石佳玉, 丁文龍, 趙 威, 何建華

( 1. 中國地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083； 2. 中國地質(zhì)大學(xué) 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083； 3. 中國地質(zhì)大學(xué) 頁巖氣資源戰(zhàn)略評價國土資源部重點實驗室，北京 100083)

?

基于測井方法的遼河坳陷沙河街組頁巖發(fā)育特征評價

石佳玉1,2,3, 丁文龍1,2,3, 趙 威1,2,3, 何建華1,2,3

( 1. 中國地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083； 2. 中國地質(zhì)大學(xué) 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083； 3. 中國地質(zhì)大學(xué) 頁巖氣資源戰(zhàn)略評價國土資源部重點實驗室，北京 100083)

以遼河坳陷沙四段—沙三段富有機質(zhì)頁巖為研究對象，根據(jù)測井、錄井和有機地球化學(xué)實驗分析等資料，采用多元線性回歸及ΔlgR方法，識別富有機質(zhì)頁巖；從縱向發(fā)育、橫向分布和平面展布等方面，對頁巖發(fā)育特征進行綜合評價.結(jié)果表明：研究區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖呈現(xiàn)“展布面積廣、連續(xù)厚度大”特點，其中西部凹陷沙三下亞段富有機質(zhì)頁巖平均厚度約為75.20 m，且厚度大于90 m的富有機質(zhì)頁巖分布面積達(dá)到210.26 km2，為頁巖油氣勘探的首選層位.該結(jié)果為研究區(qū)乃至東部渤海灣地區(qū)尋找新的天然氣勘探領(lǐng)域具有指導(dǎo)作用.

富有機質(zhì)頁巖； 發(fā)育特征； 多元線性回歸； ΔlgR； 測井方法； 沙四段—沙三段； 遼河坳陷

0 引言

中國頁巖氣資源豐富，預(yù)測資源量為30×1012m3[1].隨著頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，中國進一步加大頁巖氣勘探力度，開展一系列關(guān)于頁巖氣富集機理和富集規(guī)律的研究[2-4].頁巖氣的勘探開發(fā)對于提高中國天然氣產(chǎn)量、緩解油氣對外依存度、保障國家能源安全具有重要意義[5].

頁巖氣勘探開發(fā)的“甜點”是富有機質(zhì)頁巖優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育層段和有利區(qū).頁巖氣儲層為特低孔滲儲層，以發(fā)育多類型納米至微米級孔隙為特征[6]；裂縫是頁巖氣的另一種主要儲集空間，對頁巖氣藏具有雙重作用[6-9].有機質(zhì)含量、類型、成熟度、頁巖儲層物性、裂縫發(fā)育程度、礦物成分、溫度和壓力、濕度、優(yōu)質(zhì)頁巖厚度等參數(shù)對含氣量有不同程度的影響[8,10]，是頁巖氣儲層評價的重要內(nèi)容.頁巖氣儲層評價方法包括地質(zhì)分析、樣品實驗分析、地震勘探和地球物理測井等技術(shù)，其中地球物理測井技術(shù)是進行頁巖氣儲層評價的重要技術(shù)手段.

對于陸相頁巖氣，勘探成功實例較少且勘探程度低.渤海灣盆地遼河坳陷沙四段—沙三段富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育在陸相斷陷湖盆內(nèi)，是該區(qū)重要的烴源巖和常規(guī)含油氣層系，埋藏較深，勘探程度相對較低，但開發(fā)潛力較大.富有機質(zhì)頁巖的定性—定量解釋方法主要有測井曲線特征定性識別、多元線性回歸定量識別和ΔlgR識別方法等.Schmoker J W研究美國Illinois的New Albany頁巖巖心，發(fā)現(xiàn)TOC含量與密度測井和自然伽馬測井值之間具有良好的線性關(guān)系，可以利用密度和自然伽馬測井資料計算TOC含量[11-12]；Passey Q R等提出利用聲波曲線和地層電阻率計算TOC含量的公式，即ΔlgR法[13]；Lewis R等利用元素俘獲能譜測井(ECS)和干酪根轉(zhuǎn)換因子等參數(shù),計算干酪根和TOC含量[14]；Jacobi D J等提出利用密度和核磁共振測井計算TOC含量[15]；Pemper R R等利用脈沖中子和自然伽馬能譜測井資料計算TOC含量[16]；Khoshnoodkia M等利用電阻率、中子、密度、聲波測井資料與模糊邏輯技術(shù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并計算TOC含量[17]；劉超等提出并應(yīng)用變系數(shù)ΔlgR法，提高TOC含量預(yù)測精度，在理論上適用于泥頁巖的含油性評價，為富有機質(zhì)泥頁巖含油性評價提供新的思路[18].

元素俘獲能譜測井能夠較為精確地獲取TOC含量，但是成本較高，尚未得到廣泛運用和推廣.ΔlgR法雖然較為簡便，但需要鏡質(zhì)體反射率參數(shù)，且該方法未考慮對TOC含量敏感的密度參數(shù).朱光有等在ΔlgR法的基礎(chǔ)上建立利用聲波時差、電阻率和密度測井資料計算TOC含量的數(shù)學(xué)模型[19].

根據(jù)富有機質(zhì)頁巖測井曲線特征和交會圖技術(shù)，筆者優(yōu)化ΔlgR和多元線性回歸法，從縱向發(fā)育、橫向分布和平面展布等方面，評價研究區(qū)沙四段—沙三段富有機質(zhì)頁巖發(fā)育特征，明確富有機質(zhì)頁巖分布的主要層位，查明單層連續(xù)厚度較大(>30 m)的富有機質(zhì)頁巖的平面分布特征.以西部凹陷與東部凹陷關(guān)鍵井的測井解釋數(shù)據(jù)為例，根據(jù)全區(qū)多種資料進行分析，為研究區(qū)乃至東部渤海灣地區(qū)頁巖油氣目標(biāo)層段的選取和有利區(qū)的圈定提供指導(dǎo).

1 區(qū)域地質(zhì)背景

遼河坳陷位于渤海灣盆地東北部，東臨遼東地塊，西接燕遼沉降帶，是發(fā)育于華北地臺中、新生代斷陷盆地的一級構(gòu)造單元[20](見圖1).在經(jīng)過古近紀(jì)構(gòu)造變動和沉積后，遼河坳陷基底形成隆凹相間展布的6個構(gòu)造單元，總體上呈NE向展布，形成“三凹”“三凸”的構(gòu)造格局.在盆地發(fā)育過程中，斷裂活動強烈，控制各凹陷的邊界和古近系的沉積范圍.研究區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于3個主力生油凹陷(大民屯凹陷、西部凹陷、東部凹陷)沙四段—沙三段地層，以半深湖—深湖沉積為主，連續(xù)厚度為30～200 m.

圖1 遼河坳陷區(qū)域位置

2 富有機質(zhì)頁巖識別方法

利用測井資料識別烴源巖最常用的是ΔlgR方法，已成功應(yīng)用于我國松遼盆地等地區(qū)的源巖評價[21-22].根據(jù)富有機質(zhì)頁巖測井曲線“四高一低”特征(自然伽馬、電阻率、聲波時差及中子孔隙度值較高，密度值較低)，優(yōu)化ΔlgR方法(見圖2[13])，將反映地層孔隙度變化的聲波時差曲線(AC)和電阻率曲線(RT、R25及RLLD)疊合在一起，構(gòu)成ΔlgR綜合判別曲線，若兩條曲線基本重合，則反映地層飽含水但缺乏有機質(zhì)；若兩條曲線存在ΔlgR幅度差(AC曲線左突起，電阻率曲線右突起)，則反映烴源巖地層富含有機質(zhì)及含烴儲集層段之間的巖性差異(見圖2(b)).

圖2 Δlg R法評價有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

在定性識別的基礎(chǔ)上，采用交會圖—疊合圖技術(shù),確定TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%的巖性段測井曲線定量解釋閾值(見圖3).建立TOC測井解釋模型，由于測井系列AC、GR、RT與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有一定的正相關(guān)關(guān)系，并且AC與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性最好，對AC與TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行線性擬合：AC=4.24w(TOC)+247.13，R2=0.860；設(shè)置TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%的AC閾值為255 μs/m，分別作聲波時差與自然伽馬、電阻率的交會圖，確定TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時GR閾值為55 API，RT閾值為36 Ω·m.

圖3 交會圖技術(shù)解釋TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)

利用ΔlgR和多元線性回歸方法解釋TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用ΔlgR方法擬合：

w(TOC)=0.028 1AC+11.746lgRT-24.513,R2=0.889.

采用多元線性回歸方法擬合：

w(TOC)=0.004 0AC+0.052CNL-2.060DEN+0.002RT+0.072GR-0.822，R2=0.934.

利用ΔlgR和多元線性擬合方法，分別對關(guān)鍵井(高60、雷37和沈224井)進行TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算，結(jié)果見圖4和圖5.通過與實測結(jié)果對比，多元線性回歸方法結(jié)果相關(guān)關(guān)系更好,選用優(yōu)化后的多元線性回歸方法進行遼河坳陷富有機質(zhì)頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)解釋.

圖4 遼河坳陷西部凹陷沙四段-沙三段TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)Δlg R方法測井解釋結(jié)果

圖5 遼河坳陷西部凹陷沈224井沙四段TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)多元線性回歸方法測井解釋結(jié)果

3 富有機質(zhì)頁巖縱向和橫向發(fā)育特征

具有一定連續(xù)厚度的單層泥頁巖段或砂層隔層薄，并且砂巖層數(shù)少的頁巖段是頁巖油氣勘探的優(yōu)選層段.由圖4和圖5分析關(guān)鍵井單層富有機質(zhì)泥頁巖的連續(xù)厚度、單層大于30 m的富有機質(zhì)泥頁巖的連續(xù)累計厚度(見表1)，再結(jié)合曙125—曙118—曙112—雷36—雷53—雷35井南北向連井對比剖面(見圖6)，綜合評價富有機質(zhì)泥頁巖的縱向和橫向發(fā)育特征.遼河坳陷西部凹陷富有機質(zhì)泥頁巖主要集中發(fā)育于沙三下亞段中下部和沙四上亞段中上部，且差異性較為突出.由表1和圖6可以看出，在縱向上，沙四上亞段表現(xiàn)頻繁的“砂泥互層”特征，富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育的連續(xù)性明顯沒有沙三下亞段的好；沙三段富有機質(zhì)泥頁巖的單層厚度及累計厚度較沙四段的大.在橫向上，沙三段富有機質(zhì)頁巖井間對比性較好，厚度分布在50～180 m之間，在曙125井和曙118井地區(qū)厚度較大，約為150 m；沙四段富有機質(zhì)頁巖厚度較薄，厚度主要分布在20～120 m之間，由南向北逐漸減薄.可見，沙三下亞段富有機質(zhì)頁巖發(fā)育條件較好，更有利于頁巖氣的富集.

表1 遼河坳陷西部凹陷關(guān)鍵井沙四段—沙三段富有機質(zhì)泥頁巖厚度統(tǒng)計

Table 1 The thickness statistical table of Es4-Es3 organic-rich shale of western sag in Liaohe depression

單位：m

圖6 遼河坳陷西部凹陷沙四段—沙三段富有機質(zhì)頁巖南北向連井剖面

4 富有機質(zhì)頁巖平面展布特征

研究區(qū)富有機質(zhì)頁巖厚度大且分布面積廣，由于存在構(gòu)造沉降差異，富有機質(zhì)頁巖發(fā)育在時間上和規(guī)模上存在一定差異性，主要選取單層連續(xù)厚度大于30 m，并且w(TOC)>2.0%的富有機質(zhì)頁巖層段作為基本作圖單元.以縱向、橫向發(fā)育條件較好的沙三下亞段為例，繪制遼河坳陷富有機質(zhì)頁巖厚度分布圖(見圖7).與傳統(tǒng)烴源巖厚度分布圖具有較大的差別，它扣除單層連續(xù)厚度小于30 m,并且w(TOC)<2.0%的有效烴源巖的厚度，突出對于頁巖油氣勘探具有重要意義的部分富有機質(zhì)頁巖厚度.

在遼河坳陷西部凹陷，富有機質(zhì)泥頁巖面積分布廣、厚度大，呈現(xiàn)“南厚北薄”的特征，平均厚度約為75.20 m，其中清水洼陷富有機質(zhì)泥頁巖的厚度最大，約為200.00 m；厚度大于90 m的富有機質(zhì)泥頁巖的分布面積為210.26 km2.在遼河坳陷東部凹陷，總體上呈現(xiàn)南北厚中間薄的“啞鈴狀”分布特征，平均厚度約為70.00 m，其中南部地區(qū)駕掌寺洼陷厚度最大，約為95.00 m；厚度大于85 m的富有機質(zhì)泥頁巖的分布面積為372.70 km2.在大民屯凹陷，富有機質(zhì)泥頁巖主要分布于榮勝堡洼陷中心及大民屯地區(qū)，平均厚度約為40.00 m，其中洼陷周圍高部位的富有機質(zhì)泥頁巖厚度較薄，一般低于60 m；厚度大于65 m的富有機質(zhì)泥頁巖的分布面積為216.65 km2.

因此，富有機質(zhì)頁巖發(fā)育較好的地區(qū)主要分布于西部凹陷西部斜坡帶的西北部、陳家洼陷和北部牛心坨地區(qū).

圖7 遼河坳陷沙三下亞段富有機質(zhì)泥頁巖厚度等值線

5 結(jié)論

(1)結(jié)合測井曲線特征和交會圖技術(shù)優(yōu)化多元線性回歸和ΔlgR方法，對富有機質(zhì)頁巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的解釋更為合理，利用AC、GR、RT測井系列進行多元線性擬合得到的富有機質(zhì)頁巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)更為準(zhǔn)確.

(2)遼河坳陷富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于沙四上亞段上部和沙三下亞段中下部，且沙三下亞段發(fā)育情況優(yōu)于沙四下亞段的.在主力生油凹陷中心地區(qū)，富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育的厚度大、連續(xù)性好、分布穩(wěn)定，在鄰近斜坡地區(qū)表現(xiàn)頻繁的“砂泥互層”的特征，厚度迅速減薄.沙三下亞段中下部為頁巖油氣勘探的首選層位.

(3)遼河坳陷沙四上段—沙三下亞段富質(zhì)泥頁巖單層連續(xù)厚度較大，并且平面上分布較穩(wěn)定的地區(qū)主要集中于西部凹陷西部斜坡帶的西北部、陳家洼陷和北部牛心坨地區(qū)，也為頁巖油氣富集的最有利地區(qū).

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2015-09-01；編輯：任志平

國家自然科學(xué)基金項目(41372139)；國家科技重大專項(2011ZX05018-001-002)

石佳玉(1992-)，女，碩士研究生，主要從事非常規(guī)油氣構(gòu)造及裂縫方面的研究.

TE121.1

A

2095-4107(2015)06-0038-07

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.06.005