陳斐然, 陳踐發(fā), 姜呈馥, 史鵬, 董勁, 陳娟, 楊春龍

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 2.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 3.延長石油集團有限責(zé)任公司, 陜西 西安 710075)

0 引 言

通過對32個國家頁巖氣資源量的初步評價,頁巖氣的開發(fā)可使全球天然氣可采資源量增加40%以上[1]。中國也開展了大量關(guān)于頁巖氣前期資源評價及相關(guān)勘探開發(fā)實驗的研究[2-5],初期勘探成果表明中國頁巖氣資源潛力巨大[6]。對鄂爾多斯盆地三疊系延長組富有機質(zhì)頁巖層段的初步研究結(jié)果表明,該區(qū)頁巖厚度大,有機碳含量較高,具有較好的頁巖氣資源潛力[7]。目前,延長油田股份有限公司已在探區(qū)內(nèi)成功部署了中國第1批陸相頁巖氣探井,并且已在研究區(qū)內(nèi)的柳評177井長7段獲得工業(yè)氣流,證明了陸相頁巖氣的存在[8]。

頁巖原地總含氣量的估算主要包括頁巖的吸附氣和游離氣部分以及富有機質(zhì)頁巖層段的厚度[9-12]。在控制頁巖氣生成與聚集的諸多因素中,總有機碳含量(TOC)被普遍認為是評價頁巖氣成藏及進行產(chǎn)能預(yù)測的關(guān)鍵性參數(shù)[11,13-15]。這主要是由于頁巖中的有機質(zhì)不僅是頁巖生氣的物質(zhì)基礎(chǔ),決定著頁巖的生烴強度,也是頁巖吸附氣的載體之一,決定著頁巖的吸附氣量[16]。前人研究發(fā)現(xiàn)TOC與頁巖甲烷吸附能力之間存在著較好的正相關(guān)性[16-21]。

為精確評價陸相頁巖氣經(jīng)濟潛力,估算頁巖原地總含氣量,需要對頁巖的空間分布特征進行精細刻畫。但由于受現(xiàn)場采樣、實驗費用及實驗時間的限制,實際工作中很難得到整個頁巖層段連續(xù)的TOC值,因此可以借助測井資料連續(xù)性好及垂向分辨率高的優(yōu)勢,利用不同測井曲線對有機質(zhì)及圍巖物理特性的異常響應(yīng),對富有機質(zhì)頁巖進行識別和評價。國內(nèi)外學(xué)者對泥頁巖測井評價方法及測井響應(yīng)特征已經(jīng)做了大量的研究與闡述[22-33],但不同的方法均具有一定的局限性和適用范圍。

本文在綜合整理國內(nèi)外學(xué)者提出的多種關(guān)于利用測井信息評價泥頁巖方法的基礎(chǔ)上,將各方法在研究區(qū)進行實際應(yīng)用對比,并結(jié)合研究區(qū)實際情況進行優(yōu)選;利用優(yōu)選出的方法對研究區(qū)各資料井的TOC進行擬合,分區(qū)間進行統(tǒng)計,精細刻畫研究區(qū)長7、長9段不同TOC區(qū)間段泥頁巖厚度。

1 研究區(qū)泥頁巖地質(zhì)特征

研究區(qū)主要位于陜北斜坡的東南部,主體位于陜西省延安市。研究目的層為三疊系延長組長7段和長9段,其中上三疊統(tǒng)延長組是發(fā)育在穩(wěn)定沉降時期的湖相碎屑巖層系,湖盆經(jīng)歷了一個完整的湖侵湖退沉積旋回[34]。

長7段為湖盆最大的擴張時期,沉積厚度80～150 m,巖性主要為暗色頁巖、碳質(zhì)泥巖、油頁巖夾薄層細砂巖。根據(jù)巖性特征可進一步劃分為3個亞段。長7段底部為一套灰黑色半深湖相油頁巖,頁理一般較發(fā)育,測井響應(yīng)特征明顯,是一套較好的區(qū)域性標志層。

長9段發(fā)育在湖侵時期,受西南邊緣斷裂活動影響,以三角洲及半深湖相沉積為主,厚度范圍在90～120 m,頂部發(fā)育一套區(qū)域穩(wěn)定分布的“李家畔”頁巖,厚度約為20 m。

2 測井評價方法

2.1 泥頁巖測井響應(yīng)特征

測井信息評價富有機質(zhì)頁巖的基本原理主要是利用不同測井工具對巖石有機質(zhì)含量的特征響應(yīng)。其中富有機質(zhì)的沉積物通常具有幾個明顯的物理特征:高放射性、低密度、高氫含量,一般不導(dǎo)電或?qū)щ娦圆?。自然伽馬、聲波、密度及電阻率測井曲線一般對富有機質(zhì)泥頁巖都會有一個明顯的響應(yīng)特征。

富有機質(zhì)泥頁巖的自然伽馬值一般高于其他常規(guī)泥頁巖或泥灰?guī)r,并且?guī)r石的總有機碳含量與自然伽馬曲線之間常存在著正相關(guān)的線性關(guān)系[35]。這主要是由于有機質(zhì)對鈾元素的吸附性較強,導(dǎo)致鈾元素會在有機質(zhì)中富集。

密度測井曲線顯示巖石的密度與有機碳含量之間存在著負相關(guān)關(guān)系,這是由于有機質(zhì)的密度小于巖石的其他固體成分[32,35-37]。隨著有機質(zhì)含量增加,巖石的聲波時差也會增大,聲波測井與有機質(zhì)豐度之間的這種正相關(guān)性已經(jīng)得到許多學(xué)者的論證[36-37]。

由于有機質(zhì)的非導(dǎo)電性,它的存在會導(dǎo)致巖石的電阻率增加。以前也有許多學(xué)者曾在成熟烴源巖中觀察到電阻率急劇增加的現(xiàn)象[38-40],然而,與孔隙度曲線不同的是電阻率與泥頁巖有機質(zhì)豐度之間的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系,有機質(zhì)對巖石導(dǎo)電性的影響除了厚度以外,還有成熟度的影響。

2.2 測井評價方法

從20世紀70年代開始,富有機質(zhì)泥頁巖就被作為常規(guī)油氣的烴源巖層進行研究,經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展,提出了很多方案與方法(見表1)。從最早期的模型驅(qū)動方法,到模型結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動,再到近年來興起的純數(shù)據(jù)驅(qū)動,不同的測井評價方法具有不同的適用范圍,且不同擬合計算方法在同一地區(qū)得到的結(jié)果也存在一定的差異[28-33]。這主要是由于各方法提出的區(qū)域地質(zhì)背景及特定條件的不同。因此在進行測井評價之前應(yīng)當對各方法進行實際應(yīng)用對比,優(yōu)選出適用于研究區(qū)的測井評價方法。

表1 利用測井信息評價烴源巖各主要方法總結(jié)

3 方法應(yīng)用及優(yōu)選

將前人提出的幾種測井評價方法在下寺灣地區(qū)進行實際應(yīng)用,對該區(qū)YY-12井的TOC進行擬合。通過擬合結(jié)果與實測值對比,繪制綜合對比柱狀圖(見圖1),可以看出Schmoker[28]提出的第1種密度圖版法擬合結(jié)果明顯偏小,與實測值不存在線性關(guān)系,均方誤差較大(見表2);同樣,Schmoker[30]提出的自然伽馬法擬合結(jié)果與實測TOC相比也偏小,而且在貧有機質(zhì)泥頁巖層段擬合結(jié)果普遍偏大,擬合效果較差。

應(yīng)用Schmoker[31]提出的第2種密度圖版法及Myers[41]提出的新密度圖版法擬合效果相對較好,均方誤差分別為1.39與2.22。同前2種方法相比具有一定的可適用性,但在貧有機質(zhì)泥頁巖層段擬合結(jié)果整體偏大,穩(wěn)定性較差。同樣,應(yīng)用Huang[33]提出的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演法(BP-ANN)在取樣層段擬合效果較好,但在其他層段擬合值明顯偏高,說明該方法擬合結(jié)果的準確性與該地區(qū)訓(xùn)練樣本(即樣品實測值)的分布范圍與數(shù)量密切相關(guān)。

本文最終選用穩(wěn)定性更強(均方誤差為1.28)、應(yīng)用條件較少(僅需聲波與電阻率曲線)的ΔlogR法[32]作為該地區(qū)測井評價泥頁巖的主要方法進行推廣應(yīng)用。

表2 YY-12井擬合TOC值與實測值均方誤差對比

4 陸相頁巖測井評價

4.1 建立Δlog R模型

Passey等提出的ΔlogR方法是一種模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的方法[32]。該方法主要是利用聲波曲線與電阻率曲線的疊加擬合泥頁巖的有機質(zhì)豐度,考慮到成熟度值選取的不便性及容易產(chǎn)生整體的偏差,國內(nèi)學(xué)者多采用改進后的ΔlogR方法進行相關(guān)評價[42-44]

TOC=A×ΔlogR+B

(1)

式中,A為擬合系數(shù);ΔlogR被定義于聲波曲線與電阻率曲線的間隔;B為與ΔlogR相關(guān)的常數(shù)。

本文選用實測TOC數(shù)據(jù)較多的YY-9井作為標準井,應(yīng)用改進后的ΔlogR方法建立研究區(qū)測井評價富有機質(zhì)泥頁巖的模型(見圖2)

TOC=2.229×ΔlogR+0.188

(2)

為檢驗該模型的實用性,選取YY-8井作為檢驗井,應(yīng)用該模型擬合YY-8井的TOC,并將擬合TOC與實測TOC進行比較,發(fā)現(xiàn)二者誤差較小,相關(guān)系數(shù)R2接近0.83(見圖3)。結(jié)果表明應(yīng)用該方法計算研究區(qū)頁巖的TOC可信度高,適于在該區(qū)推廣應(yīng)用。

圖2 標準井YY-9井Δlog R值與實測TOC關(guān)系

圖3 檢驗井YY-8井擬合TOC與實測TOC關(guān)系

4.2 頁巖空間分布

4.2.1 縱橫向分布

依據(jù)建立的ΔlogR評價模型對研究區(qū)62口探井的頁巖主要分布層段(長7、長9段)TOC進行測井擬合,依據(jù)擬合結(jié)果對富有機質(zhì)頁巖層段進行精細刻畫。從繪制的連井剖面圖中可以看出,①縱向上,長7段富有機質(zhì)頁巖主要分布在長7段中下部,有機碳含量主要分布在3.5%～6.5%,最高可達到10.0%以上,單層厚度較大,分布中心區(qū)厚度可達到70 m以上;長9段富有機質(zhì)頁巖所占比例相對較低,主要分布在長9段頂部,厚度約為20 m,TOC可達4.0%～6.0%;長8段與長9段中下部以泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖為主,有機碳含量相對較低,有部分暗色泥巖夾層。②橫向上,長7段富有機質(zhì)頁巖厚度由西向東有明顯變薄的趨勢(由70 m減至20 m左右),而長9段頁巖厚度卻有略微增加(見圖4),這說明在該時期內(nèi)研究區(qū)分布中心由西向東方向發(fā)生偏移。

圖4 研究區(qū)LP171—YY11—YY6—X57—X59地層對比圖

4.2.2 平面展布

通過對研究區(qū)內(nèi)62口井富有機質(zhì)頁巖層段的TOC進行擬合并統(tǒng)計,在單井綜合研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合沉積相平面展布及相關(guān)資料的研究,由點到面,由單井綜合柱狀圖到連井剖面圖,再分TOC區(qū)間繪制研究區(qū)富有機質(zhì)頁巖的平面厚度等值線圖(見圖5、圖6)。

圖5 研究區(qū)長7段泥頁巖TOC(>1.0%)平面厚度圖

圖6 研究區(qū)長9段泥頁巖TOC(>1.0%)平面厚度圖

研究區(qū)長7段富有機質(zhì)頁巖厚度存在由西南向東北逐漸減薄的趨勢,TOC>1.0%頁巖厚度范圍主要分布在20～100 m(見圖5),TOC>2.0%頁巖厚度主要在10～80 m,厚度最大部分出現(xiàn)在研究區(qū)西南角,推測該區(qū)為研究區(qū)富有機質(zhì)頁巖分布中心。

長9段整體地層厚度較厚,中下部包含大段泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖(TOC<2.0%),其中TOC>1.0%的泥頁巖厚度普遍可達到50 m以上(見圖6);但長9段TOC>2.0%以上的富有機質(zhì)頁巖層段厚度所占比例較小(主要分布于頂部),僅占地層總厚度的20%左右,厚度范圍在10～30 m。分布中心同長7段相比,發(fā)生了明顯的東北方向的偏移,由研究區(qū)西南部轉(zhuǎn)移至中部。

5 結(jié) 論

(1) 通過對各測井評價方法對比研究,發(fā)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法擬合的TOC結(jié)果明顯優(yōu)于單純的模型驅(qū)動方法,這主要是由于模型驅(qū)動圖版法的提出具有一定的地質(zhì)背景特定性及條件假設(shè)性,因此實際推廣適用性不強。

(2) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演法(BP-ANN)在實測TOC層段擬合效果較好,但在貧有機質(zhì)泥頁巖層段的擬合結(jié)果明顯偏高,整體評價較差,而ΔlogR法擬合泥巖的TOC含量與實測數(shù)據(jù)較一致、應(yīng)用條件較少可在研究區(qū)推廣應(yīng)用。

(3) 長7段富有機質(zhì)頁巖主要分布在長7段中下部,有機碳含量主要分布在3.5%～6.5%,最高可達10.0%,單層厚度較大;長9段富有機質(zhì)頁巖主要分布在長9段頂部,厚度約為20 m,TOC可達4.0%～6.0%。

(4) 研究區(qū)長7段富有機質(zhì)頁巖厚度存在由西南向東北逐漸減薄的趨勢,富有機質(zhì)頁巖的分布中心位于研究區(qū)西南部,TOC>1.0%頁巖厚度范圍主要分布在20～100 m,TOC>2.0%頁巖厚度主要在10～80 m;長9段沉積中心轉(zhuǎn)移至研究區(qū)中部,富有機質(zhì)頁巖層段(TOC>2.0%)厚度所占比例較小,僅占地層總厚度的20%左右,厚度范圍在10～30 m。

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要使馬鈴薯獲得優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)，選擇適宜馬鈴薯生長的土壤十分重要，種植馬鈴薯的地塊應(yīng)該滿足以下兩個基本條件：一是選擇土壤肥沃、地勢平坦、排灌方便、土層深厚、土質(zhì)疏松的微酸性沙壤土或壤土進行栽培。二是選擇三年內(nèi)沒栽培過馬鈴薯、番茄、辣椒、茄子等茄科作物的地塊，以減少病蟲害的發(fā)生。前茬最好為豆科、十字花科、禾谷類等作物，如以大豆、油菜、蔥、大蒜作為前茬作物，還可有效防止細菌性青枯病的危害。

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