徐 婕 姜維寨 徐 皓 喬德民 佟漢林 竇 航 李毅逵 冷 冰 郭素杰

(中國(guó)石油渤海鉆探第二錄井公司)

0 引 言

束鹿凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷南部，是古生界基底上發(fā)育起來的單斷箕狀凹陷。2013年后，在該區(qū)先后鉆探了ST 1H(P)井等3口致密油氣探井，取得了較大突破，束鹿凹陷成為致密油氣勘探領(lǐng)域的重要資源接替區(qū)。該區(qū)古近系沙河街組沙三下亞段地層為富有機(jī)質(zhì)湖相碳酸鹽巖沉積，發(fā)育大套泥灰?guī)r和礫巖儲(chǔ)集層，儲(chǔ)集層具有致密、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。過渡巖性復(fù)雜，類型多樣，巖屑薄片鏡下定名為灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、含礫泥灰?guī)r、礫巖等，礫巖儲(chǔ)集空間類型主要為裂縫-孔隙型，泥灰?guī)r儲(chǔ)集空間類型主要為孔隙-裂縫型，不同巖性儲(chǔ)集層的含油氣性差別較大；儲(chǔ)集層物性取決于裂縫的發(fā)育程度，而泥灰?guī)r和礫巖的脆性礦物均為白云石、方解石、石英和長(zhǎng)石，因此通過XRD礦物分析技術(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層的脆性已不再適用[1]?；谏鲜鲈?，開展了束鹿凹陷沙三下亞段致密碎屑巖綜合評(píng)價(jià)方法研究，結(jié)合試油數(shù)據(jù)，建立了“地質(zhì)+工程雙指數(shù)”圖板，以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 評(píng)價(jià)參數(shù)的優(yōu)選

束鹿凹陷沙三下亞段致密油氣儲(chǔ)集層受有機(jī)質(zhì)豐度、礦物含量、巖相巖性及含油氣豐度等多重因素影響。為了更精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層的流體性質(zhì)，為壓裂選層提供依據(jù)，評(píng)價(jià)參數(shù)不僅要考慮含油氣性、物性，同時(shí)也要考慮制約壓裂選層的工程方面的影響因素。因此主要選取地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)相結(jié)合的方式，進(jìn)行致密碎屑巖儲(chǔ)集層油氣層的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

1.1 地質(zhì)參數(shù)的確定

地質(zhì)參數(shù)從含油氣性和物性兩個(gè)方面考慮。含油氣性主要選取了氣測(cè)的全烴和熱解分析的熱解烴總量。全烴是錄井唯一一條連續(xù)的曲線，縱向上能夠?qū)崟r(shí)反映地層的含油氣性信息；熱解烴總量是熱解的重要參數(shù)之一，反映儲(chǔ)集層的含油氣豐度。本文選取這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行含油氣性的評(píng)價(jià)。

物性主要參考測(cè)井的孔隙度。前文提到束鹿凹陷沙三下亞段為礫巖體以及泥灰?guī)r兩種儲(chǔ)集層，儲(chǔ)集空間類型不同，礫巖主要為裂縫-孔隙型，泥灰?guī)r主要為孔隙-裂縫型，即兩者均有裂縫發(fā)育也有孔隙發(fā)育，而孔隙是否發(fā)育可以從電測(cè)的孔隙度數(shù)值得知，且孔隙度越大證明孔隙越發(fā)育，物性越好。

1.2 工程參數(shù)的確定

束鹿凹陷沙三下亞段巖性主要為泥灰?guī)r和礫巖體，對(duì)于該套致密儲(chǔ)集層，脆性、可鉆性程度決定了壓裂效果的好壞。脆性評(píng)價(jià)是利用脆性指數(shù)，可鉆性評(píng)價(jià)主要是選取隨鉆工程參數(shù)進(jìn)行可鉆性指數(shù)計(jì)算。

脆性指數(shù)的計(jì)算一般包括兩種：一種是礦物成分法計(jì)算，通過選取敏感礦物，從而計(jì)算脆性指數(shù)；另一種是利用巖石力學(xué)計(jì)算脆性指數(shù)。由于束鹿凹陷沙三下亞段為礫巖體以及泥灰?guī)r兩種儲(chǔ)集層，其礦物成分非常相似，主要礦物均為方解石和白云石(其中方解石含量最多)，二者含量之和占總礦物成分的80%以上，還有少量的黏土礦物、石英、長(zhǎng)石等，因此常規(guī)礦物成分計(jì)算脆性指數(shù)已經(jīng)不再適用。本文嘗試考慮用巖石力學(xué)計(jì)算脆性指數(shù)，也就是通過測(cè)井陣列聲波測(cè)得楊氏模量和泊松比來計(jì)算脆性指數(shù)，同時(shí)可以為壓裂選層提供理論支撐[2-5]。

可鉆性指數(shù)，是通過綜合錄井參數(shù)dc指數(shù)演化派生形成的，用來評(píng)價(jià)泥灰?guī)r和礫巖儲(chǔ)集層中裂縫是否發(fā)育。然而在實(shí)際鉆井過程中，鉆頭磨損程度對(duì)dc指數(shù)也具有一定的影響[6]，當(dāng)鉆頭新度系數(shù)較高時(shí)，鉆時(shí)較低，隨著鉆頭新度系數(shù)降低，鉆時(shí)會(huì)不斷升高，這種變化并非由地層的真實(shí)可鉆性引起，而是由鉆頭新度系數(shù)的變化引起。在巖石礦物組成差異不大的前提下，儲(chǔ)集層物性越好可鉆性就越好。為消除鉆頭磨損的影響，在dc指數(shù)公式中引入鉆頭磨損系數(shù)，將原dc指數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，演變?yōu)閐cz指數(shù)公式。

式中：B為鉆頭磨損系數(shù)；n為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min;t為鉆時(shí)，min/m；W為鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm；ρw為地層水密度，g/cm3；ρce為循環(huán)當(dāng)量鉆井液密度，g/cm3。

當(dāng)求取儲(chǔ)集層指數(shù)后，需要分井段選取儲(chǔ)集層指數(shù)趨勢(shì)線，即dcn，為方便數(shù)據(jù)的讀取，選取dcn與dcz之差作為儲(chǔ)集層品質(zhì)指數(shù)(Kz)。

Kz=dcn-dcz

在實(shí)際應(yīng)用中，主要取儲(chǔ)集層品質(zhì)指數(shù)在0～1范圍內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行重點(diǎn)分析，其值越大代表物性越好，越小說明物性越差；通過區(qū)域大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)集層品質(zhì)指數(shù)的分級(jí)結(jié)果可以將儲(chǔ)集層段物性劃分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)級(jí)別(表1)。

儲(chǔ)集層品質(zhì)指數(shù)基于dc指數(shù)演化而來，將鉆時(shí)、鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑、鉆井液密度及鉆頭磨損程度這些會(huì)影響反映地層可鉆性的工程參數(shù)均考慮在內(nèi)，最大程度消除了影響，更能客觀準(zhǔn)確反映地層物性，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)定量化。

表1 儲(chǔ)集層品質(zhì)指數(shù)物性分級(jí)

工程參數(shù)里最后一個(gè)參數(shù)就是白云石的含量。通過調(diào)研前人的研究文獻(xiàn)[2]可知，礫巖及砂巖中白云石含量為12%～73%，平均 35.6%；細(xì)粒巖中白云石含量為 3%～56%。從掃描電鏡照片來看(圖1)，白云石周圍暗色為方解石。從放大的白云石部分可以看到明顯的孔隙發(fā)育，而周圍的方解石則沒有明顯的孔隙發(fā)育，表明白云石比方解石孔隙更為發(fā)育。另外，從統(tǒng)計(jì)的白云石含量和孔隙度交會(huì)圖上可以看出(圖2)，孔隙度隨著白云石含量的增大而增大，可見白云石含量和孔隙度呈明顯的正相關(guān)性。對(duì)于裂縫型儲(chǔ)集層，白云石越多越利于壓裂改造，所以白云石含量的多少是壓裂選層改造不可缺少的重要參數(shù)之一[1]。

圖1 掃描電鏡照片

圖2 白云石含量與孔隙度交會(huì)圖

綜上，最終確定了全烴(Tg)、熱解烴總量(Pg)、孔隙度(φ)以及白云石含量(Wdo)、脆性指數(shù)(C)、儲(chǔ)集層品質(zhì)指數(shù)(Kz)6個(gè)參數(shù)。

2 關(guān)聯(lián)分析求取參數(shù)權(quán)重

權(quán)重系數(shù)是某一評(píng)價(jià)因素在決定總體特征時(shí)所占有的重要性程度，權(quán)重確定的合理性直接關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，這是油氣層解釋評(píng)價(jià)的一個(gè)無法回避的重要難題。在儲(chǔ)集層流體性質(zhì)評(píng)價(jià)中，各參數(shù)對(duì)解釋評(píng)價(jià)結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是評(píng)價(jià)者對(duì)各指標(biāo)的重視程度不同；二是指標(biāo)本身在評(píng)價(jià)過程中傳遞給被評(píng)判體的信息量不同。各指標(biāo)的權(quán)重大小可以反映用該指標(biāo)單獨(dú)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，并能反映所選指標(biāo)的實(shí)用性及合理性。因此，合理確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，客觀反映其在綜合評(píng)價(jià)中的重要性，是提高解釋符合率的有效途徑。

針對(duì)束鹿凹陷沙三下亞段礫巖體，通過收集區(qū)域ST 1H(P)、ST 2X、ST 3井的全烴、孔隙度、測(cè)井的脆性指數(shù)、白云石含量以及計(jì)算得到的儲(chǔ)集層品質(zhì)指數(shù)，進(jìn)而利用灰色關(guān)聯(lián)分析通過求取關(guān)聯(lián)度得到各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)[7]。

(1)關(guān)聯(lián)度計(jì)算：關(guān)聯(lián)度分析實(shí)質(zhì)上是將系列數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何關(guān)系比較，兩數(shù)列的關(guān)聯(lián)度以各層比較數(shù)列與參考數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)之平均值計(jì)算。

式中：ri為子因素與主因素之間的關(guān)聯(lián)度；N為層數(shù)。

由公式可以看出，關(guān)聯(lián)度為一有界值，范圍在0到1之間，子因素與主因素之間的關(guān)聯(lián)度越接近于1，表明它們之間的關(guān)系越緊密，即該子因素對(duì)主因素的影響越大。

(2)權(quán)重系數(shù)計(jì)算：將所有比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度求和，用每個(gè)比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度除以該值，經(jīng)歸一化分別求出各個(gè)數(shù)列的權(quán)重系數(shù)。

式中：ai為權(quán)重系數(shù)；M為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

3 雙指數(shù)評(píng)價(jià)方法的建立

通過SPSS軟件將優(yōu)選出的6項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法求取關(guān)聯(lián)度和權(quán)重系數(shù)，最終得到地質(zhì)指數(shù)和工程指數(shù)的計(jì)算公式。

I工程=0.432Wdo+0.297C+0.271Kz

I地質(zhì)=0.417Tg+0.307Pg+0.276φ

將地質(zhì)指數(shù)作為橫坐標(biāo)，將工程指數(shù)作為縱坐標(biāo)，通過收集ST 1H(P)、ST 2X、ST 3井的試油及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立了“地質(zhì)+工程雙指數(shù)”評(píng)價(jià)圖板(圖3)，圖中油氣層(油層)、差油氣層(差油層、差氣層)、干層之間的分區(qū)明顯，說明該評(píng)價(jià)方法具有較高的可行性，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

圖3 地質(zhì)+工程雙指數(shù)評(píng)價(jià)圖板

表2 “地質(zhì)+工程雙指數(shù)”評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 應(yīng)用實(shí)例

2019年新鉆的J 67X井構(gòu)造位置為冀中坳陷束鹿凹陷臺(tái)家莊構(gòu)造帶。鉆探目的為預(yù)探J 67X井沙三下亞段礫巖體和奧陶系潛山的含油氣情況。

該井3 964～4 019 m井段，巖性為雜色熒光角礫巖，井壁取心共7顆，其中見2顆油跡顯示，1顆熒光顯示，其他無顯示；氣測(cè)全烴3.072%～96.274%，烴組分齊全，C169.97%～76.52%；巖石熱解TPI0.035～0.617，Pg0.27～33.27 mg/g；孔隙度1.3%～9.2%；定量熒光含油當(dāng)量3.97～32.62 mg/L。綜合解釋為油層、差油層(圖4)。

圖4 J 67X井綜合錄井圖

16號(hào)層工程指數(shù)為17.5，地質(zhì)指數(shù)為41.02；17號(hào)層工程指數(shù)為13.52，地質(zhì)指數(shù)為39.8；18號(hào)層工程指數(shù)為14.51，地質(zhì)指數(shù)為33.2。在評(píng)價(jià)圖板上分別落在了油氣層區(qū)和差油氣層區(qū)(圖3)。經(jīng)過試油證實(shí)，4 007～4 048 m井段壓裂，獲得日產(chǎn)16.35 m3的工業(yè)油流。

5 結(jié) 論

通過束鹿凹陷沙三下亞段致密碎屑巖綜合評(píng)價(jià)方法研究，確認(rèn)該區(qū)沙三下亞段致密油氣儲(chǔ)集層受有機(jī)質(zhì)豐度、礦物含量、巖相巖性及含油氣豐度等多重因素影響，在綜合確定儲(chǔ)集層流體性質(zhì)及改造井段優(yōu)選方面，應(yīng)充分考慮含油氣性、物性、脆性等方面因素。因此采用地質(zhì)、工程相結(jié)合的途徑，創(chuàng)新形成了束鹿凹陷礫巖體致密儲(chǔ)集層“地質(zhì)+工程雙指數(shù)”綜合評(píng)價(jià)方法。

該方法有效地將含油氣性、物性、脆性以及可壓裂性結(jié)合在一起，從而使評(píng)價(jià)更客觀、更全面、更精準(zhǔn)，可為勘探試油選層和試油工藝的優(yōu)選提供有利的參考依據(jù)。建議在具有相似地質(zhì)條件的其他區(qū)塊推廣使用，以期獲得更好的油氣勘探開發(fā)效果。