秦瑞寶,李銘宇,余杰,湯麗娜,黃濤,李利

(中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京100028)

0 引 言

致密砂巖氣作為中國各類天然氣藏的重要組成部分,相對(duì)于常規(guī)氣藏,其物性差,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,儲(chǔ)層參數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算[1-2]。為此,國內(nèi)外學(xué)者開展了相應(yīng)的研究。宋子齊等[3]通過分析巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)類型與測井響應(yīng)之間的關(guān)系,建立了不同巖石物理相儲(chǔ)層孔隙度模型,能夠提高致密儲(chǔ)層孔隙度計(jì)算精度;邵才瑞等[4]利用巖心壓汞資料,根據(jù)不同毛細(xì)管壓力曲線形態(tài),按孔隙度范圍分類建立J函數(shù)與飽和度之間的關(guān)系,能夠提高低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層飽和度的計(jì)算精度;李霞等[5]基于低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征,提出了雙孔隙組分飽和度模型,比較適用于巖電實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)“非阿爾奇”現(xiàn)象的低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層;石玉江等[6]在儲(chǔ)層導(dǎo)電機(jī)理研究基礎(chǔ)上,建立了基于自由水、微孔隙水和黏土束縛水的“三水”并聯(lián)導(dǎo)電的含水飽和度解釋模型,提高了致密儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)精度。

該文結(jié)合臨興區(qū)塊油藏特點(diǎn),提出了基于物源分類的巖心標(biāo)定測井的孔隙度精細(xì)評(píng)價(jià)新方法,建立了基于“非線性阿爾奇”現(xiàn)象的新含氣飽和度模型,從而得到精確的孔隙度、飽和度等參數(shù),為增加儲(chǔ)量提高產(chǎn)量提供可靠依據(jù)。

1 區(qū)塊概況及儲(chǔ)層特征

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶,臨近大牛地氣田,主要勘探目的層為上古生界二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組以及石炭系本溪組。

該研究區(qū)沉積相類型多樣,成巖作用強(qiáng)烈,巖石成分復(fù)雜,巖屑、長石含量高。儲(chǔ)層主要發(fā)育長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖與巖屑砂巖,少量發(fā)育巖屑石英砂巖與石英砂巖;成巖相主要分為溶蝕相、綠泥石襯邊相、硅質(zhì)膠結(jié)相、碳酸鹽膠結(jié)相、基質(zhì)充填相和機(jī)械壓實(shí)相,其中溶蝕相和綠泥石襯邊相對(duì)儲(chǔ)層物性起建設(shè)性作用,其他成巖相對(duì)儲(chǔ)層物性有破壞作用。

該區(qū)塊儲(chǔ)層整體物性較差(見圖1),孔隙度為0.3%～21.5%,平均7.3%;滲透率為0.001～89.600 mD(1)非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,平均0.330 mD,其中致密和低滲透砂巖儲(chǔ)層占比近80%。

圖1 臨興區(qū)塊儲(chǔ)層巖心分析孔隙度、滲透率分布情況

2 儲(chǔ)層參數(shù)測井精細(xì)評(píng)價(jià)

孔隙度和飽和度是儲(chǔ)量評(píng)價(jià)中最重要的2個(gè)參數(shù)。但由于研究區(qū)含氣層位多、沉積相類型多樣、巖石成分復(fù)雜、成巖作用強(qiáng)烈,給準(zhǔn)確求取孔隙度和飽和度帶來挑戰(zhàn)。為提高儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算精確度,滿足儲(chǔ)量估算要求,開展了孔隙度、飽和度精細(xì)評(píng)價(jià)研究。

2.1 基于物源分類的巖心標(biāo)定測井孔隙度計(jì)算方法

臨興區(qū)塊巖石成分復(fù)雜,導(dǎo)致巖石骨架參數(shù)多變,采用常規(guī)三孔隙度測井評(píng)價(jià)方法結(jié)合巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,發(fā)現(xiàn)密度與巖心分析孔隙度的相關(guān)性要明顯好于中子和聲波時(shí)差與巖心分析孔隙度的相關(guān)性,因此,采用單密度測井資料計(jì)算孔隙度。但由于研究區(qū)含氣層位多,在平面和縱向上分布不均,不同井、不同層位的含氣性變化大,含氣性和巖性的變化對(duì)密度測井響應(yīng)存在較大影響。上石盒子組巖心分析孔隙度與測井密度相關(guān)系數(shù)僅為0.73,這樣的相關(guān)性對(duì)于中高孔隙度滲透率儲(chǔ)層基本滿足計(jì)算精度要求,但對(duì)于特低孔隙度滲透率和致密儲(chǔ)層來說則不夠。利用回歸公式計(jì)算的孔隙度與巖心分析孔隙度相對(duì)誤差高達(dá)20%以上,無法滿足儲(chǔ)量估算的精度要求。該文結(jié)合區(qū)塊沉積物源和沉積相分析,在綜合考慮含氣性變化的前提下,建立巖心標(biāo)定測井孔隙度精細(xì)評(píng)價(jià)模型,有效解決孔隙度計(jì)算精度不高的問題。

諸多研究成果表明,鄂爾多斯盆地北部上石炭統(tǒng)中二疊統(tǒng)砂巖的物源區(qū)主要為再旋回造山帶物源區(qū),可劃分出烏海-銀川、杭錦旗-東勝及準(zhǔn)格爾旗-府谷等3個(gè)物源區(qū)。受物源分類的影響(不同物源控制巖屑含量的多少),盆地內(nèi)部石英砂巖分布以杭錦旗-東勝為界,具有明顯東西分區(qū)性,主要分布于盆地西部,越往東石英含量逐漸降低,而巖屑含量則逐漸增高,盆地東部總體上是巖屑砂巖的覆蓋區(qū)[7-8]。結(jié)合臨興區(qū)塊X射線衍射分析資料統(tǒng)計(jì)上石盒子組東西區(qū)巖石成分分布情況(見表1),可以看出,從西往東,石英含量降低,長石和巖屑含量增加,并且圖2中薄片分析表明,位于東邊的LX-A井其巖屑含量明顯多于西邊的LX-B井,整體上與鄂爾多斯盆地大趨勢保持一致。因此,臨興區(qū)塊平面上巖石骨架密度應(yīng)該表現(xiàn)為西低東高的特征。

表1 臨興區(qū)塊上石盒子組巖石成分統(tǒng)計(jì)表

從區(qū)域沉積背景分析,臨興區(qū)塊主要目的層上古生界沉積環(huán)境經(jīng)歷了太原組濱淺海相潮坪障壁潟湖沉積,到山西組海陸過渡相曲流河三角洲沉積,再到下石盒子組、上石盒子組及石千峰組河流三角洲發(fā)育的內(nèi)陸湖盆陸源碎屑沉積的發(fā)展演變,下部海相、海陸過渡相易形成灰質(zhì)膠結(jié),碳酸鹽巖含量高,巖石骨架密度增大。利用X射線衍射分析資料統(tǒng)計(jì)分析臨興區(qū)塊不同層位碳酸鹽巖含量的分布情況(見表2),總體上看,從下而上自太原組到石千峰組,碳酸鹽巖含量逐漸降低,與區(qū)域沉積相認(rèn)識(shí)相符,故縱向上巖石骨架密度表現(xiàn)為上低下高的特征。

表2 臨興區(qū)塊碳酸鹽巖含量統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合巖心分析孔隙度,利用密度測井孔隙度計(jì)算公式,分區(qū)、分層位標(biāo)定砂巖骨架密度值,具體標(biāo)定結(jié)果見表3。

表3 臨興區(qū)塊巖石骨架密度取值表(單位:g·cm-3)

研究區(qū)致密砂巖氣儲(chǔ)層密度孔隙度與中子孔隙度的差值大小能夠反映儲(chǔ)層含氣性[9],含氣性越好,密度孔隙度與中子孔隙度差值也會(huì)越大。自然高產(chǎn)氣層測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為自然伽馬值小于50 API、密度中子孔隙度曲線表現(xiàn)為明顯的正差異,密度孔隙度與中子孔隙度差值大于或等于4%。因此,可以根據(jù)流體性質(zhì)對(duì)測井響應(yīng)的影響程度確定地層流體密度值。

該文據(jù)此開展臨興區(qū)塊孔隙度計(jì)算,以使計(jì)算精度達(dá)到儲(chǔ)量規(guī)范的要求。

(1)

φt=φe+Vshφsh

(2)

圖2 臨興區(qū)塊上石盒子組巖石骨架密度值分布*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m; 1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

式中,φe為有效孔隙度,小數(shù);φt為總孔隙度,小數(shù);ρlog為體積密度測井值,g/cm3;ρma為砂巖骨架密度,g/cm3;ρsh為泥巖密度值,取2.62 g/cm3;Vsh為泥質(zhì)含量,小數(shù);φsh為泥巖孔隙度,取0.10 g/cm3。ρfl為地層流體密度,當(dāng)密度孔隙度減中子孔隙度差大于或等于4%時(shí),取0.80 g/cm3,否則取1.00 g/cm3。以臨興區(qū)塊上石盒子組巖石骨架密度標(biāo)定結(jié)果為例(見圖2中盒2段沉積微相平面分布圖),以圖2中紅線為界,西邊巖石骨架密度取2.66 g/cm3,測井計(jì)算孔隙度與巖心分析孔隙度吻合最好(見圖2中LX-B井處理成果圖),東邊巖石骨架密度取2.68 g/cm3,測井計(jì)算孔隙度與巖心分析孔隙度吻合最好(見圖2中LX-A井處理成果圖),其他層段巖石骨架密度取值見表3。最終形成了平面上東、西分區(qū),縱向上分層位的砂巖骨架密度取值規(guī)律,總體上骨架密度呈現(xiàn)西低東高,上低下高的趨勢,與區(qū)域物源分類和沉積背景相一致。

2.2 基于“非阿爾奇”現(xiàn)象的含氣飽和度新模型

致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、巖電關(guān)系復(fù)雜,巖電參數(shù)難以準(zhǔn)確求取,傳統(tǒng)阿爾奇或印度尼西亞公式評(píng)價(jià)含水飽和度不能滿足儲(chǔ)量估算的精度要求。該文基于臨興區(qū)塊大量的巖電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層分析不同孔隙類型儲(chǔ)層的巖電關(guān)系,構(gòu)建新的致密砂巖儲(chǔ)層含氣飽和度定量評(píng)價(jià)模型。

2.2.1巖電關(guān)系分析

根據(jù)Rasmus多重孔隙介質(zhì)電阻率模型[10],認(rèn)為巖石孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖石電學(xué)性質(zhì)有控制作用。圖3為臨興區(qū)塊鑄體薄片資料顯示的4種孔隙類型及實(shí)驗(yàn)分析得到的巖電關(guān)系,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)可分為粒間孔隙型、粒間-溶蝕孔隙型、泥粉-粒間孔隙型和粒間-裂縫孔隙型,巖電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示的復(fù)雜孔隙類型是導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)分區(qū)分散、巖電關(guān)系產(chǎn)生差異的原因。分析不同孔隙類型的膠結(jié)指數(shù)m與孔隙度的關(guān)系發(fā)現(xiàn):溶蝕孔隙的存在將使膠結(jié)指數(shù)m增大,基質(zhì)孔隙度愈小、溶蝕孔隙度愈大,m值愈大;微裂縫發(fā)育可降低膠結(jié)指數(shù)m值,基質(zhì)孔隙度愈低、裂縫孔隙度愈大,m愈小;在相同孔隙度下,粒間-裂縫孔隙型膠結(jié)指數(shù)m最小,粒間-溶蝕孔隙型膠結(jié)指數(shù)m最大。4種不同孔隙類型儲(chǔ)層巖石電阻率指數(shù)與含水飽和度的關(guān)系整體呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系,粒間孔隙、粒間-溶蝕孔隙、泥粉-粒間孔隙和粒間裂縫孔隙的飽和度指數(shù)n依次增大。

圖3 臨興區(qū)塊薄片分析孔隙類型和巖電關(guān)系

2.2.2新飽和度模型及參數(shù)確定方法

(1)膠結(jié)指數(shù)m值的確定

地層因素與巖心分析孔隙度的關(guān)系表明,臨興地區(qū)膠結(jié)指數(shù)m是一個(gè)變值,m值與孔隙度呈近似單調(diào)遞增關(guān)系。但不同層位的變化趨勢不盡相同,若不分層擬合相關(guān)系數(shù)僅為0.417,無法滿足計(jì)算精度要求。故分層位建立m值的確定方法(見圖4)。圖4為不同層位膠結(jié)指數(shù)m與孔隙度的關(guān)系,分層擬合的公式精度明顯提高。由于石千峰組和山西組m值變化較小,可以選取固定的m值。

圖4 臨興區(qū)塊不同層位膠結(jié)指數(shù)m值與巖心分析孔隙度的關(guān)系

(2)新飽和度系數(shù)xb和電阻率指數(shù)xn值的確定

研究區(qū)巖電實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,巖石電阻率指數(shù)與含水飽和度在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下呈現(xiàn)較明顯的非線性相關(guān)性。為了進(jìn)一步提高飽和度評(píng)價(jià)精度,將巖電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為2類,建立電阻率指數(shù)與含水飽和度的指數(shù)關(guān)系[見圖5(a)],分別得到飽和度系數(shù)。Ⅰ類以泥粉粒間孔隙、粒間裂縫孔隙和小孔隙為主,Ⅱ類巖樣以粒間孔隙、粒間溶蝕孔隙和大孔隙為主,Ⅰ類飽和度系數(shù)n值大于Ⅱ類飽和度系數(shù)n值。

圖5 臨興區(qū)塊2類儲(chǔ)層測井定量區(qū)分圖版

但是,對(duì)于這2類儲(chǔ)層能否利用測井資料區(qū)分開來,是新模型得以在實(shí)際測井資料處理中應(yīng)用的關(guān)鍵。相比于Ⅰ類儲(chǔ)層,Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成的儲(chǔ)層物性更好,儲(chǔ)集滲透能力強(qiáng),含氣性更好,基于中子、密度、聲波三孔隙度測井與儲(chǔ)層含氣性的密切關(guān)系,提出利用三孔隙度比值B放大儲(chǔ)層含氣信息從而識(shí)別不同類型儲(chǔ)層。經(jīng)過多種參數(shù)交會(huì)圖分析,發(fā)現(xiàn)測井三孔隙度比值B與干巖樣密度DENG交會(huì)圖能夠區(qū)分2類儲(chǔ)層[見圖5(b)],Ⅰ類儲(chǔ)層:B>4,DENG>2.47 g/cm3;Ⅱ類儲(chǔ)層:B≤4,DENG≤2.47 g/cm3。

其中,三孔隙度比值計(jì)算公式為

(3)

式中,B為三孔隙度比值,無量綱;φs為聲波孔隙度,小數(shù);φN為中子孔隙度,小數(shù);φd為密度孔隙度,小數(shù)。

干巖樣密度可以通過建立與巖心分析孔隙度的相關(guān)關(guān)系(見圖5(c))計(jì)算得到

DENG=-0.0246φ+2.636

(4)

式中,DENG為干巖樣密度,g/cm3;φ為巖心分析孔隙度,小數(shù)。

在上述巖電關(guān)系的基礎(chǔ)上,建立新的巖電關(guān)系

(5)

(6)

聯(lián)合式(5)和式(6),可得飽和度模型的關(guān)系式

(7)

式中,F為地層因素,無量綱;I為電阻率指數(shù),無量綱;Ro為100%含水巖石電阻率,Ω·m;Rw為地層水電阻率,Ω·m;Rt為地層電阻率,Ω·m;φe為有效孔隙度,小數(shù);m為孔隙膠結(jié)指數(shù);α為巖性系數(shù),取值1;xb和xn為新飽和度模型系數(shù),區(qū)別于阿爾奇公式中的b和n值。最終分層位確定了不同類型儲(chǔ)層新飽和度模型的參數(shù)取值(見表4)。

表4 新飽和度模型參數(shù)取值表

3 測井資料處理及精度分析

依據(jù)上述儲(chǔ)層參數(shù)精細(xì)評(píng)價(jià)方法對(duì)50口取心井開展實(shí)際測井資料的處理,利用270層的巖心分析孔隙度對(duì)測井解釋孔隙度進(jìn)行驗(yàn)證,相對(duì)誤差均小于8%[見圖6(a)],滿足儲(chǔ)量估算的精度要求。另外,由于密閉取心對(duì)鉆井工藝要求極高、成本昂貴,研究區(qū)僅對(duì)少量井進(jìn)行了密閉取心。研究表明,蠟封巖心分析含水飽和度及3 MPa高壓半滲透隔板束縛水飽和度數(shù)據(jù)可用于測井計(jì)算飽和度的檢驗(yàn)[11]。最終利用研究區(qū)3口井8個(gè)小層密閉取心、24口井61個(gè)小層蠟封巖心、8口井23個(gè)小層半滲透隔板的飽和度數(shù)據(jù)對(duì)測井計(jì)算飽和度進(jìn)行檢驗(yàn)[見圖6(b)],其絕對(duì)誤差均小于5%,滿足儲(chǔ)量估算的精度要求。

圖6 臨興區(qū)塊測井解釋孔隙度和含水飽和度計(jì)算精度分析

圖7為利用新模型對(duì)LX-C井儲(chǔ)層參數(shù)精細(xì)處理的結(jié)果。從左到右第7道藍(lán)色曲線為原解釋孔隙度曲線,紅色曲線為新方法解釋孔隙度曲線,第8道藍(lán)色曲線為原解釋含水飽和度,紅色曲線為新方法解釋含水飽和度,黑色桿狀線為巖心分析孔隙度、飽和度數(shù)據(jù)。新模型計(jì)算結(jié)果與巖心分析數(shù)據(jù)吻合更好,且孔隙度和含氣飽和度均高于常規(guī)解釋結(jié)果。通過統(tǒng)計(jì),圖7中3套氣層新方法處理的平均孔隙度為8.3%,平均含氣飽和度為72.5%;常規(guī)解釋的平均孔隙度為6.1%,平均含氣飽和度為57.2%。分別高出2.2%和15.3%。僅此3個(gè)氣層而言,其他儲(chǔ)量計(jì)算參數(shù)保持不變,采用該研究提出的精細(xì)評(píng)價(jià)方法處理后,計(jì)算儲(chǔ)量將提高9.6%。

圖7 LX-C井新老方法處理結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)以大量巖心分析資料為基礎(chǔ),以巖心標(biāo)定測井的方法,建立了基于物源分類的孔隙度計(jì)算方法,解決了臨興區(qū)塊巖石成分復(fù)雜、巖石骨架參數(shù)變化大導(dǎo)致的孔隙度計(jì)算精度低的問題。研究結(jié)果表明,由于巖屑和碳酸鹽巖含量高,導(dǎo)致骨架密度值明顯大于砂巖理論密度值(2.65 g/cm3)。該方法對(duì)類似取心資料少或勘探新區(qū)的孔隙度的精確計(jì)算,具有一定的指導(dǎo)意義。

(2)臨興區(qū)塊儲(chǔ)層孔隙類型多樣,導(dǎo)致巖電關(guān)系復(fù)雜,使得傳統(tǒng)的含水飽和度模型計(jì)算精度低。通過對(duì)大量的巖電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,認(rèn)為在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,巖石的電阻率指數(shù)與含水飽和度呈現(xiàn)為非線性,分2類儲(chǔ)層建立了新含氣飽和度模型。通過密閉取心、蠟封巖心和半滲透隔板巖心分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證,新模型計(jì)算的飽和度絕對(duì)誤差小于5%,滿足了儲(chǔ)量規(guī)范要求。

(3)該研究成果為臨興區(qū)塊提供了精確的孔隙度、飽和度參數(shù),為致密砂巖氣層分類、壓裂改造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),為增儲(chǔ)上產(chǎn)提供了重要的技術(shù)支撐。