加拿大萨斯喀彻温省Bakken组致密油生产特征及甜点分布预测

谌卓恒，杨潮，姜春庆，KOHLRUSS Dan，胡克珍，刘晓军，YURKOWSKI Melinda

（1. Geological Survey of Canada, Natural Resources Canada, Calgary T2L 2A7, Canada; 2. Saskatchewan Geological Survey, Saskatchewan Ministry of the Energy and Resources, Regina S4N 4G3, Canada）

1 问题提出及研究思路

20世纪50年代以来，加拿大萨斯喀彻温省东南部Williston盆地的上泥盆统—下石炭统Bakken组就已开始生产石油，但范围局限，产量仅维持在100 m3/d以下。随着美国致密油资源的大规模商业开采，加拿大萨斯喀彻温省东南部 Bakken组致密油气也得到重视（见图1a）。由于采用了水平井与多级水力压裂相结合的开采技术，中Bakken段原油产量从2004年的约100 m3/d大幅增加到2014年的1×104m3/d[1-2]。2015年，加拿大国家能源局和萨斯喀彻温地质调查局完成了萨斯喀彻温省东南部中Bakken段致密油气资源评价[3]，结果显示其石油和天然气可采资源量分别为 2.23×108m3和812×108m3。确定Bakken组致密储集层中经济可采资源的空间分布，对确保该地区未来油气产量稳定持续增长意义重大。萨斯喀彻温省东南部致密油分布面积大，但储集层非均质性强，在目前技术水平下，大规模的商业开采仅限于资源丰度高、储集层特征和岩石力学性质有利的所谓“甜点”地区[4-6]。迄今为止研究区的开采主要集中在已知的Viewfield“甜点区”，虽然在东南部靠近美国边界及其他零星几处有工业油流井，但是区内潜在“甜点”的分布尚不明确。因此确定研究区中 Bakken段经济可采油气资源的分布范围，量化“甜点”预测的不确定性，不仅可以降低开发的经济风险，还可以减少干井数量以减少对环境的影响。虽然有学者提出了非常规油气储集层“甜点”的圈定方法[4,6-7]，但制约致密油产量的地质因素尚不完全清楚[8]，基于常规油气储集层经典理论和模拟方法得出的致密储集层采收率评估存在很大不确定性[9-11]，“甜点”圈定方法还需要综合考虑致密储集层自身的特点。本文基于多元贝叶斯统计方法，根据致密油生产井产量与成藏要素间的定量关系，提出一套预测潜在“甜点区”的方法，并应用于Williston盆地加拿大萨斯喀彻温省东南部中Bakken段致密油区，并进一步分析该区致密油形成和聚集的地质影响因素。

2 数据和方法

2.1 数据

本文将致密储集层定义为若不采用水平井和多级水力压裂等增产措施就无法实现商业化生产的低孔隙度、低渗透率碎屑岩油气储集层。截至2014年12月，在萨斯喀彻温省东南部中 Bakken段致密油区完成了3 000余口多段水力压裂的水平井（见图1）。通过质量控制筛选，将生产历史不到 1年或由于完井工艺等其他原因导致产量不稳定的井剔除后，共有2 111口生产井（曲线）可供进一步分析，图 2是致密油区中不同产量的代表性油井生产曲线。加拿大地质调查局和北达科他地质调查局提供了Williston盆地烃源岩热解数据。储集层体积参数，包括储集层厚度、孔隙度和含油饱和度以及它们的空间变化及区域地质资料（如上、下 Bakken段页岩厚度）、目的层地表海拔高度、构造图、地层水矿化度、地层压力和储集层渗透率等资料则均由萨斯喀彻温省地质调查局提供。

图1 研究区简要地质特征

2.2 统计模型

本文提出的甜点圈定方法是一种综合统计方法，该方法将地质风险视为一个具有不确定性的分类问题，用多变量和贝叶斯统计进行分类并计算分类结果的不确定性[12]，图3展示了该方法的主要组成及流程。假设研究区内钻有n口生产井，按单井最终可采储量（EUR）可将生产井分成E和F两组，分别代表工业油流井和非工业油流井的观测样本。与这n口井产量及储集层等相关的地质资料，可由m个地质变量来代表。令G(r)为m个地质变量的函数，g(r)为G(r)的实际观测值。对于给定的观测值G(r)=g(r)，在r处生产井属于E组的条件概率可表示为：

图2 Williston盆地加拿大萨斯喀彻温省南部中Bakken段致密油代表性油井生产曲线

图3 致密油“甜点”圈定方法工作流程图

为了简化多变量贝叶斯条件概率的计算，笔者通过多元统计方法先形成一个分类方案，然后使用贝叶斯方法导出条件概率。本文用 Mahalanobis Distance（MD距离）对两类生产井分类，令X表示由p个观测值和m个变量组成的矩阵，MD距离可由以下公式求得[13]：

MD距离为已知工业油流井的几何中心与未测试井点之间的距离，代表多元空间中一未测井点与已知工业油流井间地质特征的相似性。用MD作为分类的度量，（1）式的条件概率可以改写为：

2.3 地质资源量计算

为描述油气藏资源潜力的空间变化，将研究区划分为大小相等的N个单元，其位置用r来表示。致密储集层中总含油孔隙体积可以通过下式求得：

在资源量的计算中，笔者采用地质统计学变差函数来定量表示各储集层参数的空间变化特征，通过常规油藏体积方程将油藏在地层条件下的含油孔隙体积转换为标准地面条件下的资源量[14]，然后用蒙特卡洛模拟算法汇总区内的资源量及资源估算值的不确定性程度。

2.4 单井最终可采储量估算

将单井产量用产量衰减模型拟合，依模型的衰减趋势后推30年以估计该井最终可采储量。本文采用了两种产量衰减模型：Arps和Valko模型[15-16]。由于Arps模型[15]是前人为预测常规储集层中油气产量衰减提出的，将其应用于非常规储集层可能会导致EUR估值偏高[17]。而 Valko模型（又称扩展的指数模型）是针对非常规储集层而设计，能较好地表征非常规储集层中流体流动特性[16,18]。笔者根据以往经验，随生产时间的增加，Valko模型拟合结果波动较小，敏感性试验结果显示其EUR预测结果更接近实际值。因此本文采用Valko模型预测EUR，Arps模型的结果仅用于比较和参考。

3 地质背景及致密油生产特征

3.1 地质背景

Williston盆地为一克拉通盆地（见图1），盆地主要由两套沉积体系组成：古生界碳酸盐岩、蒸发岩体系和中生界—新生界碎屑岩体系[19]。上泥盆统顶部至密西西比系底部的Bakken组页岩是盆地内已证实的一套烃源岩[19-23]，也是盆地内石炭系及上覆地层油气的主要来源[24-26]，一直是盆地油气勘探开发的重点层段[27]。Schmoker和Hester[28]认为目前盆地常规储集层中的探明储量仅占Bakken组页岩排出油气的很小部分。而天然裂缝中富含油气资源的想法促使人们一直尝试着用水平井或人工压裂方法从Bakken页岩中开采油气。水平钻井与多级水力压裂相结合技术的出现，才为Bakken组致密油的开采提供了可行的方法[27-30]。

Bakken组共分3段，中段由粉砂岩和细砂岩互层组成，为致密储集层，夹于上、下段富含有机质的黑色页岩之间。上、下段黑色页岩在盆地广泛分布[20,22,25]，盆地中心处厚度最大（大于20 m），属典型的海相烃源岩[31]，实测总有机碳含量（TOC）值从小于1.0%至30%（见图4），TOC平均值分别为 11.77%和 17.63%（见图4a、4b）。初始氢指数（IH）值超过600 mg/g，但不同地区样品的检测结果表明，IH值随热解峰温（Tmax）增加而降低（见图 4c、4d）。Bakken组在加拿大境内埋藏深度较浅，有机质成熟程度不足以生成大量油气[25,32]。IH-Tmax交会图上加拿大境内的样品落在干酪根热降解轨迹的起始段（见图4c、4d），表明烃源岩处于未成熟和低熟状态。Stasiuk[33]的研究结果表明，样品镜质组反射率（Ro）值在0.34%～0.68%，与Tmax数据所指示的烃源岩成熟度状态一致。Williston盆地有几条与基底构造有关的断层、断裂带[19]，其中一些断层、裂隙带可能是油气从南向北运移的优势通道[32]。

在萨斯喀彻温省，中Bakken段从下到上被划分为A、B和C共3个小层。A小层整合于下Bakken段页岩之上[34-35]，为灰绿色至绿灰色泥质/白云质粉砂岩及粉砂质白云岩，有大量生物扰动痕迹。颗粒向上逐渐变粗，顶部粉砂岩是油气的主要聚集层段。B小层主要为细粒方解石胶结砂岩。C小层为层状泥质/白云质粉砂岩，生物扰动和沉积物塑性变形普遍。

3.2 储集层特征

本次研究仅限于萨斯喀彻温省东南部中Bakken段A小层中的致密油，该小层在研究区分布广泛（见图5），但厚度变化较大，从不足1 m到10 m以上均有分布（见图6a）。储集层平均孔隙度在4%～13%（见图6b）。取自Viewfield地区21口取心井的岩样孔隙度和渗透率交会图显示了两个具有不同趋势的点群（见图6c），这表明除地层非均质性外可能还存在其他影响致密油区渗透率的地质因素。区内含水饱和度变化很大，大部分样品的含水饱和度在40%～60%（见图6d）。

图5 研究区中Bakken段A小层厚度图

3.3 致密油生产特征

笔者对研究区中 Bakken段 A小层致密油层共2 111口生产井的生产数据进行了分析，统计资料显示，这些生产井水平段长度以1 500 m为主，产层深度在1 600 m左右。随着地层倾向盆地中心，产层深度向南逐渐增加（见图1b）。采用Valko和Arps模型对所有2 111口井的产油时间序列分别进行了拟合，将所得递减模型按30年生产周期外推而获得2 111口井的EUR值。图7显示了数据拟合和生产外推的两个例子，分别代表平均产量水平（见图 7a、7b）和高于平均产量水平生产井（见图7c、7d）的生产特征。2 111口生产井的最终可采储量直方图显示了单井EUR的统计分布（见图8a），该分布的中值约为9.0×103m3，平均值为10.3×103m3。研究区致密油储集层中Bakken段A小层的储集层参数和特征见表1。EUR似乎与初产率（见图8b）显示出良好的相关性，初产率越高，致密油层30年EUR值越大。Sluijk和Parker[36]采用区带累计储量与时间（钻井时间顺序）的关系研究常规油气勘探中不同探井部署策略的勘探效率，在此用该方法量化单井产量对钻井顺序的影响。2 111个EUR数据以4种不同的排列顺序绘于图 8c。蓝线表示 EUR从最大到最小，代表资源开发最有效的钻井顺序；红色从最小到最大，是最差的钻井顺序；绿线显示随机钻探的结果；实际的钻井顺序（黑线）位于最有效和随机钻井曲线之间，表明实际钻井结果优于随机钻井，即EUR的大小影响钻井顺序。这也反映出非常规油气开发过程的一般规律，即生产井位从产量最高的“甜点”中心向边缘扩展时，单井产量一般会逐渐降低，同时也反映了生产井的部署应选在当时认为最有可能成功和EUR最高井位的一般原则。

图6 研究区中Bakken段致密油区储集层特征

图8 中Bakken段致密油生产特征

表1 研究区中Bakken段A小层油藏参数和生产特征统计表

4 “甜点区”的圈定

本文将“甜点区”定义为致密产层通过水平井和多级压裂等增产措施后具有商业开采价值的区域。将2 111口生产井按EUR分为两组，EUR超过3 000 m3的油井被视为“甜点区”工业油流井，EUR小于3 000 m3被视为非“甜点区”非工业油流井。图9展示了研究区内两种生产井的空间分布，大部分工业油流井位于Viewfield油田的中心区域，美加边境沿线及研究区西部亦有少量工业油流井。

图9 研究区内工业油流井和非工业油流井分布图

“甜点区”预测的另一个关键步骤是从油气成藏要素中找到一套有助于识别工业和非工业油流井的地质要素，本文收集了剩余构造异常（实测与区域趋势之差）、地表海拔高度、地层水矿化度、上下 Bakken段页岩段厚度、储集层孔隙度、渗透率等参数。区域研究表明，Williston盆地加拿大境内Bakken组页岩主体部分尚未进入生油窗口，致密储集层中的油来自盆地中部，因此有关研究区内烃源岩的地球化学参数如有机质成熟度、丰度等参数没有入选。图10显示参数筛选的两个例子，以此介绍选择地质参数的方法，并且使用贝叶斯准则对各参数进行定量判断以确定参数是否被引进多元统计模型。Chen和 Osadetz[12]详细讨论了贝叶斯准则的方法细节，在此不再讨论。

经贝叶斯方法筛选，共选取了8个参数（上Bakken段页岩厚度、A小层致密储集层厚度、剩余构造异常、地层水矿化度、地表海拔高度、储集层孔隙度、压力梯度、渗透率和上Bakken段页岩密度）来构建一个统计模型（MD距离），并由此对生产井进行分类（见图10）。在分类的基础上用贝叶斯条件概率模型（公式（3））计算分类的不确定性（风险）。然后通过已知生产井产量与地质特征之间的定量关系，将地质相似性进行类比量化。应用到未测试区，通过地质相似性来计算待钻区为工业油流区的概率。图 11a为研究区致密油资源分布的概率图，概率值越高表明生产井产出工业油流的可能性越高。该概率图与地质资源量的乘积进行风险折扣后的资源分布图见图11b，用以显示区内致密油地质资源丰度的空间分布。由图 11b可见，高资源丰度区主要集中在Viewfield油区内，其他一些较小的潜在高丰度区散布在研究区域内。由于资源丰度并不是产量和最终可采储量的唯一确定因素，由体积参数得出的高资源丰度区在空间上并不一定与生产“甜点区”一致。

图10 能识别工业和非工业油流井的油气成藏要素及区域地质参数筛选过程

图11 中Bakken段A小层内具有工业油流的概率分布（a）及风险折扣后的致密油资源丰度（b）

图12a为致密油的采收率分布图，由EUR与其相对应的泄油区（drainage area）内的地质资源之比得出。研究区致密油采收率呈现出双模式分布特征，表明Bakken组致密油层 A小层内可能存在两种不同特征的储集层。小部分井采收率较高，均值为14%，大部分井表现出较低的采收率，均值为6%。将风险折扣后的地质资源丰度与采收率相乘可得研究区的可采石油资源丰度图（见图12b），该图展现了区内致密油潜在“甜点区”的分布。将资源汇总则求得研究区可采石油总量为0.22×109m3，溶解气资源量为 34.22×109m3（见表 2）。本文对研究区可采资源潜力的估计未考虑致密油增产技术的应用。最近的研究[37]表明注水也可以有效提高中Bakken段致密油的采收率。此外，向Bakken组致密储集层间歇性注入CO2的模拟结果显示，30年期间3个周期的CO2注入可将采收率提高2.43%[38]。

图12 研究区致密油采收率分布图（a）及可采资源丰度图（b）

表2 研究区中Bakken段A小层可采石油和溶解气资源量

5 致密油分布的控制因素

通过对已知致密油“甜点区”的地质研究，对本区致密油储集层形成了以下认识。

油源对比结果表明Viewfield地区Bakken组储集层中原油样品的原油组分与烃源岩Bakken组页岩内的原油组分相似（如芳基异戊二烯含量高，姥鲛烷与植烷比值大于 1，二苯并噻吩与菲比值小于 1），即致密储集层A小层中的油来自Bakken组页岩。但储集层中原油平均气油比（GOR）为 120 m3/m3，表明烃源岩Ro值应大于0.8%[39]。而研究区南部靠近美国边界地区Bakken组页岩成熟度最高，Ro值仅为0.68%，因此推断Viewfield致密油田A小层中的轻质油主要来自南部Williston盆地美国境内部分，而美国和加拿大边界Bakken组致密储集层中的油有可能由当地局部成熟的Bakken组烃源岩提供。Kuhn等[31]盆地模拟结果显示沿美国和加拿大边界，中Bakken段含油饱和度可高达80%，足以形成油气藏。

除不整合面和区域性输导层外，断裂/断层系统为另一类油气运移通道。种种迹象表明，区内区域性线性断裂/断层系统很可能为连接南部成熟烃源岩和北部致密储集层的优势运移网络。首先，已知常规油田（不限于Bakken组油层）主要沿两个方向的区域线性构造带/断层带（西北和东北向）展布（见图1、图13a），这表明油气或通过区域线性构造富集，或线性构造提供储存空间或沿线性构造成藏。Chen等[32]研究了Williston盆地Bakken组和上覆石炭系Lodgepole组两套烃源岩生成的油气通过不同区域路径运移的地球化学证据，地球化学特征表明 Willston盆地加拿大境内泥盆系及上覆地层常规油藏中的油与Bakken组页岩有很强亲缘关系，油气主要沿线性构造带，如Torqunay-Rocanville构造带向北运移[32]，Torqunay-Rocanville构造带正好穿过Viewfield油田。在Torqunay-Rocanville线性构造周围的零散高EUR井（见图9）呈线性分布，这也支持Torqunay-Rocanville构造带为来自Bakken组烃源岩油气在研究区内优势运移路径的推断。其次，地质统计学模拟结果显示，Viewfield油田EUR方向变差函数模型的最佳空间连续性方向为东北向，与Torqunay-Rocanville构造带走向一致（见图13b）。最后，图13a展示了两个主要的线性控油构造走向：东北和西北向，而东北向与最大区域应力场的方向一致[40]，与最大主应力场平行方向上的裂缝很可能在最大主应力场作用下保持张开状态，有利于油气沿此方向的运移。如果可确定 Torqunay-Rocanville或其他北东向线性构造（如Brockton-Frob构造带）为Bakken组成熟油气的优势运移路径，那么Viewfield油田生产甜点的向西南延伸区域以及沿Brockton-Frob构造带则可能成为高EUR油井分布的潜在区域。而随着烃源岩成熟度向南增加，美加边境沿线也是本地区另一个潜在的高EUR油井分布区域。

图13 加拿大萨斯喀彻温省东南部常规油气藏的空间分布（a）及地质统计学模型中变差函数的变程随方向的变化（b）

除了烃源岩成熟度和优势运移路径外，还有一些影响致密储集层成藏的区域地质因素。首先，上Bakken段页岩的厚度似乎可指示高EUR井（见图10a），这表明有效的顶部封堵层对该区致密油气保存很关键。其次，剩余构造异常与产能正相关（见图 10a），这与高产井具有较高海拔特征（见图10b）相一致，表明浮力为油气运移和聚集的主要动力。最后，在常规储集层中，含油气饱和度与孔隙度和渗透率呈正相关，低毛细管力有助于油驱水，促进油气聚集。但研究区内情况相反，渗透率较低地区生产井的EUR较高（见图 10b），这可能表明岩性侧向封堵对于致密油聚集较重要。Chen等发现在浅层生物气生成与逸散处于动态平衡状态的环境下，泥质和粉砂质页岩呈薄互层状态有利于天然气的富集与保存[32]，薄互层岩性交替也很可能有利于侧向和垂向密封较弱的致密油层的保存。

6 结论

提出了一套致密油“甜点”圈定方法和流程，并通过对 Williston盆地加拿大萨斯喀彻温省东南部中Bakken段致密油层“甜点”的预测展示其实际应用。通过对研究区 2 111口生产井生产数据与控制油气聚集的地质要素的分析建立了一个多变量统计模型，用以对工业和非工业油流井进行分类。在此基础上用贝叶斯条件概率计算分类的不确定性，然后通过已知生产井的生产特征与地质特征之间的多元统计模型，将地质相似性进行类比量化。对未开发区，根据地质相似性来推测待钻井位获得工业油流的概率。致密油层的采收率由单井最终可采储量与其相对应的泄油区内的地质资源量之比得出。致密油“甜点”可以通过致密油层中可采油气资源的空间分布来圈定。通过筛选和分析致密油的地质特征得出控制该区致密油形成的主要因素：①北东向Torqunay- Rocanville线性构造带可能是Bakken组油源区域性优势运移路径，潜在的“甜点区”有可能沿北东向的线性构造带分布；②沿美国加拿大边境一带，Bakken组烃源岩进入生油窗口，本地局部成熟的油源在储集层和其他条件具备的地方可能成藏；③正向构造有利于大面积分散油气在高点位置聚集；④顶部盖层和侧向封堵层有利于改善油气保存条件，可增加致密油的产能；⑤EUR方向变差函数的空间连续性方向为北东向，与最大水平应力场的方向一致，水平井的走向对致密油的产量影响巨大。

符号注释：

D(r)——多变量空间工业油流井组E几何中心与待钻井位之间的MD距离；g(r)——G(r)的实际观测值；G(r)——m个地质变量的函数；h——储集层厚度，m；IH——氢指数，mg/g；K——渗透率，10-3μm2；m——地质变量个数；n——生产井数；N——研究区等分个数；p——实际观测值数；P[E,g(r)]——G(r)=g(r)属于E组的联合概率；P[g(r)]——G(r)=g(r)的概率；r——等分的研究区编号，取值1～N；s——评价区面积，m2；S2——热解烃产率，mg/g；So——含油饱和度，%；Sa——总体数据的协方差矩阵；Tmax——热解峰温，℃；Vo——致密储集层中总含油孔隙体积，m3；Xa——总体数据矩阵的平均向量；Xk——矩阵X的第k行向量；X——由p个观测值和m个变量组成的地质数据矩阵；φ——储集层孔隙度，%。