基于測錄井資料的泥頁巖含油性與可壓裂性評價

包博婷,張晉言,王志勇,劉振林,齊國華,范中專

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島266558; 2.中石化經(jīng)緯有限公司, 山東 東營 257015;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司質(zhì)量安全監(jiān)督中心,陜西西安,710000)

0 引 言

頁巖油勘探開發(fā)需預(yù)測甜點(diǎn),而甜點(diǎn)預(yù)測的基礎(chǔ)是頁巖油的含油性與可壓裂性評價。因此,如何定量評價頁巖的含油性與可壓裂性成為頁巖油勘探的焦點(diǎn)問題。

頁巖儲層含油性可用含油飽和度進(jìn)行表征,目前沾化凹陷地區(qū)的含油飽和度主要是通過巖電實(shí)驗(yàn)和測井資料計(jì)算得到,王敏等[1]采用阿爾奇公式評價了靶區(qū)的含水飽和度,但利用阿爾奇公式計(jì)算含水飽和度時,電性受黏土礦物含量、黃鐵礦含量以及總有機(jī)碳含量(TOC)等因素影響產(chǎn)生變化,導(dǎo)致計(jì)算的含水飽和度不準(zhǔn)確;張晉言等[2]基于中子、密度測井確定頁巖油的含水飽和度,該方法需準(zhǔn)確計(jì)算中子、密度骨架值,使頁巖油含水飽和度評價難度增大。儲層的含油豐度可以用地化熱解分析得到的含烴量定量反映,所以,在缺少特殊取心條件下可采用地化熱解數(shù)據(jù)求取含油飽和度。但將前人根據(jù)地化熱解實(shí)驗(yàn)建立的含油飽和度模型應(yīng)用于沾化凹陷區(qū)塊時發(fā)現(xiàn):根據(jù)鉆井取心的地化熱解參數(shù)計(jì)算的含油飽和度與鉆井取心得到的含油飽和度存在明顯差異,即前人根據(jù)地化熱解實(shí)驗(yàn)建立的含油飽和度模型不適用于沾化凹陷區(qū)塊的含油飽和度評價。

可壓裂性是指頁巖在水力壓裂中能夠被有效壓裂的性質(zhì)[3]。隋麗麗等[4]針對勝利油田不同埋深的頁巖物理力學(xué)參數(shù)取值差異進(jìn)行縱向比較分析,利用脆性系數(shù)、脆性礦物含量、黏性礦物含量、黏聚力評價頁巖儲層可壓裂性;牛強(qiáng)等[5]利用X射線元素錄井技術(shù)建立了勝利油田泥頁巖脆性評價的四級標(biāo)準(zhǔn);張新華等[6]利用X熒光元素錄井建立基于礦物組成的頁巖脆性評價方法。前人在評價脆性指數(shù)時提出脆性礦物含量越高,巖石脆性越高,但未考慮硅質(zhì)的來源。研究表明,生物成因的硅質(zhì)含量越高,巖石的脆性越高[7]。目前生物成因硅的獲取方法主要有X射線衍射法、紅外光譜法、化學(xué)提取法、微化石計(jì)數(shù)法與元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法,但這些方法對靶區(qū)礦物組分含量要求較高[8],沾化凹陷區(qū)塊礦物組分含量不滿足上述方法的使用條件。由此,前人采用元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法計(jì)算生物硅含量,而該方法假定的地殼硅鋁元素比值為3∶1,但靶區(qū)硅鋁元素比值變化較大,導(dǎo)致靶區(qū)生物硅含量評價不準(zhǔn)確。

為解決靶區(qū)的含油飽和度與可壓裂性評價計(jì)算精度問題,本文在前人建立的熱解分析計(jì)算含油飽和度基礎(chǔ)上,將巖心含油飽和度與熱解分析含油飽和度比值作為校正系數(shù),建立校正系數(shù)與影響系數(shù)(熱解總烴含量與有效孔隙度比值)回歸模型,計(jì)算校正系數(shù)。在原含油飽和度模型中引入校正系數(shù),建立新的含油飽和度計(jì)算模型。在前人建立的元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法基礎(chǔ)上,基于X衍射錄井測量得到硅、鋁、鈦元素含量,結(jié)合巖心薄片分析結(jié)果,對硅質(zhì)進(jìn)行識別并計(jì)算生物成因硅含量,建立新的脆性指數(shù)計(jì)算方法,進(jìn)一步分析頁巖儲層可壓裂性影響因素,從而建立新的可壓裂性指數(shù)計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)對頁巖儲層的可壓裂性定量評價。

1 地化熱解評價含油飽和度模型

前人利用地化熱解評價儲層含油飽和度So。

(1)

式中,So為儲層含油飽和度,%;ST為熱解含烴量值,mg/g;ρb為巖石密度,g/cm3,可通過密度測井測量得到;ρo為原油密度,g/cm3,取值0.85 g/cm3;φe為有效孔隙度,%,由測井資料獲得。

為分析利用熱解實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到含油飽和度的適用性,選取目標(biāo)區(qū)塊中巖心資料比較齊全的一口測錄井X井進(jìn)行研究。以往利用熱解評價的含油飽和度與實(shí)測巖心含油飽和度差異明顯。

研究發(fā)現(xiàn),巖心含油飽和度隨有效孔隙度增大而減小,隨巖石密度增大而增大,隨熱解總含烴量增大而增大。由于巖石密度變化范圍小,對地化熱解評價含油飽和度的影響較小,而熱解總含烴量與有效孔隙度變化范圍大,對地化熱解評價含油飽和度影響較大。由此,將巖心含油飽和度與地化熱解評價含油飽和度的比值作為校正系數(shù)b(b>0),將熱解含烴量與有效孔隙度比值作為影響系數(shù)Z。

b=So c/So

(2)

Z=ST/φe

(3)

式中,So c為巖心含油飽和度,%。

巖心實(shí)驗(yàn)成本高,耗時長,在缺乏巖心含油飽和度數(shù)據(jù)時,無法計(jì)算校正系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),校正系數(shù)與影響系數(shù)存在較高的相關(guān)性,由此,可建立這2個系數(shù)的回歸模型,實(shí)現(xiàn)校正系數(shù)的計(jì)算[見式(4)]。在原熱解評價含油飽和度基礎(chǔ)上引入校正系數(shù),得到校正后的含油飽和度評價模型[見式(5)]。

b=16.917Z-0.833(R2=0.94)

(4)

(5)

從圖1中可以看出,校正后的含油飽和度結(jié)果與巖心含油飽和度較為一致,平均相對誤差為9.56%。相較于以往利用熱解分析計(jì)算的含油飽和度,考慮校正系數(shù)后的含油飽和度模型精度有了明顯的提升。

為分析校正后含油飽和度模型的適用性,選取靶區(qū)Y井進(jìn)行驗(yàn)證(見圖1)。在Y井2 945～3 055 m井段,灰質(zhì)含量為20%～80%,平均為50%,巖性主要呈深灰色灰質(zhì)泥巖和深灰色砂質(zhì)泥巖,且該區(qū)塊TOC含量為1.5%～8.9%,平均為3.3%,自然伽馬值較低。圖1中第5道為原地化熱解評價含油飽和度方法計(jì)算的含油飽和度與巖心含油飽和度對比道,對比發(fā)現(xiàn)兩者差異較大。從第6道可以看出,校正后計(jì)算含油飽和度與巖心含油飽和度結(jié)果較為一致,驗(yàn)證了校正后含油飽和度模型的適用性。

圖1 Y井改進(jìn)含油飽和度驗(yàn)證效果圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 生物硅計(jì)算模型

2.1 元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法評價生物硅含量

生物硅(BSi)指的是生源無定形硅,也被地質(zhì)學(xué)家稱為生物蛋白石或蛋白石[9]。Bostrom等[10]首先將元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法用于沉積物中生物硅的測定。元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法的原理是用樣品測量到的總硅(Si)含量扣除鋁(Al)含量或其他呈比例的非生物硅元素的含量。元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算生物硅含量的公式為

VBSi=VSiO2-3VAl2O3

(6)

式中,VBSi為生物硅含量,%;VSiO2為樣品測量到的總二氧化硅含量,%;VAl2O3為樣品測量到的鋁元素含量,%。

利用該法計(jì)算生物硅含量的前提是認(rèn)為地殼中硅元素與鋁元素的比值是固定的,為3∶1。但SiO2與Al2O3的比值并不固定,且在以非生物成因硅為主要成分的黏土礦物中,SiO2與Al2O3的比值在2∶1到7∶1之間均有分布,所以利用該法評價生物硅含量時會影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 改進(jìn)生物硅計(jì)算方法

根據(jù)上述分析,不同區(qū)塊的硅鋁元素比值不同,由于高鋁含量可指示陸源碎屑,但非生物硅含量的增加會降低鋁的含量,導(dǎo)致比值背景值計(jì)算不準(zhǔn)確,進(jìn)一步影響生物硅含量計(jì)算的準(zhǔn)確性,而鈦(Ti)一般來自陸源碎屑,比較穩(wěn)定,不易形成可溶化合物[7],更適合計(jì)算生物硅含量。

為了使元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法更加適用于研究區(qū)塊,本文結(jié)合生物硅薄片鑒定實(shí)驗(yàn)與錄井資料,對X衍射錄井測量的硅、鈦元素含量比值與硅、鋁元素含量比值取平均值,分別將其比值的平均值作為研究區(qū)塊比值背景值Bv與Bu。

(7)

(8)

式中,Bv為研究區(qū)塊硅、鈦元素含量比值背景值;Bu為研究區(qū)塊硅、鋁元素含量比值背景值;VSi為錄井測得的硅元素含量,%;VTi為錄井測得的鈦元素含量,%;VAl為錄井測得的鋁元素含量,%;n為采樣點(diǎn)數(shù)量。

若硅、鈦元素含量比值小于比值背景值Bv,說明該點(diǎn)不存在生物硅,若硅、鈦元素含量比值大于或等于比值背景值Bv,則利用式(9)與式(10)計(jì)算生物硅含量。

VBSi,v=VSi-Bv×VTi

(9)

VBSi,u=VSi-Bu×VAl

(10)

式中,VBSi,v為硅、鈦元素含量比值法計(jì)算的生物硅含量,%;VBSi,u為硅、鋁元素含量比值法計(jì)算的生物硅含量,%。

分別利用改進(jìn)后的硅、鋁元素標(biāo)準(zhǔn)比值法與改進(jìn)后的硅、鈦元素標(biāo)準(zhǔn)比值法計(jì)算了研究區(qū)塊Y井的生物硅含量(見圖2),圖2中第5道顯示的是錄井測量獲取的硅元素、鋁元素及鈦元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù);第6道為通過式(10)計(jì)算的生物硅含量與巖心薄片分析的生物硅對比效果;第7道為通過式(9)計(jì)算的生物硅含量與巖心薄片分析的生物硅對比效果。通過圖2中的第6道與第7道的對比結(jié)果可以看出,基于硅、鈦元素改進(jìn)后的元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法得到的生物硅含量更接近薄片分析的生物硅含量,因此,應(yīng)采用硅、鈦元素改進(jìn)后的元素標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算法對其他區(qū)塊進(jìn)行生物硅含量計(jì)算。

3 生物硅改進(jìn)儲層脆性評價

由于巖石的非均質(zhì)性和巖心不易獲取,實(shí)驗(yàn)室脆性測量難度較大且效率低。目前主要通過巖石彈性參數(shù)、脆性礦物體積分?jǐn)?shù)構(gòu)建脆性指數(shù)評價模型[11]。Wang等[12]提出了石英、白云石、碳酸鹽、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)等5種礦物脆性指數(shù)計(jì)算方法,由于白云石和方解石同屬于碳酸鹽巖類礦物,則Wang等提出的脆性指數(shù)計(jì)算公式為

(11)

式中,B1為礦物體積法計(jì)算的脆性指數(shù);Vq為石英的體積含量,%;VCa為碳酸鹽的體積含量,%;VCl為黏土礦物的體積含量,%;VTOC為有機(jī)質(zhì)的體積含量,%。

Rickman等[13]根據(jù)彈性模量與泊松比提出了量化脆性指數(shù)的方法,其公式為

(12)

圖2 Y井改進(jìn)生物硅計(jì)算模型效果分析圖

式中,B2為Rickman法計(jì)算的脆性指數(shù);E為利用測井資料計(jì)算的動態(tài)彈性模量,GPa;μ為測井資料計(jì)算的動態(tài)泊松比;EMIN、EMAX分別為彈性模量最小值、最大值;μMIN、μMAX分別為泊松比最小值、最大值。

在評價脆性指數(shù)時,Rickman等未考慮礦物組分對脆性指數(shù)的影響,而Wang等未考慮硅質(zhì)來源與彈性參數(shù)對脆性指數(shù)的影響。不同來源和成因的硅質(zhì)對巖石的脆性有重要影響,以往研究認(rèn)為硅含量越高,巖石脆性越好,但新的研究認(rèn)為只有生物硅中硅的相對含量越高時,巖石脆性才越好[7]。

本文利用改進(jìn)后的生物硅計(jì)算模型,計(jì)算了生物成因SiO2含量,如式(13)所示,并結(jié)合礦物組分對應(yīng)的彈性參數(shù),將式(13)代入式(14)、式(15)中,計(jì)算歸一化后的彈性模量與泊松比,利用式(16)計(jì)算改進(jìn)后的脆性指數(shù)。

VBSiO2=2.143VBSi,v

(13)

(14)

(15)

Bt=(EBIR+μBIR)/2

(16)

圖3 脆性指數(shù)與生物硅占比交會圖

式中,VBSiO2為生物成因二氧化硅含量,%;EBIR為歸一化后的彈性模量;Vi為生物成因SiO2、碳酸鹽、黏土礦物與TOC對應(yīng)的體積含量,%;Ei為生物成因SiO2、非生物成因SiO2、碳酸鹽、黏土礦物與TOC對應(yīng)的骨架彈性模量,GPa;μBIR為歸一化后的泊松比;μi為生物成因SiO2、非生物成因SiO2、碳酸鹽、黏土礦物與TOC對應(yīng)的骨架泊松比;Bt為改進(jìn)后的脆性指數(shù)。

對比利用礦物組分體積法計(jì)算的脆性指數(shù)與考慮生物硅時計(jì)算的脆性指數(shù)(見圖3),可以看出利用礦物組分體積法計(jì)算的脆性指數(shù)變化不大,且由于未考慮生物硅含量的影響,礦物組分體積法計(jì)算的脆性指數(shù)不隨生物硅變化而變化。當(dāng)生物硅的含量較高時,考慮生物硅計(jì)算的脆性指數(shù)明顯高于原方法,證明生物硅對脆性指數(shù)的重要性。

4 儲層可壓裂性評價

4.1 頁巖儲層可壓裂性影響因素

頁巖儲層基質(zhì)孔隙小,微裂縫寬度窄,水力壓裂是改善儲層裂縫系統(tǒng)、增加滲流通道最有效的方法之一[4]。影響頁巖儲層可壓裂性的主要因素有巖石脆性、斷裂韌性、單軸抗壓強(qiáng)度、水平應(yīng)力差異與成巖作用等,本文主要分析巖石脆性、斷裂韌性與單軸抗壓強(qiáng)度對儲層可壓裂性的影響。

4.1.1巖石脆性

巖石脆性對頁巖儲層可壓裂性評價影響最大,一般用脆性指數(shù)評價巖石的脆性。脆性指數(shù)用來表征巖石發(fā)生破裂前的瞬態(tài)變化快慢或難易程度,可以反映儲層壓裂后形成裂縫的復(fù)雜程度[14]。通常,脆性指數(shù)高的地層比較脆硬,易于形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫,對壓裂作業(yè)反應(yīng)敏感;反之,脆性指數(shù)低的地層更容易形成簡單的雙翼型裂縫[15]。由此可見,評價儲層可壓裂性時,巖石脆性指數(shù)是必不可少的參數(shù)。

4.1.2斷裂韌性

斷裂韌性反映壓裂過程中裂縫形成之后維持向前延伸的能力。研究表明,斷裂韌性值越小,裂縫越容易延伸,越有利于水力壓裂[16]。在頁巖儲層壓裂過程中形成的裂縫最常見的為Ⅰ型(張開型)與Ⅱ型(錯開型),Ⅰ型與Ⅱ型斷裂韌性可由金衍等[17]和陳治喜等[18]的研究計(jì)算。

4.1.3單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石在單向受壓條件下巖石發(fā)生破壞時的極限應(yīng)力值。當(dāng)裂縫張開時會對垂直于主應(yīng)力裂縫方向上的巖石產(chǎn)生擠壓作用,使巖石處于壓應(yīng)力狀態(tài)下,當(dāng)壓應(yīng)力大于巖石極限壓應(yīng)力值時,會導(dǎo)致巖石發(fā)生剪切破壞產(chǎn)生裂縫?？箟簭?qiáng)度越小越容易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)[19],所以抗壓強(qiáng)度是巖石可壓裂性的負(fù)向指示因子。目前通常采用Deere等[20]建立的Coates Denoo經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

4.2 生物硅改進(jìn)儲層可壓裂性評價

分析巖石脆性、斷裂韌性與單軸抗壓強(qiáng)度對頁巖儲層可壓裂性的影響,計(jì)算生物硅改進(jìn)后的脆性指數(shù)、斷裂韌性與單軸抗壓強(qiáng)度,最后采用多系數(shù)法評價儲層可壓裂性。由于各指標(biāo)間單位和量綱不同,需要對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。通過分析可知,脆性指數(shù)是巖石可壓裂性的正向指示因子,斷裂韌性與單軸抗壓強(qiáng)度是巖石可壓裂性的負(fù)向指示因子,所以對脆性指數(shù)進(jìn)行正向歸一化,對斷裂韌性與單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行反向歸一化。

(17)

(18)

式中,N為正向指示因子參數(shù)的歸一化值;X為正向指示因子參數(shù)值;Xmax、Xmin分別為正向指示因子參數(shù)的最大值、最小值;M為負(fù)向指示因子參數(shù)的歸一化值;W為負(fù)向指示因子參數(shù)值;Wmax、Wmin分別為負(fù)向指示因子參數(shù)的最大值、最小值。

圖4 Y井可壓裂性評價效果圖

不同影響因素對可壓裂性的影響不同,為了確定各個影響因素對可壓裂性的影響程度,采用層次分析法求取了不同影響因素的權(quán)重,從而得到儲層可壓裂性指數(shù)FIt的計(jì)算模型。

0.1228SCn

(19)

式中,FIt為基于改進(jìn)后的脆性指數(shù)計(jì)算的可壓裂性指數(shù);Btn為歸一化后的脆性指數(shù);KICn、KIICn為歸一化后的Ⅰ型斷裂韌性、Ⅱ型斷裂韌性;SCn為歸一化后的單軸抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)可壓性評價指數(shù)將頁巖可壓裂性分為3個級別:FIt>0.7,可壓裂性好;FIt為0.6～0.7,可壓裂性較好;FIt<0.6,可壓裂性差。

分別采用改進(jìn)前與改進(jìn)后的脆性指數(shù)代入式(19)對Y井進(jìn)行可壓裂性評價(見圖4)。圖4中第9道為基于改進(jìn)前的脆性指數(shù)計(jì)算的可壓裂性指數(shù)FIo,FIo為0.12～0.78,平均為0.48;圖4中第10道為基于生物硅改進(jìn)后的脆性指數(shù)計(jì)算的可壓裂性指數(shù)FIt,FIt為0.28～0.98,平均為0.68,可壓裂性較好。

儲層可壓裂性指數(shù)與生物硅含量存在正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)生物硅含量最高時,可壓裂性指數(shù)達(dá)到最大值;當(dāng)生物硅的含量較低時,硅質(zhì)來源對可壓裂性指數(shù)并不敏感;當(dāng)生物硅含量較高時,由于生物硅礦物與非生物硅礦物的物理性質(zhì)差異,導(dǎo)致不考慮生物硅含量評價的可壓裂性指數(shù)與考慮生物硅含量評價的可壓裂性指數(shù)差值高于0.2。由此可見,當(dāng)生物硅含量較高時,生物硅有利于儲層的可壓裂性。

結(jié)合Y井所獲得的分段壓裂產(chǎn)能跟蹤資料,對Y井可壓裂指數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析和驗(yàn)證。根據(jù)Y井分段壓裂產(chǎn)油資料及該井?dāng)?shù)據(jù)分析結(jié)果(見表1)可知,產(chǎn)油率最高的層段為第1、3段,該層段生物硅含量較高、改進(jìn)后可壓裂性指數(shù)大于0.7,第1段TOC含量相對于第3段較低,但其產(chǎn)油率與可壓裂性指數(shù)高,分析是該段生物硅含量高,改變了該層段的可壓裂性;第2、4段產(chǎn)油率僅次于第1、3段,第2段TOC含量低于第4段,但其產(chǎn)油率高于第4段,分析由于第2段生物硅含量高于第4段,生物硅改變了第2段的可壓裂性;第5、6段產(chǎn)油率較低,該段改進(jìn)后可壓裂性指數(shù)小于0.6,第5、6段盡管TOC含量高于其他層段,但其生物硅含量小于其他層段,分析生物硅對可壓裂性的影響大于TOC對可壓裂性的影響。

表1 Y井分段壓裂產(chǎn)能跟蹤與解釋成果

根據(jù)可壓裂性評價等級可知,第1、2、3、4段改進(jìn)前可壓裂性指數(shù)小于0.6,可壓裂性差,不建議壓裂投產(chǎn);第1、3段改進(jìn)后可壓裂性指數(shù)大于0.7,可壓裂性好;第2、4段改進(jìn)后可壓裂性指數(shù)為0.6～0.7,可壓裂性較好,可以獲得較好的產(chǎn)能,與實(shí)際生產(chǎn)一致。證明改進(jìn)后可壓裂指數(shù)計(jì)算方法在研究區(qū)塊有較好的適用性。

5 結(jié) 論

(1)直接利用地化熱解分析計(jì)算的含油飽和度與巖心含油飽和度差異大,在原有地化熱解分析計(jì)算含油飽和度公式基礎(chǔ)上引入校正系數(shù),校正后的含油飽和度計(jì)算結(jié)果與巖心結(jié)果接近,顯著提高了含油飽和度計(jì)算精度,可為精確評價含油飽和度提供依據(jù)。

(2)鈦元素比較穩(wěn)定,不易形成化合物,導(dǎo)致通過硅、鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算的生物硅比硅、鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算的生物硅效果好,且利用硅、鈦元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)評價生物硅含量的效率遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn),可作為生物硅含量評價的新方法。

(3)評價頁巖儲層脆性與可壓裂性時需要考慮硅質(zhì)的來源,生物成因硅含量相對總硅含量較高時,巖石脆性與可壓裂性才會更好。本文建立了考慮生物硅影響的脆性指數(shù),利用考慮生物硅影響的脆性指數(shù)計(jì)算的可壓裂性指數(shù)相較未考慮生物硅影響的可壓裂性指數(shù)得到了顯著的改進(jìn),為頁巖儲層的高效壓裂開發(fā)提供了決策依據(jù)。