頁巖氣有效儲層三維地質(zhì)建模
——以威遠地區(qū)威202H2平臺區(qū)為例

馬成龍，張新新，李少龍

（1.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010；2.中國石油長城鉆探工程公司錄井公司，遼寧 盤錦 124010；3.中國石油長城鉆探工程公司四川頁巖氣項目部，遼寧 盤錦 124010）

頁巖氣有效儲層三維地質(zhì)建模
——以威遠地區(qū)威202H2平臺區(qū)為例

馬成龍1，張新新2，李少龍3

（1.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010；2.中國石油長城鉆探工程公司錄井公司，遼寧 盤錦 124010；3.中國石油長城鉆探工程公司四川頁巖氣項目部，遼寧 盤錦 124010）

國內(nèi)頁巖氣資源開發(fā)正處于起步發(fā)展階段，實際開發(fā)中缺少有效的技術(shù)指導(dǎo)，尤其是三維地質(zhì)建模技術(shù)方面。在綜合鉆測井、地震及分析測試資料的基礎(chǔ)上，提出了一套頁巖氣有效儲層三維地質(zhì)建模技術(shù)。通過井震約束，建立有效儲層段的構(gòu)造模型，以GR（自然伽馬測井值）、TOC（總有機碳質(zhì)量分數(shù)）、Si質(zhì)量分數(shù)、Ca質(zhì)量分數(shù)與沉積微相的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)建沉積小層相的劃分標準；應(yīng)用序貫指示和序貫高斯模擬方法分別建立起相模型和各重要參數(shù)的屬性模型；最后通過單位體積含氣量累計求和的方法計算頁巖氣藏地質(zhì)儲量。實例應(yīng)用表明，構(gòu)建的三維地質(zhì)模型有效刻畫出了有效儲層空間的非均質(zhì)性變化特征，并指出了各屬性參數(shù)對應(yīng)的有利分布區(qū)域。該類頁巖氣藏模型的構(gòu)建方法和實際應(yīng)用，對類似氣藏的開發(fā)部署具有指導(dǎo)意義。

頁巖氣；有效儲層；三維建模；相模型；儲量計算

目前對頁巖氣儲層三維地質(zhì)建模少有論述［1-2］，原因除國內(nèi)頁巖氣的勘探開發(fā)還處于初級階段、地質(zhì)認識不夠精細外，最重要的是缺少頁巖氣儲層相模型建立方法和較為準確的地質(zhì)儲量計算方法。一般而言，常規(guī)的砂巖儲層通過巖性、測井參數(shù)及砂泥巖段的劃分，建立相控模型和相應(yīng)的孔隙度、滲透率和飽和度等屬性模型［3-4］。而頁巖氣有效儲層通常以整套的黑色泥頁巖為主［5-10］，巖性與測井參數(shù)難以建立起有效的相控模型及相控下的重要參數(shù)屬性模型（如孔隙度、滲透率和飽和度）。由現(xiàn)場隨鉆過程中地球化學(xué)錄井得到的連續(xù)性數(shù)據(jù)，如 TOC（總有機碳質(zhì)量分數(shù)）及 Si，Ca，Al質(zhì)量分數(shù)等，是評價頁巖氣儲層中TOC、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)、含氣量等指標的重要參數(shù)，能夠在開發(fā)層面上對頁巖氣儲層性質(zhì)進行有效區(qū)分。因此，本文以Petrel為軟件平臺，現(xiàn)場地質(zhì)錄井、測試及地震數(shù)據(jù)為依托，根據(jù)GR（自然伽馬測井值），TOC，以及 Si，Ca質(zhì)量分數(shù)與沉積微相的對應(yīng)關(guān)系建立起沉積模型，巖石密度、含氣量等屬性參數(shù)構(gòu)建起儲量模型，最后通過單位體積含氣量累計求和的方法計算頁巖氣藏地質(zhì)儲量。該地質(zhì)模型的構(gòu)建與實際應(yīng)用，為本地區(qū)及同類頁巖氣儲層的開發(fā)部署與調(diào)整提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)威202H2平臺區(qū)位于川西南古中斜坡斷褶帶北部，威202區(qū)塊的東南部，開發(fā)目的層位為古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組（見圖1）。龍馬溪組下部優(yōu)質(zhì)頁巖層發(fā)育，上部主要為綠灰色泥、頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖，下部為深灰色硅質(zhì)頁巖、灰黑色、黑色碳質(zhì)頁巖等［6-8］，為一套深水陸棚相碎屑巖沉積（見圖2）。該區(qū)構(gòu)造相對穩(wěn)定，地層傾向為南南東，傾角9°左右，最大主應(yīng)力方向NE105°，有效優(yōu)質(zhì)儲層主要分布于龍馬溪組下部的龍 11上（L11s）和龍 11下（L11x）層段內(nèi)。該套儲層對應(yīng)的電性特征較為明顯：自然伽馬值較高，139～437 API，平均 189 API；中子孔隙度 7%～23%，平均 18%；密度略低，介于 2.34～2.71 g/cm3，平均 2.57 g/cm3。 已有的鉆探成果表明，該區(qū)塊頁巖氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越，優(yōu)質(zhì)儲層含氣量豐富，具備商業(yè)開發(fā)價值［8-11］。

圖1 研究區(qū)地理位置平面示意

圖2 下志留統(tǒng)龍馬溪組地層綜合柱狀圖

2 儲層建模

本次研究收集了威202H2平臺區(qū)的三維地震、鉆測井及分析化驗等數(shù)據(jù)資料，通過相控模型的約束，分別建立起參數(shù)模型和流體分布模型，結(jié)合頁巖儲層體積含氣量模擬方法構(gòu)建儲量計算模型。

2.1 儲層構(gòu)造建模

構(gòu)造模型是三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)，包括斷層模型、層面模型和三維骨架網(wǎng)格的建立［2］，其中三維骨架網(wǎng)格是儲層屬性分布模型和流體分布模型的載體。頁巖氣有效儲層構(gòu)造模型構(gòu)建過程中，層面識別是基礎(chǔ)。本次研究的層面模型構(gòu)建主要是通過有效儲層與非有效儲層間巖性顏色、TOC、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)等重要參數(shù)的變化特征來精細識別層面，同時在宏觀上使用測井與地震屬性參數(shù)加以約束。

威202H2平臺由6口水平井構(gòu)成，單井水平段長度1 200～1 500 m，井距300 m左右，區(qū)內(nèi)無斷層存在，以最小曲率法進行空間曲面插值生成各等時的層面模型。L2至L11s為龍馬溪組巨厚泥巖段，模型上劃分出30個小層，L11s至B為優(yōu)質(zhì)頁巖儲層段，模型上劃分出40個小層；在骨架網(wǎng)格上，采用20.0 m×20.0 m×0.8 m的步長，建立3D網(wǎng)絡(luò)模型。從建立的構(gòu)造模型看，L11s頂面自北向南，埋深逐漸增大，其與B層間的優(yōu)質(zhì)儲層平均厚度為65.0 m，北部略薄。

2.2 儲層相建模

儲層的相模型分為巖相建模和沉積建模2類［3］，可以定量地表征油氣儲集體的類型、大小、幾何形態(tài)及其三維空間分布。研究區(qū)有效儲層段內(nèi)巖性總體上為黑色砂質(zhì)、碳質(zhì)頁巖，巖性變化不大，同時儲層內(nèi)巖性與物性、含氣性的對應(yīng)關(guān)系也不是很明顯，應(yīng)用巖相模型模擬相特征受到制約，因此本次研究使用沉積建模方法構(gòu)建儲層相特征模型。

研究區(qū)有效儲層沉積亞相為深海外陸棚相，上部L11s小層為富有機質(zhì)的硅質(zhì)泥微相，下部L11x小層為富有機質(zhì)的碳質(zhì)泥微相（見圖2）。通過樣品點各項參數(shù)綜合對比分析，發(fā)現(xiàn)儲層內(nèi)GR，TOC及Si，Ca質(zhì)量分數(shù)等4項參數(shù)間的相對變化規(guī)律能夠指示出沉積微環(huán)境的變化。通過分析儲層樣品點各項參數(shù)與沉積微相間的對應(yīng)關(guān)系（見圖3），建立起了沉積相模型的劃分標準（見表1）。從圖3可以看出，A區(qū)為低氣量區(qū)，主要對應(yīng)著含硅為主的低有機質(zhì)、低自然伽馬沉積區(qū)，而B區(qū)為高氣量區(qū)，主要對應(yīng)著含灰質(zhì)為主的高有機質(zhì)、高自然伽馬沉積區(qū)。按上述劃分標準，在威202區(qū)塊龍馬溪組下部頁巖氣有效儲層段識別出6個小層相。其中，含灰高的高有機質(zhì)相以及含灰較多的中有機質(zhì)相是最為有利的2個開發(fā)相帶。

圖3 龍馬溪組儲層Si，Ca質(zhì)量分數(shù)及GR，TOC曲線

表1 威202區(qū)塊龍馬溪組下部地層小層相劃分標準

研究中采用球型變差函數(shù)模型，對各小層相分別進行數(shù)據(jù)分析和相模擬。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)成藏背景，確定相參數(shù)，其中方位角300°、主變程430 m、次變程370 m、垂變程230 m、基臺值1，塊金常數(shù)0；最后采用序貫指示隨機模擬方法（SIS），模擬疊加3次實現(xiàn)，得到較為理想的沉積相模型。從建立的相模型看，有效儲層的上部以X5，X4小層相為主，中部X3與X2小層相交互分布，下部主要為X1，X0小層相。儲層物性與含氣性方面最優(yōu)質(zhì)的為X1小層相，其垂厚小于0.5 m，且鄰近非有效儲層的X0小層相帶，開發(fā)風險大，故不作為開發(fā)中的有利相帶。

2.3 儲層屬性建模

儲層的參數(shù)模型反映了其在三維空間上的變化和分布特征，按直接表征油氣性與否，分為儲層參數(shù)模型和流體分布模型［2］。本次研究中選取DEN（密度）、TOC、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)和含氣量4項頁巖氣儲層評價與開發(fā)的重要參數(shù)［12-13］，建立屬性模型。所有參數(shù)首先通過算術(shù)方法粗化處理，經(jīng)高斯分布變換以及變差函數(shù)分析后，采用算法穩(wěn)健的序貫高斯模擬方法構(gòu)建出儲層參數(shù)模型和流體分布模型（見表2）。

表2 屬性參數(shù)模擬方法統(tǒng)計

DEN參數(shù)模型顯示，上傾方向的有效儲層物性條件相對較差，開發(fā)難度大。TOC參數(shù)模型中，有效儲層的TOC一般分布在1.5%～4.2%，均值2.4%；大于2.5%的儲層主要位于中下部，呈層狀準連續(xù)分布，與沉積相模型中X2，X3小層相的發(fā)育特征較為一致。一般來說，高 TOC儲層段內(nèi)能夠解析出更多的吸附氣量［10，14-15］，是頁巖氣效益開發(fā)和持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的重點層位。

另一方面，頁巖氣儲層中以硅質(zhì)、灰質(zhì)組分為代表的脆性礦物質(zhì)量分數(shù)的多少，是儲層裂縫發(fā)育的重要因素［16］，直接影響到儲層壓裂酸化的開發(fā)效果，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)越高，儲層越容易被壓裂改造［12］。脆性礦物質(zhì)量分數(shù)模型顯示，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)大于50%的層段主要分布于有效儲層的中下部，且下傾方向要好于上傾方向。本次研究的含氣量數(shù)據(jù)由現(xiàn)場隨鉆測試分析獲得，含氣量模型經(jīng)TOC擬合校正并由相控約束后得到。含氣量模型顯示：有效儲層段中部含氣量大于2.5 m3/t，其上下兩端的含氣性較差；平面上，含氣量的均值達到2.0 m3/t，變化小，顯示出較好的含氣性特征?？傮w上，區(qū)塊內(nèi)有效頁巖氣儲層的中下部含氣性好、脆性礦物發(fā)育，是開發(fā)的最有利層段。

3 儲量計算

頁巖氣地質(zhì)儲量計算通常采用靜態(tài)容積法，由游離氣總量和吸附氣總量兩部分構(gòu)成［17-19］。從頁巖氣儲層的開發(fā)實踐來看，非均質(zhì)的頁巖氣儲層如果由標準巖心樣品標定的一套含氣飽和度、吸附氣儲量豐度等數(shù)據(jù)計算，顯然難以真實反映儲量的空間變化特征，并有效地計算出地質(zhì)儲量。尤其是針對孔隙度小5%、滲透率處于毫達西級別的非均質(zhì)頁巖氣儲層來說［10］，應(yīng)用常規(guī)測井資料，難以求得精確的孔隙度和含氣飽和度等參數(shù)，從而影響頁巖氣儲量計算的準確度。

綜合考慮上述因素，筆者提出了利用TOC和巖石密度等參數(shù)構(gòu)建起儲量模型，單位體積含氣量累計求和的方法，通過三維網(wǎng)格賦值積分進行頁巖氣儲層的地質(zhì)儲量計算，其計算表達式為

式中：N為地面總的天然氣量，m3；Vi為i網(wǎng)格點的體積值，m3；ρi為 i網(wǎng)格點的密度值，t/m3，Gi為 i網(wǎng)格點的含氣量，m3/t。

含氣量Gi可由實鉆過程中連續(xù)檢測的TOC數(shù)據(jù)推算出，兩者總的計算關(guān)系式由本區(qū)塊密閉巖心測定的總含氣量及TOC數(shù)據(jù)確定。

從模擬效果來看，縱向上頁巖氣較高的儲量區(qū)分布在有效儲層中部偏下的層段內(nèi)，較低的儲量區(qū)域呈分散塊狀集中于儲層上下兩端（見圖4）。

圖4 威202H2平臺有效儲層地質(zhì)儲量模型柵狀圖

橫向上較高的儲量區(qū)位于區(qū)塊南端，受縱向上優(yōu)質(zhì)“甜點”分布的影響，單位面積最高頁巖氣含量出現(xiàn)在威202H2-4井區(qū)附近，達到5 500 m3/m2（見圖5）。

圖5 威202H2平臺有效儲層單位面積地質(zhì)儲量分布

4 開發(fā)效果分析

通過建立模型，指導(dǎo)實鉆過程中井位參數(shù)的實時調(diào)整，確保了威202H2平臺的6個分支井眼軌跡處于X1至X2小層有利儲層相帶內(nèi)。威202H2平臺自2015年5月投產(chǎn)以來，日均產(chǎn)氣量穩(wěn)定在46.36×104m3左右，其中以威202H2-4井的單井日產(chǎn)氣量最高（16.48×104m3），平臺總的累計產(chǎn)氣量達到13 487.48×104m3，取得了較好的經(jīng)濟收益。

5 結(jié)論

1）利用GR，TOC以及Si，Ca質(zhì)量分數(shù)與沉積微相的對應(yīng)關(guān)系建立沉積模型，綜合巖石密度、含氣量等屬性參數(shù)構(gòu)建了一套頁巖氣有效儲層三維地質(zhì)建模技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出了基于三維網(wǎng)格賦值積分的體積含氣量模擬方法，實現(xiàn)了頁巖氣儲層的地質(zhì)儲量計算。

2）頁巖氣儲層地質(zhì)建模技術(shù)拓寬了常規(guī)儲層建模的思路，并在威202H2平臺區(qū)實際應(yīng)用中取得了較好的應(yīng)用效果，在油田開發(fā)和地質(zhì)綜合評價方面具有重要的現(xiàn)實意義。

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（編輯 徐深謀）

3D geological modeling of effective shale-gas reservoirs:taking Wei 202H2 platform of Weiyuan Area as an example

MA Chenglong1,ZHANG Xinxin2,LI Shaolong3
(1.Research Institute of Exploration and Development,Liaohe Oilfield Company,PetroChina,Panjin 124010,China;2.Logging Service Company,Great Wall Drilling Company Ltd.,CNPC,Panjin 124010,China;3.Sichuan Shale-gas Project Department,Greatwall Drilling Company,CNPC,Panjin 124010,China)

Domestic shale gas resources development is in the initial stage of development,and a series of matching technologies for the actual development level,especially the 3D geological modeling technology,needs to be enriched and perfected.Based on comprehensive geology,logging and seismic data,a 3D geological model of effective shale-gas reservoir was built,taking Wei 202H2 platform of Weiyuan Area as an example.The structural model of effective reservoir was established by comprehensive constrain of logging and seismic data.The classification standard of sedimentary facies was constructed by the correspondence of GR,TOC,contents of Si and Ca.The sequential indicator method and the sequential Gaussian simulation method were used to establish the facies model and the important attribute parameter model respectively.Finally,the calculation method of shale gas reservoir reserves was carried out by the method of cumulative sum of gas volume per unit volume.The 3D geological model effectively depicts the non-homogeneous characteristics of effective reservoir in space,and points out the favorable distribution area of each attribute parameter.The construction method and practical application of the shale gas model provide important practical guidance to the next step development of shale-gas.

shalegas;effectivereservoir;3Dmodeling;phasemodel;reservescaculation

TE319

A

中國石油集團長城鉆探工程公司項目“四川威遠頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場試驗”（2015A01-1）

10.6056/dkyqt201704013

2016-12-14；改回日期：2017-05-23。

馬成龍，男，1986年生，工程師，主要從事石油地質(zhì)綜合研究。 E-mail：mhwgo125@126.com。

馬成龍，張新新，李少龍.頁巖氣有效儲層三維地質(zhì)建模：以威遠地區(qū)威202H2平臺區(qū)為例［J］.斷塊油氣田，2017，24（4）：495-499.

MA Chenglong，ZHANG Xinxin，LI Shaolong.3D geological modeling of effective shale-gas reservoirs：taking Wei 202H2 platform of Weiyuan Area as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：495-499.