李婷婷,成志剛,石玉江,席輝,羅少成,郭笑鍇

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司,陜西西安710077;2.長(zhǎng)慶油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,陜西西安710018)

0 引 言

隴東長(zhǎng)7儲(chǔ)層巖性復(fù)雜,油層組中存在致密砂巖儲(chǔ)層。因其測(cè)井響應(yīng)差異小,造成有效儲(chǔ)集層的劃分、油層識(shí)別、參數(shù)識(shí)別、展布預(yù)測(cè)等遇到了挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)如泥質(zhì)含量的確定、準(zhǔn)確的巖性和巖石骨架參數(shù)確定等。

目前,大多數(shù)情況下,利用自然伽馬劃分泥巖和求取泥質(zhì)含量。但在長(zhǎng)7儲(chǔ)層,特別是當(dāng)儲(chǔ)層中含有某些放射性較強(qiáng)的礦物時(shí),如高伽馬值儲(chǔ)層,單從常規(guī)測(cè)井曲線上無(wú)法區(qū)分出砂巖和泥巖層段,在劃分時(shí)容易漏失掉儲(chǔ)層,或者劃分出的儲(chǔ)層厚度與實(shí)際儲(chǔ)層厚度相差較大。此外,若泥質(zhì)和巖石骨架中的放射性礦物含量或組分不穩(wěn)定時(shí)也會(huì)造成誤差。另外,泥巖與高放射性砂巖難以用總自然伽馬曲線區(qū)分開(kāi)。這就給長(zhǎng)7有效儲(chǔ)層劃分帶來(lái)了較大困難。

地層元素測(cè)井能準(zhǔn)確測(cè)量地層主要元素硅(Si)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、硫(S)、鉀(K)、鋁(Al)、鎂(Mg)、錳(Mn)、鈦(Ti)、釓(Gd)的含量,而不受以上因素影響,其縱向分辨率可達(dá)到1.5 ft(1)非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,而且適用性特別廣,在淡水、飽和鹽水、油基鉆井液、含氣鉆井液、重晶石鉆井液、氯化鉀鉆井液、不規(guī)則井眼和高溫井眼下都能采集到高質(zhì)量的資料。它通過(guò)測(cè)量地層元素的含量,應(yīng)用特定的氧化物閉合模型技術(shù),可以得到地層中礦物的百分含量[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地層元素測(cè)井礦物含量計(jì)算方面進(jìn)行了大量的研究工作,并取得了較好的效果。但針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)還需建立更高精度的解釋模型,才能滿(mǎn)足油田開(kāi)發(fā)的需求。

1 隴東長(zhǎng)7段地質(zhì)特征

隴東長(zhǎng)7地層為致密油儲(chǔ)層,縱向上分布著致密砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和油頁(yè)巖。與砂巖儲(chǔ)層相比,致密油層具有泥質(zhì)含量高、非均質(zhì)性強(qiáng)、層理發(fā)育、水敏性填隙物含量高、巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層分布范圍廣、厚度大,主要發(fā)育于半深湖-深湖區(qū)。晚三疊世延長(zhǎng)組沉積期,受印支運(yùn)動(dòng)的影響,鄂爾多斯盆地形成了面積大、水域?qū)挼拇笮蛢?nèi)陸淡水湖盆,湖盆在長(zhǎng)7段沉積期達(dá)到鼎盛,形成了盆地主要的生油母質(zhì),以致密油儲(chǔ)層、頁(yè)巖、暗色泥巖為主[2]。長(zhǎng)7段底部發(fā)育致密油儲(chǔ)層,呈北西—南東向展布,分布范圍廣,有效面積約為10×104km2。

長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層夾層富集,其中的粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖或凝灰?guī)r類(lèi)等夾層雖然單層厚度較薄,但孔隙度和滲透率等物性條件相對(duì)較好。富有機(jī)質(zhì)致密油儲(chǔ)層生油能力強(qiáng),生成的原油經(jīng)過(guò)極短距離運(yùn)移即可進(jìn)入夾層聚集。

夾層的巖性較脆,儲(chǔ)層改造有利,易形成油流。測(cè)試結(jié)果證明,夾層是原油賦存富集的有利場(chǎng)所,層數(shù)多、厚度薄、物性好、脆性強(qiáng)的夾層是長(zhǎng)7儲(chǔ)層勘探開(kāi)發(fā)的有利目標(biāo)。

長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層礦物成分及儲(chǔ)集空間類(lèi)型與結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。吳松濤等[3]利用納米CT、掃描電鏡和透射電子顯微鏡等高分辨率觀測(cè)設(shè)備對(duì)長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層內(nèi)部孔隙和礦物成分進(jìn)行了研究,結(jié)果表明長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層礦物主要為伊/蒙混層、伊利石和綠泥石、石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等碎屑礦物,以及白云石、方解石、鐵白云石、菱鐵礦等碳酸鹽礦物也非常發(fā)育。

這些礦物呈紋層狀與黏土礦物疊合分布,使得長(zhǎng)7段致密油儲(chǔ)層層理發(fā)育,常見(jiàn)(碳酸鹽-石英-長(zhǎng)石)-黏土礦物-(有機(jī)質(zhì)-黃鐵礦)的“三元”結(jié)構(gòu),或黏土礦物-(有機(jī)質(zhì)-黃鐵礦)、(碳酸鹽-石英-長(zhǎng)石)-(有機(jī)質(zhì)-黃鐵礦)的“二元”結(jié)構(gòu);儲(chǔ)集空間包括微米級(jí)孔喉、納米級(jí)孔喉和微裂縫,以納米級(jí)孔喉為主,微米級(jí)孔喉和微裂縫次之。

2 地層元素測(cè)井評(píng)價(jià)

針對(duì)地區(qū)情況,選取了不同于國(guó)內(nèi)外先確定礦物組合、再計(jì)算礦物含量的地層元素測(cè)井資料的應(yīng)用方法。首先統(tǒng)計(jì)了常見(jiàn)造巖礦物的各種元素的含量(見(jiàn)表1)[4],掌握造巖礦物的元素含量特征,然后,通過(guò)2種方法得到礦物含量模型。

一種是在有取心資料的情況下,利用元素含量交會(huì)的方法劃分礦物大類(lèi),針對(duì)每個(gè)大類(lèi)選取主量元素識(shí)別亞類(lèi);針對(duì)每種礦物分析其礦物含量與元素的相關(guān)性,優(yōu)選元素并進(jìn)行組合,建立各礦物類(lèi)型的礦物含量計(jì)算模型,據(jù)此計(jì)算得到礦物含量;另一種是在沒(méi)有巖心資料的情況下,利用最優(yōu)化算法建立元素含量與主要礦物含量的解釋模型,經(jīng)過(guò)優(yōu)化反演得到礦物含量。

表1 常見(jiàn)礦物中各種元素組分含量表

注:表1中空白表示“不適用”

圖1 總黏土含量計(jì)算模型 圖2 碎屑含量計(jì)算模型 圖3 碳酸鹽巖含量計(jì)算模型

3 地層元素測(cè)井資料評(píng)價(jià)礦物含量

3.1 利用巖石物理實(shí)驗(yàn)方法建立礦物組分模型

3.1.1元素識(shí)別巖石礦物大類(lèi)

根據(jù)不同的巖性,建立從元素到礦物含量的轉(zhuǎn)化模型?；赬衍射全巖分析及X熒光主量元素含量分析資料,通過(guò)元素與礦物相關(guān)性分析,元素Al、K與黏土含量的相關(guān)性最高,元素Si、K、Al與碎屑含量相關(guān)性最高,元素Ca、Mg與碳酸鹽巖含量相關(guān)性最高,分別通過(guò)多參數(shù)擬合建立了黏土含量計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)、碎屑含量計(jì)算模型(見(jiàn)圖2)、碳酸鹽巖的計(jì)算模型(見(jiàn)圖3);根據(jù)巖石體積模型,黃鐵礦和菱鐵礦含量為100減去黏土含量、碎屑含量和碳酸鹽巖含量。

致密砂巖儲(chǔ)層礦物組分(總黏土、碎屑、碳酸鹽巖)與元素含量關(guān)系建立(經(jīng)驗(yàn)公式)

總黏土含量=3.42×VAl+7.24×VK-6.0,

R2=0.85

(1)

碎屑含量=2.48×VSi-15.29×VK+2.14×VAl+3.53,R2=0.94

(2)

碳酸鹽巖含量=2.51×VCa+3.75×VMg-4.0,R2=0.94

(3)

3.1.2巖石精細(xì)礦物計(jì)算方法

基于X衍射全巖分析及X熒光主量元素含量分析資料,通過(guò)元素與礦物相關(guān)性分析,元素Si與石英含量的相關(guān)性最高,元素Ca、Mg與白云石含量相關(guān)性最高,分別通過(guò)線性擬合建立了石英含量計(jì)算模型(見(jiàn)圖4)、白云石含量的計(jì)算模型(見(jiàn)圖5);根據(jù)巖石體積模型,長(zhǎng)石含量為碎屑含量減去石英含量,方解石含量為碳酸鹽巖含量減去白云石含量。

圖4 石英含量計(jì)算模型 圖5 白云石含量計(jì)算模型

致密砂巖儲(chǔ)層礦物組分(石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石)與元素含量關(guān)系建立(經(jīng)驗(yàn)公式)

石英含量=2.48×VSi-27.38,R2=0.90

(4)

長(zhǎng)石含量=碎屑含量-石英含量

(5)

白云石含量=5.31×VMg+1.24×VCa-4.92,R2=0.86

(6)

3.1.3黏土礦物含量計(jì)算方法

基于X衍射黏土礦物分析資料,采用28個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),開(kāi)展了黏土礦物之間相關(guān)性分析,分別建立了伊蒙混層、高嶺石與伊利石的關(guān)系模型,伊蒙混層、綠泥石與伊利石的關(guān)系模型及高嶺石、綠泥石與伊利石的關(guān)系模型(見(jiàn)圖6、圖7、圖8),總黏土含量為伊利石、伊蒙混層、高嶺石、綠泥石之和。通過(guò)解4個(gè)方程組,可以得到隴東地區(qū)長(zhǎng)7黏土礦物伊利石(Vz)、伊蒙混層(VI/S)、高嶺石(VK)及綠泥石(VC)含量,其關(guān)系式為

圖6 伊蒙混層、高嶺石聯(lián)合計(jì)算模型 圖7 伊蒙混層、綠泥石聯(lián)合計(jì)算模型 圖8 高嶺石、綠泥石聯(lián)合計(jì)算模型

伊利石含量=1.25×VI/S+3.83×VK+1.13,R2=0.96

(7)

伊利石含量=1.07×VI/S+1.62×VC+1.35,R2=0.96

(8)

伊利石含量=3.57×VK+2.97×VC-0.36,

R2=0.92

(9)

總黏土含量=伊利石含量+綠泥石含量+伊蒙混層含量+高嶺石含量

(10)

利用以上方程組進(jìn)行了模型驗(yàn)證,結(jié)合X衍射黏土礦物分析資料,分別計(jì)算出伊利石(VI)、伊蒙混層(VI/S)、高嶺石(VK)及綠泥石(VC)含量。計(jì)算黏土礦物含量與分析黏土礦物含量交會(huì)圖(見(jiàn)圖9、圖10、圖11、圖12)。隴東地區(qū)長(zhǎng)7地層黏土礦物計(jì)算模型精度高,能夠準(zhǔn)確計(jì)算黏土礦物含量。

3.2 地層元素測(cè)井礦物含量的優(yōu)化計(jì)算

圖9 伊利石含量計(jì)算驗(yàn)證圖版 圖10 伊蒙混層含量計(jì)算驗(yàn)證圖版

地層元素測(cè)井優(yōu)化反演是從地層主要元素含量信息中反演出復(fù)雜的礦物含量,該方法可能會(huì)出現(xiàn)多解性,即可能出現(xiàn)各種不同礦物的組合,導(dǎo)致反演結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此,要準(zhǔn)確地確定頁(yè)巖地層中的礦物含量,應(yīng)預(yù)先進(jìn)行地質(zhì)分析,確定地層可能出現(xiàn)的礦物類(lèi)型,利用礦物類(lèi)型作為約束條件,減少地層礦物的不確定性。

圖11 高嶺石含量計(jì)算驗(yàn)證圖版 圖12 綠泥石含量計(jì)算驗(yàn)證圖版

其實(shí)現(xiàn)途徑:利用巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為約束條件進(jìn)行約束反演。該方法可以在沒(méi)有巖心資料的情況下,利用已建立的模型計(jì)算礦物含量。地層元素測(cè)井資料優(yōu)化反演根據(jù)廣義反演理論,利用地層礦物與元素含量之間的關(guān)系,通過(guò)構(gòu)造地層不同礦物模型下的元素含量響應(yīng)方程,反演過(guò)程中不斷計(jì)算構(gòu)造響應(yīng)方程的理論測(cè)井值,并與實(shí)際測(cè)井值比較。一旦兩者充分逼近且滿(mǎn)足誤差條件,則此時(shí)計(jì)算理論測(cè)井值所采用的礦物含量就能充分反映實(shí)際地層模型中實(shí)際礦物含量大小[8]。

由非線性加權(quán)最小二乘原理與誤差理論建立元素測(cè)井最優(yōu)化解釋目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型為

(11)

式中,ai為元素含量值,%;x為反演礦物質(zhì)量含量,%;z為測(cè)井深度,m;fi(x,z)為第i種元素在z深度時(shí)不同礦物模型下的元素測(cè)井響應(yīng)方程;σi為第i種元素的不確定性因子,其數(shù)值由解譜誤差大小決定;τi為構(gòu)造的第i種元素測(cè)井響應(yīng)方程誤差;F(x,a)為最優(yōu)化元素測(cè)井解釋的目標(biāo)函數(shù)值;gj(x)與τj為x的第j種不等式約束及其誤差。

元素測(cè)井在一定深度時(shí)的不同礦物模型響應(yīng)方程為

(12)

式中,xj為第j種礦物;Cij為元素在礦物中的比重。

反演目標(biāo)函數(shù)的約束條件是

(13)

構(gòu)造元素測(cè)井響應(yīng)方程和響應(yīng)方程誤差后結(jié)合元素的不確定性和約束條件,應(yīng)用最優(yōu)化反演算法就可以進(jìn)行反演求解,反演算法采用變尺度方法和拋物線方法進(jìn)行反演。

利用Techlog軟件對(duì)地層元素測(cè)井資料進(jìn)行重新處理解釋,經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化反演,將處理結(jié)果與巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)處理結(jié)果與礦物含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致時(shí),確定了地層元素測(cè)井礦物含量計(jì)算參數(shù)(見(jiàn)表2)。在實(shí)際資料的處理過(guò)程中,處理結(jié)果與巖心結(jié)果一致。

利用以上礦物含量計(jì)算模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井L44井進(jìn)行了精細(xì)處理解釋,計(jì)算得出黏土含量、碎屑含量、方解石含量、白云石含量(見(jiàn)圖13)。圖13中第12道紅色曲線為模型計(jì)算黏土含量,藍(lán)色點(diǎn)為巖心分析黏土含量;第13道紅色曲線為模型碎屑含量,藍(lán)色點(diǎn)為巖心分析碎屑含量;第14道紅色曲線為模型計(jì)算方解石含量,藍(lán)色點(diǎn)為巖心分析方解石含量;第15道紅色曲線為模型計(jì)算白云石含量,藍(lán)色點(diǎn)為巖心分析方解石含量。由圖13可見(jiàn),計(jì)算礦物含量結(jié)果與巖心分析結(jié)果基本一致,說(shuō)明該方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算致密儲(chǔ)層礦物含量。

表2 地層元素測(cè)井礦物含量計(jì)算參數(shù)表

圖13 L44井長(zhǎng)7地層元素測(cè)井精細(xì)解釋成果圖

4 應(yīng)用效果

將礦物定量計(jì)算模型掛接到軟件中,可得到井剖面的礦物含量。圖14為長(zhǎng)慶油田C96井處理成果圖。圖14中第7道為本文方法處理得到的礦物含量剖面。根據(jù)131個(gè)巖心數(shù)據(jù)點(diǎn)的驗(yàn)證,模型計(jì)算礦物含量平均絕對(duì)誤差為2.75%,平均相對(duì)誤差為0.216%。在2 075～2 080 m層段,如圖14中第9道所示第73層和74層。經(jīng)試油證實(shí)為含水工業(yè)油層,日產(chǎn)油10.97 t,日產(chǎn)水5.4 t。利用常規(guī)測(cè)井方法并沒(méi)有準(zhǔn)確識(shí)別出有效儲(chǔ)層,利用地層元素測(cè)井方法可以較好地識(shí)別出常規(guī)方法難以識(shí)別的高伽馬值儲(chǔ)層,避免漏層而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

圖14 C96井長(zhǎng)7儲(chǔ)層地層元素測(cè)井精細(xì)解釋成果圖

5 結(jié) 論

(1)以大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用元素含量直接進(jìn)行礦物含量計(jì)算方法研究,形成了元素識(shí)別巖石礦物大類(lèi)、巖石精細(xì)礦物計(jì)算方法、元素交會(huì)識(shí)別圖版的一套完整的技術(shù)。在研究區(qū)準(zhǔn)確計(jì)算出儲(chǔ)層礦物含量,有效解決了常規(guī)測(cè)井方法難以解決的高伽馬值儲(chǔ)層識(shí)別的問(wèn)題。

(2)研究采用的樣本覆蓋了長(zhǎng)慶油田的多個(gè)區(qū)塊的地層,使得到的方法有較好的適應(yīng)性;巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果表明,根據(jù)元素含量計(jì)算得到礦物含量有較高的符合率。確定了3個(gè)區(qū)塊的礦物含量最優(yōu)化處理參數(shù),在隴東地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層取得了較好的應(yīng)用效果,為今后地層元素測(cè)井在長(zhǎng)慶油田大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。