20世纪50年代以来, 加拿大萨斯喀彻温省东南部Williston盆地的上泥盆统— 下石炭统Bakken组就已开始生产石油, 但范围局限, 产量仅维持在100 m³/d以下。随着美国致密油资源的大规模商业开采, 加拿大萨斯喀彻温省东南部Bakken组致密油气也得到重视（见图1a）。由于采用了水平井与多级水力压裂相结合的开采技术, 中Bakken段原油产量从2004年的约100 m³/d大幅增加到2014年的1× 10⁴ m³/d^{[1, 2]}。2015年, 加拿大国家能源局和萨斯喀彻温地质调查局完成了萨斯喀彻温省东南部中Bakken段致密油气资源评价^[3], 结果显示其石油和天然气可采资源量分别为2.23× 10⁸ m³和812× 10⁸ m³。确定Bakken组致密储集层中经济可采资源的空间分布, 对确保该地区未来油气产量稳定持续增长意义重大。萨斯喀彻温省东南部致密油分布面积大, 但储集层非均质性强, 在目前技术水平下, 大规模的商业开采仅限于资源丰度高、储集层特征和岩石力学性质有利的所谓“ 甜点” 地区^{[4, 5, 6]}。迄今为止研究区的开采主要集中在已知的Viewfield“ 甜点区” , 虽然在东南部靠近美国边界及其他零星几处有工业油流井, 但是区内潜在“ 甜点” 的分布尚不明确。因此确定研究区中Bakken段经济可采油气资源的分布范围, 量化“ 甜点” 预测的不确定性, 不仅可以降低开发的经济风险, 还可以减少干井数量以减少对环境的影响。虽然有学者提出了非常规油气储集层“ 甜点” 的圈定方法^{[4, 6, 7]}, 但制约致密油产量的地质因素尚不完全清楚^[8], 基于常规油气储集层经典理论和模拟方法得出的致密储集层采收率评估存在很大不确定性^{[9, 10, 11]}, “ 甜点” 圈定方法还需要综合考虑致密储集层自身的特点。本文基于多元贝叶斯统计方法, 根据致密油生产井产量与成藏要素间的定量关系, 提出一套预测潜在“ 甜点区” 的方法, 并应用于Williston盆地加拿大萨斯喀彻温省东南部中Bakken段致密油区, 并进一步分析该区致密油形成和聚集的地质影响因素。

图1

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	图1 研究区简要地质特征

本文将“ 甜点区” 定义为致密产层通过水平井和多级压裂等增产措施后具有商业开采价值的区域。将2 111口生产井按EUR分为两组, EUR超过3 000 m³的油井被视为“ 甜点区” 工业油流井, EUR小于3 000 m³被视为非“ 甜点区” 非工业油流井。图9展示了研究区内两种生产井的空间分布, 大部分工业油流井位于Viewfield油田的中心区域, 美加边境沿线及研究区西部亦有少量工业油流井。

图9

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	图9 研究区内工业油流井和非工业油流井分布图

“ 甜点区” 预测的另一个关键步骤是从油气成藏要素中找到一套有助于识别工业和非工业油流井的地质要素, 本文收集了剩余构造异常（实测与区域趋势之差）、地表海拔高度、地层水矿化度、上下Bakken 段页岩段厚度、储集层孔隙度、渗透率等参数。区域研究表明, Williston盆地加拿大境内Bakken组页岩主体部分尚未进入生油窗口, 致密储集层中的油来自盆地中部, 因此有关研究区内烃源岩的地球化学参数如有机质成熟度、丰度等参数没有入选。图10显示参数筛选的两个例子, 以此介绍选择地质参数的方法, 并且使用贝叶斯准则对各参数进行定量判断以确定参数是否被引进多元统计模型。Chen和Osadetz^[12]详细讨论了贝叶斯准则的方法细节, 在此不再讨论。

图10

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	图10 能识别工业和非工业油流井的油气成藏要素及区域地质参数筛选过程

经贝叶斯方法筛选, 共选取了8个参数（上Bakken段页岩厚度、A小层致密储集层厚度、剩余构造异常、地层水矿化度、地表海拔高度、储集层孔隙度、压力梯度、渗透率和上Bakken段页岩密度）来构建一个统计模型（MD距离）, 并由此对生产井进行分类（见图10）。在分类的基础上用贝叶斯条件概率模型（公式（3））计算分类的不确定性（风险）。然后通过已知生产井产量与地质特征之间的定量关系, 将地质相似性进行类比量化。应用到未测试区, 通过地质相似性来计算待钻区为工业油流区的概率。图11a为研究区致密油资源分布的概率图, 概率值越高表明生产井产出工业油流的可能性越高。该概率图与地质资源量的乘积进行风险折扣后的资源分布图见图11b, 用以显示区内致密油地质资源丰度的空间分布。由图11b可见, 高资源丰度区主要集中在Viewfield油区内, 其他一些较小的潜在高丰度区散布在研究区域内。由于资源丰度并不是产量和最终可采储量的唯一确定因素, 由体积参数得出的高资源丰度区在空间上并不一定与生产“ 甜点区” 一致。

图11

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	图11 中Bakken段A小层内具有工业油流的概率分布（a）及风险折扣后的致密油资源丰度（b）

图12a为致密油的采收率分布图, 由EUR与其相对应的泄油区（drainage area）内的地质资源之比得出。研究区致密油采收率呈现出双模式分布特征, 表明Bakken组致密油层A小层内可能存在两种不同特征的储集层。小部分井采收率较高, 均值为14%, 大部分井表现出较低的采收率, 均值为6%。将风险折扣后的地质资源丰度与采收率相乘可得研究区的可采石油资源丰度图（见图12b）, 该图展现了区内致密油潜在“ 甜点区” 的分布。将资源汇总则求得研究区可采石油总量为0.22× 10⁹ m³, 溶解气资源量为34.22× 10⁹ m³（见表2）。

图12

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	图12 研究区致密油采收率分布图（a）及可采资源丰度图（b）

表2

表2

表2 研究区中Bakken段A小层可采石油和溶解气资源量 概率/% 可采石油资源量/109 m3 可采溶解气资源量/109 m3 95 0.06 2.52 90 0.08 4.16 75 0.12 9.23 50 0.19 20.37 25 0.29 42.37 10 0.42 77.71 5 0.51 109.72 平均 0.22 34.22

表2 研究区中Bakken段A小层可采石油和溶解气资源量

本文对研究区可采资源潜力的估计未考虑致密油增产技术的应用。最近的研究^[37]表明注水也可以有效提高中Bakken段致密油的采收率。此外, 向Bakken组致密储集层间歇性注入CO₂的模拟结果显示, 30年期间3个周期的CO₂注入可将采收率提高2.43%^[38]。

通过对已知致密油“ 甜点区” 的地质研究, 对本区致密油储集层形成了以下认识。

油源对比结果表明Viewfield地区Bakken组储集层中原油样品的原油组分与烃源岩Bakken组页岩内的原油组分相似（如芳基异戊二烯含量高, 姥鲛烷与植烷比值大于1, 二苯并噻吩与菲比值小于1）, 即致密储集层A小层中的油来自Bakken组页岩。但储集层中原油平均气油比（GOR）为120 m³/m³, 表明烃源岩R_o值应大于0.8%^[39]。而研究区南部靠近美国边界地区Bakken组页岩成熟度最高, R_o值仅为0.68%, 因此推断Viewfield致密油田A小层中的轻质油主要来自南部Williston盆地美国境内部分, 而美国和加拿大边界Bakken组致密储集层中的油有可能由当地局部成熟的Bakken组烃源岩提供。Kuhn等^[31]盆地模拟结果显示沿美国和加拿大边界, 中Bakken段含油饱和度可高达80%, 足以形成油气藏。

除不整合面和区域性输导层外, 断裂/断层系统为另一类油气运移通道。种种迹象表明, 区内区域性线性断裂/断层系统很可能为连接南部成熟烃源岩和北部致密储集层的优势运移网络。首先, 已知常规油田（不限于Bakken组油层）主要沿两个方向的区域线性构造带/断层带（西北和东北向）展布（见图1、图13a）, 这表明油气或通过区域线性构造富集, 或线性构造提供储存空间或沿线性构造成藏。Chen等^[32]研究了Williston盆地Bakken组和上覆石炭系Lodgepole组两套烃源岩生成的油气通过不同区域路径运移的地球化学证据, 地球化学特征表明Willston盆地加拿大境内泥盆系及上覆地层常规油藏中的油与Bakken组页岩有很强亲缘关系, 油气主要沿线性构造带, 如Torqunay- Rocanville构造带向北运移^[32], Torqunay-Rocanville构造带正好穿过Viewfield油田。在Torqunay-Rocanville线性构造周围的零散高EUR井（见图9）呈线性分布, 这也支持Torqunay-Rocanville构造带为来自Bakken组烃源岩油气在研究区内优势运移路径的推断。其次, 地质统计学模拟结果显示, Viewfield油田EUR方向变差函数模型的最佳空间连续性方向为东北向, 与Torqunay- Rocanville构造带走向一致（见图13b）。最后, 图13a展示了两个主要的线性控油构造走向：东北和西北向, 而东北向与最大区域应力场的方向一致^[40], 与最大主应力场平行方向上的裂缝很可能在最大主应力场作用下保持张开状态, 有利于油气沿此方向的运移。如果可确定Torqunay-Rocanville或其他北东向线性构造（如Brockton-Frob构造带）为Bakken组成熟油气的优势运移路径, 那么Viewfield油田生产甜点的向西南延伸区域以及沿Brockton-Frob构造带则可能成为高EUR油井分布的潜在区域。而随着烃源岩成熟度向南增加, 美加边境沿线也是本地区另一个潜在的高EUR油井分布区域。

图13

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	图13 加拿大萨斯喀彻温省东南部常规油气藏的空间分布（a）及地质统计学模型中变差函数的变程随方向的变化（b）

除了烃源岩成熟度和优势运移路径外, 还有一些影响致密储集层成藏的区域地质因素。首先, 上Bakken段页岩的厚度似乎可指示高EUR井（见图10a）, 这表明有效的顶部封堵层对该区致密油气保存很关键。其次, 剩余构造异常与产能正相关（见图10a）, 这与高产井具有较高海拔特征（见图10b）相一致, 表明浮力为油气运移和聚集的主要动力。最后, 在常规储集层中, 含油气饱和度与孔隙度和渗透率呈正相关, 低毛细管力有助于油驱水, 促进油气聚集。但研究区内情况相反, 渗透率较低地区生产井的EUR较高（见图10b）, 这可能表明岩性侧向封堵对于致密油聚集较重要。Chen等发现在浅层生物气生成与逸散处于动态平衡状态的环境下, 泥质和粉砂质页岩呈薄互层状态有利于天然气的富集与保存^[32], 薄互层岩性交替也很可能有利于侧向和垂向密封较弱的致密油层的保存。

提出了一套致密油“ 甜点” 圈定方法和流程, 并通过对Williston盆地加拿大萨斯喀彻温省东南部中Bakken段致密油层“ 甜点” 的预测展示其实际应用。通过对研究区2 111口生产井生产数据与控制油气聚集的地质要素的分析建立了一个多变量统计模型, 用以对工业和非工业油流井进行分类。在此基础上用贝叶斯条件概率计算分类的不确定性, 然后通过已知生产井的生产特征与地质特征之间的多元统计模型, 将地质相似性进行类比量化。对未开发区, 根据地质相似性来推测待钻井位获得工业油流的概率。致密油层的采收率由单井最终可采储量与其相对应的泄油区内的地质资源量之比得出。致密油“ 甜点” 可以通过致密油层中可采油气资源的空间分布来圈定。通过筛选和分析致密油的地质特征得出控制该区致密油形成的主要因素：①北东向Torqunay- Rocanville线性构造带可能是Bakken组油源区域性优势运移路径, 潜在的“ 甜点区” 有可能沿北东向的线性构造带分布; ②沿美国加拿大边境一带, Bakken组烃源岩进入生油窗口, 本地局部成熟的油源在储集层和其他条件具备的地方可能成藏; ③正向构造有利于大面积分散油气在高点位置聚集; ④顶部盖层和侧向封堵层有利于改善油气保存条件, 可增加致密油的产能; ⑤EUR方向变差函数的空间连续性方向为北东向, 与最大水平应力场的方向一致, 水平井的走向对致密油的产量影响巨大。

符号注释：

D(r)— — 多变量空间工业油流井组E几何中心与待钻井位之间的MD距离; g(r)— — G(r)的实际观测值; G(r)— — m个地质变量的函数; h— — 储集层厚度, m; I_H— — 氢指数, mg/g; K— — 渗透率, 10^-3 μ m²; m— — 地质变量个数; n— — 生产井数; N— — 研究区等分个数; p— — 实际观测值数; P[E, g(r)]— — G(r)=g(r)属于E组的联合概率; P[g(r)]— — G(r)=g(r)的概率; r— — 等分的研究区编号, 取值1~N; s— — 评价区面积, m²; S₂— — 热解烃产率, mg/g; S_o— — 含油饱和度, %; S_a— — 总体数据的协方差矩阵; T_max— — 热解峰温, ℃;

V_o— — 致密储集层中总含油孔隙体积, m³; X_a— — 总体数据矩阵的平均向量; X_k— — 矩阵X的第k行向量; X— — 由p个观测值和m个变量组成的地质数据矩阵; ϕ — — 储集层孔隙度, %。