何緒全，黃 東，趙艾琳，李育聰

（中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，成都 610041）

0 引言

頁巖油是指以游離態(tài)、吸附態(tài)及少量溶解態(tài)賦存于泥頁巖層系中的原油［1］。長期以來四川盆地石油勘探開發(fā)對象主要為侏羅系大安寨段大一亞段和大三亞段介殼灰?guī)r，介殼灰?guī)r非常致密，平均孔隙度僅為0.97%，平均滲透率為0.070 mD，厚度薄，約為5～20 m，儲集能力有限，而頁巖主要發(fā)育在大安寨段大二亞段，頁巖有機碳（TOC）含量高，物性好，厚度大，含油氣性好，開發(fā)潛力大。現(xiàn)代工藝技術(shù)“近源找油”已經(jīng)成熟，四川盆地長寧—威遠區(qū)塊龍馬溪組作為中國首個頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)，取得了大量技術(shù)攻關(guān)成果，并獲得了較好的頁巖氣產(chǎn)能，為頁巖氣的勘探提供了基礎(chǔ)，但湖相頁巖油的巖相、賦存方式和儲集空間明顯不同于海相頁巖氣和常規(guī)油氣藏。通過鈾和密度曲線計算TOC 含量、孔隙度等儲層關(guān)鍵參數(shù)誤差大。國內(nèi)外知名測井公司均對頁巖油測井采集系列和評價方法開展研究，但仍未形成完善的測井系列和配套的評價技術(shù)。

針對川中地區(qū)大安寨段，開展頁巖油氣儲層測井評價技術(shù)及工程應(yīng)用研究，以巖石物理實驗分析為基礎(chǔ)，將自然伽馬、聲波時差和電阻率等常規(guī)測井與核磁共振、巖性掃描等測井新技術(shù)相結(jié)合，建立頁巖油氣儲層TOC 含量、孔隙度、含氣飽和度、游離烴（S1）含量等關(guān)鍵參數(shù)的計算模型，形成頁巖油氣儲層評價指標(biāo)體系，對該段頁巖油氣儲層進行綜合評價，以期為該區(qū)后續(xù)的井位部署、試油方案設(shè)計和儲量計算等提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)特征

四川盆地侏羅系主要為一套以碎屑巖為主夾介殼灰?guī)r的三角洲—內(nèi)陸湖泊相淡水沉積，總殘余厚度為2 000～3 000 m，自下而上劃分為自流井組、涼高山組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組［2-3］。頁巖主要發(fā)育在自流井組大安寨段，根據(jù)巖性和測井特征，又將大安寨段細(xì)分為大一亞段、大二亞段和大三亞段，其中大二亞段頁巖發(fā)育，自上而下又可以細(xì)分為A，B，C 共3 個小層［4-5］（圖1）。

大安寨段頁巖發(fā)育在地層中部，巖性為黑色頁巖夾薄層灰?guī)r，厚度為20～80 m，自然伽馬為45～90 API，聲波時差為280～380 μs/m，具有較高伽馬、高聲波時差的電性特征，該段618 個巖心以及野外露頭樣品實驗分析顯示：TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%～4.27%，平均為1.28%，整體較高；頁巖有機質(zhì)類型主要為Ⅱ1—Ⅱ2型，有機質(zhì)Ro為1.0%～1.5%，處于成熟—高成熟階段，基質(zhì)有機質(zhì)主要與沉積有機質(zhì)有關(guān)，該段頁巖中有機質(zhì)的賦存狀態(tài)主要為順層富集、局部富集和分散狀等3種類型，三者之間互有過渡［6］（圖2）。

大安寨段頁巖儲集條件好，具備大規(guī)模儲集油氣的能力。頁巖物性較灰?guī)r好，對3 810 個介殼灰?guī)r樣品分析顯示，孔隙度為0.21%～5.30%，平均為1.06%。對5 口井144 個頁巖巖心樣品物性分析表明，其孔隙度為0.35%～13.65%，平均為5.90%（圖3）。頁巖發(fā)育有不同尺度的裂縫、孔隙，非均質(zhì)性強，其孔徑為10～100 nm，主峰為20 nm，也發(fā)育微米級孔隙。

圖3 川中地區(qū)大安寨段頁巖（a）、致密介殼類灰?guī)r（b）孔隙度頻率分布Fig.3 Porosity frequency distribution of shale（a）and tight shell-like limestone（b）of Da'anzhai member in central Sichuan Basin

2 關(guān)鍵參數(shù)計算方法

在參考國內(nèi)外頁巖油氣儲層評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點根據(jù)川中地區(qū)頁巖含油氣性與頁巖有機碳含量、物性、埋藏深度、沉積相帶、厚度、成熟度、脆性礦物等的分析，篩選出關(guān)鍵敏感參數(shù)，建立該區(qū)頁巖油氣儲層的評價指標(biāo)體系［7-9］。

2.1 TOC 含量計算

TOC 含量越高，頁巖生烴潛力越大，吸附油氣含量也越高，因此TOC 含量是頁巖油氣重要的評價指標(biāo)之一。在川中地區(qū)大安寨段頁巖油氣儲層研究區(qū)塊中，TOC 含量的計算方法主要有2 種：①電阻率與孔隙度重疊法；②多曲線回歸法。經(jīng)過TOC含量測井模型建立、測井計算和巖心刻度后檢驗，取得合理的計算結(jié)果。以研究區(qū)內(nèi)LAN1 井為例，該井大安寨段的測井資料與巖心數(shù)據(jù)相關(guān)性分析表明（圖4）：聲波時差與TOC 含量呈線性正相關(guān)，且相關(guān)性較好，電阻率值與TOC 含量呈線性負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性較差，其原因與頁巖黏土含量較高，含油飽和度較低，束縛水飽和度較高有關(guān)。優(yōu)選聲波時差和電阻率曲線回歸法建立TOC 含量的計算模型。

式中：AC為巖石骨架聲波時差值，μs/m；RLLD為深側(cè)向電阻率值，Ω·m。

根據(jù)式（1）對川中地區(qū)大安寨段烴源巖TOC含量進行計算，大安寨段大二亞段泥頁巖聲波時差、電阻率差異最大，反映有機質(zhì)含量較高，為主要的烴源巖。經(jīng)巖心TOC 含量分析資料驗證（圖5），測井計算TOC 含量結(jié)果與巖心測試結(jié)果吻合。

2.2 礦物組分計算

利用巖心薄片、X 射線衍射分析（XRD）、元素俘獲（ECS）測井等資料，建立川中地區(qū)大安寨段多礦物巖石物理體積模型。因為長石的測井特征與石英基本相同，測井區(qū)別不出二者的差異，因此把石英和長石歸為一類，碳酸鹽巖礦物中方解石和白云石的測井特征接近且區(qū)域上白云石含量極低，故也將其歸為一類。在測井參數(shù)的選取中可以取近似的混和骨架值，因黃鐵礦含量在大安寨段地層含量極低，可以忽略［10］。巖石物理模型得到了簡化，也滿足了地質(zhì)參數(shù)的需要。

圖4 川中地區(qū)LAN1 井大安寨段巖心TOC 含量與聲波時差（a）、深電阻率（b）的關(guān)系Fig.4 Relationships of core TOC content with acoustic travel time（a）and deep resistivity（b）of Da'anzhai member in well LAN1 in central Sichuan Basin

圖5 川中地區(qū)LX1 井大安寨段測井解釋綜合圖Fig.5 Comprehensive logging interpretation of Da'anzhai member in well LX1 in central Sichuan Basin

根據(jù)資料情況采用多礦物模型，其原理是將各種測井響應(yīng)方程聯(lián)立求解，利用優(yōu)化技術(shù)，通過調(diào)節(jié)各種輸入?yún)?shù)，如礦物測井響應(yīng)參數(shù)、輸入曲線權(quán)值等，使方程矩陣的非相關(guān)性達到最小，從而計算出各種礦物和流體的體積。它可同時求解多個模型，按照一定的組合概率，得到最終模型，即地層巖石（或礦物）、流體體積并計算得到儲層參數(shù)［11］。利用最優(yōu)化技術(shù)處理解釋礦物剖面，測井解釋黏土、石英、碳酸鹽含量，其與全巖礦物含量和巖性掃描測井礦物含量的對應(yīng)性均較好。

2.3 孔隙度計算

以四川盆地蓬萊地區(qū)PL10 井，PL103 井以及龍崗地區(qū)LQ2 井為例，將經(jīng)過深度歸位后的巖心孔隙度與測井曲線進行相關(guān)性分析可知，聲波時差與巖心孔隙度相關(guān)性最好，中子孔隙度次之，密度相關(guān)性最差。因此，優(yōu)選聲波時差測井曲線，結(jié)合巖心孔隙度數(shù)據(jù)，建立川中地區(qū)大安寨段多曲線回歸經(jīng)驗公式計算儲層的有效孔隙度，計算模型［圖6（a）］為

如圖6（b）所示，測井孔隙度與巖心孔隙度相關(guān)性分析表明，利用孔隙度經(jīng)驗關(guān)系法計算結(jié)果與巖心分析孔隙度的對應(yīng)性較好，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.773 4。因此，采用經(jīng)驗關(guān)系法計算川中地區(qū)大安寨段頁巖油氣儲層孔隙度比較可靠。

圖6 川中地區(qū)大安寨段頁巖儲層巖心孔隙度與聲波時差（a）、測井孔隙度（b）的關(guān)系Fig.6 Relationships of core porosity with acoustic travel time（a）and logging calculated porosity（b）of shale of Da'anzhai member in central Sichuan Basin

2.4 含水飽和度計算

頁巖油儲層中的流體主要為束縛水、吸附油氣和游離油氣，基本上沒有可動水，因此測井計算出的含水飽和度為束縛水飽和度。運用西門度（Siman‐doux）方程計算含水飽和度，該模型適用于含泥質(zhì)較多，巖性很細(xì)的含油氣粉砂巖。同時，該模型不考慮黏土或泥質(zhì)的具體分布形式，只把泥質(zhì)看成由黏土和細(xì)粉砂組成，把泥質(zhì)部分當(dāng)作可含油氣的、泥質(zhì)較重、巖性很細(xì)的粉砂巖。模型公式為

式中：Rt，Rw，Rsh分別為被地層水飽和的巖石的電阻率、地層水電阻率和純泥巖電阻率，Ω·m；Vsh為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，%；Sw為儲層含水飽和度，%；m為地層膠結(jié)指數(shù)；a為巖性系數(shù)；n為飽和度指數(shù)；c為常數(shù)。

通過對研究區(qū)內(nèi)NC7 井和NC8 井進行16 樣次巖電實驗研究，得到飽和度指數(shù)n=3.502，常數(shù)c=0.867 8，膠結(jié)指數(shù)m=1.358，巖性系數(shù)a=0.857 8。對川中地區(qū)公山廟、秋林地區(qū)大安寨段水分析，其總礦化度平均為122 821 mg/L。通過等效計算，得出等效NaCl 礦化度為74 160 mg/L。查圖版得出井底70 ℃時大安寨段地層水電阻率Rw=0.035 Ω·m。利用西門度方程計算M23 井大安寨段頁巖含水飽和度平均值為27.6%，而采用阿爾奇方程計算含水飽和度平均值為45.3%。該井采用油基泥漿取心，巖心分析含水飽和度平均值為27.8%，這一結(jié)果表明采用西門度方程計算大安寨段頁巖含水飽和度更加適用。

2.5 游離烴（S1）含量計算

TOC 含量越高，頁巖生烴潛力越大，吸附油氣含量也越高，因此游離烴（S1）含量是頁巖油氣儲層重要的評價指標(biāo)之一。S1 含量主要反映巖石中已經(jīng)存在的游離烴類，隨著TOC 含量的增加，S1 含量基本穩(wěn)定在高值段不變，所生成的油氣量總體上已能夠滿足頁巖各種形式的殘留需要，豐度更高時頁巖含油氣量達到飽和，多余的油被排出［14］。為了研究頁巖油氣賦存的有利沉積相帶，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)7口井的巖石熱解參數(shù)，系統(tǒng)分析了不同沉積相帶下，頁巖S1 含量熱解參數(shù)與沉積相的關(guān)系。分析表明，半深湖亞相頁巖油氣富集程度最高，其次為淺湖亞相，濱湖亞相最差。

圖7 為頁巖S1 含量熱解參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果［12］，濱湖亞相頁巖S1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍低于0.50 mg/g，平均僅為0.38 mg/g。淺湖亞相頁巖S1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.50 mg/g的樣品占總樣品的35.2%，平均為0.80 mg/g。半深湖亞相頁巖S1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.50 mg/g 的樣品占總樣品的54.5%，平均為1.20 mg/g?？傮w而言，具有半深湖亞相優(yōu)于淺湖亞相，淺湖亞相優(yōu)于濱湖亞相的規(guī)律。

大量有機碳熱解分析結(jié)果揭示，TOC 含量與熱解產(chǎn)烴潛量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系［13］。通過川中地區(qū)大安寨段頁巖油氣儲層取心井測井資料與巖心數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，其中聲波時差和電阻率值與S1含量相關(guān)性好，因此優(yōu)選聲波時差和電阻率值多曲線回歸法建立S1 含量計算模型。

圖7 不同相帶頁巖巖石熱解參數(shù)S1 含量頻率分布Fig.7 Frequency distribution of pyrolysis parameter S1 content of shale with different facies

以川中地區(qū)X2 井為例（圖8），其測井處理解釋結(jié)果表明，利用多元統(tǒng)計經(jīng)驗關(guān)系法計算的S1含量與巖心分析S1 含量較吻合，因此，采用經(jīng)驗關(guān)系法計算川中地區(qū)大安寨段頁巖油氣儲層S1 含量是可行的。

圖8 川中地區(qū)X2 井大安寨段儲層測井解釋綜合圖Fig.8 Comprehensive logging interpretation of Da'anzhai member in well X2 in central Sichuan Basin

3 油氣識別及評價指標(biāo)體系

根據(jù)川中地區(qū)54 口井大安寨段主要頁巖油氣測井解釋儲層參數(shù)的特征，認(rèn)為油氣儲層具有如下響應(yīng)特征：①儲層累計厚度相對較大，優(yōu)質(zhì)頁巖段儲層厚度為10～25 m，其中龍崗地區(qū)厚度可達25 m 以上；②物性相對較好，三孔隙度曲線呈“兩高一低”的特征，即聲波時差＞280 μs/m，密度＜2.6 g/cm3，中子值＞25%，油層孔隙度＞6.00%；③有效烴源巖厚度大（一般累計厚度＞15 m），TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%～4.10%，當(dāng)1.00%＜w（TOC）＜1.50% 時，為差油氣層；當(dāng)w（TOC）＞1.50%時，為油氣層；④油氣層一般發(fā)育在大安寨段中部，位于大二亞段B 小段，單層厚度為5～15 m。

圖9 為川中地區(qū)QL19 井大安寨段頁巖油儲層測井解釋成果，在2 633～2 638 m 井段，TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.57%，核磁測井解釋總孔隙度平均為8.90%，有效孔隙度平均為2.60%，自由流體孔隙度平均為1.20%，核磁KTIM 滲透率平均為0.011 mD，含水飽和度為49.5%～65.6%。核磁共振T2譜具有明顯的雙峰特征，不同孔隙區(qū)間中，除了發(fā)育黏土孔和微孔，還發(fā)育有中、小孔隙，表明儲層孔隙結(jié)構(gòu)較好，對該段進行試油測試，獲產(chǎn)原油7.2 m3/d，天然氣2 336 m3/d；在2 654～2 659 m 井段，TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為1.38%，核磁測井解釋總孔隙度平均為5.60%，有效孔隙度平均為1.60%，自由流體孔隙度平均為0.80%，核磁KTIM 滲透率平均為0.005 mD，含水飽和度為60.0%～71.0%。核磁共振T2譜雙峰特征不明顯，不同孔隙區(qū)間中，以發(fā)育黏土孔和微孔為主，中、小孔隙不發(fā)育，表明儲層孔隙結(jié)構(gòu)較差，對該段進行試油測試，結(jié)論為干層。測井解釋結(jié)果與試油結(jié)果吻合，核磁測井在評價頁巖油儲層有效性方面具有獨特的優(yōu)勢。

圖9 川中地區(qū)QL19 井大安寨段頁巖油儲層測井解釋成果圖Fig.9 Logging interpretation of shale oil reservoir of Da'anzhai member in well QL19 in central Sichuan Basin

在川中地區(qū)大安寨段頁巖儲層測井、地質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，篩選關(guān)鍵評價指標(biāo)，建立多因素疊合的油氣評價指標(biāo)體系（表1）。表征頁巖有利相帶的指標(biāo)有TOC 含量、頁巖儲集性能、沉積微相以及頁巖的厚度。大安寨段頁巖有機質(zhì)熱演化程度不高，處于生油氣階段，頁巖儲層中流體既有原油也有天然氣［15］，因此用Ro來表征頁巖中不同性質(zhì)的流體。充足的游離組分可以進一步鎖定頁巖油氣的分布范圍，最后結(jié)合良好的可壓性和經(jīng)濟條件可以進一步得到目前頁巖油氣的現(xiàn)實勘探開發(fā)目標(biāo)。

表1 川中地區(qū)大安寨段頁巖油氣儲層評價指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of shale oil and gas reservoirs of Da'anzhai member in central Sichuan Basin

4 應(yīng)用實例分析

利用川中區(qū)塊大安寨段頁巖油氣儲層的關(guān)鍵參數(shù)計算模型和評價方法對龍崗地區(qū)X2 井進行測井精細(xì)解釋評價。從X2 井大安寨段頁巖油氣儲層測井綜合解釋成果圖（參見圖8）可知，測井計算的孔隙度、含水飽和度、TOC 含量和S1 含量等關(guān)鍵參數(shù)均與巖心分析數(shù)據(jù)吻合較好。巖性掃描測井處理結(jié)果表明，大安寨段儲層巖性以頁巖和灰?guī)r為主，灰?guī)r較純，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達90%，頁巖泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～45%，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～46%，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～40%，另含少量黃鐵礦和菱鐵礦，TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達3.70%，平均為1.00%。其中大二亞段A 小段深度為3 503～3 513 m，TOC 含量較高，平均為1.60%，核磁測井解釋有效孔隙度平均為6.70%，總孔隙度平均為11.40%，核磁自由流體孔隙度平均為2.30%，含水飽和度為58.5%。脆性礦物含量較高，且與優(yōu)質(zhì)烴源巖形成“自生自儲”的源儲搭配關(guān)系，測井解釋為一類頁巖油層。

5 結(jié)論

（1）川中地區(qū)大安寨段發(fā)育湖相頁巖，為半深湖亞相頁巖夾薄層介殼灰?guī)r條帶，頁理發(fā)育，儲層物性好，厚度較大，有機碳含量較高，有機質(zhì)類型主要為偏腐泥型的Ⅱ1—Ⅱ2型，具備大規(guī)模儲集油氣的能力。

（2）對川中地區(qū)大安寨段頁巖儲層采用聲波時差、電阻率等曲線結(jié)合巖心分析刻度，建立的烴源巖TOC 含量、礦物含量、孔隙度、含水飽和度、S1 含量等頁巖油氣關(guān)鍵參數(shù)計算模型，計算結(jié)果與巖心實驗分析結(jié)果具有很好的一致性。

（3）在川中地區(qū)大安寨段頁巖儲層的測井、地質(zhì)特征研究基礎(chǔ)上，篩選關(guān)鍵評價指標(biāo)，建立多因素疊合的油氣評價指標(biāo)體系，可以分為沉積環(huán)境、源儲條件、保存條件和工程條件等4 個大類，沉積微相、S1 含量、Ro、TOC 含量、孔隙度、優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、壓力系數(shù)、脆性礦物、天然裂縫等共9 項關(guān)鍵指標(biāo)，具有較好的應(yīng)用效果。