(1.中國石油勘探開發研究院，北京100083；
2.中國尤氏大學博士後流動站(北京)，北京102249)
鄂西渝東下侏羅統是四川盆地典型的陸相頁巖氣藏，儲層的礦物組成和有機碳含量是決定該類氣藏工程開發難度和有效性的重要指標。為突破復雜礦物儲層評價中常規儲層測井評價方法的多解性問題，本研究充分挖掘常規測井資料中蘊含的地質信息，以非線性反演和優化算法為核心思想，綜合評價包括有機碳在內的頁巖成分和含量，取得了良好的測井評價結果。研究成果完善了頁巖氣儲層測井評價方法，對頁巖氣勘探開發相關技術的發展起到了積極的推動作用。
常規測井響應；非線性反演優化方法；礦物成分有機碳含量測井評價
礦物成分的測井評價
油頁巖的總有機物含量
陸靜1，2，李軍1
(1.中國石化勘探開發研究院，北京100083；
2.中國石油大學博士後研究中心，北京102249，中國)
鄂西渝東地區下侏羅統地層是四川省典型的陸相頁巖氣藏。礦物成分和總有機質含量是反映這類氣藏工程難度及其有效性的重要指標。為了突破常規儲層測井評價方法在解決油頁巖儲層評價時經常出現的多解性問題，本研究充分挖掘了常規測井響應中隱藏的地質信息，以非線性聯合反演和優化為核心思想，對油頁巖的礦物成分含量和TOC進行了評價，取得了較好的效果。該研究補充了氣頁巖測井評價方法，對氣頁巖勘探開發相關技術發展起到積極作用。
關鍵詞常規測井；礦物成分；TOC非線性聯合反演；優化；測井評價
鄂西和渝東是四川盆地周邊頁巖氣藏的有利目標之壹。建南構造位於四川盆地川東褶皺帶石柱向斜中北部，下侏羅統自流井組發育的深-半深湖頁巖是典型的陸相頁巖氣藏。該套頁巖區域分布穩定，厚度大，埋藏淺，但比海相頁巖具有更頻繁的相變特征，儲層礦物成分復雜多變。準確掌握頁巖氣儲層的礦物組成和有機碳含量是後續評價關鍵儲層參數——脆性和含氣性的重要依據，也是頁巖氣測井評價中亟待解決的重點和難點問題。依靠固定的解釋模型，利用少量測井曲線確定儲層的礦物含量，在巖性和礦物單壹的常規儲層中評價效果較好，但不能妥善解決頁巖氣儲層復雜礦物成分和含量的多解性問題。作者深入挖掘各種常規測井資料中蘊含的豐富地質信息，分析建立儲層礦物成分模型，通過非線性反演和優化算法，對包括有機碳在內的復雜巖石成分含量進行評價，突破了常規測井儲層評價的思路，拓展了非常規頁巖氣儲層礦物成分和有機碳含量的測井評價方法。通過對實驗室巖心全巖成分數據的驗證，該方法取得了良好的評價效果。
1東嶽廟段含氣頁巖巖性及巖石礦物學特征
目的層下侏羅統自流井組東嶽廟段泥頁巖區域橫向分布穩定，厚度較大，暗色泥頁巖厚約60 ~ 100 m。儲層巖性主要為泥頁巖，常見灰色粉砂質頁巖、中碎屑頁巖和中碎屑灰巖夾層(圖1)。儲層礦物主要為粘土礦物、應時和方解石(平均含量分別為22.49%、55.95%和65，438+07.5%)，含少量長石和黃鐵礦。自生礦物的存在表明東嶽廟剖面的沈積環境為有利於有機質富集和保存的還原環境。實驗室分析結果表明，儲層有機碳主要為幹酪根ⅱ，平均含量為2% ~ 3%。儲層孔隙結構以礦物粒間孔隙為主，同時發育少量粒內孔隙和溶蝕裂縫，有機質熱解生成大量納米孔隙，使儲層具有良好的天然氣吸附和儲存性能。
圖1研究區東嶽廟段頁巖典型巖性
2儲層巖石成分的常規測井響應評價
測井響應是被測地層物性特征的宏觀表現[1]。在排除井眼和泥漿侵入影響的情況下，測井響應實質上是測井儀器探測範圍內所有巖石微觀組分物性特征的綜合表現，因此各種測井響應實際上涵蓋了被測地層所有組分的巖石物性信息。利用常規測井響應中包含的儲層信息充分挖掘和評價頁巖組分，提供了壹種除實驗室分析和ECS測井之外的儲層評價思路，同時彌補了巖心實驗室分析不能全井段連續、ECS測井資料收集、解釋和評價成本高的問題[2，3]。
2.1常規曲線非線性聯合優化反演算法
2.1.1目標函數
與建立單壹或少數測井曲線與儲層某種礦物含量之間的函數關系來評價其含量的方法不同，利用常規測井信息進行非線性聯合優化反演來評價儲層礦物成分的方法和步驟可以簡要概括為:首先，需要對測量響應進行預處理，以獲得接近原始儲層真實物性特征的校正測井響應；其次，根據巖心觀察獲得的初步認識和常規評價結果，圈定、解釋和評價該層段內存在的巖石組分類型，確定其初始內容，形成基於原始假設的完整的儲層巖石物理體積模型；第三，根據區域經驗或理論參數，合理選擇各分量的測井響應骨架值，用非線性測井響應方程正演各常規測井響應，計算關於標定曲線和正演模擬曲線的目標函數T (XJ)，如方程(1)所示；最後通過反復調整各礦物組分的含量使目標函數T(X)最小化，將此時的巖石組分和含量模型作為反演的最終結果，即通過求解圖2所示的優化問題來解決復雜礦物儲層中的巖石組分和含量問題[4]。
油氣成藏理論與勘探開發技術(5)
圖2非線性聯合優化反演算法示意圖
其中:loggings是第j次叠代後生成的正向曲線組；Loggingc是通過校正被測曲線生成的校正曲線組；Xj是在第j次叠代中確定的每個巖石成分的含量；w是目標函數中每條測井曲線的權重；α是叠代穩定性控制參數；T(Xj)是反映正向曲線和校正曲線之間的相似性的目標函數。當該函數達到最小值時，表示正向曲線已經接近校正曲線。此時可以認為模型得到的巖石成分和含量最接近地層的真實情況。需要註意的是，利用更豐富的測井響應信息和巖心分析及常規儲層評價獲得的地層初步認識，可以更大程度地降低反演算法的多解性。
2.1.2 ***軛梯度優化算法
從以上分析可以看出，解決頁巖復雜巖石組分的測井評價問題已經轉化為解決目標函數T(Xj)的最小值的優化問題。在本研究中，目標函數屬於多元函數，測井響應的非線性關系決定了目標函數的非線性特征，因此采用軛梯度法解決目標函數的優化問題[5]。
對於目標函數T(Xj)，在極值點X*處進行泰勒展開，當忽略有效項時，有
油氣成藏理論與勘探開發技術(5)
其中:h = ▽ 2T(X *)是T(X)在X *處的二階偏導數矩陣。因為X*是極值點，所以▽ t (x *) = 0，所以
油氣成藏理論與勘探開發技術(5)
可以看出，任意次的函數T(X)在其極值點附近都具有二次函數的特征。設T(X)表示為如下所示的二次函數。
油氣成藏理論與勘探開發技術(5)
可以證明，具有n階正定矩陣A的n維二次函數在n維空間中最多能找到關於A的n個* * *軛方向(向量)，從任意初始點出發，沿著這n個* * *軛方向依次進行不超過n次的壹維搜索，就能在n維空間中找到目標函數T(X)的極小點。利用上述* * *軛梯度算法，避免了牛頓法及其改進算法需要計算二階偏導數矩陣的逆矩陣所帶來的巨大計算量，克服了最速下降法在逼近極小點時收斂較慢的缺點，妥善解決了研究建立的非線性反演算法的求解問題。
2.2東嶽廟剖面頁巖成分反演
2.2.1初始模型假設
圖3顯示了研究區壹口井的東嶽廟段頁巖的常規測井響應。該井含氣頁巖巖石成分評價的目的是明確包括有機碳在內的重要巖石成分的具體含量。初始模型假設的建立需要確定待求解的儲層巖石組分及其初始含量，以及巖石組分評價所涉及的測井曲線。
根據上壹節描述的實驗室全巖分析結果(圖3)，初始模型假設頁巖中除幹酪根外，沒有其他固體有機碳；脆性礦物包括應時、方解石和長石，塑性礦物是粘土。此外，相關研究表明，在頁巖成巖過程中，自發黃鐵礦往往在儲層的層狀界面之間結晶，這在壹定程度上有利於水力壓裂形成網狀裂縫。黃鐵礦具有優良的導電性，極高的光電俘獲截面指數和高密度，即使含量很少，也對電阻率、光電截面指數、體積密度等測井響應有明顯的影響。因此，黃鐵礦作為影響頁巖力學性質和巖石物理性質的重要礦物，在巖石成分模型中是不可忽略的。最後，由於地層水粘土礦物含量高、有效孔隙度低、礦化度低，遊離水對測井響應影響不大，因此模型只考慮粘土束縛水的存在，並假設頁巖儲層的所有有效孔隙都被遊離氣占據。基於以上考慮，最終確定該井東嶽廟段頁巖需要進行反演計算，如圖4所示，依次包括粘土(含粘土結合水)、應時、方解石、長石、黃鐵礦、孔隙(遊離氣)、有機碳(幹酪根)。
圖3建南地區某井東嶽廟段頁巖常規測井響應特征及巖心分析結果
圖4頁巖體積模型
通過綜合考察該井可參考的測井曲線數量和上述頁巖體積模型需要覆蓋的組分類型，確定使用光電截面指數(PEF)、自然伽馬(GR)、中子孔隙度(NPHI)、體積密度(DEN)、聲波時差(DT)、淺側向電阻率(LLS)、深側向電阻率(LLD)、鈾(URAN)和釷。可以看出，如果不考慮欠定解，參與非線性反演的測井曲線數目理論上最多可以處理求解10個巖石組分含量的問題，大於該模型求解的巖石組分數目，因此模型解屬於非線性超定解，可以有效減少評價結果的多重性，保證評價結果更接近頁巖氣藏的真實情況。
依靠常規的儲層評價方法，如自然伽馬泥質含量Vsb評價方法[6]、密度中子孔隙度Phi評價方法[7]、Pessay有機碳TOC含量評價方法[8]，可以得到粘土、孔隙度和幹酪根含量的初步評價結果，並可以歸屬該井巖石組分的初始含量。剩余組分的初始含量——應時含量根據實驗室巖心分析測定的平均含量(應時55.9%，方解石17.5%，長石7.2%，黃鐵礦4.5%)按比例分配。結果在圖5的泳道2-8中以實線顯示。可以註意到，每個巖石成分的初始含量(棕色實線)與巖心分析結果(黑點)不同。其中，方解石和長石的含量偏差最明顯；中子-密度孔隙度評價的孔隙度也明顯較高。此外，自然伽馬泥質含量評價法計算的粘土礦物含量和電阻率-聲波重疊帕西法計算的有機碳含量在局部深度仍有壹定誤差。在本次研究中，這些誤差將通過後續的反演計算逐漸減小，從而獲得最接近真實地層巖石成分的評價結果。
圖5建南地區某井東嶽廟段頁巖初始非線性反演模型。
2.2.2模型反演結果
經過非線性反演計算，最終確定該井巖石成分含量，如圖6所示。圖中第二至第八泳道為粘土礦物(包括粘土結合水)、應時、方解石、長石、黃鐵礦、孔隙、有機碳含量的評價結果(實線)和相應組分的實驗室分析結果(黑點)。圖中第9道和10道分別是頁巖成分的非線性反演結果和巖心的實驗室分析結果。
圖6建南地區某井東嶽廟段頁巖巖石成分非線性反演結果。
通過對圖7中各組分的初始評價結果(黑色方塊)和非線性反演計算結果(三角形)的對比分析可以發現，非線性反演結果與實驗室分析結果具有更好的線性相關性，且比初始評價結果更集中在45°對角線附近。從圖6和圖7可以看出，非線性反演算法顯著提高了應時和方解石含量的評估精度；孔隙度評價結果更接近實驗室分析結果；此外，粘土礦物和有機碳含量的局部誤差也得到了很好的校正；在初始模型中，基於平均含量的長石和黃鐵礦含量的粗略估計在這裏也得到了進壹步的細化，評價結果在總體趨勢上與實驗室分析結果更加壹致。至此，本研究利用建立的非線性反演方法，完成了對研究區東嶽廟段頁巖氣儲層復雜礦物組成和有機碳含量的測井評價，取得了較高的評價精度。本研究將進壹步對測井評價結果進行定量分析，以驗證該方法的可靠性和有效性。
2.2.3非線性反演結果分析
考慮到每壹次實測測井響應的本質是被測儲層巖石成分在各種物理場反映的宏觀物理特征，為了驗證非線性反演算法及其反演結果的可靠性和有效性，本研究還對非線性反演結果進行了分析，並對反演結果下的測井響應誤差進行了模擬。
圖8顯示了非線性反演結果下的模擬測井響應(虛線)和環境校正後的測井響應(黑色實線)。涉及的測井項目依次為自然伽馬GR、鈾uran、釷th、中子孔隙度Nphi、體積密度DEN、宏觀剖面指數U、聲波時差DT、沖洗帶電導率CXO和原狀地層電導率CT。從兩組測井響應對比來看，非線性反演結果下的模擬測井響應與實測測井響應吻合較好。在表1中，對兩組測井響應之間的相關系數進行了定量評估和分析。各測井響應的相關系數在0.867-0.996之間，相關系數平均值達到0.921，充分反映了反演結果下巖石組分宏觀物性特征與真實儲層物性特征的相似性，也就是說通過非線性反演得到的巖石組分及其含量非常接近頁巖氣儲層的實際情況。此外，基於實驗室分析結果，表2統計分析了圖8中初始評價結果和非線性反演結果之間的相關系數。兩組相關系數的比較表明，本研究建立的非線性反演算法明顯提高了頁巖成分評價的準確性。因此，以上兩個方面充分證明了本研究建立的非線性反演算法在解決頁巖儲層復雜巖石成分和含量評價問題上的可靠性和有效性。
該方法可以同時解決頁巖氣儲層巖石礦物組成和有機碳含量評價中的兩大問題，這兩大問題的成功解決為後續的儲層脆性和吸附氣含量等重要儲層參數的評價提供了科學依據和技術保障。
圖7頁巖組分初始評價結果與非線性反演計算結果對比
表1模擬測井響應與實測響應的相關系數
圖8建南地區某井東嶽廟段頁巖復雜巖石組分反演質量控制
表2初始評價和非線性反演評價與巖心分析結果的相關性對比
3結論
本研究基於非線性反演優化算法的頁巖氣儲層巖石成分測井評價方法，在鄂西劍南構造東嶽廟段和渝東地區取得了良好的評價效果。該方法充分挖掘了常規測井資料中蘊含的豐富地質信息，解決了重要礦物和有機碳含量的頁巖儲層評價兩大難題，彌補了巖心分析深度不連續和ECS測井成本高的缺點，大大提高了測井評價結果的準確性，為後續的儲層脆性和含氣性綜合評價提供了科學依據和重要技術支持。
參考
洪[1]。測井原理與綜合解釋。東營:石油大學出版社，1993: 1 ~ 365。
[2]Pemper R R，Sommer A，Guo P，等.壹種用於推導地層巖性和礦物學的新型脈沖中子探測器.美國德克薩斯州聖安東尼奧市SPE年度技術會議暨展覽會，2006:1~13。
[3]Sondergeld C H，Newsham K E，Comisky J T，等,《評估和開采頁巖氣資源的巖石物理因素》。SPE非常規天然氣會議，美國賓夕法尼亞州匹茲堡，2010:1~34。
[4]Heidari Z，Torres-Verd C，Preeg W . E .從頁巖氣地層測井資料中估算總有機碳和孔隙度以及診斷礦物成分的定量方法. 2011:1 ~ 15 .
永世和。優化測井解釋。東營:石油大學出版社，1995: 87 ~ 119。
潘，吳元，。頁巖氣勘探地球化學指標及測井分析方法初探。中國石油勘探. 2009，3: 6 ~ 28 .
、江、邊等。頁巖氣資源評價方法體系及其應用--以川西坳陷為例。天然氣工業. 2009，29(12):130 ~ 134。
[8]帕西·Q·R、克裏內·S、庫拉·J·B等。孔隙度和電阻率測井有機豐度的實用模型。AAPG公報. 1990，74:1777~1794。