基于M—N動態交會的頁巖油巖性組分定量計算方法

徐文遠，趙靜，趙延靜，徐蘊穎，錢晨，左東星

（中國石油集團測井有限公司長慶分公司，陜西 西安 710021）

0 引 言

中國的頁巖油氣資源豐富，二十世紀六十年代就已經在多個盆地發現了頁巖油，當時認為是儲存在泥頁巖裂縫中的油藏。隨著對頁巖油氣認識的不斷深入和科學技術手段的持續進步，近年在鄂爾多斯、松遼、濟陽、濮陽、準噶爾以及南襄等多個盆地頁巖地層獲得勘探突破。與常規儲層相比，頁巖儲層從巖性、儲集空間到流體賦存狀態都存在很大的差別，不能延用解釋常規儲層的理論和方法進行評價。

鄂爾多斯盆地延長組長7地層資源量豐富、儲量規模大，共發育3類頁巖油，其中I類頁巖油已實現大規模效益開發，建成了國家級頁巖油示范區；長73地層主要發育II類、III類頁巖油，為陸相湖盆沉積體系，以半深湖-深湖重力流沉積相為主，具有源儲共生、礦物組分多樣及孔隙結構復雜的特點[1-2]。常規測井響應可以總結為“四高一低一失真”，即高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差、高補償中子、低密度以及自然電位失真。綜合解釋對成像測井及鉆井取心的依賴性強，在劃分有效儲層及定量計算參數方面存在明顯的技術短板。精確計算泥質及總有機碳含量是盆地高自然伽馬頁巖油測井評價的關鍵?？傆袡C碳含量的測井評價方法有很多，主要分為兩大類。①以多元線性回歸為基礎的曲線擬合法。1945年，Beers[3]利用自然伽馬放射性強度評價總有機碳含量（TOC），利用鈾元素與總有機碳含量的關系進行烴源巖有機質豐度評價。②以ΔlogR法為代表的測井曲線疊合法。1990年，Passey等[4]結合巖心數據進行分析，得出了ΔlogR與總有機碳含量的擬合關系，繪制了TOC的計算圖版。兩類方法在含油氣盆地的烴源巖評價中均取得了較好應用效果[5-12]。泥質含量計算方法主要有自然伽馬（電位）法、中子密度法及電阻率法等[13]，受測井曲線“四高一低一失真”的影響，現有技術手段在目標層系應用效果并不理想。截至2020年5月，長慶油田累計有17口井在高自然伽馬地層獲得工業油流，其中11口井在測井解釋時未進行儲層劃分，其余井參考核磁共振及巖心資料識別出了有效儲層，但提供的巖性剖面不能反映儲層內部的非均質性，與地質規律不符。

該文以常規測井曲線為基礎，對ΔlogR法進行技術延展，用聲—電面積替代固定的聲波、電阻率基線，考慮了巖性及孔隙度對測井響應的影響，提高了總有機碳含量的計算精度。通過對礦物組分的系統分析，確定了泥巖線的表述方程，采用三角交會的方式逐點求取泥巖點與砂巖點位置，既考慮了曲線標準化及有機質對測井曲線的影響，也解決了巖石骨架參數變化大的難題，實現了長73地層主要巖性組分的定量計算。

1 地層主要巖性及測井特征

長73地層巖性組分主要包括石英、長石（鉀長石、斜長石）、黏土礦物（伊利石、伊蒙混層、高嶺石、蒙脫石等）、黃鐵礦、碳酸鹽巖礦物（方解石、白云石）等。砂巖碎屑中“石英+長石”含量達70%～80%，受物源影響，石英、長石所占比例略有不同（見表1）。

表1 長73 地層砂巖碎屑構成統計表

綜合地質評價需求及測井響應特征差異，將巖性分為黑色頁巖、暗色泥巖、粉砂巖、細砂巖及凝灰巖這5大類。不同巖石類型均見含油氣顯示，其中砂巖顯示最好，以油斑、油跡為主；黑色頁巖、暗色泥巖為生油巖，氣測全烴顯示明顯。試油試采及薄片分析結果證實粉砂巖、細砂巖為研究區有效儲集巖性，泥巖及頁巖孔隙以微孔為主，為非有效儲集巖性。表2為各巖性對應的測井特征及判別標準。

表2 長73 地層主要巖性測井特征及判別標準統計表

2 巖性組分定量計算

總有機碳含量是烴源巖評價中反映巖石有機質豐度最主要的一個指標，其計算精度一是可以厘清烴源巖縱橫向展布規律，落實資源潛量；二是有利于分析干酪根對測井響應特征的影響，為其他參數的精確求取奠定基礎。泥質含量是砂泥巖地層參數計算與評價的重要基礎參數，它不僅反映地層的巖性，而且與儲層的有效孔隙度、含水飽和度、束縛水飽和度、滲透率等參數密切相關。綜合長73地層地質評價需求及不同巖性組分的測井特征差異，將地層分為泥質、砂質及有機質3部分，這3部分巖性組分的準確求取可為頁巖油識別提供解決方案。

2.1 總有機碳含量

長7段發育的黑色頁巖和暗色泥巖是盆地中生界主要烴源巖，鏡下觀察鑒定為I型或Ⅱ型，總有機碳含量大于6%，氯仿瀝青大于0.6%[12]?；诙嗫诰南到y取心，以多元回歸為基礎建立了總有機碳含量計算模型

式中，AC為測井測量的聲波時差值，μs/m；DEN為測井測量的密度值，g/cm3；GR為測井測量的自然伽馬值，API。

該模型豐富了盆地內烴源巖評價方法，為資源潛量預測提供了依據，但其在非源巖及低豐度源巖段的計算結果偏高，不利于開展巖性組分精細評價。該文以ΔlogR法為基礎進行延展，通過選用合適的刻度參數，用聲—電面積替代固定的聲波、電阻率基線，考慮了巖性及孔隙度對測井響應的影響，結合自然伽馬曲線擬合獲得總有機碳含量計算公式，其計算精度顯著提高[見式 （2）]。同時，進一步計算了干酪根體積組分[見式 （3）]。

式中，Srtac為特定刻度下聲波時差及電阻率曲線歸一化的包絡面積，小數；Vt為干酪根體積組分，小數；ρt為干酪根密度，g/cm3；K為干酪根轉化因子，一般取1.2。

圖1為新、舊方法計算總有機碳含量與實驗分析結果的對比。圖1中第9道藍色實線為原模型計算總有機碳含量，非源巖段計算總有機碳整體在6%以上，與實際不符。第10道為新方法計算總有機碳含量與實驗分析結果對比，效果提升明顯。

圖1 城Aa井總有機碳含量新、舊模型計算對比

2.2 泥質與砂質含量

泥質含量是巖石中粒徑小于0.1 mm的細粉砂和濕黏土的體積占巖石體積的百分數，其主要計算方法有自然電位法、自然伽馬法、自然伽馬能譜法、光電吸收截面指數法等。受高放射性有機質等因素影響，長73地層自然伽馬及自然電位在目的層段沒有分層能力，亦不能用于泥質含量定量計算；勘探成本、井眼環境等因素也制約了自然伽馬能譜與光電吸收截面指數法在目的層段的規?；瘧??；诖?，該文以三孔隙度測井為基礎，建立了基于M—N動態交會的泥質含量計算方法。

M、N分別是聲波—密度和中子—密度交會圖上某一巖性線的斜率，是三孔隙度曲線消除孔隙度影響得到的重要參數，對地層巖性反映靈敏，其計算公式為

式中，Δtf為流體聲波時差值，μs/m；ρf為流體密度值，g/cm3；φnf為流體中子值，%；CNL為地層補償中子，%；系數0.003是當聲波時差采用法定計量單位（μs/m）時加入的系數，目的是使M與N大小相當。

研究區主要巖性的M、N值見表3，其在M—N交會圖中的對應位置見圖2。從圖2可見，干酪根與砂泥組分物理性質差異較大，在交會圖中距離較遠，說明有機質對三孔隙度曲線影響大，巖性組分含量的求取應先進行干酪根校正；相比其他礦物組分，石英和長石在交會圖中位置較近，可以作為一個整體，即砂質來進行表述；黏土礦物組分多樣，蒙脫石、伊利石、高嶺石在交會圖中不集中但整體在一條直線上，通過擬合方式可以獲得泥巖線方程，表述為N=a×M+b，其中a、b為常數。

表3 常見巖性及干酪根的M、N 值統計表

圖2 長7地層主要巖性組分在M—N交會圖中的位置

基于以上分析，分兩步實現泥質含量計算：① 干酪根校正。綜合地質評價需求及地層巖石骨架體積模型，推導獲得干酪根校正后骨架的M、N值為

式中，Mgj、Ngj分別為經干酪根校正后骨架的M、N值，小數；Mt、Nt分別為干酪根理論M、N值，小數。

② 基于M—N動態交會計算地層泥質含量。如圖3所示，過蒙脫石、伊利石及高嶺石點擬合得到泥巖線表述方程N=- 0 . 1 95M+0. 5 08；過蒙脫石及高嶺石點分別作數據體的切線，兩切線交點的位置即為砂巖點位置Q；過砂巖點Q及地層采樣點S繪制直線g（M、N）與泥巖線相交，交點位置即是采樣點泥質骨架在M—N交會圖中的位置；設泥質骨架點與采樣點、砂巖點間的距離分別為L1、L2，即可獲得泥質含量計算公式為

圖3 基于M — N三角交會的泥質含量計算方法評價示意圖

忽略黃鐵礦、方解石等非主要礦物的影響，砂質含量計算公式為

3 應用效果分析

研究成果在鄂爾多斯盆地延長組長7地層頁巖油測井解釋中全面推廣應用。圖4為寧Abc井長73地層綜合解釋成果圖，圖5為近年完鉆的一口探井蔡Ab井綜合解釋成果圖。

圖4 寧Abc井長73地層綜合解釋成果圖

圖5 蔡Ab井長73地層綜合解釋成果圖

圖4中1 730 ～1 740 m層段自然伽馬為高值，由于前期認識不足，測井解釋未能識別出有效儲層。該段氣測全烴顯示異常，錄井見油跡顯示，在1 735 ～1 738 m井段進行壓裂測試，日產純油24.23 t。采用基于M—N動態交會的巖性組分定量計算方法對該井進行重新處理，識別出53 ～56號儲層，其中55號儲層聲波時差為250.0 μs/m，密度為2.47 g/cm3，計算的泥質含量為21.90%，孔隙度為12.58%，滲透率為1.35×10-3μm2，綜合解釋為油層，與試油結果一致。

圖5中長73地層1 882 ～1 910 m層段自然電位失真，自然伽馬中高值，常用測井方法劃分儲層困難，采用基于M—N動態交會的巖性組分定量計算方法對該層段進行精細處理，識別出64 ～69號儲層，巖性剖面與取心及成像測井資料吻合。64號儲層計算的泥質含量為11.35%，孔隙度為10.32%，解釋為油層。66、67、69號層識別為差油層，解釋結論得到試油資料證實。在1 882 ～1 906 m層段進行壓裂測試，日產純油33.32 t。應用該方法重新處理3 000余口老井，拓展砂體分布范圍達4 000 m3；同時，處理近300口新井，其中16口井試油壓裂，14口井獲得工業油流，取得良好應用效果，改變了以往因巖性組分認識不清導致油層漏解釋的局面?；诔Ｒ帨y井曲線的巖性組分定量計算方法為頁巖油老井重新認識及新井降本增效提供了技術支撐。

4 結 論

（1）該文以ΔlogR法為基礎進行延展，用聲—電面積替代固定的聲波、電阻率基線，考慮了巖性及孔隙度對測井響應的影響，總有機碳含量計算精度顯著提高。

（2）針對高伽馬地層巖性表征難題，創新形成基于M—N三角交會的泥質含量計算方法，該方法能夠逐點計算地層砂、泥巖骨架M、N值，既消除了干酪根的影響，也自帶曲線標準化屬性，實現了頁巖地層泥質含量的準確求取。

（3）巖性組分定量計算與儲層識別是長73高伽馬頁巖油測井評價的關鍵，該文以常規測井為基礎，提供了一種頁巖油地層巖性組分定量計算方法，實現了工業化應用。