陳四平， 譚 判， 石文睿， 趙紅燕

（1. 中石化江漢石油工程有限公司，湖北潛江 433124；2. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)），四川成都610500）

頁巖氣開發(fā)過程中，頁巖氣產(chǎn)量是頁巖儲層特征和壓裂改造的綜合響應(yīng)。地質(zhì)與工程雙優(yōu)質(zhì)儲層是在地質(zhì)優(yōu)質(zhì)儲層的基礎(chǔ)上尋找利于壓裂施工的工程優(yōu)質(zhì)儲層，從而找到地質(zhì)與工程“雙優(yōu)”的頁巖氣儲層。地質(zhì)與工程儲層綜合測井評價(jià)成果可為尋找地質(zhì)與工程“雙優(yōu)”頁巖氣儲層提供依據(jù)，其中頁巖氣甜點(diǎn)參數(shù)測井解釋模型和現(xiàn)場快速評價(jià)是關(guān)鍵。

國內(nèi)外不同地區(qū)頁巖氣儲層地質(zhì)和工程參數(shù)評價(jià)結(jié)果表明，采用地球物理和地球化學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式效果較好[1–4]。求取儲層地質(zhì)參數(shù)的代表性模型是美國鷹灘頁巖氣儲層參數(shù)模型，該模型是利用豐富的巖心分析數(shù)據(jù)和常規(guī)測井資料、采用多元統(tǒng)計(jì)方法建立的[5]，利用測井、地化和巖心化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)建立了多種計(jì)算總有機(jī)碳含量模型[6]，也常采用單因素交會圖法建立區(qū)域有機(jī)碳含量、孔隙度和成熟度等測井參數(shù)計(jì)算模型[7–8]。常根據(jù)測井資料采用區(qū)域性較強(qiáng)的通用模型[9–11]和綜合指標(biāo)模型[12]計(jì)算含氣量，現(xiàn)場常用綜合指標(biāo)參數(shù)法快速評價(jià)地質(zhì)甜點(diǎn)[13–15]。

在研究儲層地質(zhì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)工程一體化的評價(jià)方法識別和評價(jià)頁巖氣甜點(diǎn)[16–17]，也需要結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)、三維地震資料及其他資料，利用三維建模軟件建立涵蓋多個(gè)地質(zhì)甜點(diǎn)參數(shù)的三維地質(zhì)儲層模型，優(yōu)選地質(zhì)和工程甜點(diǎn)[18–19]，進(jìn)行頁巖氣井壓裂方案設(shè)計(jì)，取得了較好的壓裂效果[20]。

本文采用系統(tǒng)聚類法優(yōu)選出生物成因硅質(zhì)含量、總有機(jī)碳含量、含氣量等地質(zhì)評價(jià)參數(shù)與地層壓力系數(shù)、脆性指數(shù)、巖性非均質(zhì)性、烴對比系數(shù)等工程評價(jià)參數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域巖心化驗(yàn)分析資料和測井資料，建立了涪陵頁巖氣田關(guān)鍵參數(shù)測井解釋模型，并利用“試氣刻度測井技術(shù)”建立了綜合評價(jià)雙優(yōu)質(zhì)儲層的4級圖版和綜合評價(jià)指數(shù)識別方法。

1 評價(jià)參數(shù)優(yōu)選

頁巖氣儲層地質(zhì)評價(jià)參數(shù)可以歸結(jié)為4類，分別為巖石礦物類、含氣性類、生烴能力類和物性類。巖石礦物類參數(shù)主要包括巖性、巖相、泥質(zhì)含量和生物成因硅質(zhì)含量；儲層含氣性類參數(shù)主要包括含氣量、含水飽和度、電阻率和地化總烴；儲層生烴能力類參數(shù)主要包括總有機(jī)碳含量和鏡質(zhì)體反射率；儲層物性類參數(shù)主要包括補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差和孔隙度。工程儲層參數(shù)主要包括儲層巖性非均質(zhì)性、地層壓力、石英含量、埋深、烴對比系數(shù)、楊氏模量、泊松比、脆性指數(shù)和水平應(yīng)力差異系數(shù)。雖然將評價(jià)參數(shù)進(jìn)行了分類，但各參數(shù)并不是孤立存在的，它們之間存在著關(guān)聯(lián)，如總有機(jī)碳含量與含氣量具有很好的相關(guān)性，與補(bǔ)償密度也具有很好的相關(guān)性。

涪陵頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)區(qū)試氣資料和儲層地質(zhì)與工程評價(jià)數(shù)據(jù)較齊全，如何篩選出主要參數(shù)是綜合評價(jià)地質(zhì)與工程“雙優(yōu)”儲層的關(guān)鍵。結(jié)合試氣資料與地質(zhì)和工程評價(jià)參數(shù)，采用歐式距離平方法系統(tǒng)聚類分析各參數(shù)的重要程度，進(jìn)而優(yōu)選出評價(jià)參數(shù)。

系統(tǒng)聚類的思路是：首先根據(jù)批量數(shù)據(jù)或指標(biāo)找出能度量這些數(shù)據(jù)或指標(biāo)之間相似程度的統(tǒng)計(jì)量；然后以該統(tǒng)計(jì)量作為劃分類型的依據(jù)，把相似程度較大的變量（或樣品）首先聚合為一類，把相似程度較小的變量（或樣品）聚合為另一類，直到所有的變量（或樣品）都聚合完畢，最后根據(jù)各類之間的親疏關(guān)系（由歐式距離平方判斷），逐步繪制得到完整的分類系統(tǒng)圖。

1.1 地質(zhì)參數(shù)優(yōu)選

利用焦頁T井的各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)，定性分析各地質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性（結(jié)果見表1），發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量與生物成因硅質(zhì)含量、總有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率、聲波時(shí)差、孔隙度等參數(shù)的相關(guān)性較好，與巖性、巖相等其他參數(shù)的相關(guān)性較差；含氣量、電阻率、地化總烴含量等參數(shù)與泥質(zhì)含量的相關(guān)性好；生物成因硅質(zhì)含量與巖性、泥質(zhì)含量的相關(guān)性較差，與其他參數(shù)的相關(guān)性較好。選取焦頁T井10組分段計(jì)算與產(chǎn)量相關(guān)的參數(shù)，并根據(jù)巖性、巖相與產(chǎn)量的相關(guān)性進(jìn)行標(biāo)記。地質(zhì)參數(shù)主要利用測井資料求取。

表 1 地質(zhì)參數(shù)相關(guān)性矩陣Table 1 Correlation matrix of geological parameters

在分析地質(zhì)參數(shù)相關(guān)性的基礎(chǔ)上，采用歐式距離平方法進(jìn)行聚類分析，結(jié)果分為2類（見圖1）：一類與產(chǎn)量密切相關(guān)，包括總有機(jī)碳含量、孔隙度、聲波時(shí)差、生物成因硅質(zhì)含量、鏡質(zhì)體反射率、含氣量和泥質(zhì)含量；另一類與產(chǎn)量的相關(guān)性差，包括巖相、地化總烴含量、電阻率、含水飽和度、補(bǔ)償密度和巖性。

圖 1 地質(zhì)參數(shù)聚類圖譜Fig.1 Clustering map of geological parameters

在地質(zhì)參數(shù)聚類成果（見圖2）中，與產(chǎn)量最近的參數(shù)是生物成因硅質(zhì)含量，其次是鏡質(zhì)體反射率、含氣量。與人為劃分的4類參數(shù)比較，巖性及礦物類參數(shù)中生物成因硅質(zhì)含量和泥質(zhì)含量與產(chǎn)量最近；含氣性類參數(shù)中含氣量與產(chǎn)量最近；生烴能力類參數(shù)中鏡質(zhì)體反射率、總有機(jī)碳含量與產(chǎn)量最近；儲層物性類參數(shù)中聲波時(shí)差與產(chǎn)量最近。結(jié)合利用測錄井資料評價(jià)儲層的經(jīng)驗(yàn)，以生物成因硅質(zhì)含量、總有機(jī)碳含量、含氣量、孔隙度、泥質(zhì)含量、補(bǔ)償密度為主選參數(shù)；電阻率、聲波時(shí)差、鏡質(zhì)體反射率、含水飽和度、地化總烴含量為備選參數(shù)。當(dāng)區(qū)域地質(zhì)情況較清楚時(shí)，可直接選用主選參數(shù)；評價(jià)新區(qū)新井時(shí)，可對備選參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)分析后加入主選參數(shù)。

圖 2 地質(zhì)參數(shù)聚類分析結(jié)果Fig.2 Clustering analysis result of geological parameters

1.2 工程參數(shù)優(yōu)選

采用與地質(zhì)參數(shù)優(yōu)選相同的方法，對工程參數(shù)進(jìn)行分析。由工程參數(shù)相關(guān)性矩陣（見表2）可看出：與產(chǎn)量相關(guān)性較好的參數(shù)有地層壓力、石英含量、脆性指數(shù)、泊松比、破裂壓力和水平應(yīng)力差異系數(shù)、巖性非均質(zhì)性；烴對比系數(shù)、楊氏模量與產(chǎn)量的相關(guān)性較差。

表 2 工程參數(shù)相關(guān)性矩陣Table 2 Correlation matrix of engineering parameters

根據(jù)聚類分析結(jié)果（見圖3和圖4），將工程參數(shù)分為2類：一類是與產(chǎn)量距離較近的，包括石英含量、地層壓力、水平應(yīng)力差異系數(shù)、脆性指數(shù)、巖性非均質(zhì)性、楊氏模量和烴對比系數(shù)；另一類是與產(chǎn)量距離較遠(yuǎn)的，包括泊松比和破裂壓力。

圖 3 工程參數(shù)聚類圖譜Fig.3 Clustering map of engineering parameters

圖 4 工程參數(shù)聚類分析結(jié)果Fig.4 Clustering analysis result of engineering parameters

結(jié)合利用測錄井資料評價(jià)儲層的經(jīng)驗(yàn)，將地層壓力系數(shù)、石英含量、水平應(yīng)力差異系數(shù)、脆性指數(shù)、巖性非均質(zhì)性和烴對比系數(shù)作為主選參數(shù)；將破裂壓力、楊氏模量和泊松比作為備選參數(shù)。在區(qū)域地質(zhì)情況較清楚的情況下，可直接選用主選參數(shù)；在埋深變化不大的情況下，可不考慮埋深的影響。在地層產(chǎn)狀變化快、微幅構(gòu)造較多的情況下將破裂壓力加入主選參數(shù)。

2 解釋模型

國內(nèi)外已有很多利用測井資料評價(jià)頁巖氣儲層參數(shù)的模型，可以借鑒。本文的思路是：在優(yōu)選地質(zhì)與工程評價(jià)參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇區(qū)域巖心化驗(yàn)分析資料和測井資料，采用“巖心刻度測井技術(shù)”，建立適合涪陵頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)區(qū)地質(zhì)與工程評價(jià)關(guān)鍵參數(shù)的測井解釋模型。

利用焦頁T井生物成因硅質(zhì)含量與實(shí)測總有機(jī)碳含量、測井鈾（U）含量，采用麥夸特法和通用全局優(yōu)化法，回歸得到生物成因硅質(zhì)含量與實(shí)測總有機(jī)碳含量和測井鈾（U）含量的關(guān)系式：

式中：Os為生物成因硅質(zhì)含量，%；TOC為巖心有機(jī)碳含量，%；φ（U）為測井鈾含量，%。

利用巖心分析氦氣孔隙度、測井體積密度、聲波時(shí)差和補(bǔ)償中子，采用三孔隙度交會擬合法，建立頁巖孔隙度計(jì)算模型：

式中：φ為巖心分析氦氣孔隙度，%；ρ為測井體積密度，g/cm3；Δt為聲波時(shí)差，μs/m；φCNL為測井補(bǔ)償中子，%。

單因素相關(guān)性分析結(jié)果表明，巖心總有機(jī)碳含量與測井體積密度的相關(guān)性最好，采用擬合方法建立平橋背斜帶總有機(jī)碳含量與密度測井解釋模型：

選取焦頁S井21個(gè)深度點(diǎn)的總含氣量、有機(jī)碳含量、地化總烴含量、生物成因硅質(zhì)含量、泥質(zhì)含量、孔隙度及頁巖密度，綜合分析有機(jī)碳含量、地化總烴、生物成因硅質(zhì)含量、泥質(zhì)含量、孔隙度、密度與含氣量的關(guān)系。按照交叉取樣的原則，取單數(shù)序號的11組數(shù)據(jù)作為擬合數(shù)據(jù)，另外10組數(shù)據(jù)為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸方法回歸得到含氣量的計(jì)算模型：

式中：wg為頁巖總含氣量，m3/t；wgh為地化總烴含量，mg/g；Vsh為泥質(zhì)含量，%。

3 “雙優(yōu)”儲層綜合評價(jià)方法

利用涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊28口井73個(gè)產(chǎn)氣剖面測試數(shù)據(jù)，首先采用系統(tǒng)聚類法優(yōu)選地質(zhì)與工程評價(jià)參數(shù)，根據(jù)灰度關(guān)聯(lián)理論確定各評價(jià)參數(shù)的權(quán)重；然后計(jì)算頁巖氣的地質(zhì)和工程指數(shù)，建立頁巖氣儲層地質(zhì)與工程綜合評價(jià)圖版。

3.1 參數(shù)權(quán)重確定

分為m段的儲層與n個(gè)評價(jià)參數(shù)組成一個(gè)m×n的關(guān)聯(lián)矩陣E，其中Uij為第i個(gè)評價(jià)對象的第j個(gè)評價(jià)參數(shù)的數(shù)值。對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行初值化變換或均值化變換，確定每列中最大序列值為1，其他序列值跟該最大序列值相比變?yōu)樾∮?的數(shù)值，然后將極性不一致的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為極性一致的數(shù)據(jù)，再計(jì)算同一評價(jià)對象各比較序列與參考序列之間的差序列及其極值。

各參數(shù)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度為：

式中：r(i)為第i個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)度；m為評價(jià)層段數(shù)量；Δmin為兩極最小差；Δmax為兩極最大差； ?(k)為產(chǎn)量序列與評價(jià)參數(shù)序列的絕對差。

參數(shù)關(guān)聯(lián)度歸一化公式為：

式中：ai為第i個(gè)參數(shù)的權(quán)重。

利用式（5）和式（6）處理焦石壩區(qū)塊28口井73個(gè)頁巖氣井段產(chǎn)氣剖面測試資料，獲得了地質(zhì)與工程評價(jià)各參數(shù)的權(quán)重：地質(zhì)參數(shù)總有機(jī)碳含量、含氣量、生物成因硅質(zhì)含量、孔隙度、泥質(zhì)含量和補(bǔ)償密度的權(quán)重分別為0.18，0.18，0.17，0.16，0.16和0.16；工程參數(shù)巖性非均質(zhì)性、水平應(yīng)力差異系數(shù)、石英含量、烴對比系數(shù)、地層壓力系數(shù)和脆性指數(shù)的權(quán)重分別為0.19，0.19，0.16，0.16，0.15和0.15。

3.2 地質(zhì)指數(shù)確定

根據(jù)頁巖氣水平井分段壓裂分方案，按照儲層產(chǎn)量評價(jià)地質(zhì)參數(shù)賦分標(biāo)準(zhǔn)（見表3），分別對每段頁巖氣儲層地質(zhì)參數(shù)補(bǔ)償密度、總有機(jī)碳含量、有效孔隙度、補(bǔ)償中子、泥質(zhì)含量、生物成因硅質(zhì)含量和含氣量等賦分，然后各參數(shù)分值乘以權(quán)重并求和，即得到地質(zhì)指數(shù)。

表 3 地質(zhì)參數(shù)評價(jià)賦分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Scoring criteria for geological parameters evaluation

3.3 工程指數(shù)確定

按照儲層產(chǎn)量評價(jià)工程參數(shù)賦分標(biāo)準(zhǔn)（見表4）分別給單段頁巖氣儲層工程參數(shù)巖性非均質(zhì)性、烴對比系數(shù)、地層壓力系數(shù)、脆性指數(shù)、地應(yīng)力差異系數(shù)、石英含量等賦分，然后各參數(shù)分值乘以權(quán)重求和，即得到工程指數(shù)。

表 4 工程參數(shù)評價(jià)賦分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Scoring criteria for engineering parameters evaluation

3.4 評價(jià)方法

參考地質(zhì)、工程參數(shù)評價(jià)賦分標(biāo)準(zhǔn)，建立頁巖氣儲層地質(zhì)–工程指數(shù)評價(jià)圖版（見圖5），評價(jià)儲層類型。圖5將頁巖氣儲層分為4類：工程指數(shù)和地質(zhì)指數(shù)均大于等于0.75時(shí)為Ⅰ類儲層，即優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層；工程指數(shù)和地質(zhì)指數(shù)均大于等于0.50且小于0.75時(shí)為Ⅱ類儲層，即中等頁巖氣儲層；工程指數(shù)和地質(zhì)指數(shù)均大于等于0.25且小于0.50時(shí)為Ⅲ類儲層，即低等頁巖氣儲層；工程指數(shù)和地質(zhì)指數(shù)均小于等于0.25時(shí)為Ⅳ類儲層，即非有效頁巖氣儲層。

4 方法驗(yàn)證

采用水平井開采頁巖氣，關(guān)鍵是提高水平井在優(yōu)質(zhì)儲層中的穿行率和優(yōu)選壓裂改造段。與人工分段相比，利用頁巖氣地質(zhì)與工程“雙優(yōu)”儲層評價(jià)方法可快速準(zhǔn)確地劃分出頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層并進(jìn)行分段，且人為干擾少。為提高頁巖氣地質(zhì)與工程“雙優(yōu)”儲層評價(jià)方法的實(shí)際應(yīng)用效率，采用最小值法（最小值法是對同一深度的地質(zhì)與工程指數(shù)，取小的指數(shù)作為綜合評價(jià)指數(shù)），建立了一種快速獲取頁巖氣儲層連續(xù)綜合評價(jià)指數(shù)的方法。

圖 5 頁巖氣儲層地質(zhì)–工程指數(shù)評價(jià)圖版Fig. 5 Geological-engineering index evaluation chart of shale gas reservoir

根據(jù)頁巖氣儲層地質(zhì)與工程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用頁巖氣水平井的地質(zhì)與工程指數(shù)，采用最小值法獲取頁巖氣儲層的連續(xù)綜合評價(jià)指數(shù)，并與實(shí)際產(chǎn)氣量對比，實(shí)現(xiàn)頁巖氣地質(zhì)與工程“雙優(yōu)”儲層快速分段。

采用頁巖氣地質(zhì)與工程“雙優(yōu)”儲層快速分段方法處理焦頁W井測井資料，按頁巖氣儲層的綜合評價(jià)指數(shù)將該井儲層分成18段（見圖6，圖中的各段貢獻(xiàn)率是根據(jù)產(chǎn)氣剖面計(jì)算出的每段產(chǎn)氣量占全井產(chǎn)氣量的比例）。由圖6可見，地質(zhì)和工程指數(shù)均較高井段的產(chǎn)氣量明顯高于兩指數(shù)均較低的井段。

圖 6 焦頁W井綜合評價(jià)指數(shù)成果圖Fig.6 Comprehensive evaluation index results of Well Jiaoye W

同樣，應(yīng)用該方法處理涪陵頁巖氣田二期產(chǎn)建區(qū)平橋區(qū)塊28口井的測井資料，根據(jù)綜合評價(jià)指數(shù)計(jì)算方法和地質(zhì)分段方法，進(jìn)行頁巖氣測錄井地質(zhì)與工程優(yōu)質(zhì)儲層評價(jià)和地質(zhì)分段解釋。統(tǒng)計(jì)各井的測試產(chǎn)氣量和計(jì)算出的綜合評價(jià)指數(shù)，發(fā)現(xiàn)測試產(chǎn)氣量與綜合評價(jià)指數(shù)具有較好的正相關(guān)關(guān)系（見圖7），說明綜合評價(jià)指數(shù)能夠反映頁巖氣儲層與產(chǎn)氣量的關(guān)系。另外，分析不同測試產(chǎn)氣量情況下綜合評價(jià)指數(shù)與“雙優(yōu)”儲層穿行長度的關(guān)系（見圖8），發(fā)現(xiàn)測試產(chǎn)氣量與綜合評價(jià)指數(shù)和“雙優(yōu)”儲層穿行長度具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)可利用頁巖氣“雙優(yōu)”儲層評價(jià)方法評價(jià)儲層。

圖 7 單井測試產(chǎn)氣量與綜合評價(jià)指數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between single well test gas production and comprehensive evaluation index

圖 8 測試產(chǎn)氣量與綜合評價(jià)指數(shù)、雙優(yōu)儲層穿行長度的關(guān)系Fig.8 Relationship among test gas production and comprehensive evaluation index, crossing length in “2X Excellence” reservoir

5 結(jié) 論

1）利用涪陵頁巖氣田氣井的產(chǎn)氣剖面測試資料，采用系統(tǒng)聚類法優(yōu)選了涪陵頁巖氣田產(chǎn)能建設(shè)區(qū)的地質(zhì)和工程參數(shù)，并基于統(tǒng)計(jì)分析建立了涪陵頁巖氣田的測井解釋模型。

2）利用根據(jù)地質(zhì)和工程指數(shù)建立的“雙優(yōu)”儲層綜合評價(jià)圖版和頁巖氣儲層連續(xù)的綜合評價(jià)指數(shù)，可以快速準(zhǔn)確地劃分出頁巖氣優(yōu)質(zhì)儲層并進(jìn)行地質(zhì)分段。

3）分析涪陵頁巖氣田測井資料處理結(jié)果與相應(yīng)的測試產(chǎn)氣量發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)氣量與綜合評價(jià)指數(shù)及“雙優(yōu)”儲層穿行長度均呈正相關(guān)關(guān)系，證明可以利用“雙優(yōu)”儲層評價(jià)方法進(jìn)行儲層評價(jià)和地質(zhì)分段。