劉亞洲,剛文哲,陳果,田成博

(中國石油大學(北京)地球科學學院, 北京 昌平 102249)

0 引 言

就泥頁巖來說,甜點區(qū)塊往往有其特定的地球化學、地球物理和巖石力學參數(shù)?？紤]到有機質(zhì)對泥頁巖儲層特征的影響[1-2],許多學者提出了利用TOC含量來估算地層的孔隙度、含水飽和度和天然氣含量[3-5]。準確地獲取有機質(zhì)豐度可以通過實驗室對樣品的分析化驗得到,但由于鉆井取心井段較少,取樣存在隨機性,難以對取心井段和未知井段有機質(zhì)豐度進行全貌的評估。因此,基于上述的局限性,實驗室分析結(jié)果往往難以大規(guī)模應用到遠景區(qū)塊的勘探和開發(fā)階段。

關于有機質(zhì)豐度的預測,目前國內(nèi)外學者主要利用測井曲線和實測TOC數(shù)據(jù)點的擬合對未知井段進行預測。Fertl等[6]提出利用自然伽馬能譜測井與實測TOC進行線性回歸分析的方法。Passey等[7]提出了利用孔隙度曲線(聲波、密度和中子)和電阻率曲線的疊合建立的ΔlogR模型對有機質(zhì)豐度進行預測,該方法最為經(jīng)典并且一直沿用至今。Mohammad等[8-9]提出利用ΔlogR和人工神經(jīng)網(wǎng)絡對TOC進行預測。一些學者提出不同模型的改進方法提高TOC預測的精度[10-12]。其中,ΔlogR方法最為成熟,但同時也存在一些缺點。該方法的前提是烴源巖的巖性基本保持不變,孔隙度曲線和電阻率曲線重疊部分作為非烴源巖層段,其重疊層段的聲波時差和相應電阻率作為基線數(shù)值,該基線值人為主觀性很大,同時所謂的“非烴源巖層段”含有一定量的有機質(zhì)即背景值。烴源巖中存在很強的非均質(zhì)性,其不同礦物組成導致其巖石骨架差別很大,致使孔隙度曲線和電阻率曲線疊合形成的基線變化很大[13-15],有時在研究層段孔隙度曲線和電阻率曲線可能出現(xiàn)不能很好重合的現(xiàn)象。不同孔隙度曲線和電阻率曲線的關系系數(shù)能否用于研究區(qū)有待檢驗。這些種種因素導致了對未知井段預測的準確度降低。

筆者以前人有關ΔlogR理論研究為基礎,對ΔlogR理論的由來進行推導并在此基礎上做了一定程度的改進,建立了新的ΔlogR求取公式,同時利用MATLAB數(shù)學軟件計算進一步精細化即實現(xiàn)不同實測點斜率動態(tài)化和點到曲線最小距離的動態(tài)化。選取鄂爾多斯盆地鹽池-定邊地區(qū)長7油層組泥頁巖等復雜巖性為研究對象,研究區(qū)長7時期三疊系延長組長6和長8油氣資源量十分巨大[16],但遠離湖盆中心,主要發(fā)育三角洲相,烴源巖研究還處于滯后的狀態(tài)。建立各個小層有機質(zhì)豐度預測計算公式,并將計算結(jié)果與分析化驗結(jié)果進行對比,驗證改進方法的有效性并進行誤差分析,以期為該研究區(qū)的烴源巖的有機質(zhì)豐度評價提供一種方法。

1 Δlog R模型簡述

ΔlogR模型是根據(jù)電阻率曲線和孔隙度曲線計算烴源巖有機質(zhì)含量的一種方法?？紫抖惹€采用算數(shù)坐標,電阻率曲線采用對數(shù)坐標,再將這2條曲線按照相反方向疊合。2條曲線重疊部分對應的值為基線,2條曲線之間的距離作為ΔlogR。一般選用聲波時差曲線表征孔隙度更為準確。在成熟的烴源巖層段中,由于其中有機質(zhì)和成熟油氣的存在會使聲波時差曲線變大、電阻率曲線增大形成2條曲線分離(見圖1)。在未成熟烴源巖層段中,沒有成熟油氣的生成致使電阻率曲線幾乎沒有變化,只有由于巖石骨架中有機質(zhì)造成的聲波時差異常。該幅度差主要受到烴源巖中的有機質(zhì)和油氣的影響,Passey等經(jīng)過統(tǒng)計和分析之后建立了TOC和ΔlogR、成熟度之間的關系,即

(1)

(2)

(3)

TOC=ΔlogR×10(2.297-0.1688LOM)

(4)

式中,R為處理層段的電阻率,Ω·m;RB為基線層段所對應的電阻率,Ω·m;φN、ρ、Δt分別為烴源巖的中子孔隙度、密度,g/cm3、聲波時差,μs/ft[注]非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;φN,B、ρB、ΔtB分別為基線層段的中子孔隙度、密度,g/cm3、聲波時差,μs/ft;LOM為烴源巖的熱變指數(shù),可以通過測得烴源巖的RO和TMAX獲得[17];4.0、2.5、0.02分別為每一個對數(shù)坐標的電阻率與所對應的中子孔隙度(25%)的比值、與所對應的密度(0.4 g/cm3)的比值、與所對應的聲波時差(164 μs/ft或50 μs/ft)的比值;ΔlogR為電阻率曲線和孔隙度曲線疊合的幅度差,無量綱;TOC為烴源巖有機質(zhì)豐度,%。

圖1 Δlog R解釋模型(據(jù)Passey等,1990)

Passey等關于ΔlogR的提出是基于阿爾奇公式的一系列推導變形而來,利用電阻率曲線和聲波時差曲線疊合來研究有機質(zhì)豐度,建立4種不同巖性的電阻率和聲波時差理論關系曲線(見圖2)。將80～140 μs/ft的曲線近似當作直線,該段斜率近似為0.02,以此來建立電阻率和聲波時差的關系,大大簡化的ΔlogR的計算。在實際情況中,烴源巖的聲波時差不一定都介于80～140 μs/ft之間,同時不同巖性所對應斜率還存在差異等原因,致使盲目套用公式的過程中會出現(xiàn)很大的誤差。趙培強等[18-19]使曲線的斜率動態(tài)化取代了原始的近似直線的斜率,同時各個數(shù)據(jù)點原始骨架的動態(tài)化取代原始固定的基線值,使改進的ΔlogR模型更準確地求取2條曲線的幅度差,其公式為

(5)

式中,Rt為烴源巖的電阻率,Ω·m;Δtm為非烴源巖層段的聲波時差,μs/ft;Δt為烴源巖的聲波時差,μs/ft;RQ、ΔtQ分別烴源巖實測數(shù)據(jù)點在理論基線曲線各自切點所對應的電阻率,Ω·m;聲波時差,μs/ft;m為膠結(jié)系數(shù),隨著巖石膠結(jié)程度不同而變化,一般為2左右,無量綱;ΔlogR為電阻率曲線和孔隙度曲線疊合的幅度差,無量綱。

前人改進后的ΔlogR模型求取有機質(zhì)豐度較原始的模型得到不同程度的改進,但代入阿爾奇公式的孔隙度通常是根據(jù)不含泥質(zhì)的體積物理模型而求得,這往往使得求得的孔隙度存在很大的誤差,尤其是非純泥巖層段中,致使其使用范圍受到一定的限制。

剛性執(zhí)行。軍隊行政權力清單制度規(guī)范的內(nèi)容，主要是機關部門行使的權力，一旦列入清單，該項權力就必須按照規(guī)定的權限、內(nèi)容和流程行使，任何單位和個人不得隨意增加和削減清單列入的權力。對未列入清單的權力，則是處于該部門職權范圍之外，不得越權行使。一旦違規(guī)用權，必須嚴肅追究責任，承擔相應后果。

2 改進的Δlog R模型

按照Passey提出的ΔlogR理論,利用阿爾奇公式建立孔隙度和電阻率關系式

(6)

式中,Sw為含水飽和度;Rw為地層水電阻率,Ω·m;φ為地層孔隙度;Rt為地層電阻率,Ω·m;m為膠結(jié)指數(shù);n為飽和度指數(shù);a、b為巖性系數(shù)。

圖2 不同巖性的聲波時差和電阻率的理論關系(據(jù)Passey等,1990年修改)

假設地層飽含水,即Sw=100%,a=b=1,R0為地層飽含水時的地層電阻率,Ω·m。阿爾奇公式可以簡化為

(7)

式(7)中孔隙度通常利用Wylie等[20]提出的時間平均公式(即體積物理模型)來對巖石孔隙度進行估計?？紤]到泥質(zhì)含量對聲波時差的影響,該公式得到一定程度的修訂

Δt=ΔtshVsh+Δtfφ+Δtm(1-Vsh-φ)

(8)

式中,Δt為實測的聲波時差,μs/ft;Δtsh為泥質(zhì)的聲波時差,μs/ft;Vsh為泥質(zhì)含量,無量綱;Δtf為孔隙流體的聲波時差,μs/ft;φ為地層孔隙度,無量綱;Δtm為巖石骨架聲波時差,μs/ft。

由式(8)可以看出孔隙度φ與實測聲波時差和泥質(zhì)含量都有函數(shù)關系,為了使孔隙度φ的模型簡化,建立孔隙度φ和聲波時差的交會圖,擬合成一次函數(shù)曲線,其近似簡化模型表達式為

φ=c×Δt+d

(9)

將式(9)代入式(7)可以得到

(10)

(11)

對式(11)兩邊同時對Δt求導,可以得到理論基線上不同點的斜率

(12)

圖3 改進Δlog R模型示意圖

圖4 各層段理論基線和實測TOC數(shù)據(jù)點的偏離情況圖

理論基線是由地層飽含水,貧有機質(zhì)巖石建立而來。當貧有機質(zhì)巖石隨著埋藏深度的增加,在覆壓作用下巖石發(fā)生水分排出,致使其電阻率逐漸增大和聲波時差逐漸減小的一個過程(見圖3)。當巖石中存在有機質(zhì)和油氣時,會使該深度對應的聲波時差和電阻率增加,致使其實測點(A點)就會偏離理論基線。偏離的幅度差反映出巖石中有機質(zhì)和油氣含量的高低?？紤]到有機質(zhì)和油氣對于聲波時差和電阻率的影響,在某一深度的巖石(A點)對應深度的原始貧有機質(zhì)巖石可能存在BC這個范圍的任意一個點。為了使模型簡化,選取A點到理論基線的最短距離近似作為實測數(shù)據(jù)點偏離理論基線的距離,其交點A′點就是A點對應深度的原始貧有機質(zhì)的巖石所對應的聲波時差和電阻率。在此理論的基礎上,并結(jié)合理論基線上不同點的斜率等式(12),對原始的ΔlogR模型進行了一定程度的改進

(13)

式中,Rt為實測的電阻率,Ω·m;Δt為實測的聲波時差,μs/ft;RQ、ΔtQ分別為實測數(shù)據(jù)點在理論基線上對應的各自切點的電阻率,Ω·m、聲波時差,μs/ft;m為膠結(jié)系數(shù),隨著巖石膠結(jié)程度不同而變化,一般為2左右,無量綱;a,b為常數(shù),無量綱;ΔlogR為電阻率曲線和孔隙度曲線疊合的幅度差,無量綱。

式(13)為改進的ΔlogR模型,考慮了泥質(zhì)含量的影響,對建立的孔隙度模型得到一定程度的改進,適用范圍得到一定程度的擴大。與傳統(tǒng)的ΔlogR模型相比,該模型避免了選取基線值主觀性的影響和不同區(qū)域使用固定的電阻率和聲波時差疊合系數(shù)即0.02,改進的模型使不同點對應的疊合系數(shù)實現(xiàn)動態(tài)化,求取的幅度差更為準確。

3 實例分析

三疊系延長組長7油層組是鄂爾多斯盆地中生界的主力烴源巖[21]?！辆挥诩г吹貐^(qū),根據(jù)錄井資料顯示,目的層位主要由碳質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖構成,同時發(fā)育大量的黏土礦物和黃鐵礦。長7油層組根據(jù)沉積旋回和含油氣性的差異分為71、72和73小層,縱向上73到71的巖性變化情況反映出湖退砂進的一個過程[22]。筆者選用原始的ΔlogR和改進的ΔlogR預測的TOC對×井的長7油層組進行評價。

考慮到×井長7油層組沉積背景的差異,結(jié)合表征巖性的測井曲線按小層建立不同的理論基線。首先選取泥質(zhì)含量和聲波時差建立各個小層的孔隙度變化曲線,再用孔隙度和聲波時差作交會圖建立各層的一次函數(shù)關系式。×井長7油層組共進行分析測試了45數(shù)據(jù)點。為了達到預測和檢驗的目的,從長71選取9個數(shù)據(jù)點、長72選取11個數(shù)據(jù)點、長73選取9個數(shù)據(jù)點建立改進ΔlogR與TOC之間的理論關系。圖4顯示了各個小層帶有實測TOC的數(shù)據(jù)點偏離理論基線的關系圖。從圖4可見,各個小層受到沉積環(huán)境的影響造成巖石骨架的差異,致使各個小層的理論基線存在很大差異。在進行TOC擬合時,需要同時考慮ΔlogR和熱演化程度,但在此各小層的熱演化程度近似致使其熱變指數(shù)幾乎相等,則TOC含量主要與ΔlogR有關。

基于上述的計算原理,利用×井有限的數(shù)據(jù)資料對2種不同的方法預測TOC和實測TOC進行比較(見圖5和表1)。從表1可以看出,改進的ΔlogR模型計算出的w為7.61%～2.17%,與樣品實測TOC(7.72%～1.98%)具有相似性,平均值為4.82%,與樣品實測TOC的平均值4.81%最為接近。原始ΔlogR法計算得出的TOC為8.17%～2.82%,平均值為4.68%,與樣品實測TOC差異較大。從圖5可見,在高泥質(zhì)含量層段2種方法預測TOC和實測TOC都能很好吻合,而在低泥質(zhì)含量含量層段原始的ΔlogR預測的TOC通常比實測TOC偏高,改進的ΔlogR預測的TOC和實測TOC吻合度更好。從這2種方法預測的TOC變化曲線上反映出了烴源巖存在很強的非均質(zhì)性,有機質(zhì)含量變化很大,其中長73為目的層段中有機質(zhì)最為富集的層段。從長73到71有機質(zhì)含量的減少,也反映出了湖盆的消亡、湖退砂進的一個過程。這2種預測TOC模型盡管都能大致反映TOC的變化趨勢,但都存在一定誤差。原因:①利用聲波時差來建立泥巖的孔隙度變化往往存在很大誤差,熱演化程度對有機孔影響很大;②泥質(zhì)含量越高,其中的高黏土礦物會使電導率增加[23-24],造成理論基線又會發(fā)生變化;③烴源巖的相變引起礦物非均質(zhì)性變化。此外,樣品深度和測井深度、測井資料好壞和取樣點的隨機性等因素都將會影響計算的精度。

圖5 鄂爾多斯盆地×井延長組長7烴源巖實測和預測TOC值對比圖

表1 鹽池定邊地區(qū)長7油層組×井TOC計算結(jié)果 與誤差分析

注:(最小值-最大值)/平均值

總的來說,通過改進ΔlogR模型預測的TOC精度更高,特別是在非純泥巖層段。在進行非純泥巖(粉砂質(zhì)泥巖,泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r等)烴源巖評價過程中,可以考慮使用改進的ΔlogR模型來對烴源巖進行有機質(zhì)豐度進行預測。

4 結(jié) 論

(1)通過對ΔlogR數(shù)學公式推導,并對體積物理模型進行改進,即ΔlogR基線的模型化和不同實測點的斜率動態(tài)化來取代原來的近似直線的算法,得出改進的ΔlogR計算公式。該模型避免了選取基線值主觀性的影響和不同區(qū)域使用固定的電阻率和聲波時差疊合系數(shù)即0.02的影響,改進的模型使不同點對應的疊合系數(shù)實現(xiàn)動態(tài)化,求取的幅度差更為準確。

(2)在單井TOC計算中,改進的ΔlogR模型計算得出的TOC值與樣品實測TOC值符合程度較好。單井縱向上表現(xiàn)出長7油層組有機質(zhì)豐度非均質(zhì)性很強,具有向上變小的趨勢。

(3)改進ΔlogR模型與原始的ΔlogR模型相比較,改進ΔlogR模型較原始模型計算誤差最小,適用范圍得到一定程度擴大,可在鹽池-定邊地區(qū)推廣應用。