基于遗传算法的页岩油气储层矿物组分反演.pdf

中国地球科学联合学术年会 2014 2497 基于遗传算法的页岩油气储层矿物组分反演 肖佃师 卢双舫 陈国辉 中国石油大学（华东）非常规油气与新能源研究院 山东青岛 266580 含油性及可压裂性是页岩油气储层评价的重点内容。孔隙度、含油气饱和度、有机碳含量、丰度及 成熟度等参数关系到页岩层中含油气量的多少， 而矿物组分、 岩石力学等参数则决定了页岩层压裂过程 中裂缝的产生，相比于塑性页岩，含石英和碳酸盐岩等含量高的脆性页岩更利于裂缝的产生。泥页岩地 层具有复杂多变的矿物组分及孔隙结构，使得常规地层组分评价方法（假设地层有 1-2 种组分组成）难 以适用。对泥页岩层矿物含量的评价而言，地层元素测井（ECS）和多矿物组分反演是目前较为有效的 两类方法。前者需要单独进行 ECS 测井，而以往仅作为生油岩评价的泥页岩地层，基本上只进行过常规 测井， 因此急需开展基于常规资料的页岩油气储层矿物组分的评价方法。 本文以大民屯凹陷沙四段泥页 岩为例， 建立基于常规测井曲线的页岩地层矿物组分评价方法， 在求解过程中引入遗传算法提高了反演 结果的精度。 （1）页岩油气岩石物理模型 （1）页岩油气岩石物理模型 含油气泥页岩层可视为由固体和液体两部分组成， 其中固体部分包括有机质、 粘土矿物和非粘土矿 物，干酪根是有机质的主要组成部分。泥页岩中矿物类型通常包括石英、长石、碳酸盐岩、白云岩、粘 土矿物等，局部发育少量的黄铁矿及菱铁矿，粘土矿物由伊利石、伊蒙混层和高岭石等组成。图 1 为大 民屯凹陷沙四段页岩层中矿物组分及含量分布饼状图。泥页岩层中共发育 11 种矿物，主要矿物类型为 石英、白云石、伊蒙混层，占总矿物的 70。泥页岩中矿物类型明显多于可参与反演的常规曲线个数， 因此需要对矿物类型重新进行划分。根据矿物的含量及其对测井曲线的响应，按照“相同测井响应矿物 合并”的原则，划分为 3 类组合①石英矿物组合，包括石英、长石等矿物；②碳酸盐岩矿物组合，包 括方解石、白云石；③粘土矿物组合，包括伊利石、伊蒙混层、绿泥石和高岭石。由于黄铁矿和菱铁矿 等重矿物的密度明显高于其他矿物， 考虑到保持石英和碳酸盐岩矿物组合测井响应值的稳定性， 将黄铁 矿归为粘土矿物组合中。将沙河子组页岩地层划分为有机质、粘土、石英、碳酸盐岩和孔隙五部分。 图 1 大民屯凹陷沙四段泥页岩矿物组分及含量分布饼状图 （2）基于常规测井曲线的矿物组分反演 （2）基于常规测井曲线的矿物组分反演 测井曲线反映的是地层各组分的综合响应。根据上述建立的泥页岩层岩石物理模型，假定地层为 各组分均匀分布的层状介质， 则可以构建测井曲线与地层组分间的线性响应方程， 同时考虑地层组分体 积含量之和为 1、各组分含量的实际分布范围等条件，可将矿物组分的求解过程归为带约束条件的最优 化问题 min 22 111 , * 1 MNN ijj FR i jV jC iV j −− ∑∑∑ S.T. 0 1V j≤≤ 白云石, 16.46 菱铁矿, 5.68 高岭石, 4.45 绿泥石, 3.50 伊/蒙间层, 31.28 石英, 22.36 钾长石, 0.21 斜长石, 3.75 方解石, 2.89 黄铁矿, 2.21 伊利石, 7.20 中国地球科学联合学术年会 2014 2498 其中，F为最优化问题目标函数，V为地层组分的体积含量；R为各地层组分对应的测井响应理论 值，C为曲线测量值；N为地层组分的个数；M为测井曲线个数。 求解最优化问题通常采用的是局部寻优算法，如最速下降法、共轭梯度法等，这些方法的计算结果 可信度依赖于初始点值的选取，初始点值选得不妥, 则计算结果可能不收敛于真实值，尤其是对垂向非 均质性强的泥页岩层，该问题更为突出。遗传算法是一种新型的最优化方法，不需要设置初始点，具有 全局寻优的特点，且适合于求解非线性优化问题。本文利用遗传算法进行最优化问题的求解。下面对影 响最优化问题求解过程中一些参数进行分析。 1）地层组分测井响应理论值优选 1）地层组分测井响应理论值优选 石英类和碳酸盐岩类矿物的测井响应值可以用石英和白云石的测井响应理论值代替；对于干酪根 和粘土矿物的测井响应值， 需要结合 X 衍射全岩分析和实际测井曲线值分析。 图 2 为粘土矿物含量与中 子测井值交会图，不同颜色分别代表低有机质泥页岩（干酪根体积含量5，平均值为 10.24） ，粘土矿物与中子呈现较好的正相关，当粘土矿 物含量相同时， 随有机碳含量的增大， 中子测井值也随之增大， 两类样品点拟合得到的趋势线基本平行， 趋势线截距的差距主要是由于干酪根引起。趋势线截距的差距为 8.3，干酪根含量平均值的差距为 9.84，因此可以估计干酪根对应的中子测井响应值大约为 84。 利用同样方法可以确定密度、声波、 自然伽马的测井响应值。 粘土矿物类组合中伊利石、 伊蒙混层和绿泥石的测井响应值差异较大， 且黄铁矿等重矿物含量与粘 土矿物并没有等比例关系， 因此粘土矿物类组合对应的测井响应值应该为一个区间。 通过从测井曲线响 应中减去干酪根、石英类、碳酸盐岩类矿物的影响，可得到粘土矿物类的测井响应值，进而确定出粘土 矿物组合的测井响应区间。 2）有机碳含量的确定 2）有机碳含量的确定 在最优化问题求解过程中，适当增加约束条件或者减少地层组分数，将会提高地层组分求解的精 度。本次利用大量的岩心实测数据，寻找各类矿物之间的关系，发现石英和碳酸盐岩类矿物含量之间具 有较好的负相关性，拟合两者的关系，将其作为最优化问题的一个约束条件；同时利用ΔlogR 方法计 算出有机碳含量。Passey（1979）建立了 TOC（有机碳含量）与声波-电阻率幅度差、干酪根成熟度间 关系，对研究区沙四段泥页岩来讲，其成熟度变化不大，因此有机碳含量和声波电阻率幅度差的关系可 以近似为线性关系，利用实测 TOC 值进行标定，可以得到幅度差和有机碳间关系。该方法得到的是有机 碳的质量分数，需要将其转化为干酪根体积含量。 0 20 40 60 00.20.40.60.8 粘土含量 中子孔隙度（） 干酪根体积含量5，平均值为10.24 图 2 利用中子孔隙度与粘土含量交会确定干酪根的中子响应值 中国地球科学联合学术年会 2014 2499 图 3 A 井泥页岩层段矿物组分测井解释结果 （3）应用效果 （3）应用效果 应用上述解释方法对大民屯凹陷部分探井进行了实际资料处理。图 3 为 A 井沙河子组泥页岩层段 矿物组分测井解释与岩心分析结果对比， 可见矿物组分的解释结果与岩心分析较为吻合， 能反映泥页岩 层中矿物的垂向变化。 目的层段内粘土矿物、 石英、 碳酸盐实验分析平均值分别为 0.407,、 0.364、 0.202， 相应的解释结果平均值为 0.382、0.405 和 0.134，相对误差分别为 6、11.3和 33.8，计算误差较小。 从矿物组分计算结果来看，3200‐3240m 段地层表现出高干酪根、低粘土矿物和高石英矿物含量的特点， 为页岩油气富集的甜点部位。 参考文献 [1] 刘超，卢双舫，黄文彪，等．Δlog R 技术改进及其在烃源岩评价中的应用[J]．大庆石油地质与开发，2011，30 （3） 27-31． [2] 卢双舫，黄文彪，陈方文，等．页岩油气资源分级评价标准探讨[J]．石油勘探与开发，2012,39（2） 249-257． 资金资助国家自然科学基金40972101、中央高校基本科研业务费专项资金2472013CX02103A资助