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        識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)的新途徑

        2014-12-03 10:30:52曾文沖邱細(xì)斌劉學(xué)鋒
        測(cè)井技術(shù) 2014年1期

        曾文沖,邱細(xì)斌,劉學(xué)鋒

        (1.中國(guó)石化勝利油田,山東 東營(yíng)257001;2.博明能源技術(shù)有限公司,北京100086;3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)理學(xué)院,山東 青島266580)

        0 引 言

        隨著油氣勘探與開(kāi)發(fā)對(duì)象日趨復(fù)雜,非均質(zhì)復(fù)雜儲(chǔ)層逐漸成為測(cè)井評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。理論分析與實(shí)踐證明,聲波測(cè)井(單極與偶極)所測(cè)量與衍生的多種儲(chǔ)層特性參數(shù)與油氣密切相關(guān),是識(shí)別氣層、輕質(zhì)油層的有效手段。過(guò)去長(zhǎng)期采用時(shí)間域(縱波時(shí)差、縱橫波速度比)作為識(shí)別氣層的主要參數(shù),在高、中孔隙度碎屑巖儲(chǔ)層有好的效果。對(duì)于碳酸鹽巖、火山巖等儲(chǔ)層以及低孔隙度、低滲透率復(fù)雜儲(chǔ)層,隨著孔隙度降低其有效性明顯變差,所顯示的特征易與巖性、孔隙度的變化相融合,難于排除多解性。若增加其他衍生信息,如流體體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)或泊松比等并進(jìn)行有機(jī)的組合識(shí)別油氣層,能夠較大幅度提高復(fù)雜氣、油、水層的分辨能力和識(shí)別效果。研究表明,即使孔隙度低于8%,仍能較好識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。對(duì)高飽和度氣層甚至可延伸至更低的孔隙度。對(duì)于輕質(zhì)油層若有針對(duì)性地優(yōu)選參數(shù),即使在較低孔隙度條件下同樣會(huì)有效果。近年來(lái)中國(guó)在這方面已經(jīng)開(kāi)展了有意義的探索,如2002年邵維志等[1]利用流體體積壓縮系數(shù)在千米橋地區(qū)識(shí)別碳酸鹽巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)取得應(yīng)用效果。2004年徐國(guó)慶等[2]采用體積壓縮系數(shù)、泊松比等特性參數(shù),成功評(píng)價(jià)了殘雪構(gòu)造CX-4井H3砂巖油氣藏(儲(chǔ)層孔隙度>20%)的氣、油、水層,準(zhǔn)確劃分相應(yīng)的氣、油和油、水界面,修正了對(duì)H3砂層油氣藏性質(zhì)的原有認(rèn)識(shí),是利用聲學(xué)測(cè)井進(jìn)行油藏評(píng)價(jià)、分析油藏類(lèi)型的成功案例。這些是對(duì)單純運(yùn)用縱波時(shí)差、縱橫波速度比識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的一個(gè)進(jìn)步,表明測(cè)井解釋的分析模式正向精細(xì)型方向發(fā)展。

        為了全面認(rèn)識(shí)這一問(wèn)題,擬從理論分析、巖石物理實(shí)驗(yàn)、三維巖心微觀數(shù)字模擬以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等4個(gè)方面入手,系統(tǒng)論證利用聲學(xué)及其衍生的巖石力學(xué)彈性參數(shù)識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)的可行性和有效性,以確立其理論方法地位,形成多元的測(cè)井評(píng)價(jià)方法。

        1 聲波特性參數(shù)與儲(chǔ)層流體性質(zhì)的相關(guān)性分析

        論證運(yùn)用聲學(xué)及其衍生的巖石力學(xué)彈性參數(shù)識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)的可行性,關(guān)鍵在于考察和分析聲波測(cè)井的各種原始和衍生信息對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)特性、特別是對(duì)儲(chǔ)層流體性質(zhì)的映射能力,揭示它們的相關(guān)性。長(zhǎng)期以來(lái),在聲波測(cè)井資料的反演和解釋中,已廣泛運(yùn)用縱波時(shí)差、縱橫波速度比識(shí)別氣層和輕質(zhì)油層。對(duì)于聲波測(cè)井衍生的一系列巖石力學(xué)特性參數(shù),如流體壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)、泊松比、體積模量等識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)的分辨能力,往往缺乏相應(yīng)的整體認(rèn)識(shí),甚至懷疑這些來(lái)自縱橫波速度等信息計(jì)算的衍生參數(shù)是否能更好反映儲(chǔ)層的流體性質(zhì)。事實(shí)上,正是由于綜合了巖石的縱橫波速度、密度以及巖石的彈性等諸多特性,才使這些衍生的特性參數(shù)在識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)方面具有更好的相關(guān)性和敏感度。

        1.1 聲波主要特性參數(shù)分析

        1.1.1 巖石體積壓縮系數(shù)與體積模量

        巖石體積壓縮系數(shù)與體積模量是從逆向意義上表達(dá)巖石可壓縮性的物理參數(shù),二者互為倒數(shù)。巖石流體體積壓縮系數(shù)則是經(jīng)過(guò)“去巖石骨架影響”的反演,獲得直接反映孔隙空間流體可壓縮性的參數(shù),以進(jìn)一步提高識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的分辨率。各種反映巖石礦物和流體特性的參數(shù)中,天然氣、油、水的流體體積壓縮系數(shù)差別最大,分別為18.05、0.837和0.444,其中天然氣與水的差異可達(dá)40倍,而油與水的差異也近2倍。因此,對(duì)氣、油、水層的分辨率顯然優(yōu)于現(xiàn)用的其他參數(shù),如縱波速度、縱橫波速度比、密度等(見(jiàn)表1),從而顯示出利用流體體積壓縮系數(shù)能夠更有效區(qū)分復(fù)雜儲(chǔ)層流體的性質(zhì),特別是識(shí)別氣層和輕質(zhì)油層。

        表1 典型流體與骨架的壓縮系數(shù)

        巖石體積模量描述巖石在三維空間的形變。若巖石在p0的壓力下體積為V0,當(dāng)壓力增加(p0→p0+dp),體積減?。╒0-dV)時(shí),Kb=(p0+dp)/(V0-dV)則為巖石的體積模量

        式中,Kb為巖石體積模量,×10GPa;ρb為體積密度,g/cm3;Δtc為巖石的縱波時(shí)差,μs/ft*非法定計(jì)量單位,1ft=12in=0.304 8m,下同;Δts為巖石的橫波時(shí)差,μs/ft。

        由式(1)即可通過(guò)巖石的縱橫波時(shí)差和密度計(jì)算巖石的體積彈性模量,其倒數(shù)則為巖石體積壓縮系數(shù)

        針對(duì)復(fù)雜儲(chǔ)層的低孔隙度特點(diǎn),在實(shí)際測(cè)井解釋過(guò)程中為提高識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的分辨率,采用“去巖石骨架影響”反演法直接求解巖石孔隙流體體積壓縮系數(shù)。

        對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)層,巖石體積壓縮系數(shù)Cb可表達(dá)為

        式中,Cf為孔隙流體體積壓縮系數(shù),GPa-1;Cg1為第1礦物的體積壓縮系數(shù),GPa-1;Cg2為第2礦物的體積壓縮系數(shù),GPa-1;Vc1、Vc2分別為2種礦物的相對(duì)體積,cm3;φ為孔隙度。其中Cg1、Cg2均為已知常數(shù),以此則可反演出Cf。若儲(chǔ)層含有泥質(zhì)或石膏等,應(yīng)在式(3)中增加泥質(zhì)項(xiàng)或石膏項(xiàng)并進(jìn)行相應(yīng)的校正??紫读黧w體積壓縮系數(shù)Cf的運(yùn)用,將明顯改善碳酸鹽巖等低孔隙度復(fù)雜儲(chǔ)層識(shí)別流體性質(zhì)的應(yīng)用效果。

        1.1.2 拉梅系數(shù)

        拉梅系數(shù)通常作為一種特征參數(shù)描述線(xiàn)性彈性體的角度形變,綜合反映巖石的彈性性質(zhì),使其在反映儲(chǔ)層流體性質(zhì)方面具有較高的敏感度,并成為識(shí)別氣、油、水層的重要參數(shù)。事實(shí)上,關(guān)于拉梅系數(shù)的應(yīng)用已引起重視,在地震資料反演中被作為尋找天然氣氣藏的一個(gè)重要特征。測(cè)井資料的精度和分辨率遠(yuǎn)高于地震資料,更應(yīng)在測(cè)井評(píng)價(jià)中運(yùn)用于識(shí)別氣層和油層。拉梅系數(shù)可表達(dá)為

        由式(4)可見(jiàn),與單純采用體積密度ρb或縱波慢度Δtc相比,拉梅系數(shù)顯然能夠較大幅度提高氣、油、水層的分辨能力。拉梅系數(shù)一般隨著儲(chǔ)層含氣或含油飽和度增加而減小,因?yàn)楹瑲饣蚝惋柡投仍龃螅瑢⑹功裝減小、Δtc增大。這一響應(yīng)特征已經(jīng)過(guò)多個(gè)碳酸鹽巖、火山巖和低孔隙度砂礫巖氣、油田的實(shí)際應(yīng)用得到驗(yàn)證,表明能較大幅度提高識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)的有效性。

        1.1.3 泊松比

        泊松比描述巖石橫向壓縮與縱向伸長(zhǎng)之間的關(guān)系,即巖石在單向受拉或受壓時(shí)橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變絕對(duì)值的比值,是反映巖石橫向形變的彈性常數(shù)

        泊松比在高孔隙度鹽水飽和儲(chǔ)層中具有較高數(shù)值,在高孔隙度油飽和儲(chǔ)層中次之,而在高孔隙度氣飽和儲(chǔ)層具有異常低值。對(duì)于低孔隙度儲(chǔ)層,如川西低孔隙度氣藏,據(jù)張?bào)薜鹊慕y(tǒng)計(jì),飽和鹽水的砂巖泊松比在0.20~0.30之間,含氣砂巖儲(chǔ)層的泊松比小于0.2并隨孔隙度增加、壓實(shí)程度和有效應(yīng)力降低而增加,同時(shí)隨地層灰質(zhì)和泥質(zhì)的增加而變大。

        1.1.4 縱橫波速度

        從聲波傳播的機(jī)理分析,縱橫波速度vp、vs由巖石體積壓縮模量Kb和剪切模量G、密度ρb決定

        由Bio-Gassman模型可知地層橫波傳播速度僅僅受骨架膠結(jié)情況G的影響,或者說(shuō),橫波只在固相介質(zhì)中傳播而與孔隙流體性質(zhì)無(wú)關(guān)。地層縱波速度則同時(shí)受到骨架膠結(jié)情況G和孔隙流體性質(zhì)Kf的影響,表明地層含氣飽和度增大時(shí),縱波時(shí)差增大,橫波時(shí)差則往往保持不變。

        1.2 巖石物理實(shí)驗(yàn)

        系統(tǒng)分析鄂爾多斯地區(qū)一批(45塊)致密砂巖巖心實(shí)測(cè)樣品,其孔隙度變化范圍為4%~13%,滲透率普遍小于0.1mD*非法定計(jì)量單位,1mD=9.87×10-4μm2,下同。選擇評(píng)價(jià)難度高的致密砂巖巖心以突出儲(chǔ)層的復(fù)雜性,目的是更有力論證方法的可行性。巖心實(shí)測(cè)的聲波特性系列參數(shù):縱波速度、橫波速度、彈性模量、剪切模量、拉梅系數(shù)、泊松比、體積模量以及經(jīng)“去巖石骨架影響”反演的流體壓縮系數(shù)。每1塊樣品分別測(cè)量飽和水和飽和氣(干樣)2套數(shù)據(jù),用以考察儲(chǔ)層分別飽和氣和水時(shí)對(duì)各種特性參數(shù)的影響。所有樣品顯示的規(guī)律都十分一致,表明即使在致密砂巖條件下聲波測(cè)井及其衍生的巖石力學(xué)特性參數(shù)能有效識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層的流體性質(zhì),尤其是氣層。圖1、圖2為隨機(jī)選取其中2塊孔隙度相差較大的致密砂巖巖心樣品飽和氣和水的聲波特性參數(shù)對(duì)比圖(巖心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)。從圖1、圖2中可知,若以水層(巖心飽和水時(shí))為準(zhǔn),儲(chǔ)層飽含氣將使流體壓縮系數(shù)呈明顯增大(增大倍數(shù)約為水層的7.1~22.2倍),而使拉梅系數(shù)、泊松比、體積模量明顯減小,拉梅系數(shù)減小最大約為水層的19%~41%,泊松比約為38%~55%,體積模量約為水層的43%~68%。說(shuō)明它們對(duì)復(fù)雜氣層具有頗高的分辨能力,尤以流體壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)為甚;縱波速度和彈性模量也將相應(yīng)減小,縱波速度約為水層的82%~95%;橫波速度、剪切模量則幾乎不受儲(chǔ)層含氣影響,表明與孔隙流體性質(zhì)基本無(wú)關(guān)。

        圖1 致密砂巖聲學(xué)特性參數(shù)飽和氣與飽和水巖心分析對(duì)比(召51-114號(hào)巖心:孔隙度4.02%,滲透率0.047mD)

        圖2 致密砂巖聲學(xué)特性參數(shù)飽和氣與飽和水巖心分析對(duì)比(召37-155號(hào)巖心:孔隙度11.92%,滲透率0.012mD)

        表2 致密砂巖巖心樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

        采用該物理模擬方法與儲(chǔ)層實(shí)際情況會(huì)有一定差別,主要有2個(gè)方面問(wèn)題。①?zèng)]有考慮束縛水影響。事實(shí)上,任何氣層都有一定的束縛水飽和度,尤以致密砂巖更甚。②致密砂巖的特低孔隙度滲透率的特點(diǎn)往往造成巖心測(cè)量誤差大,顯然會(huì)影響規(guī)律的量化精度。通過(guò)“去巖石骨架影響”反演計(jì)算得到的流體壓縮系數(shù)也必然會(huì)引入相應(yīng)誤差,在一定程度夸大其影響。即使如此,模擬結(jié)果仍足以說(shuō)明聲學(xué)特性參數(shù)識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)的可行與有效。

        1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析

        根據(jù)PG地區(qū)碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)層測(cè)井的實(shí)際資料,開(kāi)展了聲波測(cè)井的特性參數(shù)與氣層關(guān)系的研究。重點(diǎn)分析縱波時(shí)差、縱橫波速度比、泊松比、體積壓縮系數(shù)及拉梅系數(shù)識(shí)別氣層的能力與相關(guān)性,其結(jié)果見(jiàn)圖3至圖6。圖3是根據(jù)PG地區(qū)測(cè)井與測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的氣、水層縱橫波速度比與縱波時(shí)差交會(huì)圖。氣層按孔隙度級(jí)別劃分為3類(lèi):2%<φ<5%為Ⅲ類(lèi)氣層;5%≤φ<12%為Ⅱ類(lèi)氣層;φ≥12%為Ⅰ類(lèi)氣層。圖3中的水層孔隙度均大于5%。圖3表明,若僅采用縱橫波速度比與縱波時(shí)差交會(huì)區(qū)分氣、水層,分辨能力較差,存在比較明顯的多解性。若增加其他衍生信息,如流體體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)及泊松比等作為識(shí)別油氣層指示參數(shù),則有明顯改善,能夠較大幅度提高氣、水層的分辨能力和識(shí)別氣層效果(見(jiàn)圖4至圖6),顯示出優(yōu)選識(shí)別油氣層特征參數(shù)和充分利用信息的重要性。

        圖3 縱橫波速比—縱波時(shí)差交會(huì)圖

        圖4 泊松比—縱波時(shí)差關(guān)系圖

        圖6 體積壓縮系數(shù)—拉梅系數(shù)關(guān)系圖

        (1)縱波時(shí)差、縱橫波速度比、泊松比、拉梅系數(shù)及體積壓縮系數(shù)與氣層有較好的相關(guān)性,尤以體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)對(duì)氣層有更佳的識(shí)別能力(見(jiàn)圖6)。

        (2)氣層的響應(yīng)特征:隨著含氣飽和度增大,體積壓縮系數(shù)與縱波時(shí)差也隨之增大,拉梅系數(shù)、泊松比與縱橫波速度比則相應(yīng)減小。

        (3)在PG地區(qū)的碳酸鹽巖儲(chǔ)層中,當(dāng)孔隙度φ≥10%時(shí),采用縱波時(shí)差、縱橫波速度比、泊松比等特性參數(shù),一般能較好識(shí)別氣層;而當(dāng)5%≤φ<10%時(shí),體積壓縮系數(shù)及拉梅系數(shù)則能較好區(qū)分氣、水層。

        (4)利用聲波特性參數(shù)的優(yōu)選組合形成相應(yīng)的交會(huì)或重疊分析技術(shù),能夠減小巖性和骨架的影響,增強(qiáng)油、氣有效信息的檢測(cè),提高識(shí)別流體性質(zhì)的分辨能力。如采用體積壓縮系數(shù)與拉梅系數(shù)或泊松比重疊交會(huì)的評(píng)價(jià)模式,可進(jìn)一步改善區(qū)分氣、水層的實(shí)際效果。

        (5)PG地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層天然氣飽和度高,為識(shí)別低孔隙度氣層提供了有利條件。因此,應(yīng)根據(jù)地區(qū)油氣藏特點(diǎn),探尋、優(yōu)化評(píng)價(jià)方法。

        2 基于三維數(shù)字巖心的巖石物理數(shù)值模擬

        基于三維數(shù)字巖心的巖石物理微觀數(shù)值模擬具有便捷、經(jīng)濟(jì)和定量的特點(diǎn),利用巖心X射線(xiàn)CT掃描構(gòu)建表征巖石三維微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字巖心[3-4],可以便捷獲得更加反映真實(shí)巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征并建立各種復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)模式下變化各種微觀儲(chǔ)層參數(shù)的巖石物理模型,較好實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石物理特性的定量研究。

        為全面分析和描述聲學(xué)及其衍生的巖石力學(xué)特性系列參數(shù)與儲(chǔ)層流體性質(zhì)的相關(guān)性,利用X射線(xiàn)CT建立了9塊灰?guī)r、白云巖和4塊砂巖的三維數(shù)字巖心,尺寸為300像素×300像素×300像素,按其實(shí)際孔隙結(jié)構(gòu)賦予每一像素(單元)以巖石骨架、孔隙空間和孔隙流體作為數(shù)值模擬的三維巖石微觀模型。利用有限元法模擬計(jì)算巖石聲學(xué)特性,探索巖石孔隙結(jié)構(gòu)與巖石聲學(xué)特性之間的關(guān)系,定量研究巖石骨架、孔隙空間和孔隙流體對(duì)巖石聲學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律,并準(zhǔn)確重復(fù)巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在利用有限元法計(jì)算三維數(shù)字巖心的巖石彈性參數(shù)過(guò)程中,假設(shè)孔隙空間中分別為氣、水和油。其中,假設(shè)氣層含氣飽和度為70%、油層含油飽和度為70%以及純水層為100%含水,從而得到飽和不同流體時(shí)(氣層、油層和純水層)巖石的體積模量,并與巖心實(shí)際分析結(jié)果相擬合,驗(yàn)證模擬計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,進(jìn)而計(jì)算流體壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)等巖石力學(xué)參數(shù),對(duì)比分析孔隙流體對(duì)上述參數(shù)的影響規(guī)律。

        2.1 砂巖儲(chǔ)層

        以X射線(xiàn)CT構(gòu)建的4塊孔隙度分別為8%、13%、19%和21%的三維數(shù)字巖心為基本模型,模擬計(jì)算油氣層和純水層的巖石流體體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)、泊松比、體積模量、彈性模量、縱波速度、橫波速度和縱橫波速度比,考察它們的變化規(guī)律,揭示巖石力學(xué)參數(shù)與孔隙流體性質(zhì)的相關(guān)性,為優(yōu)選解釋方法提供可信的依據(jù)(見(jiàn)圖7至圖10)。

        圖7 孔隙流體對(duì)砂巖拉梅系數(shù)的影響

        圖8 孔隙流體對(duì)砂巖流體壓縮系數(shù)的影響

        圖9 孔隙流體對(duì)砂巖泊松比的影響

        圖10 孔隙流體對(duì)砂巖縱橫波速度比的影響

        反映各特性參數(shù)與流體性質(zhì)相關(guān)性的模擬結(jié)果可歸結(jié)于圖11、圖12,主要有以下認(rèn)識(shí)。

        圖11 70%飽和氣時(shí)砂巖彈性參數(shù)與飽和水的相對(duì)變化率

        (1)在表征巖石力學(xué)特性參數(shù)中,雖然與砂巖儲(chǔ)層孔隙流體性質(zhì)都有一定相關(guān)性,但系列參數(shù)之間對(duì)氣、油、水層的敏感度卻有較大差異,其中尤以拉梅系數(shù)、流體體積壓縮系數(shù)對(duì)氣、油層有最佳的識(shí)別能力,其后依次是泊松比、體積模量、縱波時(shí)差和縱橫波速度比。同時(shí)它們與氣層的相關(guān)性明顯優(yōu)于油層,表明聲學(xué)特性參數(shù)對(duì)氣層具有更高敏感度。

        圖12 70%飽和油時(shí)砂巖彈性參數(shù)與飽和水的相對(duì)變化率

        (2)儲(chǔ)層含氣和含油飽和度的增加一般將引起拉梅系數(shù)的減小與流體體積壓縮系數(shù)增大,因此二者都具有較強(qiáng)識(shí)別氣、油層的能力,尤其是對(duì)氣層的識(shí)別。泊松比、體積模量一般則隨著儲(chǔ)層含氣和含油飽和度的增加而減小(見(jiàn)圖7至圖10)。這些特點(diǎn)隨著儲(chǔ)層孔隙度的增大而表現(xiàn)得更為明顯。

        (3)隨著儲(chǔ)層孔隙度變小,系列參數(shù)與儲(chǔ)層流體性質(zhì)的相關(guān)性相應(yīng)退化。對(duì)于砂巖儲(chǔ)層當(dāng)孔隙度φ<10%,采用縱波時(shí)差、縱橫波速度比識(shí)別氣、油層效果將明顯變差。采用拉梅系數(shù)、體積壓縮系數(shù)和泊松比能較好區(qū)分儲(chǔ)層流體性質(zhì),尤其是氣層。

        (4)利用拉梅系數(shù)與流體體積壓縮系數(shù)或是泊松比的有機(jī)組合,采用交會(huì)或重疊分析技術(shù)能更大幅度提高識(shí)別流體性質(zhì)的分辨率,即使孔隙度低于8%,仍有較好應(yīng)用效果。

        (5)上述認(rèn)識(shí)是建立在數(shù)字巖心飽和70%的氣或油條件下的模擬結(jié)果,對(duì)于高飽和度的油氣藏,聲學(xué)特性參數(shù)在識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)方面將會(huì)有更高敏感度。

        2.2 石灰?guī)r儲(chǔ)層

        以X射線(xiàn)CT建立的3塊石灰?guī)r三維數(shù)字巖心為基本模型,其孔隙度分別為8%、13%、和18%,同樣模擬計(jì)算油氣層和純水層的巖石力學(xué)特性系列參數(shù),考察、分析它們與巖石孔隙流體性質(zhì)的相關(guān)性。在獲得與圖7至圖10相似的一系列關(guān)系圖之后,最終形成反映巖石力學(xué)特性參數(shù)與儲(chǔ)層流體性質(zhì)相對(duì)變化率的綜合圖(見(jiàn)圖13、圖14)。

        (1)巖石力學(xué)特性參數(shù)與孔隙流體性質(zhì)在石灰?guī)r儲(chǔ)層仍有較好的相關(guān)性,特別是氣層,但各參數(shù)對(duì)識(shí)別氣、油、水層的敏感度同樣存在較大差異,其中尤以流體體積壓縮系數(shù)和拉梅系數(shù)識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)能力最佳,依次是泊松比、體積模量、縱波時(shí)差和縱橫波速度比。

        圖13 70%飽和氣時(shí)石灰?guī)r彈性參數(shù)與飽和水時(shí)的相對(duì)變化率

        圖14 70%飽和油時(shí)石灰?guī)r彈性參數(shù)與飽和水時(shí)的相對(duì)變化率

        (2)流體體積壓縮系數(shù)一般隨儲(chǔ)層含氣和含油飽和度的增加而增大,拉梅系數(shù)、泊松比則隨儲(chǔ)層含氣和含油飽和度的增加而減小。因此它們?cè)谔妓猁}巖等復(fù)雜儲(chǔ)層都具有較強(qiáng)識(shí)別氣層的能力,但其敏感度不如砂巖儲(chǔ)層。

        (3)隨著儲(chǔ)層孔隙度變小,系列巖石力學(xué)特性參數(shù)與儲(chǔ)層流體性質(zhì)的相關(guān)性有明顯變差的趨勢(shì)。即使如此,對(duì)低孔隙度石灰?guī)r儲(chǔ)層(當(dāng)孔隙度為5%時(shí))利用流體體積壓縮系數(shù)與拉梅系數(shù)或是泊松比的重疊分析技術(shù),也將在較大程度上提高識(shí)別流體性質(zhì)的分辨率。

        2.3 白云巖儲(chǔ)層

        以X射線(xiàn)CT構(gòu)建的3塊白云巖三維數(shù)字巖心為基本模型,通過(guò)模擬計(jì)算油氣層和純水層的一系列聲學(xué)特性參數(shù),分析它們與儲(chǔ)層流體性質(zhì)的相關(guān)性,為優(yōu)化測(cè)井解釋方法提供指導(dǎo)性的依據(jù)。最終得到的反映各系列參數(shù)與儲(chǔ)層流體性質(zhì)相對(duì)變化率的綜合圖(見(jiàn)圖15、圖16)。從圖15、圖16可以看出系列特性參數(shù)與儲(chǔ)層流體的相關(guān)性基本與石灰?guī)r儲(chǔ)層的數(shù)值模擬結(jié)果相似,同樣是以流體體積壓縮系數(shù)和拉梅系數(shù)為最佳。

        圖15 70%飽和氣時(shí)白云巖彈性參數(shù)與飽和水時(shí)的相對(duì)變化率

        圖16 70%飽和油時(shí)白云巖彈性參數(shù)與飽和水時(shí)的相對(duì)變化率

        上述3類(lèi)儲(chǔ)層數(shù)值模擬結(jié)果的分析表明,聲學(xué)特性參數(shù)是識(shí)別氣層和輕質(zhì)油層的有效手段,優(yōu)點(diǎn)在于直觀且不受地層水礦化度的影響,有利于低電阻率、低礦化度砂巖儲(chǔ)層和碳酸鹽巖、火山巖等復(fù)雜氣、油層的識(shí)別,是對(duì)電法測(cè)井評(píng)價(jià)油氣層的重要補(bǔ)充,同時(shí)可在相當(dāng)程度上彌補(bǔ)電法測(cè)井的不足。當(dāng)然,對(duì)于這些非均質(zhì)性極強(qiáng)的低孔隙度復(fù)雜儲(chǔ)層,仍需結(jié)合第一性資料進(jìn)行綜合分析??傊?,注意挖掘、運(yùn)用與精細(xì)分析各種有效信息,改善與優(yōu)化測(cè)井解釋模型,開(kāi)辟與形成識(shí)別復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)體系,始終是測(cè)井分析家需要探索的工作。

        3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

        3.1 碳酸鹽巖氣層識(shí)別與劃分氣、水界面

        PG8井完鉆井深5 930.0m,主要評(píng)價(jià)PG構(gòu)造東南翼鼻狀突起方向長(zhǎng)興組-飛仙關(guān)組儲(chǔ)層發(fā)育及含氣性,以下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組為主要目的層。巖性以粉晶白云巖、粉-細(xì)晶溶孔含生屑砂屑白云巖和粉晶殘余藻屑白云巖為主。孔隙類(lèi)型以晶內(nèi)溶孔為主,少量為構(gòu)造縫。根據(jù)巖心分析地層孔隙度介于2.01~12.3p.u.之間,平均4.06p.u.;滲透率介于0.005~4 562.61mD之間,平均120.84mD,非均質(zhì)性突出。5 254.0~5 605m為主要?dú)鈱佣?,通過(guò)測(cè)井資料的處理、解釋?zhuān)茌^清楚顯示氣層,特別是采用流體體積壓縮系數(shù)與泊松比重疊技術(shù),能更有效識(shí)別氣層和劃分氣、水界面。圖17是該井5 275~5 675m氣層的解釋成果圖。

        圖17 碳酸鹽巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)的識(shí)別實(shí)例(PG8井)

        (1)采用流體體積壓縮系數(shù)與泊松比重疊分析技術(shù)(第7道)依據(jù)它們之間的差異(黃色充填區(qū)),能夠直觀、清晰識(shí)別氣層,評(píng)價(jià)氣層的豐度和劃分氣水界面。

        (2)根據(jù)重疊分析圖上顯示的幅度差大小,可以確定5 515~5 604.6m井段氣層豐度較高,5 440~5 515m井段氣層豐度較低;5 605m左右為明顯氣、水界面,甚為直觀、明確。該結(jié)果與生產(chǎn)測(cè)試確定的氣、水界面十分一致。其中,對(duì)5 502~5 592m層段進(jìn)行測(cè)試(解釋為氣層),射開(kāi)后日產(chǎn)氣249m3,不含水。經(jīng)酸化日產(chǎn)氣16.66×104m3,日產(chǎn)水(折算)161m3。由水樣礦化度分析認(rèn)定是下部地層經(jīng)酸化后地層水上竄引起的。對(duì)下部解釋的水層5 614~5 625.5m進(jìn)行測(cè)試,日產(chǎn)水6.14m3,證明劃分的氣水界面的正確性。

        (3)對(duì)比分析氣水界面上下儲(chǔ)層的顯示特征可以看出,雖然5 505~5 604.6m井段的氣層和5 604.6~5 650m井段的水層孔隙度相當(dāng)?shù)?,平均值分別為3.7%~5.4%和6.4% 左右,但氣層和水層各自的響應(yīng)特征十分清晰、易于區(qū)分。表明在如此低的孔隙度條件下,優(yōu)選聲波彈性參數(shù),如流體體積壓縮系數(shù)與泊松比重疊技術(shù),仍能有效識(shí)別氣、水層。

        3.2 火山巖氣層識(shí)別與劃分氣、水界面

        YS101井鉆探目的是評(píng)價(jià)松遼盆地南部構(gòu)造低部位營(yíng)城組火山巖氣藏的分布,完鉆層位為營(yíng)城組火山巖地層。巖性以酸性流紋巖為主,含有熔結(jié)凝灰?guī)r和少量粗面巖和英安巖。儲(chǔ)集空間主要為氣孔、次生溶孔、礫間孔,以及收縮縫、裂縫等。該層段孔隙發(fā)育,但差異大,孔隙度為18%~3%。火山巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)是當(dāng)前測(cè)井解釋難點(diǎn):儲(chǔ)層的非均質(zhì)性強(qiáng)、巖性復(fù)雜多樣,有過(guò)多或不確定骨架影響因素存在,地層孔隙結(jié)構(gòu)變化大,導(dǎo)致火山巖地層導(dǎo)電機(jī)理復(fù)雜,難于確定地層含烴飽和度及識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。

        根據(jù)火山巖的地質(zhì)特點(diǎn)優(yōu)選測(cè)井系列,利用ESC測(cè)量數(shù)據(jù)獲取地層各元素含量,確定骨架參數(shù)。突出CMR測(cè)井的應(yīng)用,綜合陣列側(cè)向、中子、密度測(cè)井的解釋成果,分析儲(chǔ)層的有效性,進(jìn)行天然氣檢測(cè)。以DSI測(cè)井資料為主體,優(yōu)化聲學(xué)特性參數(shù)的整體應(yīng)用,特別是采用拉梅系數(shù)、流體體積壓縮系數(shù)、泊松比重疊分析技術(shù),有效識(shí)別氣層和劃分氣、水界面。圖18為YS101井營(yíng)城組火山巖3 625~3 830m層段的測(cè)井處理、解釋成果圖。

        (1)采用流體體積壓縮系數(shù)-拉梅系數(shù)(第7道)與流體體積壓縮系數(shù)-泊松比(第6道)重疊分析,依據(jù)它們之間的差異(黃色充填區(qū)),能夠直觀、清晰識(shí)別火山巖氣層、評(píng)價(jià)氣層的豐度和劃分氣水界面。

        (2)3 745~3 769m層段的流紋巖孔隙度高,孔隙尺寸大,孔隙度普遍分布在10%~18%之間。根據(jù)三者的重疊顯示,幅度差十分明顯,為含氣飽和度高的優(yōu)質(zhì)氣層。而其上下孔隙度相對(duì)低,分布在3%~8%之間,雖然在重疊分析圖上幅度差相對(duì)較小,氣層豐度低,但仍能較清晰識(shí)別。

        圖18 火山巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)的識(shí)別實(shí)例(YS101井)

        (3)該井所處的區(qū)域?yàn)橐坏姿畾獠?,區(qū)域氣水界面為3 800m左右。原來(lái)根據(jù)其他資料的綜合解釋將3 802~3 812m解釋為水層,氣、水界面定為3 802m左右,但從流體體積壓縮系數(shù)—拉梅系數(shù)(第7道)與流體體積壓縮系數(shù)—泊松比(第6道)重疊圖上分析,3 624.2~3 830m層段仍為差氣層顯示。經(jīng)3 824.0~3 827.5m井段測(cè)試證實(shí)屬于過(guò)渡帶的低產(chǎn)致密氣層,而實(shí)際氣、水界面應(yīng)在3 860m以下,可能與低滲透儲(chǔ)層造成氣、水過(guò)渡帶加厚有關(guān)。

        (4)引入體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)與泊松比等聲波特性參數(shù)的重疊分析技術(shù),①為火山巖等復(fù)雜儲(chǔ)層提供了一種直觀、有效識(shí)別流體性質(zhì)的分析方法;②較好彌補(bǔ)火山巖儲(chǔ)層電阻率測(cè)井評(píng)價(jià)能力的不足。因?yàn)榛鹕綆r巖性復(fù)雜,有過(guò)多或不確定的導(dǎo)電因素存在,如長(zhǎng)石蝕變,黏土和沸石等礦物轉(zhuǎn)化形成的附加導(dǎo)電性,導(dǎo)致解釋的多解。

        3.3 低孔隙度低滲透率砂礫巖儲(chǔ)層氣層的識(shí)別

        FS3井鉆探目的是了解井區(qū)沙河街組砂礫巖體的含油氣情況,目的層為沙四段,完鉆井深5 050.0m,層位沙四下。主要巖性為膏巖鹽、石膏巖、礫巖、細(xì)礫巖、礫狀砂巖、含礫砂巖??紫抖茸兓?.5%~8.3%之間,滲透率分布為0.073~1.2mD,有效儲(chǔ)層孔隙度一般大于4%。油氣分布以沙四下的氣藏為主,巖性與孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特低孔隙度滲透率與非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)大大增加巖性識(shí)別、儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)與流體性質(zhì)識(shí)別的難度。

        在取全常規(guī)測(cè)井資料的基礎(chǔ)上,應(yīng)用自然伽馬能譜、核磁共振和微電阻率掃描成像測(cè)井進(jìn)行巖性識(shí)別和劃分儲(chǔ)層,結(jié)合氣測(cè)和錄井等資料進(jìn)行綜合解釋?zhuān)J(rèn)為氣層主要集中于4 747.2~4 784.3m及4 815.0~4 869.4m。通過(guò)對(duì)該井段電阻率測(cè)井的分析,出現(xiàn)與常態(tài)不同的“逆向”顯示,例如氣層側(cè)向電阻率大于15Ω·m,差氣層大于等于20Ω·m,干層大于23Ω·m。其實(shí)在特低孔隙度砂礫巖儲(chǔ)層中這是一種比較常見(jiàn)現(xiàn)象,表明儲(chǔ)層致密性對(duì)電阻率的影響往往在相當(dāng)程度淹沒(méi)了儲(chǔ)層含油氣的影響,顯示出電法測(cè)井對(duì)復(fù)雜儲(chǔ)層分辨能力的不足。而聲學(xué)特性參數(shù)的運(yùn)用能夠較明確識(shí)別氣層。圖19是采用流體體積壓縮系數(shù)—拉梅系數(shù)(第7道)與流體體積壓縮系數(shù)—泊松比(第6道)重疊分析技術(shù)對(duì)該層段氣層的解釋結(jié)果。顯然能直觀、清晰指示氣層的分布。經(jīng)過(guò)測(cè)試4 740.40~4 846.75m井段6mm油嘴日產(chǎn)天然氣2.64×104m3。

        3.4 低孔隙度低滲透率致密砂巖儲(chǔ)層油層的識(shí)別

        圖19 低孔隙度低滲透率砂礫巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)的識(shí)別實(shí)例(FS3井)

        A2050井是泌陽(yáng)凹陷的評(píng)價(jià)井[5],目的層屬于扇三角洲前緣相水下分支流河道,儲(chǔ)層埋深大于3 000m,成巖作用強(qiáng),孔隙度極低,平均為6.5%。該區(qū)巖性致密,油質(zhì)輕,流體性質(zhì)對(duì)電阻率貢獻(xiàn)小,利用電阻率識(shí)別油氣層難度大。采用合成的視縱波時(shí)差曲線(xiàn)與實(shí)際測(cè)量的縱波時(shí)差重疊技術(shù)識(shí)別油層。該方法是將DSI測(cè)量的橫波時(shí)差轉(zhuǎn)換為與油氣無(wú)關(guān)的視縱波時(shí)差 (橫波一般只在固相介質(zhì)中傳播,與孔隙流體性質(zhì)無(wú)關(guān)),并與DSI測(cè)量的實(shí)際縱波時(shí)差曲線(xiàn)進(jìn)行重疊。若測(cè)量的縱波時(shí)差大于視縱波時(shí)差時(shí),則指示為氣層或?yàn)橛蛯?,從而在較大程度消除各層巖性和物性變化的影響,避免解釋的多解性,獲得較好效果。該方法的關(guān)鍵在于建立比較準(zhǔn)確的合成視縱波時(shí)差與橫波時(shí)差(或速度)二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系(相當(dāng)于完全水飽和狀態(tài)下縱橫波時(shí)差的轉(zhuǎn)換關(guān)系)。為提高評(píng)價(jià)流體性質(zhì)的有效性,最佳選擇是建立地區(qū)性的縱橫波時(shí)差(或速度)轉(zhuǎn)換關(guān)系。為此,利用A2050井區(qū)目的層的實(shí)際巖心,在100%含水狀態(tài)下通過(guò)測(cè)定建立縱橫波速度關(guān)系,其縱波速度約為橫波速度的1.746倍。依據(jù)該轉(zhuǎn)換關(guān)系,利用獲得的3 020~3 080m井段合成的視縱波時(shí)差與實(shí)測(cè)縱波時(shí)差的重疊圖直觀識(shí)別油層。圖20為該井段解釋成果,圖20中的1、2、4、6、7號(hào)等5個(gè)儲(chǔ)層視縱波時(shí)差與實(shí)測(cè)縱波時(shí)差重疊后有相應(yīng)的幅度差(紅色重疊區(qū)域),顯然為油層顯示。經(jīng)1、2號(hào)層射孔投產(chǎn),日產(chǎn)原油24t。該實(shí)例選自參考文獻(xiàn)[5],運(yùn)用聲學(xué)特性參數(shù)成功識(shí)別致密砂巖油層實(shí)例,說(shuō)明,只要提高方法的針對(duì)性,利用分辨率比較低的縱、橫波時(shí)差組合仍能在如此低的孔隙度條件下較好地識(shí)別油層。根據(jù)上述論證,如果采用分辨率較高的流體體積壓縮系數(shù)-拉梅系數(shù)或泊松比重疊分析技術(shù),其效果將會(huì)有更大改善。該實(shí)例說(shuō)明聲學(xué)特性參數(shù)也是識(shí)別輕質(zhì)油層的有效手段。

        圖20 低孔隙度低滲透率砂礫巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)的識(shí)別實(shí)例(A2050井)

        4 前景分析與技術(shù)關(guān)鍵

        以上系統(tǒng)論證表明,利用聲學(xué)特性參數(shù)將為復(fù)雜儲(chǔ)層的氣、油識(shí)別開(kāi)辟另一個(gè)有效途徑。流體體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)和泊松比等聲波特性參數(shù)的組合應(yīng)用不僅對(duì)碳酸鹽巖、火山巖、低孔隙度低滲透率砂礫巖等復(fù)雜儲(chǔ)層的氣、油層識(shí)別有重要意義,而且對(duì)于識(shí)別氣藏中CO2也會(huì)有更好的效果,因?yàn)镃O2氣體聲波的傳播速度要比甲烷慢。據(jù)前人測(cè)定,在0℃時(shí)CO2的聲速為259m/s,CH4為430m/s。同時(shí)聲波特性參數(shù)不受地層水礦化度影響,可相當(dāng)程度彌補(bǔ)電法測(cè)井的不足,較好地解決利用電阻率測(cè)井評(píng)價(jià)油氣層的難題,特別是高、中孔隙度碎屑巖儲(chǔ)層的有關(guān)難題,如低電阻率(低對(duì)比度)油氣層、地層水礦化度低或變化大及在預(yù)探井地層水礦化度未知或無(wú)水層作參照難于評(píng)價(jià)的油氣層,以及水淹層解釋等。這里包括渤海灣地區(qū)明花鎮(zhèn)組淡水型油氣層、地層水礦化度多變的冀東型油氣層以及中國(guó)東西部廣泛發(fā)育具有高、中孔隙度的低電阻率(低對(duì)比度)型油氣層和高孔隙度砂巖儲(chǔ)層水淹狀態(tài)的評(píng)價(jià)等都可望獲得較好效果。當(dāng)然這一方法對(duì)于非均質(zhì)性極強(qiáng)的低孔隙度儲(chǔ)層、稠油層會(huì)有明顯的局限性。為了促進(jìn)技術(shù)方法成熟,需要在以下有關(guān)方面深化。

        (1)形成規(guī)范性的定性分析方法。主要分析流體體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)和泊松比等聲波特性參數(shù)的組合關(guān)系,在不同孔隙度條件下氣、油、水層的響應(yīng)特征以及與含氣、含油豐度的變化關(guān)系。

        (2)向量化方向發(fā)展,估算儲(chǔ)層的飽和度。在定性解釋和數(shù)字模擬的基礎(chǔ)上建立碳酸鹽巖、火山巖、低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層的流體體積壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)和泊松比等聲波特性參數(shù)與孔隙度、飽和度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,逐步形成定量或半定量解釋方法。

        (3)加強(qiáng)裂縫型、洞穴型復(fù)雜儲(chǔ)層的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,進(jìn)一步驗(yàn)證和提高其應(yīng)用效果。目前該方法對(duì)于以孔隙型、溶蝕孔洞型、裂縫-孔洞型為主的儲(chǔ)層效果比較明顯,但對(duì)于裂縫型、洞穴型復(fù)雜儲(chǔ)層則需要進(jìn)一步實(shí)踐,驗(yàn)證其應(yīng)用效果。

        實(shí)現(xiàn)上述方法的基本條件是各井必須具備縱、橫波數(shù)據(jù)(時(shí)差或速度)。理想的方法是進(jìn)行多極子聲波測(cè)井,然而目前除重點(diǎn)井外,大部分井采集的都是單極聲波。因此,如何獲取各井的橫波數(shù)據(jù)就成為方法推廣運(yùn)用的技術(shù)關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐,這一問(wèn)題已經(jīng)能夠較好地解決。

        通過(guò)巖石物理實(shí)驗(yàn)建立縱波時(shí)差與橫波時(shí)差(或速度)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。直接測(cè)量巖心縱橫波時(shí)差,建立地區(qū)性100%飽和水狀態(tài)下的縱橫波時(shí)差轉(zhuǎn)換關(guān)系;或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)測(cè)定縱橫波速度比,依據(jù)儲(chǔ)層實(shí)際的巖石組分由縱波速度反演橫波速度(或時(shí)差)。

        橫波時(shí)差(或速度)的反演。20世紀(jì)80年代初勝利測(cè)井公司開(kāi)展了計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)研究,分析了國(guó)外幾種計(jì)算橫波時(shí)差的經(jīng)驗(yàn)方法,優(yōu)選有關(guān)經(jīng)驗(yàn)方程,通過(guò)實(shí)踐以實(shí)際資料為依據(jù),對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行相應(yīng)的改善,推演出計(jì)算橫波時(shí)差Δts經(jīng)驗(yàn)公式,Δts=f(Δtp,ρb,Vsh),研究出一套計(jì)算橫波時(shí)差的技術(shù)并形成相應(yīng)的軟件,經(jīng)過(guò)多個(gè)油田實(shí)際應(yīng)用見(jiàn)到較好效果。20世紀(jì)90年代初通過(guò)與國(guó)外DSI的實(shí)測(cè)橫波數(shù)據(jù)對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證方法的可信性與有效性,獲得國(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可。21世紀(jì)初,通過(guò)淺、深井資料的處理,對(duì)淺井計(jì)算數(shù)值偏大、深井計(jì)算數(shù)值偏小的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)與完善,使得深井、中深井及淺井的橫波時(shí)差的計(jì)算都能得到較好效果[6]。

        總之,聲學(xué)特性參數(shù)的綜合運(yùn)用,將為復(fù)雜儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別提供一種新的評(píng)價(jià)方法。

        [1] 邵維志,陸福.碳酸鹽巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別新技術(shù)[J].測(cè)井技術(shù),2002,26(1):60-63.

        [2] 徐國(guó)慶,沈偉鋒,劉大能,等.殘雪構(gòu)造H3油氣藏評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)與啟示 [J].中國(guó)海上油氣,2006,18(1):6-12.

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