陆相页岩层系非泥页岩夹层发育程度定量表征

王保华，李 浩，陆建林，吕剑虹，王 苗，赵琳洁

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

随着非常规油气，特别是页岩油气的成功勘探开发，泥页岩作为油气储层引起了研究者的广泛关注[1-9]。统计表明，国内外成功获得页岩油气突破地区的泥页岩段均发育一定比例的非泥页岩夹层[10-16]，如灰岩、白云岩、细砂岩等相对高渗透性夹层[17]，且页岩油气产量与泥页岩段中的夹层岩性、数量、厚度、物性及分布规模有很大的关系。例如，济阳坳陷35口出油流井中，24口为夹层型，占68.6%；仅11口为无夹层的纯页岩，占31.4%[18]。夹层在页岩油成藏过程中起着“仓储层”和“输导层”的作用，因此泥页岩中发育夹层是页岩油稳产、高产的关键所在。

我国东部新生代湖泊受气候和构造影响较大，在水体高频振荡、重力流以及古盐度变化作用下，深湖古近系泥页岩层系中发育众多夹层。东部不同地区夹层岩性纵向构成也表现出一定的差异，总体而言包括砂岩、碳酸盐岩和盐间型夹层3种。砂岩夹层一般发育于深水浊积岩体系或三角洲前缘，以泌阳凹陷核三段2～6号层和济阳坳陷沙三段下亚段为代表；碳酸盐岩夹层一般发育于咸湖中，以东濮凹陷沙三段和济阳坳陷沙四段上亚段为代表；盐间型夹层主要发育于盐湖，以潜江凹陷潜三段为代表。因此，无论从夹层在页岩油富集高产中的重要性，还是从我国古近系陆相页岩夹层发育的广泛性来讲，都有必要开展页岩夹层定量评价研究。

关于泥页岩层系中夹层的岩性及厚度标准，前人开展过相关研究工作，并制定了相关的国家/企业标准。如《页岩气资源—储量计算与评价技术规范：GB/T 0254—2014》[19]规定，当累计夹层厚度小于层组总厚度的20%时，夹层中产出的页岩气称为夹层型页岩气。《页岩气地质评价方法：GB/T 31483—2015》[20]进一步规定，富有机质页岩层段是指富有机质页岩及富有机质页岩与粉砂岩、细砂岩、碳酸盐岩等夹层的地层单元，规定夹层单层厚度不大于1 m，累计夹层厚度占该页岩层段总厚度比例小于20%。中国石化则在累计夹层厚度小于层组厚度20%的基础上，将大段泥页岩中厚度小于2 m且产出原油的夹层定义为页岩油夹层，并制定了相关企业标准[21]。胜利油田也将上述标准作为判断渤南凹陷夹层型页岩油[22]的依据，而济阳坳陷的夹层型页岩油则规定为夹层单层厚度小于2.5 m。

人们已普遍认识到泥页岩夹层对页岩油气富集及产出的重要性，并制定了相关的标准以规定单层夹层厚度和累计夹层厚度所占比例，但对夹层在泥页岩段中的分布情况(单位厚度地层中夹层数量、分布位置、分散程度等)缺乏一个定量的判识指标，而确定富有机质泥页岩段中的夹层分布特征，对泥页岩储层评价和页岩油气资源量估算具有重要意义。

1 定量评价方法建立

1.1 评价原理

依据常规油气探明储量单层有效厚度、获页岩油井夹层厚度及夹层在地层中总厚度，将单层夹层厚度定为2.5 m，夹层占地层比例上限定为40%(页岩气的国家标准是20%)。一般而言，排烃效率与岩性组合特征关系密切，砂泥互层型最有利于排烃，评价非泥页岩夹层发育程度还要考虑非泥页岩夹层纵向上在泥页岩层系中的分布及在地层中的整体位置(图1)。因此，夹层指数(STI)定义为：在夹层总厚度占地层比例小于上限条件下，考虑单位厚度地层夹条数(频率)、夹层纵向分布特征(离散度)及夹层在地层中所处平均位置，将这3个因素通过夹层发育强度(DS)、分布位置(DP)及分散系数(DC)这3个定量参数及相应数学模型表示，再通过这3个参数建立反映夹层发育程度的综合指数STI模型，它可以定量反映夹层的发育程度。

1.2 表征方法总流程

以地层岩性属性的地震反演数据体、三维构造建模数据体、钻井数据为基础，首先根据研究需要抽取若干虚拟/实际钻井岩性数据，统计目的层渗透性夹层累计厚度及层数，若夹层厚度占地层比例不超过上限值，则计算夹层发育强度、分布位置及分散系数；再通过表征夹层发育程度的数学模型计算夹层发育指数(STI)，否则STI为无效值；最终应用前述计算的多口虚拟/实测钻井的STI，结合沉积相研究结果确定的主要物源方向，采用克里金插值计算目的层STI的平面分布，为科学定量评价泥页岩中渗透性夹层发育程度提供科学依据。

1.3 技术方法建立

1.3.1 参数说明

为了便于更加清晰地阐述数学模型，现对本方法所需的输入数据及参数做以下说明及假设。

(1)输入数据说明：①地震反演体：通过地震岩性反演获得的反映地层岩性的地震数据体，一般为时间域数据体，通过时深转换可将数据转换为深度域，数据体格式为SGY格式，数据体节点值代表对应空间节点处预测的岩性。②三维构造建模：通过构造建模软件获得的地层三维岩性数据体，数据地点在纵向上排列一致，数据节点值代表对应空间节点处预测的岩性。③钻井数据：通过录井或测井预测获得的目的地层岩性数据。

图1 夹层发育程度评价因素

a1.夹层频率相对较高；a2.夹层频率相对较低；b1.夹层位于地层中上部；b2.夹层位于地层中下部；c1.夹层较分散；c2.夹层较集中

Fig.1 Evaluation factors of interlayer development degree

(2)参数定义：①夹层临界值：指在泥页岩中发育的渗透性相对较好的非泥质夹层，如碳酸盐岩、白云岩和细砂岩等，根据国标或企标规定，在页岩油气评价中渗透性夹层累计厚度占地层比例(厚度占比)不超过指定值，单层厚度不超过指定值，设厚度占比临界值(上限)为So，单层厚度临界值(上限)为E。②夹层发育强度(DS)：指一套泥页岩段地层中渗透性夹层个数占泥页岩段地层厚度的比例，是反映指定厚度的泥页岩地层发育渗透性夹层个数多少的参数。③夹层分布位置(DP)：指一套泥页岩段地层中渗透性夹层在泥页岩段地层中整体分布位置，夹层整体越靠近地层上部取值越大，是反映夹层在泥岩段中整体靠近上部或下部的一个定量参数。④夹层分散系数(DC)：指一套泥页岩段地层中渗透性夹层在泥页岩段中均匀(分散)分布程度，夹层分布越均匀取值越大，是反映夹层在泥岩段中均匀(分散)分布程度的定量表征参数。⑤夹层发育指数(STI)：指一套泥页岩段地层中渗透性夹层在泥页岩段地层中的发育情况，是综合反映夹层的发育数量、分布位置及分散状况的定量表征参数。⑥烃源岩有限排烃厚度：烃源岩生成油气之后，油气并不是全部排出烃源岩，只有与储层相接触的一定距离内的生油层内的烃类才能排出来，该段距离为有效排烃厚度，假设为EH，即当烃源岩厚度小于EH时，烃源岩中的油气可以排出。

1.3.2 数学模型建立

泥页岩渗透性夹层定量评价方法及步骤如下：

(1)从已有的地震反演体、三维构造建模数据体或钻井岩性数据中抽取虚拟/实际钻井岩性数据。地震反演体及三维构造建模数据体均为三维空间节点数格式，数据纵向节点对齐，因此可根据研究需要在平面上选取若干网格点处作为虚拟井，抽取网格点处纵向深度及岩性数据。若输入数据为实际钻井岩性数据则直接应用。钻井数据(虚拟井/实际井)至少包括深度(一个岩性的顶深和底深)及对应岩性。虚拟井及实际井选取时最大深度应当超过研究的目的层。

(2)参数假设：设研究目的地层顶、底深度分别为HT和HB，则目的地层厚度L=HB-HT；统计目的层中渗透性夹层(如灰岩、白云岩、细砂岩等指定岩性，单层厚度不超过临界值E)层数。设渗透性夹层层数为N，自上而下第i层夹层顶、底埋深分别为HTi和HBi，则第i层夹层厚度Li=HBi-HTi，渗透性夹层累计厚度(SL)通过公式(1)求取，夹层厚度占比(S)通过公式(2)求取。

(1)

S=(SL/L)×100%

(2)

(3)夹层厚度占比判定：①若地层厚度L=0或夹层累计厚度占比S>So，则STI值无效；②若地层厚度L>0且夹层个数N=0，则STI=0；③若地层厚度L>0且N>0，则STI值计算采用下述(4)～(7)步骤。

(4)夹层发育强度(DS)计算：

DS=N/L

(3)

(5)夹层分布位置(DP)计算：

(6)夹层分散系数(DC)计算：

(7)夹层发育指数(STI)计算：针对DS、DP、DC进行归一化处理，采用归一化DS*、DP*、DC*值计算夹层发育指数。

①夹层发育强度归一化：根据前述有效排烃厚度定义，理想状况下当夹层均匀分布且烃源岩厚度不超过有效排烃厚度时，岩性组合配置满足油气排烃要求，因此夹层发育强度应不低于1/EH，夹层发育强度归一化采用下列公式：

(6)

②夹层分布位置归一化：夹层分布系数表征夹层发育的位置对油气排烃、输导的影响，在浮力作用下油气一般更容易进入靠近地层上部的夹层。根据实际地质情况，采用指数模型对夹层分布系数进行归一化：

DP*=DPn

(7)

式中：n取(0，1)之间，n值越大，表示夹层分布位置对油气排烃及输导影响越大。

③夹层分散系数归一化：一般地，夹层在一套地层中的均匀分布程度是相对同样数量的夹层平均分布在一套地层中的夹层分散系数而言的，且大多数情况下夹层分布难以达到均匀分布程度。采用指数模型进一步优化夹层分散系数对夹层发育指数的影响：

式中：L为地层厚度；N为地层中夹层数；m取(0，1)之间，m值越大，表示夹层分散均匀分布程度对油气排烃及输导影响越大，一般取m+n=1，n为公式(7)中定义参数。

综合上述归一化参数，求取夹层发育指数：

(9)

(8)应用上述步骤(2)～(7)计算选取的虚拟/实际钻井目的层的STI、DS、DP和DC数值，结合钻井对应的地理坐标(x，y)，形成数据列表。

(9)以步骤(8)形成的数据列表为基础，结合沉积相研究成果，确定沉积物源主方向。采用克里金插值算法，勾绘泥页岩地层中渗透性夹层发育指数(STI)平面分布。插值时通过泥页岩厚度控制数据边界，一般选取泥页岩地层厚度小于10 m则不计算(具体根据研究需要可适当调整)。

2 应用

通过对页岩层段夹层厚度、数量及空间分布等因素的研究，建立页岩高渗夹层定量评价模型——STI指数模型，并应用实际钻井产能数据校验评价模型，进一步确定评价模型关键参数取值。采用上述方法，针对渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段非泥页岩夹层评价开展了初步应用。选取98口钻井为基础(包括23口工业油流井)，应用地层岩性自动统计软件及Eops软件Geolog模块对钻井岩性进行识别及分类，结合录井岩性数据，将钻井岩性数据量化。采用SKAU建模模块，刻画沙四上亚段页岩层系单井岩性剖面，同时预测了该层段的非泥页岩夹层空间分布。在此基础上，结合STI模型，开展沙四上亚段非泥页岩发育程度定量评价。对东营凹陷钻井及构造层位资料系统分析表明，东营地区富有机质页岩层内夹层岩性主要为砂岩、灰岩及白云岩，泥页岩厚度约占总地层厚度的80%，夹层厚度约占15%，超过3 m的夹层约占5%；夹层中43%为砂岩夹层，35%为灰质夹层，22%为白云岩夹层。通过对钻井录井岩性数据数字化，结合测井岩性预测标定，将岩性曲线转换为离散数值，采用序贯高斯算法，预测东营凹陷沙四上亚段夹层空间分布特征。依据上述夹层分布空间模型，结合钻井夹层发育指数，计算编制东营凹陷沙四上亚段夹层指数(STI)平面分布图(图2)。从图2中可知，东营凹陷沙四段上亚段STI值总体在0.4～0.9之间，夹层较发育地区主要分布在凹陷南部地区，包括牛庄洼陷南斜坡、利津洼陷南斜坡以及博兴洼陷；洼陷带内部STI值一般较低，主要分布在0.1～0.4之间，整体上洼陷带内部夹层欠发育。洼陷带内部局部地区，如史13井区、樊120—樊137井区，STI值较高，为0.4～0.8，可能与重力流有关。

从东营凹陷工业性页岩油流段夹层指数与产能关系图(图3)可知，工业油流段的夹层指数STI值一般在0.2～0.9之间，其中高产井主要在0.4～0.8之间。此外，夹层型是重要的页岩油富集类型，STI指数0.4～0.8的区域一般分布在内斜坡或者是靠近内斜坡的洼陷带，该区域是夹层型页岩油的勘探有利区。

图2 渤海湾盆地东营凹陷沙四上亚段高渗夹层指数平面分布

图3 渤海湾盆地东营凹陷工业性夹层指数与页岩油日产量关系

3 结论

(1)针对泥页岩层系(泥地比大于规定值)中相对高渗薄夹层出现的频率、在地层中分布的整体位置及夹层在地层中分布的均匀程度，建立了夹层定量表征模型，可有效评价泥页岩层系薄夹层发育程度。

(2)应用本方法对东营凹陷沙四上亚段页岩中相对高渗夹层发育程度开展评价，沙四段上亚段STI值总体在0.4～0.9之间，夹层较发育地区主要分布在斜坡带一侧，洼陷带内部STI值整体较低。通过与现有钻井试油成果对比，高产井STI主要分布在0.4～0.8之间，显示STI分布范围对页岩油勘探井的部署具有参考价值。

(3)本方法为夹层型页岩油勘探选区提供了定量参考，STI指数在0.4～0.8的区域是该类型页岩油富集的有利区。