王保華，李 浩，陸建林，呂劍虹，王 苗，趙琳潔

(中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126)

隨著非常規(guī)油氣，特別是頁(yè)巖油氣的成功勘探開(kāi)發(fā)，泥頁(yè)巖作為油氣儲(chǔ)層引起了研究者的廣泛關(guān)注[1-9]。統(tǒng)計(jì)表明，國(guó)內(nèi)外成功獲得頁(yè)巖油氣突破地區(qū)的泥頁(yè)巖段均發(fā)育一定比例的非泥頁(yè)巖夾層[10-16]，如灰?guī)r、白云巖、細(xì)砂巖等相對(duì)高滲透性?shī)A層[17]，且頁(yè)巖油氣產(chǎn)量與泥頁(yè)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(yáng)坳陷35口出油流井中，24口為夾層型，占68.6%；僅11口為無(wú)夾層的純頁(yè)巖，占31.4%[18]。夾層在頁(yè)巖油成藏過(guò)程中起著“倉(cāng)儲(chǔ)層”和“輸導(dǎo)層”的作用，因此泥頁(yè)巖中發(fā)育夾層是頁(yè)巖油穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的關(guān)鍵所在。

我國(guó)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(yè)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(yáng)凹陷核三段2～6號(hào)層和濟(jì)陽(yáng)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(yáng)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(wú)論從夾層在頁(yè)巖油富集高產(chǎn)中的重要性，還是從我國(guó)古近系陸相頁(yè)巖夾層發(fā)育的廣泛性來(lái)講，都有必要開(kāi)展頁(yè)巖夾層定量評(píng)價(jià)研究。

關(guān)于泥頁(yè)巖層系中夾層的巖性及厚度標(biāo)準(zhǔn)，前人開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究工作，并制定了相關(guān)的國(guó)家/企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如《頁(yè)巖氣資源—儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范：GB/T 0254—2014》[19]規(guī)定，當(dāng)累計(jì)夾層厚度小于層組總厚度的20%時(shí)，夾層中產(chǎn)出的頁(yè)巖氣稱(chēng)為夾層型頁(yè)巖氣?！俄?yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法：GB/T 31483—2015》[20]進(jìn)一步規(guī)定，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段是指富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖及富有機(jī)質(zhì)頁(yè)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(jì)夾層厚度占該頁(yè)巖層段總厚度比例小于20%。中國(guó)石化則在累計(jì)夾層厚度小于層組厚度20%的基礎(chǔ)上，將大段泥頁(yè)巖中厚度小于2 m且產(chǎn)出原油的夾層定義為頁(yè)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(yè)巖油[22]的依據(jù)，而濟(jì)陽(yáng)坳陷的夾層型頁(yè)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(shí)到泥頁(yè)巖夾層對(duì)頁(yè)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(jì)夾層厚度所占比例，但對(duì)夾層在泥頁(yè)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(gè)定量的判識(shí)指標(biāo)，而確定富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段中的夾層分布特征，對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和頁(yè)巖油氣資源量估算具有重要意義。

1 定量評(píng)價(jià)方法建立

1.1 評(píng)價(jià)原理

依據(jù)常規(guī)油氣探明儲(chǔ)量單層有效厚度、獲頁(yè)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(yè)巖氣的國(guó)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(píng)價(jià)非泥頁(yè)巖夾層發(fā)育程度還要考慮非泥頁(yè)巖夾層縱向上在泥頁(yè)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(gè)因素通過(guò)夾層發(fā)育強(qiáng)度(DS)、分布位置(DP)及分散系數(shù)(DC)這3個(gè)定量參數(shù)及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型表示，再通過(guò)這3個(gè)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(shí)際鉆井巖性數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)目的層滲透性?shī)A層累計(jì)厚度及層數(shù)，若夾層厚度占地層比例不超過(guò)上限值，則計(jì)算夾層發(fā)育強(qiáng)度、分布位置及分散系數(shù)；再通過(guò)表征夾層發(fā)育程度的數(shù)學(xué)模型計(jì)算夾層發(fā)育指數(shù)(STI)，否則STI為無(wú)效值；最終應(yīng)用前述計(jì)算的多口虛擬/實(shí)測(cè)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(jì)算目的層STI的平面分布，為科學(xué)定量評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖中滲透性?shī)A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(shuō)明

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

(1)輸入數(shù)據(jù)說(shuō)明：①地震反演體：通過(guò)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(shí)間域數(shù)據(jù)體，通過(guò)時(shí)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(diǎn)值代表對(duì)應(yīng)空間節(jié)點(diǎn)處預(yù)測(cè)的巖性。②三維構(gòu)造建模：通過(guò)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(diǎn)在縱向上排列一致，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)值代表對(duì)應(yīng)空間節(jié)點(diǎn)處預(yù)測(cè)的巖性。③鉆井?dāng)?shù)據(jù)：通過(guò)錄井或測(cè)井預(yù)測(cè)獲得的目的地層巖性數(shù)據(jù)。

圖1 夾層發(fā)育程度評(píng)價(jià)因素

a1.夾層頻率相對(duì)較高；a2.夾層頻率相對(duì)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(yè)巖中發(fā)育的滲透性相對(duì)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(guó)標(biāo)或企標(biāo)規(guī)定，在頁(yè)巖油氣評(píng)價(jià)中滲透性?shī)A層累計(jì)厚度占地層比例(厚度占比)不超過(guò)指定值，單層厚度不超過(guò)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(yè)巖段地層中滲透性?shī)A層個(gè)數(shù)占泥頁(yè)巖段地層厚度的比例，是反映指定厚度的泥頁(yè)巖地層發(fā)育滲透性?shī)A層個(gè)數(shù)多少的參數(shù)。③夾層分布位置(DP)：指一套泥頁(yè)巖段地層中滲透性?shī)A層在泥頁(yè)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(gè)定量參數(shù)。④夾層分散系數(shù)(DC)：指一套泥頁(yè)巖段地層中滲透性?shī)A層在泥頁(yè)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(yè)巖段地層中滲透性?shī)A層在泥頁(yè)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(chǔ)層相接觸的一定距離內(nèi)的生油層內(nèi)的烴類(lèi)才能排出來(lái)，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(shí)，烴源巖中的油氣可以排出。

1.3.2 數(shù)學(xué)模型建立

泥頁(yè)巖滲透性?shī)A層定量評(píng)價(jià)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(shí)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(diǎn)數(shù)格式，數(shù)據(jù)縱向節(jié)點(diǎn)對(duì)齊，因此可根據(jù)研究需要在平面上選取若干網(wǎng)格點(diǎn)處作為虛擬井，抽取網(wǎng)格點(diǎn)處縱向深度及巖性數(shù)據(jù)。若輸入數(shù)據(jù)為實(shí)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(shí)際井)至少包括深度(一個(gè)巖性的頂深和底深)及對(duì)應(yīng)巖性。虛擬井及實(shí)際井選取時(shí)最大深度應(yīng)當(dāng)超過(guò)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(jì)目的層中滲透性?shī)A層(如灰?guī)r、白云巖、細(xì)砂巖等指定巖性，單層厚度不超過(guò)臨界值E)層數(shù)。設(shè)滲透性?shī)A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?shī)A層累計(jì)厚度(SL)通過(guò)公式(1)求取，夾層厚度占比(S)通過(guò)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(jì)厚度占比S>So，則STI值無(wú)效；②若地層厚度L>0且?jiàn)A層個(gè)數(shù)N=0，則STI=0；③若地層厚度L>0且N>0，則STI值計(jì)算采用下述(4)～(7)步驟。

(4)夾層發(fā)育強(qiáng)度(DS)計(jì)算：

DS=N/L

(3)

(5)夾層分布位置(DP)計(jì)算：

(6)夾層分散系數(shù)(DC)計(jì)算：

(7)夾層發(fā)育指數(shù)(STI)計(jì)算：針對(duì)DS、DP、DC進(jìn)行歸一化處理，采用歸一化DS*、DP*、DC*值計(jì)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(guò)有效排烴厚度時(shí)，巖性組合配置滿(mǎn)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(duì)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(shí)際地質(zhì)情況，采用指數(shù)模型對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)算選取的虛擬/實(shí)際鉆井目的層的STI、DS、DP和DC數(shù)值，結(jié)合鉆井對(duì)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(yè)巖地層中滲透性?shī)A層發(fā)育指數(shù)(STI)平面分布。插值時(shí)通過(guò)泥頁(yè)巖厚度控制數(shù)據(jù)邊界，一般選取泥頁(yè)巖地層厚度小于10 m則不計(jì)算(具體根據(jù)研究需要可適當(dāng)調(diào)整)。

2 應(yīng)用

通過(guò)對(duì)頁(yè)巖層段夾層厚度、數(shù)量及空間分布等因素的研究，建立頁(yè)巖高滲夾層定量評(píng)價(jià)模型——STI指數(shù)模型，并應(yīng)用實(shí)際鉆井產(chǎn)能數(shù)據(jù)校驗(yàn)評(píng)價(jià)模型，進(jìn)一步確定評(píng)價(jià)模型關(guān)鍵參數(shù)取值。采用上述方法，針對(duì)渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段非泥頁(yè)巖夾層評(píng)價(jià)開(kāi)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(dòng)統(tǒng)計(jì)軟件及Eops軟件Geolog模塊對(duì)鉆井巖性進(jìn)行識(shí)別及分類(lèi)，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(huà)沙四上亞段頁(yè)巖層系單井巖性剖面，同時(shí)預(yù)測(cè)了該層段的非泥頁(yè)巖夾層空間分布。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合STI模型，開(kāi)展沙四上亞段非泥頁(yè)巖發(fā)育程度定量評(píng)價(jià)。對(duì)東營(yíng)凹陷鉆井及構(gòu)造層位資料系統(tǒng)分析表明，東營(yíng)地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層內(nèi)夾層巖性主要為砂巖、灰?guī)r及白云巖，泥頁(yè)巖厚度約占總地層厚度的80%，夾層厚度約占15%，超過(guò)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(guò)對(duì)鉆井錄井巖性數(shù)據(jù)數(shù)字化，結(jié)合測(cè)井巖性預(yù)測(cè)標(biāo)定，將巖性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)值，采用序貫高斯算法，預(yù)測(cè)東營(yíng)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(jì)算編制東營(yíng)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(yíng)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(yíng)凹陷工業(yè)性頁(yè)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(yè)巖油富集類(lèi)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(yè)巖油的勘探有利區(qū)。

圖2 渤海灣盆地東營(yíng)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(yíng)凹陷工業(yè)性?shī)A層指數(shù)與頁(yè)巖油日產(chǎn)量關(guān)系

3 結(jié)論

(1)針對(duì)泥頁(yè)巖層系(泥地比大于規(guī)定值)中相對(duì)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(píng)價(jià)泥頁(yè)巖層系薄夾層發(fā)育程度。

(2)應(yīng)用本方法對(duì)東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁(yè)巖中相對(duì)高滲夾層發(fā)育程度開(kāi)展評(píng)價(jià)，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(guò)與現(xiàn)有鉆井試油成果對(duì)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(duì)頁(yè)巖油勘探井的部署具有參考價(jià)值。

(3)本方法為夾層型頁(yè)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(lèi)型頁(yè)巖油富集的有利區(qū)。