閉塞湖盆頁巖油儲層測井巖性綜合評價技術

劉俊東，蒲秀剛，常靜春*，郝麗萍，徐明，袁雪花，李進

1 中國石油集團測井有限公司天津分公司，天津 300280

2 中國石油股份有限公司大港油田分公司，天津 300280

0 引言

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部，是黃驊坳陷內的第二大富油凹陷。孔二段是滄東凹陷勘探開發的主要含油層組之一，沉積時期屬于亞熱帶潮濕氣候，淡水—半咸水封閉型坳陷湖盆，水生生物繁茂，強還原環境，有機質古生產力較高，環湖發育10 個三角洲沉積朵葉體，優質烴源巖發育,演化程度高,具有2期生排烴特征,形成頁巖油和常規油[1]。沉積相自湖盆邊部至湖盆中心具有規律性變化，發育3 個沉積環帶。外環帶發育三角洲前緣砂巖；中環為三角洲前緣遠端-前三角洲形成的粗粒與細粒間互帶；內環為前三角洲遠端-半深湖區的細粒相帶，物源供給適中，是頁巖油儲層的主要發育場所[2]。滄東凹陷孔二段沉積時期呈現相對穩定的坳陷型構造特征，構造活動弱，粗碎屑供給少，為大面積頁巖油發育奠定基礎[3-4]。頁巖主要分布在近湖盆中心區，面積為600 km2，厚度可達400～600 m，研究區孔二段細粒相區有機質豐度平均3.26%，最大可達12.92%，整體屬于富烴源巖。鏡質體反射率(Ro)分布在0.66%～0.96%，平均值為0.76%，處于低成熟至中等成熟階段。

縱向上滄東凹陷孔二段劃分為4 個油組，其中頁巖主要發育在孔二段一油組﹑二油組和三油組，巖性具有縱向變化快﹑薄互層發育﹑非均質性強的特點。圖1 為滄東凹陷孔二段頁巖油儲層測井曲線圖，圖中4119.5～4196.5 m為頁巖發育段，與常規砂泥巖儲層相比，頁巖具有“三高兩低”的測井響應特征，即高自然伽馬﹑相對高的電阻率﹑相對高的補償密度﹑低補償聲波﹑低補償中子數值。核磁共振測井資料反映頁巖儲層物性非均質性較強，有效孔隙度在3%～10%。其中4138.0～4156.0 m核磁共振標準譜具有明顯的長T2譜特征，反映該段儲層物性好，有效孔隙度數值為7%～10%，可動流體體積大，為2%～6%左右；4170.0～4188.0 m核磁共振標準譜無明顯長T2譜特征，該頁巖段有效孔隙度為3%～5%，可動流體體積較少，以束縛流體體積為主。地質及測井資料反映，孔二段既是儲油層系又是供油層系，該區鉆探的多口頁巖井均獲得工業油氣流，顯示了滄東凹陷孔二段頁巖具有良好勘探開發前景。

1 巖性特征分析

1.1 巖性基本特征

圖1 孔二段頁巖油儲層測井曲線圖Fig. 1 Logging curve of shale oil reservoir in the Ek2

巖心資料分析表明，滄東凹陷孔二段頁巖礦物成分多樣(見圖2)，包括石英﹑長石﹑方解石﹑白云石﹑鐵白云石﹑方沸石﹑黃鐵礦﹑菱鐵礦﹑黏土礦物等。其中石英含量平均為12.0%﹑長石含量平均為42.0%﹑方解石含量平均為13.0%﹑白云石含量平均為24.0%﹑黏土含量平均為6.0%，優勢礦物不明顯。黏土礦物中伊利石含量約占58.1%，伊/蒙混層含量約占38.4%，綠泥石含量約占3.4%，不含高嶺石。厘米級巖心描述反映目的層段巖性薄互層特征明顯，單層厚度在0.01～2.0 m之間。結合研究區塊地質﹑巖心等多種信息，依據XRD礦物組分命名方法[5-6]，對孔二段頁巖巖石類型進行劃分，確定了4 種巖石類型，分別為長英質頁巖﹑碳酸質頁巖﹑混合質頁巖﹑黏土巖。鑄體薄片資料顯示長英質頁巖具有塊狀特征，局部呈不明顯紋層狀，見分散狀長英質顆粒，顆粒較小(見圖3a)；碳酸質頁巖具有紋層狀﹑塊狀特征，主要礦物成分為泥晶白云巖，可見零星分布的石英顆粒和黃鐵礦，偶見粗晶白云巖(見圖3b)；混合質頁巖呈紋層狀，可見砂質條紋與白云質紋層組成的互層，較大的石英顆粒分散狀分布，黃鐵礦發育，呈放射狀或條帶狀分布(見圖3c)。不同巖石類型儲集空間存在差別，其中碳酸質頁巖儲集空間以晶間孔﹑構造縫﹑差異壓實縫為主；長英質頁巖儲集空間以粒內微孔﹑粒間溶蝕孔﹑微裂縫為主；混合質頁巖儲集空間以晶間溶孔﹑粒內微孔及微裂縫為主[7-9]。

1.2 主要巖石類型測井響應特征分析

圖2 頁巖礦物成分及含量統計圖Fig. 2 The shale mineral composition and content statistics

圖3 長英質頁巖、碳酸質頁巖、混合質頁巖鑄體薄片特征圖Fig. 3 Thin section characteristics of felsic shale, carbonate shale and mixed shale

巖心分析統計表明，研究區塊碳酸質頁巖占孔二頁巖段的23.1%，長英質頁巖占孔二頁巖段的39.6%，混合質頁巖占孔二頁巖段的37%，黏土巖占孔二頁巖段的0.3%，主要的巖石類型為長英質頁巖﹑混合質頁巖﹑碳酸質頁巖。頁巖既是生油巖，又是儲油層，其油氣生成﹑賦存方式極為復雜，測井信息是巖性﹑有機質﹑物性﹑含油性等的綜合反映[10]。電成像測井資料具有較高的縱向分辨率，在頁巖油評價中發揮著重要作用[11]，因此結合巖心分析資料，利用常規測井資料和電成像資料確定了主要巖石類型測井響應特征(具體見圖4)。

長英質頁巖測井曲線形態特征為鋸齒形或箱型。測井響應特征顯示單層厚度在0.5～2.0 m之間；電成像靜態圖中顯示為橙黃色—黃色—淺黃色相間條紋，自然伽馬數值在70～100.0 API之間，深電阻率數值為10～100 Ω·m，補償密度數值在2.30～2.55 g/cm3，補償聲波數值為250～350 μs/m，具有明顯的高電阻中高孔隙特征。

碳酸質頁巖測井曲線形態特征為鋸齒形，測井響應特征顯示單層厚度在0.5～1.2 m之間；電成像靜態圖中顯示為淺棕色—橙黃色—黃色相間寬條紋，自然伽馬數值為65～105 API之間，深電阻率數值為10～330 Ω·m之間，補償密度數值為2.4～2.58 g/cm3之間，補償聲波數值為220～245 μs/m之間，具有明顯的高阻中低孔特征。

混合質頁巖發育段測井曲線形態特征為高頻的鋸齒形，測井響應特征顯示單層厚度較薄，在0.3～0.8 m之間；電成像靜態圖中顯示為淺棕色—橙黃色—淺黃色相間細窄條紋，自然伽馬數值為70～95 API之間，深電阻率數值為10～110 Ω·m之間，補償密度數值為2.45～2.6 g/cm3之間，補償聲波數值為215～250 μs/m之間，具有中阻中低孔特征。

圖4 主要巖石類型測井響應特征分析圖Fig. 4 Logging response characteristic analysis of major rock type

2 巖石類型定性識別

從前文可以看出，研究區塊主要巖石類型與補償密度﹑補償聲波﹑深電阻率測井曲線具有一定的對應關系。其中碳酸質頁巖具有高補償密度﹑低補償聲波﹑高電阻的測井響應特征；長英質頁巖具有低補償密度﹑高補償聲波及中高電阻率的測井響應特征；混合質頁巖具有補償密度﹑補償聲波和電阻率數值中等的測井響應特征；而黏土巖的深電阻率數值低，一般小于5.0 Ω·m，因此可利用深電阻率﹑補償密度和補償聲波三條敏感測井曲線開展巖石類型定性識別。實際應用中由于測井儀器不同等原因，可能會造成不同井相同巖性測井響應特征存在差別，使得識別精度降低。為有效消除不同儀器測量等誤差，選取目標區塊標志層確定對應曲線最大﹑最小值，利用離差標準化法對補償聲波﹑補償密度進行線性轉換，計算得到補償密度相對值﹑補償聲波相對值和補償聲波密度差值，具體見式(1～3)。

式中，VDEN為補償密度相對值，無量綱；DEN為補償密度，單位為g/cm3；DENmax﹑DENmin為目標區塊標志層補償密度最大值﹑補償密度最小值，單位為g/cm3；VAC為補償聲波相對值，無量綱；AC為補償聲波，單位為μs/m； ACmax﹑ACmin分別為目標區塊標志層補償聲波最大值﹑補償聲波最小值，單位為μs/m。

確定區域泥巖段深電阻率數值，計算得到深電阻率比值曲線：

式中，VRT為深電阻率比值，無量綱；RT為深電阻率，單位為Ω·m；RTsh為泥巖段深電阻率，單位為Ω·m。

圖5 補償聲波密度差值與深電阻率比值關系圖Fig.5 Plot of compensated acoustic density difference and deep resistivity ratio

圖5為不同巖石類型補償聲波密度差值與深電阻率比值關系圖，利用該圖版可有效開展頁巖巖石類型識別，由此建立不同巖石類型測井分類標準，并編制相應的解釋軟件，實現了利用測井資料的巖性分類連續自動判別。通過巖心分類與測井分類結果對比，巖性識別準確率達到90.6%(見圖6)，能夠很好的滿足地質評價需求。

3 礦物含量定量計算

研究區塊主要礦物成分為石英﹑長石﹑方解石﹑白云石﹑黏土，由此確定頁巖主要礦物成分為長英質(石英和長石)﹑碳酸鹽巖(方解石和白云石)﹑黏土質三類。由于目標區塊頁巖巖性復雜﹑薄互層特征明顯，常規的礦物含量計算方法與實際差異較大。為解決這一難題，依據巖心分析資料建立了礦物體積模型，分別為長英質﹑碳酸鹽巖﹑黏土礦物。確定不同礦物成分對應的敏感測井曲線，利用多元逐步回歸的方法進行碳酸鹽巖含量和黏土含量計算，長英質含量則根據體積百分比原則計算得出。基于多元逐步回歸的礦物含量計算方法基本原則是每一次的回歸都是為了消除上一步計算結果的異常點，提高計算精度，逐步逼近巖石真實特征。本文以碳酸鹽巖含量計算為例進行詳細分析(具體思路見圖7)。

圖6 巖心與測井資料巖性定性識別分析成果圖Fig. 6 Lithology qualitative identification and analysis results of core and logging data

首先利用巖心數據對測井資料進行刻度，剔除異常點。利用巖心分析得到的碳酸鹽巖含量與各測井曲線進行敏感性分析，其中補償聲波﹑補償密度﹑補償中子﹑深電阻率曲線與碳酸鹽巖含量具有較好的相關關系。根據確定的敏感測井曲線采用逐步回歸的方法建立了碳酸鹽巖含量解釋模型。具體如下：

①補償聲波﹑補償密度與巖心分析碳酸鹽巖含量進行回歸得到初步的碳酸鹽巖含量解釋模型見式(5)：

式中，Y1為計算碳酸鹽巖含量，單位為%；AC為補償聲波，單位為μs/m；DEN為補償密度，單位為g/cm3。

分析表明利用該模型計算的結果雖與補償密度和補償聲波數值具有一定對應關系，但不能反映深電阻率﹑補償密度與補償中子差值與巖心分析結果之間的變化關系。

②為提高計算精度，將補償密度和補償中子曲線歸一化，計算得到的補償密度與補償中子歸一化差值作為一個輸入項，并將上一步的結果Y1做為另一個輸入項開展多元回歸，得到對應的碳酸鹽巖含量解釋模型見式(6)：

式中，Y2為計算碳酸鹽巖含量，單位為%；PDC為補償密度與補償中子歸一化差值，單位為%，計算方法見式(7)。

式中，CN為補償中子，單位為%；DEN為補償密度，單位為g/cm3。

與上一步計算結果相比，該解釋模型計算結果的精度明顯提高。但是在對應電性高﹑巖心分析碳酸鹽巖含量高的儲層段與計算結果之間相關性較差。

③引入深電阻率曲線作為一個輸入項，將上一步計算結果Y2做為另一輸入項，開展回歸得到最終的碳酸鹽巖含量計算模型見式(8)：

式中，RT為深電阻率，單位為Ω·m；V碳酸鹽巖為計算的碳酸鹽巖礦物含量，單位為%。

圖8 為利用多元逐步回歸法計算的碳酸鹽巖含量與巖心分析結果對比圖，二者很好的分布在對角線附近，相對誤差在5%左右。說明利用該計算模型得到的碳酸鹽巖含量與巖心分析結果匹配性較好。

圖7 基于多元逐步回歸的碳酸鹽巖含量計算評價思路Fig. 7 The calculation and evaluation idea of carbonate rock content based on multiple stepwise regression

根據同樣的思路，采用基于多元逐步回歸的方法建立了黏土含量解釋模型(具體見式9～10)；長英質含量的計算模型見式(11)。

圖8 巖心分析與計算碳酸鹽巖含量對比圖Fig. 8 Comparison of core analysis and calculation of carbonate content

式中，Vsh為計算黏土含量，單位為%；V碳酸鹽巖為計算碳酸鹽巖含量，單位為%；V長英質為計算石英長石含量，單位為%；X1為計算黏土含量過程值，單位為%；GR為自然伽馬，單位為API；CN為補償中子，單位為%；AC為補償聲波，單位為μs/m。

圖9 為利用測井資料計算的長英質﹑碳酸鹽巖﹑黏土含量與巖心分析結果對比圖，從圖中可以看出利用測井資料計算的礦物含量與巖心分析結果具有很好的相關性，說明利用該方法能夠有效開展頁巖油儲層礦物含量定量計算。

4 結論

圖9 巖心分析與測井計算礦物含量對比圖Fig. 9 Comparison of mineral content between core analysis and logging calculation

(1)滄東凹陷孔二段頁巖油儲層主要巖石類型為長英質頁巖﹑碳酸質頁巖﹑混合質頁巖。結合不同巖石類型巖心及測井響應特征，建立了巖性定性識別及礦物含量定量計算方法，有效提高了利用常規測資料進行巖性評價的精度，對于閉塞湖盆頁巖油儲層巖性識別能力較強，能夠滿足地質研究對頁巖油完鉆井巖性識別的要求。

(2)應用建立的閉塞湖盆頁巖油儲層巖性綜合評價技術對滄東凹陷孔二段頁巖儲層進行綜合評價，解釋結果與巖心分析結果一致性較高，為了解目標區塊巖性變化特征及儲層分布提供了重要的技術支撐。