王府凹陷青山口组含油气泥页岩层的测井曲线标准化

肖佃师,黄文彪,张小刚,任欢颂,郭思祺

(1.中国石油大学(华东)非常规油气与新能源研究院,山东 青岛 266580; 2.中国石油长庆油田分公司 长庆油田勘探部,陕西 西安 710018)

王府凹陷青山口组含油气泥页岩层的测井曲线标准化

肖佃师1,黄文彪1,张小刚2,任欢颂1,郭思祺1

(1.中国石油大学(华东)非常规油气与新能源研究院,山东 青岛 266580; 2.中国石油长庆油田分公司 长庆油田勘探部,陕西 西安 710018)

泥页岩富含有机质、非均质性强,相同岩性地层测井响应差异大,稳定标准层选取困难.根据王府凹陷青山口组泥页岩地质特征,利用声波和电阻率曲线组合识别出多套低有机质泥岩层和富有机质页岩层,构建两套“视标准层”;结合趋势面法进行特征值分析,有效降低有机非均质性对测井曲线的影响,实现泥页岩层曲线标准化;利用有机碳TOC建模对标准化效果进行验证.结果表明:泥页岩层曲线标准化后计算TOC值与实测值基本吻合,与标准化前相比平均相对误差减小24.1%.这种方法可以在有机非均质性强、缺乏稳定标准层的泥页岩层中实现测井曲线的标准化.

王府凹陷;青山口组;曲线标准化;泥页岩;TOC评价;标准层;趋势面分析

0 引言

测井资料标准化是开展储层精细评价及井震联合反演等的基础.曲线标准化可以消除测井资料中的系统误差,尽可能还原测井资料的真实值,增强多井曲线间的可对比性,因此是提高测井解释及地震反演精度的基础[1].曲线标准化主要基于“相同沉积环境下同岩性地层具有相似测井响应”的原理[2],选取两套岩性稳定的标准层,进行特征值分析和校正量确定,目的是使校正后曲线在标准层段具有相似的频率直方图分布或特征值按照某一空间趋势变化.曲线标准化问题最早由Connoly P提出,利用油气层之外的石膏与石灰岩层作为标准层,对海相地层测井数据进行重新刻度,随后Lang W H、Sheir D E等对标准化的方法、概念进行探讨与完善[3-5].我国油气藏多属于陆相环境,构造运动复杂且沉积岩性变化频繁,平面上难以找到两套稳定分布的标准层[6-7].陈福煊等[8]利用电阻率与孔隙度曲线交会,构建两套“虚拟”标准层;王志章、邵才瑞等分别利用多套非渗透性致密泥岩层或多套标准砂岩层作为“视标准层”,有效解决标准层的选取问题[9-10].近年来,一些新技术及方法提高测井曲线标准化的精度,如希尔伯特变换[11]、频谱分解[12]及井震联合测井数据标准化处理技术[13]等.

泥页岩不仅是重要的烃源岩,同时也是油气富集的场所,利用测井资料评价泥页岩的生烃潜力、矿物组分等参数是页岩油气评价的核心[14].由于泥页岩层黏土含量高,易发生扩径,对测井曲线影响严重,同时研究区块一般勘探时间长、测井系列多,不同仪器测量的曲线间存在一定的系统误差,在测井评价前,曲线需要标准化.目前,标准化方法主要针对常规砂岩或碳酸盐岩储层的研究,而针对泥页岩层的研究较少.泥页岩储层致密、岩性复杂、有机质含量高,并且非均质性非常强[15-16],标准层的构建方法明显不同于常规砂岩地层的.笔者以松辽盆地王府凹陷青山口组泥页岩为例,根据泥页岩储层地质特征,研究标准层的构建及特征值的分析方法,有效解决含油气泥页岩层的测井曲线标准化.

1 地质特征

王府凹陷是松辽盆地东南隆起区重要的油气勘探领域,青山口组暗色泥岩厚度大、有机质丰度高、全烃显示明显、地层埋深浅,为松辽盆地南部页岩油气勘探最具有潜力的区块之一[17].王府凹陷小城子地区青一段地层底部埋深在560～940m之间,整体呈“东高西低、南低北高”的趋势.青山口组地层形成于湖盆急剧拗陷、水体迅速扩张的沉积时期,自下而上经历“快速水进—缓慢水退”的沉积过程.青一段地层岩性为灰黑色泥岩、油页岩夹薄层深灰色粉砂质泥岩,灰黑色泥岩及油页岩层横向分布稳定、富含有机质,有机碳质量分数(w(TOC))最高为6.00%,平均为2.60%,测井曲线表现为“三高一低”特征,即高声波时差、高中子、高自然伽马及低密度;青二段地层岩性过渡为厚层深灰色、灰绿色泥岩与薄层浅灰色粉砂岩互层,底部发育劣质油页岩,泥岩有机质丰度明显偏低,w(TOC)最高为1.00%,平均为0.50%,声波时差、中子和自然伽马曲线值较青一段地层的明显偏低;青三段地层岩性为大套灰白色、暗紫色泥岩夹薄层泥质粉砂岩,受压实作用影响,声波时差随深度增加而明显减小.

由构造运动、气候变化等因素引起的沉积环境变迁控制泥页岩中有机质的分布及富集,泥页岩层有机质丰度在垂向及横向上表现出较强的非均质性(见图1).松辽盆地金88井青一段地层发育两套灰黑色泥岩,厚度分别为20 m和8 m,w(TOC)和残留烃量(S1)垂向上剧烈变化.以下部泥岩为例,w(TOC)分布范围为1.19%～6.14%,平均为3.00%,由下而上有机质丰度呈现“减小—增大—减小”的变化趋势,反映水体的频繁波动.由于存在有机质的特殊测井响应,受有机非均质性的影响,泥页岩中同一套岩性或两套相同岩性对应的测井响应差异较大.以声波曲线为例,金88井下部富有机质页岩中高w(TOC)点与低w(TOC)点声波时差的差值可达30μs/ft,上、下两套页岩平均声波时差的差值可达10μs/ft,说明富有机质泥页岩的测井响应稳定性差.

图1 金88井含油气泥页岩层有机质非均质性Fig.1 The organic heterogeneity of oil bearing mud shale well Jin88

2 曲线标准化方法

2.1 标准层选取

测井曲线标准化时选用的标准层一般满足3个条件:岩性均匀、横向分布连续;测井响应相似、曲线值分布稳定;两套标准层基本能代表目的层测井曲线的高、低端值.青二段地层低有机质泥岩层测井响应稳定、横向分布连续,可作为一套标准层.青一段地层富有机质泥页岩横向分布连续,但测井响应受有机质非均质的影响,曲线稳定性差;如果选用其中一套富有机质页岩层作为标准层,则标准化的效果将受到影响.根据泥页岩的岩性及曲线响应特征,构建两套“视标准层”进行泥页岩曲线标准化,即分别将多套低有机质泥岩和多套富有机质页岩合并为两套“视标准层”,利用多套泥页岩层的综合效应削弱有机质非均质性的影响;同时在特征值分析时选用趋势面方法,充分考虑地质规律变化对曲线测量值的影响.

与常规砂岩地层的曲线标准化相似,泥页岩层的曲线标准化包括标准层构建、特征值分析及曲线校正.

2.2 “视标准层”构建

利用测井曲线进行单井标准层划分时,需要结合曲线敏感性,优选对标准层岩性敏感的曲线组合有效识别标准层,减少非标准层段的误入,提高标准层划分的可靠性.青二段地层低有机质泥岩与粉砂岩相比,具有高声波时差和低电阻率特点;青一段地层富有机质页岩与低有机质泥岩相比,具有更高声波时差和低电阻率(由富含黄铁矿等导电矿物导致)特点,因此可以利用声波和电阻率曲线组合进行标准层识别.

(1)将声波与电阻率曲线叠置,电阻率采用对数坐标,声波曲线反刻度,调整刻度,保证1个电阻率对数刻度对应50个声波刻度,使2条曲线在砂岩段基本重合,声波与电阻率的幅度差可以反映泥页岩中有机碳的质量分数,有机碳质量分数越高幅度差越大.根据砂岩段确定声波和电阻率曲线的基线位置,求解幅度差Δlog R[18]:

式中:Δlog R为声波曲线与电阻率曲线的幅度差,量纲为一;RLLD、RLLDj分别为电阻率曲线测量值和基线值;DT、DTj分别为声波时差曲线测量值和基线值.

将幅度差大于0.26(对应w(TOC)约为2%)划定为富有机质页岩层,在青一段地层中识别多套富有机质泥页岩层和劣质油页岩层.

(2)引入Rt/DT(电阻率与声波之比,量纲为一)曲线.在砂岩层及劣质油页岩层该曲线显示为高值,在泥页岩段曲线显示为低值,将Rt/DT＜0.1时划定为泥页岩层.根据Rt/DT曲线,去除步骤(1)中劣质油页岩层,同时在青二段地层中识别出多套低有机质泥页岩层.

图2 单井标准层的划分及连井对比结果Fig.2 Marked beds division of single well and wells correlation

对青山口组地层进行标准层识别及划分,以城深1、城深203和城8井为例说明划分结果(见图2),探讨“视标准层”选取的意义.由图2可知,3口井在青一段地层中识别出4套富有机质页岩层,在青二段地层中识别出4套低有机质泥岩层,根据与地质分层距离、标准层厚度、幅度差曲线特征等,4套富有机质页岩层具有等时可对比性,而低有机质泥岩层的等时性较差.统计各套岩层对应测井曲线值的频率直方分布,选取直方图主峰位置对应的曲线值作为特征值,分析各层特征值的相对变化规律(见图3).由图3可知,各低有机质泥岩段的曲线特征值变化范围小,各井对应的特征值相对变化趋势基本一致,表明选取任一套低有机质泥岩层作为标准层对标准化结果影响较小.4套富有机质页岩层段的特征值变化范围大,各井对应的特征值变化趋势不一致,表明选取不同页岩层段作为标准层将得出不同的标准化结果,甚至出现相反的情况.

图3 各套标准层声波曲线特征值曲线Fig.3 Contrast of characteristic value of sonic curve for each marked beds

如选取城深1井为标准井,页岩层1或页岩层4作为标准层时,由于城8井的特征值低于城深1井的,该井曲线校正量为正值;若选取页岩层2为标准层,则该井曲线校正量为负值.为消除泥页岩中有机质非均质性的影响,将多套富有机质页岩层及低有机质泥岩层分别合并为两套“视标准层”,“视标准层”的曲线特征值为多套岩层平均反映,两套“视标准层”可以代表测井曲线高、低端值.根据“视标准层”曲线特征值分布,3口井富有机质“视标准层”特征值的相对大小与低有机质“视标准层”的基本一致,一方面说明3口井的曲线分布基本一致,曲线间系统误差小;另一方面也说明通过构建“视标准层”,利用多套岩层的综合效应,能够有效消除泥页岩层中非均质性的影响.

2.3 特征值分析

特征值分析主要包括频率直方图法和趋势面分析法.频率直方图法首先确定标准井,统计标准层段内测井曲线的频率直方分布,根据其他井与标准井的频率直方图差异,确定校正量;该方法未考虑地质条件改变对曲线测量值的影响,如埋深、沉积相变等,适用于构造平缓、沉积稳定、井网密度大的情况.趋势面分析法[19]不用确定标准井,通过特征值趋势拟合,建立工区内标准层段特征值的空间变化趋势,比较特征值与趋势值的关系确定校正量;该方法充分考虑地质规律变化对曲线测量值的影响,适用于工区面积大、目的层构造起伏大的情况.基于王府凹陷井网稀疏、工区面积大的特点,利用趋势面法分析两套“视标准层”的特征值,充分考虑横向有机非均质性的影响.

通过构建单井标准层,统计工区内各井两套“视标准层”对应的曲线特征值,利用多项式拟合进行趋势面分析.结果表明:当拟合多项式次数达到2时,效果较理想,最终得到的两套“视标准层”特征值的拟合公式为

式中:x、y分别为横、纵坐标;F1(x,y)、F2(x,y)分别为低有机质“视标准层”及富有机质“视标准层”的曲线特征值二次趋势面方程.

低有机质泥岩“视标准层”,以及富有机质页岩“视标准层”对应的声波曲线特征值等值面及趋势面分布见图4.由图4(a)和图4(b)可知,平面上特征值变化规律性差,在个别井点处常出现局部极值,等值线形态呈“牛眼状”,表明这些井与邻井的特征值差异大、曲线可对比性差.由图4(c)和图4(d)可知,两套“视标准层”特征值趋势面变化较平缓,趋势值变化范围分别为91.5～98.5μs/ft、116.5～125.0μs/ft.趋势面变化趋势基本与特征值一致,在工区南部最小,由中部向东西两侧特征值逐渐增大,特征值分布趋势与该区青山口组地层“南低北高”的构造趋势基本吻合.

图4 青山口组地层声波特征值等值面及趋势面(单位:μs/ft)Fig.4 Contour surface and trend surface of characteristic values of sonic curve of Qingshankou formation(Unit:μs/ft)

2.4 曲线校正

统计两套“视标准层”对应的声波曲线趋势值与特征值间的差值(残差),分析残差的分布规律(见图5).各井对应残差值基本分布在零值附近,对于低有机质“视标准层”,残差最大为4.0μs/ft,超过2μs/ft的井有4口;对于富有机质“视标准层”,单井最大残差为4.2μs/ft,超过2μs/ft的井有4口.根据两套“视标准层”残差分布将研究区内的井划分为3类:不需要校正井、仅需要平移校正井和比例校正井.当两套标准层的残差小于2μs/ft时,表明该井的声波特征值与趋势值基本一致,曲线不需要校正,如城10、城204、城5、城8、城深1、城深2、城深201、城深601、城深8、王府1井;当两套“视标准层”残差较大且正负一致时,表明该类井曲线测量值存在一定偏差,需要做平移校正,校正量根据残差确定,如城9、城深203、城深3井;当一套“视标准层”的残差明显大于另一套的,或两套“视标准层”的残差正负不一致时,表明曲线不仅需要做平移校正,同时需要进行比例校正,如城4、城深11、城深202、城深6井,可通过线性变换进行曲线校正:

式中:C′1、C′2分别为两套“视标准层”对应测井曲线趋势值,从趋势面中获取;C1、C2分别为两套“视标准层”对应测井曲线特征值,通过曲线频率直方图获取;Cur(z)、Cur—b(z)分别为原始测井曲线、标准化后测井曲线值.

图5 两套“视标准层”声波曲线残差分布Fig.5 Residual distribution of acoustic curve of marked beds

3 现场应用

北美洲及我国页岩油气勘探实践证实,富有机质泥页岩层中含有海量的油气资源,但泥页岩储层致密、低孔、超低渗,只有那些油气富集、脆性矿物含量高的有利层段才具有开采价值[14-15];因此评价泥页岩层的有机及无机非均质性、优选有利开采层段显得尤为重要.由于存在有机质对测井曲线的特殊响应,结合测井资料纵向分辨率高的特点,可以建立测井资料与评价参数间的定量关系,实现含油气泥页岩段有机非均质性的连续定量评价,有效弥补岩心测试受样品数量限制难以全面描述非均质性的不足.在对王府凹陷小城子地区青山口组地层有机碳质量分数(w(TOC))进行评价时,利用标准化前后测井曲线分别进行建模及推广,以检验曲线标准化的效果.其中,TOC评价采用较为成熟的Δlog R方法[18],计算过程中选用深侧向电阻率和声波时差曲线,结果电阻率曲线刻度基本一致,不需要标准化.

目前王府凹陷小城子地区共钻探井17口,其中城深1、城4井进行岩心地化测试,根据标准层残差分析结果(见图5),城深1井曲线残差小,不需要标准化;城4井两套“视标准层”特征值分别为93.3μs/ft、124.3μs/ft,趋势值为93.2μs/ft、121.6μs/ft(见图4),可见该井富有机质“视标准层”段对应的声波时差测量值偏大,主要由617～680 m井段存在明显扩径引起的(见图6),根据式(4)对该井声波曲线进行校正.根据Δlog R方法[18],利用城深1井测试分析数据进行TOC建模(见图7),将建模成果应用于城4井,利用城4井标准化前后声波曲线分别计算TOC值,将计算结果与测试分析数据进行比较,分析曲线标准化效果及其对有机碳评价的影响.

图6 城4井标准化前后声波曲线及TOC计算结果Fig.6 Original sonic curve,normalization sonic curve and TOC evaluation result of well Chen4

城4井标准化前后声波曲线及计算w(TOC)结果见图6,该井在600～680 m富有机质页岩段中共测试分析样品5个,平均w(TOC)为2.71%,利用原始声波曲线计算w(TOC)明显偏高,计算平均w(TOC)为3.52%,与实测相比平均相对误差为30.0%;标准化后声波曲线计算w(TOC)与实测值基本吻合,计算平均w(TOC)为2.87%,平均相对误差为5.9%.结果表明:通过曲线标准化,能够有效消除曲线的系统误差,增强多井曲线的可对比性,保证测井建模成果能在全区有效推广,使得有机碳测井评价结果更为合理,同时也证实该方法可以有效适用于含油气泥页岩地层.

图7 城深1井Δlog R—TOC建模图版Fig.7 Modeling chart betweenΔlog R and TOC(well Chenshen1)

4 结论

(1)结合“视标准层”的构建及趋势面分析的方法,实现含油气泥页岩层的曲线标准化,两套“视标准层”分别通过声波—电阻率曲线组合识别出多套富有机质页岩层及低有机质泥岩层.该方法有效削弱有机非均质性的影响,其中,“视标准层”的构建利用多套岩层的综合效应,有效削弱纵向非均质性的影响;趋势面的分析充分考虑平面非均质性的影响.当泥页岩及其附近层中缺乏稳定标准层时,可以利用该方法实现曲线标准化.

(2)曲线标准化并不代表得到测井曲线的真实值,而是增加多井测井曲线的可对比性,保证非均质性建模的有效推广,从而提高非均质性测井评价的精度.在测井地化建模及推广前,必须进行曲线标准化,否则将造成研究区内有机质丰度等参数评价错误.

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TE121

A

2095- 4107(2014)01- 0046- 08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.01.007

2013- 11- 15;编辑:任志平,刘丽丽

国家自然科学基金项目(40972101);中央高校基本科研业务费专项资金资助(27R1321001A)

肖佃师(1981-),男,博士,讲师,主要从事非常规油气测井评价方面的研究.