陸相頁巖層系非泥頁巖夾層發(fā)育程度定量表征

王保華，李 浩，陸建林，呂劍虹，王 苗，趙琳潔

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

隨著非常規(guī)油氣，特別是頁巖油氣的成功勘探開發(fā)，泥頁巖作為油氣儲層引起了研究者的廣泛關(guān)注[1-9]。統(tǒng)計表明，國內(nèi)外成功獲得頁巖油氣突破地區(qū)的泥頁巖段均發(fā)育一定比例的非泥頁巖夾層[10-16]，如灰?guī)r、白云巖、細(xì)砂巖等相對高滲透性夾層[17]，且頁巖油氣產(chǎn)量與泥頁巖段中的夾層巖性、數(shù)量、厚度、物性及分布規(guī)模有很大的關(guān)系。例如，濟(jì)陽坳陷35口出油流井中，24口為夾層型，占68.6%；僅11口為無夾層的純頁巖，占31.4%[18]。夾層在頁巖油成藏過程中起著“倉儲層”和“輸導(dǎo)層”的作用，因此泥頁巖中發(fā)育夾層是頁巖油穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

我國東部新生代湖泊受氣候和構(gòu)造影響較大，在水體高頻振蕩、重力流以及古鹽度變化作用下，深湖古近系泥頁巖層系中發(fā)育眾多夾層。東部不同地區(qū)夾層巖性縱向構(gòu)成也表現(xiàn)出一定的差異，總體而言包括砂巖、碳酸鹽巖和鹽間型夾層3種。砂巖夾層一般發(fā)育于深水濁積巖體系或三角洲前緣，以泌陽凹陷核三段2～6號層和濟(jì)陽坳陷沙三段下亞段為代表；碳酸鹽巖夾層一般發(fā)育于咸湖中，以東濮凹陷沙三段和濟(jì)陽坳陷沙四段上亞段為代表；鹽間型夾層主要發(fā)育于鹽湖，以潛江凹陷潛三段為代表。因此，無論從夾層在頁巖油富集高產(chǎn)中的重要性，還是從我國古近系陸相頁巖夾層發(fā)育的廣泛性來講，都有必要開展頁巖夾層定量評價研究。

關(guān)于泥頁巖層系中夾層的巖性及厚度標(biāo)準(zhǔn)，前人開展過相關(guān)研究工作，并制定了相關(guān)的國家/企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如《頁巖氣資源—儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范：GB/T 0254—2014》[19]規(guī)定，當(dāng)累計夾層厚度小于層組總厚度的20%時，夾層中產(chǎn)出的頁巖氣稱為夾層型頁巖氣。《頁巖氣地質(zhì)評價方法：GB/T 31483—2015》[20]進(jìn)一步規(guī)定，富有機(jī)質(zhì)頁巖層段是指富有機(jī)質(zhì)頁巖及富有機(jī)質(zhì)頁巖與粉砂巖、細(xì)砂巖、碳酸鹽巖等夾層的地層單元，規(guī)定夾層單層厚度不大于1 m，累計夾層厚度占該頁巖層段總厚度比例小于20%。中國石化則在累計夾層厚度小于層組厚度20%的基礎(chǔ)上，將大段泥頁巖中厚度小于2 m且產(chǎn)出原油的夾層定義為頁巖油夾層，并制定了相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[21]。勝利油田也將上述標(biāo)準(zhǔn)作為判斷渤南凹陷夾層型頁巖油[22]的依據(jù)，而濟(jì)陽坳陷的夾層型頁巖油則規(guī)定為夾層單層厚度小于2.5 m。

人們已普遍認(rèn)識到泥頁巖夾層對頁巖油氣富集及產(chǎn)出的重要性，并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)定單層夾層厚度和累計夾層厚度所占比例，但對夾層在泥頁巖段中的分布情況(單位厚度地層中夾層數(shù)量、分布位置、分散程度等)缺乏一個定量的判識指標(biāo)，而確定富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段中的夾層分布特征，對泥頁巖儲層評價和頁巖油氣資源量估算具有重要意義。

1 定量評價方法建立

1.1 評價原理

依據(jù)常規(guī)油氣探明儲量單層有效厚度、獲頁巖油井夾層厚度及夾層在地層中總厚度，將單層夾層厚度定為2.5 m，夾層占地層比例上限定為40%(頁巖氣的國家標(biāo)準(zhǔn)是20%)。一般而言，排烴效率與巖性組合特征關(guān)系密切，砂泥互層型最有利于排烴，評價非泥頁巖夾層發(fā)育程度還要考慮非泥頁巖夾層縱向上在泥頁巖層系中的分布及在地層中的整體位置(圖1)。因此，夾層指數(shù)(STI)定義為：在夾層總厚度占地層比例小于上限條件下，考慮單位厚度地層夾條數(shù)(頻率)、夾層縱向分布特征(離散度)及夾層在地層中所處平均位置，將這3個因素通過夾層發(fā)育強(qiáng)度(DS)、分布位置(DP)及分散系數(shù)(DC)這3個定量參數(shù)及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型表示，再通過這3個參數(shù)建立反映夾層發(fā)育程度的綜合指數(shù)STI模型，它可以定量反映夾層的發(fā)育程度。

1.2 表征方法總流程

以地層巖性屬性的地震反演數(shù)據(jù)體、三維構(gòu)造建模數(shù)據(jù)體、鉆井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先根據(jù)研究需要抽取若干虛擬/實際鉆井巖性數(shù)據(jù)，統(tǒng)計目的層滲透性夾層累計厚度及層數(shù)，若夾層厚度占地層比例不超過上限值，則計算夾層發(fā)育強(qiáng)度、分布位置及分散系數(shù)；再通過表征夾層發(fā)育程度的數(shù)學(xué)模型計算夾層發(fā)育指數(shù)(STI)，否則STI為無效值；最終應(yīng)用前述計算的多口虛擬/實測鉆井的STI，結(jié)合沉積相研究結(jié)果確定的主要物源方向，采用克里金插值計算目的層STI的平面分布，為科學(xué)定量評價泥頁巖中滲透性夾層發(fā)育程度提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 技術(shù)方法建立

1.3.1 參數(shù)說明

為了便于更加清晰地闡述數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)對本方法所需的輸入數(shù)據(jù)及參數(shù)做以下說明及假設(shè)。

(1)輸入數(shù)據(jù)說明：①地震反演體：通過地震巖性反演獲得的反映地層巖性的地震數(shù)據(jù)體，一般為時間域數(shù)據(jù)體，通過時深轉(zhuǎn)換可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度域，數(shù)據(jù)體格式為SGY格式，數(shù)據(jù)體節(jié)點值代表對應(yīng)空間節(jié)點處預(yù)測的巖性。②三維構(gòu)造建模：通過構(gòu)造建模軟件獲得的地層三維巖性數(shù)據(jù)體，數(shù)據(jù)地點在縱向上排列一致，數(shù)據(jù)節(jié)點值代表對應(yīng)空間節(jié)點處預(yù)測的巖性。③鉆井?dāng)?shù)據(jù)：通過錄井或測井預(yù)測獲得的目的地層巖性數(shù)據(jù)。

圖1 夾層發(fā)育程度評價因素

a1.夾層頻率相對較高；a2.夾層頻率相對較低；b1.夾層位于地層中上部；b2.夾層位于地層中下部；c1.夾層較分散；c2.夾層較集中

Fig.1 Evaluation factors of interlayer development degree

(2)參數(shù)定義：①夾層臨界值：指在泥頁巖中發(fā)育的滲透性相對較好的非泥質(zhì)夾層，如碳酸鹽巖、白云巖和細(xì)砂巖等，根據(jù)國標(biāo)或企標(biāo)規(guī)定，在頁巖油氣評價中滲透性夾層累計厚度占地層比例(厚度占比)不超過指定值，單層厚度不超過指定值，設(shè)厚度占比臨界值(上限)為So，單層厚度臨界值(上限)為E。②夾層發(fā)育強(qiáng)度(DS)：指一套泥頁巖段地層中滲透性夾層個數(shù)占泥頁巖段地層厚度的比例，是反映指定厚度的泥頁巖地層發(fā)育滲透性夾層個數(shù)多少的參數(shù)。③夾層分布位置(DP)：指一套泥頁巖段地層中滲透性夾層在泥頁巖段地層中整體分布位置，夾層整體越靠近地層上部取值越大，是反映夾層在泥巖段中整體靠近上部或下部的一個定量參數(shù)。④夾層分散系數(shù)(DC)：指一套泥頁巖段地層中滲透性夾層在泥頁巖段中均勻(分散)分布程度，夾層分布越均勻取值越大，是反映夾層在泥巖段中均勻(分散)分布程度的定量表征參數(shù)。⑤夾層發(fā)育指數(shù)(STI)：指一套泥頁巖段地層中滲透性夾層在泥頁巖段地層中的發(fā)育情況，是綜合反映夾層的發(fā)育數(shù)量、分布位置及分散狀況的定量表征參數(shù)。⑥烴源巖有限排烴厚度：烴源巖生成油氣之后，油氣并不是全部排出烴源巖，只有與儲層相接觸的一定距離內(nèi)的生油層內(nèi)的烴類才能排出來，該段距離為有效排烴厚度，假設(shè)為EH，即當(dāng)烴源巖厚度小于EH時，烴源巖中的油氣可以排出。

1.3.2 數(shù)學(xué)模型建立

泥頁巖滲透性夾層定量評價方法及步驟如下：

(1)從已有的地震反演體、三維構(gòu)造建模數(shù)據(jù)體或鉆井巖性數(shù)據(jù)中抽取虛擬/實際鉆井巖性數(shù)據(jù)。地震反演體及三維構(gòu)造建模數(shù)據(jù)體均為三維空間節(jié)點數(shù)格式，數(shù)據(jù)縱向節(jié)點對齊，因此可根據(jù)研究需要在平面上選取若干網(wǎng)格點處作為虛擬井，抽取網(wǎng)格點處縱向深度及巖性數(shù)據(jù)。若輸入數(shù)據(jù)為實際鉆井巖性數(shù)據(jù)則直接應(yīng)用。鉆井?dāng)?shù)據(jù)(虛擬井/實際井)至少包括深度(一個巖性的頂深和底深)及對應(yīng)巖性。虛擬井及實際井選取時最大深度應(yīng)當(dāng)超過研究的目的層。

(2)參數(shù)假設(shè)：設(shè)研究目的地層頂、底深度分別為HT和HB，則目的地層厚度L=HB-HT；統(tǒng)計目的層中滲透性夾層(如灰?guī)r、白云巖、細(xì)砂巖等指定巖性，單層厚度不超過臨界值E)層數(shù)。設(shè)滲透性夾層層數(shù)為N，自上而下第i層夾層頂、底埋深分別為HTi和HBi，則第i層夾層厚度Li=HBi-HTi，滲透性夾層累計厚度(SL)通過公式(1)求取，夾層厚度占比(S)通過公式(2)求取。

(1)

S=(SL/L)×100%

(2)

(3)夾層厚度占比判定：①若地層厚度L=0或夾層累計厚度占比S>So，則STI值無效；②若地層厚度L>0且夾層個數(shù)N=0，則STI=0；③若地層厚度L>0且N>0，則STI值計算采用下述(4)～(7)步驟。

(4)夾層發(fā)育強(qiáng)度(DS)計算：

DS=N/L

(3)

(5)夾層分布位置(DP)計算：

(6)夾層分散系數(shù)(DC)計算：

(7)夾層發(fā)育指數(shù)(STI)計算：針對DS、DP、DC進(jìn)行歸一化處理，采用歸一化DS*、DP*、DC*值計算夾層發(fā)育指數(shù)。

①夾層發(fā)育強(qiáng)度歸一化：根據(jù)前述有效排烴厚度定義，理想狀況下當(dāng)夾層均勻分布且烴源巖厚度不超過有效排烴厚度時，巖性組合配置滿足油氣排烴要求，因此夾層發(fā)育強(qiáng)度應(yīng)不低于1/EH，夾層發(fā)育強(qiáng)度歸一化采用下列公式：

(6)

②夾層分布位置歸一化：夾層分布系數(shù)表征夾層發(fā)育的位置對油氣排烴、輸導(dǎo)的影響，在浮力作用下油氣一般更容易進(jìn)入靠近地層上部的夾層。根據(jù)實際地質(zhì)情況，采用指數(shù)模型對夾層分布系數(shù)進(jìn)行歸一化：

DP*=DPn

(7)

式中：n取(0，1)之間，n值越大，表示夾層分布位置對油氣排烴及輸導(dǎo)影響越大。

③夾層分散系數(shù)歸一化：一般地，夾層在一套地層中的均勻分布程度是相對同樣數(shù)量的夾層平均分布在一套地層中的夾層分散系數(shù)而言的，且大多數(shù)情況下夾層分布難以達(dá)到均勻分布程度。采用指數(shù)模型進(jìn)一步優(yōu)化夾層分散系數(shù)對夾層發(fā)育指數(shù)的影響：

式中：L為地層厚度；N為地層中夾層數(shù)；m取(0，1)之間，m值越大，表示夾層分散均勻分布程度對油氣排烴及輸導(dǎo)影響越大，一般取m+n=1，n為公式(7)中定義參數(shù)。

綜合上述歸一化參數(shù)，求取夾層發(fā)育指數(shù)：

(9)

(8)應(yīng)用上述步驟(2)～(7)計算選取的虛擬/實際鉆井目的層的STI、DS、DP和DC數(shù)值，結(jié)合鉆井對應(yīng)的地理坐標(biāo)(x，y)，形成數(shù)據(jù)列表。

(9)以步驟(8)形成的數(shù)據(jù)列表為基礎(chǔ)，結(jié)合沉積相研究成果，確定沉積物源主方向。采用克里金插值算法，勾繪泥頁巖地層中滲透性夾層發(fā)育指數(shù)(STI)平面分布。插值時通過泥頁巖厚度控制數(shù)據(jù)邊界，一般選取泥頁巖地層厚度小于10 m則不計算(具體根據(jù)研究需要可適當(dāng)調(diào)整)。

2 應(yīng)用

通過對頁巖層段夾層厚度、數(shù)量及空間分布等因素的研究，建立頁巖高滲夾層定量評價模型——STI指數(shù)模型，并應(yīng)用實際鉆井產(chǎn)能數(shù)據(jù)校驗評價模型，進(jìn)一步確定評價模型關(guān)鍵參數(shù)取值。采用上述方法，針對渤海灣盆地東營凹陷沙四上亞段非泥頁巖夾層評價開展了初步應(yīng)用。選取98口鉆井為基礎(chǔ)(包括23口工業(yè)油流井)，應(yīng)用地層巖性自動統(tǒng)計軟件及Eops軟件Geolog模塊對鉆井巖性進(jìn)行識別及分類，結(jié)合錄井巖性數(shù)據(jù)，將鉆井巖性數(shù)據(jù)量化。采用SKAU建模模塊，刻畫沙四上亞段頁巖層系單井巖性剖面，同時預(yù)測了該層段的非泥頁巖夾層空間分布。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合STI模型，開展沙四上亞段非泥頁巖發(fā)育程度定量評價。對東營凹陷鉆井及構(gòu)造層位資料系統(tǒng)分析表明，東營地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖層內(nèi)夾層巖性主要為砂巖、灰?guī)r及白云巖，泥頁巖厚度約占總地層厚度的80%，夾層厚度約占15%，超過3 m的夾層約占5%；夾層中43%為砂巖夾層，35%為灰質(zhì)夾層，22%為白云巖夾層。通過對鉆井錄井巖性數(shù)據(jù)數(shù)字化，結(jié)合測井巖性預(yù)測標(biāo)定，將巖性曲線轉(zhuǎn)換為離散數(shù)值，采用序貫高斯算法，預(yù)測東營凹陷沙四上亞段夾層空間分布特征。依據(jù)上述夾層分布空間模型，結(jié)合鉆井夾層發(fā)育指數(shù)，計算編制東營凹陷沙四上亞段夾層指數(shù)(STI)平面分布圖(圖2)。從圖2中可知，東營凹陷沙四段上亞段STI值總體在0.4～0.9之間，夾層較發(fā)育地區(qū)主要分布在凹陷南部地區(qū)，包括牛莊洼陷南斜坡、利津洼陷南斜坡以及博興洼陷；洼陷帶內(nèi)部STI值一般較低，主要分布在0.1～0.4之間，整體上洼陷帶內(nèi)部夾層欠發(fā)育。洼陷帶內(nèi)部局部地區(qū)，如史13井區(qū)、樊120—樊137井區(qū)，STI值較高，為0.4～0.8，可能與重力流有關(guān)。

從東營凹陷工業(yè)性頁巖油流段夾層指數(shù)與產(chǎn)能關(guān)系圖(圖3)可知，工業(yè)油流段的夾層指數(shù)STI值一般在0.2～0.9之間，其中高產(chǎn)井主要在0.4～0.8之間。此外，夾層型是重要的頁巖油富集類型，STI指數(shù)0.4～0.8的區(qū)域一般分布在內(nèi)斜坡或者是靠近內(nèi)斜坡的洼陷帶，該區(qū)域是夾層型頁巖油的勘探有利區(qū)。

圖2 渤海灣盆地東營凹陷沙四上亞段高滲夾層指數(shù)平面分布

圖3 渤海灣盆地東營凹陷工業(yè)性夾層指數(shù)與頁巖油日產(chǎn)量關(guān)系

3 結(jié)論

(1)針對泥頁巖層系(泥地比大于規(guī)定值)中相對高滲薄夾層出現(xiàn)的頻率、在地層中分布的整體位置及夾層在地層中分布的均勻程度，建立了夾層定量表征模型，可有效評價泥頁巖層系薄夾層發(fā)育程度。

(2)應(yīng)用本方法對東營凹陷沙四上亞段頁巖中相對高滲夾層發(fā)育程度開展評價，沙四段上亞段STI值總體在0.4～0.9之間，夾層較發(fā)育地區(qū)主要分布在斜坡帶一側(cè)，洼陷帶內(nèi)部STI值整體較低。通過與現(xiàn)有鉆井試油成果對比，高產(chǎn)井STI主要分布在0.4～0.8之間，顯示STI分布范圍對頁巖油勘探井的部署具有參考價值。

(3)本方法為夾層型頁巖油勘探選區(qū)提供了定量參考，STI指數(shù)在0.4～0.8的區(qū)域是該類型頁巖油富集的有利區(qū)。