基金项目:中国地质调查局矿产资源调查评价项目; 鄂尔多斯盆地南部铜川—延安地区三叠系油页资源调查评价(1212011120963)资助
通讯作者: 李玉宏(1968-),男,陕西甘泉人,教授级高级工程师,主要从事油气及非常规能源地质调查工作.
1.中国地质调查局 西安地质调查中心,陕西 西安 710054; 2.西安石油大学 油气资源学院,陕西 西安 710065
(1.Xi'an Center of Geological Survey,GCS, Xi'an 710054, China; 2.School of Petroleum Resources, Xi'an Petroleum University, Xi'an 710065,China)
Tongchuan area; oil shale; oil-bearing rate; well logging evaluation; ΔlogR
油页岩是一种重要的非常规油气资源,油页岩的含油率是油页岩工业品质评价中最重要的参数之一。目前,油页岩含油率主要是通过对岩芯的实验室测定来获取,受取芯和测试成本影响,可利用的含油率数据十分有限,且由离散样品获得的含油率数据难以准确反映强非均质性的有机质在地层中的准确分布。油页岩具有典型的测井曲线特征,利用测井资料估算油页岩含油率,可以在较低的经济成本基础上获得更多且连续性好的数据。通过铜川地区油页岩探井的测井与有机碳、含油率资料,结合ΔlogR方法,初步建立了油页岩有机碳(TOC)质量分数和含油率(ω)解释模型,对油页岩层段进行了识别和有机碳和含油率解释计算,通过对比验证取得了较好的效果,为利用研究区大量石油测井资料进行油页岩工业评价提供了方法和依据。
Oil shale is an important unconventional petroleum resource. Oil-bearing rate, one of the most important parameters for evaluating oil shale, is mainly measured by laboratory analysis of core samples nowadays. Oil-bearing rate is rare due to the cost of coring and testing, and the ones obtained from discrete samples hardly reflect accurate distribution of strong heterogeneous organic matter. Considering typical well logging curves of oil shale, continuous oil-bearing rate can be economically obtained by estimating logging data. The relationship between total organic carbon(TOC)and oil content(ω)is proposed by the synthesizing of well logging, organic carbon, and oil-bearing rate of oil shale and applying ΔlogR method. The model of the relationship yields effective results when identifying oil shale beds, computing organic carbon and oil bearing rate, and therefore advances industry evaluation of oil shale with abundant oil well logging data in research area.
油页岩属于非常规油气资源,以资源丰富和开发利用的可行性而被列为21世纪重要的替代能源[1-3]。鄂尔多斯盆地是中国大型含油气盆地之一,不仅蕴藏巨量的油气资源、煤、煤层气、铀矿及地下水资源,而且蕴藏着丰富的油页岩资源。鄂尔多斯盆地油页岩资源主要分布在陕北及渭北地区,赋矿层位主要为中生界,包括侏罗系延安组、安定组,三叠系延长组(长1,长7,长9)等层组。其中,三叠系延长组长7油层组页岩油(油页岩矿经干馏提取而成,相当于原油)资源量超过500×108 t,占全国页岩油资源量的34%,据全国之首[4]。
油页岩含油率(ω)是指油页岩中页岩油(焦油)所占的质量分数,一般采用实验室测定岩样(岩芯)的方法来获得,是界定油页岩矿产资源的一项重要指标,也是油页岩评价过程中最重要的参数[5-6]。根据含油率将油页岩划分为非矿体(小于3.5%)、低品级(3.5%~5.0%)、中品级(5.0%~10.0%)和高品级油页岩(大于10.0%)等4个级别[1,7]。鄂尔多斯盆地积累了大量的石油钻探资料,而且油气井测井系列齐全,但受工作目的和成本的限制,取芯少,特别是油页岩段取芯更少,难以通过油页岩岩芯分析直接获得油页岩含油率数据。由于含油率数据的缺少,目前区内油气测井资料主要应用于油页岩定性解释,难以准确定量确定油页岩厚度,造成资源量评价结果差别大[4,8]。如果能够利用测井资料估算油页岩含油率,就可以利用大量的油气井资料,快速有效的评价鄂尔多斯盆地油页岩资源,获得较为可靠的资源量成果,为油页岩资源利用提供依据。
文中根据铜川地区油页岩钻探资料,通过ΔlgR方法,利用自然伽马、电阻率、声波时差等常规测井曲线对有机碳质量分数的不同响应,建立测井成果与有机碳质量分数(TOC)之间的对应关系。再通过油页岩含油率与TOC分析成果回归关系,建立含油率的测井解释模型,估算油页岩含油率参数,从而定量地评价油页岩层的工业品质,进行油页岩的识别与油页岩含油率的预测,取得了较好的效果。
鄂尔多斯盆地长9油页岩总体厚度较薄,一般0.9~4.4 m,含油率较低(>1%~5.4%),为品质较差的油页岩。资源潜力相对有限,不是陕北地区油页岩勘探的主要目的层。长1油页岩主要分布在蟠龙(延安)—子长一带,虽然分布范围不大,但具有含油率高(6~14%)的,厚度中等(8~12 m)、埋藏较浅(一般埋深小于300 m)等特点,局部可形成小而肥的油页岩矿床。延安组第二段在太白—甘泉—延安一带分布半深湖相油页岩,厚度5~10 m; 延安组第四段在吴起—大理河以北地区(麒麟沟—无定河—磁瑶湾)分布沼泽相油页岩,厚度6~9 m.安定组油页岩主要分布在西杏子河、洛河一带,厚度一般8~15 m,厚者可达30余米。
三叠系延长组长7期是鄂尔多斯中生界盆地发育的鼎盛时期,盆地南部表现为大面积的深湖—半深湖相沉积(图1),形成了分布广泛、厚度巨大(最大厚度达30 m以上)、品质优良(含油率5~10%)的油页岩,具备形成大型—特大型油页岩矿床的地质条件,为鄂尔多斯盆地油页岩资源调查的首选目标层位[8-9] 。
图1 铜川地区延长组长73期沉积相图
Fig.1 Sedimentary facies of Chang 73 of Yanchang formation in Tongchuan area
鄂尔多斯盆地埋藏较浅的三叠系延长组长7油页岩资源主要分布在陕北南部及渭北地区的铜川—富县地区,该区靠近盆地中生代沉积与沉降中心,长7油页岩出露点多、埋藏浅、厚度较大、含油率较高,为品质良好的油页岩,具有巨大的油页岩勘查前景[8-9]。由于该区积累了大量油气测井资料(图1),希望通过少量油页岩调查钻井资料,建立含油率地区性测井解释模型,通过测井解释方法,快速准确地评价油页岩资源量。
铜川地区油页岩测井响应特征(图2)如下:①自然伽马中高值,300~780 API,平均580 API,是一般泥岩的3倍以上; ②侧向电阻率曲线高值,一般60~240 Ω·m,平均130 Ω·m,是一般泥岩的4倍以上; ③密度低值,有机碳质量分数较高层段密度测井数值明显降低,范围为1.85~2.40 g/cm3,平均2.13 g/cm3; ④声波时差相对高值,一般320~390 μs/m,平均350 μs/m.可见,油页岩测井响应特征明显、易于识别,可以利用鄂尔多斯盆地大量的石油钻孔测井资料进行油页岩识别和解释评价。
以研究区何2井为例,通过对油页岩分析含油率与对应测井资料对比,自然伽马、电阻率、密度、声波时差测井值与含油率有较好的相关性(图3~图6),相关系数分别为R自然伽马=0.84,R电阻率=0.81,R密度=0.83,R声波时差=0.78.可见,自然伽马、电阻率、密度、声波时差等单测井参数与含油率具有较好的相关性,利用多测井参数进行油页岩含油率综合解释,精度会更高,利用研究区现有测井参数解释油页岩含油率是可行的。
图3 何2井实测含油率值与地层电阻率关系图
Fig.3 Relation between tested oil-bearing rate and strata resistivity of He-2 well
油页岩富含有机质,是品质良好的烃源岩,通常有机质含量越高,其含油率也越高。国内外最常用的烃源岩测井评价方法是ΔlogR法[10-13]。ΔLogR技术是埃克森(Exxon)和埃索(Esso)公司于1979年开发的适用于碳酸盐岩和碎屑岩的,利用测井资料识别和计算含有机质岩层有机质碳(TOC)质量分数的一种方法。前人根据此原理,得出了有机碳定量预测经验公式
图6 何2井实测含油率值与自然伽马测井值相关图
Fig.6 Relation between tested oil-bearing rate and natural gamma ray(GR)of He-2 well
ΔlogR =lg(R/R基线)+0.02(Δt-Δt基线),
TOC=ΔlogR×10(2.297-0.168 8×LOM).
式中 R为测井曲线不同深度所对应的电阻率值,Ω·m; Δt为测井曲线不同深度所对应的声波时差,μs/ft; R基线为非源岩电阻率曲线和声波时差曲线重合时的电阻率值,Ω·m; Δt基线为非源岩电阻率曲线和声波时差曲线重合时的声波时差值,μs/ft; TOC为机质碳质量分数,%; LOM为有机质热变指数(根据研究区前人研究结果,确定本区LOM=8.5)。
根据上述方法,选择连续取芯,且油页岩段岩芯采取率较高(油页岩段进尺20.55 m,采取岩芯17.40 m,采取率85%),进行了大量有机碳和含油率分析(各62件)的何2井,进行了油页岩有机碳质量分数的解释计算。有机碳解释结果与岩芯样品实验室测定数据对比,其相关系数达到0.86,说明用该方法估算的有机碳质量分数与实测值吻合较好,可以用该模型计算研究区油页岩的有机碳质量分数。
然后,根据有机碳与含油率的分析结果回归,二者关系为:ω=0.306×TOC+0.482 2,相关系数R=0.871(图7)。
结合有机碳测井解释公式TOC= [lg(R/R基线)+0.02(Δt-Δt基线)]×10(2.297-0.168 8×8.5),即可获得含油率(ω,%)测井解释公式:ω=0.306·{[lg(R/R基线)+0.02(Δt-Δt基线)]×10(2.297-0.168 8×8.5)}+0.482 2.
经对预测含油率与实测含油率对比,二者吻合性较好(图8),其相关系数可达0.87.
利用上述模型对铜川地区3口油页岩调查井长7油页岩含油率初步进行了测井解释,并与分析结果进行了对比。
何1井164.70~165.68 m,166.30~181.02 m,183.96~186.04 m段解释为有效油页岩段(即,含油率≥3.5%),总厚度17.78 m,加权平均含油率为5.0%,实测含油率与计算含油率相关系数达到0.784.
何2井256.76~273.40 m,274.20~274.84 m,275.40~275.84 m段解释为有效油页岩段,总厚度为17.72 m,含油率为5.8%.有机碳、含油率解释结果与分析值一致性较好(图9)。
何3井659.72~660.26 m,660.99~677.46 m段为有效油页岩段,总厚度为17.01 m,平均含油率为7.0%,实测含油率与计算含油率相关系数达到0.81(图 10)。
从以上结果可以看出,公式计算的有机碳质量分数和含油率与实际测量数据基本符合,用该方法解释研究区油页岩含油率是可行的。
图9 何2井预测与实测有机碳及含油率综合对比图
Fig.9 Comprehensive comparison between tested and calculated organic carbon andoil-bearing rate of He-2 well
1)单测井参数解释油页岩具有很大的局限性,为了保证研究结果的准确性,一般采取多种测井曲线结合的方式进行解释。
2)油页岩是烃源岩的一种,可以采用评价烃源岩的方法来评价油页岩。ΔlogR技术是目前运用比较普遍的方法。利用该方法计算出TOC之后,可通过TOC与含油率的关系方程,进一步求出油页岩含油率。
3)根据铜川地区已有钻井测井资料和岩心样品分析的有机碳质量分数和含油率数据,建立了该区油页岩含油率测井解释模型,并通过验证,认为模型预测结果较好,可以应用于该区油页岩资源的评价,为利用研究区大量石油测井资料进行油页岩工业评价提供了方法和依据。