丁曉琪,劉 鑫,祁壯壯,張 威,劉四洪
(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院,成都 610059;2.中國石化 華北油氣分公司,鄭州 450006)
隨著勘探開發(fā)工作的逐漸深入,發(fā)現(xiàn)深層碳酸鹽巖仍發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲量,它是今后油氣勘探的重點[1-2],如塔里木盆地塔深1井在8 000余米深的碳酸鹽巖中,仍見到宏觀的溶洞發(fā)育[3]。碳酸鹽巖由于組分的不穩(wěn)定性,孔隙、洞穴、裂縫多尺度儲集空間發(fā)育,采用單一方法進行儲集空間和儲層物性的研究存在局限性和不準(zhǔn)確性。李易霖等[4]利用納米與微米CT、自動礦物識別系統(tǒng)(QEMSCAN)、MAPS圖像拼接技術(shù)以及環(huán)境掃描電鏡(ESEM)等非常規(guī)測試新技術(shù),從宏觀和微觀2個尺度對齊家地區(qū)高臺子油層致密儲層空間進行了表征;LI等[5]運用CT掃描技術(shù)進行碳酸鹽巖裂縫和孔洞的研究,采取圖像提取、分割、計算,進行不同類型孔隙的研究;王璐等[6]應(yīng)用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞實驗和CT掃描方法,對四川盆地高石梯—磨溪地區(qū)燈四段儲層樣品進行了研究與分析,定量表征了縫洞型碳酸鹽巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征;CORBETT等[7]綜合露頭照片、圖像分析、CT描述和計算機模擬研究微生物巖儲層的孔隙類型和結(jié)構(gòu),較好地解決了微生物巖的多尺度儲集空間表征問題。
鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組馬五7小層是近年新發(fā)現(xiàn)的一個含氣層系。該小層為一套致密微晶白云巖夾2~3層含石膏結(jié)核粉晶白云巖,單層厚度在2 m左右。石膏結(jié)核在加里東期被淡水淋濾形成鑄???,同時,含石膏結(jié)核的白云石晶粒要粗于微晶白云石。粉晶白云巖中的晶間孔20~30 μm;而微晶白云巖中的晶間孔一般小于10 μm。石膏鑄??状笮≡跀?shù)毫米至1~2 cm之間,呈圓形、卵形,較均勻分布在粉晶白云巖中。該套含鑄??追劬О自茙r物性和含氣性好。由于鑄體薄片很難包括整個石膏鑄??祝栽诒∑泻茈y準(zhǔn)確估算鑄??椎陌俜趾俊M瑫r大量的鑄??状嬖?,導(dǎo)致小圓柱的取心困難,實測的孔隙度往往是基質(zhì)白云巖的孔隙度和部分鑄??卓紫抖?,很難準(zhǔn)確反映儲層物性的實際情況;在利用測井資料進行儲層物性參數(shù)計算過程中,常用的聲波資料由于孤立鑄??椎拇嬖?,并不能準(zhǔn)確反映儲層的真實物性。這給馬五7小層含氣性評價和儲量計算帶來困難。
本文運用JMicroVision軟件,提取鄂爾多斯盆地大牛地馬五7小層鑄體薄片中的晶間孔,分析微米級晶間孔的孔徑大小分布和面孔率;對鉆井取心樣品進行拍照、拓片,同樣用JMicroVision軟件提取拓片中的鑄??祝M行毫米—厘米級鑄??椎目讖酱笮『桶俜直妊芯浚粚悠愤M行氬離子拋光后利用掃描電鏡觀察,研究數(shù)十納米以上晶間微孔的大小及其面孔率;在晶間孔面孔率(包括納米級晶間孔)約束下,建立了基于聲波基質(zhì)孔隙度的計算模型;在總面孔率約束下,建立了基于中子—密度總孔隙度的計算模型,最后討論了該研究方法在進行碳酸鹽巖多尺度儲集空間表征中的適用性和局限性。
奧陶紀鄂爾多斯地區(qū)屬于華北地臺的一部分,為陸表海沉積[8]。大牛地氣田位于伊陜斜坡北部,面積2000km2(圖 1)。前期的勘探以上古生界致密砂巖氣為主[9];近年來在下古生界奧陶系的勘探中,發(fā)現(xiàn)了以馬五1+2為主的風(fēng)化殼氣藏[10-11]和以馬五5為主的白云巖氣藏[12];隨著勘探的不斷深入,在馬五7中鉆遇了優(yōu)質(zhì)白云巖儲層,多口井獲得工業(yè)氣流,展示出良好的天然氣勘探潛力。
圖1 鄂爾多斯盆地大牛地位置及前石炭紀古地質(zhì)圖
鄂爾多斯盆地缺失下奧陶統(tǒng)冶里組和亮甲山組,中奧陶統(tǒng)馬家溝組不整合覆蓋于寒武系之上[7]。根據(jù)巖性組合特征,盆地內(nèi)馬家溝組自下而上分為六段。馬一段、馬三段和馬五段形成于海退階段,以白云巖為主,夾厚度不等的石膏和石鹽,黏土含量偏高;馬二段、馬四段和馬六段形成于海侵階段,以灰?guī)r為主,含數(shù)量不等的白云巖,由于古陸出露面積小,能夠提供的碎屑物質(zhì)有限,基本不含黏土[13]。馬五段自下而上又被劃分為10個小層,馬五9、馬五7、馬五5和馬五1+2以厚層—塊狀灰?guī)r、白云巖為主,含少量石膏結(jié)核,代表海退背景下的短暫海侵;而馬五10、馬五8、馬五6和馬五3+4則以紋層—薄層—中層黏土質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖為主,局部夾石膏和石鹽,代表大規(guī)模的海退。本文研究的主要層位是馬五7,馬五7在研究區(qū)分布穩(wěn)定,厚度13~20 m,為一套準(zhǔn)同生成因的白云巖。
圖2 鄂爾多斯盆地大牛地大126井中奧陶統(tǒng) 馬家溝組馬五7地層柱狀圖
馬五7含鑄模孔粉晶白云巖中白云石晶粒普遍在50~100 μm,白云石以平面半自形晶為主;儲集空間包括白云石晶間孔(微米級)、白云石晶內(nèi)孔(納米級)和石膏結(jié)核被溶蝕之后形成的鑄模孔(毫米—厘米級)(圖 3,圖 4),裂縫不明顯。晶間孔主要出現(xiàn)在白云石自形晶發(fā)育的區(qū)域;而鑄??椎陌l(fā)育具有隨機性,但層位相對穩(wěn)定。
根據(jù)巖心照片(圖3),采用拓片法提取鑄???。由于該方法一般只能拓取1mm以上的鑄模孔,所以其分辨率為1 mm。拓片后用JMicroVision軟件提取鑄??祝治鲨T??椎目讖椒植己兔婵茁?。從圖3可以看出:(1)鑄??追植紡V泛,但大小分布不均勻;(2)鑄??卓讖揭?~8 mm分布最多,孔徑大于1 cm的鑄??讉€數(shù)較少,但面積占比較大;(3)鑄??酌婵茁试?%~7%之間,平均為5.87%。
圖3 鄂爾多斯盆地大牛地大124井中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五7小層含鑄??讕r心照片、拓片圖及孔徑分布 vug為鑄模孔
利用JMicroVision軟件,提取鑄體薄片中的孔隙,并利用該軟件進行晶間孔大小的分布和晶間孔面孔率的計算(圖 4)。由圖4可以看出:(1)該方法能提取的最小孔徑為2 μm,對于小于2 μm的晶間孔,受鑄體照片分辨率的限制無法提?。?2)晶間孔孔徑主要分布在6 μm以上,且集中在20~30 μm;(3)面孔率在2%~4%之間,晶間孔分布較均勻,呈正態(tài)分布。
對于小于2 μm的納米—亞微米孔,成因可能與晶體生長過程中的晶格缺陷或晶體的結(jié)合面有關(guān)(圖 5)。本文運用氬離子拋光—掃描電鏡進行研究,通過對5個樣品的納米—亞微米孔(小于2μm)與晶間孔(大于2μm)的統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)納米—亞微米孔孔隙度平均為0.9%。因此,就孔隙度而言,納米—亞微米孔孔隙度較小,可以通過公式(1)進行估算 (圖6a)。
φIn=0.27φIin+0.14
(1)
式中:φIn為納米—亞微米孔孔隙度;φIin為晶間孔孔隙度。
圖6 鄂爾多斯盆地大牛地中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五7小層白云巖孔隙度交會圖版
因此,儲層的總孔隙度應(yīng)該是鑄??卓紫抖?、晶間孔孔隙度和納米—亞微米孔孔隙度之和。
由于中子反映含氫量,水中的氫含量最高,但天然氣中的氫含量較低,因此氣層中的中子孔隙度將變小,造成“挖掘效應(yīng)”[15]。馬五7小層中的白云巖較純,黏土含量低,幾乎不存在黏土間微孔和結(jié)構(gòu)水,因此中子孔隙度可不作泥質(zhì)校正。馬五7小層巖性致密,井壁規(guī)則,密度較為可靠。當(dāng)儲層中存在天然氣時,密度將降低,運用密度計算的孔隙度將增大。因此中子—密度計算的總孔隙度可以很大程度上消除天然氣的影響,與分層次多尺度表征的總孔隙度對比來看(圖 6b,圖 7),兩者具有較好的相關(guān)性,可通過公式(2)和公式(3)進行總孔隙度的計算。
(2)
φρ=(ρm-ρ)/(ρm-ρf)
(3)
式中:φt為總孔隙度,%;φρ為密度孔隙度,%;φCnl為補償中子孔隙度,%;ρm為白云巖骨架密度,2.87 g/cm3;ρf為流體密度,1.0 g/cm3;ρ為巖石密度,g/cm3。
聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同,但聲波測井測量的是沿傳播時間最短的縱波首波的速度,一般認為聲波時差不受洞穴和高角度裂縫的影響,只受骨架和粒間孔隙的影響[15]。聲波反映的是連通孔隙度和骨架信息,孤立的孔洞在聲波測井曲線上是沒有反應(yīng)的。因此,利用聲波測井計算的孔隙度往往是基質(zhì)孔隙度。通過與表征的基質(zhì)孔隙度回歸(圖 6c),白云巖中聲波(基質(zhì))孔隙度計算公式如(4)所示。
φac=5.26(AC-ACma)/(ACfld-ACma)-15.59
(4)
式中:φac為聲波孔隙度,%;AC為聲波時差,μm/s;ACma為白云巖骨架聲波時差,145 μm/s;ACfld為流體骨架聲波時差,620 μm/s。
從聲波曲線計算的孔隙度和多方法表征的晶間、晶內(nèi)孔隙度對比來看(圖 7),兩者具有較好的相關(guān)性。因此,可以通過聲波曲線進行白云巖基質(zhì)孔隙度的計算。
圖7 鄂爾多斯盆地大牛地大124井測井解釋孔隙度與實測孔隙度對比
中子—密度計算的總孔隙度扣除聲波時差計算的基質(zhì)孔孔隙度為鑄??卓紫抖取膱D7可以看出,鑄模孔的孔隙度在4%~6%之間,平均為5.1%,與5個樣品拓片表征的鑄??卓紫抖?平均5.87%)基本一致。
馬五7小層中的鑄??卓讖椒植加?~20 mm,平均面孔率為5.87%;晶間孔孔徑分布于20~30 μm,平均面孔率為2.87%,還有約0.9%的小于2 μm的亞微米—納米孔。在鑄體薄片晶間孔分析過程中,即使白云巖晶間孔的分布相對比較均勻,但仍存在一定的非均質(zhì)性,不能放大倍數(shù)過高,否則一方面會成倍增加工作量,另一方面會造成非均質(zhì)性引起的差別,也就是視域的代表性變差[7]。本文研究的鑄體薄片放大倍數(shù)為100倍,可觀察到的最小孔直徑為1~2 μm。然而,在氬離子拋光—掃描電鏡下仍可以觀察到大量的小于2 μm的晶內(nèi)—晶間納米—亞微米孔。也就是說,通過JMicroVision軟件計算的晶間孔只是宏觀的(>2 μm)。結(jié)合氬離子拋光—掃描電鏡,通過回歸法求取校正系數(shù),可以近似代表晶間(內(nèi))孔孔隙度。
在巖心拓片過程中,可以識別的最小孔隙直徑一般在1 mm以上。所以對于孔徑在1 mm以上的鑄???,如果樣本足夠多,是可以準(zhǔn)確表征的。由于目的層段的取心一般為數(shù)米,拓片長度并不受限制。拓片可以通過巖心切片完成,也可以通過巖心環(huán)掃完成,兩種方法并沒有實質(zhì)性的差別,只是前者的鑄??赘鼮榍宄?。目前,大部分油田的巖心都進行了數(shù)字化掃描,給大尺度孔洞的研究帶來了便利。將巖心平展圖進行拓片后,把拓片導(dǎo)入JMicroVision軟件中,設(shè)置好比例尺,提取孔洞并進行孔洞百分比和直徑的分布研究。對于巖心拓片,一般要求溶蝕孔洞小于半個巖心直徑,對于更大尺度的孔洞,只能通過露頭來確定百分含量。
因此,分層次(巖心拓片的毫米級、鑄體薄片的微米級和氬離子拋光—掃描電鏡的亞微米—納米級)對馬五7小層白云巖儲集空間進行表征,可以較準(zhǔn)確地刻畫該套白云巖的多尺度儲集空間。
一般認為聲波時差只反映連通孔隙度,并不反映孤立的溶蝕孔洞,因此聲波孔隙度一般小于中子—密度計算的總孔隙度。馬五7中的聲波孔隙度接近晶間孔(包括納米孔)孔隙度,從圖 7可以看出,聲波孔隙度與表征的晶間孔孔隙度絕對誤差為1.31%。
中子—密度結(jié)合進行總孔隙度的計算,可以很大程度上抵消天然氣的挖掘效應(yīng)和天然氣導(dǎo)致的密度孔隙度偏大的影響。中子—密度孔隙度計算公式并不具有實際意義,只有通過分層次表征的總孔隙度進行校正,得到總孔隙度,此時的孔隙度才具有實際意義??鄢暡〞r差計算的晶間孔孔隙度,則為孤立的鑄??卓紫抖?。這樣計算的鑄??缀屯仄碚鞯蔫T??纵^為接近,絕對誤差為0.88%,可以滿足要求。非連通孔隙度的計算對碳酸鹽巖儲層類型的定量識別具有重要的意義。
(1)對于發(fā)育多尺度儲集空間的碳酸鹽巖儲層,用單一方法進行儲集空間的表征存在不確定性,不能準(zhǔn)確、客觀地表征儲集空間的大小、分布、數(shù)量和空間分布。通過巖心拓片提取溶蝕孔洞(>1 mm)、鑄體薄片提取晶間孔(>2 μm)、氬離子拋光—掃描電鏡進行亞微米—納米孔(<2 μm)研究相結(jié)合,可以較準(zhǔn)確地表征碳酸鹽巖多尺度儲集空間。
(2)在多尺度儲集空間表征的基礎(chǔ)上,對聲波孔隙度和中子—密度孔隙度進行約束,可以建立對應(yīng)的晶間孔孔隙度計算模型和溶蝕孔洞孔隙度計算模型,該模型具有更高的計算精度。
(3)碳酸鹽巖分層次多尺度儲集空間的表征要求目的層段樣品具有代表性,也就是中等尺度的非均質(zhì)性相對較弱(晶間孔和鑄??追植驾^均勻)。如果非均質(zhì)性過強,裂縫發(fā)育,將很難對聲波孔隙度和中子—密度總孔隙度進行約束。