樊云峰,安紀(jì)星,岳愛忠,張國君,菅紅軍,何彪

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安,710077;2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710077;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司吉林分公司,吉林松原,138000;4.中國石油集團(tuán)測井有限公司測井技術(shù)研究院,陜西西安,710077)

0 引 言

地層元素測井技術(shù)是一種直接對地層組分信息進(jìn)行定量探測的核測井技術(shù),該技術(shù)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜巖性儲層和非常規(guī)儲層的測井評價中。目前,地層元素測井在頁巖油儲層的應(yīng)用研究主要集中在巖性識別、礦物組分分析、脆性特征評價以及總有機(jī)碳含量計(jì)算等方面,但在孔隙度、滲透率等儲層參數(shù)的計(jì)算以及基于礦物含量和其他參數(shù)的儲層分類方面應(yīng)用相對較少[1-8]。吉林油田松遼盆地南部頁巖油儲層(簡稱吉林油田松南頁巖油儲層)具有巖性復(fù)雜、致密、非均質(zhì)性強(qiáng)等特征,在巖性識別、儲層劃分、關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算等方面存在諸多難點(diǎn),例如:儲層巖性精細(xì)評價難度大、優(yōu)勢儲層識別不準(zhǔn)確、儲層孔隙度計(jì)算精度不高等。地層元素測井能準(zhǔn)確測量地層中硅、鋁、鐵、鈣、鉀、鎂、硫、錳、鈦、釓等十余種主要元素的含量,其中硅、鋁、鐵、鈣、鉀、鎂等元素是組成地殼巖石礦物組分的主要元素。因此,可以通過測量這些主要造巖元素的含量,利用元素含量與巖石中主要礦物組分的關(guān)系,建立元素到礦物的轉(zhuǎn)換模型,進(jìn)行地層礦物組分的精確定量計(jì)算,實(shí)現(xiàn)頁巖油儲層巖性精細(xì)評價,并結(jié)合常規(guī)測井資料、巖心分析資料開展儲層物性、可壓裂性方面的綜合應(yīng)用。

1 吉林油田松南頁巖油儲層地質(zhì)特征

圖1 吉林油田松南頁巖油儲層主要礦物組分含量統(tǒng)計(jì)

吉林油田松南頁巖油儲層構(gòu)造上位于松遼盆地南部中央坳陷,坳陷面積達(dá)5 000 km2,受來自西南方向三角洲前緣席狀砂體及半深湖相沉積作用,形成厚度穩(wěn)定的頁巖和薄層砂巖,砂體與頁巖的有機(jī)組合,為該區(qū)形成大面積連片發(fā)育的巖性油藏創(chuàng)造了條件。研究區(qū)青山口組經(jīng)歷了大規(guī)模湖侵,廣泛發(fā)育一套頁巖。根據(jù)成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分析,青山口組青一段頁巖富含有機(jī)質(zhì),成熟度較高,具有較大的生烴潛力,為頁巖油成藏提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)[9-14]。青山口組厚度45～80 m,總有機(jī)碳含量大于1.8%,鏡質(zhì)體反射率大于0.9%,壓力系數(shù)大于1.2 MPa,為成熟頁巖油儲層,頁巖油資源量為14.7×108t,縱向上發(fā)育厚層頁巖、薄層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、頁巖夾砂巖這4種巖性組合[15-19]。吉林油田松南頁巖油儲層礦物組分較為復(fù)雜,含有伊利石、綠泥石等黏土礦物,石英、鉀長石、斜長石等碎屑礦物,方解石、白云石、鐵白云石等碳酸鹽礦物,以及黃鐵礦等自生礦物等,礦物組分含量如圖1所示。吉林油田松南頁巖油儲層物性差,孔隙度與滲透率相關(guān)性差(見圖2),孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜[20-21]。孔隙度分布范圍為1.614%～9.037%,平均值為3.927%;滲透率分布范圍主要為(0.000 3～2.668 7)×10-3μm2,平均值為1.330 0×10-4μm2;地層脆性指數(shù)分布范圍為26.1%～87.3%,平均值48.7%。研究發(fā)現(xiàn),這些評價參數(shù)與儲層礦物含量有很大的相關(guān)性,因此,準(zhǔn)確地求取礦物含量是劃分頁巖油有效儲層的關(guān)鍵因素。

圖2 吉林油田松南頁巖油儲層孔隙度與滲透率關(guān)系圖

2 基于地層元素測井的巖性精細(xì)評價

2.1 方法及原理

2.1.1元素與巖性、礦物的關(guān)系

某地區(qū)特定地層中的礦物均有相對固定的化學(xué)元素組成,例如石英含量與硅元素含量關(guān)系密切,鈣元素含量決定了方解石、白云石等碳酸鹽礦物的含量,黏土含量一般與鋁元素含量具有高度一致性。不同地區(qū)、不同層位的地層,其巖性特征和礦物組成不盡相同,對應(yīng)的元素種類和含量也有一定差異。因此,通過對地層中元素含量的測量,結(jié)合相應(yīng)的算法和模型,可以實(shí)現(xiàn)地層中主要礦物含量的反演,達(dá)到儲層巖性精細(xì)評價的目的。

地層元素測井解釋方法是基于研究區(qū)地層基本地質(zhì)特征和礦物類型,構(gòu)建地層的數(shù)學(xué)模型,即將巖石模型看作按照一系列礦物組成的體積物理模型,利用礦物組分和測井響應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。將數(shù)學(xué)模型中地層元素測井、常規(guī)測井等采集的各種信息作為輸入,采用一系列線性或非線性的約束條件構(gòu)建測井響應(yīng)方程組,對每種測井響應(yīng)定義相應(yīng)的不確定度和約束目標(biāo)函數(shù),采用最優(yōu)化求解算法求解,得到誤差最小或不確定度最小的礦物含量及組分組合關(guān)系,即為最符合實(shí)際地層特征的解釋成果。

2.1.2體積物理模型

實(shí)際的儲層由不同賦存狀態(tài)的流體(包括油、氣、水)以及固體礦物(包括黏土礦物和其他骨架礦物)組成。通過對地層元素測井資料及常規(guī)測井資料的綜合處理分析,求解包含各種骨架礦物在內(nèi)的地層組分含量。對于具有復(fù)雜巖性的頁巖油儲層,其礦物組分復(fù)雜,建立的地層體積物理模型如圖3所示。圖3中Cma1、Cma2等代表骨架中各種礦物,Csh代表泥質(zhì)中各種黏土礦物,Cro,Cmo,Cfw,Cbw,Cgas分別代表孔隙中的殘余油、可動油、自由水、束縛水和天然氣。地層元素測井資料主要反映地層骨架礦物和黏土礦物的響應(yīng)特征。

圖3 頁巖油儲層體積物理模型示意圖

2.1.3最優(yōu)化求解算法

在地層體積物理模型的基礎(chǔ)上,針對地層骨架組分建立地層元素測井響應(yīng)方程式。

(1)

式中,n為骨架組分個數(shù);xj為第j種組分的含量(j=1,2,…,n),小數(shù);aij為第j種組分的第i條曲線的響應(yīng)方程系數(shù)(i=1,2,…,m;m為所選取測井曲線的個數(shù));bi為第i條地層元素測井曲線值,小數(shù)或10-6。

在理論數(shù)學(xué)模型式(1)的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際地層巖性特征加入相關(guān)參數(shù)的約束條件,建立帶約束的線性方程組式(2),求解該方程組得到xj,即可反演出地層中各種組分的含量。根據(jù)線性最小二乘法原理,可將求解式(2)的問題轉(zhuǎn)換為求極值的問題[見式(3)]。

(2)

(3)

由于不同的測井參數(shù)量綱不同,而且測量值的差別也很大,因此,在實(shí)際計(jì)算中需要將式(3)中目標(biāo)函數(shù)的a、b進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,使各種曲線的a、b值都成為無量綱的數(shù),并在同一數(shù)量級上。標(biāo)準(zhǔn)化處理方法具體是將方程的兩邊同時除以一個系數(shù),該系數(shù)除具有標(biāo)準(zhǔn)化作用外,還具有權(quán)系數(shù)的作用,質(zhì)量差的測井曲線應(yīng)賦予低的權(quán)系數(shù),質(zhì)量好的測井曲線則賦予高的權(quán)系數(shù)。

2.2 吉林油田松南頁巖油儲層礦物組分定量評價

通過分析X衍射數(shù)據(jù)和薄片資料可知,伊利石、石英、鉀長石、斜長石、方解石、鐵白云石、黃鐵礦這7種礦物為松南頁巖油儲層的主要礦物組分,各種礦物組分的密度分別為2.79、2.65、2.57、2.60、2.71、2.96 g/cm3和4.99 g/cm3。基于研究區(qū)頁巖油儲層的元素含量分析結(jié)果,結(jié)合X衍射數(shù)據(jù)作為礦物含量的基準(zhǔn)數(shù)據(jù),獲得松南頁巖油儲層各礦物組分的地層元素測井響應(yīng)參數(shù)值(見表1)。

表1 吉林油田松南頁巖油儲層礦物組分的地層元素測井響應(yīng)參數(shù)值

圖4 某井頁巖油儲層地層元素測井礦物解釋結(jié)果與X衍射全巖分析對比圖

根據(jù)地層元素測井響應(yīng)參數(shù),利用地層元素測井資料通過最優(yōu)化求解算法對礦物組分含量反演求解。圖4展示吉林油田松南地區(qū)某井青一段頁巖油儲層利用地層元素測井資料計(jì)算得到的礦物含量結(jié)果。由圖4中礦物組分含量曲線和桿狀圖對比結(jié)果可知,該井利用地層元素測井資料得到的7種礦物組分定量解釋結(jié)果與X衍射全巖分析結(jié)果一致性好,滿足頁巖油巖性精細(xì)評價要求,應(yīng)用效果良好。

3 基于地層元素測井的物性參數(shù)評價

3.1 利用變骨架密度計(jì)算孔隙度

利用地層元素測井資料可以準(zhǔn)確確定地層縱向剖面上的骨架參數(shù)值變化,這對于準(zhǔn)確計(jì)算孔隙度有十分重要的意義。通常采用固定的地層骨架密度值來計(jì)算孔隙度,而實(shí)際地層的骨架密度值會隨巖性和礦物種類及含量的變化而變化,導(dǎo)致利用該方法計(jì)算的密度孔隙度存在一定誤差。

吉林油田松南地區(qū)青一段頁巖油儲層泥質(zhì)含量高、礦物組分復(fù)雜,通過對大量的孔隙度計(jì)算結(jié)果和孔隙度巖心分析數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),用密度計(jì)算的孔隙度相較于利用聲波、中子等計(jì)算的孔隙度誤差相對最小,但與孔隙度巖心分析數(shù)據(jù)相比仍存在一定差異。該差異的主要原因是基于常規(guī)方法的骨架密度定值計(jì)算孔隙度受泥質(zhì)含量和骨架參數(shù)不準(zhǔn)確等因素的影響,會造成該計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。利用地層元素測井資料計(jì)算的變骨架密度代替骨架密度定值進(jìn)行孔隙度計(jì)算,該孔隙度與巖心分析數(shù)據(jù)更吻合,實(shí)現(xiàn)了對儲層物性的準(zhǔn)確評價。利用地層元素測井資料計(jì)算骨架密度是通過各骨架礦物組分的理論密度值和其組分含量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到[見式(4)]。

(4)

式中,ρma為骨架密度,g/cm3;ρq為第q種骨架礦物的密度,g/cm3;vq為第q種骨架礦物的含量;p為骨架礦物組分的個數(shù)。利用密度測井曲線定量計(jì)算孔隙度的公式如下

(5)

(6)

式中,φden為密度總孔隙度,%;ρ為測井密度值,g/cm3;ρf為流體密度,g/cm3;φe為密度有效孔隙度,%;ρTOC、ρSH分別為有機(jī)質(zhì)密度和泥質(zhì)密度,g/cm3;VTOC、VSH分別為有機(jī)質(zhì)含量和泥質(zhì)含量,%。

利用地層元素測井資料進(jìn)行骨架參數(shù)優(yōu)化,選擇變骨架密度進(jìn)行密度孔隙度計(jì)算,這種方法既考慮了泥質(zhì)的影響、又結(jié)合實(shí)際地層巖性特征,可得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。圖5展示了吉林油田松南地區(qū)某井利用地層元素測井得到的變骨架密度值在孔隙度計(jì)算方面的應(yīng)用效果。第7道為基于地層元素測井計(jì)算的骨架密度曲線,基于該曲線完成了密度有效孔隙度的計(jì)算;由第8道可以看出,密度有效孔隙度曲線與巖心分析孔隙度結(jié)果吻合良好,達(dá)到了更好的孔隙度評價效果。

圖5 基于地層元素測井的變骨架密度計(jì)算的孔隙度與巖心分析孔隙度對比圖

3.2 利用礦物組分含量計(jì)算滲透率

頁巖油儲層一般屬于特低滲透率儲層,且孔隙度滲透率關(guān)系普遍較差,滲透率評價一直是儲層物性評價的難點(diǎn)。通常利用常規(guī)測井資料難以實(shí)現(xiàn)對頁巖油儲層滲透率的精確計(jì)算,而滲透率大小對于頁巖油開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

碎屑巖儲層的滲透率與儲層的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度相關(guān),例如礦物組分、顆粒大小、分選度和磨圓度等會影響儲層的滲透率。礦物種類及其含量則是成分成熟度的重要表征之一,耐風(fēng)化的礦物種類含量越高,碎屑巖儲層的成分成熟度就越高,儲層的滲透性往往越好。例如:相較于長石砂巖,石英砂巖的滲透性較好,是因?yàn)槭⒑吭礁?儲層受長石等其他礦物風(fēng)化造成的孔喉空間減小及連通孔隙減少的影響就越小,儲層孔隙結(jié)構(gòu)相對越好,滲透率越高;泥質(zhì)、碳酸鹽礦物含量較高時,由于成巖作用對孔隙結(jié)構(gòu)的影響,造成儲層滲透率降低。因此,不同的礦物組分對于儲層滲透率的影響不盡相同,可以通過地層元素測井得到儲層礦物組分特征,進(jìn)而對滲透率進(jìn)行評價。

通過對研究區(qū)頁巖油儲層的研究,發(fā)現(xiàn)滲透率除與儲層孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切外,與儲層的礦物組分及含量也有很大關(guān)系。綜合考慮礦物組分和儲層孔隙度對滲透率的影響,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,建立基于地層元素測井的滲透率解釋模型

(7)

式中,K為儲層滲透率,10-3μm2;φE為儲層的有效孔隙度;Br為每種礦物的滲透率常數(shù);Mr為每種礦物的含量。研究區(qū)儲層的礦物組分以伊利石、石英、長石、方解石、白云石為主,其滲透率常數(shù)分別為-5.50、0.22、0.18、-2.00、-1.00。圖6為某井利用地層元素測井資料進(jìn)行滲透率解釋的成果圖。從第9道滲透率對比結(jié)果可知,基于地層元素測井礦物組分計(jì)算的滲透率解釋結(jié)果與巖心分析結(jié)果相吻合,應(yīng)用效果較好。

圖6 某井基于地層元素測井礦物組分計(jì)算的滲透率與巖心分析對比圖

4 基于地層元素測井的脆性特征評價

儲層脆性是壓裂井段優(yōu)選的重要基礎(chǔ),儲層的礦物組分與其脆性關(guān)系密切,當(dāng)頁巖中石英、長石等硅質(zhì)礦物較多時,頁巖的脆性往往較強(qiáng),在地應(yīng)力作用或壓裂作用下容易出現(xiàn)裂縫,有利于油氣的大規(guī)模開發(fā)[22-28]。脆性指數(shù)(BI)與地層中脆性礦物的含量有關(guān),它可以直接反映儲層的易壓、易破程度,從而指導(dǎo)壓裂施工。地層元素測井資料得到的礦物組分含量可用來對脆性指數(shù)進(jìn)行評價,該方法有利于針對不同的儲層巖性特征,使用不同的礦物組分模型確定脆性指數(shù)。通常要求頁巖油的開發(fā)儲層的脆性礦物含量應(yīng)在40%以上。

根據(jù)吉林油田松南頁巖油儲層的巖性特征,針對上文提到的7種主要礦物組分,結(jié)合巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和石英、長石、碳酸鹽這類礦物的力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行建模、分析,得到該儲層的脆性指數(shù)計(jì)算模型

BI=0.8WQtz+0.6WFlp+0.9WCb

(8)

式中,WQtz為礦物組分中石英的含量;WFlp為礦物組分中長石類礦物的含量;WCb為礦物組分中碳酸鹽礦物的含量。根據(jù)式(8)可以實(shí)現(xiàn)對吉林油田松南頁巖油儲層脆性指數(shù)的計(jì)算。

圖7為吉林油田松南地區(qū)某井利用地層元素測井計(jì)算的脆性指數(shù)與利用陣列聲波計(jì)算的脆性指數(shù)對比圖,第14道和15道分別為利用陣列聲波測井和地層元素測井得到的脆性指數(shù),兩者對比結(jié)果一致性良好,相互印證,準(zhǔn)確反映了地層的巖石力學(xué)性質(zhì),并有效指導(dǎo)壓裂施工,在優(yōu)勢深湖相純頁巖油儲層獲得7.02 t/d的高產(chǎn)油流。

圖7 吉林油田松南地區(qū)某井利用地層元素測井計(jì)算的脆性指數(shù)與利用陣列聲波計(jì)算的脆性指數(shù)對比圖*非法定計(jì)量單位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

5 頁巖油儲層有效性綜合評價

通過對吉林油田松南頁巖油儲層地層元素測井資料的應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)儲層巖性、物性及可壓裂性相關(guān)參數(shù)的精確計(jì)算。綜合利用以上成果,并結(jié)合巖石物理實(shí)驗(yàn)資料和其他測井資料對頁巖油儲層進(jìn)行分類,確定優(yōu)勢儲層段,提升頁巖油儲層評價效果。

經(jīng)研究松南地區(qū)頁巖油儲層可以劃分為3類,其巖性、物性及脆性特征主要表現(xiàn):Ⅰ類儲層的泥質(zhì)、碳酸鹽含量較低,石英、長石等礦物含量高且穩(wěn)定,孔隙度、滲透率較高,脆性指數(shù)較高;Ⅱ類儲層的泥質(zhì)、碳酸鹽含量中等,石英、長石等礦物含量相對高,孔隙度、滲透率中等,脆性指數(shù)中等;Ⅲ類儲層的泥質(zhì)、碳酸鹽含量較高,孔隙度、滲透率較低,脆性指數(shù)較小。

圖8為吉林油田松南地區(qū)某井青山口組頁巖油儲層地層元素測井綜合應(yīng)用成果圖。根據(jù)地層元素測井解釋成果并結(jié)合其他相關(guān)資料,對青一段頁巖油進(jìn)行儲層類型劃分、油水層識別,并確定壓裂層段。該井平均日產(chǎn)油5.40 t,日產(chǎn)油最高7.02 t。

該井頁巖油Ⅰ類儲層的地層元素測井礦物組分特征表現(xiàn)為泥質(zhì)含量36.0%～52.0%,平均45.2%;石英含量20.0%～28.0%,平均23.6%;長石含量18.0%～32.0%,平均23.3%;碳酸鹽含量2.0%～10.0%,平均7.4%。Ⅱ類儲層泥質(zhì)含量36.0%～56.0%,平均44.8%;石英含量16.0%～30.0%,平均23.7%;長石含量16.0%～33.0%,平均23.2%;碳酸鹽含量5.0%～13.0%,平均7.7%。Ⅲ類儲層泥質(zhì)含量43.0%～62.0%,平均49.0%;石英含量12.0%～26.0%,平均18.2%;長石含量18.0%～30.0%,平均23.4%;碳酸鹽含量4.0%～14.0%,平均8.6%。相應(yīng)的孔隙度、滲透率、脆性指數(shù)等參數(shù)特征見表2。

圖8 某井頁巖油儲層地層元素測井綜合解釋成果圖*非法定計(jì)量單位,1 in=25.4 mm;1 mD=9.87×10-4μm2,下同

表2 某井頁巖油儲層有效性綜合分類標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié) 論

(1)以吉林油田松南頁巖油儲層地層元素測井資料和巖石物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立了儲層礦物地層元素測井響應(yīng)參數(shù),利用最優(yōu)化求解算法,通過測得的主要元素種類和含量反演出頁巖儲層中礦物組分的含量。

(2)基于礦物組分含量的巖性精細(xì)評價成果,進(jìn)而開展孔隙度、滲透率等物性參數(shù)以及頁巖脆性指數(shù)等工程參數(shù)的綜合解釋,并基于地層元素測井綜合應(yīng)用成果結(jié)合其他資料開展頁巖油儲層分類,確定甜點(diǎn)層位。

(3)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場應(yīng)用表明,根據(jù)元素含量計(jì)算的礦物含量與地層巖性特征一致性較好,基于礦物含量的孔隙度、滲透率和脆性指數(shù)評價方法也在青山口組青一段頁巖油儲層評價取得了較好的應(yīng)用效果,獲得了工業(yè)高產(chǎn)油流,實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。地層元素測井對于吉林油田松南頁巖油儲層的測井評價和生產(chǎn)工藝起到了指導(dǎo)性的作用。