黃質(zhì)昌, 武清釗, 黃新平, 石立新, 杜蕊

(1.中石化勝利石油工程有限公司測(cè)井公司, 山東 東營(yíng) 257096; 2.中石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083)

0 引 言

勝利油區(qū)疏松砂巖地層存在具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的低電阻率氣層,其特點(diǎn)是電阻率或電阻率增大系數(shù)低、三孔隙度測(cè)井含氣特征不明顯,儲(chǔ)層評(píng)價(jià)過(guò)程中容易造成漏解釋或解釋結(jié)論不準(zhǔn)確,是儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)工作的一個(gè)難點(diǎn)。由于地層松軟,偶極子聲波測(cè)井不能有效激發(fā)地層的橫波信號(hào),如何在疏松砂巖地層井孔中獲取準(zhǔn)確的橫波速度尚需進(jìn)一步研究[1];一些在固結(jié)砂巖中行之有效的氣層識(shí)別方法,如縱橫波差值法[2]、縱橫波時(shí)差法[3]等不適用于疏松砂巖地層的含氣性識(shí)別,對(duì)疏松砂巖低電阻率氣層的評(píng)價(jià)造成了技術(shù)性制約。針對(duì)以上存在的問(wèn)題,本文以常規(guī)測(cè)井資料、試氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),開(kāi)展綜合應(yīng)用研究工作,以期能探索、總結(jié)出一種行之有效的疏松砂巖低電阻率氣層評(píng)價(jià)技術(shù)方法,提高低電阻率氣層評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和有效性。

1 低電阻率氣層成因分析

1.1 黏土礦物的影響

陳召佑等用大牛地氣田高電阻率氣層和低電阻率氣層的巖心實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)低電阻率氣層中黏土體積含量明顯高于高電阻率氣層[4];何勝林等通過(guò)對(duì)東方1-1氣田低電阻率氣層巖心X衍射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,得到低電阻率氣層的黏土礦物主要為蒙脫石和伊利石,兩者含量之和占到黏土總量的60%[5]。他們的研究結(jié)果表明黏土礦物對(duì)低電阻率氣層的形成有重要的影響。

勝利油區(qū)疏松砂巖低電阻率氣層巖性測(cè)井響應(yīng)的顯著特點(diǎn)是自然伽馬數(shù)值較高、自然電位異常幅度小,指示儲(chǔ)層富含泥質(zhì)。朱家俊通過(guò)對(duì)勝利油區(qū)淺層疏松砂巖低電阻率油氣層的研究表明[6],部分儲(chǔ)層的黏土含量高達(dá)23.3%,由于地層埋藏較淺,黏土中的蒙脫石尚未轉(zhuǎn)化,其含量占到黏土總量的96.3%,蒙脫石在黏土礦物中占絕對(duì)主導(dǎo)地位。疏松砂巖富含蜂窩狀蒙脫石礦物,其陽(yáng)離子交換能力在各種黏土礦物中最大,大大增強(qiáng)黏土的附加導(dǎo)電能力,從而大幅度地降低油氣層電阻率。圖1為勝利油區(qū)黏土礦物類(lèi)型、黏土陽(yáng)離子交換能力與地層深度的關(guān)系圖[6]。隨著地層深度從淺到深的變化,黏土礦物從蒙脫石不斷向伊蒙混層、伊利石、高嶺土轉(zhuǎn)化,同時(shí)黏土的陽(yáng)離子交換能力從大到小不斷變化。圖2為氣層電阻率與黏土含量關(guān)系圖。圖2中電阻率與黏土含量呈冪數(shù)負(fù)相關(guān),黏土含量0～7%,電阻率隨黏土含量的增加急速下降;黏土含量7%～23%電阻率隨黏土含量的增加緩慢降低。上述分析表明,儲(chǔ)層富含以蒙脫石為主要黏土礦物的泥質(zhì)是低電阻率氣層形成的主要原因。

圖1 黏土類(lèi)型、陽(yáng)離子交換能力與地層深度關(guān)系圖

圖2 氣層電阻率與黏土含量關(guān)系圖

1.2 地層水礦化度的影響

圖3為含水泥質(zhì)砂巖黏土陽(yáng)離子交換附加導(dǎo)電原理圖。黏土在泥質(zhì)砂巖中的附加電導(dǎo)率為Ce=B×QV/F*,地層水礦化度對(duì)黏土附加導(dǎo)電性的影響具體體現(xiàn)在它對(duì)交換陽(yáng)離子當(dāng)量電導(dǎo)率B的影響,在一定的地層溫度條件下,隨著礦化度的增加,B不斷增大,礦化度低時(shí)B的變化率大,當(dāng)?shù)V化度增加到某一臨界點(diǎn)(E點(diǎn))時(shí),B達(dá)到一個(gè)極值Bmax,這時(shí)礦化度繼續(xù)增大B不再變化,Bmax由地層溫度決定。含水泥質(zhì)砂巖電導(dǎo)率C0與地層水電導(dǎo)率Cw的關(guān)系可分為非線(xiàn)性區(qū)和線(xiàn)性區(qū):E點(diǎn)以前為非線(xiàn)性區(qū),即地層水礦化度較低的區(qū)域,隨著礦化度的增加C0急劇增大,變化率非常大,表明交換陽(yáng)離子的附加導(dǎo)電作用非常強(qiáng)烈,這時(shí)礦化度的增大對(duì)高電阻率地層的減阻作用將很明顯;E點(diǎn)及其以后為線(xiàn)性區(qū),Cw進(jìn)入地層水礦化度較高的區(qū)域,C0的變化率趨于穩(wěn)定且數(shù)值變小,隨著礦化度的增大C0以較小的斜率穩(wěn)定升高。勝利油田用泥質(zhì)砂巖通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到E點(diǎn)的礦化度數(shù)據(jù):溶液為NaCl,溫度100 ℃,E點(diǎn)的礦化度約為21 000 mg/L。勝利油區(qū)疏松砂巖氣層地層水礦化度分布范圍為1 500～8 000 mg/L,地層水較淡,即處于E點(diǎn)以前的非線(xiàn)性區(qū)域,黏土的附加導(dǎo)電作用非常強(qiáng)烈,純砂巖氣層電阻率高值,泥質(zhì)砂巖氣層電阻率低值(或低氣/水層電阻率對(duì)比度)?？偨Y(jié)以上的分析,地層水礦化度處于非線(xiàn)性區(qū)域?qū)е吗ね恋母郊訉?dǎo)電作用增強(qiáng)是低電阻率氣層形成的次要因素。

圖3 含水泥質(zhì)砂巖黏土陽(yáng)離子交換附加導(dǎo)電原理圖

2 低電阻率氣層評(píng)價(jià)技術(shù)

2.1 含水飽和度計(jì)算方法

低電阻率氣層富含蒙脫石礦物,其強(qiáng)烈的陽(yáng)離子附加導(dǎo)電作用大大降低了氣層電阻率測(cè)量數(shù)值,這對(duì)氣層含水飽和度計(jì)算造成了較大的誤差。通過(guò)不同含水飽和度模型計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)比,以黏土陽(yáng)離子交換導(dǎo)電機(jī)理為理論基礎(chǔ)的Waxman-Smits含水飽和度模型(W-S模型)適用于疏松砂巖低電阻率氣層含水飽和度計(jì)算。W-S模型及其相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式[7]為

(1)

B=Bmax×(1-0.83e-0.5Cw)

(2)

Bmax=-1.2879+0.2205T-0.0004T2

(3)

(4)

式中,Ct、Cw分別為含油氣巖石和地層水電導(dǎo)率,S/m;Sw為巖石含水飽和度,小數(shù);F*、n*分別為總孔隙度與純砂巖相等的泥質(zhì)砂巖地層因素和飽和度指數(shù),無(wú)量綱,在Cw足夠大時(shí)可用泥質(zhì)砂巖直接測(cè)量求取[8];B、Bmax分別為交換陽(yáng)離子的當(dāng)量電導(dǎo)率和交換陽(yáng)離子的最大當(dāng)量電導(dǎo)率,S·cm3·mmol-1·m-1;T為地層溫度, ℃;QV為泥質(zhì)砂巖單位孔隙體積的陽(yáng)離子交換容量,mmol/cm3;CECcl為泥質(zhì)砂巖所含黏土礦物的平均陽(yáng)離子交換容量,mmol·100-1·g-1,由黏土類(lèi)型決定;Vcl,dry為巖石的干黏土體積,%;ρcl,dry為干黏土平均密度,g/cm3;φt為泥質(zhì)砂巖總孔隙度,%。式(4)中相關(guān)參數(shù)的求取使用李山生等提出的方法進(jìn)行計(jì)算[7]。

2.2 孔隙度測(cè)井含氣信息提取

天然氣的密度遠(yuǎn)小于油和水的密度,氣層的密度測(cè)井值低于地層完全含水時(shí)的地層密度;天然氣的含烴指數(shù)遠(yuǎn)低于1,氣層在中子測(cè)井曲線(xiàn)中常存在挖掘效應(yīng),其中子測(cè)井值比它完全含水時(shí)明顯偏小;天然氣聲波傳播速度慢,含氣地層縱波時(shí)差增大,經(jīng)常出現(xiàn)周波跳躍現(xiàn)象,氣層聲波測(cè)井縱波時(shí)差大于其完全含水時(shí)的縱波時(shí)差[9]。可以利用數(shù)學(xué)方法提取中子、密度、聲波測(cè)井所蘊(yùn)含的含氣信息。三孔隙度計(jì)算公式[9]為

(5)

(6)

(7)

式中,φna、φda、φsa分別為計(jì)算的地層中子、密度、聲波測(cè)井孔隙度,小數(shù);ψl、ψma、ψsh分別為地層測(cè)井、巖石骨架、泥質(zhì)中子孔隙度值,小數(shù);ρb、ρma、ρsh分別為地層測(cè)井、巖石骨架、泥質(zhì)密度值,g/cm3;Cp為地層壓實(shí)系數(shù),無(wú)量綱;Δt、Δtma、Δtsh分別為地層測(cè)井、巖石骨架、泥質(zhì)聲波時(shí)差值,μs/ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同。

利用φna、φda、φsa分別計(jì)算三孔隙度差值、比值,提取地層含氣信息,用以識(shí)別含氣地層。三孔隙度差值計(jì)算公式

Ga=φda+φsa-2φna+1

(8)

三孔隙度比值計(jì)算公式

(9)

式(8)、式(9)中Ga、Gr分別為三孔隙度差值和比值,無(wú)量綱,沒(méi)有明確的物理或地質(zhì)含義,為利用三孔隙度測(cè)井在含氣地層具有不同響應(yīng)特性而設(shè)計(jì)的2個(gè)含氣指示數(shù)學(xué)參數(shù),它們對(duì)地層的含氣信息起放大作用,但Gr對(duì)地層含氣信息的放大作用比Ga大。式(8)中加1是為了便于以后氣層判別指標(biāo)Ig的計(jì)算,也為了使Ga、Gr、Ig的3個(gè)參數(shù)在水層中同時(shí)接近于1。當(dāng)?shù)貙雍瑲鈺r(shí),Ga>1、Gr>1;當(dāng)?shù)貙訛樗畬?油層)時(shí),Ga≈1、Gr≈1。三孔隙度的計(jì)算進(jìn)行過(guò)巖性和泥質(zhì)校正,故Ga、Gr不受巖性和泥質(zhì)的影響,能較好地反映地層含氣性的變化。圖4為利用測(cè)試數(shù)據(jù)制作的Ga—Gr交會(huì)圖,氣層、水層2類(lèi)不同性質(zhì)的樣品點(diǎn)在圖4中能被較好地區(qū)分,說(shuō)明指標(biāo)Ga、Gr在指示地層的含氣性方面具有良好的敏感性。

圖4 識(shí)別氣、水層的Ga—Gr交會(huì)圖

2.3 氣層判別指標(biāo)與分級(jí)判別規(guī)則

參數(shù)Ga、Gr能指示含氣層與水層(油層)的區(qū)別,但未能對(duì)含氣層的級(jí)別(氣層、氣水同層)進(jìn)一步細(xì)分。事實(shí)上Ga、Gr、Sw這3個(gè)參數(shù)在一定程度上都能反映儲(chǔ)層含氣(油)性的變化,但由于低電阻率氣層在孔隙度、電阻率曲線(xiàn)上氣層響應(yīng)特征較弱,因而這3個(gè)參數(shù)獨(dú)立反映的含氣信息也相對(duì)較弱。針對(duì)電阻率阻氣層的這些特點(diǎn),在研究過(guò)程中提出把3個(gè)參數(shù)組合起來(lái)形成一個(gè)氣層判別指標(biāo),在含氣層使原來(lái)3個(gè)參數(shù)分散、較弱的含氣特征產(chǎn)生疊加放大效應(yīng)(遠(yuǎn)大于1),而在水層判別指標(biāo)則不被放大(保持在1左右),以提高低電阻率氣層識(shí)別靈敏度,利于低電阻率氣層的識(shí)別;再利用區(qū)塊試氣數(shù)據(jù)與氣層判別指標(biāo)相結(jié)合,分別統(tǒng)計(jì)出氣層、氣水同層判別指標(biāo)的下限值,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用氣層判別指標(biāo)對(duì)儲(chǔ)層含氣級(jí)別計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理自動(dòng)判別,提高低電阻率氣層評(píng)價(jià)能力和準(zhǔn)確性。氣層判別指標(biāo)式為

Ig=Ga×Gr/Sw

(10)

式(10)在水層的計(jì)算結(jié)果為Ig≈1;在含氣層則Ig?1,實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層含氣信息的有效放大,達(dá)到有效識(shí)別低電阻率氣層的目的。若利用區(qū)塊試氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到氣層、氣水同層的判別指標(biāo)下限值分別為Ig1和Ig2,則可利用表1對(duì)儲(chǔ)層的含氣性進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

表1 儲(chǔ)層含氣性分級(jí)判別規(guī)則

3 應(yīng)用效果

疏松砂巖低電阻率氣層評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)用于勝利油區(qū)QD油田和LHK油田共19口井的儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià),在識(shí)別評(píng)價(jià)低電阻率氣層方面取得良好效果。

圖5 Q5井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理成果圖

Q5井為QD油田第5區(qū)塊的1口預(yù)探井(見(jiàn)圖5),油氣勘探目的層為館陶組疏松砂巖地層,儲(chǔ)層巖性以粉砂、泥質(zhì)粉砂巖為主,平均孔隙度30.5%、平均滲透率1 100×10-3μm2,地層水礦化度3 540 mg/L、水型為NaHCO3。圖5中1號(hào)層自然伽馬數(shù)值較高(約78 API),指示儲(chǔ)層泥質(zhì)含量重;中子、密度測(cè)井基本沒(méi)有含氣響應(yīng),聲波時(shí)差有所增大;深感應(yīng)電阻率7.5 Ω·m左右、鄰近水層電阻率5.7 Ω·m,測(cè)井曲線(xiàn)氣層響應(yīng)不明顯。利用低電阻率氣層評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的成果圖顯示該層三孔隙度差值、比值有含氣現(xiàn)象,氣層判別指標(biāo)進(jìn)入氣層區(qū)域,解釋為氣層。該層試氣日產(chǎn)氣19 713 m3、不含水,解釋結(jié)論與試氣結(jié)論相符合。

LX7井為L(zhǎng)HK油田第7區(qū)塊的1口評(píng)價(jià)井(見(jiàn)圖6),油氣勘探目的層為館陶組疏松砂巖地層,儲(chǔ)層巖性以粉砂、泥質(zhì)粉砂巖為主。該井為定向斜井,最大井斜角46.96 °,地層水礦化度2 776 mg/L、水型為NaHCO3。圖6中2號(hào)層自然伽馬數(shù)值較高(約80 API)、自然電位無(wú)異常幅度,指示儲(chǔ)層泥質(zhì)含量較高;中子、密度測(cè)井基本沒(méi)有含氣響應(yīng),聲波時(shí)差有增大現(xiàn)象;深側(cè)向電阻率4～6.8 Ω·m、鄰近水層電阻率5～6 Ω·m,測(cè)井曲線(xiàn)指示氣層特征不明顯。利用低電阻率氣層評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理評(píng)價(jià),成果圖中含氣特征參數(shù)Ga、Gr、Ig指示儲(chǔ)層含氣性良好,解釋為氣層。該層在鉆井過(guò)程中氣測(cè)錄井?dāng)?shù)值有明顯增大現(xiàn)象,全烴從1.1%上升到23.38%,甲烷含量從0.813%上升至23.03%,氣測(cè)錄井資料顯示氣層特征明顯,間接驗(yàn)證了該層為氣層。

另外,嘗試把該技術(shù)方法應(yīng)用于中-低電阻率固結(jié)砂巖氣層的測(cè)井評(píng)價(jià)。Y2為1口評(píng)價(jià)井,目的層為沙四段砂巖儲(chǔ)層,該井2號(hào)層深感應(yīng)電阻率5～6 Ω·m、鄰近水層電阻率2～3 Ω·m,屬于中-低電阻率儲(chǔ)層;密度、聲波測(cè)井曲線(xiàn)基本沒(méi)有含氣顯示,中子測(cè)井曲線(xiàn)有小幅度的挖掘效應(yīng),總體測(cè)井曲線(xiàn)顯示的含氣特征不突出。利用低電阻率氣層評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的成果顯示該層三孔隙度差值、比值含氣性較好,氣層判別指標(biāo)指示為氣層,解釋為氣層。該層試氣日產(chǎn)氣6 431 m3,解釋結(jié)論正確。

4 結(jié) 論

(1) 疏松砂巖儲(chǔ)層富含以蒙脫石為主要黏土礦物成分的泥質(zhì),在較低地層水礦化度區(qū)域陽(yáng)離子交換當(dāng)量電導(dǎo)率變化率大,導(dǎo)致黏土的附加導(dǎo)電作用增強(qiáng)是勝利油區(qū)疏松砂巖低電阻率氣層形成的主要因素。

(2) W-S模型適用于由黏土陽(yáng)離子交換作用產(chǎn)生附加導(dǎo)電性而形成的低電阻率氣層含水飽和度計(jì)算。

(3) 由三孔隙度差值、比值和含水飽和度組合形成的氣層判別指標(biāo)適用于勝利油區(qū)疏松砂巖低電阻率含氣儲(chǔ)層的分級(jí)識(shí)別,可以提高低電阻率氣層評(píng)價(jià)的有效性和準(zhǔn)確性。

(4) 判別指標(biāo)的2個(gè)下限參數(shù)Ig1、Ig2應(yīng)按地層的巖性、物性和地層水礦化度的相似性分區(qū)塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到。

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