賴富強(qiáng)，李仕超，王 敏，劉粵蛟，鐘路路，黃兆輝，王海濤

(1.宜賓學(xué)院，四川 宜賓 644007；2.重慶科技學(xué)院復(fù)雜油田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；3.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

0 引 言

頁巖油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)在于對(duì)頁巖礦物組分的準(zhǔn)確識(shí)別[1-2]。泥頁巖的礦物成分對(duì)頁巖油儲(chǔ)層生烴能力和儲(chǔ)層的可壓裂改造性起到很重要的控制作用[3-6]。烴源巖的礦物成分是判斷優(yōu)質(zhì)頁巖油藏?zé)N源巖能否形成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要指標(biāo)，而頁巖油儲(chǔ)層的礦物組分多樣，巖性復(fù)雜多變，如何有效地識(shí)別出頁巖油儲(chǔ)層的礦物組分是頁巖油勘探開發(fā)的難點(diǎn)之一[7-8]。

目前最直觀、準(zhǔn)確的礦物組分識(shí)別方法是直接利用鉆井取心[9]和實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行礦物組分識(shí)別[10]，但由于該方法成本太高，無法對(duì)全井段進(jìn)行連續(xù)識(shí)別，且?guī)r心取出后易風(fēng)化變質(zhì)，難以真實(shí)反映井下高溫高壓環(huán)境下的礦物組分[11]，不具有現(xiàn)實(shí)意義。此外，利用常規(guī)測(cè)井資料進(jìn)行礦物組分識(shí)別，雖然測(cè)井成本較低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)全井段的連續(xù)識(shí)別和評(píng)價(jià)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性[12]，但該方法依然依賴于實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測(cè)試礦物含量來構(gòu)建模型[10]，模型的準(zhǔn)確性和適用性取決于區(qū)域內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)量[13]，此外，頁巖油儲(chǔ)層礦物組分復(fù)雜多樣、巖石物理體積模型不統(tǒng)一，跨區(qū)域很難推廣使用[14-18]。

針對(duì)上述方法存在的問題，為更加準(zhǔn)確定量評(píng)價(jià)頁巖礦物組分含量，此次研究引入有機(jī)骨架，構(gòu)建統(tǒng)一的頁巖油儲(chǔ)層“雙骨架”礦物組分巖石物理體積模型，采用基于巖石物理實(shí)驗(yàn)約束的多礦物體積模型最小二乘法-奇異值分解[19]最優(yōu)化反演方法，準(zhǔn)確計(jì)算頁巖油儲(chǔ)層有機(jī)骨架和無機(jī)骨架礦物組分體積含量，提高識(shí)別精度和區(qū)域適用性，建立一套高精度、跨區(qū)域使用的頁巖油儲(chǔ)層多礦物反演方法。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

濟(jì)陽坳陷地處渤海灣盆地東南部，被逞寧隆起和魯西隆起所挾持，展布形態(tài)呈一個(gè)向西收斂、向東散開的近東西走向的一級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元[20]，是典型的“北斷南超”箕狀斷陷盆地。坳陷內(nèi)部包含惠民、沾化、東營、車鎮(zhèn)四大凹陷及多個(gè)凸起。古近紀(jì)與新近紀(jì)的斷、坳轉(zhuǎn)換期以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致坳陷內(nèi)中淺層斷裂密布，為油藏的形成提供了良好的地質(zhì)條件[21](圖1)。

圖1 濟(jì)陽坳陷構(gòu)造及取心井位置Fig.1 The structure of Jiyang Depression and location of coring wells

研究區(qū)古近系由下至上依次發(fā)育孔店組、沙河街組、東營組地層，此次研究目標(biāo)層主要為沙河街組沙三下亞段的沙三下1、沙三下2、沙三下3、沙三下4和沙四上亞段純上1、純上2這6個(gè)小層。沙三段下亞段巖性主要為紋層狀構(gòu)造的頁巖、油頁巖、泥巖與具塊狀層理泥巖形成的不等厚互層，沙四上亞段以紋層狀構(gòu)造泥質(zhì)灰?guī)r為主，屬半深湖—深湖相沉積。

2 頁巖油儲(chǔ)層礦物特征分析

通過對(duì)目的層758塊巖樣的X衍射全巖礦物室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析可知，濟(jì)陽坳陷頁巖油儲(chǔ)層主要礦物類型為碳酸鹽巖、黏土礦物、石英、長石、黃鐵礦等，碳酸鹽巖礦物含量一般大于45%，石英等碎屑礦物含量一般小于30%(圖2a)。由礦物組分三角圖可以看出(圖2b)，濟(jì)陽坳陷的東營凹陷礦物組分較為復(fù)雜，且礦物含量與埋深及層位關(guān)系不明顯；沾化凹陷沙三下—沙四上泥頁巖碳酸鹽巖礦物含量較東營凹陷大，且隨著埋深增大，碳酸鹽巖礦物增加趨勢(shì)明顯。

圖2 濟(jì)陽坳陷X衍射全巖礦物巖心分析礦物組分統(tǒng)計(jì)Fig.2 The mineral composition statistics of core analysis by X-ray diffraction on all minerals in the rock in Jiyang Depression

3 頁巖油儲(chǔ)層礦物含量計(jì)算方法及模型

頁巖油儲(chǔ)層礦物組分模型構(gòu)建及反演方法研究思路：首先根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)確定主要礦物組分類型及含量范圍，然后構(gòu)建“雙骨架”礦物組分體積含量模型，再分別對(duì)有機(jī)骨架和無機(jī)骨架體積含量進(jìn)行計(jì)算。有機(jī)骨架計(jì)算采用鈾和密度交會(huì)法計(jì)算有機(jī)碳(TOC)含量，再基于密度測(cè)井計(jì)算干酪根體積含量。無機(jī)骨架計(jì)算首先利用無鈾伽馬或自然伽馬曲線計(jì)算泥質(zhì)含量，然后利用計(jì)算得到的泥質(zhì)含量、干酪根含量對(duì)三孔隙度曲線進(jìn)行泥質(zhì)校正和干酪根校正，再基于校正后的三孔隙度曲線，采用基于巖石物理實(shí)驗(yàn)約束的最優(yōu)化反演方法計(jì)算石英、長石、方解石、白云石等礦物體積含量和孔隙度的含量，最終實(shí)現(xiàn)頁巖油儲(chǔ)層“雙骨架”礦物組分體積含量的精確計(jì)算。該方法具體實(shí)現(xiàn)路徑見圖3。

圖3 頁巖油儲(chǔ)層“雙骨架”礦物模型反演流程Fig.3 The inversion process of "dual-framework" mineral model for shale oil reservoirs

3.1 頁巖油儲(chǔ)層礦物組分巖石物理體積模型構(gòu)建

根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)所獲得的礦物組分資料，假設(shè)干酪根為有機(jī)骨架，結(jié)合泥質(zhì)(黏土)、無機(jī)骨架(包含斜長石、石英、方解石、白云石和黃鐵礦)、孔隙度等組分，構(gòu)建集有機(jī)骨架和無機(jī)骨架為一體的“雙骨架”頁巖油儲(chǔ)層礦物組分巖石物理體積模型(圖4)。

圖4 頁巖油儲(chǔ)層礦物組分體積模型Fig.4 The volume model of mineral components in shale oil reservoir

3.2 泥質(zhì)與有機(jī)骨架干酪根體積含量計(jì)算方法

3.2.1 頁巖油儲(chǔ)層泥質(zhì)含量計(jì)算方法

由于干酪根的存在會(huì)使鈾元素(U)含量升高，導(dǎo)致總自然伽馬值(GR)升高，因此，總GR難以反映真實(shí)的泥質(zhì)含量，故利用無鈾伽馬(KTH)計(jì)算泥質(zhì)含量：

(1)

(2)

式中：GCUR為無量綱經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)第三紀(jì)地層為3.7，對(duì)老地層為2.0，也可以由實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)獲得；KTHmin為純砂巖段無鈾伽馬測(cè)井值，API；KTHmax為純泥巖段無鈾伽馬測(cè)井值，API；SH為無量綱泥質(zhì)指數(shù)；Vsh為泥質(zhì)含量，%。

3.2.2 有機(jī)骨架干酪根體積含量計(jì)算方法

(1)有機(jī)碳含量Gtoc計(jì)算方法。考慮有機(jī)質(zhì)豐度變化會(huì)引起密度測(cè)井變化，故在傳統(tǒng)的聲波電阻率重疊法基礎(chǔ)上加入密度測(cè)井的響應(yīng)特征，Gtoc可表示為：

Gtoc=[A+B·lgR+CΔ]/ρ

(3)

式中：Gtoc為有機(jī)碳含量，g/g；R為深側(cè)向電阻率，Ω·m；Δ為聲波時(shí)差，μs/m；ρ為密度測(cè)井，g/cm3；A、B、C為無量綱擬合系數(shù)。

(2)有機(jī)骨架干酪根體積計(jì)算模型。根據(jù)密度測(cè)井原理，假設(shè)密度測(cè)井ρ主要測(cè)量無機(jī)礦物骨架的密度值，Gtoc也可表示為：

(4)

式中：ρtoc為有機(jī)碳的密度，g/cm3；Vtoc為有機(jī)骨架干酪根體積百分比，%。

根據(jù)上式推導(dǎo)可得：

(5)

由于受到井眼環(huán)境以及含油性的一些影響導(dǎo)致測(cè)井值偏低，或黃鐵礦的影響導(dǎo)致測(cè)井值偏高，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?，因此，干酪根的體積可表達(dá)為：

(6)

式中：Vkero為干酪根的體積百分比，%；λ為無量綱校正因子，對(duì)于Vtoc偏低的情形，λ為1.0～2.0，對(duì)于Vtoc偏高的情況，λ為0.5～1.0。

3.3 頁巖油儲(chǔ)層三孔隙度校正

利用前文得到的泥質(zhì)含量及干酪根含量對(duì)三孔隙度測(cè)井值(聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度)進(jìn)行泥質(zhì)校正和有機(jī)質(zhì)骨架校正，具體公式如下：

Xm=Xlog-XshVsh-XkeroVkero

(7)

式中：Xlog為三孔隙度測(cè)井中的某一測(cè)井值；Xm為Xlog校正后的測(cè)井值；Xsh為泥質(zhì)對(duì)應(yīng)的三孔隙度測(cè)井值；Xkero為干酪根對(duì)應(yīng)的三孔隙度測(cè)井值。

3.4 基于巖石物理實(shí)驗(yàn)約束的無機(jī)骨架模型最優(yōu)化反演

3.4.1 頁巖油儲(chǔ)層巖石物理體積模型測(cè)井響應(yīng)

根據(jù)前文構(gòu)建的頁巖油儲(chǔ)層礦物組分巖石物理體積模型，主要礦物體積百分含量包括泥質(zhì)(Vsh，%)、石英長石砂巖(Vqfm，%)、碳酸鹽巖(Vcar，%)、黃鐵礦(Vpyr，%)、干酪根(Vkero，%)以及孔隙度(φ，%)，則：

Vkero+Vsh+Vqfm+Vcar+Vpyr+φ≈100%

(8)

對(duì)于任意一個(gè)測(cè)井值Xlog，其主要來自于上述6個(gè)部分的貢獻(xiàn)，則有：

Xlog=XkeroVkero+XshVsh+XqfmVqfm+XcarVcar+XpyrVpyr+Xwφ

(9)

式中：Xqfm、Xcar、Xpyr、Xw分別為石英長石砂巖、碳酸鹽巖、黃鐵礦、地層水對(duì)應(yīng)的三孔隙測(cè)井中的任一測(cè)井值。

3.4.2 最優(yōu)化反演方法及流程

(1)最優(yōu)化系數(shù)矩陣。由式(9)可看出，在確定泥質(zhì)、石英長石砂巖，碳酸鹽巖，黃鐵礦、干酪根以及孔隙度的體積百分含量的情況下，在3孔隙度測(cè)井信息中挑選2種孔隙度測(cè)井信息構(gòu)建2個(gè)方程組即可求出Xqfm，Xcar體積百分比，對(duì)于進(jìn)行三孔隙度測(cè)井的情形，則有：

Δ-ΔkeroVkero-ΔshVsh=ΔqfmVqfm+ΔcarVcar+ΔpyrVpyr+Δwφ

(10)

ρ-ρkeroρkero-ρshVsh=ρqfmρqfm+ρcarVcar+ρpyrVpyr+ρwφ

(11)

γ-ΥkeroVkero-ΥshVsh=ΥqfmVqfm+ΥcarVcar+ΥpyrVpyr+Υwφ

(12)

式中：Δkero、Δsh、Δqfm、Δcar、Δpyr、Δw分別為干酪根、泥質(zhì)、石英長石砂巖、碳酸鹽巖、黃鐵礦、地層水的聲波時(shí)差值，μs/m；ρkero、ρsh、ρqfm、ρcar、ρpyr、ρw分別為干酪根、泥質(zhì)、石英長石砂巖、碳酸鹽巖、黃鐵礦、地層水的密度值，g/cm3；Υkero、Υsh、Υqfm、Υcar、Υpyr、Υw、Υlog分別為干酪根、泥質(zhì)、石英長石砂巖、碳酸鹽巖、黃鐵礦、地層水的中子值，P·U。上述各參數(shù)均為已知數(shù)。

將式(8)代入式(10)～(12)后整理得到最優(yōu)化系數(shù)矩陣式(13)。

(13)

(2)巖石物理實(shí)驗(yàn)約束。基于3個(gè)方程解2個(gè)未知數(shù)的問題，屬于超定方程，采用約束非負(fù)最小二乘法求解，根據(jù)地質(zhì)特征，約束條件為：

(14)

式中：lqfm、Bqfm為研究區(qū)目的層段石英長石砂巖最小、最大含量，%；lcar、Bcar為目的層段碳酸鹽巖最小、最大含量，%。

根據(jù)前述計(jì)算模型得到泥質(zhì)含量、干酪根含量，有：

lcar+lqfm≤Vcar+Vqfm≤100-Vsh-Vkero

(15)

3.5 礦物組分含量計(jì)算

聯(lián)合式(5)、(6)、(7)，采用線性約束最小二乘法、奇異值分解等算法對(duì)頁巖油儲(chǔ)層長石石英砂巖、碳酸鹽巖礦物組分含量和孔隙度3個(gè)未知數(shù)進(jìn)行求解。

3.5.1 方解石、白云石含量計(jì)算

利用密度曲線將碳酸鹽巖含量分解為方解石和白云石含量：

(16)

Vdol=Vcar(1-Vclc)

(17)

式中：Vclc為分解的方解石百分含量，%；Vdol為分解的白云石百分含量，%；ρdol為白云石密度，g/cm3。

3.5.2 石英、長石含量計(jì)算

利用鉀元素曲線將石英長石含量分解為石英和長石含量：

(18)

Vfeld=Vqfm(2ks-1)

(19)

Vquaz=Vqfm(2-2Ksh)

(20)

式中：ks為無量綱長石含量指數(shù)；Vfeld為分解的長石含量，%；Vquaz為分解的石英含量，%；K為自然伽馬能譜測(cè)井鉀元素測(cè)井值，API；Kmtx為無機(jī)骨架中的鉀元素測(cè)井對(duì)應(yīng)值，API；Kfeld為鉀長石中的鉀元素測(cè)井值，API；Kquaz為石英中的鉀元素測(cè)井值，API；Ksh為泥質(zhì)中的鉀元素測(cè)井值，API。

4 應(yīng)用及分析

根據(jù)濟(jì)陽坳陷頁巖油巖心實(shí)驗(yàn)確定頁巖油儲(chǔ)層主要礦物組分類型及含量范圍，構(gòu)建頁巖油儲(chǔ)層“雙骨架”礦物組分體積含量模型，采用文中最優(yōu)化反演方法對(duì)有機(jī)骨架和無機(jī)骨架礦物組分進(jìn)行計(jì)算，得到FY1井和NY1井礦物組分含量最優(yōu)化反演成果，如圖5、6所示。圖5、6中，黑色桿狀圖為巖心X衍射實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的礦物組分百分含量，紅色實(shí)線為該文最優(yōu)化反演方法計(jì)算的礦物組分百分含量。由圖5、6可以看出，“雙骨架”礦物組分模型最優(yōu)化反演計(jì)算的礦物組分百分含量與巖心X衍射實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的礦物組分百分含量有較高的契合度。表1為FY1與NY1井礦物計(jì)算含量與實(shí)驗(yàn)含量誤差分析。由表1也可以看出，反演計(jì)算的礦物組分百分含量與巖心X衍射實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的礦物組分百分含量的相關(guān)系數(shù)均在0.60以上，兩者平均相對(duì)誤差均小于20.00%，說明了模型的合理性。

表1 FY1與NY1井礦物計(jì)算含量與實(shí)驗(yàn)含量誤差分析Table 1 The analysis of deviation between calculated content and experimental content of minerals in Wells FY1 and NY1

圖5 FY1井頁巖油井礦物組分識(shí)別對(duì)比Fig.5 The identification and comparison of mineral components of shale oil in Well FY1

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)研究區(qū)巖心X衍射全巖分析等實(shí)驗(yàn)而構(gòu)建的頁巖油儲(chǔ)層“雙骨架”礦物組分巖石物理體積模型，具有較好的區(qū)域適用性。

(2)構(gòu)建的頁巖油儲(chǔ)層“雙骨架”礦物組分模型，通過最優(yōu)化反演方法計(jì)算出來的頁巖油儲(chǔ)層礦物組分含量與X衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均在0.60以上，平均相對(duì)誤差均小于20.00%，取得較好的一致性，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

(3)該套方法相比一般測(cè)井模型來說，優(yōu)勢(shì)在于不用依賴于大量的巖心實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)常規(guī)的測(cè)井曲線快速獲取一些儲(chǔ)層物性參數(shù)及巖石礦物含量，研究實(shí)例結(jié)果顯示其具有較好的準(zhǔn)確率及適用性，便于在頁巖油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中推廣使用，可以為頁巖油儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)提供一定的技術(shù)支撐。

圖6 NY1井頁巖油井礦物組分識(shí)別對(duì)比Fig.6 The identification and comparison of mineral components of shale oil in Well NY1