閆建平, 溫丹妮, 司馬立強, 溫新房, 耿斌, 李尊芝, 言語

(1.西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點實驗室, 四川 成都 610500; 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500; 3.江蘇油田勘探局地質(zhì)測井處, 江蘇 揚州 225002;4.中石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院, 山東 東營 257015)

0 引 言

頁巖油氣是重要的非常規(guī)油氣資源,北美德克薩斯州Barnett頁巖的成功開發(fā)催化了全球頁巖油氣勘探開發(fā)熱潮[1]。目前,頁巖(泥頁巖)油氣儲層也成為中國非常規(guī)油氣備受關(guān)注的勘探目標。蘇北盆地古生界到新生界地層中發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)生烴泥頁巖層系[2-3],分布區(qū)域廣泛,其中,鹽城凹陷的阜二段頁巖中見到良好的油氣顯示[4],G凹陷在阜二段、阜四段也獲得工業(yè)油流,表明蘇北盆地頁巖層系中具有形成頁巖油氣的良好成烴、成藏條件和資源潛力。通常,頁巖油氣具有連續(xù)成藏特點[5],脆性礦物含量較高、裂隙發(fā)育的有利頁巖儲層識別及評價是有效開發(fā)頁巖油氣的關(guān)鍵。測井資料具有成本低、縱向連續(xù)性好、地質(zhì)信息豐富等優(yōu)點[6],對成熟的勘探區(qū)進行測井地球化學(xué)和儲層評價是目前頁巖油氣勘探較為理想的思路和方法[7],但頁巖是典型的致密多孔介質(zhì),孔隙度和滲透率極低,孔隙尺寸主要分布在5～800 nm[8],傳統(tǒng)的達西定律不再適用于致密性頁巖油氣藏[9]。頁巖油氣藏由于其孔隙結(jié)構(gòu)的致密性和復(fù)雜性,常規(guī)試驗方法無法準確測量頁巖的滲透率和孔隙度[10],且裂隙存在使得泥頁巖滲透率準確計算難度更大。

以蘇北盆地G凹陷阜寧組泥頁巖地層為研究對象,采用常規(guī)K—φ模型、變指數(shù)Timur經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷扔嬎愕臐B透率誤差都較大,不能滿足泥頁巖儲層評價的要求,分析主要因素是裂隙存在使得滲透率明顯改善,常規(guī)方法不能有效計算裂隙滲透率。分析泥頁巖發(fā)育裂隙的測錄井響應(yīng)特征,發(fā)現(xiàn)泥頁巖儲層發(fā)育裂隙時一般多數(shù)為脆性礦物含量高的灰質(zhì)巖相,借鑒敏感測錄井變量可識別泥頁巖剖面中發(fā)育裂隙的層段,以此為基礎(chǔ),分有、無裂隙建立滲透率模型,精度有明顯提高。最后,鑒于裂隙發(fā)育層段往往灰質(zhì)含量高、GR值低,裂隙滲透率與GR值有明顯的負相關(guān)關(guān)系,由此提出利用GR對裂隙滲透率進行修正,得到滲透率優(yōu)化計算公式,在GR曲線高分辨率處理后,利用該方法計算滲透率效果較好,尤其是提高了裂隙滲透率的計算精度,為精確計算泥頁巖儲層物性參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。

1 泥頁巖裂隙對滲透率的影響

塑性相對較大的泥頁巖儲層在裂縫類型與成因、裂縫識別方法、裂縫參數(shù)估算等方面既有共性也有其特殊性[11],泥頁巖儲集空間通常是由微孔隙和裂隙(裂縫)共同構(gòu)成[12],基巖滲透率、孔隙度很低,一般是良好的烴源巖和蓋層,裂隙的存在對泥頁巖的儲集性、滲透性改善有較大的意義。

裂縫是泥頁巖儲層產(chǎn)能的主控因素之一,對頁巖油氣(藏)具有雙重作用,裂縫系統(tǒng)既是油氣的主要儲存空間,也是滲流的主要通道,有助于頁巖總含油氣量的增加[13]。研究區(qū)物性分析資料表明,存在裂隙的樣品滲透率明顯較高,一般都大于10 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,而非裂隙樣品滲透率較低,不超過10 mD。從巖心孔隙度滲透率關(guān)系(φc-Kc)(見圖1)可以看出,泥頁巖地層具有雙重孔隙介質(zhì)特點,基巖表現(xiàn)為低孔隙度、特低滲透率特征,而發(fā)育裂隙(裂縫)對改善泥頁巖地層的滲透性及儲集性起了重要的作用。此外,巖心觀察顯示,多數(shù)裂縫發(fā)育的層段或裂縫面中往往顯示含油、油跡,與含油性也有較好的關(guān)系。

圖1 泥頁巖有、無裂隙巖心孔隙度滲透率關(guān)系

2 泥頁巖常規(guī)滲透率模型

2.1 孔隙度滲透率擬合關(guān)系

根據(jù)巖心孔隙度和滲透率的關(guān)系,建立滲透率模型(見圖2)K=0.1533 e0.3694 φ。對模型進行45°線檢驗(見圖3),發(fā)現(xiàn)當K>10 mD時,計算結(jié)果偏小;K<10 mD時計算偏大,計算精度較低。

圖2 滲透率—孔隙度回歸模型

圖3 K—φ模型檢驗

2.2 變指數(shù)Timur模型

計算滲透率常用的Timur公式[14]在砂泥巖地層應(yīng)用效果較好,經(jīng)過和巖心實驗數(shù)據(jù)對比,要將其應(yīng)用于泥頁巖地層,需要分有、無裂隙而改變孔隙度指數(shù),改變后的Timur公式

(有裂隙)

(1)

(2)

式中,K為滲透率,mD;Swb為束縛水飽和度,%;φ為密度孔隙度,%。

通過對A井的處理,用Timur模型檢驗(見圖4),看出計算的滲透率與巖心分析數(shù)據(jù)離散性強,說明運用該方法計算滲透率效果也較差。

圖4 變指數(shù)Timur模型檢驗

3 泥頁巖滲透率優(yōu)化計算

上述模型計算泥頁巖地層滲透率不準確的主要原因是沒有充分考慮裂隙(裂縫)對滲透率的影響,按雙重孔隙介質(zhì)理論,應(yīng)該分基質(zhì)、裂縫分別建立滲透率模型,準確有效地識別泥頁巖裂隙層段。

3.1 泥頁巖發(fā)育裂隙測錄井響應(yīng)特征

蘇北盆地泥頁巖地層壓力系數(shù)主要為1.01～1.18(以A井阜四段為例),基本為常壓地層,另外泥頁巖物性較低(孔隙度一般低于10%,滲透率一般低于1.0 mD),因此,地層因素對氣測影響較小,氣測資料適用性較好。

鉆時錄井主要記錄鉆時曲線(Δtc,min/m),在鉆井措施條件不變的情況下,影響鉆時的主要因素是巖石性質(zhì)(巖石可鉆性)。A井巖心及測試資料顯示的泥頁巖儲層段3 161.57～3 161.77 m(見圖5),巖性為深灰色油浸含灰頁巖,巖心顯示有高角度裂縫,鉆時及氣測曲線特征為Δtc較低、全烴含量(THC,%)值非常高。測井曲線特征為聲波時差值低、中子孔隙度值低、密度值高、GR低值、鈾低、無鈾伽馬低、電阻率值高,發(fā)育裂隙儲層段的測錄井響應(yīng)明顯不同于非泥頁巖儲層段。通過分析,得到了發(fā)育裂隙的泥頁巖儲層識別模式:錄井顯示高Δtc背景中的低Δtc段,THC高;測井特征為AC低、CNL低、DEN高,GR相對低值。

圖5 A井發(fā)育裂隙泥頁巖儲層段測錄井響應(yīng)特征*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3.2 發(fā)育裂隙泥頁巖儲層地層模型

通過泥頁巖儲層測錄井響應(yīng)特征及適用性分析,發(fā)現(xiàn)泥頁巖儲層多為脆性礦物含量高的灰質(zhì)巖相(發(fā)育裂隙),地層模型為泥巖(含灰泥巖)-灰質(zhì)泥巖(灰質(zhì)頁巖)-泥巖(含灰泥巖)[見圖6(a)]。發(fā)育裂隙的灰質(zhì)泥巖(灰質(zhì)頁巖)全烴含量顯示高值,這種全烴含量高的層位往往是高Δtc層位中的低鉆時小層(鉆時往往大于40 min/m,但一般不超過200 min/m),該泥頁巖儲層類型占多數(shù)。儲層上下是富含有機質(zhì)泥頁巖相,GR值較高,富含有機質(zhì)泥巖成熟演化過程中生成的烴大部分排入到有裂隙儲集空間的灰質(zhì)巖相中。

圖6 泥頁巖儲層解釋模型

另外,還有少數(shù)全烴含量高的泥頁巖儲層為脆性礦物含量較低的含灰頁巖相,地層模型為含灰頁巖—含灰(灰質(zhì))泥巖[圖見6(b)],含灰頁巖發(fā)育頁理縫。這種全烴含量高的層位特征為:低Δtc層位中的高THC層段,往往黏土礦物含量較高,富含有機質(zhì)泥頁巖生成的烴大部分滯留在內(nèi)部的微裂隙、微孔隙中,該泥頁巖儲層類型占少數(shù)。

3.3 裂隙泥頁巖儲層識別方法

鑒于這2種泥頁巖儲層發(fā)育的地層類型,提出相應(yīng)解釋泥頁巖油氣富集的2種解釋模型。利用對泥頁巖儲層敏感的測錄井信息GR、DEN、Δtc參數(shù),建立了相應(yīng)的識別圖版GR—DEN—Δtc(半徑)氣泡圖版(見圖7),區(qū)分效果較好,解釋模型1的DEN值通常大于2.50 g/cm3,GR值小于60 API,Δtc通常大于80 min/m,一般小于200 min/m(致密含灰或灰質(zhì)泥巖Δtc往往大于200 min/m);而解釋模型2的DEN值通常小于2.35 g/cm3,GR值通常大于70 API,Δtc小于40 min/m。

圖7 GR—DEN—Δtc(半徑)氣泡圖版

進一步采用AC、DEN、GR、Rt、Δtc、THC等6種變量建立雷達圖版,能夠更好地識別裂隙含油層(模型1)、泥巖含油層(模型2),具有較好的適用性(見圖8)。

通過對×井的雷達圖分析,得出,①泥巖裂縫含油層(模型1)全烴含量高、鉆時高、自然伽馬較低,電阻率偏低;②泥頁巖含油層(模型2)全烴含量高、鉆時低于模型1的值、自然伽馬高值、電阻率整體偏低。

3.4 分基質(zhì)、裂隙的滲透率模型

考慮到裂隙樣品對滲透率的影響,試圖分無裂隙、有裂隙樣品分別建立各自的K—φ模型(見圖9)。

圖8 ×井雷達圖識別圖版

圖9 分有、無裂隙樣品的K—φ模型

實際處理時,依據(jù)建立的發(fā)育裂隙泥頁巖儲層解釋模型,可較好地識別地層剖面中發(fā)育裂隙的層段。裂隙層段特征表現(xiàn)為鉆時曲線高層段中的相對低鉆時小層,且全烴含量高(占多數(shù)),往往對應(yīng)灰質(zhì)泥頁巖相,GR較低、AC較低。在裂隙泥頁巖儲層識別的基礎(chǔ)上,再采用有、無裂隙的K—φ模型進行計算,對模型進行45°線檢驗,精度較統(tǒng)一的K—φ模型、變指數(shù)Timur模型有明顯的改善。但45°線檢驗圖是對數(shù)坐標,表明裂隙滲透率計算仍然存在個別計算點數(shù)量級的誤差,這是由于本身裂隙滲透率模型的誤差引起,對于高裂隙滲透率值仍然需要進行優(yōu)化計算。

3.5 裂隙滲透率模型優(yōu)化計算

裂隙主要出現(xiàn)在泥頁巖地層模型1中,由于巖石致密、脆性礦物含量高、泥質(zhì)及有機質(zhì)含量較少,往往自然伽馬值較低。因此,鑒于裂隙往往發(fā)育于低自然伽馬值的層段,分析裂隙滲透率與自然伽馬值之間的關(guān)系,二者相關(guān)性很好(見圖10),提出利用自然伽馬值對裂隙滲透率進行校正。設(shè)自然伽馬校正的裂隙滲透率函數(shù)關(guān)系為

K=af(φ)+bf(GR)

(3)

通過擬合得到系數(shù)a=0.007、b=1.001,進一步得到裂隙滲透率優(yōu)化計算公式

K=0.03451 e0.1634 φ+2.002×1016GR-0.8117

(4)

圖10 裂隙滲透率與GR值關(guān)系

考慮到泥頁巖薄互層特性,自然伽馬測井分辨率往往不能較好地反映泥頁巖薄互層界面,有必要進行自然伽馬曲線高分辨率處理。從信號分析角度,可將測井曲線抽象為儀器探測范圍內(nèi)地層綜合響應(yīng)信號的疊加,某一深度點的自然伽馬測井值并不是該點的真實測量響應(yīng)值,而是測點及其圍巖測量值的加權(quán)平均值,通過對測井曲線進行反褶積處理[15],得到了高分辨率自然伽馬曲線GRR(見圖11),可提高對泥頁巖薄層界面的識別能力。

圖11 A井滲透率處理結(jié)果對比

圖12 泥頁巖滲透率模型優(yōu)化計算檢驗

進一步,將高分辨率自然伽馬曲線GRR帶入式(4)進行計算,結(jié)果表明該優(yōu)化方法計算滲透率效果較好,尤其是提高了有裂隙的滲透率計算精度[見圖12(b)],為泥頁巖儲層物性參數(shù)準確計算奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

(1) 采用統(tǒng)一的孔隙度滲透率關(guān)系、變指數(shù)Timur模型等計算滲透率誤差較大,不能滿足泥頁巖儲層評價的要求,主要原因是常規(guī)的方法不能有效計算裂隙滲透率。

(2) 泥頁巖發(fā)育裂隙多數(shù)為脆性礦物含量高的灰質(zhì)巖相,將測錄井響應(yīng)結(jié)合,可較好地識別泥頁巖中裂隙層段,分有、無裂隙分別建立滲透率模型,計算結(jié)果有明顯改進。

(3) 鑒于裂隙往往發(fā)育于黏土礦物少、自然伽馬值低的層段,提出利用自然伽馬值對滲透率進行校正,得到滲透率優(yōu)化計算公式,在進行自然伽馬曲線高分辨率處理的基礎(chǔ)上有效提高了裂隙滲透率計算精度。

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