CN110685676B - 一种定量识别优质页岩段的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种定量识别优质页岩段的方法。该方法包括：根据TOC分布与U、Th、K、GR的相关性定性识别优质页岩段；确定代表性钻井或代表性露头剖面；根据代表性钻井或露头剖面分析测井数据的一致性与实验测试TOC数据的有效性，以选取有效数据；利用有效数据分别制作成TOC与U、TOC与Th、TOC与K、TOC与Th/U的散点图；在散点图中，定性识别的优质页岩段分布范围，建立识别优质页岩段的定量图版。本发明通过放射性特征及判别标志从地质角度寻找优质页岩段，为非常规领域页岩气勘探开发提供了一条有效途经。

Description

一种定量识别优质页岩段的方法

技术领域

本发明涉及非常规资源勘探、开发技术领域，更具体地，涉及一种定量识别优质页岩段的方法。

背景技术

国内外页岩气开发实践表明，具商业开采价值的页岩气层常常发育于高的有机质含量(TOC)或TOC异常的页岩段之中，本方法将高的有机质含量的页岩段称之为优质页岩段(周维娜，2016)，对应于邹才能等(2015)定义的富有机质页岩段。优质页岩段既具有高的TOC，又具有高或低异常的U、Th、K放射性元素与放射性γ(即伽马射线)；可谓高TOC、放射性异常共生于一体。这种放射性异常与TOC之间的共生关系为寻找优质页岩段及页岩气开发提供了一条有效途经。

放射性在解决岩性分层(田国华等，2011)，泥质含量、粘土矿物种类、有机碳含量(石玉春等，1994；宋丽红等，2011)，油气藏边界(张晋言等，2012)，以及沉积环境(专利WO2009126609A2，2009)等方面发挥重要作用。不过，利用U、Th、K放射性元素评估泥页岩地层特性的文献报道并不多(董兰屏等，2009)，专利GB2133136A根据U、Th、K数据实现了泥质与云母含量的定量估算。同时，前人利用自然伽马(GR)放射性评估地层TOC的工作也取得了不少进展。专利CN103670388A基于自然伽马放射性校正对TOC进行了测井评价；专利CN103098062A提供了一种基于计算的标准化中子－密度分隔，结合GR测井数据自动标识井筒富油气段的计算机实现方法和提交了相应软件。同样，Schmoker(1981)曾发现美国Illinois州New Albany页岩岩心的自然伽马测井值(GR)与TOC呈线性关系，开展了测井评价；李新景等(2009)报道西加拿大盆地Gordondale组C段富有机质泥岩具有高伽马(GR值为75～250API)、高U含量特征，Fort Worth盆地Barnett硅质页岩产气层则显示高伽马值(GR大于100API,部分高达400API以上。王玉满等(2012)根据相关性研究提出川南下志留统龙马溪组的高伽马段对应着富有机质页岩，其TOC值一般为2％～7.3％。专利US4071755A依据自然伽马能谱测井数据(U、Th、K)开展了TOC定量测井评价且提供了自动化软件；专利CN102621588A依据便携式自然伽马能谱仪，测量钻井现场岩屑或岩心所得到的U、Th、K含量变化曲线快速识别泥页岩储层中的U富集即铀矿矿点；苗其师(2013)利用铀、钍铀比资料通过测井评价方法定量计算了有机碳含量。然而，如果实验测试分析的TOC数据偏差太大，上述岩心刻度的测井评价法、半定量图版法则导致优质页岩段的厚度人为增加或减少。

上述测井评价法、GR图版法对泥页岩地层的TOC实现了定量、半定量估算；但是，基于放射性U、Th、K特征从地质角度判别优质页岩段的方法并没有涉及。因此，有必要开发一种定量识别优质页岩段的方法。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种定量识别优质页岩段的方法，通过放射性特征及判别标志从地质角度寻找优质页岩段，有助于快速可靠判别优质页岩段的厚度、有效优选页岩气甜点段、准确定位水平井侧钻靶窗，为非常规领域页岩气勘探开发提供了一条有效途经。与现有技术相比，本发明具有简单易用、优质页岩段判别可靠、水平井侧钻靶窗定位准确的特点。该方法有助于优质页岩段的快捷判定和页岩气甜点段的准确优选，对非常规资源的勘探开发具有重要指导意义。其能够通过放射性特征及判别标志从地质角度寻找优质页岩段，有助于快速可靠判别优质页岩段的厚度、有效优选页岩气甜点段、准确定位水平井侧钻靶窗，为非常规领域页岩气勘探开发提供了一条有效途经。

根据本发明提出了一种定量识别优质页岩段的方法。所述方法包括：

1)根据TOC分布与U、Th、K、GR的相关性定性识别优质页岩段；

2)确定代表性钻井或代表性露头剖面；

3)根据步骤2)中所述的代表性钻井或露头剖面分析测井数据的一致性与实验测试TOC数据的有效性，以选取有效数据；

4)以TOC作为横坐标轴，分别以U、Th、K、Th/U作为纵坐标轴，在直角坐标图中依次进行对所述步骤3)中选取的有效数据进行投点，分别制作成TOC与U、TOC与Th、TOC与K、TOC与Th/U的散点图；

5)在所述散点图中，基于步骤1)定性识别的优质页岩段分布范围，建立识别优质页岩段的定量图版。

优选地，在步骤1)中，根据U、Th、K、GR测井曲线的包络样式、参数大小和拐点位置表现出的右漂移型、左漂移型和右凸型三种模式定性识别优质页岩段。

优选地，在步骤2)中，将满足以下条件的钻井或代表性露头剖面确定为代表性钻井或代表性露头剖面：

位于同一盆地、无断层穿过，无地层重复、位于同一目的层、取心完备、录井或测井资料完整、经过系统采样与实验测试。

优选地，在步骤3)中，所述测井数据的一致性要求为：测井资料通过同一测井仪器测得，属于同一测井系列，并且测井时间相近。

优选地，在步骤3)中，根据优质页岩段的厚度判断实验测试TOC数据的有效性。

优选地，所述实验测试TOC数据的有效性要求为：被定性为优质页岩段的样本厚度与实验测试数据TOC高值段或异常段厚度相当。

优选地，在步骤5)中，通过以下步骤建立定向图版：

5-1)按照优质页岩段TOC下限值划出一条平行于纵坐标轴的竖直线；

5-2)按照优质页岩段的数据点75％以上多数分布原则，以放射性元素上限、下限分别划出一条平行于横坐标轴的水平线，获得一个优质页岩段数据点占绝大多数的半矩形分布范围；

5-3)在散点图中，优质页岩段分布区的TOC下限值分别对应着U、Th、K、Th/U参数的下限或上限界线值，完成定量图版。

优选地，根据步骤5)中建立的定量图版，依据U、Th、K、Th/U参数的上限或下限界限，作为定量判别优质页岩段的标准值。

优选地，根据权利要求3中所述的一种定量识别优质页岩段的方法，其特征在于，所述取心完备表现为钻井具备连续取心或者重要井段大部分取心。

优选地，所述系统采样与实验测试指密集的钻井岩心样品采集及具备TOC资料。

本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一种定量识别优质页岩段的方法步骤流程图；

图2(a)示出了右漂移性优质页岩段识别模式与拐点示意图；

图2(b)示出了左漂移性优质页岩段识别模式与拐点示意图；

图2(c)示出了右凸形优质页岩段识别模式示意图；

图3(a)示出了实验1井TOC分布与U、Th、K、GR相关性示意图；

图3(b)示出了实验2井TOC分布与U、Th、K、GR相关性示意图；

图4(a)示出了测井响应与TOC变化；

图4(b)示出了U含量与TOC投点图及其定量图版；

图4(c)示出了Th含量与TOC投点图及其定量图版；

图4(d)示出了K含量与TOC投点图及其定量图版；

图4(e)示出了Th/U比值与TOC投点图及其定量图版。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明的一种定量识别优质页岩段的方法步骤流程图。

在该实施例中，根据本发明的一种定量识别优质页岩段的方法包括：

步骤1：根据TOC分布与U、Th、K、GR的相关性定性识别优质页岩段。

在一个示例中，根据TOC分布与U、Th、K、GR的相关性，通过优质页岩段的识别模式，从地质角度定性判别优质页岩段在纵向上的发育位置与连续分布厚度。根据U、Th、K、GR测井曲线的包络样式、参数大小和拐点位置表现出的右漂移型、左漂移型和右凸型三种模式定性识别优质页岩段。本领域技术人员应理解，这3种识别模式的地质基础与理论是优质页岩段之中的高TOC、放射性异常共生于一体的本质。

步骤2：确定代表性钻井或代表性露头剖面。

在一个实施例中，将满足以下条件的钻井或代表性露头剖面确定为代表性钻井或代表性露头剖面：位于同一盆地、无断层穿过，无地层重复、位于同一目的层、取心完备、录井或测井资料完整、经过系统采样与实验测试。

具体地，所述取心完备表现为钻井具备连续取心或者重要井段大部分取心。所述系统采样与实验测试指密集的钻井岩心样品采集及具备TOC资料，尤其要具备丰富的TOC资料。由于隶属于不同盆地的钻井数据受地质条件影响，同一种类的测量或测井数据偏差可能较大；同时，同一盆地之内与之外也存在较大差别，因为盆地之外受保存条件尤其是淡水注入、油气散失等影响，同一种类的测量或测井数据变化大，因此，为消除影响，需选取同一盆地之内的钻井数据。由于不同目的层或含气页岩段的测量或测井数据可能偏差较大，因此，选取井数据时要瞄准同一目的层。录井或测井资料完整指录井资料和包含U、Th、K、GR的常规测井资料齐全。以上条件保证了地质条件简单相似、数据丰富齐全是数据选取的基本原则。

步骤3：根据步骤2中所述的代表性钻井或露头剖面分析测井数据的一致性与实验测试TOC数据的有效性，以选取有效数据。

测井数据的一致性要求为：测井资料通过同一测井仪器测得，属于同一测井系列，并且测井时间相近。如果代表性钻井是不同测井仪器、不同年代的测井数据，则需要进行测井数据处理。

根据优质页岩段的厚度判断实验测试TOC数据的有效性。实验测试TOC数据的有效性要求为：被定性为优质页岩段的样本厚度与实验测试数据TOC高值段或异常段厚度相当。

更进一步地，所述判断实验测试TOC数据的有效性，也可以通过以下两种方式进行判别，本领域技术人员应当理解，也可以通过其他的方法进行判别。

方式1：根据同一沉积亚相带优质页岩段的厚度相近或逐渐变化的地质规律，通过比较邻近钻井优质页岩段的厚度判别这种数据的有效性，如果某一口钻井相应于邻近钻井优质页岩段的厚度突然成倍增厚或减小，则实验测试的TOC数据判定为无效；

方式2：根据测井响应特征与录井气测资料判别这种数据的有效性，国内外已有经验知识表明优质页岩段呈现出GR高、密度低的“一高一低”特点且气测出现高异常，如果某一钻井优质页岩段的厚度突变增加、不符合“一高一低”测井响应特征和气测具有明显低的现象，则判定为无效。

如果实验测试的TOC数据偏大或偏小，就会引起优质页岩段厚度的人为增大或减小；在此情况下，仅依据实验测试数据就不能真实体现优质页岩段的厚度，这就体现了定性识别模式的优越性。由于无效的实验测试的TOC数据不能用于定量图版的建立，在代表性钻井中要事先剔除。

在一个示例中，基于数据一致性与有效性分析，依据TOC将所有已确定的钻井数据分为二类：优质页岩段的和非优质页岩段的自然伽马能谱测井数据。为便于之后制作散点图，可以优选地制作统计数据表格。在该表格制作中，首先，将优质页岩段的TOC数据按钻井名称和井段深度依次集中放在一起，将非优质页岩段的TOC数据按钻井名称和井段深度依次集中放在一起，其次，按井名、深度、TOC、U、Th、K、Th/U数据列制作成统计数据表格。

步骤4：以TOC作为横坐标轴，分别以U、Th、K、Th/U作为纵坐标轴，在直角坐标图中依次进行对所述步骤3)中选取的有效数据进行投点，分别制作成TOC与U、TOC与Th、TOC与K、TOC与Th/U的散点图。

在进行投点时，将优质页岩段的数据点或分布点用某种颜色显示，将非优质页岩段的TOC数据点或分布点用另一种颜色显示。

步骤5：在步骤4制作的散点图中，基于步骤1定性识别的优质页岩段分布范围，建立识别优质页岩段的定量图版。

在一个实施例中，通过以下步骤建立定向图版：

5-1按照优质页岩段TOC下限值划出一条平行于纵坐标轴的竖直线；

5-2按照优质页岩段的数据点75％以上多数分布原则，以放射性元素上限、下限分别划出一条平行于横坐标轴的水平线，获得一个优质页岩段数据点占绝大多数的半矩形分布范围；

5-3在散点图中，优质页岩段分布区的TOC下限值分别对应着U、Th、K、Th/U参数的下限或上限界线值，完成定量图版。

依据定量图版中U、Th、K、Th/U参数的上限或下限界限，读取优质页岩段U、Th、K、Th/U的各界线值，作为定量判别优质页岩段的标准值。在步骤5-2中，以放射性元素上限、下限分别划出一条平行于横坐标轴的水平线，该水平线具体如何确定为上限或下限，是依据在该水平线以上或以下其能够将75％以上的优质页岩段包含在其优选范围内，则将其作为判别优质页岩段的标准值。

具体地，如图4(b)，在U含量与TOC投点图中，首先在浅色数据点的下限TOC含量为2％左右划一条平行于纵坐标轴的竖直线，其次，观察其优质页岩段的分布区域，当U≥8时，能够保证优质页岩段的75％以上的数据点能够包含在TOC≥2％、U≥8的半矩形区域内，则确定U的下限值8即为判定优质页岩段的标准值。同样地，如图4(c)，在浅色数据点的下限TOC含量为2％左右划一条平行于纵坐标轴的竖直线，当Th≤18时，能够保证优质页岩段的75％以上的数据点能够包含在TOC≥2％、Th≤18的半矩形区域内，则确定Th的上限值18即为判定优质页岩段的标准值。

本发明通过上述定性识别和定量判别，能快速明确纵向上优质页岩段的厚度与分布位置，从而为页岩气勘探开发提供依据。

应用示例

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

应用于实际实验1井中，如图2(a)所示，其示出了右漂移性优质页岩段识别模式与拐点，在图中，在A、B两点之间U值明显增大；从上而下至A点为一拐点，A点之上为一弱锯齿状测井包络线且U值变化不大，A点之下测井包络线向右漂移且U值逐渐增大；根据实验测试数据TOC的分布特征，AB段对应着TOC的高值段或异常段，据此将AB段识别为优质页岩段。如图2(b)所示，其示出了左漂移性优质页岩段识别模式与拐点，在图中，A拐点之上为一锯齿状测井包络线且Th或K值在一中心线附近变化，A拐点之下测井包络线向左漂移且Th或K值逐渐减少；AB段对应着实验测试数据TOC的高值段或异常段，据此判别AB段为优质页岩段。如图2(c)所示，其示出了右凸形优质页岩段识别模式，A拐点之上为一弱锯齿状测井包络线且GR值变化不大，A拐点之下测井包络线向右逐渐增大而后向B点又逐渐减少，构成向右凸出的形态；AB段对应着实验测试数据TOC的高值段或异常段，据此判别AB段为优质页岩段。

依据以上的3种识别模式，从地质角度可以定性、直观地识别优质页岩段AB。同时，在以下的示例中也能够利用这三种识别模式，诊断出实验测试数据TOC的可靠性或准确性。

如图3(a)所示，其表现出实验1井TOC分布与U、Th、K、GR相关性，首先，GR测井包络线呈现为A拐点和右凸型模式，U测井包络线出现A拐点和右漂移型模式，Th或K测井包络线反映出A拐点和左漂移模式，据此认定优质页岩段厚度即为AB段厚度；其次，实验测试数据TOC，发现TOC的高值段或异常段的厚度略少于AB段的厚度，这说明实验测试的TOC数据是可靠的。但是，如图3(b)所示，实验2井的依据Th或K测井包络线反映出A拐点和左漂移模式，TOC的高值段或异常段的厚度远大于AB段的厚度，这说明实验测试的TOC数据是不可靠的，或者说实验测试的TOC数据不准确而判定为无效。

图4(a)示出判定TOC数据有效性的另一种方法，对比测井响应特征与录井气测资料以判定实验测试TOC数据的有效性。在图中，井深2380-2410m井段处，首列测井曲线列GR值高，对应的第三列孔隙度曲线其密度值低，呈现反相关关系，即“一高一低”测井响应，且对应的末列气测值呈现出高异常状态，则判定实验数据TOC是有效的。相反，如果某井段不符合GR值高、密度值低“一高一低”测井响应特征且气测具有明显低的现象，则实验数据TOC判定为无效。

在选取了有效的数据后，将优质页岩段的TOC数据按钻井名称和井段深度依次集中放在一起，将非优质页岩段的TOC数据按钻井名称和井段深度依次集中放在一起，其次，按井名、深度、TOC、U、Th、K、Th/U数据列制作成统计数据表格(表1)。

表1实验1井等多口井的数据

根据统计数据表格中的数据，以TOC作为横坐标轴，分别以U、Th、K、Th/U作为纵坐标轴，在直角坐标图中依次进行对所述步骤3)中选取的有效数据进行投点，分别制作成TOC与U、TOC与Th、TOC与K、TOC与Th/U的散点图，如图4(b)～图4(e)所示，其中浅色点方块、深色点菱形分别代表了优质页岩段和非优质页岩段的数据。

在制作散点图后进行定量图版制作。如图4(b)，在U含量与TOC投点图中，首先在浅色数据点的下限TOC含量为2％左右划一条平行于纵坐标轴的竖直线，其次，观察其优质页岩段的分布区域，当U≥8时，能够保证优质页岩段的75％以上的数据点能够包含在TOC≥2％、U≥8的半矩形区域内，则确定U的下限值8即为判定优质页岩段的标准值。如图4(c)，在浅色数据点的下限TOC含量为2％左右划一条平行于纵坐标轴的竖直线，当Th≤18时，能够保证优质页岩段的75％以上的数据点能够包含在TOC≥2％、Th≤18的半矩形区域内，则确定Th的上限值18即为判定优质页岩段的标准值。如图4(d)，在浅色数据点的下限TOC含量为2％左右划一条平行于纵坐标轴的竖直线，当K≤3.4时，能够保证优质页岩段的75％以上的数据点能够包含在TOC≥2％、K≤3.4的半矩形区域内，则确定K的上限值3.4即为判定优质页岩段的标准值。如图4(e)，在Th/U含量与TOC投点图中，首先在浅色数据点的下限TOC含量为2％左右划一条平行于纵坐标轴的竖直线，其次，观察其优质页岩段的分布区域，当Th/U≥2时，能够保证优质页岩段的75％以上的数据点能够包含在TOC≥2％、Th/U≥2的半矩形区域内，则确定Th/U的下限值2即为判定优质页岩段的标准值。

因此，能够得到优质页岩段的U、Th、K、Th/U判别标准值分别为：U≥8、Th≤18、K≤3.4、Th/U≤2.0。

综上所述，本发明具有简单易用、准确判别优质页岩段的厚度、快速优选页岩气甜点段的特点。

依据优质页岩段的定性与定量判别标志，适应地质人员的习惯思维；简单直观，在测井评价之前，就可以地判定判别优质页岩段的厚度。本方法通过地质规律、测井响应特征进行实验测试TOC数据的有效性分析，消除实验测试TOC数据的误差影响。基于U、Th、K、Th/U参数的定性判别标志可以不依赖测井评价开展事先的富有机质页岩段层位与厚度的准确判别。在准确判定优质页岩段的层位与厚度之后，结合其他页岩气富集的地质、工程评价指标，在优质页岩段中进行“优中选优”，快速优先出TOC更高、脆性更好的页岩气甜点段，确定水平井侧钻靶窗。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (3)

1.一种定量识别优质页岩段的方法，其特征在于，包括：

1)根据TOC分布与U、Th、K、GR的相关性定性识别优质页岩段；

2)确定代表性钻井或代表性露头剖面；

3)根据步骤2)中所述的代表性钻井或露头剖面分析测井数据的一致性与实验测试TOC数据的有效性，以选取有效数据；

4)以TOC作为横坐标轴，分别以U、Th、K、Th/U作为纵坐标轴，在直角坐标图中依次进行对所述步骤3)中选取的有效数据进行投点，分别制作成TOC与U、TOC与Th、TOC与K、TOC与Th/U的散点图；

5)在所述散点图中，基于步骤1)定性识别的优质页岩段分布范围，建立识别优质页岩段的定量图版；

在步骤1)中，根据U、Th、K、GR测井曲线的包络样式、参数大小和拐点位置表现出的右漂移型、左漂移型和右凸型三种模式定性识别优质页岩段；

在步骤2)中，将满足以下条件的钻井或代表性露头剖面确定为代表性钻井或代表性露头剖面：

位于同一盆地、无断层穿过，无地层重复、位于同一目的层、取心完备、录井及测井资料完整、经过系统采样与实验测试；

在步骤3)中，所述测井数据的一致性要求为：测井资料通过同一测井仪器测得、属于同一测井系列，并且测井时间相近；

在步骤3)中，根据优质页岩段的厚度判断实验测试TOC数据的有效性；

所述实验测试TOC数据的有效性要求为：被定性为优质页岩段的样本厚度与实验测试数据TOC高值段或异常段厚度相当；

在步骤5)中，通过以下步骤建立定向图版：

5-1)按照优质页岩段TOC下限值划出一条平行于纵坐标轴的竖直线；

5-2)按照优质页岩段的数据点75％以上多数分布原则，以放射性元素上限、下限分别划出一条平行于横坐标轴的水平线，获得一个优质页岩段数据点占绝大多数的半矩形分布范围；

5-3)在散点图中，优质页岩段分布区的TOC下限值分别对应着U、Th、K、Th/U参数的下限或上限界线值，完成定量图版；

根据步骤5)中建立的定量图版，依据U、Th、K、Th/U参数的上限或下限界限，作为定量判别优质页岩段的标准值。

2.根据权利要求1中所述的一种定量识别优质页岩段的方法，其特征在于，所述取心完备表现为钻井具备连续取心或者重要井段大部分取心。

3.根据权利要求1中所述的一种定量识别优质页岩段的方法，其特征在于，所述经过系统采样与实验测试指密集的钻井岩心样品采集及具备TOC资料。

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