田瀚,馮慶付,李昌,田明智,李文正,張豪,谷明峰

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院,杭州浙江310023;2.中國石油勘探開發(fā)研究院四川盆地研究中心,成都四川610041)

0 引 言

目前對儲(chǔ)層有效性的判別方法多利用孔隙度—滲透率交會(huì)圖法,通過劃分孔隙度和滲透率下限確定產(chǎn)層和非產(chǎn)層,隨著技術(shù)發(fā)展誕生了許多儲(chǔ)層評價(jià)新方法[1-2]。李寧等[1]利用成像測井孔隙度分布譜來判斷酸化壓裂后的有效工業(yè)儲(chǔ)層,在中國多個(gè)油田得到很好地應(yīng)用;王亮等[3]利用斯通利波的反射和能量衰減程度評價(jià)裂縫性儲(chǔ)層的有效性,在四川盆地龍崗地區(qū)取得較好效果;李軍等[4-5]利用核磁共振測井在碳酸鹽巖儲(chǔ)層有效性評價(jià)中也進(jìn)行了很好應(yīng)用。這些新方法對測井資料要求較高,而且物性相對較好的儲(chǔ)層才有明顯效果。近年來,隨著勘探程度不斷提高,對儲(chǔ)層品質(zhì)要求放寬,導(dǎo)致僅依靠單一的孔隙度難以描述儲(chǔ)層的有效性。參照四川盆地已有碳酸鹽巖儲(chǔ)層分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6],對于Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)儲(chǔ)層有效性判斷錯(cuò)誤的現(xiàn)象:孔隙同樣發(fā)育的儲(chǔ)層,有的經(jīng)過酸化壓裂后可以達(dá)到工業(yè)產(chǎn)能,而有的則達(dá)不到工業(yè)產(chǎn)能,甚至為干層[7]。對于碳酸鹽巖儲(chǔ)層而言,孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度是影響儲(chǔ)層有效性的關(guān)鍵所在。本文從儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和宏觀特征2個(gè)方面入手,提出了一種新的針對縫洞型儲(chǔ)層,利用膠結(jié)指數(shù)m和基質(zhì)孔隙度占比建立的儲(chǔ)層有效性評價(jià)的方法。

1 有效性評價(jià)方法

1.1 膠結(jié)指數(shù)m

儲(chǔ)集巖孔隙結(jié)構(gòu)是指巖石所具有的孔隙喉道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關(guān)系[8-9]。目前對于孔隙結(jié)構(gòu)的研究方法主要有壓汞、CT掃描、核磁共振和巖電分析法等。其中,壓汞和CT掃描主要針對單個(gè)巖石樣品所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析,是目前孔隙結(jié)構(gòu)研究的重要手段之一,但是無法用于全井段的連續(xù)分析;核磁共振測井為連續(xù)分析儲(chǔ)集巖孔隙結(jié)構(gòu)提供了可能;巖電分析得到的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)能夠反映孔隙喉道分布和連通特征[8],如對于均勻溶蝕的顆粒巖,由于其導(dǎo)電關(guān)系與碎屑巖相類似,m值近似為理論值2;對于成巖作用比較復(fù)雜的巖石,由于多重成巖作用的影響,使得原始沉積時(shí)形成的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生很大改變,導(dǎo)致巖石整體的導(dǎo)電關(guān)系變得復(fù)雜,此時(shí),m值會(huì)大于2;而當(dāng)裂縫發(fā)育時(shí),由于裂縫是良好的導(dǎo)電通道,此時(shí),m值小于2。如果能夠快速得到連續(xù)準(zhǔn)確的膠結(jié)指數(shù)m值,就可以為復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層提供一種潛在的表征方法。

眾多學(xué)者對膠結(jié)指數(shù)m進(jìn)行過研究,提出了很多膠結(jié)指數(shù)m的計(jì)算方法,目前要以三孔隙度模型最為主流[10-14]。三孔隙度模型思想認(rèn)為不同的孔隙空間對儲(chǔ)層的導(dǎo)電性貢獻(xiàn)不同。如孔洞型儲(chǔ)層,當(dāng)溶蝕孔洞連通性較差時(shí),如發(fā)育粒內(nèi)孔、鑄膜孔和體腔孔,這些孤立孔洞的發(fā)育雖然能夠顯著增加儲(chǔ)集空間,但是儲(chǔ)層電阻率隨孔隙度的變化不如孔隙型儲(chǔ)層明顯;裂縫型儲(chǔ)層,裂縫雖然不能顯著增加儲(chǔ)集空間,但是對導(dǎo)電性能的改善顯著,基于這種認(rèn)識(shí),學(xué)者們采用串并聯(lián)思想考慮不同孔隙空間的導(dǎo)電作用。這種模型創(chuàng)新性地提出了一種膠結(jié)指數(shù)m的計(jì)算方法,同時(shí)也對膠結(jié)指數(shù)m的影響因素及變化規(guī)律進(jìn)行深入分析。曾文沖[15]通過對大量巖心的實(shí)際測定發(fā)現(xiàn),對于碳酸鹽巖等非均質(zhì)儲(chǔ)層,即使在相同巖性和相同孔隙度、礦化度和含水飽和度條件下,m值也會(huì)有相當(dāng)大的變化。Towle[16]在考慮孔隙幾何形態(tài)的情況下,通過理論模型的推到認(rèn)為,對于孔洞型儲(chǔ)層,膠結(jié)指數(shù)m變化范圍一般為2.67～7.3,而對于裂縫型儲(chǔ)層,膠結(jié)指數(shù)m要小于2。正是由于碳酸鹽巖儲(chǔ)層非阿爾奇現(xiàn)象突出,利用三孔隙度模型計(jì)算的含水飽和度相對傳統(tǒng)方法有明顯的效果[16]。目前的三孔隙度模型考慮了孔隙空間類型及大小對儲(chǔ)層的影響,卻忽略了孔隙形態(tài)的作用,尤其是裂縫形態(tài)。對于碳酸鹽巖儲(chǔ)層而言,裂縫形態(tài)往往不是一成不變的。

裂縫傾角的變化只會(huì)在2種極端狀態(tài)之間變化,即裂縫傾角為0°的水平裂縫和裂縫傾角為90°的垂直裂縫。假設(shè)電流水平流入地層,對于水平裂縫,由于電流流向與裂縫走向一致,地層整體電導(dǎo)率最大,而對于垂直裂縫,由于電流流向與裂縫走向相垂直,地層整體電導(dǎo)率最小[12]。結(jié)合成像測井所測量的裂縫傾角情況,就可以得到任意裂縫形態(tài)下,地層整體導(dǎo)電情況。本文通過嚴(yán)格理論推導(dǎo),最終得到了全新的基于裂縫形態(tài)的多孔介質(zhì)模型[見式(5)]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,φ為儲(chǔ)層總孔隙度,由中子密度交會(huì)獲得,小數(shù);φ2為裂縫孔隙度,由深淺雙側(cè)向電阻率或成像測井獲得,小數(shù);φb為基質(zhì)孔隙度,由聲波測井獲得,小數(shù);φnc為儲(chǔ)層孤立孔洞孔隙度,利用式(4)獲得,小數(shù);FH為水平裂縫情況下,混合體的地層因素值,無量綱;FV為垂直裂縫情況下,混合體的地層因素值,無量綱;θ為裂縫傾角,(°);mb為基質(zhì)部分的膠結(jié)指數(shù);m為縫洞型儲(chǔ)層的膠結(jié)指數(shù)。

圖2 利用模型計(jì)算的膠結(jié)指數(shù)m和ADT測量的m值非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖1 膠結(jié)指數(shù)m與裂縫傾角的關(guān)系

為能進(jìn)一步了解裂縫傾角對膠結(jié)指數(shù)m的影響,本文進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬分析。假設(shè)儲(chǔ)層裂縫孔隙度為1%,裂縫傾角分別為0°、30°、45°、60°、75°、80°和90°情況下,分析膠結(jié)指數(shù)m的變化情況,同時(shí)進(jìn)一步假設(shè)儲(chǔ)層在不發(fā)育裂縫時(shí),其膠結(jié)指數(shù)m為理論值2.0(見圖1)。從圖1可見,當(dāng)裂縫傾角較小時(shí)(小于60°),膠結(jié)指數(shù)m的確小于理論上沒有裂縫時(shí)的情況,即m值小于2.0,但是隨著裂縫傾角的增大,這種情況就開始發(fā)生變化,當(dāng)裂縫傾角較大時(shí),膠結(jié)指數(shù)m出現(xiàn)大于2.0的現(xiàn)象,也就是說裂縫并沒有改善儲(chǔ)層整體導(dǎo)電能力,這與人們認(rèn)為裂縫一定會(huì)促進(jìn)地層電流的流通相左,而且,隨著裂縫傾角的逐漸增大,出現(xiàn)膠結(jié)指數(shù)m大于2.0時(shí)所要求的孔隙度下限值是逐漸降低的。

中國海相碳酸鹽巖通常經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加和改造,具有年代古老、時(shí)間跨度大、埋藏深、成巖漫長的特點(diǎn)[18-19],儲(chǔ)層物性相對國外的碳酸鹽巖儲(chǔ)層整體偏差。高石梯磨溪地區(qū)龍王廟組1515塊巖心分析孔隙度統(tǒng)計(jì)表明,龍王廟組儲(chǔ)層孔隙度集中分布于1.0%～5.0%,參照四川盆地已有的碳酸鹽巖儲(chǔ)層分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),儲(chǔ)層整體以Ⅱ、Ⅲ為主。該區(qū)22口成像測井的裂縫傾角數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明:研究區(qū)儲(chǔ)層整體以發(fā)育高角度裂縫為主,裂縫傾角一般大于70°?；谇懊娴姆治隹芍?在這種情況下,可能會(huì)出現(xiàn)裂縫對儲(chǔ)層整體導(dǎo)電能力減弱的現(xiàn)象,因此為了能夠得到準(zhǔn)確的膠結(jié)指數(shù)m,有必要在實(shí)際研究中考慮裂縫傾角的影響。

新方法計(jì)算的膠結(jié)指數(shù)m值與斯倫貝謝公司ADT(Array Dielectric Tool)介電掃描測井測量的m值有很好的吻合性(見圖2)。ADT介電測井最大的優(yōu)勢就是能夠測量隨地層深度變化的膠結(jié)指數(shù)m,從而為準(zhǔn)確評價(jià)儲(chǔ)層中含水飽和度提供可靠參數(shù)。而基于新方法所計(jì)算的結(jié)果與ADT測量值相一致,且基于得到的膠結(jié)指數(shù)m所計(jì)算的含水飽和度與巖心分析含水飽和度相吻合,說明計(jì)算結(jié)果可靠,同時(shí)在研究區(qū)其他取心井也得到驗(yàn)證。

1.2 基質(zhì)孔隙度占比

圖4 MX46井測井解釋成果圖

四川盆地下寒武統(tǒng)龍王廟組儲(chǔ)層主要發(fā)育于內(nèi)緩坡的顆粒灘微相(平均孔隙度5.03%),而灘間海(平均孔隙度0.89%)及潟湖(平均孔隙度為1.03%)等其他沉積微相區(qū)儲(chǔ)層不發(fā)育,顆粒灘微相的主要巖石類型為顆粒碳酸鹽巖,顆粒碳酸鹽巖是形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的物質(zhì)基礎(chǔ)[20]?，F(xiàn)今所見的粒間、晶間孔主要是在原始孔隙基礎(chǔ)上經(jīng)過后期成巖改造后保留下來的,也是龍王廟組主要的儲(chǔ)集空間類型?；|(zhì)孔隙主要反映儲(chǔ)層原始物性情況,而聲波測井孔隙度主要反映基塊巖石孔隙度情況[21]。基質(zhì)孔隙度占比是指基質(zhì)孔隙部分占總孔隙空間的百分比。基質(zhì)孔隙度由聲波測井計(jì)算得到,其主要反映粒間、晶間孔隙所占的空間大小;而總孔隙度由中子密度交會(huì)得到,不僅包括基質(zhì)部分,還包括因后期成巖作用所產(chǎn)生的裂縫和溶蝕孔洞?；|(zhì)孔隙度占比相比純粹的孔隙度,更能反映儲(chǔ)層本身的好壞,而只采用基質(zhì)孔隙度,由于其相對巖石真實(shí)孔隙度而言整體偏小,可能會(huì)導(dǎo)致部分產(chǎn)層段被認(rèn)為是非儲(chǔ)層。

針對儲(chǔ)層段,認(rèn)為基質(zhì)孔隙度占比越大,反映儲(chǔ)層原始物性越好;而基質(zhì)孔隙度占比越小,則表明儲(chǔ)層主要以后期溶蝕孔洞為主。對于均勻溶蝕孔,其在聲波測井上是有反應(yīng)的,這里將其歸并到基質(zhì)巖塊孔隙中,從而利用基質(zhì)孔隙度占比來間接反映儲(chǔ)層的好壞。對研究區(qū)部分已鉆井的單井基質(zhì)孔隙度占比和測試產(chǎn)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),對于基質(zhì)孔隙度占比大的儲(chǔ)層,常規(guī)的裸眼井測試,其儲(chǔ)層段就有流體產(chǎn)出,而對于基質(zhì)孔隙度占比小的儲(chǔ)層,即使后期經(jīng)過酸化壓裂改造,最終產(chǎn)出也不盡如人意。

2 應(yīng)用效果

依據(jù)上述思路,筆者針對高磨地區(qū)龍王廟組儲(chǔ)層,利用膠結(jié)指數(shù)m和基質(zhì)孔隙度占比這2個(gè)參數(shù)建立了相應(yīng)的儲(chǔ)層有效性評價(jià)圖版(見圖3)。該方法能夠有效區(qū)分產(chǎn)層、差產(chǎn)層和干層,其中右下角為產(chǎn)層區(qū),表現(xiàn)為膠結(jié)指數(shù)m值小,基質(zhì)孔隙度占比大;而左上角為干層區(qū),表現(xiàn)為膠結(jié)指數(shù)m值大,基質(zhì)孔隙度占比小。

圖3 儲(chǔ)層有效性評價(jià)圖版

膠結(jié)指數(shù)m和基質(zhì)孔隙度占比這2個(gè)參數(shù)之所以能夠有效表征儲(chǔ)層的好壞,其實(shí)是有明確的物理意義。膠結(jié)指數(shù)m反映的是儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的分布及其連通程度,在儲(chǔ)層物性一定的情況下,膠結(jié)指數(shù)m越小,說明儲(chǔ)集空間彼此連通性好,后期酸化壓裂油氣更容易產(chǎn)出;膠結(jié)指數(shù)m越大,儲(chǔ)集空間連通性差,儲(chǔ)集空間彼此孤立,使得油氣的排出難度更大?；|(zhì)孔隙度占比主要反映的儲(chǔ)層原始物性的好壞,由于龍王廟組儲(chǔ)層是典型的相控型儲(chǔ)層,原始物質(zhì)基礎(chǔ)的好壞間接反映了沉積相帶的好壞。因此,可利用這2個(gè)參數(shù)從微觀孔隙結(jié)構(gòu)和宏觀的儲(chǔ)層特征兩方面對儲(chǔ)層進(jìn)行表征。

圖4為MX46井龍王廟組測井成果圖,常規(guī)處理結(jié)果為4720～4755m段儲(chǔ)層平均孔隙度3.8%,儲(chǔ)層有效厚度27m,原始解釋為氣層,最終測試為干層。通過該方法重新評價(jià)后發(fā)現(xiàn),基質(zhì)孔隙度占比僅為35.03%,雖然測井計(jì)算的孔隙度較高,但是基質(zhì)孔隙相對不發(fā)育,推測其孔隙空間主要是溶蝕孔洞或裂縫,而膠結(jié)指數(shù)m高達(dá)2.58,進(jìn)一步推測這些儲(chǔ)集空間發(fā)育孤立孔洞就是發(fā)育高角度裂縫,成像測井也證實(shí)了這一點(diǎn)。該點(diǎn)落入干層區(qū),與試油結(jié)論相一致。

3 結(jié) 論

(1)碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型多樣、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在綜合考慮孔隙空間大小和形態(tài)的基礎(chǔ)上提出的基于裂縫傾角的多孔介質(zhì)模型計(jì)算的膠結(jié)指數(shù)m精度更高,且能很好地用于儲(chǔ)層表征。

(2)膠結(jié)指數(shù)m值越大,反映儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,孤立孔洞或高角度裂縫越發(fā)育,反之說明連通縫洞越發(fā)育;基質(zhì)孔隙度占比越大,則表明儲(chǔ)層基質(zhì)孔越發(fā)育,原始物質(zhì)基礎(chǔ)越好,反之說明孤立孔洞越發(fā)育。利用膠結(jié)指數(shù)m和基質(zhì)孔隙度占比建立的儲(chǔ)層有效性評價(jià)方法應(yīng)用效果明顯。