王春偉，杜煥福，孫 鑫,，戴彩麗，楊金莉，陳榮華

（1.中石化經(jīng)緯有限公司地質(zhì)測(cè)控技術(shù)研究院，山東青島 266000；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東青島 266580；3.中石化經(jīng)緯有限公司勝利地質(zhì)錄井公司，山東東營(yíng) 257000）

中國(guó)東部常規(guī)油氣的勘探開發(fā)已進(jìn)入中后期，增產(chǎn)難度越來越大，急需尋找新的資源進(jìn)行接替[1]。歷經(jīng)10 多年的勘探，國(guó)內(nèi)多個(gè)頁巖油田獲得了工業(yè)化產(chǎn)能，展現(xiàn)了頁巖油勘探開發(fā)的巨大潛力，成為接替常規(guī)油氣的一種重要方式[2]。然而，國(guó)內(nèi)頁巖油以陸相沉積為主，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，且地質(zhì)工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)要素多元，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)頁巖油有利區(qū)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同方法評(píng)價(jià)頁巖油甜點(diǎn)，形成了頁巖油甜點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)體系[4]，前期應(yīng)用較多的是多要素綜合分析法[5-12]。該方法選取鏡質(zhì)體反射率、總有機(jī)碳含量、含油量、有利巖相、孔隙度、可動(dòng)性、脆性礦物含量、地層壓力及頁巖厚度等評(píng)價(jià)指標(biāo)中的幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行有利區(qū)的疊合，避免了單因素表征頁巖含油氣性的片面性，但評(píng)價(jià)結(jié)果難以定量化。部分學(xué)者對(duì)頁巖油甜點(diǎn)定量化評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究與實(shí)踐。趙賢正等人[13-15]針對(duì)渤海灣盆地歧口凹陷、滄東凹陷及饒陽凹陷，分別采用量化賦值權(quán)重的方法，建立了基于巖石組構(gòu)、生烴能力、超越效應(yīng)、工程脆性、儲(chǔ)集性能、熱成熟度等6～8 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的甜點(diǎn)定量評(píng)價(jià)方法。該方法雖然可以直觀地定量化評(píng)價(jià)頁巖油甜點(diǎn)，但需人為分段，并按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)給各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)重，評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)不同類型的頁巖油藏缺乏普適性。張繼偉等人[16]針對(duì)四川盆地儀隴-平昌地區(qū)，選取頁巖有效厚度、鏡質(zhì)體反射率、總有機(jī)碳含量、地層壓力和脆性指數(shù)等5 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用主成分分析方法，按可壓性有利因子及可動(dòng)性有利因子2 個(gè)主成分建立了頁巖油綜合評(píng)價(jià)的無因次線性組合方法，但該方法評(píng)價(jià)指標(biāo)少且未建立其與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系。茍啟洋等人[17]針對(duì)四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層，基于灰色關(guān)聯(lián)理論選取實(shí)測(cè)含氣量、含氣飽和度、氣測(cè)顯示等7個(gè)指標(biāo)，定量計(jì)算各指標(biāo)的相關(guān)性和權(quán)重，獲取含氣性綜合評(píng)價(jià)因子，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)和工程多因素聯(lián)合表征頁巖含氣性。該方法在頁巖氣開發(fā)中取得了較好的效果，但其未考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相互影響。如果表征四性中某一性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有較強(qiáng)的相關(guān)性，則其權(quán)重會(huì)增大，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重會(huì)減小，使頁巖油甜點(diǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確。

為了實(shí)現(xiàn)頁巖油甜點(diǎn)的綜合性、定量化精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，筆者采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，分析不同評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性，并優(yōu)化各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，定量表征與頁巖油產(chǎn)量密切相關(guān)的地質(zhì)工程參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算頁巖油甜點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，并實(shí)例驗(yàn)證了該方法的適用性與準(zhǔn)確性。

1 地質(zhì)背景

渤南洼陷位于渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沾化凹陷中部，北靠埕東凸起和郭局子洼陷，南鄰陳家莊凸起和三合村洼陷，西接義和莊凸起，東邊為孤島潛山帶[18]。洼陷整體上呈現(xiàn)西北陡、東南緩箕狀斷陷盆地，勘探面積約600 km2，內(nèi)部又細(xì)分為南部緩坡帶、斷階帶、深洼帶以及北部陡坡帶。沙河街組為陸相湖盆沉積，頁巖主要分布在沙四上段、沙三下段及沙一段，其中沙三下段沉積時(shí)期湖泊盆地發(fā)展進(jìn)入鼎盛時(shí)期，沉積了厚達(dá)700 m 的泥頁巖，巖性以油泥巖、油頁巖及泥巖為主，演化成熟度高[19]（見圖1）。前期渤南洼陷多口井在沙三下頁巖段獲得了工業(yè)油氣流，試油產(chǎn)油量超過30 t/d 的直井5 口，展示了該洼陷具有較大的頁巖油勘探開發(fā)潛力[20]。然而渤南洼陷頁巖油儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、黏土礦物含量高、有機(jī)質(zhì)成熟度低、原油流動(dòng)性差等特點(diǎn)[21]，導(dǎo)致頁巖油地質(zhì)和工程甜點(diǎn)優(yōu)選困難，亟需開展綜合評(píng)價(jià)，為頁巖油勘探開發(fā)提供依據(jù)。

圖1 渤南洼陷基本地質(zhì)情況Fig.1 Basic geological condition of Bonan Sag

2 評(píng)價(jià)方法及原理

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是根據(jù)不同因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相關(guān)程度來衡量各因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法?；疑P(guān)聯(lián)法可以綜合各類影響因素，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)發(fā)展和變化趨勢(shì)的定量分析[22-23]，在頁巖油甜點(diǎn)綜合評(píng)價(jià)中具有良好的應(yīng)用前景。

1）評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)選。通過分析研究區(qū)頁巖油單井產(chǎn)量，梳理出與單井產(chǎn)量相關(guān)性較強(qiáng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為綜合定量評(píng)價(jià)頁巖油甜點(diǎn)的參數(shù)。

2）歸一化處理。由于頁巖油甜點(diǎn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量級(jí)和單位不一致，需要對(duì)所有產(chǎn)量及評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。與頁巖油產(chǎn)量呈正相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用式（1）進(jìn)行處理；與頁巖油產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用式（2）進(jìn)行處理。

式中：i=1,2,…,n，為評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本個(gè)數(shù)；t=0，1,2,…,m，為評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)數(shù)；Xi(t)為第t項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)第i個(gè)樣本的歸一化處理結(jié)果；xi(t)為第t項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)第i個(gè)樣本的值；maxxi(t)為第t項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本的最大值；minxi(t) 為第t項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本的最小值；Xi(0)為評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化結(jié)果。

3）建立評(píng)價(jià)矩陣。依據(jù)研究區(qū)頁巖油單井產(chǎn)量，統(tǒng)計(jì)不同井點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，歸一化后得到m項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與n個(gè)樣本體構(gòu)建的評(píng)價(jià)矩陣：

4）相關(guān)系數(shù)計(jì)算?；跇?biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)矩陣，可以獲取各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算出相關(guān)度。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式：

式中：Δi(t，0)為產(chǎn)量與第t個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)第i樣本歸一化后的相對(duì)值；Δmax 為第t個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量歸一化相對(duì)值的最大值；Δmin 為第t個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量歸一化后相對(duì)值的最小值；ξi(t,0)為評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)所構(gòu)成的數(shù)列；ρ為分辨系數(shù)，依據(jù)前人在頁巖氣領(lǐng)域的應(yīng)用效果，本文取0.50[17]。

5）相關(guān)度計(jì)算。相關(guān)度指評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性，取值范圍為0～1，越接近1，表明評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量的影響越大；反之越小。相關(guān)度r(t,0)計(jì)算公式為：

6）相關(guān)度校正。特殊地，如果2 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)度較高，其權(quán)重會(huì)增大，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重會(huì)減小，進(jìn)而影響綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。為了規(guī)避這種情況，需要額外計(jì)算這2 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)度，以便對(duì)其權(quán)重進(jìn)行校正[24]。

式中：ξi(j,k)為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與第k項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)；r(j,k)為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與第k項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)度；ξi(j,0)為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)；r(j,0)為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)度。

7）權(quán)重計(jì)算。權(quán)重指各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)體系的影響程度。通過對(duì)相關(guān)度的歸一化處理，可以計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)體系中的權(quán)重Rt。

式中：Rt為第t個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；r(t,0)為第t個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)度。

8）綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算。通過計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Q，可以對(duì)頁巖油儲(chǔ)層進(jìn)行更綜合直觀的評(píng)價(jià)。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算公式為：

3 評(píng)價(jià)過程及結(jié)果討論

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)選及歸一化處理

前人開展了大量的研究，總結(jié)出頁巖油的“四性”評(píng)價(jià)體系及主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。通過分析渤南洼陷頁巖油的特征，依據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性及在研究區(qū)的應(yīng)用頻率，優(yōu)選含油性（頁巖厚度、總有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率）、儲(chǔ)集性（孔隙度）、可動(dòng)性（熱解游離烴含量、原油密度、原油黏度、地層壓力）及可壓性（脆性指數(shù)）等9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為量化表征頁巖油甜點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（見表1）。其中，日產(chǎn)油量取穩(wěn)定階段單位壓降產(chǎn)油量的平均值，頁巖厚度指產(chǎn)油層段儲(chǔ)層厚度，總有機(jī)碳含量采用產(chǎn)油層段的算術(shù)平均值。評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量的相關(guān)性見圖2。

表1 渤南洼陷頁巖油井的評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

圖2 渤南洼陷頁巖油評(píng)價(jià)指標(biāo)與日產(chǎn)油量的相關(guān)性Fig.2 Correlation between shale oil evaluation indexes and daily production of shale oil in Bonan Sag

依據(jù)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)與產(chǎn)量的正負(fù)相關(guān)關(guān)系（原油密度、原油黏度為負(fù)相關(guān)，其他指標(biāo)為正相關(guān)），分別進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，結(jié)果見表2。

表2 渤南洼陷頁巖油井評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化處理結(jié)果Table 2 Normalization of evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)算法，計(jì)算渤南洼陷9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)度及權(quán)重，結(jié)果見表3。特殊地，總有機(jī)碳含量代表有機(jī)質(zhì)豐度，熱解游離烴含量代表可動(dòng)烴含量，這2 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性較大。為消除其中1 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（選熱解游離烴含量）對(duì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的重復(fù)影響，需要對(duì)熱解游離烴含量的相關(guān)度進(jìn)行校正，即在計(jì)算得到9 個(gè)指標(biāo)的相關(guān)度后，需要單獨(dú)對(duì)熱解游離烴含量的相關(guān)度按式（9）、式（10）進(jìn)行校正，熱解游離烴含量校正后的相關(guān)度為0.23（校正前為0.61），然后以校正后的相關(guān)度進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

表3 渤南洼陷頁巖油井評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)度及權(quán)重Table 3 Correlation and weight of evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

整體來看，除熱解游離烴含量外，影響渤南洼陷頁巖油井產(chǎn)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重相差較小，對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)程度相差不大。權(quán)重最大的為原油密度，為0.13；總有機(jī)碳含量、孔隙度及地層壓力的權(quán)重較大；頁巖厚度、鏡質(zhì)體反射率和脆性指數(shù)的權(quán)重居中；原油黏度的權(quán)重只有0.09。權(quán)重從客觀上反映了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)頁巖油儲(chǔ)層的綜合影響，與主觀認(rèn)識(shí)基本一致。

3.3 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算及驗(yàn)證

利用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)度及其權(quán)重，計(jì)算了渤南洼陷不同頁巖油井的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，結(jié)果見表4。根據(jù)表4 和各頁巖油井的井位繪制渤南洼陷頁巖油綜合評(píng)價(jià)指數(shù)平面分布圖，結(jié)果見圖3（Ro為鏡質(zhì)體反射率，Cto為總有機(jī)碳含量）。

表4 渤南洼陷頁巖油井的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Table 4 Comprehensive evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

圖3 渤南洼陷頁巖油綜合評(píng)價(jià)指數(shù)平面分布Fig.3 Plane distribution of comprehensive evaluation indexes of shale oil in Bonan Sag

由圖3 可知，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)高值主要分布于XYS9—Y182—Y187井區(qū)、Y283 井區(qū)南部及L42 井區(qū)周圍，大致位于深洼帶及斷階帶東西兩側(cè)，整體向南、向北綜合評(píng)價(jià)指數(shù)逐漸降低。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)越大，代表頁巖油產(chǎn)能潛力越高；綜合評(píng)價(jià)指數(shù)越小，代表頁巖油產(chǎn)能潛力越低。利用表2 和表4 的數(shù)據(jù)繪制綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與頁巖油單井產(chǎn)量的關(guān)系圖，結(jié)果見圖4。由圖4 可知，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與頁巖油單井產(chǎn)量具有較好的相關(guān)性，兩者回歸關(guān)系式的決定系數(shù)達(dá)到0.658 1，表明該方法計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)能夠較好地與渤南洼陷頁巖油單井產(chǎn)量匹配。

圖4 渤南洼陷頁巖油綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與日油產(chǎn)量的相關(guān)性Fig.4 Correlation of comprehensive evaluation indexes and daily production of shale oil in Bonan Sag

4 應(yīng)用實(shí)例

水平井可以增大頁巖油儲(chǔ)層的裸露面積、提高頁巖油采收率，近年來得到了廣泛應(yīng)用，長(zhǎng)水平段水平井配合復(fù)雜縫網(wǎng)體積壓裂技術(shù)逐漸成為渤南洼陷頁巖油開發(fā)的主要手段[25-26]。水平井完井后需要及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)水平段進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)壓裂施工。下面以渤南洼陷深洼帶東側(cè)的BYP5 井為例，介紹綜合評(píng)價(jià)指數(shù)在頁巖油開發(fā)中的應(yīng)用。

依據(jù)BYP5 井頁巖油水平段甜點(diǎn)段評(píng)價(jià)的實(shí)際情況，在相同或鄰近井深的鏡質(zhì)體反射率、原油密度、原油黏度、地層壓力等評(píng)價(jià)指標(biāo)相同或相近時(shí)，可直接選取頁巖厚度、總有機(jī)碳含量、孔隙度、熱解游離烴含量和脆性指數(shù)等5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，并以此確定頁巖油的甜點(diǎn)，為后期壓裂提供依據(jù)。依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行頁巖油綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算，評(píng)價(jià)指標(biāo)、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果及試油示蹤劑產(chǎn)量貢獻(xiàn)率如圖5 所示。由圖5 可知，BYP5井的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)自上而下整體減小，與示蹤劑監(jiān)測(cè)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率趨勢(shì)一致。此外，BYP5 井頁巖油綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與示蹤劑監(jiān)測(cè)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率具有較好的相關(guān)性（見圖6），二者回歸關(guān)系式的決定系數(shù)可達(dá)0.602 3。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)判斷BYP5 井頁巖油甜點(diǎn)，并據(jù)此優(yōu)選壓裂段，該井壓裂后，測(cè)試峰值日產(chǎn)油量160 t，4 個(gè)月累計(jì)產(chǎn)油量超過1×104t，取得了良好的開發(fā)效果。

圖5 BYP5 井頁巖油甜點(diǎn)段綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Comprehensive evaluation results of shale oil sweet spots in Well BYP5

圖6 BYP5 井頁巖油甜點(diǎn)段綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的相關(guān)性Fig.6 Correlation analysis between the comprehensive evaluation index of shale oil sweet spots and production contribution rate in Well BYP5

5 結(jié)論

1）運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論優(yōu)選了渤南洼陷頁巖油甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)性，并優(yōu)化了評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，定量表征了與頁巖油產(chǎn)量密切相關(guān)的地質(zhì)工程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了頁巖油甜點(diǎn)的綜合性、定量化精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

2）渤南洼陷頁巖油綜合評(píng)價(jià)指數(shù)高值主要分布于XYS9—Y182—Y187 井區(qū)、Y283 井區(qū)南部及L42 井區(qū)周圍，整體向南、向北綜合評(píng)價(jià)指數(shù)逐漸降低，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與單井產(chǎn)量的相關(guān)性好，能夠較好地匹配渤南洼陷頁巖油單井產(chǎn)量。

3）BYP5 井綜合評(píng)價(jià)指數(shù)自上而下整體減小，與示蹤劑監(jiān)測(cè)的產(chǎn)量貢獻(xiàn)率趨勢(shì)一致，兩者具有較好的相關(guān)性。表明頁巖油水平井井完井后，通過計(jì)算綜合評(píng)價(jià)指數(shù)可以及時(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水平段的甜點(diǎn)段，以指導(dǎo)壓裂施工。