——以準(zhǔn)噶爾盆地東部石炭系火成巖為例"/>
黃 力 王安生 王躍祥 王秀彥 趙艾琳 楊 滿 張宗富
1.中國(guó)石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 2.中國(guó)石油東方地球物理公司研究院 3.斯倫貝謝有限公司
隨著勘探的不斷深入,發(fā)現(xiàn)的火成巖油氣藏愈來愈多,甚至在某些地區(qū)已形成很大的產(chǎn)能。準(zhǔn)噶爾盆地東部石炭系火成巖天然氣資源量約為6188×108m3[1],資源量巨大。盆地東部石炭系地層是一套多期噴發(fā)、多期改造而成的火山熔巖和火山碎屑巖,厚度約200 m,頂部為深灰色凝灰?guī)r、沉積巖,以下主要為深灰色、灰色安山巖和火山角礫巖,局部發(fā)育凝灰?guī)r。一般火成巖油氣藏為溶蝕孔洞—裂縫雙重孔隙介質(zhì)的強(qiáng)烈非均質(zhì)儲(chǔ)層,比碎屑巖和碳酸鹽巖油氣藏更為復(fù)雜[2-3],其巖性測(cè)井識(shí)別與儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)都非常困難。
火成巖測(cè)井巖性識(shí)別是其儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),提高巖性識(shí)別符合率一直是火成巖儲(chǔ)層研究中的難題。一般采用地震法進(jìn)行火成巖縱橫向展布及噴發(fā)期次研究,由于測(cè)井縱向分辨率高,故利用其自然伽馬、自然伽馬能譜測(cè)井、密度 、聲波測(cè)井、電法測(cè)井的綜合分析來確定礦物成分,并與薄片資料建立二維或三維交會(huì)解釋圖版[4-5],同時(shí)利用成像測(cè)井響應(yīng)特征及實(shí)際鉆井取心資料來標(biāo)定常規(guī)測(cè)井曲線以定性分析巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。此外還有測(cè)井相分析技術(shù)[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7]、模糊數(shù)學(xué)[8]、對(duì)應(yīng)分析和模糊聚類[9]、主成分分析法[10]等。
該區(qū)塊石炭系發(fā)育火山碎屑巖類和火山熔巖類。其中火山碎屑巖類包括火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r(包括薄片鑒定的角礫凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖、角礫玻屑凝灰?guī)r)和凝灰?guī)r;火山熔巖類為安山巖。
本次研究中,筆者對(duì)取心井巖心觀察、巖石薄片鑒定、微電阻率成像測(cè)井(XRMI)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,考慮研究可操作性與研究目的,對(duì)巖性進(jìn)行了合并分類及統(tǒng)一命名。并通過分析測(cè)井響應(yīng)特征,以巖心薄片確定的巖性為基礎(chǔ),制定各巖性的定量識(shí)別標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。
表1 火成巖巖性定量識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)一覽表
由于火成巖巖性復(fù)雜,其反映巖性的常規(guī)曲線與碎屑巖、碳酸鹽巖存在較大差異,從表1看出,曲線之間往往存在信息重疊的情況,此外量綱不統(tǒng)一也不利于巖性的識(shí)別,在應(yīng)用前需要對(duì)曲線進(jìn)行篩選。主成分分析法通過變換可以把原來各個(gè)指標(biāo)化為幾個(gè)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)的一種方法,可以達(dá)到數(shù)據(jù)化簡(jiǎn)、揭示變量之間的關(guān)系和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類解釋的目的[11]。
首先,從5口取心井的常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中篩選得出 7 個(gè)可能與巖性相關(guān)的指標(biāo) x1,x2,…,x7,分別為聲波(AC)、井徑(CALI)、密度(DEN)、中子(CNL)、自然伽馬(GR)、深電阻率(RT)、自然電位(SP),z1,z2,…,zm分別為指標(biāo) x1,x2,…,x7的第 1,第 2,…,第m主要成分,定義為:
確定主成分就是確定原來變量 x1,x2,…,x7在諸主成分 zi(i=1,2,…, m)上的相關(guān)系數(shù) lij(i=1,2,…,m; j=1,2,…, p),可通過以下方法求解。
原始數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的相關(guān)系數(shù)矩陣定義為:
根據(jù)特征方程 ,用Jacobi法求出特征值 λ(ii=1,2,…, p),并且將其按大小順序排列,即。
然后計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率以及累計(jì)貢獻(xiàn)率,其中主成分zi的貢獻(xiàn)率定義為:
累計(jì)貢獻(xiàn)率定義為:
最后取累計(jì)貢獻(xiàn)率為85%~95%的特征值λ1,λ2,…, λm所對(duì)應(yīng)的第 1、第 2、第 3、…、第 m(m ≤ p)個(gè)主成分zi。通過計(jì)算,發(fā)現(xiàn)僅3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率就已經(jīng)超過85%了,其與各測(cè)井變量的相關(guān)系數(shù)如表2所示,可看出第1主成分中密度(DEN)相關(guān)系數(shù)最高,影響最大,第2主成分中深電阻率(RT)的影響最大,第3主成分中自然伽馬(GR)的影響最大,此3種測(cè)井變量即為對(duì)巖性最敏感的曲線。
以主成分分析結(jié)果為依據(jù),利用5口取心井的薄片鑒定的結(jié)果,巖心標(biāo)定測(cè)井,建立了電阻率—自然伽馬—密度交會(huì)圖3參數(shù)建立的三維圖版(圖1),該圖版比二維圖版多了1個(gè)參數(shù),更適用于復(fù)雜的火成巖地層。從交會(huì)圖可知GR值相對(duì)集中在30~70 API,表現(xiàn)為基性—中基性巖性。由于其巖石結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致孔隙度增大,其密度值明顯低于熔巖安山巖類。凝灰?guī)r密度最低,易于識(shí)別。電阻率值按照凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖的順序依次增高,這也說明電阻率高低主要反映火山巖的孔隙結(jié)構(gòu),對(duì)熔巖及碎屑巖的劃分敏感。
儲(chǔ)層巖心觀察、成像測(cè)井和地質(zhì)研究表明,該工區(qū)內(nèi)石炭系火山巖儲(chǔ)層孔隙類型主要為溶孔,其次為微裂縫和氣孔。儲(chǔ)層特征為中等電阻率,高聲波時(shí)差,低密度的特征。針對(duì)該儲(chǔ)層的特點(diǎn),在解釋過程中,主要用基質(zhì)孔隙度、裂縫孔隙度參數(shù)定量描述這類儲(chǔ)層物性特征。
表2 相關(guān)系數(shù)表
圖1 火成巖電阻率、密度、自然伽馬交會(huì)圖
火成巖孔隙度計(jì)算方法有很多[12-14]。其中聲波測(cè)井主要反映火成巖的骨架孔隙結(jié)構(gòu)特征,對(duì)火成巖的巖性成分、蝕變程度等反應(yīng)不敏感,主要反映基質(zhì)孔隙度及原生溶孔、氣孔孔隙度??紤]該區(qū)儲(chǔ)層巖性為角礫凝灰?guī)r和火山角礫巖,而2種巖性孔隙結(jié)構(gòu)不同,根據(jù)取心井孔隙度分析資料,分別建立了火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r的孔隙度計(jì)算模型,如圖2、圖3。
圖2 火山角礫巖聲波孔隙度計(jì)算模型
裂縫是巖石受力形成的一種沒有明顯位移的脆性構(gòu)造,其形成的根本原因是巖石所受的應(yīng)力超過其承受強(qiáng)度[15]。如何利用常規(guī)測(cè)井資料有效評(píng)價(jià)和識(shí)別裂縫仍然是個(gè)難題[16]。巖心描述和XRMI解釋成果統(tǒng)計(jì)表明,火成巖中裂縫類型主要有低角度斜交縫、網(wǎng)狀縫、直劈縫、高角度縫4種類型。不同類型的裂縫在常規(guī)測(cè)井曲線上具有不同的響應(yīng)特征:
圖3 角礫凝灰?guī)r聲波孔隙度計(jì)算模型
1)低角度縫:雙側(cè)向微小負(fù)差異,或者無差異。一般當(dāng)裂縫的開度較大時(shí),聲波時(shí)差聲波跳躍或明顯增大。XRMI圖像顯示為黑色正弦曲線,10°≤傾角<70°。
2)高角度縫:深淺雙側(cè)向電阻率呈正差異,電阻率值在致密層高阻的背景下有所降低,隨裂縫開度的增大電阻率減??;當(dāng)侵入半徑較大時(shí),對(duì)于油層而言,深淺雙側(cè)向的幅度差值較大。對(duì)于水層差異值較小。XRMI圖像顯示為黑色正弦曲線,傾角≥70°。
3)網(wǎng)狀縫:沖洗帶電阻率(RXO)曲線出現(xiàn)毛刺狀跳躍現(xiàn)象,深電阻率 (RT)在裂縫發(fā)育且無充填的時(shí)候變小,密度(DEN)有變小的趨勢(shì),自然伽馬 (GR)、聲波時(shí)差(AC)和中子孔隙度(CNL)相對(duì)沒有裂縫發(fā)育的地方會(huì)變大,有時(shí)會(huì)伴隨聲波時(shí)差周波跳躍的現(xiàn)象。由于圍巖的電阻率比泥漿電阻率高,所以各種類型的開啟裂縫在成像圖上都表現(xiàn)為相互切割的呈網(wǎng)狀的深色正弦線組成。
4)充填縫:裂縫有充填時(shí)常規(guī)測(cè)井曲線變化特征不明顯。由于電流擴(kuò)散,充填礦物質(zhì)的電阻率比周圍巖石高,充填縫常會(huì)在裂縫平面上的上下傾斜交匯處顯示一個(gè)高、低電阻率交互區(qū)。充填縫是一種無效縫,不能作為儲(chǔ)層流體的滲濾通道。
5)誘導(dǎo)縫:常規(guī)測(cè)井曲線變化特征不明顯。為鉆井鉆頭鉆開地層時(shí),地層應(yīng)力平衡被打破,成像上在平行最大水平應(yīng)力方向上呈八字形或羽行對(duì)稱排列的特征。
2.2.1 成像測(cè)井裂縫孔隙度計(jì)算模型
裂縫孔隙度:巖石的裂縫孔隙度定義為裂縫孔隙體積與巖石體積之比。裂縫孔隙度雖然在總孔隙度中占的比重較小,國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)表明火成巖裂縫孔隙度一般小于1%,但具有非常重要的滲流特點(diǎn),它決定了油氣的最終采收率[17]。
成像測(cè)井裂縫孔隙度計(jì)算主要是通過人工對(duì)天然裂縫進(jìn)行拾取,并采用斯侖貝謝公司的裂縫計(jì)算方法對(duì)裂縫進(jìn)行定量計(jì)算,提供裂縫長(zhǎng)度(FVTL)、裂縫密度(FVD)、校正后的裂縫密度(FVDC)、裂縫視孔隙度(FVPA)和裂縫走向等參數(shù)[18-19],各參數(shù)的計(jì)算公式如下:
式中R表示井眼半徑,m; C表示FMI井眼覆蓋率;Li表示第i條裂縫的長(zhǎng)度;Ⅰi表示第i深度段內(nèi)裂縫的條數(shù);Wi表示第i條裂縫的平均寬度;H表示評(píng)價(jià)井段長(zhǎng)度,m;θi表示第i條裂縫的視傾角,即裂縫面與井軸的夾角。
2.2.2 雙側(cè)向測(cè)井裂縫孔隙度計(jì)算模型
根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐證實(shí),裂縫對(duì)深淺雙側(cè)向電阻率有比較靈敏的反應(yīng),利用裂縫井段與雙側(cè)向電阻率計(jì)算裂縫孔隙度,其中經(jīng)典的是Pezard[20]等在Sibbit[21]等人研究的基礎(chǔ)上,建立了裂縫地層電性各向異性的數(shù)值計(jì)算模型[22],進(jìn)一步總結(jié)不同角度裂縫的雙側(cè)向測(cè)井響應(yīng),按裂縫傾角將裂縫分為水平縫、垂直縫兩種情況,該公式考慮到裂縫性地層侵入特性。
計(jì)算水平裂縫模型裂縫孔隙度(φf)的公式為:
計(jì)算垂直裂縫模型裂縫孔隙度的計(jì)算公式為:
對(duì)于網(wǎng)狀縫,采用并聯(lián)導(dǎo)電模型,利用雙側(cè)向測(cè)井資料推導(dǎo)網(wǎng)狀裂縫孔隙模型[23-24],再利用迭代算法求得裂縫孔隙度:
式中Cd、Cs、Cm、Cw分別表示深側(cè)向、淺側(cè)向、泥漿濾液電導(dǎo)率、地層水電導(dǎo)率,1/(Ω·m); x表示裂隙網(wǎng)格長(zhǎng)度相對(duì)大小,小于1;mf表示裂縫孔隙度指數(shù),(F為地層因子,
考慮雙側(cè)向與成像測(cè)井資料計(jì)算裂縫孔隙度的原理不一樣,雙側(cè)向電阻率法反映的是體積模型中雙側(cè)向電阻率對(duì)于巖石裂縫的測(cè)井響應(yīng),計(jì)算模型為無限大空間,具宏觀特征。成像測(cè)井計(jì)算裂縫孔隙度實(shí)際上是反映井壁面積意義上的面孔率,更具微觀優(yōu)勢(shì)特征,其圖像特征更加直觀。成像測(cè)井與雙側(cè)向解釋的裂縫孔隙度之間有差異是合理的。筆者利用成像資料提供的裂縫孔隙度,對(duì)雙側(cè)向測(cè)井資料計(jì)算的裂縫孔隙度進(jìn)行標(biāo)定,建立成像測(cè)井裂縫孔隙度(FVPA)與雙側(cè)向裂縫孔隙度(φf) 關(guān)系如下:
圖4是常規(guī)測(cè)井與成像測(cè)井裂縫孔隙度交會(huì)圖,通過回歸分析,得到 a=7.989 5,b=-0.000 4,成像測(cè)井解釋裂縫孔隙度與雙側(cè)向計(jì)算裂縫孔隙度兩者約成8倍的關(guān)系,通過此關(guān)系,可利用常規(guī)曲線對(duì)全區(qū)進(jìn)行裂縫孔隙度計(jì)算。
圖4 常規(guī)裂縫孔隙度與成像裂縫對(duì)比分析圖
圖5 X井解釋成果綜合圖
圖5為三維圖版巖性綜合識(shí)別成果圖。該井2485~2 490 m段常規(guī)測(cè)井曲線表現(xiàn)為低伽馬、高密度、高電阻率特征,電阻率多介于10~50 Ω·m,顯示為中基性安山巖及安山質(zhì)火山碎屑熔巖特征,ECS測(cè)井處理圖分析表明,硅含量在井深約2 480 m~2 490 m降低,鋁、鐵,鈦含量增加,為典型的安山巖特征,成像測(cè)井顯示熔結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)育,成像測(cè)井電阻率值較高,圖像顏色較亮,從錄井上為安山巖。該井 2 450~ 2 455 m 表現(xiàn)為中等伽馬值,低密度,低電阻率,電阻率值介于2~20 Ω·m,為基性火山碎屑巖特征。成像測(cè)井為相對(duì)低值,圖像顏色較暗。從錄井資料上也為角礫凝灰?guī)r。解釋成果與錄井、成像及ECS測(cè)井基本一致。說明利用三維交會(huì)圖并結(jié)合成像測(cè)井及巖心數(shù)據(jù)綜合判別巖性,可有效識(shí)別巖性。
從單井的測(cè)井孔隙度與巖心分析孔隙度對(duì)比圖(圖6)可以看出不管是火山角礫巖還是角礫凝灰?guī)r,計(jì)算結(jié)果的符合程度非常高。統(tǒng)計(jì)孔隙度誤差可見火山角礫巖的計(jì)算結(jié)果平均絕對(duì)誤差-0.6%,平均相對(duì)誤差5.4%;角礫凝灰?guī)r平均絕對(duì)誤差0.3%,平均相對(duì)誤差4.4%,均在探明儲(chǔ)量規(guī)范規(guī)定的有效孔隙度計(jì)算絕對(duì)誤差小于2%,相對(duì)誤差小于8%的范圍內(nèi)。
圖6 測(cè)井處理孔隙度與巖心分析孔隙度單井圖
圖7 不同巖性裂縫厚度與平均孔隙度統(tǒng)計(jì)圖
根據(jù)裂縫在常規(guī)測(cè)井資料上的響應(yīng)特征進(jìn)行裂縫識(shí)別,結(jié)果表明該區(qū)裂縫以低角度斜交縫的裂縫厚度(裂縫厚度是指該類型裂縫發(fā)育段的地層厚度)最大,網(wǎng)狀縫、高角度縫次之。從各巖性統(tǒng)計(jì)的裂縫厚度與孔隙度圖(圖7)可看出:火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫厚度比較大,但裂縫孔隙度總體偏低,裂縫孔隙度平均值低于0.03%。角礫凝灰?guī)r裂縫孔隙度最高,火山角礫巖次之,為儲(chǔ)層發(fā)育有利目標(biāo);凝灰?guī)r幾乎不發(fā)育裂縫;安山巖巖性致密,總體上裂縫孔隙度偏低,但裂縫發(fā)育段厚度與角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖基本相當(dāng),故不能忽視裂縫的存在。
綜合裂縫識(shí)別與孔隙度計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為裂縫發(fā)育與巖性有著重要關(guān)系。安山巖、火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫比較發(fā)育,角礫凝灰?guī)r裂縫孔隙度最高,火山角礫巖次之,為儲(chǔ)層發(fā)育有利目標(biāo);凝灰?guī)r幾乎不發(fā)育裂縫;安山巖也發(fā)育一定厚度的裂縫,具有一定的潛力。如圖8所示,在安山巖頂部計(jì)算的裂縫孔隙度為0.02%,成像測(cè)井顯示裂縫發(fā)育,具有較好的氣測(cè)反映,在一定條件下采取壓裂措施可作為滲流通道。因此安山巖可作為潛力儲(chǔ)層。
圖8 測(cè)井成果圖
1)通過主成分分析,確定對(duì)巖性較敏感的常規(guī)曲線為密度、電阻率、自然伽馬;建立了電阻率—自然伽馬—密度三參數(shù)交會(huì)圖,該圖版比二維圖版增加一個(gè)參數(shù),更適合復(fù)雜的火成巖解釋。通過對(duì)解釋結(jié)果的驗(yàn)證,利用多參數(shù)可有效區(qū)分該區(qū)的火山巖巖性。
2)對(duì)基質(zhì)孔隙度采用對(duì)火成巖基質(zhì)孔隙度及原生孔隙度較敏感的聲波曲線進(jìn)行刻度,分別對(duì)儲(chǔ)層的主要巖性——火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r進(jìn)行建模計(jì)算,提高了儲(chǔ)層孔隙度的解釋精度,符合儲(chǔ)量計(jì)算的精度要求。
3)利用成像資料計(jì)算的裂縫孔隙度對(duì)雙側(cè)向測(cè)井資料計(jì)算的裂縫孔隙度進(jìn)行標(biāo)定,成像測(cè)井計(jì)算的孔隙度與雙側(cè)向計(jì)算裂縫孔隙度約成8倍的關(guān)系,從而利用資料豐富的測(cè)井曲線對(duì)全區(qū)進(jìn)行裂縫孔隙度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明裂縫發(fā)育與巖性有著重要關(guān)系,安山巖、火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫比較發(fā)育;角礫凝灰?guī)r中裂縫孔隙度最高,火山角礫巖次之,為儲(chǔ)層發(fā)育的主要巖性;安山巖巖性致密,但裂縫較發(fā)育,可作為潛力儲(chǔ)層。