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      西加盆地泥盆系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋

      2019-03-15 06:23:32淮銀超譚玉涵張洪濤
      特種油氣藏 2019年1期
      關(guān)鍵詞:盆地測(cè)井頁(yè)巖

      淮銀超,張 銘,譚玉涵,譚 天,張洪濤

      (1.西北大學(xué),陜西 西安 710069;2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.中國(guó)石油測(cè)井有限公司,陜西 西安 710077;4.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065;5.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院, 遼寧 錦州 121000)

      0 引 言

      頁(yè)巖氣是一種以游離氣、吸附氣和溶解氣為主的非常規(guī)天然氣,具有低孔、低滲的特點(diǎn),必須經(jīng)過(guò)改造才能產(chǎn)生工業(yè)型天然氣流[1-3]。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有縱向連續(xù)性強(qiáng)、橫向分辨率高等特點(diǎn),主要用來(lái)開展頁(yè)巖氣儲(chǔ)層礦物含量、流體分布以及可壓裂性等研究[4]。常規(guī)確定性測(cè)井解釋方法受到礦物計(jì)算量少、精度低、測(cè)井曲線響應(yīng)特征以及頁(yè)巖氣儲(chǔ)層復(fù)雜礦物類型、分布形式、體積模型等限制,整體上應(yīng)用效果較差[5-8]。最優(yōu)化測(cè)井解釋方法憑借測(cè)井曲線極高的利用率以及復(fù)雜巖性求解能力成為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井解釋的最佳選擇[9-12]。前人針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋的研究主要集中在目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建、最優(yōu)化求解以及最優(yōu)化求解過(guò)程中的算法、數(shù)學(xué)模型等方面[13-15]。目前最優(yōu)化測(cè)井解釋研究重點(diǎn)集中在儲(chǔ)層多礦物模型的準(zhǔn)確構(gòu)建、解釋精度的提高以及在頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油、致密砂巖氣等復(fù)雜巖性中的應(yīng)用。最優(yōu)化測(cè)井解釋對(duì)于明確頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征意義重大,但目前針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的最優(yōu)化測(cè)井解釋尚處于起步階段,有待進(jìn)一步研究。

      以加拿大最具代表性的西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象,利用XRD分析結(jié)果以及頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井識(shí)別,在建立最佳多礦物模型基礎(chǔ)上,構(gòu)建西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋目標(biāo)函數(shù),利用最優(yōu)化測(cè)井解釋方法求解出孔隙度、含氣飽和度及石英、方解石、黃鐵礦、伊蒙混層、綠泥石含量。通過(guò)與巖心分析結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果準(zhǔn)確性,最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果能更加準(zhǔn)確地反映出西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層實(shí)際特征。

      1 基本原理

      常規(guī)確定性測(cè)井解釋方法通常只能求取包括泥巖在內(nèi)的3種礦物,對(duì)于3種以上礦物的儲(chǔ)層存在“超定”現(xiàn)象,計(jì)算準(zhǔn)確率不高[16-17]。相比于常規(guī)儲(chǔ)層,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層復(fù)雜的礦物組分和流體分布形式及有機(jī)質(zhì)存在均為測(cè)井解釋結(jié)果增加不確定性。測(cè)井曲線最優(yōu)化解釋方法依據(jù)儲(chǔ)層實(shí)際特征建立最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,利用最優(yōu)化方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)加工,從而獲取儲(chǔ)層最優(yōu)化結(jié)果。該方法憑借對(duì)測(cè)井曲線的超高利用率以及針對(duì)復(fù)雜巖性的較強(qiáng)求解能力,在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井解釋中具有很好的應(yīng)用前景。

      頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋方法建立在廣義地球物理反演的理論基礎(chǔ)上,以巖心分析數(shù)據(jù)和測(cè)井曲線測(cè)量原理作為出發(fā)點(diǎn),通過(guò)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多礦物模型的建立以及測(cè)井識(shí)別,利用輸入初始頁(yè)巖氣儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算出的理論測(cè)井曲線與實(shí)測(cè)測(cè)井曲線的誤差,建立頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井最優(yōu)化解釋目標(biāo)函數(shù)。在最優(yōu)化算法優(yōu)選基礎(chǔ)上,利用最優(yōu)化算法不斷調(diào)整儲(chǔ)層參數(shù)輸入?yún)?shù)值,直到目標(biāo)函數(shù)最小化后,獲得頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果,實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋。

      2 礦物學(xué)特征與測(cè)井響應(yīng)

      明確頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的礦物類型以及分布形式是建立準(zhǔn)確多礦物模型的基礎(chǔ),西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層屬于典型深海相沉積,沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,儲(chǔ)層非均質(zhì)性不強(qiáng)。對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究方法有薄片鑒定、XRD數(shù)據(jù)分析和測(cè)井響應(yīng)特征分析。

      西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層32塊樣品的薄片鑒定結(jié)果表明,該頁(yè)巖氣儲(chǔ)層以黑色、灰黑色鈣質(zhì)、硅質(zhì)泥巖為主,有機(jī)質(zhì)普遍發(fā)育,在富含有機(jī)質(zhì)層段,普遍發(fā)育黃鐵礦,孔隙以有機(jī)孔為主。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層45塊巖心樣品的XRD全巖分析結(jié)果表明,在西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層礦物中,石英質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(以下簡(jiǎn)稱含量)最高,為30.45%;方解石含量次之,為21.75%,鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和白云石含量較低,屬于次要骨架礦物,含量分別為3.31%、3.03%和1.20%,黃鐵礦作為一種標(biāo)志性礦物,普遍發(fā)育于西加盆地頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中,含量為3.38%。另外,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層還發(fā)育有少量重晶石、鐵白云石、白云石和氟磷灰石。黏土礦物類型相對(duì)簡(jiǎn)單,主要為伊蒙混層、伊利石、綠泥石和高嶺石,含量分別為21.94%、8.35%、3.23%和0.61%。頁(yè)巖位于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層頂部,有機(jī)質(zhì)含量為0.23%~8.37%,平均為3.48%,屬于富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖,奠定了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的物質(zhì)基礎(chǔ)。西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層黏土礦物含量低(小于40.00%)、脆性礦物含量高(方解石、石英含量之和超過(guò)50.00%)的特性對(duì)于儲(chǔ)層后續(xù)改造十分有利。

      西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的巖性以鈣質(zhì)、硅質(zhì)的富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖為主,顏色以灰色、灰黑色為主,含有少量黃鐵礦。依據(jù)測(cè)井曲線特征,西加盆地的頁(yè)巖段分為上部的富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖和底部的普通頁(yè)巖(圖1),兩者中間由砂質(zhì)或者硅質(zhì)夾層隔開。富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖與普通頁(yè)巖相比,由于存在有機(jī)質(zhì),富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖表現(xiàn)為低自然伽馬、低密度和高電阻率的特性。另一方面,富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖與作為圍巖的泥灰?guī)r、致密灰?guī)r等相比,有機(jī)質(zhì)富集,具有較高的甲烷含量,黏土及有機(jī)質(zhì)的存在降低了地層體積密度,提高了自然伽馬、聲波時(shí)差、中子孔隙度和電阻率,具體表現(xiàn)為“四高一低”測(cè)井特征,即高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高中子孔隙度、高電阻率和低地層密度。依據(jù)測(cè)井曲線識(shí)別富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為多礦物模型構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

      圖1西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征

      3 最優(yōu)化測(cè)井解釋方法

      3.1 多礦物模型

      測(cè)井曲線最優(yōu)化解釋方法建立在準(zhǔn)確的多礦物模型基礎(chǔ)上,頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的多礦物模型認(rèn)為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層由局部均勻分布的孔隙、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)以及骨架礦物構(gòu)成,準(zhǔn)確的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多礦物模型是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井曲線最優(yōu)化解釋的關(guān)鍵性基礎(chǔ)。根據(jù)西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征以及XRD全巖分析結(jié)果,同時(shí)考慮到相同類型黏土礦物和骨架礦物合并以及微量含量礦物的忽略,建立基于均勻分布的孔隙、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)以及骨架礦物的西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多礦物模型。模型包括石英、方解石、黃鐵礦、蒙脫石、綠泥石、伊利石、有機(jī)質(zhì)以及孔隙中充填的水和氣。

      3.2 目標(biāo)函數(shù)與最優(yōu)化求解

      頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是求解多元方程組,在求解多礦物模型的最優(yōu)化結(jié)果時(shí),當(dāng)所選測(cè)井曲線不少于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層組分個(gè)數(shù)時(shí),只能獲得唯一解;當(dāng)所`選測(cè)井曲線少于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層組分個(gè)數(shù)時(shí),測(cè)井方程組的解會(huì)出現(xiàn)超定解,此時(shí)可獲得多套儲(chǔ)層參數(shù)解。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井曲線最優(yōu)化測(cè)井解釋是在上述頁(yè)巖氣儲(chǔ)層參數(shù)解中優(yōu)選符合儲(chǔ)層特征的最佳解作為測(cè)井最優(yōu)化解。

      西加盆地頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋在多礦物模型構(gòu)建基礎(chǔ)上,結(jié)合物質(zhì)平衡原理,利用自然伽馬、聲波時(shí)差、中子孔隙度、密度、光電吸收界面系數(shù)、鈾、釷、鉀以及去鈾伽馬等9條曲線,結(jié)合對(duì)應(yīng)約束條件,構(gòu)建測(cè)井曲線響應(yīng)方程組:

      (1)

      式中:Fi(A,X)為測(cè)井曲線值;aij為礦物的測(cè)井響應(yīng)值;φj為礦物體積百分?jǐn)?shù),%;n為頁(yè)巖氣多礦物模型中的礦物數(shù)量。

      根據(jù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層實(shí)際特征,測(cè)井曲線響應(yīng)方程組應(yīng)滿足以下條件:

      (2)

      式中:φCla_i為黏土礦物體積百分比,%;φMat_i為骨架礦物體積百分比,%;φTOC為有機(jī)質(zhì)體積百分比,%。

      頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多礦物模型的最優(yōu)化解釋最終歸結(jié)于利用最優(yōu)化方法通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)層參數(shù)輸入值將基于多礦物模型計(jì)算獲得的理論測(cè)井曲線與實(shí)測(cè)曲線誤差達(dá)到最小化,可通過(guò)最小二乘法誤差計(jì)算公式得到。針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的單一測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),例如自然伽馬曲線,其誤差形式可表示為:

      (3)

      為了在實(shí)際應(yīng)用中統(tǒng)一不同量綱對(duì)測(cè)井曲線的影響,同時(shí)對(duì)自然伽馬曲線起到加權(quán)作用,利用測(cè)量誤差和響應(yīng)誤差值標(biāo)準(zhǔn)化自然伽馬曲線,獲得期望誤差:

      (4)

      將式(4)兩邊平方處理后得到基于最小二乘法的自然伽馬誤差表達(dá)形式:

      (5)

      通過(guò)加和頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的所有測(cè)井曲線誤差,基于最小二乘法,即獲得頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井曲線的總誤差。西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的最優(yōu)化測(cè)井解釋可轉(zhuǎn)化為基于最小二乘法的總誤差最小值求取函數(shù),即測(cè)井曲線最優(yōu)化解釋目標(biāo)函數(shù)可表示為:

      (6)

      式中:F(A,X)min為測(cè)井最優(yōu)化解釋目標(biāo)函數(shù);ai為第i條測(cè)井曲線的實(shí)際響應(yīng)值;fi(A,X)為第i條測(cè)井曲線的理論響應(yīng)值;δi為第i條測(cè)井曲線的測(cè)量誤差;εi為第i條測(cè)井曲線的響應(yīng)誤差。

      考慮到頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多礦物模型最優(yōu)化解時(shí)的計(jì)算量以及收斂速度等要求,采用變尺度方法開展頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井曲線最優(yōu)化解釋。該方法具有計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性高,搜索速度快,且對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層初始輸入?yún)?shù)要求低的特點(diǎn)[18-20]。變尺度方法最優(yōu)化求解過(guò)程中構(gòu)建Hessian矩陣,在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層初始參數(shù)輸入基礎(chǔ)上,不斷搜尋最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)方向,通過(guò)迭代方法獲得頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果:

      (7)

      4 應(yīng)用效果分析

      頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化解釋是通過(guò)迭代實(shí)現(xiàn),初始參數(shù)值對(duì)降低最優(yōu)化迭代次數(shù)、提高搜索速度等具有重要意義,在最優(yōu)化處理之前,對(duì)儲(chǔ)層參數(shù)預(yù)處理,以期達(dá)到最佳狀態(tài),從而為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

      孔隙度、含氣飽和度以及有機(jī)質(zhì)含量等利用常規(guī)方法加以計(jì)算(圖2)。由于黃鐵礦的存在降低了富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的地層電阻率,在含氣飽和度計(jì)算中,為了確保含氣飽和度準(zhǔn)確性,采用視地層水電阻率方法來(lái)消除黃鐵礦對(duì)含氣飽和度的影響[21]。骨架和黏土礦物以XRD分析平均值作為基礎(chǔ)參數(shù)輸入值。

      根據(jù)西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(圖2),結(jié)合XRD分析數(shù)據(jù)以及測(cè)井曲線識(shí)別,在構(gòu)建多礦物模型基礎(chǔ)上,完成了西加盆地6口取心探井的最優(yōu)化測(cè)井解釋。西加盆地頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果表明:①根據(jù)最優(yōu)化測(cè)井解釋的置信區(qū)間檢驗(yàn)法,西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋的理論測(cè)井與實(shí)測(cè)值誤差分布期望值為0,在δ2+ε2方差范圍內(nèi),相對(duì)誤差值小于15.00%,主要為0.00~10.00%;②最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果與取心分析結(jié)果的相對(duì)誤差見表1,二者相對(duì)誤差為0.98%~12.51%,平均值為4.79%;③由單井最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果(圖3)可知,解釋結(jié)果與巖心分析結(jié)果吻合,且二者趨勢(shì)保持一致,反映出最優(yōu)化測(cè)井解釋方法在西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層測(cè)井解釋應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和適用性。

      圖2 西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層基礎(chǔ)參數(shù)結(jié)果

      表1 西加盆地泥盆紀(jì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋結(jié)果與巖心分析誤差統(tǒng)計(jì)

      圖3 西加盆地頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多礦物模型最優(yōu)化處理結(jié)果

      5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

      (1) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與常規(guī)儲(chǔ)層相比,礦物類型與分布形式更加復(fù)雜,依據(jù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的XRD全巖分析結(jié)果,結(jié)合測(cè)井曲線識(shí)別,優(yōu)選頁(yè)巖氣儲(chǔ)層礦物類型以及對(duì)應(yīng)測(cè)井曲線,構(gòu)建基于儲(chǔ)層實(shí)際特征的多礦物模型能有效提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋精度。

      (2) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋方法在多礦物模型基礎(chǔ)上,利用最優(yōu)化方法的測(cè)井曲線極高利用率以及復(fù)雜巖性的求解能力,建立頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的最優(yōu)化測(cè)井解釋方法。該方法能準(zhǔn)確解釋頁(yè)巖氣儲(chǔ)層內(nèi)部骨架礦物、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)以及流體的分布,為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層后續(xù)的物性參數(shù)分布、礦物含量以及可壓裂性等研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

      (3) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多礦物模型最優(yōu)化處理是建立在準(zhǔn)確測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用最優(yōu)化方法對(duì)初始輸入儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行校正,直到理論測(cè)井曲線與實(shí)測(cè)曲線誤差最小化,即達(dá)到了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的最優(yōu)化測(cè)井解釋。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層初始儲(chǔ)層參數(shù)作為最優(yōu)化測(cè)井解釋啟動(dòng)值,其準(zhǔn)確性對(duì)于提高測(cè)井解釋速率、降低求解時(shí)間意義重大。在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋之前需要對(duì)儲(chǔ)層參數(shù)初始值進(jìn)行一定的預(yù)處理,才能有效地提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最優(yōu)化測(cè)井解釋的精度與計(jì)算效率。

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