頁巖氣水平井TOC測井評價新方法

劉偉男，張超謨，朱林奇，胡松，孔政,鄧瑞

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100；2.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518054；3. 中國科學(xué)院 深?？茖W(xué)與工程研究所，海南 三亞 572000；4.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；5.中石化勝利油田勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257099)

0 引言

隨著頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的直井勘探模式受到了挑戰(zhàn)。水平井是最大井斜角達(dá)到或接近90°，并在目的層中維持一定長度的水平井段的特殊井[1-2]，水平井對于提升油氣藏采收率具有明顯的效果[3-6]。頁巖氣儲層是典型的自生自儲油氣藏，但是其優(yōu)質(zhì)層段往往較薄且較為致密，雖然儲層內(nèi)部發(fā)育有微裂縫，但是由于微裂縫溝通能力有限，因此在開采時需利用水平井模式進(jìn)行開發(fā)，以提高單井產(chǎn)能和采收率等[7-10]。

在水平井測井評價中，目前采用方法是先進(jìn)行井眼與地層關(guān)系的解釋，之后將水平井測量曲線校正到直井狀態(tài)，然后利用垂直井模型進(jìn)行評價。其中，汪中浩等提出“水平井測井解釋系統(tǒng)”用于解釋井眼軌跡與油藏的位置關(guān)系，同時考慮地層各向異性進(jìn)行交互解釋[11]；呂萍等利用勝利油田“水平井咨詢系統(tǒng)”進(jìn)行井眼軌跡與地層接觸關(guān)系的確定，進(jìn)而進(jìn)行儲層流體識別工作[12]；趙軍等在井眼軌跡與地層關(guān)系研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行儲層巖性和物性的判斷，為后續(xù)解釋提供參考依據(jù)[13]；針對泥頁巖，胡松等以直井和水平井測井曲線為基礎(chǔ)，通過交互式正反演方法確定井眼與地層關(guān)系，之后進(jìn)行曲線校正和儲層參數(shù)計算[14]。目前，頁巖的水平井測井評價方法主要參考常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖儲層評價方法，但是頁巖水平井中往往未有密度、中子等能夠反映儲層特征的測井曲線，且頁巖儲層中評價參數(shù)與常規(guī)儲層存在差異，即頁巖儲層中必須評價的有機(jī)碳含量、含氣量等參數(shù)在常規(guī)儲層中往往為非必須評價參數(shù)[15-16]，同時，由于頁巖層系一般在大套暗色泥頁巖中夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖等，儲層薄互層特別發(fā)育，導(dǎo)致實際水平井井眼軌跡難以完全與目的層段相貼合，給水平井的測井解釋帶來了較大的難度。首先，對于某些曲線，特別是對于聲波時差和電阻率曲線，由于各向異性等因素導(dǎo)致水平井與垂直井測井響應(yīng)特征存在較大差異；其次，對于頁巖儲層，由于其非均質(zhì)性較強，因此即使是同一層組的各個小層，其測井響應(yīng)特征也存在較大差異，且水平井井間測井響應(yīng)特征的差異較大。

針對上述問題，本文以Y試驗區(qū)為例，考慮到研究區(qū)井眼穿層不斷變化、測井響應(yīng)特征復(fù)雜和測井曲線有限等問題，采用“水平井鉆遇地層模型—水平井測井響應(yīng)分析及曲線校正—基于直井的多信息融合參數(shù)評價模型—水平井評價”評價技術(shù)路線：首先，進(jìn)行井眼軌跡與地層關(guān)系的解釋；之后結(jié)合井眼與地層關(guān)系，利用直方圖法進(jìn)行水平井測井響應(yīng)特征對比分析，厘清水平井井間和水平井與直井測井響應(yīng)特征差異，同時進(jìn)行曲線校正工作；在此基礎(chǔ)上考慮水平井測井資料有限性、曲線抖動問題及模型適用性問題，構(gòu)建了以水平井測井系列為約束的雙重信息融合TOC評價模型，以期對該地區(qū)后續(xù)水平井的測井評價提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

四川盆地具有豐富的頁巖氣地質(zhì)儲量，在龍馬溪組、五峰組及筇竹寺組發(fā)育著大量的灰黑色泥巖、黑色碳質(zhì)泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖和黑色炭質(zhì)泥頁巖儲層，儲量十分豐富[17-20]。Y試驗區(qū)位于四川盆地的東南部，其主力勘探層系為五峰—龍馬溪組，區(qū)域內(nèi)已經(jīng)完鉆、有明顯經(jīng)濟(jì)效益的井有5口，其中Y3井單井日產(chǎn)氣達(dá)6.33 萬m3，考慮到縱向上巖性差異較大，在實際勘探和開發(fā)時將其從下到上分為1～9號層。對研究區(qū)塊優(yōu)質(zhì)重點層段(2～3層)巖心分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，鏡質(zhì)體反射率介于2.42%～2.77%之間，平均為2.57%；TOC含量介于0.45%～7.83%之間，平均為3.04%；孔隙度范圍為2.66%～6.62%，平均為4.59%；吸附氣含量介于0.57～2.58 m3/t之間，平均為2.01 m3/t；同時，儲層的黏土含量平均值為35.42%，硅質(zhì)含量平均值為50.48%，碳酸鹽巖含量為9.49%，黃鐵礦含量為4.37%。綜合巖心分析結(jié)果，Y試驗區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖具有高孔隙度、高有機(jī)碳含量、高含氣量和高脆性礦物含量(硅質(zhì)與碳酸鹽巖礦物)的特點，同時區(qū)塊水平井鉆井層位主要位于從地質(zhì)角度(有機(jī)碳含量、孔隙度、含氣量)和工程角度(脆性礦物含量)都最優(yōu)質(zhì)的2號層和3號層下部。綜合分析，Y試驗區(qū)作為川南地區(qū)最重要的頁巖氣產(chǎn)區(qū)之一，具有有利于頁巖氣形成和開發(fā)的條件。

2 水平井評價思路

本文提出的水平井的解釋流程見圖1。在進(jìn)行水平井的解釋之前，首先，需結(jié)合水平井鉆井資料和測井資料明確水平井井眼軌跡與地層關(guān)系，之后結(jié)合井眼與地層關(guān)系采用直方圖法對全靶點段和同層段水平井井間測井響應(yīng)差異性進(jìn)行分析，以厘清研究區(qū)塊測井響應(yīng)特征，若差異性是由于測井儀器存在系統(tǒng)誤差導(dǎo)致的，需對其進(jìn)行校正，若差異由地層原因和軌跡原因造成，則不需要校正。其次，采用直方圖法對直井與水平井測井響應(yīng)差異性分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水平井校正，其作用在于盡量消除直井與水平井測井時各向異性和儀器狀態(tài)等因素造成的差異，使直井中建立的評價模型在水平井的儲層參數(shù)評價中仍然適用。只要水平井中測量的曲線在建模時都應(yīng)盡量考慮，這是因為由于儀器狀態(tài)、井眼環(huán)境等問題，水平井測量曲線難免會發(fā)生抖動，而多信息模型可最大化地避免該問題，同時多信息模型可以盡可能地利用已知信息，提高模型的預(yù)測精度。最后，進(jìn)行水平井參數(shù)計算和預(yù)測結(jié)果對比分析。

圖1 Y試驗區(qū)水平井參數(shù)評價新方法流程Fig.1 The flow chart of new method for evaluating horizontal well parameters in Y area

3 測井響應(yīng)特征分析及水平井測井響應(yīng)校正方法

3.1 水平井井眼軌跡鉆遇地層模型

在進(jìn)行水平井測井響應(yīng)分析及水平井響應(yīng)校正前，需結(jié)合水平井實際鉆井資料和測井資料確定井眼鉆遇地層情況，以便于后續(xù)測井響應(yīng)特征分析和水平井測井響應(yīng)校正。

圖2為Y試驗區(qū)Y3井根據(jù)鉆井資料和測井資料井眼軌跡與地層接觸關(guān)系。可以看出在Y試驗區(qū)中，由于地層各向異性、儀器在井眼中穿行狀態(tài)以及層界面的影響，導(dǎo)致水平井測井曲線(電阻率曲線、聲波時差曲線等)存在毛刺和曲線抖動等現(xiàn)象，同時對于Y3井，其水平井主要穿行軌跡在I號峰、II號峰之間，水平井穿層較為明顯，在測井解釋中需要進(jìn)行測井響應(yīng)特征分析及校正工作。

圖2 Y3水平井井眼軌跡與地層接觸關(guān)系Fig.2 The contact relationship between borehole trajectory and formation of horizontal well Y3

3.2 水平井井間測井響應(yīng)差異性分析

確定了水平井與地層接觸關(guān)系后，考慮到水平井測井響應(yīng)受井眼環(huán)境、儀器狀態(tài)等因素影響較大，需進(jìn)行水平井井間測井響應(yīng)差異性分析的研究，本文在井眼與地層關(guān)系基礎(chǔ)上，采用直方圖法對多井之間進(jìn)行水平段和相同層段測井響應(yīng)特征分析，以確定水平井井間測井響應(yīng)的一致性情況。

首先進(jìn)行水平井水平段測井曲線響應(yīng)分析。本文用于研究的水平井為Y1井、Y2井、Y3井，其中水平井目的層位為I號峰至III號峰，主要進(jìn)行自然伽馬(GR)、聲波時差(AC)、深電阻率(RD)及去鈾伽馬(KTH)曲線直方圖的繪制(圖3)以進(jìn)行測井響應(yīng)分析。從圖3中可以看出不同井之間測井響應(yīng)特征存在較大差異，同類型曲線中不同井的響應(yīng)值主峰并不相同，整體上看存在多個主峰，特別是對于聲波時差曲線，可以明顯看到3口井峰值均不重疊。分析認(rèn)為，產(chǎn)生這種情況的原因可能有兩種，第一種為鉆遇的地層具有一定的差異，即在鉆進(jìn)過程中發(fā)生了多次穿層，而不同的小層測井響應(yīng)值具有一定差異，造成測井響應(yīng)特征不一致；第二種可能是測井儀器系統(tǒng)誤差以及井眼環(huán)境的影響，導(dǎo)致了不同井之間的差異。

考慮到上述問題，本文提出了根據(jù)井眼與地層關(guān)系進(jìn)行水平井同一層位測井曲線響應(yīng)分析的思路。對于Y試驗區(qū)，選擇水平井實鉆層段I號峰上緣進(jìn)行測井響應(yīng)特征分析，圖4為測井響應(yīng)直方圖，表1為對應(yīng)的水平井深度。

圖3 Y試驗區(qū)水平井目的層段測井響應(yīng)直方圖Fig.3 The logging response histogram of whole horizontal wells in Y area

圖4 Y試驗區(qū)水平井I號峰上緣測井響應(yīng)直方圖Fig.4 The logging response histogram of upper edge of peak I for horizontal wells in Y area

從圖中可以明顯看出，同一層位不同井的各個測井曲線的響應(yīng)值主峰具有非常好的對應(yīng)性，說明即使在復(fù)雜井眼條件下，研究區(qū)水平井測井曲線仍然較為穩(wěn)定、沒有受到較大影響。因此，在研究區(qū)塊進(jìn)行頁巖氣儲層測井解釋時，無需考慮水平井之間差異，這是水平井使用統(tǒng)一模型的基礎(chǔ)。

表1 Y試驗區(qū)水平井段I號峰上緣深度統(tǒng)計

3.3 直井與水平井響應(yīng)關(guān)系差異性分析及水平井校正方法

在厘清水平井間測井響應(yīng)差異原因后，由于各向異性、地層界面以及水平井井眼不規(guī)則(井眼形狀呈鑰匙型)等多重因素作用，在測井評價之前，首先需進(jìn)行直井與水平井測井響應(yīng)分析，以確定直井與水平井測井響應(yīng)之間的差異并對水平井測井響應(yīng)進(jìn)行校正。

以Y3井為例進(jìn)行直井與水平井同一層位直方圖繪制(圖5)。選擇I號峰上緣層位進(jìn)行了自然伽馬(GR)、聲波時差(AC)、深電阻率(RD)和去鈾伽馬(KTH)曲線直井和水平井測井響應(yīng)特征分析，同時對Y3井垂直井和水平井重點層段響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(表2)。結(jié)合圖、表可以看出，Y3井重點層段中直井與水平井聲波時差測井差異性明顯，分析認(rèn)為，儀器狀態(tài)和地層各向異性是導(dǎo)致差異性的主要原因。對于電阻率響應(yīng)，由于測井儀器在水平井段和垂直井中儀器響應(yīng)機(jī)理存在差異，因此需要進(jìn)行校正。對于放射性測井，考慮到在直井中使用常規(guī)自然伽馬儀器，水平井中使用隨鉆伽馬儀器，同時在放射性測井中存在放射性漲落，且基于伽馬能譜獲得去鈾伽馬曲線時能譜存在漂移現(xiàn)象，因此在放射性曲線中，二者在分布范圍和峰值上存在差異，同時兩者直井和水平井峰值差異規(guī)律存在差異。

圖5 Y3井I號峰上緣層位直井與水平井測井響應(yīng)直方圖Fig.5 The logging response histogram of vertical well and horizontal well in upper edge of peak I of Y3

表2 Y3井水平井和直井I號峰上緣響應(yīng)值統(tǒng)計

表3 Y3井水平井測井響應(yīng)值校正量統(tǒng)計

在進(jìn)行水平井校正時主要采用直方圖法，對比表2中水平井與直井分布范圍和峰值，進(jìn)行水平井校正量的確定，結(jié)果見表3。

4 雙重信息融合TOC評價模型

目前主要根據(jù)有機(jī)質(zhì)的物理特征差異，基于測井曲線，對TOC進(jìn)行評價。相關(guān)文獻(xiàn)[21-26]認(rèn)為，對于四川盆地頁巖氣區(qū)塊，密度曲線與TOC具有非常好的相關(guān)性，但是由于水平井中往往難以采集到密度等曲線，導(dǎo)致相比于直井，水平井中測井信息有限，同時在水平井中，由于儀器狀態(tài)和地層等因素的影響，導(dǎo)致曲線存在抖動現(xiàn)象，這給水平井TOC等參數(shù)的評價帶來難度。為此，提出了雙重信息融合TOC評價方法，該方法主要以水平井測井系列為約束，針對水平井測井信息少的問題，為了充分利用測井信息，首先采用兩條曲線重疊進(jìn)行測井響應(yīng)特征的提取，之后以重疊后的曲線為基礎(chǔ)，基于直井巖心數(shù)據(jù)建立多元融合信息評價模型。

有機(jī)質(zhì)具有高聲波時差、高電阻率、高放射性的特點，針對這些特點，相關(guān)文獻(xiàn)提出了很多評價TOC的方法，其中較為常用的是ΔlogR重疊方法[27]：其將孔隙度曲線(聲波、中子和密度曲線)與電阻率曲線在貧有機(jī)質(zhì)層段進(jìn)行完全重合或平行的處理，而在富含有機(jī)質(zhì)的層段中曲線會分離，分離間隔的大小代表了有機(jī)質(zhì)含量的高低，因此可以直接利用ΔlogR法對TOC進(jìn)行評價。Y試驗區(qū)水平井利用聲波時差曲線與電阻率曲線進(jìn)行疊合。由于傳統(tǒng)的ΔlogR方法并不適合于高成熟度的儲層，本文選用改進(jìn)的ΔlogR方法，其公式為：

(1)

DD=aΔlogR+b。

(2)

式中：a、b為地區(qū)擬合常數(shù)，本地區(qū)a=1.66,b=4.26；DD為反映TOC的ΔlogR曲線；R基線和Δt基線為貧有機(jī)質(zhì)層段的電阻率和聲波時差測井值，其中R基線=23.18 Ω·m，Δt基線=73.88 μs/ft。

由于Y試驗區(qū)龍馬溪組—五峰組儲層段的優(yōu)質(zhì)儲層段為高伽馬層段，因此應(yīng)在模型中對有機(jī)質(zhì)放射性特征進(jìn)行考慮。頁巖儲層中，放射性較強的礦物有黏土、有機(jī)質(zhì)、鉀長石，研究區(qū)塊的長石含量非常少，所以放射性較強的礦物主要有黏土和有機(jī)質(zhì)[28-29]。有機(jī)質(zhì)的放射性主要來源于鈾含量，而自然伽馬曲線測得的是綜合放射性，而去鈾伽馬曲線測得的是除鈾的綜合放射性，所以將自然伽馬曲線與去鈾伽馬曲線進(jìn)行重疊，即可反映有機(jī)質(zhì)的含量。其對應(yīng)的公式為：

(3)

其中：DC為反映TOC大小的放射性曲線，GR為自然伽馬曲線，KTH為去鈾伽馬曲線，GRmax和GRmin為伽馬曲線歸一化最大、最小值，KTHmax和KTHmin為去鈾伽馬曲線歸一化最大、最小值。

最后，利用2條反映TOC的不同物理性質(zhì)的曲線進(jìn)行融合，綜合利用測井曲線信息，得到利用不同曲線信息得到的單TOC計算模型，同時采用最小二乘法利用巖心資料優(yōu)化二者的權(quán)系數(shù)，得到雙重融合TOC預(yù)測模型(表4)。

表4 Y試驗區(qū)TOC計算模型

利用Y試驗區(qū)I號峰上緣至III號峰的巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。直井TOC預(yù)測結(jié)果見圖6。圖中可以明顯看出，單ΔlogR方法在上部計算TOC偏大，在中部計算效果較好，在下部TOC計算偏低；利用放射性信息計算的TOC曲線在上部的計算結(jié)果偏低，下部計算結(jié)果偏高；最后的雙重融合TOC預(yù)測模型的預(yù)測精度明顯提高，提高了TOC的預(yù)測精度。所以，多信息融合評價頁巖氣儲層參數(shù)十分重要。

對3種方法進(jìn)行誤差統(tǒng)計(表5)。分析結(jié)果表明，雙重融合TOC預(yù)測模型由于既考慮了有機(jī)質(zhì)常規(guī)聲學(xué)、電學(xué)特性，同時考慮到了有機(jī)質(zhì)放射性特性，因此在模型誤差上具有較好的改善。

表5 Y試驗區(qū)導(dǎo)眼段TOC誤差統(tǒng)計

運用該模型進(jìn)行頁巖氣儲層水平井TOC測井評價，分析I號峰和I號峰上緣直井TOC預(yù)測結(jié)果與水平井預(yù)測結(jié)果見圖7。在頁巖儲層中相同層位橫向上儲層參數(shù)分布穩(wěn)定，同時通過圖7可以看出水平井與直井在對應(yīng)層段TOC預(yù)測范圍相一致，峰值相當(dāng)，說明水平井計算得到的TOC與直井TOC一致，水平井評價結(jié)果分布穩(wěn)定，能較好地反映儲層實際變化規(guī)律，評價結(jié)果具有較強的實用性。

該方法主要針對能夠采用重疊法進(jìn)行測井響應(yīng)特征提取的情況，當(dāng)直井與水平井測井曲線不匹配時，多解性增加，評價難度增大。

5 結(jié)論

1)根據(jù)井眼實際鉆進(jìn)軌跡，確定重點層段所對應(yīng)的水平井段，并通過水平井段測井響應(yīng)值進(jìn)行水平井間測井曲線響應(yīng)差異分析，證明對于四川盆地Y試驗區(qū)五峰—馬溪組頁巖氣儲層，其水平井井間測井響應(yīng)特征差異主要來自于地層原因和軌跡原因。

圖6 Y3井直井TOC預(yù)測結(jié)果Fig.6 TOC prediction results of vertical well Y3

圖7 Y試驗區(qū)直井—水平井TOC預(yù)測結(jié)果Fig.7 Histogram of TOC calculation results for vertical and horizontal wells in Y area

2)直井與水平井的測井響應(yīng)存在差異，需要進(jìn)行水平井與直井的匹配校正工作。本文在測井響應(yīng)特征分析基礎(chǔ)上利用直方圖法進(jìn)行了水平井測井曲線校正。

3)本文提出的雙重疊融合TOC預(yù)測模型采用曲線重疊法進(jìn)行了有機(jī)碳特征曲線的提取，之后得到多元信息融合評價模型，在測井信息有限的情況下，仍能準(zhǔn)確計算TOC。但是，當(dāng)直井與水平井測井系列不匹配時，多解性增強，評價難度較大。