页岩地层元素相的划分方法和元素相评价方法与流程

本发明涉及地质领域，特别地，涉及一种五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法、以及元素相的评价方法。

背景技术：

页岩气是一种赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，生储一体，富有机质页岩既是储集岩又是烃源岩。不同的沉积环境具有不同的沉积速率和古生产力，控制了烃源岩岩石的矿物组成，因此沉积环境是页岩气储层发育的主要控制因素之一。沉积环境的识别常常依据沉积岩中所保存的岩石类型及成分、沉积构造、生物化石等沉积标志。元素含量不同，其组成的岩石矿物不同，在一定程度上反映了沉积环境的不同。随着元素地球化学学科的发展和多学科的交叉研究，沉积环境的研究开始借助于在沉积和成岩过程当中的不同元素的迁移和聚集过程中体现出的特点进行定量的深入探讨。前人研究表明，多种常量元素或微量元素均对沉积环境有一定的指示意义，如铝(al)、钛(ti)、钾(k)、钠(na)等，代表陆源碎屑物质的输入；钙(ca)、锶(sr)、钡(ba)等，指示典型的碳酸盐岩沉积；锰(mn)、钴(co)、镍(ni)、铜(cu)等元素的出现，指示深海沉积物的显著增加；铀(u)元素和u/th比值，指示富有机质的深水环境。目前，国内外虽已有关于页岩气储层的元素地球化学特征和沉积环境之间关系的相关研究，但尚未形成具体的量化标准，并未对页岩气的勘探开发起到明确的指示作用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法和页岩元素相的评价方法，以实现对页岩气优质储层的快速识别。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法。所述方法可包括以下步骤：

从同一区块内页岩地层数据中筛选出特征元素；根据特征元素与沉积环境的关系，建立元素相的划分标准；根据元素相的划分标准，对五峰组至龙马溪组各层段进行元素相划分。

本发明另一方面提供了一种页岩元素相的评价方法。所述评价方法可包括步骤：对五峰组至龙马溪组的各层段进行元素相的划分、以及储层参数的评价；根据对储层参数的评价，进而实现对划分出元素相的评价；其中，元素相的划分按照如上所述的五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：方法简便，能够快捷地判断有利储层的分布情况，能够实现对页岩气优质储层的快速识别和评价工作，能够对沉积古地貌恢复、有利区带优选、储层压裂改造等勘探开发工作起指导性作用。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了某单井岩心u元素与toc关系的示意图；

图2示出了某单井矿物组分中sio2与tio2关系的示意图；

图3示出了某单井矿物组分中sio2与v2o5关系的示意图；

图4示出了某单井矿物组分中sio2与cr2o3关系的示意图；

图5示出了某区块岩心分析出的生物成因sio2与toc关系的示意图；

图6示出了某区块岩心分析出的toc与u/th关系的示意图；

图7示出了某单井第一井深的储层参数与元素相的示意图；

图8示出了某单井第二井深的储层参数与元素相的示意图；

图9示出了某单井第三井深的储层参数与元素相的示意图；

图10示出了某单井第四井深的储层参数与元素相的示意图；

图11示出了某单井第五井深的储层参数与元素相的示意图；

图12示出了某单井第六井深的储层参数与元素相的示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法、以及页岩元素相的评价方法。其中，本发明的第一、第二、第三、第四、第五和第六不分先后顺序，仅用于相互区别。

本发明一方面提供了一种五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法。本发明提出一种新的针对页岩元素相的定义，通过优选特征元素，建立五峰组至龙马溪组页岩元素相划分标准，进而实现对各岩层元素相划分。

在本发明的一个示例性实施例中，所述五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法可包括以下步骤：

s10：从同一区块内页岩地层数据中筛选出特征元素。

s20：根据特征元素与沉积环境的关系，建立元素相的划分标准。

s30：根据元素相的划分标准，对五峰组至龙马溪组各层段进行元素相划分。

在本实施例中，所述数据可包括录井数据、测井数据和岩屑分析数据中的至少一种，其中，录井数据包括已钻井页岩岩心和岩屑矿物分析数据。进一步地，所述数据可包括：已钻井页岩岩心、岩屑矿物分析数据、测井数据以及岩屑元素分析数据。

在本实施例中，所述数据可通过元素录井、测井或分析化验等常见地质评价技术获。其中，利用随钻元素录井资料进行元素相分析，具有成本低、全剖面、覆盖广的特点。

在本实施例中，所述数据包括区块内五峰组至龙马溪组的数据。

在本实施例中，所述数据包括了同一区块内不同单井的数据。

在本实施例中，特征元素可包括：si、u、k、ca、th和al中的至少一种。仅作为示例说明：

特征元素可包括u、k、ca和al中的至少一种，例如其中的任一种，再例如其中的两种、三种或四种元素；

或者，特征元素可包括si和al；

或者，特征元素可包括u、k和ca中的至少一种、以及si和al；

或者，特征元素可包括u和th；

或者，特征元素可包括k、ca和al中的至少一种、以及u和th；

或者，特征元素可包括si、al、u和th；

或者，特征元素可包括k和ca中的至少一种，以及si、al、u和th；

或者，特征元素可包括si、u、k、ca、th和al。

在本实施例中，可通过沉积微相与元素的含量统计分类，或沉积微相与元素指数(例如u/th、以及bsi)的统计分类，实现对元素相划分标准的建立。

在本实施例中，在特征元素包括u的情况下，步骤s20可包括：根据toc的数值分布情况，并基于u元素与toc的对应关系，将u元素的含量范围划分为至少2个第一次级范围，例如3、4或5个；定义至少2个铀相，铀相与第一次级范围的数量相同并能够一一对应。例如，可将u元素的含量范围划分为4个第一次级范围，相应地，铀相可包括低铀相、中铀相、高铀相和超高铀相。

在本实施例中，在特征元素包括ca的情况下，步骤s20可包括：根据碳酸盐矿物脆性情况，将ca元素的含量范围划分为至少2个第二次级范围，例如3、4或5个；定义至少2个钙相，钙相与第二次级范围的数量相同并能够一一对应。例如，可将ca元素的含量范围划分为3个第二次级范围，相应地，钙相可包括低钙相、中钙相和高钙相。

在本实施例中，在特征元素包括al的情况下，步骤s20可包括：根据碳酸盐矿物脆性情况，将al元素的含量范围划分为至少2个第三次级范围，例如3、4或5个；定义至少2个铝相，铝相与第三次级范围的数量相同并能够一一对应。例如，可将al元素的含量范围划分为3个第三次级范围，相应地，铝相可包括低铝相、中铝相和高铝相。

在本实施例中，在特征元素包括k的情况下，步骤s20可包括：根据沉积微相与钾元素的含量统计分类，将k元素的含量范围划分为至少2个第四次级范围，例如3、4或5个；定义至少2个钾相，钾相与第四次级范围的数量相同并能够一一对应。例如，将k元素的含量范围划分为3个第四次级范围，相应地，钾相可包括低钾相、中钾相和高钾相。

在本实施例中，在特征元素同时包括u和th的情况下，在所述建立元素相的划分标准的步骤之前，所述方法还包括步骤：计算u/th，其中，u/th为u元素、th元素含量的比值。

步骤s20可包括：根据古海洋氧化还原环境的分布情况，并基于u/th与古海洋氧化还原环境的对应关系，将u/th的范围划分为至少2个第五次级范围，例如3、4或5个；定义至少2个氧化还原相，氧化还原相与第五次级范围的数量相同并能够一一对应。例如，可将u/th的范围划分为3个第五次级范围例如，相应地，氧化还原相可包括浅水氧化相、深水弱还原相和深水强还原相。

在本实施例中，在特征元素同时包括si和al的情况下，在所述建立元素相的划分标准的步骤之前，所述方法还包括步骤：根据式1和式2计算得到bsi，bsi为生物硅元素含量指数，

式1为：bsi＝csi-rbg×cal，

式2为：

其中，csi为五峰组和龙马溪组的si元素含量，cal为五峰组和龙马溪组的al元素含量，rbg为龙马溪组非储层段si、al元素含量比值的加权平均值，i为五峰组至龙马溪组不同的测井井深，qi为不同的测井井深所对应测井资料校正后的加权系数。

步骤s20可包括：根据沉积微相与bsi大小的统计分类，将bsi数值范围划分为至少2个第六次级范围，例如3、4或5个；定义至少2个硅相，硅相与第六次级范围的数量相同并能够一一对应。例如，可将bsi数值范围划分为4个第六次级范围，相应地，硅相可包括陆源硅相、低生物硅相、中生物硅相和高生物硅相。

在本实施例中，可根据特征元素所包括的具体元素种类，选择上述若干个相应的元素相划步骤。

例如，所述特征元素包括：si、u、k、ca、th和al的情况下，在所述建立元素相的划分标准的步骤之前，所述方法还包括步骤：计算上述的u/th，bsi。

步骤s20可包括：

根据toc的数值分布情况，并基于u元素与toc的对应关系，将u元素的含量范围划分为至少2个第一次级范围；定义至少2个铀相，铀相与第一次级范围的数量相同并能够一一对应。

根据碳酸盐矿物脆性情况，将ca元素的含量范围划分为至少2个第二次级范围；定义至少2个钙相，钙相与第二次级范围的数量相同并能够一一对应。

根据碳酸盐矿物脆性情况，将al元素的含量范围划分为至少2个第三次级范围；定义至少2个铝相，铝相与第三次级范围的数量相同并能够一一对应。

根据沉积微相与钾元素的含量统计分类，将k元素的含量范围划分为至少2个第四次级范围；定义至少2个钾相，钾相与第四次级范围的数量相同并能够一一对应。

根据古海洋氧化还原环境的分布情况，并基于u/th与古海洋氧化还原环境的对应关系，将u/th的范围划分为至少2个第五次级范围；定义至少2个氧化还原相，氧化还原相与第五次级范围的数量相同并能够一一对应。

根据沉积微相与bsi的大小统计分类，将bsi数值范围划分为至少2个第六次级范围；定义至少2个硅相，硅相与第六次级范围的数量相同并能够一一对应。

在本实施例中，根据元素相的划分标准，对五峰组至龙马溪组各层段进行元素相划分的步骤可包括：先对区块内各个单井进行元素相划分，进而实现对整个区块的元素相划分。

在本实施例中，第一次级范围和铀相的对应关系可以为：u元素含量＜5ppm对应低铀相，≥5且＜9ppm对应中铀相，9～15ppm对应高铀相，＞15ppm对应超高铀相。

在本实施例中，第二次级范围和钙相的对应关系可以为：钙元素含量＜4％对应低钙相，4～10％对应中钙相，＞10％对应高钙相。

在本实施例中，第三次级范围和铝相的对应关系可以为：铝元素含量＜4％对应低铝相，4～10％对应中铝相，＞10％对应高铝相。

在本实施例中，第四次级范围和钾相的对应关系可以为：k元素含量＜1.5％对应低钾相，1.5～3％对应中钾相，＞3％对应高钾相。

在本实施例中，第五次级范围和u/th的对应关系可以为：u/th＜0.5对应浅水氧化相，0.5～1.25对应深水弱还原相，＞1.25对应深水强还原相。

在本实施例中，所述第六次级范围的数量为4个，分别为：bsi＜1％，1％≤bsi＜3％，3％≤bsi≤12％，bsi％＞12；所述硅相的数量也为4个，分别为：陆源硅相，低生物硅相，中生物硅相，高生物硅相；

其中，bsi＜1％对应陆源硅相，1％≤bsi＜3％对应低生物硅相，3％≤bsi≤12％对应中生物硅相，bsi＞12％对应高生物硅相。

在本实施例中，可将单井中五峰组至龙马溪组每个层段的u元素含量与多个第一次级范围进行比对，进而确定每个层段所属的铀相。

可将各单井中五峰组至龙马溪组的每个层段ca元素含量与多个第二次级范围进行比对，进而确定每个层段所属的钙相。

可将各单井中五峰组至龙马溪组的每个层段al元素含量与多个第三次级范围进行比对，进而确定每个层段所属的铝相。

可将各单井中五峰组至龙马溪组的每个层段的k元素含量与多个第四次级范围进行比对，进而确定每个层段所属的钾相。

可将各单井中五峰组至龙马溪组的每个层段所对应的u/th值与多个第五次级范围进行比对，进而确定每个层段所属的氧化还原相。

可将各单井中五峰组至龙马溪组的每个层段所对应的bsi值与多个第六次级范围进行比对，进而确定每个层段所属的硅相。

在本发明的另一个示例性实施例中，本发明通过以下技术方案得以实现：

(1)综合同一个区块内已钻井页岩岩心、岩屑矿物分析数据及测井、岩屑元素分析数据，筛选特征元素，并计算bsi、以及u/th。

①页岩气储层中u元素与有机质存在密切的联系，toc与u元素含量具有明显的正相关性，例如图1所示的相关性。toc是页岩气储层评价的重要参数之一，toc高表明页岩气储层较好。龙马溪组各层段u元素特征明显，五峰组至龙一1⁴小层u含量明显较龙马溪组中上部地层高，其中龙一1¹小层u含量最高。因此，u元素可作为特征元素之一，指示toc含量。

②页岩储层具有低孔、低渗的特征，需要进行大规模加砂压裂才能形成工业产能，页岩中的脆性矿物在外力作用下极易产生裂缝，有利于页岩气的开发。因此，脆性矿物含量越高，页岩储层可压性越好。页岩中常见的脆性矿物包含硅质矿物、、碳酸盐岩矿物、黄铁矿等，其中硅质矿物为最有利脆性矿物。si(硅质矿物)、ca(碳酸盐矿物)、al(粘土矿物)元素能代表页岩气储层中不同的矿物组分。页岩储层中si元素含量越高，硅质矿物脆性越强，越有利于压裂改造，是页岩气高产储层的主要特征之一；同理，ca、al元素含量越高，碳酸盐矿物和粘土矿物的脆性也越强。

③页岩气储层中k元素与有机质存在密切的联系。龙一1亚段的特征是k元素和th元素含量低而u元素含量高，而toc与u元素含量具有明显的正相关性；龙马溪组k元素含量从上到下逐渐降低。可根据沉积微相对钾元素进行划分。

④页岩储层中硅质成分来源包括陆源和生物成因两种，而ti、v、cr等元素均来源于陆源碎屑中，因此矿物组分中的陆源成因sio2含量分别与tio2、v2o5、cr2o3含量成明显的正相关关系，反之，生物成因的sio2则成明显的负相关关系，例如图2、图3和图4所示的关系，其中图2～4中a标注的线条表示生物成因的sio2与相应物质的相关性关系，b标注的线条表示陆源成因的sio2与相应物质的相关性关系。五峰组至龙一1⁴小层的sio2以生物成因为主，其含量分别与tio2、v2o5、cr2o3含量呈明显的负相关关系，而其余层位sio2以陆源成因为主。

生物成因的硅质页岩具有toc含量较高的特征，如图5所示。生物成因的硅质页岩不仅石英含量高，脆性好，而且还由于硅质生物骨架较疏松，在早成岩作用阶段较陆源石英更易溶蚀，溶蚀出的硅又以胶结物的形式在沉积颗粒间沉淀下来，在页岩中形成连片的硅质胶结体系，在人工压裂条件下，优先破裂产生纳米微米级连通微裂缝，从而使硅质页岩层系易于压裂。龙马溪组底部具有丰富的生物成因硅质，是页岩气开发的优选目标层位，因此生物硅的计算具有重要意义。

生物硅元素含量指数bsi计算方法：

建立生物硅元素含量指数bsi与地层硅元素含量的相关模型，计算bsi。生物硅元素含量指数bsi计算公式为：

bsi＝csi-rbg×cal公式(2)

其中，i为五峰组至龙马溪组不同的测井井深；csi和cal分别为：五峰组和龙马溪组的si、al元素含量，单位：％(质量百分数)；q为测井资料校正后的加权系数，与层段的物性参数相关，qi为不同测井井深所对应的测井资料校正后的加权系数；rbg为每个单井龙马溪组非储层段的si/al元素含量比值的加权平均值，值范围在2.6～3.6，平均3.1。不同的单井，rbg可有所不同。

⑤在较高的古生产力条件下，缺氧的强还原环境更有利于有机质的富集与保存，即富有机质页岩多形成于缺氧的环境中。微量元素u、th作为古海洋氧化还原环境的重要指标，其比值u/th常应用于古氧化还原条件判识。五峰组至龙一1⁴小层页岩岩心分析表明，toc含量与u/th比值存在相对较好的正相关关系，如图6所示，u/th比值越大，反映的沉积环境越缺氧越有利于有机质保存。

(3)筛选出特征元素、以及计算出bsi和u/th后，根据元素特征建立了五峰至龙马溪组元素相划分体系，采用元素特征+沉积环境定名，建立了五峰至龙马溪组基于元素相的划分标准(可参见表1)，定名原则为*铀*钾*钙*铝陆源硅浅水氧化相、*铀*钾*钙*铝*生物硅深水弱还原相、*铀*钾*钙*铝*生物硅深水强还原相。表1示出了四川盆地五峰组-龙马溪组元素相划分标准。

表1五峰组～龙马溪组元素相划分标准

以威远区块五峰组-龙马溪组为例，进行元素相划分，一共划分出31个元素相，分别为：

低铀低钾低钙低铝陆源硅浅水氧化相、低铀低钾中钙低铝陆源硅浅水氧化相、低铀高钾低钙中铝陆源硅浅水氧化相、低铀中钾低钙低铝陆源硅浅水氧化相、低铀中钾低钙高铝陆源硅浅水氧化相、低铀中钾低钙中铝陆源硅浅水氧化相、低铀中钾中钙低铝陆源硅浅水氧化相、低铀中钾中钙低铝陆源硅浅水氧化相、高铀低钾低钙低铝中生物硅深水弱还原相、高铀低钾中钙低铝高生物硅深水弱还原相、高铀中钾低钙中铝中生物硅深水弱还原相、高铀中钾高钙低铝中生物硅深水弱还原相、高铀中钾中钙低铝低生物硅深水弱还原相、高铀中钾中钙低铝中生物硅深水弱还原相、高铀中钾中钙中铝低生物硅深水弱还原相、高铀中钾中钙中铝中生物硅深水弱还原相、中铀低钾低钙低铝中生物硅深水弱还原相、中铀低钾中钙低铝低生物硅深水弱还原相、中铀高钾低钙中铝低生物硅深水弱还原相、中铀中钾低钙中铝低生物硅深水弱还原相、中铀中钾低钙中铝中生物硅深水弱还原相、中铀中钾高钙低铝中生物硅深水弱还原相、中铀中钾中钙低铝低生物硅深水弱还原相、中铀中钾中钙低铝中生物硅深水弱还原相、中铀中钾中钙中铝低生物硅深水弱还原相、中铀中钾中钙中铝中生物硅深水弱还原相、特高铀中钾中钙中铝低生物硅深水弱还原相、特高铀低钾低钙低铝高生物硅深水强还原相、特高铀低钾中钙低铝高生物硅深水强还原相、特高铀低钾中钙低铝中生物硅深水强还原相、特高铀低钾中钙低铝高生物硅深水强还原相。

本发明另一方面提供了一种页岩元素相的评价方法。

所述评价方法可包括：按照如上所述的元素相划分方法对进行五峰组至龙马溪组的各层段进行元素相的划分。

分析每个层段的储层参数，通过对储层参数的评价，选出有利的储层；有利储层对应的元素相即为有利的元素相。其中，可通过现有的储层评价标准筛选有利的储层。

对某区块的一个单井进行元素相划分，划分出的元素相如图7、8、9、10、11和12所示。从图7～12可以直观地看出各层段的元素相和储层参数。其中，图7～12示出了同一个单井不同层段(或不同井深)的出元素相，图7～12示出的附图可依次相互衔接。其中，e1和e2之间为低铀中钾中钙低铝陆源硅浅水氧化相，e2和e3之间为低铀中钾低钙中铝陆源硅浅水氧化相，e3和e4之间为低铀中钾中钙低铝陆源硅浅水氧化相，e4和e5之间为中铀中钾中钙低铝低生物硅深水弱还原相，e5和e6之间为高铀中钾中钙低铝低生物硅深水弱还原相，e6和e7之间为高铀中钾中钙低铝中生物硅深水弱还原相，e7和e8之间为中铀中钾中钙低铝低生物硅深水弱还原相，e8和e9之间为特高铀低钾低钙低铝高生物硅深水强还原相，e9和e10之间为特高铀低钾中钙低铝高生物硅深水强还原相，e10和e11之间为中铀中钾高钙低铝中生物硅深水弱还原相。

表2示出了某区划分出的元素相与对应储层参数的信息。根据表2可知，特高铀低钾低钙低铝高生物硅深水强还原相具有高toc(5.7％)、高孔隙度(7.2％)、高含气量(6.1m³/t)、高脆性矿物(71.7％)的特征，其储层为一类，为最有利元素相。

表2某区元素相页岩储层参数统计

综上所述，本发明的五峰组至龙马溪组页岩段元素相的划分方法、以及页岩元素相的评价方法，可包括以下优点：

(1)本发明在钻井过程中利用元素录井资料，能够简单、快捷地判断有利储层的分布情况，实现对页岩气优质储层的快速识别。

(2)本发明的元素相有利于精细描述页岩沉积特征精细描述，有利于准确认识页岩气富集规律和高产主控地质因素，对页岩气增产具有迫切的理论指导意义。

(3)本发明能快速结合元素录井资料和测井资料开展生物硅含量的计算，既能快速评价页岩储层矿物组分特征，又能丰富储层精细评价。

(4)本发明通过元素相的划分既能实现对页岩气储层开展快速评价工作，又能对沉积古地貌恢复、有利区带优选和储层压裂改造等勘探开发工作起指导性作用。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。