多种矿物解释模型在焦石坝地区的优选及应用

柳筠，关红梅，喻璐，康曦

(中石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北 武汉 430023)

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气；页岩既是烃源岩和储层，也是盖层，形成了页岩气独特的赋存状态，其开采方式主要依靠水力压裂进行增产。近年来多名学者专家已对我国开展了页岩气早期地质评价和勘探研究等工作，并取得了一定的成果认识[1～3]。其中，重庆焦石坝地区下志留统龙马溪组-五峰组页岩气田发育多套古生界富有机质页岩储层，其形成时间老、热演化程度高，具备很好的开发潜力。

非常规油气储层普遍具备岩性致密、基质孔隙度和渗透率低以及微观孔隙结构复杂等特征，为提高单井产量和稳产有效期，一般都需要进行大规模压裂改造。然而，并不是所有的层段都能获得理想的产能，只有脆性比较强的层段在压裂过程中才可形成复杂的裂缝供油气渗流，因此页岩的脆性特征对储层压裂改造至关重要，直接影响页岩气勘探开发、试油层位优选及施工效果，并进一步影响页岩储层产能高低和经济效益预测评价[4～7]。其中，地层中矿物的种类及含量求取是脆性评价的关键，对地层矿物识别、岩性划分、确定地层黏土含量与类型、计算骨架参数以及研究沉积环境等方面，均有着非常重要的意义。

笔者以重庆涪陵焦石坝地区龙马溪组-五峰组页岩储层为例，在常规测井曲线、岩心分析化验资料以及ECS(地球化学元素)测井资料的基础上，运用各种数理方法建立多种脆性矿物解释模型，并分区进行优选应用和定量评价，以期为研究区的脆性评价及钻井与压裂层段的优选提供技术支撑。

1 地质特征与矿物岩石特征

1.1 地质特征

涪陵地区页岩气田焦石坝区块位于川东南涪陵区块南部，行政区划隶属于重庆市涪陵区。涪陵地区地处四川盆地和盆边山地过渡地带，海拔最高1977m，最低138m，多在200～800m，境内地势以低山丘陵为主，横跨长江南北、纵贯乌江东西两岸。地势大致东南高而西北低，西北-东南断面呈向中部长江河谷倾斜的对称马鞍状，是四川盆地的重要产气区。根据已完钻井的钻井资料显示，涪陵地区古生界奥陶系-中生界三叠系自下而上主要发育：十字铺组、宝塔组、涧草沟组、五峰组、龙马溪组、小河坝组、韩家店组、黄龙组、梁山组、栖霞组、茅口组、龙潭组、长兴组、飞仙关组、嘉陵江组。焦石坝及邻区在上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组，发育了大套的深灰色、灰黑色泥岩、碳质泥岩夹薄层的黏土粉砂岩，属浅海陆棚相沉积。

从区域上来看，龙马溪组一段发育完整，为主要勘探目的段。173块样品总有机碳质量分数(w(TOC))介于0.55%～5.89%(平均2.54%)，等效镜质体反射率介于2.2%～3.1%，表明五峰组-龙马溪组泥页岩进入过成熟演化阶段，以生成干气为主。180块岩石物性样品孔隙度介于1.17%～7.98%(平均4.61%)，且目前已钻井气测显示活跃，具备整体含气的典型特征，综合显示出该段具有良好的页岩气资源潜力。

1.2 矿物岩石特征

研究工区含气页岩储层目的层段的矿物种类主要包括黏土矿物、长英质、碳酸盐、黄铁矿和赤铁矿。其中长英质体积分数自下而上呈减少趋势；黏土矿物主要包括伊-蒙混层和伊利石，其次为绿泥石，自下而上呈逐渐增加的趋势(见表1)；长石主要包括钾长石和斜长石；脆性矿物主要包括石英、钾长石、斜长石以及碳酸盐矿物，自下而上呈现逐渐减小趋势。通常认为，脆性矿物含量越高，在相同构造应力作用下，越容易形成天然裂缝和诱导裂缝，有利于游离气的解吸、渗流和聚集成藏。

2 页岩储层脆性矿物解释模型的建立

2.1 ECS测井法

斯伦贝谢公司的ECS测井法可以定量地提供地层中的 Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等化学元素的含量，利用上述元素含量与地层矿物之间的关系可以分析岩石矿物含量[8]。其中Si与石英密切相关，Ca与方解石、白云石密切相关，S和Ca 可以指示石膏含量，Fe与黄铁矿、菱铁矿有关。

由于元素与矿物之间有着强烈的相互制约关系，因此采用数学因子分析统计法，确定各类造岩元素含量与矿物之间的关系因子，再据此将元素含量转换为相应的矿物含量。利用焦页A井的ECS测井资料，建立各类矿物含量的关系式：

φclay=3.104-6.791×wSi-8.09×wCa-9.974×wFe-0.858×wS

(1)

φcar=0.508-1.194×wSi+0.438×wCa-3.28×wFe-0.28×wS

(2)

φQFM=-2.605+7.969×wSi+7.634×wCa+13.205×wFe-0.738×wS

(3)

式中：φclay为计算的黏土的体积分数，1；φcar为地层碳酸盐岩(灰质)的体积分数，1；φQFM为地层长英质的体积分数，1 ；wSi、wCa、wFe、wS为ECS测井得到的Si、Ca、Fe、S元素的质量分数，1。

2.2 中子-密度二元交会法

通常情况下，三孔隙度曲线(声波时差、中子、密度)最能直观反映岩性特征变化。因此，首先将三孔隙度曲线进行两两交会，拟合出交会因子，即通过将数据无量纲化，减小在回归分析过程中因数据属性及单位差异不同而产生的误差；然后将各计算因子与岩心实测矿物含量进行回归分析，优选出相关系数最高的计算因子；最后再将其与各类实测矿物含量建立单元线性回归方程式：

φx=aTh(A-B)+b

(4)

式中：φx为某类矿物的体积分数，1；Th为交会因子，1；A、B为三孔隙度曲线中的任意2种曲线的值；a、b为常数。

三孔隙度曲线两两交会后发现，实测各类矿物含量与中子-密度交会因子的关系最明显，相关系数最高(见图1)。因此，选用中子-密度交会因子与各类矿物含量建立单因子回归模型：

Th(cnl-den)=lg[(c-φcnl)/(ρ-d)]

(5)

φclay=-264.36×Th(cnl-den)(φcnl-ρ)+503.95

(6)

φsil=235.44×Th(cnl-den)(φcnl-ρ)-365.79

(7)

φsil+cal=249.17×Th(cnl-den)(φcnl-ρ)-380.1

(8)

φiro=100-φclay-φsil+cal

(9)

式中：Th(cnl-den)为中子-密度交会因子，1；c、d为区域经验常数；ρ为密度测井值，g/cm3；φcnl为中子测井值，%；φsil、φsil+cal、φiro分别为计算的硅质、硅质+钙质、铁质的体积分数，%。

图1 五峰组-龙马溪组黏土矿物、脆性矿物体积分数与中子-密度交会因子关系图

2.3 三元回归法

三元回归法是将实验室全岩X衍射矿物组分分析结果与测井资料进行最佳深度匹配后，再开展实测矿物含量与测井曲线之间的相关性分析，找出每种矿物相关性最好的单元测井曲线，最后通过该曲线与各类矿物建立多元回归方程式[9～11]。通过对比后发现，无铀伽马(在高放射性储层中，无铀伽马能够弥补自然伽马计算黏土含量的不足)、中子、密度曲线与各类岩石矿物的相关性最好，其中无铀伽马与黏土含量的相关系数最高。因此针对某一类矿物，首先可设方程为：

φx=e×qKTh+f×ρ+g×φcnl+h

(10)

式中：qKTh为无铀伽马，API；e、f、g、h为常数。

再根据最小二乘法原理及工区的岩心分析实测资料，采用最优化方法计算得出e、f、g、h后，即可建立矿物解释模型：

φclay=0.194×qKTh+34.492×ρ+1.896×φcnl-98.912

(11)

φsil=-0.023×qKTh-102.358×ρ-1.459×φcnl+338.833

(12)

φcal=-0.106×qKTh+63.469×ρ-0.393×φcnl-138.13

(13)

φiro=-0.028×qKTh+4.739×ρ-0.072×φcnl-4.98

(14)

式中：φcal为计算的钙质体积分数，%。

2.4 五元回归法

在常规测井曲线中，除了三孔隙度曲线最能直观反映岩性特征变化，无铀伽马、光电吸收截面指数曲线亦能指示岩性变化。因此，可以将上述5条测井曲线进行数据标准化后，利用最小二乘法原理以及多元回归分析法，与实验室全岩X衍射资料进行拟合回归分析，建立各类矿物含量关系式：

φclay=0.009×Δt+43.604×ρ+1.512×φcnl+2.005×IPE+0.095×qKTh-113.242

(15)

φsil=-0.543×Δt-96.455×ρ+0.075×φcnl-2.834×IPE-0.05×qKTh+352.252

(16)

φcal=0.345×Δt+49.59×ρ-1.394×φcnl+0.826×IPE-0.051×qKTh-121.141

(17)

φiro=0.189×Δt+3.262×ρ-0.193×φcnl+0.003×IPE+0.006×qKTh-17.87

(18)

式中：Δt为声波时差测井值，μs/ft；IPE为光电吸收截面指数，1。

3 模型适用性分析

对上述4种方法所建立模型的适用性进行了对比分析。基于焦石坝地区实际测井、实测岩心资料，利用无铀伽马曲线建立黏土体积分数计算模型，并与黏土体积分数实测值进行了交会分析(见图2)。此外，利用ECS测井法、中子-密度二元交会法、三元回归法、五元回归法分别对黏土体积分数进行了数据预测，并与黏土体积分数实测值进行了交会分析(见图3)。

图2 五峰组-龙马溪组无铀伽马-黏土体积分数计算模型及黏土体积分数计算值与黏土体积分数实测值交会图

由图2及图3分析可知，无铀伽马对黏土体积分数反应敏感，两者呈明显正相关关系且相关系数R达到0.7087，该方法计算出的黏土体积分数与实测值的相关系数R达到0.709；4种方法计算的黏土体积分数均与实测值有很好的正相关关系，说明4种方法建立的黏土体积分数计算模型均有效、可靠，能较好地预测黏土体积分数。

4 应用实例

利用上述4种方法建立的矿物解释模型，对焦石坝地区一期产建区、二期产建区的20口已完钻导眼井的矿物含量进行了应用分析。应用结果表明，不同方法在不同产建区的效果存在差异。

以焦石坝地区一期产建区焦页A井为例，采用4种方法对该井的目的层段各类矿物含量进行了计算，通过对比分析可知，ECS测井法计算的矿物含量与岩心分析结果符合度高，平均相对误差小(小于5%)，但其成本较高，应用受到了限制；中子-密度二元交会法、三元回归法、五元回归法计算的黏土体积分数、硅质体积分数均与实测岩心资料符合度高，纵向变化一致，整体平均相对误差小(见图4)。但是，在计算钙质、铁质含量方面，中子-密度二元交会法的解释精度低于三元回归法与五元回归法，不能很好地反映钙质及铁质含量的纵向变化趋势。

以焦石坝地区二期产建区焦页B井为例，该井缺乏ECS测井资料，因此采用另外3种方法对目的层段各类矿物含量进行了计算，通过对比可知，中子-密度二元交会法计算结果存在误差，目的层上部(3560～3590m)计算的黏土体积分数、硅质体积分数与实测值的平均相对误差较大(分别达到8%、10%)，且计算的钙质体积分数、铁质体积分数精度也不高，未能反映其变化趋势，说明该方法不适用于二期产建区；三元回归法、五元回归法计算的各类矿物含量与实测值符合度较高(符合率大于90%)，且三元回归法计算结果精度更高，整体平均相对误差较小(均小于5%)，均低于行业标准(见图5)。

图3 4种方法的黏土体积分数计算值与黏土体积分数实测值交会图

图4 焦页A井五峰组-龙马溪组矿物含量计算对比图

图5 焦页B井五峰组-龙马溪组矿物含量计算对比图

在实际生产过程中，焦石坝地区水平井采用完井方式进行开发工作，且水平井测井解释工作是基于导眼井的测井模型来完成的。上述4种方法均有优势，也各自存在缺点，因此在应用过程中，要根据井的实际测录井资料、岩心分析化验资料、地质构造情况来进行优选，以得到最精准的解释成果。

5 结语

综合分析可知，ECS测井技术成熟，且不受导眼、泥浆性质影响，能精准测量各元素含量，计算的矿物含量精度高，但是其造价昂贵，并不是所有导眼井中均有测量[13，14]，因此适用性受限。中子-密度二元交会法变量少，能快速计算出黏土、硅质含量，且精度较高，但计算的钙质、铁质含量误差较大。三元回归法、五元回归法计算的矿物组分含量与实测资料符合度较高，整体平均相对误差小。但是，在水平井测井序列里，声波时差曲线易受泥浆、环境、地层压实程度等因素影响[15]，对其进行标准化存在难点，因此五元回归法不适用水平井的矿物含量计算。三元回归法能直观反映岩性特征，且受环境、地层、仪器等因素影响较小，亦适用于水平井，适用性广泛，可进行推广应用，但需要根据区块实际资料建立相应的关系式或完善模型。