張鵬飛,盧雙舫,李俊乾,薛海濤,李文鏢,張 宇,王思遠,馮文俊

[1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580]

近年來，中國頁巖氣發(fā)展迅速，業(yè)已形成以四川盆地涪陵頁巖氣田為代表的眾多頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)，而頁巖油勘探在南襄盆地泌陽凹陷和渤海灣盆地濟陽坳陷亦有所突破。然而，中國頁巖油藏地質(zhì)條件復(fù)雜，泥頁巖非均質(zhì)性強，發(fā)育于多種沉積相帶[1-2]，導致頁巖油地質(zhì)甜點(包括資源甜點和物性甜點)和工程甜點等分布不均勻，因此優(yōu)選頁巖油有利區(qū)，對頁巖油有效勘探開發(fā)具有重要意義。頁巖油有利區(qū)既是資源甜點區(qū)、物性甜點區(qū)，又是工程甜點區(qū)。國內(nèi)外學者采用不同方法進行頁巖油有利目標區(qū)優(yōu)選，如綜合信息疊合法[2-9]和多層次模糊綜合評判法[10]等。在勘探初期，這些方法行之有效，特別是綜合信息疊合法被廣泛應(yīng)用于頁巖油有利區(qū)優(yōu)選，通過分析影響頁巖油富集成藏地質(zhì)特征的多個參數(shù)，如有機質(zhì)豐度、類型、成熟度、含油量、脆性礦物含量、泥頁巖厚度、埋深等，能夠較好的優(yōu)選出頁巖油勘探開發(fā)遠景區(qū)。然而，由于評價指標眾多，各參數(shù)間相互影響，影響了最終的評價效果。此外，頁巖油資源富集區(qū)不一定是儲層高滲區(qū)或易壓裂區(qū)，頁巖油富集區(qū)往往粘土礦物、有機質(zhì)等含量較高，導致泥頁巖脆性下降，難以有效壓裂，同時高粘土含量導致泥頁巖滲透率性變差[11]。因此，簡單的多信息綜合疊合可能難以精確刻畫頁巖油有利區(qū)分布，尤其是頁巖油縱向有利層系分布。本文針對東營凹陷頁巖油有利目標區(qū)優(yōu)選，建立了一種基于主地質(zhì)參數(shù)[12]的定量化的綜合評價方法。以決定頁巖油資源、物性及工程甜點的主地質(zhì)參數(shù)作為評價指標，構(gòu)建綜合權(quán)重因子，確定頁巖油勘探開發(fā)有利層系分布范圍，從而優(yōu)選出頁巖油勘探開發(fā)有利靶區(qū)。

1 評價方法

1.1 主地質(zhì)參數(shù)優(yōu)選

頁巖油有利靶區(qū)既是頁巖油資源甜點區(qū)、物性甜點區(qū)，又是工程甜點區(qū)。因此，解決頁巖油有利靶區(qū)優(yōu)選問題的關(guān)鍵即為尋找能表征頁巖油資源、物性和工程甜點的主地質(zhì)參數(shù)。制約頁巖油勘探開發(fā)成效的關(guān)鍵不是頁巖中蘊含的石油總量，而是在其中蘊含的多少可動用油量[13-14]。游離態(tài)頁巖油含量，即游離油量為理論最大可動用油量，可直接表征頁巖油的富集程度，是表征資源甜點的主地質(zhì)參數(shù)。滲透率控制著頁巖中油氣的滲流特性，是決定儲層優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。滲透率較好的反映了泥頁巖儲層的滲透性，可作為表征頁巖物性甜點的主地質(zhì)參數(shù)。

制約頁巖油可采性的關(guān)鍵因素之一為頁巖儲層的可壓裂改造性[1]。泥頁巖力學特性控制著壓裂改造過程中裂縫的起裂、擴展、延伸和展布形態(tài)，楊氏模量越高、泊松比越低可壓裂性越好[15]。東營凹陷泥頁巖力學特性測試結(jié)果揭示泊松比分布較為集中，變化較小，集中分布于0.2附近，不同樣品間楊氏模型差異較大，是影響巖石力學特征的主要因素(圖1)。因此，楊氏模量可直接反映東營凹陷泥頁巖可壓裂性，其值越高可壓裂性越好。泥頁巖儲層力學特性(楊氏模量)表征了泥頁巖儲層的可壓裂性，可用來表征工程甜點。因此，游離油量、滲透率和力學特性對頁巖油有利區(qū)具有直接控制作用，其他地質(zhì)參數(shù)則通過影響這些主地質(zhì)參數(shù)而間接的影響頁巖油有利區(qū)。

主地質(zhì)參數(shù)優(yōu)選使得過去復(fù)雜的、多參數(shù)的綜合信息評價體系得以簡化，大大降低了有利靶區(qū)優(yōu)選的工作量。例如，游離油量是有機質(zhì)豐度、類型、成熟度、排烴效率、礦物組成、地質(zhì)構(gòu)造等多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果[16]，根據(jù)實測(或測井預(yù)測)游離油量可直接找出頁巖油資源甜點，無需分析有機質(zhì)豐度、類型等一系列地質(zhì)因素。

1.2 確定主地質(zhì)參數(shù)權(quán)重評價值

主地質(zhì)參數(shù)權(quán)重評價值確定是有利區(qū)優(yōu)選的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而地質(zhì)參數(shù)平面及縱向非均質(zhì)性使得泥頁巖不同部分地質(zhì)參數(shù)值不同，其對應(yīng)的權(quán)重評價值亦不相同。泥頁巖游離油量越高、滲透率越高、可壓裂性(楊氏模量)越好，越有利于頁巖油開采。基于這一認識，根據(jù)研究區(qū)主地質(zhì)參數(shù)分布范圍，將最大值對應(yīng)的評價值設(shè)定為10，并以最大值將主地質(zhì)參數(shù)進行歸一化處理，以此獲得主地質(zhì)參數(shù)權(quán)重評價值。其中游離油量和楊氏模量以最大值進行線性歸一化，為了消除對數(shù)負值，滲透率則采用對數(shù)極差歸一化。

圖1 東營凹陷泥頁巖楊氏模量與泊松比分布Fig.1 Young’s modulus and Poisson’s ratio distributions of shales in the Dongying Sag

(1)

(2)

(3)

式中:U1為游離油量權(quán)重評價值；S1m為泥頁巖游離油量，mg/g；S1m,max為研究區(qū)泥頁巖游離油量最大值，mg/g。U2為滲透率權(quán)重評價值，lgk為泥頁巖滲透率對數(shù)；lgkmax為研究區(qū)泥頁巖滲透率對數(shù)最大值；lgkmin為研究區(qū)泥頁巖滲透率對數(shù)最小值。U3為楊氏模量權(quán)重評價值，E為泥頁巖楊氏模量，GPa；Emax為研究區(qū)泥頁巖儲層楊氏模量最大值，GPa。為了使得每個主地質(zhì)參數(shù)均能夠?qū)τ欣袇^(qū)優(yōu)選具有決定權(quán)，本文定義綜合權(quán)重因子(U)為3個主地質(zhì)參數(shù)權(quán)重評價值乘積：

U=U1U2U3

(4)

2 東營凹陷頁巖油有利區(qū)優(yōu)選

2.1 研究區(qū)概括

東營凹陷位于渤海灣盆地東南部，屬于濟陽坳陷的一個次級構(gòu)造單元，北以陳家莊凸起與沾化凹陷相鄰，西以林樊家、濱縣等凸起與惠民凹陷相接，南鄰魯西隆起區(qū)，面積約為5 850 km2，是在華北地臺太古界和古生界基底上發(fā)育的中、新生代斷陷-坳陷疊合盆地[17]。凹陷北部北東向和近東西向邊界斷裂控制了整個凹陷的沉積與構(gòu)造演化，形成了東營凹陷“北斷南超、北深南淺”的箕狀構(gòu)造格局，凹陷內(nèi)部發(fā)育多個次級洼陷，包括利津、牛莊、博興和民豐洼陷(圖2)。東營凹陷泥頁巖主要發(fā)育于古近系沙河街組四段上亞段(沙四上亞段)(Es4u)、沙三下亞段(Es3l)和沙一段(Es1)。其中沙四上亞段和沙三下亞段泥頁巖沉積厚度大(100～400 m)，有機質(zhì)豐度高(1%～5%)，類型好，以腐泥型—混合型為主，且已進入低熟—成熟演化階段(Ro0.42%～0.64%)，具有形成大量頁巖油的物質(zhì)基礎(chǔ)[18-20]。東營凹陷油氣勘探顯示古近系泥頁巖頻繁出現(xiàn)氣測異常和油氣顯示，其中已有10余口井獲得工業(yè)油氣流，展現(xiàn)了東營凹陷頁巖油巨大的勘探潛力[17]。因此，進行頁巖油有利靶區(qū)優(yōu)選研究，對于東營凹陷頁巖油勘探具有一定的指導意義。

圖2 東營凹陷構(gòu)造單元及井位分布Fig.2 Structural unit and well locations of the Dongying Sag

2.2 確定主地質(zhì)參數(shù)評價值

2.2.1 游離油量

泥頁巖有機質(zhì)豐度越高，頁巖含油量越大，但有機質(zhì)吸附油量越大[21]。國外學者根據(jù)頁巖油勘探實踐，提出了簡單有效的評價頁巖吸附油含量的油飽和度指數(shù)法(即S1/TOC法)[22]。根據(jù)研究區(qū)泥頁巖100×S1/TOC變化和排烴門限，確定了東營凹陷頁巖吸附油量為1 mg/g/TOC[23]。因此，根據(jù)泥頁巖總含油量(S1)和有機碳含量(TOC)即可定量評價其游離油含量。

泥頁巖游離油量分布與其有機非均質(zhì)性密切相關(guān)，而實測地化參數(shù)(TOC和S1)受樣品數(shù)量、取樣深度、實驗成本等因素限制，難以有效精確表征泥頁巖縱向連續(xù)游離油量分布。由于有機質(zhì)具有顯著的測井響應(yīng)，同時測井資料具有連續(xù)性和較高分辨率的特性，因此可利用測井信息獲取連續(xù)、精確的泥頁巖地球化學參數(shù)(TOC,S1等)。借助測井信息的連續(xù)性，應(yīng)用改進的ΔlgR模型[23-24]基于東營凹陷典型頁巖油探井樊頁1井、利頁1井和牛頁1井詳細的地化參數(shù)，分別建立了博興、利津和牛莊洼陷TOC和S1測井定量評價模型。模型計算值與實測值具有很好的一致性，進而區(qū)域推廣應(yīng)用，對研究區(qū)27口井進行連續(xù)TOC和S1測井評價(圖3—圖5)。根據(jù)TOC和S1測井評價結(jié)果，獲取了博興、利津和牛莊洼陷27口井沙三下亞段和沙四上亞段泥頁巖游離油量縱向連續(xù)分布。計算結(jié)果顯示，研究區(qū)27口井沙三下亞段和沙四上亞段泥頁巖游離油量分布在0～17.86 mg/g，平均值為1.82 mg/g，最大游離油量為17.86 mg/g。

2.2.2 滲透率

滲透率是一個難以直接通過測井曲線方法獲取的巖石物理參數(shù)，其值大小不僅與孔隙度相關(guān)，還與孔隙結(jié)構(gòu)、巖石結(jié)構(gòu)及構(gòu)造等特征密切相關(guān)。而在測井評價中孔隙度是最常見的巖石物理參數(shù)，相比于不同樣品間滲透率數(shù)量級的差異，孔隙度相對差異較小，更容易應(yīng)用測井曲線實現(xiàn)精確預(yù)測。水力流動單元是指具有相似滲流特征的儲集巖體，不同水力流動單元具有不同的巖石物理特征[25]。水力流動單元的提出有效解決了孔隙度與滲透率相關(guān)性差的問題，通過對儲層水力流動單元劃分，分別建立不同流動單元內(nèi)的孔隙度與滲透率相關(guān)性方程，可有效提高泥頁巖儲層滲透率預(yù)測精度[26-27]。因此，基于東營凹陷樊頁1井、利頁1井和牛頁1井孔隙度、滲透率實測數(shù)據(jù)，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和水力流動單元建立了泥頁巖儲層滲透率測井預(yù)測模型[28]。計算結(jié)果顯示，滲透率預(yù)測值與實測值變化趨勢一致，能夠較好刻畫泥頁巖滲透率縱向分布特征(圖3—圖5)。應(yīng)用滲透率測井預(yù)測模型定量評價了博興、利津和牛莊洼陷27口井沙三下亞段和沙四上亞段泥頁巖滲透率縱向分布。泥頁巖滲透率分布在(0.000 85 ～177.01)×10-3μm2，平均值為1.90×10-3μm2，其最大值對數(shù)為2.248，最小值對數(shù)為-3.070。

2.2.3 楊氏模量

根據(jù)彈性波動理論，巖石楊氏模量計算公式如下：

(5)

式中:E為巖石楊氏模量，GPa；VP為巖石縱波速度，m/μs；VS為巖石橫波速度，m/μs；ρ為巖石密度，g/cm3。巖石縱波速度及密度可以分別由聲波時差和密度測井獲取。由于研究區(qū)缺少橫波測井資料，橫波速度(時差)由縱波時差、中子孔隙度、地層真電阻率和自然伽馬測井采用多元非線性模型預(yù)測：

(6)

式中:DTS為橫波時差，μs/m；DTC為縱波時差，μs/m；CNL為中子孔隙度，%；RT為地層真電阻率，Ω·m；GR為自然伽馬，API。根據(jù)公式(5)和(6)采用測井資料定量評價了東營凹陷27口井沙三下亞段和沙四上亞段泥頁巖楊氏模量縱向分布，泥頁巖楊氏模量分布在9.65～55 GPa，平均值為23.40 GPa，最大值為55 GPa。楊氏模量評價結(jié)果較好的反映了東營凹陷泥頁巖縱向可壓裂性分布特征，其值大小與有機質(zhì)含量呈負相關(guān)，隨著圍壓的增加而增加，與泥頁巖力學特性實驗結(jié)果具有很好的一致性[11](圖3—圖5)。

2.3 頁巖油有利區(qū)優(yōu)選

2.3.1 綜合權(quán)重因子及有利層系分布

基于游離油量、滲透率及楊氏模量權(quán)重評價值，計算了東營凹陷27口井沙三下亞段和沙四上亞段泥頁巖綜合權(quán)重因子。結(jié)果顯示，綜合權(quán)重因子在平面上表現(xiàn)出強非均質(zhì)性，利津洼陷綜合權(quán)重因子最高，介于0～871.71，平均值為51.90，主要分布在20～80范圍內(nèi)(圖6a)；牛莊洼陷次之，介于0～139.68，平均值為20.22，主要分布在0～40(圖6b)；博興洼陷綜合權(quán)重因子最低，介于0～108.1，平均值為9.73，集中分布在小于20(圖6c)。根據(jù)東營凹陷綜合權(quán)重因子分布，將其分為3級：頁巖油勘探開發(fā)有利層(U≥40)、低效層(20≤U<40)和無效層(U<20)。其中有利層是指綜合權(quán)重因子最高，較高游離油量、滲透率和楊氏模量分布層段，最有利于頁巖油富集、流動和壓裂改造，為近期最有利的頁巖油勘探開發(fā)層段；低效層段指綜合權(quán)重因子較低，頁巖游離油量、滲透率和楊氏模量較低層段，較不利于頁巖開發(fā)，為頁巖油開發(fā)遠景層段，而無效層段綜合權(quán)重因子最低，頁巖油無法有效開發(fā)。頁巖油勘探開發(fā)有利層主要分布于利津洼陷，牛莊洼陷僅分布在部分層段，博興洼陷分布極少，低效層主要分布在牛莊洼陷，利津洼陷次之，而博興洼陷主要分布無效層。

圖3 東營凹陷樊頁1井沙河街組主地質(zhì)參數(shù)分布Fig.3 The distribution of primary geological parameters of the Shahejie Formation in Well Fanye1,Dongying Sag

圖4 東營凹陷利頁1井沙河街組主地質(zhì)參數(shù)分布Fig.4 The distribution of primary geological parameters of the Shahejie Formation in Well Liye1,Dongying Sag

圖5 東營凹陷牛頁1井沙河街組主地質(zhì)參數(shù)分布Fig.5 The distribution of primary geological parameters of the Shahejie Formation in Well Niuye1,Dongying Sag

圖6 東營凹陷綜合權(quán)重因子頻率分布Fig.6 Frequency distributions of comprehensive weighting factors of the Dongying Saga.博興洼陷；b. 利津洼陷；c. 牛莊洼陷

本文研究借鑒泥頁巖層系含義[29]定義了頁巖油勘探開發(fā)有利層系，其指連續(xù)厚度大于30 m，以有利層為主，連續(xù)低效層(或/和無效層)不超過2 m，且總厚度不超過整體三分之一的泥頁巖層系。結(jié)果表明，東營凹陷泥頁巖有利層系主要分布在利津洼陷，其中濱444井最厚，有利層系累計厚度達到251.5 m，利頁1井最薄，累計厚度為42.10 m，累計厚度平均值達到146.90 m(表1)。頁巖油有利層系主要分布在沙三下亞段，利津洼陷累計厚度達到1 219.792 m，沙四上亞段相對較少，累計厚度達到396.134 m。

東營凹陷頁巖油有利層系單井縱向分布特征顯示(圖7)，沙三下亞段有利層系主要取決于頁巖游離油量，幾乎均分布在低效和無效夾層較少高游離油量層段。如利頁1井，其綜合權(quán)重因子最高值分布在3 629～3 669 m，而有利層系則分布在3 595.2～3 637.3 m，位于綜合權(quán)重因子相對較高層段。與沙三下亞段相比，沙四上亞段有利層系除受游離油量影響外，還受到滲透率和楊氏模量影響，如濱444井3 278～3 314.5 m和梁75井3 320～3 413.625 m，高滲透率和楊氏模量亦可使得相對較低游離油量層段成為有利層系。

表1 東營凹陷沙河街組頁巖油有利開發(fā)層系分布Table 1 Distribution of the favorable target layers for shale oil exploitation in the Shahejie Formation,Dongying Sag

2.3.2 頁巖油有利靶區(qū)

有利層系越厚，頁巖油勘探開發(fā)越有利，有利層系分布區(qū)即為頁巖油勘探開發(fā)有利區(qū)。沙三下亞段有利層系等厚圖揭示，東營凹陷沙三下亞段有利靶區(qū)主要分布在利津洼陷南部和北部，分別以濱444井-梁76井(有利區(qū)Ⅰ)和河172井(有利區(qū)Ⅱ)為中心形成2個頁巖油勘探開發(fā)有利靶區(qū)(圖8)。有利區(qū)Ⅰ平均有利層系厚度為142m，面積為291.50km2，游離資源量約為7.75×108t。有利區(qū)Ⅱ有利層系平均厚度達到156m，面積為168.88km2，游離資源量約為4.38×108t。沙四上亞段有利靶區(qū)主要分布在利津洼陷西南部(有利區(qū)Ⅲ)和南部(有利區(qū)Ⅳ)(圖9)。有利區(qū)Ⅲ以梁75井為中心，面積為274.88km2，游離資源量約為2.46×108t，有利區(qū)Ⅳ包括梁760井，面積為145.21km2，游離資源量約為1.48×108t。

3 結(jié)論

1) 游離油量是表征頁巖油資源甜點的主地質(zhì)參數(shù)，滲透率可作為表征物性甜點的主地質(zhì)參數(shù)，楊氏模量可用來表征工程甜點。建立了一種基于主地質(zhì)參數(shù)的頁巖油有利靶區(qū)優(yōu)選定量評價方法，以主地質(zhì)參數(shù)權(quán)重評價值構(gòu)建綜合權(quán)重因子，確定頁巖油勘探開發(fā)有利層綜合權(quán)重因子及有利層系分布范圍，最終確定頁巖油勘探開發(fā)有利區(qū)。

2) 東營凹陷頁巖油有利層系主要分布在利津洼陷，沙三下亞段有利層系分布主要受控于游離油量，幾乎均分布在高游離油量層段。沙四上亞段有利層系除受游離油量影響外，還受到滲透率和楊氏模量控制，高滲透率和楊氏模量可使相對較低游離油量層段成為有利層系。

3) 東營凹陷沙三下亞段頁巖油有利靶區(qū)主要分布在利津洼陷南部和北部，分別以濱444井-梁76井和河172井為中心；沙四上亞段有利靶區(qū)主要分布在利津洼陷西南部和南部，分別以梁75井和梁760井位中心，研究結(jié)果對東營凹陷頁巖油勘探開發(fā)具有一定的參考意義。

圖8 東營凹陷沙三下亞段有利區(qū)分布Fig.8 Map of favorable target zones for shale oil exploitation in the Es3L,Dongying Sag

圖9 東營凹陷沙四上亞段有利區(qū)分布Fig.9 Map of favorable target zones for shale oil exploitation in the Es4U,Dongying Sag