CN112686994B - 一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法，包括：构建耦合四要素的海相页岩岩相复合三角图分类方法，并利用该方法获得海相页岩岩相分类模式；基于单井逐点沉积微相识别结果和计算获得单井参数的基础上，依靠沉积微相控制和两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法，对海相页岩进行岩相单井定量识别；构建页岩小层沉积微相三维模型，并利用单井、单层页岩沉积微相约束与控制，采用截断高斯模拟算法对页岩岩相进行三维可视化表征。本发明综合考虑海相页岩岩石学特征差异和产气潜力差异，表征了页岩岩相在三维空间分布的非均质性特征，揭示了建产区内海相优质页岩气的空间产气潜力差异性，为建产区优化生产提供模型和技术支撑。

Description

一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，尤其涉及一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法。

背景技术

北美地区Barnett页岩与Horn River页岩的研究结果表明：页岩气能否大规模产出，除了受工程技术水平高低的影响外，更受控于优质页岩岩相类型分布的影响。针对中国四川盆地五峰-龙马溪海相页岩的研究成果也证实：页岩岩相类型的非均质分布，是造成页岩气富集程度差异性分布的重要因素。海相页岩气常常富集在硅质页岩、钙质页岩、泥质页岩等不同的页岩岩相中，加上页岩气的自生自储特性，不同的海相页岩岩相往往具有不同的页岩气开发潜力。作为海相优质页岩集中的建产区内，若能进一步细分其中的页岩岩相类型，并依据产气潜力差异通过优中选优，确立页岩岩相与单井产气潜力差异间的关系，对于中国页岩气规模建产定将有所裨益。

获得工业化油气生产突破的海相页岩具有如下两个典型特点。

①一般位于弱水动力环境，分布广泛，沉积环境平面变化不大

四川盆地威远、长宁和涪陵海相页岩气建产区内沉积环境基本一致，只是不同的建产区沉积亚环境略有不同，威远建产区主要沉积亚环境包括砂泥质浅水陆棚与钙质深水陆棚两类，长宁建产区以钙质深水陆棚亚环境为主，涪陵建产区则以硅泥质深水陆棚亚环境为主(图1)。在三个建产区内先后识别出泥质陆棚、砂质陆棚、硅质陆棚和混积陆棚四种微相类型；长宁与涪陵建产区发育全部四类微相，威远建产区发育除开泥质陆棚外的其余三类微相。各建产区内的沉积微相变化主要体现在纵向上，横向上与平面上的沉积微相分布广泛，变化很小，难以用微相来刻画海相优质页岩的平面非均质性。

②岩相变化大，导致单井产气潜力差异大，非均质严重

四川盆地各海相页岩气建产区内页岩的矿物含量、有机质丰度和物性特征差异均较大，岩相的复杂变化将导致单井页岩气产量递减速度快(达20％～80％不等)，各单井间递减幅度和产出效果的差异性极其明显，严重制约了规模建产工作的顺利开展。

为此，急需总结凝练页岩岩相原位表征技术方法，以揭示页岩油气建产区内岩相的不同类别，以及各类岩相在三维空间分布的非均质性特征。

但现有的页岩岩相分类大多集中考虑沉积成因类型、矿物含量和有机质含量，而没有考虑产气潜力差异，更没有建立系统的从海相页岩岩相分类、定量识别到三维非均质性表征的配套技术方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法，综合考虑海相页岩岩石学特征差异和产气潜力差异，建立了海相页岩岩相科学分类-定量识别-三维非均质性表征一体化配套技术方法，表征了页岩岩相在三维空间分布的非均质性特征，揭示了建产区内海相优质页岩气的空间产气潜力差异性，为建产区优化生产提供模型和技术支撑。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法，包括以下步骤：

步骤一：构建耦合四要素的海相页岩岩相复合三角图分类方法，并利用四要素复合三角图方法获得海相页岩岩相分类模式；

步骤二：基于单井逐点沉积微相识别结果和计算获得单井参数的基础上，依靠沉积微相控制和两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法，对海相页岩进行岩相单井定量识别；

步骤三：构建页岩小层沉积微相三维模型，并利用单井、单层页岩沉积微相约束与控制，采用截断高斯模拟算法对页岩岩相进行三维可视化表征。

具体的，所述步骤一具体包括以下子步骤：

S101，依据沉积微环境差异，梳理海相页岩微相类型，基于微相类型控制，确定海相页岩岩相成因类型及模式；

S102，依靠产气潜力差异，确定海相页岩岩相成因类型下属分类主控因素；

S103，基于岩相成因类型，利用四要素复合三角图方法生成海相页岩成因类型下属岩相分类模式图。

具体的，所述步骤S103具体包括：首先，选择代表性的钙质矿物、泥质矿物和硅质矿物，形成矿物含量三角图；然后，在海相页岩岩性分类模式基础上，进一步耦合有机质含量和孔隙度两要素进入三角图，形成耦合四要素主控因素的海相页岩分类复合三角图模式；最终获得耦合四要素主控因素与复合三角图法的海相页岩成因类型下属岩性分类模式图。

具体的，所述步骤二中的依靠沉积微相控制和两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法，对海相页岩进行岩相单井定量识别过程具体包括以下子步骤：

S201，在完成单井沉积微相逐点识别的基础上，采用第一级分段判别方法确定待识别样本的具体沉积微相类别；

S202，在选定的沉积微相控制约束下，利用二级模糊层次综合评判方法判断待识别样本的具体的岩性类别；

S203，基于待识别样本的岩性类别判别结果，采用第二级分段判别方法确定待识别样本修饰语的具体类别；

S204，对待识别样本的沉积微相类别判别结果、岩性类别判别结果和修饰语具体类别判别结果进行组合，获得待识别样本的实际岩相类别；

S205，按照单井目标靶点层位内随深度，采用逐点循环的方式，依靠微相控制，完成每个深度点处待识别样本的微相控制的实际岩相类别，最终实现整口井的页岩岩相定量识别。

具体的，所述步骤三中的采用截断高斯模拟算法对页岩岩相进行三维可视化表征具体包括以下子步骤：

S301，页岩小层沉积微相三维模型输入单井沉积微相和岩相数据，完成沉积微相控制岩相的变差函数分析，选用球状变差函数理论模型模拟获得不同页岩小层、不同微相控制下的岩相变差函数关键参数；

S302，以粗化后的单井岩相数据作为主输入，将微相控制下的岩相变差函数关键参数输入截断高斯模拟流程中，同时以小层沉积微相三维模型作为趋势约束开展模拟，最终得到各个页岩小层的岩相三维模型；

S303，基于各个页岩小层的岩相三维模型，分析建产区各小层各类页岩岩相在三维空间的分布特征，获得建产区内产气潜力高低差异特征和规律。

本发明的有益效果：本发明围绕四川盆地海相页岩气建产区的地质及开发特点，建立起考虑建产区产气潜力影响的海相优质页岩岩相分类表征技术流程，通过实例应用，揭示建产区海相优质页岩内部，具有产气潜力差异的不同页岩岩相类别及其空间分布规律，从而为建产区精细化生产管理及规模建产奠定理论基础、提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明的技术方法流程图。

图3是本发明的海相页岩成因类型下属岩性分类模式图。

图4是本发明的典型页岩气井岩相定量识别成果综合柱状图。

图5是本发明的典型海相页岩气建产区沉积微相三维模型栅状图。

图6是本发明的典型海相页岩气建产区页岩岩相三维模型分布图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本实施例中，如图1所示，一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法，包括以下步骤：

步骤一：构建耦合四要素的海相页岩岩相复合三角图分类方法，并利用四要素复合三角图方法获得海相页岩岩相分类模式；

步骤二：基于单井逐点沉积微相识别结果和计算获得单井参数的基础上，依靠沉积微相控制和两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法，对海相页岩进行岩相单井定量识别；

步骤三：构建页岩小层沉积微相三维模型，并利用单井、单层页岩沉积微相约束与控制，采用截断高斯模拟算法对页岩岩相进行三维可视化表征。

本发明的实施例中，详细的技术方案流程如图2所示，具体包括：

(1)耦合四要素主控因素的海相页岩岩相分类复合三角图方法的建立

A.依据沉积微环境差异，梳理海相页岩微相类型；基于微相类型控制，确定海相页岩岩相成因类型及模式。

四川盆地五峰-龙马溪组海相黑色页岩沉积微环境分别出现硅质陆棚、砂质陆棚、钙质陆棚、泥质陆棚、混积陆棚，每类微环境及其产出物集合成沉积微相，分别发育硅质陆棚微相、砂质陆棚微相、钙质陆棚微相、混积陆棚微相或泥质陆棚微相。根据现场取心描述结果分析发现，每类沉积微相中产出的主要岩相大类存在显著差异，其中硅质陆棚主要产出硅质页岩类，砂质陆棚主要产出砂质页岩类，钙质陆棚主要产出钙质页岩类，混积陆棚主要产出混合页岩类，而泥质陆棚则主要产出泥质页岩类。

B.依靠产气潜力差异，确定海相页岩岩相成因类型下属分类主控因素。有关海相页岩气开发评价的研究成果表明：①来源于不同沉积微环境中的页岩成因类型，不仅显示出岩石学特征差异，更代表了有机质原始产气潜力的不同，因此，页岩成因类型代表了页岩气富集的物质基础；②页岩气层中有机质含量虽然仅仅代表了残存有机质的多少，但由于页岩气建产区的范围一般都较小，其沉积成岩过程、生烃演化历史差别不大，地层温度压力变化也不大，现存的有机质含量多，意味着历史上也多，有机质的生产力水平也就高，所以，建产区页岩气层中有机质含量高，预示着含气性能更加优越；③与常规天然气一样，页岩气层孔隙空间的大小，决定了游离天然气储存量的多少，孔隙空间大，游离天然气量多，反之，则少；④矿物种类与含量的不同，代表了产生天然及人工裂缝能力及维持水平的高低差异，脆性矿物含量高，产生天然及人工裂缝的能力及维持水平相对较高。

同一海相建产区内承担钻井与压裂施工任务单位的技术水平和方案大体趋同，从而可以认为钻井与压裂工艺对气体产出的影响也基本一致，因此，筛选出的页岩成因类型、有机质含量、孔隙度、矿物组成这四大要素，既能代表海相页岩有机质含量的高低差异，又能反映压裂缝网构建的难易不同，从而能够成为建产区海相优质页岩产气潜力差异的主控地质因素。

C.基于岩相成因类型，利用四要素复合三角图方法确定海相页岩成因类型下属岩相分类模式。根据上述分析，依靠页岩成因类型、有机质含量、孔隙度、矿物组成四要素差异，采用如下步骤来确定海相页岩岩相成因类型下属分类模式。

首先，选择代表性的硅(砂)质矿物、钙质矿物和泥质矿物，形成矿物含量三角图(图1)。在页岩成因类型约束下，确定岩相的主名，将含量大于75％的确定为矿物相主名，分别为硅(砂)岩、灰岩(白云岩)和泥岩，含量小于75％统称为页岩，并按含量在50％～75％或25％～50％间，分别加上第一级修饰前缀“质”或“含”。由此确定出耦合成因类型与矿物组成的海相页岩岩性分类模式。

然后，在海相页岩岩性分类模式基础上，进一步耦合有机质含量和孔隙度两要素进入三角图，形成耦合四要素主控因素的海相页岩分类复合三角图模式(图2)。由图1清晰显示出耦合有机质含量和孔隙度两要素后的海相页岩分类模式。具体结果是：按有机质含量(TOC)和孔隙度(POR)的高低分别添加修饰前缀富碳或富孔(TOC>4％，POR>8％)、高碳或高孔(TOC＝3％-4％，POR＝6％-8％)、中碳或中孔(TOC＝2％-3％，POR＝4％-6％)、低碳或低孔(TOC＝1％-2％，POR＝2％-4％)。

最终，获得了如图3所示耦合四要素主控因素与复合三角图法的海相页岩成因类型下属岩性分类模式图，图3中，Ⅰ表示泥岩、Ⅱ表示硅岩或砂岩、Ⅲ表示石灰岩或白云岩、Ⅳ表示硅质或粉砂质页岩、Ⅴ表示泥质页岩、Ⅵ表示钙质页岩、Ⅶ表示混合页岩。如表1所示的依靠产气潜力差异与微相相控方法获得的海相页岩岩相类型及特征参数。

表1 依靠产气潜力差异与微相相控方法获得的海相页岩岩相类型及特征参数一览表

(2)依靠沉积微相控制的海相页岩岩相单井定量识别方法

依靠沉积微相控制的页岩岩相单井定量识别的原理如下式所示：

式中：F——为映射；f——两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法；D^W——单井待识别岩相样本；RF^W——单井实际岩相；MF^W——单井实际沉积微相；k——1，2，3，...单井随深度变化的特定取样点；i——1硅质陆棚微相，2砂质陆棚微相，3钙质陆棚微相，4泥质陆棚微相，5混积陆棚微相；j——1，2，3，...6某特定岩相类型(参见表1；当i＝5时，j＝1混合页岩)。

上述定量识别原理是在完成了单井逐点沉积微相识别，以及计算获得了单井逐点机质含量(TOC)、孔隙度(POR)、泥质含量VSH、硅质含量VSI和钙质含量VCA参数的基础上，依靠两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法来具体实现的，具体实现流程为：

①在完成单井沉积微相逐点识别的基础上，采用第一级分段判别方法确定待识别样本的具体沉积微相类别；

②在选定的沉积微相控制约束下，利用二级模糊层次综合评判方法判断待识别样本的具体的岩性类别；

③在上述判别结果的基础上，采用第二级分段判别方法确定待识别样本修饰语的具体类别；

④组合上述结果，获得待识别岩相样本的实际岩相类别；

⑤按照单井目标靶点层位内随深度，逐点循环的方式，依靠微相控制，完成每个深度点处待识别样本的微相控制的实际岩相类别，从而最终实现整口井的页岩岩相定量识别。

图4展示了某典型海相页岩气井的岩相定量识别成果。

(3)采用沉积微相层控策略的页岩岩相三维可视化表征方法

采用沉积微相层控策略的页岩岩相三维可视化表征数学原理如下式所示：

式中：F——为映射；ff——截断高斯模拟算法；RF_ml ^W——单井l层页岩岩相数据集；MF_l ^3D——l层页岩沉积微相三维模型；RF_l ^3D——l层页岩岩相三维模型；l——1，2，3，..目标区页岩小层编号；m——1，2，3，...目标区页岩气井井号。

上述数学原理是在完成了页岩小层沉积微相三维模型的基础上，利用单井、单层页岩沉积微相约束与控制，采用截断高斯模拟算法实现页岩岩相三维可视化表征的，具体实现流程为：①输入单井沉积微相和岩相数据，完成沉积微相控制岩相的变差函数分析，选用球状变差函数理论模型模拟获得不同页岩小层、不同微相控制下的岩相变差函数关键参数；②以粗化后的单井岩相数据作为主输入，将微相控制下的岩相变差函数关键参数输入截断高斯模拟流程中，同时以小层沉积微相三维模型作为趋势约束开展模拟，最终得到各个页岩小层的岩相三维模型。

图5给出了建立的某典型海相页岩气建产区沉积微相三维模型，图6给出了建立的某典型海相页岩气建产区部分小层岩相三维模型。

由建立的某典型区三维岩相模型，统计分析区内三维空间中所占体积比例较多的五类岩相分别为：a富碳高孔含钙泥质硅质页岩，d高碳中-高孔含钙含泥硅质页岩，g中-高碳中-高孔含钙含泥粉砂质页岩，e高碳中-高孔混合页岩，b富碳富孔混合页岩。同时满足在三维空间中所占体积比例大和生气潜力大的三种优良岩相类型为：a富碳高孔含钙泥质硅质页岩，b富碳富孔混合页岩d高碳中-高孔含钙含泥硅质页岩。

利用图6给出的建产区各小层各类页岩岩相在三维空间的分布特征，即可得到建产区内产气潜力高低差异特征和规律。图6c展示了沿A、B两口水平井轨迹剖切的三维岩相模型。其中，A井测试产量11.07万方/日，压裂长度1458m，加砂量2600方；B井测试产量21.8万方/日，压裂长度1438m，加砂量1500方。两口井的压裂长度近等，加砂量A井比B井多接近1倍，而测试产量A井只有B井的1半。两口井的生产结果充分表明，A井的产气潜力明显低于B井，而其中的原因正好能从两口井的井轨迹穿越的岩相类型的产气潜力差异得到解释；从图6c明显可以看出，左侧A井井周分布的岩相的产气潜力明显低于右侧B井。由此可见，利用本文所建立的三维岩相模型能够有效揭示页岩气井产气潜力差异的原因，从而为合理安排气井生产工作制度，实现页岩气建产区的精细化生产管理提供坚实的理论基础与有力的技术支撑。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建耦合四要素的海相页岩岩相复合三角图分类方法，并利用四要素复合三角图方法获得海相页岩岩相分类模式；

所述步骤一具体包括以下子步骤：

S101，依据沉积微环境差异，梳理海相页岩微相类型，基于微相类型控制，确定海相页岩岩相成因类型及模式；

S102，依靠产气潜力差异，确定海相页岩岩相成因类型下属分类主控因素；

S103，基于岩相成因类型，利用四要素复合三角图方法生成海相页岩成因类型下属岩相分类模式图；

所述步骤S103具体包括：首先，选择代表性的钙质矿物、泥质矿物和硅质矿物，形成矿物含量三角图；然后，在海相页岩岩性分类模式基础上，进一步耦合有机质含量和孔隙度两要素进入三角图，形成耦合四要素主控因素的海相页岩分类复合三角图模式；最终获得耦合四要素主控因素与复合三角图法的海相页岩成因类型下属岩性分类模式图；

步骤二：基于单井逐点沉积微相识别结果和计算获得单井参数的基础上，依靠沉积微相控制和两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法，对海相页岩进行岩相单井定量识别；

步骤三：构建页岩小层沉积微相三维模型，并利用单井、单层页岩沉积微相约束与控制，采用截断高斯模拟算法对页岩岩相进行三维可视化表征。

2.根据权利要求1所述的一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法，其特征在于，所述步骤二中的依靠沉积微相控制和两级分段判别嵌套二级模糊层次综合评判方法，对海相页岩进行岩相单井定量识别过程具体包括以下子步骤：

S201，在完成单井沉积微相逐点识别的基础上，采用第一级分段判别方法确定待识别样本的具体沉积微相类别；

S202，在选定的沉积微相控制约束下，利用二级模糊层次综合评判方法判断待识别样本的具体的岩性类别；

S203，基于待识别样本的岩性类别判别结果，采用第二级分段判别方法确定待识别样本修饰语的具体类别；

S204，对待识别样本的沉积微相类别判别结果、岩性类别判别结果和修饰语具体类别判别结果进行组合，获得待识别样本的实际岩相类别；

S205，按照单井目标靶点层位内随深度，采用逐点循环的方式，依靠微相控制，完成每个深度点处待识别样本的微相控制的实际岩相类别，最终实现整口井的页岩岩相定量识别。

3.根据权利要求1所述的一种海相页岩岩相分类的定量识别与三维表征方法，其特征在于，所述步骤三中的利用单井、单层页岩沉积微相约束与控制，采用截断高斯模拟算法对页岩岩相进行三维可视化表征具体包括以下子步骤：

S301，页岩小层沉积微相三维模型输入单井沉积微相和岩相数据，完成沉积微相控制岩相的变差函数分析，选用球状变差函数理论模型模拟获得不同页岩小层、不同微相控制下的岩相变差函数关键参数；

S302，以粗化后的单井岩相数据作为主输入，将微相控制下的岩相变差函数关键参数输入截断高斯模拟流程中，同时以小层沉积微相三维模型作为趋势约束开展模拟，最终得到各个页岩小层的岩相三维模型；

S303，基于各个页岩小层的岩相三维模型，分析建产区各小层各类页岩岩相在三维空间的分布特征，获得建产区内产气潜力高低差异特征和规律。

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