王春偉，杜煥福，孫 鑫,，戴彩麗，楊金莉，陳榮華

（1.中石化經(jīng)緯有限公司地質(zhì)測控技術(shù)研究院，山東青島 266000；2.中國石油大學（華東），山東青島 266580；3.中石化經(jīng)緯有限公司勝利地質(zhì)錄井公司，山東東營 257000）

中國東部常規(guī)油氣的勘探開發(fā)已進入中后期，增產(chǎn)難度越來越大，急需尋找新的資源進行接替[1]。歷經(jīng)10 多年的勘探，國內(nèi)多個頁巖油田獲得了工業(yè)化產(chǎn)能，展現(xiàn)了頁巖油勘探開發(fā)的巨大潛力，成為接替常規(guī)油氣的一種重要方式[2]。然而，國內(nèi)頁巖油以陸相沉積為主，地質(zhì)條件復雜多變，且地質(zhì)工程甜點評價要素多元，難以準確預測頁巖油有利區(qū)[3]。

國內(nèi)外學者采用不同方法評價頁巖油甜點，形成了頁巖油甜點綜合評價體系[4]，前期應用較多的是多要素綜合分析法[5-12]。該方法選取鏡質(zhì)體反射率、總有機碳含量、含油量、有利巖相、孔隙度、可動性、脆性礦物含量、地層壓力及頁巖厚度等評價指標中的幾個指標進行有利區(qū)的疊合，避免了單因素表征頁巖含油氣性的片面性，但評價結(jié)果難以定量化。部分學者對頁巖油甜點定量化評價進行了研究與實踐。趙賢正等人[13-15]針對渤海灣盆地歧口凹陷、滄東凹陷及饒陽凹陷，分別采用量化賦值權(quán)重的方法，建立了基于巖石組構(gòu)、生烴能力、超越效應、工程脆性、儲集性能、熱成熟度等6～8 項評價指標的甜點定量評價方法。該方法雖然可以直觀地定量化評價頁巖油甜點，但需人為分段，并按照統(tǒng)一標準給各項評價指標賦權(quán)重，評價結(jié)果對不同類型的頁巖油藏缺乏普適性。張繼偉等人[16]針對四川盆地儀隴-平昌地區(qū)，選取頁巖有效厚度、鏡質(zhì)體反射率、總有機碳含量、地層壓力和脆性指數(shù)等5 項評價指標，采用主成分分析方法，按可壓性有利因子及可動性有利因子2 個主成分建立了頁巖油綜合評價的無因次線性組合方法，但該方法評價指標少且未建立其與產(chǎn)量的相關關系。茍啟洋等人[17]針對四川盆地焦石壩區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層，基于灰色關聯(lián)理論選取實測含氣量、含氣飽和度、氣測顯示等7個指標，定量計算各指標的相關性和權(quán)重，獲取含氣性綜合評價因子，實現(xiàn)了地質(zhì)和工程多因素聯(lián)合表征頁巖含氣性。該方法在頁巖氣開發(fā)中取得了較好的效果，但其未考慮評價指標之間的相互影響。如果表征四性中某一性的評價指標有較強的相關性，則其權(quán)重會增大，其他評價指標的權(quán)重會減小，使頁巖油甜點評價結(jié)果不準確。

為了實現(xiàn)頁巖油甜點的綜合性、定量化精準評價，筆者采用灰色關聯(lián)分析方法，分析不同評價指標間的相關性，并優(yōu)化各評價指標的權(quán)重，定量表征與頁巖油產(chǎn)量密切相關的地質(zhì)工程參數(shù)，進而計算頁巖油甜點綜合評價指數(shù)，并實例驗證了該方法的適用性與準確性。

1 地質(zhì)背景

渤南洼陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷沾化凹陷中部，北靠埕東凸起和郭局子洼陷，南鄰陳家莊凸起和三合村洼陷，西接義和莊凸起，東邊為孤島潛山帶[18]。洼陷整體上呈現(xiàn)西北陡、東南緩箕狀斷陷盆地，勘探面積約600 km2，內(nèi)部又細分為南部緩坡帶、斷階帶、深洼帶以及北部陡坡帶。沙河街組為陸相湖盆沉積，頁巖主要分布在沙四上段、沙三下段及沙一段，其中沙三下段沉積時期湖泊盆地發(fā)展進入鼎盛時期，沉積了厚達700 m 的泥頁巖，巖性以油泥巖、油頁巖及泥巖為主，演化成熟度高[19]（見圖1）。前期渤南洼陷多口井在沙三下頁巖段獲得了工業(yè)油氣流，試油產(chǎn)油量超過30 t/d 的直井5 口，展示了該洼陷具有較大的頁巖油勘探開發(fā)潛力[20]。然而渤南洼陷頁巖油儲層具有非均質(zhì)性強、黏土礦物含量高、有機質(zhì)成熟度低、原油流動性差等特點[21]，導致頁巖油地質(zhì)和工程甜點優(yōu)選困難，亟需開展綜合評價，為頁巖油勘探開發(fā)提供依據(jù)。

圖1 渤南洼陷基本地質(zhì)情況Fig.1 Basic geological condition of Bonan Sag

2 評價方法及原理

灰色關聯(lián)度分析法是根據(jù)不同因素之間發(fā)展趨勢的相似或相關程度來衡量各因素間關聯(lián)程度的一種方法?；疑P聯(lián)法可以綜合各類影響因素，實現(xiàn)目標系統(tǒng)發(fā)展和變化趨勢的定量分析[22-23]，在頁巖油甜點綜合評價中具有良好的應用前景。

1）評價指標優(yōu)選。通過分析研究區(qū)頁巖油單井產(chǎn)量，梳理出與單井產(chǎn)量相關性較強的評價指標作為綜合定量評價頁巖油甜點的參數(shù)。

2）歸一化處理。由于頁巖油甜點各評價指標的數(shù)量級和單位不一致，需要對所有產(chǎn)量及評價指標的數(shù)據(jù)進行歸一化處理。與頁巖油產(chǎn)量呈正相關的評價指標，采用式（1）進行處理；與頁巖油產(chǎn)量呈負相關的評價指標，采用式（2）進行處理。

式中：i=1,2,…,n，為評價指標樣本個數(shù)；t=0，1,2,…,m，為評價指標項數(shù)；Xi(t)為第t項評價指標第i個樣本的歸一化處理結(jié)果；xi(t)為第t項評價指標第i個樣本的值；maxxi(t)為第t項評價指標樣本的最大值；minxi(t) 為第t項評價指標樣本的最小值；Xi(0)為評價指標歸一化結(jié)果。

3）建立評價矩陣。依據(jù)研究區(qū)頁巖油單井產(chǎn)量，統(tǒng)計不同井點的評價指標數(shù)據(jù)，歸一化后得到m項評價指標與n個樣本體構(gòu)建的評價矩陣：

4）相關系數(shù)計算。基于標準化的評價矩陣，可以獲取各個評價指標與產(chǎn)量的相關系數(shù)，進一步計算出相關度。相關系數(shù)的計算公式：

式中：Δi(t，0)為產(chǎn)量與第t個評價指標第i樣本歸一化后的相對值；Δmax 為第t個評價指標與產(chǎn)量歸一化相對值的最大值；Δmin 為第t個評價指標與產(chǎn)量歸一化后相對值的最小值；ξi(t,0)為評價指標與產(chǎn)量相關系數(shù)所構(gòu)成的數(shù)列；ρ為分辨系數(shù)，依據(jù)前人在頁巖氣領域的應用效果，本文取0.50[17]。

5）相關度計算。相關度指評價指標與產(chǎn)量的相關性，取值范圍為0～1，越接近1，表明評價指標對產(chǎn)量的影響越大；反之越小。相關度r(t,0)計算公式為：

6）相關度校正。特殊地，如果2 個評價指標間的相關度較高，其權(quán)重會增大，其他評價指標的權(quán)重會減小，進而影響綜合評價指數(shù)計算的準確性。為了規(guī)避這種情況，需要額外計算這2 個評價指標間的相關度，以便對其權(quán)重進行校正[24]。

式中：ξi(j,k)為第j項評價指標與第k項評價指標的相關系數(shù)；r(j,k)為第j項評價指標與第k項評價指標的相關度；ξi(j,0)為第j項評價指標與產(chǎn)量的相關系數(shù)；r(j,0)為第j項評價指標與產(chǎn)量的相關度。

7）權(quán)重計算。權(quán)重指各評價指標對評價體系的影響程度。通過對相關度的歸一化處理，可以計算出各評價指標在評價體系中的權(quán)重Rt。

式中：Rt為第t個評價指標的權(quán)重；r(t,0)為第t個評價指標的相關度。

8）綜合評價指數(shù)計算。通過計算綜合評價指數(shù)Q，可以對頁巖油儲層進行更綜合直觀的評價。綜合評價指數(shù)的計算公式為：

3 評價過程及結(jié)果討論

3.1 評價指標優(yōu)選及歸一化處理

前人開展了大量的研究，總結(jié)出頁巖油的“四性”評價體系及主要評價指標[4]。通過分析渤南洼陷頁巖油的特征，依據(jù)各評價指標與產(chǎn)量的相關性及在研究區(qū)的應用頻率，優(yōu)選含油性（頁巖厚度、總有機碳含量、鏡質(zhì)體反射率）、儲集性（孔隙度）、可動性（熱解游離烴含量、原油密度、原油黏度、地層壓力）及可壓性（脆性指數(shù)）等9 個評價指標作為量化表征頁巖油甜點的綜合評價指標（見表1）。其中，日產(chǎn)油量取穩(wěn)定階段單位壓降產(chǎn)油量的平均值，頁巖厚度指產(chǎn)油層段儲層厚度，總有機碳含量采用產(chǎn)油層段的算術(shù)平均值。評價指標與產(chǎn)量的相關性見圖2。

表1 渤南洼陷頁巖油井的評價指標Table 1 Evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

圖2 渤南洼陷頁巖油評價指標與日產(chǎn)油量的相關性Fig.2 Correlation between shale oil evaluation indexes and daily production of shale oil in Bonan Sag

依據(jù)不同評價指標與產(chǎn)量的正負相關關系（原油密度、原油黏度為負相關，其他指標為正相關），分別進行數(shù)據(jù)歸一化處理，結(jié)果見表2。

表2 渤南洼陷頁巖油井評價指標歸一化處理結(jié)果Table 2 Normalization of evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

3.2 評價指標權(quán)重確定

依據(jù)灰色關聯(lián)算法，計算渤南洼陷9 個評價指標的相關度及權(quán)重，結(jié)果見表3。特殊地，總有機碳含量代表有機質(zhì)豐度，熱解游離烴含量代表可動烴含量，這2 個評價指標的關聯(lián)性較大。為消除其中1 個評價指標（選熱解游離烴含量）對綜合評價指數(shù)的重復影響，需要對熱解游離烴含量的相關度進行校正，即在計算得到9 個指標的相關度后，需要單獨對熱解游離烴含量的相關度按式（9）、式（10）進行校正，熱解游離烴含量校正后的相關度為0.23（校正前為0.61），然后以校正后的相關度進行權(quán)重計算。

表3 渤南洼陷頁巖油井評價指標相關度及權(quán)重Table 3 Correlation and weight of evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

整體來看，除熱解游離烴含量外，影響渤南洼陷頁巖油井產(chǎn)量各評價指標的權(quán)重相差較小，對產(chǎn)量的貢獻程度相差不大。權(quán)重最大的為原油密度，為0.13；總有機碳含量、孔隙度及地層壓力的權(quán)重較大；頁巖厚度、鏡質(zhì)體反射率和脆性指數(shù)的權(quán)重居中；原油黏度的權(quán)重只有0.09。權(quán)重從客觀上反映了不同評價指標對頁巖油儲層的綜合影響，與主觀認識基本一致。

3.3 綜合評價指數(shù)計算及驗證

利用各評價指標的相關度及其權(quán)重，計算了渤南洼陷不同頁巖油井的綜合評價指數(shù)，結(jié)果見表4。根據(jù)表4 和各頁巖油井的井位繪制渤南洼陷頁巖油綜合評價指數(shù)平面分布圖，結(jié)果見圖3（Ro為鏡質(zhì)體反射率，Cto為總有機碳含量）。

表4 渤南洼陷頁巖油井的綜合評價指數(shù)Table 4 Comprehensive evaluation indexes of shale oil wells in Bonan Sag

圖3 渤南洼陷頁巖油綜合評價指數(shù)平面分布Fig.3 Plane distribution of comprehensive evaluation indexes of shale oil in Bonan Sag

由圖3 可知，綜合評價指數(shù)高值主要分布于XYS9—Y182—Y187井區(qū)、Y283 井區(qū)南部及L42 井區(qū)周圍，大致位于深洼帶及斷階帶東西兩側(cè)，整體向南、向北綜合評價指數(shù)逐漸降低。綜合評價指數(shù)越大，代表頁巖油產(chǎn)能潛力越高；綜合評價指數(shù)越小，代表頁巖油產(chǎn)能潛力越低。利用表2 和表4 的數(shù)據(jù)繪制綜合評價指數(shù)與頁巖油單井產(chǎn)量的關系圖，結(jié)果見圖4。由圖4 可知，綜合評價指數(shù)與頁巖油單井產(chǎn)量具有較好的相關性，兩者回歸關系式的決定系數(shù)達到0.658 1，表明該方法計算的綜合評價指數(shù)能夠較好地與渤南洼陷頁巖油單井產(chǎn)量匹配。

圖4 渤南洼陷頁巖油綜合評價指數(shù)與日油產(chǎn)量的相關性Fig.4 Correlation of comprehensive evaluation indexes and daily production of shale oil in Bonan Sag

4 應用實例

水平井可以增大頁巖油儲層的裸露面積、提高頁巖油采收率，近年來得到了廣泛應用，長水平段水平井配合復雜縫網(wǎng)體積壓裂技術(shù)逐漸成為渤南洼陷頁巖油開發(fā)的主要手段[25-26]。水平井完井后需要及時、準確地對水平段進行綜合評價，以指導壓裂施工。下面以渤南洼陷深洼帶東側(cè)的BYP5 井為例，介紹綜合評價指數(shù)在頁巖油開發(fā)中的應用。

依據(jù)BYP5 井頁巖油水平段甜點段評價的實際情況，在相同或鄰近井深的鏡質(zhì)體反射率、原油密度、原油黏度、地層壓力等評價指標相同或相近時，可直接選取頁巖厚度、總有機碳含量、孔隙度、熱解游離烴含量和脆性指數(shù)等5 個評價指標計算綜合評價指數(shù)，并以此確定頁巖油的甜點，為后期壓裂提供依據(jù)。依據(jù)灰色關聯(lián)理論進行頁巖油綜合評價指數(shù)計算，評價指標、綜合評價指數(shù)計算結(jié)果及試油示蹤劑產(chǎn)量貢獻率如圖5 所示。由圖5 可知，BYP5井的綜合評價指數(shù)自上而下整體減小，與示蹤劑監(jiān)測的產(chǎn)量貢獻率趨勢一致。此外，BYP5 井頁巖油綜合評價指數(shù)與示蹤劑監(jiān)測的產(chǎn)量貢獻率具有較好的相關性（見圖6），二者回歸關系式的決定系數(shù)可達0.602 3。根據(jù)綜合評價指數(shù)判斷BYP5 井頁巖油甜點，并據(jù)此優(yōu)選壓裂段，該井壓裂后，測試峰值日產(chǎn)油量160 t，4 個月累計產(chǎn)油量超過1×104t，取得了良好的開發(fā)效果。

圖5 BYP5 井頁巖油甜點段綜合評價結(jié)果Fig.5 Comprehensive evaluation results of shale oil sweet spots in Well BYP5

圖6 BYP5 井頁巖油甜點段綜合評價指數(shù)與產(chǎn)量貢獻率的相關性Fig.6 Correlation analysis between the comprehensive evaluation index of shale oil sweet spots and production contribution rate in Well BYP5

5 結(jié)論

1）運用灰色關聯(lián)理論優(yōu)選了渤南洼陷頁巖油甜點評價指標，分析了不同評價指標間的相關性，并優(yōu)化了評價指標的權(quán)重，定量表征了與頁巖油產(chǎn)量密切相關的地質(zhì)工程參數(shù)，實現(xiàn)了頁巖油甜點的綜合性、定量化精準評價。

2）渤南洼陷頁巖油綜合評價指數(shù)高值主要分布于XYS9—Y182—Y187 井區(qū)、Y283 井區(qū)南部及L42 井區(qū)周圍，整體向南、向北綜合評價指數(shù)逐漸降低，綜合評價指數(shù)與單井產(chǎn)量的相關性好，能夠較好地匹配渤南洼陷頁巖油單井產(chǎn)量。

3）BYP5 井綜合評價指數(shù)自上而下整體減小，與示蹤劑監(jiān)測的產(chǎn)量貢獻率趨勢一致，兩者具有較好的相關性。表明頁巖油水平井井完井后，通過計算綜合評價指數(shù)可以及時、準確地評價水平段的甜點段，以指導壓裂施工。