯仿瀝青“A”值,%。

2.4 鏡質(zhì)體反射率計(jì)算方法

鏡質(zhì)體反射率主要受地層溫度、壓力的影響,同時(shí)與測(cè)井曲線也有一定的相關(guān)性(鏡質(zhì)體反射率與補(bǔ)償密度、電阻率呈正相關(guān)關(guān)系,與聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系等),這為構(gòu)建鏡質(zhì)體反射率計(jì)算模型奠定了良好的基礎(chǔ)。將同一深度段的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立單因素或者多因素的線性、非線性關(guān)系,即可得到鏡質(zhì)體反射率測(cè)井定量評(píng)價(jià)模型。

RO=a×AC+b×DEN+c×CNL+d×DEP+e

(8)

式中,RO為實(shí)驗(yàn)測(cè)試鏡質(zhì)體反射率,%;CNL為補(bǔ)償中子值,%;DEP為烴源巖埋深,m;e為擬合系數(shù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 研究區(qū)烴源巖特征

本次研究以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)為研究區(qū),鄂爾多斯盆地在晚三疊世以后主要為陸相沉積,其中延長(zhǎng)組以內(nèi)陸湖盆沉積為主,長(zhǎng)10～長(zhǎng)1共10個(gè)油層組記錄整個(gè)湖盆演化的過程[10]。隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73沉積期,湖盆的沉降速度明顯大于沉積速度。由淺湖逐漸發(fā)展成深湖,沉積環(huán)境變得平靜,為高豐度的有機(jī)質(zhì)生成和保存創(chuàng)造了條件,優(yōu)質(zhì)烴源巖也隨著湖盆的擴(kuò)張而發(fā)育[11]。

隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73半深湖-深湖相泥頁(yè)巖呈北西-南東向展布,分布面積約5×104km2,厚度為10～40 m,最厚可達(dá)90 m,具有高有機(jī)質(zhì)豐度的特點(diǎn),是中生界優(yōu)質(zhì)的烴源巖[12]。研究區(qū)烴源巖巖石類型主要為黑色頁(yè)巖和暗色泥巖。黑色頁(yè)巖的生油母質(zhì)類型好,以湖生藻類為主,主要為Ⅰ型和Ⅱ1型,有機(jī)質(zhì)含量高—很高,TOC為6.00%～26.00%,平均值為13.81%,有機(jī)紋層與草莓狀黃鐵礦豐富;氯仿瀝青“A”值為0.41%～1.51%,平均值為0.78%;測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為特高自然伽馬(大于180 API)、高-特高電阻率(大于50 Ω·m)、低巖石密度(小于2.4 g/cm3)。暗色泥巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型,有機(jī)質(zhì)含量較高,TOC為2.00%～6.00%,平均值為3.75%,常見草莓狀黃鐵礦,有機(jī)質(zhì)多以分散狀、團(tuán)塊狀分布;氯仿瀝青“A”值為0.20%～1.17%,平均值為0.65%;測(cè)井響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為高自然伽馬(120～160 API)、高電阻率(40～80 Ω·m)、較低巖石密度(2.4～2.5 g/cm3)。

2.2 烴源巖地化參數(shù)預(yù)測(cè)

2.2.1有機(jī)碳含量預(yù)測(cè)

以X井為例,基于上文提到的有機(jī)碳含量計(jì)算方法,分別建立模型并進(jìn)行優(yōu)選。改進(jìn)的ΔlogR法模型為

TOC=[6.4651lg(GR)-1.2586DEN-

5.2156]ΔlgR+0.869 (R2=0.6941)

(9)

根據(jù)隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73有機(jī)碳測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析得到多元線性回歸計(jì)算模型見式(10)。

TOC=56.44-0.049AC-17.05DEN+

0.037GR(R2=0.7228)

(10)

由于長(zhǎng)73段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要為黑色頁(yè)巖和暗色泥巖,因此,根據(jù)烴源巖特征,利用細(xì)分巖性法分別建立聲波時(shí)差、補(bǔ)償密度、自然伽馬曲線的多元回歸TOC模型(見圖1、圖2)。

圖1 黑色頁(yè)巖TOC模型

圖2 暗色泥巖TOC模型

TOCshale=60.743-0.0533AC+0.0362GR-

17.7268DEN

(11)

TOCmudstone=21.9+0.0154AC+0.0305GR-

10.2729DEN

(12)

通過對(duì)比不同模型的計(jì)算效果得到最佳有機(jī)碳含量定量預(yù)測(cè)模型。如圖3所示,通過誤差分析可知,ΔlogR法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量對(duì)比平均誤差為13.7%,改進(jìn)的ΔlogR法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量對(duì)比平均誤差為11.8%;多元回歸分析法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量對(duì)比平均誤差為8.6%,細(xì)分巖性法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量對(duì)比平均誤差為7.9%。結(jié)果表明,利用細(xì)分巖性法計(jì)算得到的TOC誤差最小,精度最高。

圖3 X井長(zhǎng)73TOC計(jì)算成果圖

2.2.2生烴潛率預(yù)測(cè)

基于隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73巖心數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)生烴潛率與有機(jī)碳含量相關(guān)程度較高,利用有機(jī)碳含量與生烴潛率建立模型

VS1+VS2=2.91TOC+1.2459

(R2=0.8793)

(13)

式中,VS1為巖石中可溶烴的含量,mg/g;VS2為巖石中有機(jī)質(zhì)熱解烴的含量,mg/g。

2.2.3氯仿瀝青“A”預(yù)測(cè)

首先通過理論模型計(jì)算出氯仿瀝青“A”理論值A(chǔ)0,然后基于巖心分析數(shù)據(jù)刻度,得到隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73氯仿瀝青“A”的測(cè)井定量評(píng)價(jià)模型

A=18.172A0+0.137 (R2=0.7166)

(14)

2.2.4鏡質(zhì)體反射率預(yù)測(cè)

以隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73巖心樣品數(shù)據(jù)為例,根據(jù)同一深度段的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立線性或者非線性關(guān)系。研究結(jié)果表明,補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子及烴源巖埋深這4種參數(shù)均與鏡質(zhì)體反射率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上采用多元回歸分析法,建立了研究區(qū)長(zhǎng)73鏡質(zhì)體反射率測(cè)井評(píng)價(jià)模型

RO=0.422-0.00035AC+0.243DEN-

0.0033CNL+0.000122DEP

(R2=0.8598)

(15)

2.3 烴源巖品質(zhì)分類評(píng)價(jià)

利用烴源巖測(cè)井評(píng)價(jià)參數(shù)體系,求取研究區(qū)長(zhǎng)73有機(jī)碳含量、生烴潛率、氯仿瀝青“A”、鏡質(zhì)體反射率,構(gòu)建烴源巖綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P,該指數(shù)可以連續(xù)、快速、直觀地反應(yīng)烴源巖品質(zhì)優(yōu)劣,有效支撐生產(chǎn)。結(jié)合研究區(qū)烴源巖特征,建立了鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73烴源巖分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表1),將烴源巖品質(zhì)劃分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類3個(gè)等級(jí),該標(biāo)準(zhǔn)為后續(xù)“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐。

表1 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73烴源巖分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

P=ln[TOC×(VS1+VS2)×RO×A]

(16)

圖4為X井烴源巖品質(zhì)分類評(píng)價(jià)成果圖,由第7道～第10道可以看出,地化參數(shù)測(cè)井計(jì)算結(jié)果與對(duì)應(yīng)巖心分析數(shù)據(jù)一致性較好,計(jì)算精度較高。由第12道可以看出,X井優(yōu)質(zhì)(Ⅰ類)烴源巖段主要發(fā)育在研究區(qū)長(zhǎng)73中下部2 056～2 060 m、2 062～2 073 m井段;中等(Ⅱ類)烴源巖段2 049～2 050 m、2 055～2 056 m、2 060～2 062 m、2 073～2 079 m井段;差(Ⅲ類)烴源巖段為2 040～2 049 m、2 050～2 055 m、2 079～2 081 m井段。

圖4 X井烴源巖品質(zhì)分類評(píng)價(jià)成果圖

3 結(jié) 論

(1)基于烴源巖測(cè)井響應(yīng)特征建立有機(jī)碳含量、生烴潛率、氯仿瀝青“A”、鏡質(zhì)體反射率這4種地化參數(shù)的多套測(cè)井定量評(píng)價(jià)模型。通過在鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73開展方法應(yīng)用及優(yōu)選,形成針對(duì)研究區(qū)的烴源巖地化參數(shù)測(cè)井定量表征方法,應(yīng)用效果較好。

(2)鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73烴源巖采用細(xì)分巖性法計(jì)算出的有機(jī)碳含量與巖心分析有機(jī)碳含量一致性最好,平均誤差為7.9%,為研究區(qū)烴源巖有機(jī)碳含量最佳預(yù)測(cè)模型。

(3)通過構(gòu)建烴源巖綜合評(píng)價(jià)指數(shù),建立鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)73烴源巖分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),能夠有效利用測(cè)井資料來預(yù)測(cè)單井剖面烴源巖品質(zhì),快速進(jìn)行烴源巖品質(zhì)分類,為后續(xù)“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。