東營凹陷沙河街組泥頁巖儲集空間定量表征

甄園水，陳中紅，黃偉，呂煒，王飛騰，林鑫，李淑琴

（1.中國石油玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅 酒泉735019；2.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580；3.中國石化勝利油田分公司，山東 東營257000）

近年來，隨著頁巖氣勘探開發(fā)的大力推動及技術(shù)進步，泥頁巖已不僅僅作為常規(guī)意義上的烴源巖或蓋層，同時還可以作為非常規(guī)的儲層，而許多關(guān)于泥頁巖作為儲集層的基本問題也不斷地被提了出來［1-5］。頁巖氣在泥頁巖中以游離態(tài)和吸附態(tài)的儲集狀態(tài)為主，泥頁巖中的孔隙作為游離氣賦存的主要場所，其大小直接影響著頁巖氣的富集程度，因而，孔隙度成了計算游離氣含量的關(guān)鍵參數(shù)。然而，由于泥頁巖的孔徑過于狹小，基本為納米級別，使得針對常規(guī)儲層孔隙度的測定方法對泥頁巖難以適用，從而也使得泥頁巖的孔隙度研究成了頁巖氣研究的難點之一。

1 泥頁巖的孔隙組成與分類

孔隙度的定量表征方法主要是，通過找到與不同孔隙類型相關(guān)的物理、測井參數(shù)，建立這些參數(shù)與孔隙度大小之間的關(guān)系，進而實現(xiàn)總孔隙度的定量表征。因此，孔隙組成及分類的研究，成了孔隙度計算前必不可少的過程。

在孔隙分類方面，國內(nèi)外學(xué)者近年來已經(jīng)做了大量工作。如：Loucks 等［6］將泥頁巖中的孔隙分為基質(zhì)孔隙和微裂縫2 類，又把基質(zhì)孔隙細分為3 種基本類型，即粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和有機質(zhì)孔隙；楊超等［7］根據(jù)孔隙成因和結(jié)構(gòu)特征，將鄂爾多斯陸相泥頁巖中的孔隙劃分成了6 種類型，即粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔、有機孔和微裂縫；楊峰等［8］在前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過大量的場掃描電鏡觀察，提出依據(jù)孔隙成因及發(fā)育位置，將頁巖儲層的孔隙劃分為5 種類型，即有機質(zhì)納米孔、黏土礦物粒間孔、巖石骨架礦物孔、古生物化石孔和微裂縫；王玉滿等［9］對前人的分類方案進行了匯總歸納，將基質(zhì)孔隙細分為黏土礦物層間微孔、有機質(zhì)微孔隙、脆性礦物內(nèi)微孔隙等3 類；李軍等［10］依據(jù)不同泥頁巖孔隙組分的測井響應(yīng)差異，探索建立了“四孔隙”模型，即將總孔隙分為黏土孔隙、有機孔隙、碎屑孔隙和微裂縫等4 類。

2 泥頁巖儲集空間表征方法

目前，泥頁巖儲集空間表征方法以定性為主，主要分為電鏡觀察類方法（主要包括掃描電鏡背散射成像、高分辨率場發(fā)射掃描電鏡、納米CT 掃描等）［11-13］，地球物理探測類方法（主要包括壓汞法、GRI 法、液氮法、氦氣法、核磁共振和測井解釋等技術(shù)）［11-12，14］及地質(zhì)統(tǒng)計分析類方法［15-17］。盡管這些方法在頁巖孔隙類型的識別，孔隙尺寸與連通性的多尺度描述，孔隙度、比表面積和滲透率測定等方面取得了良好的效果，但始終無法實現(xiàn)孔隙度數(shù)據(jù)的定量化，這極大地制約了頁巖氣產(chǎn)量預(yù)估及頁巖氣富集機理方面的研究。由定性向定量化方向發(fā)展是頁巖氣儲層研究的趨勢。

2.1 巖石物理模型法

通過大量工作，前人建立了由巖石骨架、泥質(zhì)（黏土）和孔隙組成的碎屑巖儲層的巖石物理模型［18］，運用此模型可以計算碎屑巖儲層的總孔隙度、 泥質(zhì)含量及含油氣飽和度等參數(shù)。隨著頁巖氣開發(fā)技術(shù)的成熟，人們開始探索泥頁巖物理模型建立方法，如B.Lecompt等［19］在研究海相頁巖的基礎(chǔ)上，提出將泥頁巖中極具特色的有機質(zhì)層加入到前人的3 層結(jié)構(gòu)模型中，從而形成了4 層結(jié)構(gòu)模型。可見，無論是砂巖等常規(guī)儲層還是泥頁巖等非常規(guī)儲層，層狀結(jié)構(gòu)模型對于開展儲層定量評價都有借鑒意義。

脆性礦物、 有機質(zhì)和黏土礦物三者對總孔隙的貢獻是泥頁巖孔隙的定量表征的關(guān)鍵問題。王玉滿等［9］以泥頁巖內(nèi)的孔隙賦存狀態(tài)和成因為主要依據(jù)，建立了由脆性礦物層、 黏土層及有機質(zhì)層組成的3 層巖石物理模型（見圖1）。

圖1 泥頁巖巖石物理模型

由該模型所建立的孔隙度數(shù)學(xué)模型為

式中：ρ 為泥頁 巖的巖石密度，t/m3；w 為礦物質(zhì)量分數(shù)，%；φ 為泥頁巖的孔隙度，%；V 為每層巖石單位質(zhì)量孔隙體積，m3/t；下標Bri，Clay，TOC 分別代表脆性礦物、黏土礦物和有機質(zhì)。

泥頁巖的巖石密度是應(yīng)用密度測井曲線獲得，3種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)可通過X 衍射全巖分析獲得，泥頁巖孔隙度可通過核磁共振測試獲得。通常認為，在巖石學(xué)、沉積環(huán)境、成巖作用和地球化學(xué)等地質(zhì)條件相似的層系或地區(qū)，VBri，VClay，VTOC的數(shù)值保持恒定。

2.2 巖心刻度測井法

巖心刻度測井法是指，以地面巖心測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算機定量解釋來確定巖心分析資料與測井資料之間相關(guān)關(guān)系的一種方法。該方法最先由歐陽健等［20］提出并應(yīng)用于塔里木油田，后又經(jīng)趙軍［21］及鄒良志等［22］應(yīng)用于吐哈盆地，均取得了良好的應(yīng)用效果。

該方法的具體計算過程：首先，進行取心資料的預(yù)處理，主要包括關(guān)鍵井選取、巖心數(shù)據(jù)深度歸位和巖心分析的數(shù)據(jù)匹配等；然后，進行測井曲線的編輯、校正與標準化，其中曲線校正主要包括井眼環(huán)境、深度、垂直、鉆井液侵入的矯正；最后，進行巖石物理研究與測井解釋模型的建立。

巖心刻度測井法是直接通過數(shù)理統(tǒng)計方法來確定巖心的測井信息與物性參數(shù)的一種方法。雖然該方法并沒有考慮測井信息與物性參數(shù)間的內(nèi)在規(guī)律，但巖心分析是該技術(shù)的基礎(chǔ)，而巖心分析資料可靠性很高；所以，依據(jù)巖心刻度測井法求得的結(jié)果能較好地與研究區(qū)的地質(zhì)情況相吻合。

3 實例分析

東營凹陷是濟陽坳陷泥頁巖最發(fā)育、 油氣藏資源最富集的地區(qū)之一。東營凹陷古近系沙河街組中的沙三下亞段及沙四上亞段均為良好的泥頁巖巖層。其中，沙三下亞段巖性以泥巖、灰褐色油頁巖及頁巖為主，沙四上亞段巖性組合以灰褐色鈣質(zhì)紋層泥頁巖為主。泥頁巖的有機質(zhì)成熟度進入成熟—高成熟階段，因此，不僅生成頁巖油，也有部分生成頁巖氣，形成頁巖油氣共存局面。近年來，針對濟陽坳陷東營泥頁巖資源潛力及勘探前景，學(xué)者［23］開展了相關(guān)研究，認為這一地區(qū)泥頁巖油氣可以作為常規(guī)油氣資源的替代資源。

3.1 基于巖石物理模型法進行孔隙度計算

考慮到Vbri，Vcaly，Vtoc在不同地區(qū)、不同層系差異較大，針對沙河街組泥頁巖，必須選擇合適的刻度區(qū)進行標定計算。為此，選擇了東營凹陷泥頁巖儲層分布規(guī)模較廣、 勘探和地質(zhì)認識程度較高的豐8 井及史121 井不同深度段的泥頁巖作為測試樣品。

首先，對這些樣品進行了核磁共振孔隙度測試、碳硫分析儀TOC 測試以及XRD 礦物組成分析測試，然后將以上測試資料分別代入式（1）。經(jīng)過計算，VBri，VClay和VTOC值分別為0.002 2，0.039 2 和0.415 8 m3/t （見表1）。這說明，3 種物質(zhì)單位質(zhì)量所產(chǎn)生的孔隙體積為脆性礦物最小，黏土礦物次之，有機質(zhì)最大。

根據(jù)式（1），對牛38 井2 940.00～3 060.00 m 的孔隙度進行計算，計算結(jié)果與實測結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.637 7（見圖2a）；對郝科1 井3 764.00～4 021.00 m 孔隙度的計算結(jié)果與實測結(jié)果相關(guān)系數(shù)達0.884 5（見圖2b）。

表1 東營凹陷沙河街組3 個采樣點參數(shù)

圖2 基于巖石物理模型法的孔隙度計算值和實測值對比

3.2 基于巖心刻度測井法的計算

基于巖心刻度測井法，即李軍等［10］提出的利用聲波時差數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗公式擬合來計算總孔隙度的方法。因為黏土晶間水會對中子測井造成很大影響，而井眼又會對密度測井值造成影響，因而，在表征頁巖氣儲層孔隙度的測井系列中，受井眼及黏土晶間水影響相對較小的聲波時差測井，最適合用來反映泥頁巖儲層的總孔隙度。李軍等［10］通過計算發(fā)現(xiàn)，涪陵地區(qū)頁巖巖心樣品的實測總孔隙度值與測井聲波時差值呈現(xiàn)出高度正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.75 以上。

同理，將東營凹陷的聲波時差測井數(shù)據(jù)與頁巖巖心實測孔隙度數(shù)據(jù)進行了線性擬合，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性較強，相關(guān)系數(shù)為0.837 5。它們之間的相關(guān)公式為

式中：φt為總孔隙度，%；DT 為聲波時差，μs/m。

運用式（2），進行了牛38 井2 940.00～3 060.00 m井段的孔隙度計算，計算結(jié)果與實測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.595 5（見圖3a）；對郝科1 井3 764.00～4 021.00 m井段孔隙度的計算結(jié)果與實測結(jié)果相關(guān)系數(shù)高達0.702 6（見圖3b）。

圖3 基于巖心刻度測井法的孔隙度計算值和實測值對比

4 2 種計算方法的對比

由圖2、圖3可以看出，無論是沙三段還是沙四段泥頁巖，2 種方法所求得的孔隙度數(shù)據(jù)均與實測數(shù)據(jù)基本一致，從而驗證了2 種方法的正確性。

將2 種方法的計算過程和計算結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，巖心刻度測井法較巖石物理模型法更為簡便，且由于測井數(shù)據(jù)可以連續(xù)取值的特性，所得的孔隙度數(shù)據(jù)也更為豐富。但是另一方面，巖心刻度測井法必需大量的實測孔隙度數(shù)據(jù)來與測井數(shù)據(jù)進行擬合來得到孔隙度計算公式，而利用現(xiàn)在的手段測試泥頁巖孔隙度，成本均較高，在經(jīng)濟性上不如巖石物理模型法。

綜上所述，2 種方法各有利弊。如研究區(qū)已有較多泥頁巖孔隙度數(shù)據(jù)，建議采用巖心刻度測井法；若研究區(qū)為新區(qū)，孔隙度數(shù)據(jù)較少，建議采用巖石物理模型法。

5 結(jié)論

1）巖石物理模型法，是通過借鑒前人的層狀結(jié)構(gòu)模型，又充分考慮泥頁巖的特性建立起來的。運用該方法，只需要少量實測孔隙度數(shù)據(jù)，便可以確定總孔隙度的相關(guān)計算參數(shù)。沙三下亞段和沙四上亞段的計算結(jié)果與實測值均十分接近，從而驗證了該方法的正確性。

2）巖心刻度測井法，是在巖心和測井響應(yīng)特征分析基礎(chǔ)上，利用聲波測井資料確定頁巖儲層總孔隙度的。由于測井數(shù)據(jù)可以連續(xù)取值的特性，使得所得的孔隙度數(shù)據(jù)也更為豐富。

3）2 種計算方法各有利弊。巖石物理模型法所需實測孔隙度數(shù)據(jù)較少，較為經(jīng)濟；巖心刻度測井法計算過程簡便，求取的孔隙度數(shù)據(jù)也更為豐富。在實際應(yīng)用中，如果研究區(qū)已經(jīng)獲得較多泥頁巖孔隙度數(shù)據(jù)，建議采用巖心刻度測井法，而如果研究區(qū)為新區(qū)，孔隙度數(shù)據(jù)比較少，建議采用巖石物理模型法。

［1］王玉滿，董大忠，李建忠，等.川南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層特征［J］.石油學(xué)報，2012，33（4）：551-561.

［2］鄒才能，董大忠，王社教，等.中國頁巖氣形成機理、地質(zhì)特征與資源潛力［J］.石油勘探與開發(fā)，2010，37（6）：641-653.

［3］鄒才能，陶士振，侯連華，等.非常規(guī)油氣地質(zhì)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2011：128-150.

［4］鄒才能，朱如凱，白斌，等.中國油氣儲層中納米孔首次發(fā)現(xiàn)及其科學(xué)價值［J］.巖石學(xué)報，2011，27（6）：1857-1864.

［5］蔣裕強，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲層的基本特征及其評價［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：7-12.

［6］Loucks R G，Reed R M，Ruppel S C，et al.Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive and a descriptive classification for matrix-related mudrock pores［J］.AAPG Bulletin，2012，96（6）：1071-1098.

［7］楊超，張金川，唐玄.鄂爾多斯盆地陸相頁巖微觀孔隙類型及對頁巖氣儲滲的影響［J］.地學(xué)前緣，2013，20（4）：240-250.

［8］楊峰等.基于氮氣吸附實驗的頁巖孔隙結(jié)構(gòu)表征［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（4）：135－140.

［9］王玉滿，董大忠，楊樺，等.川南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲集空間定量表征［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2014，44（6）：1348-1356.

［10］李軍，路菁，李爭，等.頁巖氣儲層“四孔隙”模型建立及測井定量表征方法［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2014，35（2）：266-271.

［11］孫贊東，賈承造，李相方，等.非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)（下）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011：865-1087.

［12］Sondergeld C H，Ambrose R J，Rai C S，et a1.Micro-structural studies of gas shales［R］.SPE 131771，2010.

［13］Nelson P H.Pore-throat sizes in sandstones，tight sandstones，and shales［J］.Amer Ass Protrol Geol，2009，93（3）：329-340.

［14］閻存章，董大忠，程克明，等.頁巖氣地質(zhì)與勘探開發(fā)實踐叢書：北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)新進展［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009：41-271.

［15］Ross D J K，Bustin R M.Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin：Application of an integrated formation evaluation［J］.Amer Ass Protrol Geol，2008，92（1）：87-125.

［16］Ross D J K，Bustin R M.The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs ［J］.Mar Pet Geol，2009，26（6）：916-927.

［17］Kinley T J，Cook L W，Breyer J A，et a1.Hydrocarbon potential of the Barnett Shale （Mississippian），Delaware Basin，west Texas and southeastern New Mexico ［J］.Amer Ass Protrol Geol，2008，92（8）：967-991.

［18］王冠貴.聲波測井理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988：60-92.

［19］Lecompte B，F(xiàn)ranquet J A，Jacobi D，et a1.Evaluation of Haynesville shale vertical well completions with mineralogy based approach to reservoir geomechanics ［R］.SPE 124227，2009.

［20］歐陽健，林純增，燕軍，等.石油測井解釋：地球物理測井學(xué)中一支應(yīng)用型學(xué)科［J］.測井技術(shù)，1994，18（6）：391-396.

［21］趙軍，陳福宣，燕軍.巖心刻度法在測井解釋模型中的應(yīng)用［J］.新疆石油地質(zhì)，1998，19（5）：421-423.

［22］鄒良志，謝然紅.巖心刻度測井在建立測井解釋模型中的應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報，2011，33（5）：99-102.

［23］張林曄，李政，朱日房，等.濟陽坳陷古近系存在頁巖氣資源的可能性［J］.天然氣工業(yè)，2008，28 （12）：26-29.