王 衍，馬俯波，張海英，桂學(xué)明.

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102200)

灰色關(guān)聯(lián)分析法在頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以湖南保靖頁(yè)巖氣區(qū)塊為例

王 衍，馬俯波，張海英，桂學(xué)明.*

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102200)

灰色關(guān)聯(lián)分析法適用于頁(yè)巖氣勘探初期儲(chǔ)層資料較少時(shí)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。在總結(jié)頁(yè)巖氣地質(zhì)特點(diǎn)和影響因素、借鑒美國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，歸納篩選出總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、有效厚度、孔隙度、含氣量、吸附氣含量、儲(chǔ)層壓力、埋藏深度、黏土礦物含量和儲(chǔ)量豐度10個(gè)因素作為綜合評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的指標(biāo)。將總有機(jī)碳含量確定為主因素，其余9個(gè)指標(biāo)看作子因素,經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，得到各頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層的綜合評(píng)價(jià)因子REI。根據(jù)REI的大小，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。選取北美東部地區(qū)、四川盆地、保靖區(qū)塊、龍山區(qū)塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，北美Barnett區(qū)塊的REI最高，四川筇竹寺組的REI最低；對(duì)保靖區(qū)塊各井龍馬溪組的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，保頁(yè)1井、保參2井周?chē)鷧^(qū)域?yàn)楸緟^(qū)的“甜點(diǎn)”區(qū)。本方法實(shí)例計(jì)算與實(shí)際情況一致性好，說(shuō)明評(píng)價(jià)方法較為合理、結(jié)果可靠。

灰色關(guān)聯(lián)分析；頁(yè)巖儲(chǔ)層；儲(chǔ)層評(píng)價(jià)；關(guān)聯(lián)系數(shù)；權(quán)重系數(shù)；評(píng)價(jià)因子

隨著2013年中國(guó)“第二輪”頁(yè)巖氣區(qū)塊招標(biāo)的結(jié)束，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)迅猛發(fā)展，頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立顯得尤為重要。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)應(yīng)考慮儲(chǔ)層巖石的有機(jī)地球化學(xué)特征、組成特征、空間分布、儲(chǔ)層孔滲特征、儲(chǔ)集空間特征、儲(chǔ)層含氣性、巖石力學(xué)和儲(chǔ)層非均質(zhì)性等特征。國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法有很多種：灰色關(guān)聯(lián)方法[1-4]、模糊評(píng)判法[5-8]、成分分析法[9]、Q型聚類分析和判別函數(shù)法[10-14]、層次分析法[15]、分形幾何方法[16]等。要真正定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層，重點(diǎn)是確定權(quán)重?；疑P(guān)聯(lián)分析是很好的確定權(quán)重的方法，其不要求具體掌握母因素和子因素的相關(guān)關(guān)系，且準(zhǔn)確性高、使用方便，并可以在資料很少的情況下使用；同時(shí)不同區(qū)塊不同層段用灰色關(guān)聯(lián)分析法確定的權(quán)重系數(shù)值不同，與客觀實(shí)際能很好地結(jié)合；在人為無(wú)法估計(jì)各因素權(quán)重大小，或者因素比較多時(shí)，都能給出定量的評(píng)價(jià)結(jié)果。

灰色關(guān)聯(lián)分析法在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛。目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣處于勘探階段，儲(chǔ)層資料較少，適合采用灰色關(guān)聯(lián)方法進(jìn)行頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。

1 國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)頁(yè)巖氣的商業(yè)性開(kāi)采早已實(shí)現(xiàn)，2015年美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量為2800×108m3，已達(dá)天然氣總產(chǎn)量的56.17%[17-18]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)通用標(biāo)準(zhǔn)如下[19-20]：

(1)總有機(jī)碳含量(TOC)：一般情況下，有機(jī)質(zhì)含量TOC>2%，美國(guó)的幾大頁(yè)巖氣系統(tǒng)中，TOC含量均較高，且分布范圍廣。

(2)鏡質(zhì)組反射率(Ro)：Ro>1.1%時(shí)，有機(jī)質(zhì)熱成熟度處于生氣窗范圍之內(nèi)。美國(guó)的頁(yè)巖氣盆地Ro值介于1.1%～3.5%。由于Ro>3.0%時(shí)，油氣會(huì)被破壞，因此Ro值在1.2%～1.4%之間時(shí)較好。

(3)孔隙度：頁(yè)巖氣儲(chǔ)層應(yīng)具備一定的儲(chǔ)集空間。美國(guó)頁(yè)巖氣盆地含氣孔隙度一般介于1.0%～5.0%之間。

(4)頁(yè)巖厚度：富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖要形成一定的規(guī)模，并且能在區(qū)域上連續(xù)而穩(wěn)定地分布，其有效厚度須大于15 m；如果TOC較低，那么泥頁(yè)巖厚度須在30 m以上。美國(guó)五大頁(yè)巖氣開(kāi)采區(qū)的泥頁(yè)巖厚度在9.14～91.44 m之間。

(5)頁(yè)巖埋深：即使泥頁(yè)巖具有比較好的含氣性，也要求有較好的保存條件，因此盆地中心區(qū)和構(gòu)造斜坡為泥頁(yè)巖氣的含氣有利區(qū)。

(6)頁(yè)巖礦物組成：由于脆性礦物的存在使得儲(chǔ)層更容易被壓裂，并使得儲(chǔ)層中的微裂縫發(fā)育，因此石英、方解石、長(zhǎng)石等含量一般應(yīng)大于30%～40%。

1.2 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方法和有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)研究》，頁(yè)巖氣選區(qū)準(zhǔn)則應(yīng)具有一定的儲(chǔ)量豐度、經(jīng)濟(jì)性和可采性?？偨Y(jié)為以下基本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[21-22]：

(1)TOC>0.3%；

(2)Ro≥0.4%；

(3)埋藏深度<4500 m；

(4)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖集中發(fā)育，有效厚度>9 m；

(5)含氣量>0.5 m3/t；

(6)黏土礦物含量>30%，脆性礦物含量>45%；

(7)孔隙度>1%；

(8)滲透率>0.001 mD。

2 方法介紹

灰色關(guān)聯(lián)即指事物之間的不確定關(guān)聯(lián)，其基本任務(wù)就是確定因子間的影響程度或因子對(duì)主行為的貢獻(xiàn)程度[23]?；疑P(guān)聯(lián)分析的具體步驟如下:

(1)確定母、子序列。母序列為：

(1)

子序列為：

(2)

式中t——樣品的個(gè)數(shù)；

i——參數(shù)的個(gè)數(shù)。

(2)確定母、子序列后，可構(gòu)成原始數(shù)據(jù)矩陣：

(3)

(4)

同一觀測(cè)適合各子因素與母因素之間的絕對(duì)差值的最大值為：

(5)

同一觀測(cè)適合各子因素與母因素之間的絕對(duì)差值的最小值為：

(6)

母序列與子序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(7)

求取各子因素與母因素之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(8)

式中Lt(i,0)——灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；

ξ——分辨系數(shù)(一般取0.5)，其作用是為了削弱因最大絕對(duì)差數(shù)值太大而失真的影響，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性；

ri,0——子因素與母因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其越接近于1，子因素對(duì)母因素的影響越大。

(4)通過(guò)歸一化處理求得各影響因子的權(quán)重系數(shù)：

(9)

式中ai——各影響因子的權(quán)重系數(shù)。

(5)利用綜合權(quán)衡系數(shù)計(jì)算每個(gè)樣品的評(píng)價(jià)因子REI，計(jì)算公式為：

(10)

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

頁(yè)巖氣成藏的主要因素包括：巖石礦物成分、吸附氣含量、總有機(jī)碳含量、含氣量、滲透率、有機(jī)質(zhì)成熟度、埋藏深度、有效厚度、孔隙度、地層壓力、溫度等，因此，在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，需要定量地考慮這些因素的影響。

總結(jié)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，主要分為生氣能力、儲(chǔ)氣能力和易開(kāi)采性3個(gè)方面。頁(yè)巖氣影響因素關(guān)系如圖1所示。

圖1 頁(yè)巖氣各影響因素之間的關(guān)系(引自涂乙等，2014)Fig.1 The relationship among influencing factors of shale gas

在總結(jié)頁(yè)巖氣地質(zhì)特點(diǎn)和影響因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，歸納篩選出總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、有效厚度、孔隙度、含氣量、吸附氣含量、儲(chǔ)層壓力、埋藏深度、黏土礦物含量和儲(chǔ)量豐度10個(gè)因素作為綜合評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的指標(biāo)[24-25]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外各指標(biāo)的取值范圍，結(jié)合實(shí)際頁(yè)巖氣勘探情況，建立了頁(yè)巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)，指標(biāo)參數(shù)越多，越能綜合考慮各項(xiàng)因子對(duì)選區(qū)的影響。

利用北美東部地區(qū)、四川盆地、保靖區(qū)塊、龍山區(qū)塊的各影響儲(chǔ)層質(zhì)量的參數(shù)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，進(jìn)行了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。將總有機(jī)碳含量確定為主因素，其余的9個(gè)指標(biāo)分別從某一側(cè)面反映被評(píng)價(jià)樣品的質(zhì)量好壞，可以看作子因素[26-27]。首先統(tǒng)計(jì)出各區(qū)塊的評(píng)價(jià)因素，建立評(píng)價(jià)矩陣(表1)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(表2)；其次，用標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算主因素與各子因素之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；最后，求得各子因素指標(biāo)與主因素指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度(表3)。

表1 評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Evaluation parameters’ statistics

注：①psi(磅力/英寸2)，壓力單位，1 psi=6.895 kPa。

表2 各參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化表Table 2 Standardization of evaluation parameters

表3 各子因素關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Each factor correlation coefficient and correlation

關(guān)聯(lián)度結(jié)果表明，孔隙度、含氣量和有效厚度對(duì)總有機(jī)碳含量的影響最顯著。計(jì)算各因素在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的權(quán)重大小(表4)，以衡量各因素對(duì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的影響程度。將標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)，與其“權(quán)重”相乘，即為單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)衡。將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)權(quán)衡分?jǐn)?shù)相加，得到各頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層的綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，即為評(píng)價(jià)因子(表5)。根據(jù)評(píng)價(jià)因子的大小，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表4 各因素權(quán)重系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 4 The weight coefficients of each factor

表5 各頁(yè)巖氣區(qū)塊儲(chǔ)層評(píng)價(jià)因子統(tǒng)計(jì)表Table 5 REI of shale gas blocks

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖區(qū)塊評(píng)價(jià)結(jié)果表明：Barnett區(qū)塊的REI值最高，四川筇竹寺組的REI值最低，與實(shí)際情況一致。保靖區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層較美國(guó)東部五大頁(yè)巖氣區(qū)塊差，評(píng)價(jià)系數(shù)略低于四川龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層，但較筇竹寺組高。龍山頁(yè)巖氣區(qū)塊結(jié)果與保靖區(qū)塊評(píng)價(jià)結(jié)果接近。

由于灰色關(guān)聯(lián)分析方法的評(píng)價(jià)結(jié)果較為科學(xué)合理，因此，采用保靖區(qū)塊各井?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)區(qū)塊內(nèi)各區(qū)域頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行了評(píng)價(jià)(表6)。

表6 保靖區(qū)塊各井評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)表Table 6 REI of each well in Baojing block

灰色關(guān)聯(lián)分析方法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，保靖區(qū)塊保頁(yè)1井、保參2井周?chē)鷧^(qū)域的REI值最高，為保靖頁(yè)巖氣區(qū)塊內(nèi)“甜點(diǎn)”區(qū)；保參3井的REI值最小。因此，在工程條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先在保頁(yè)1井、保參2井區(qū)域開(kāi)展下一步的勘探開(kāi)發(fā)工作。

4 結(jié)論

(1)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)國(guó)內(nèi)外和保靖頁(yè)巖氣區(qū)塊進(jìn)行定量的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，確定了各因素的權(quán)重系數(shù)；同時(shí)進(jìn)行區(qū)內(nèi)評(píng)價(jià)，確定了保靖區(qū)塊內(nèi)的“甜點(diǎn)”區(qū)。這種方法適用于區(qū)域數(shù)據(jù)較少的勘探階段的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。通過(guò)實(shí)例計(jì)算與實(shí)際情況一致性好，說(shuō)明評(píng)價(jià)方法較為合理、結(jié)果可靠。

(2)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)主要針對(duì)儲(chǔ)層條件，對(duì)于具體區(qū)域的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，需綜合考慮地質(zhì)工程條件、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件等因素，在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上做好可采性評(píng)價(jià)，才能確定是否進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

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ApplicationofGreyRelationalAnalysisinShaleGasReservoirEvaluation—Taking Shale Gas Block in Baojing Hunan as an Example

Wang Yan, Ma Fubo, Zhang Haiying, Gui Xueming

(ShenhuaGeologicalExplorationCo.,Ltd.,Beijing102200,China)

Grey relational analysis is applicable for shale gas reservoir quantitative evaluation at the early period of exploration with less reservoir data. Based on summarizing geological characteristics, influencing factors of shale gas and using the United States shale gas reservoir evaluation standard for reference, ten factors that included total organic carbon content, organic matter maturity, effective thickness, porosity, gas content, adsorbed gas content, formation pressure, buried depth, clay mineral content and reserve abundance were selected as the index of comprehensive evaluation of shale reservoir. The total organic carbon content was determined as the main factor and the remaining nine indicators as a sub factor, after a series of calculations, the comprehensive evaluation scores of shale gas reservoirs were obtained, that was the evaluation factorREI. The quantitative evaluation of shale reservoir will be proceed according to the size ofREI. Calculating with the data of eastern region of North America，Sichuan basin, Baojing block and Longshan block, the results showed thatREIof North American Barnett block was the highest andREIof Sichuan Qiongzhusi group was the lowest. Calculating with the Longmaxi group data of wells in Baojing block, the results showed that the area surrounding wells Baoye-1 and Baocan-2 were the sweet point areas in Baojing block. The calculation of this method was in good agreement with the actual situation, it showed that the grey association analysis was reasonable and the results were reliable.

grey relational analysis; shale gas reservoir; reservoir evaluation; relational coefficient; weight coefficient; evaluation factor

王衍(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)工作。郵箱：wy750714@163.com.

TE122.2+4

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