劉雙蓮,李 浩,魏修平,朱祖揚

(1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院,北京100101;2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京100083)

含巖屑砂巖也稱為富(長石)巖屑砂巖,主要具有如下特點:①物質(zhì)含量方面,此類砂巖的陸源碎屑顆粒、長石與巖屑含量超過75%(即除石英砂巖以外);②成因條件方面,此類砂巖是與地質(zhì)隆升事件有關(guān)的近源堆積的復雜砂巖,主要分布于強烈隆起的山前凹陷區(qū)內(nèi);③沉積背景方面,它常在沖積扇、水下扇、辮狀河等沉積相中產(chǎn)出。

國內(nèi)外將巖屑砂巖儲層歸屬于非常規(guī)儲層的一個亞類型,所以,巖屑砂巖及含巖屑砂巖儲層的油氣勘探開發(fā)需要遵循非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的規(guī)律[1-3]。測井評價是整個研究體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它是介于含巖屑砂巖的微觀成巖與宏觀地質(zhì)的中間認知尺度,也是聯(lián)系二者的重要橋梁,測井技術(shù)的參與是完善含巖屑砂巖認知鏈條的關(guān)鍵一環(huán)。

測井技術(shù)的理論基礎(chǔ)是地球物理,其主要研究方法也基于地球物理,傳統(tǒng)技術(shù)和手段在很大程度上限制了測井技術(shù)深層次地認識含巖屑砂巖,還缺乏深入探討含巖屑砂巖中不同礦物的性質(zhì)對測井響應及“甜點”的影響。測井認知的有限性以及技術(shù)的局限性,已成為對含巖屑砂巖儲層開展多學科攻關(guān)的不利因素。

在“甜點”測井識別技術(shù)研究方面,含巖屑砂巖儲層的礦物成分復雜,“甜點”的測井響應機理尚不清楚,尤其是針對巖屑礦物組分對測井響應特征值影響的研究極少[4-5]。已有研究大多忽略了礦物組分對測井響應的影響,儲層流體識別圖版(如聲波時差與電阻率交會圖版、孔隙度與電阻率交會圖版等),大多采用測井曲線平均值制作,難以保證流體識別的準確性。

在飽和度計算方面,目前有兩大因素影響含巖屑砂巖儲層飽和度的計算。一是巖屑的多礦物特性導致儲層巖石骨架復雜多變,難以保證孔隙度計算精度,在實際測井解釋中,目前主要采用理論骨架參數(shù)識別儲層和計算儲層孔隙度[6-7];二是含巖屑砂巖的成巖作用與孔隙結(jié)構(gòu)變化復雜,即使是相同的巖性,也可能因為成巖作用與孔隙結(jié)構(gòu)不同,導致計算飽和度的阿爾奇公式參數(shù)m變化,無法保證儲層的飽和度計算精度[8-9],致使很多儲層評價出現(xiàn)錯誤。目前,對于含氣飽和度的評價以及巖電參數(shù)的確定,多數(shù)是根據(jù)地區(qū)分巖性取值,或是采用雙水泥質(zhì)骨架導電模型[10]計算含水飽和度,或建立孔、滲綜合指數(shù)和束縛水飽和度與孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)及飽和度指數(shù)的關(guān)系[11-13]。上述方法難以解決含巖屑砂巖儲層的飽和度計算難題。

由上述分析可知,含巖屑砂巖儲層的描述與預測較為困難,因而此類儲層的油氣勘探開發(fā)也很困難[14]。描述困難的原因在于:含巖屑砂巖儲層的孔、滲演化[15]異常復雜,已非單一專業(yè)可獨立表征。其中,測井專業(yè)的難點在于:在流體定性識別方面,傳統(tǒng)方法不適用于此類儲層的流體識別;在流體定量計算方面,難以確定巖石骨架和飽和度計算參數(shù)。本文分析了含巖屑砂巖儲層的測井評價意義及技術(shù)難點,重點研究了含巖屑砂巖儲層“甜點”的識別方法與飽和度計算方法,以促進對該類砂巖儲層的研究。

1 利用測井技術(shù)研究含巖屑砂巖的科學意義及技術(shù)難點

我國中西部盆地儲層與隆升事件關(guān)系密切[16-17],其絕大多數(shù)為致密的低滲透儲層,增儲上產(chǎn)所研究的主要儲層對象就是含巖屑砂巖。因此,對含巖屑砂巖油氣研究的意義主要表現(xiàn)在以下4方面。

1) 含巖屑砂巖儲層的油氣儲量規(guī)模巨大。此類儲層主要分布在我國中西部盆地,新一輪資源評價結(jié)果表明,中國中西部四大盆地致密碎屑巖油氣資源量占碎屑巖總資源量的45.3%,在國家油氣資源戰(zhàn)略構(gòu)成中占據(jù)重要地位,且隨著勘探程度不斷提高,其所占比重還將會增大[18]。其中,致密砂巖油氣儲量與含巖屑砂巖密不可分,因此,含巖屑砂巖儲層的研究是重大科學問題。

2) 含巖屑砂巖的未動用儲量巨大、勘探開發(fā)風險高。以天然氣為例,截至2016年,中石化致密砂巖的天然氣未動用儲量占全部天然氣未動用儲量的63.50%,遠超其它類型的總和。從風險上看,川西新場氣田須家河組二段的探明儲量高,早期鉆探的8口探井中,測試的天然氣無阻流量中有3口井大于1×106m3/d,2口井大于4×105m3/d,截止目前,高于1×1011m3的天然氣剩余儲量難以動用。大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部,其氣藏為低滲致密砂巖巖性氣藏,該氣田的部分儲量達到經(jīng)濟開發(fā)規(guī)模,未動用儲量曾接近70%。近年來,水平井技術(shù)的應用使上述的部分未動用儲量達到經(jīng)濟開發(fā)規(guī)模,但水平井鉆探風險依然很大,該氣田水平井開發(fā)的經(jīng)濟界限為單井無阻流量6×104m3/d,以該氣田的大98井區(qū)為例,2013年前已鉆水平井無阻流量大于6×104m3/d的成功率僅為54.76%。由此可見,即使是鉆井設(shè)計非常謹慎的水平井,在該區(qū)仍有大于45%的井難以獲得經(jīng)濟效益,含巖屑砂巖的勘探開發(fā)風險巨大。

3) 對“甜點”識別與分布的研究能力有限,這也是造成上述問題的主因。含巖屑砂巖的“甜點”分布與石英砂巖的“甜點”分布特征迥異,以大牛地氣田為例,該氣田太原組太2段儲層以石英砂巖為主,在太原組之后,因鄂爾多斯盆地北部陰山隆起,造成該氣田山西組山1段儲層以含巖屑砂巖為主,巖屑平均含量達到26%。如果將該氣田的產(chǎn)能從北到南劃分成北、中、南相同的3個帶,統(tǒng)計和對比相同帶內(nèi)兩套地層測試產(chǎn)能的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn),兩套地層的產(chǎn)能變化規(guī)律完全相反(圖1,圖2),其中,在北部山1段鉆遇的絕大多數(shù)直井不具經(jīng)濟價值,向南產(chǎn)能逐步增高;太2段的產(chǎn)能分布相反,含巖屑砂巖的評價難度與風險很大。該案例為致密砂巖儲層的“甜點”預測提供啟示:儲層母巖及其展布特征很可能控制儲層“甜點”的分布規(guī)律。弄清其規(guī)律,有助于“甜點”預測,避免投資風險。目前類似研究的文獻資料不多。

圖1 山1段同相帶產(chǎn)能分布

圖2 太2段同相帶產(chǎn)能分布

4) 含巖屑砂巖的多學科系統(tǒng)研究有限,測井技術(shù)更是不足。目前含巖屑砂巖的研究主要集中于微觀尺度的成巖作用,可探究一些含巖屑砂巖與儲層“甜點”微觀成因的解釋關(guān)系,如含巖屑砂巖與溶蝕孔或孔隙喉道類型的成因關(guān)系等[19],但這些微觀發(fā)現(xiàn)與宏觀“甜點”預測之間缺乏完整認知鏈條,這正是含巖屑砂巖未動用儲量規(guī)模巨大、勘探開發(fā)風險高的技術(shù)難點。

石英砂巖儲層礦物成分相對單一,含巖屑砂巖與石英砂巖最大的區(qū)別是儲層礦物成分復雜多變,因而引發(fā)出3個測井評價難點:一是測井曲線的信號響應更復雜,多種礦物測井響應信號與成巖、孔隙結(jié)構(gòu)及儲層流體等測井響應信號混雜一起[20],“甜點”儲層的測井信號微弱而難以辨認;二是儲層礦物成分復雜,導致巖石骨架多變和飽和度計算公式參數(shù)不穩(wěn)定[21-22],使此類儲層的孔隙度和飽和度計算精度不高[23];三是這類儲層因巖屑礦物的性質(zhì)各異,使其縱橫向的物性變化異常復雜,“甜點”分布不確定,識別和預測困難,加之大多數(shù)油氣田的儲層含油氣豐度不高,使其“甜點”在宏觀與微觀的識別與預測更加困難。

2 含巖屑砂巖測井評價技術(shù)對策

2.1 含巖屑砂巖“甜點”識別方法

含巖屑砂巖“甜點”的識別,主要采用巖心刻度測井曲線技術(shù)研究成巖作用與測井曲線的響應特征,理清巖屑砂巖與孔、滲發(fā)育關(guān)系,尋找高滲、已溶蝕的“甜點”儲層。具體對策是:針對大多數(shù)致密儲層因油氣的測井曲線響應信號太微弱、非油氣干擾因素容易掩蓋儲層含氣響應的特點,選取孔隙最好位置,讀取能代表儲層流體信號的自然伽馬、密度、聲波時差與電阻率等曲線特征點,制作特征點流體識別圖版,取代傳統(tǒng)的讀取測井曲線平均值制作流體識別圖版的方法。

在上述特征點分析基礎(chǔ)上,分析對含氣最敏感的測井曲線,再提取測井曲線中的含氣響應敏感因子,采用數(shù)學方法有序地疊加,放大含氣響應敏感因子,形成一條適合含巖屑砂巖儲層的流體識別曲線,即IGAS曲線。該方法是通過巖心與測井曲線響應信號的分類精細刻度,尋找含巖屑砂巖儲層的“甜點”測井特征的測井識別技術(shù)與測井曲線“甜點”信號的重構(gòu)放大方法。最終形成含巖屑砂巖的儲層“甜點”的測井識別技術(shù)。

(1)

式中:IGAS為重構(gòu)的含氣敏感曲線值,其值越高,則表示含氣性越好;A、B、C分別為聲波時差、電阻率與自然伽馬的敏感因子;D為地區(qū)經(jīng)驗系數(shù);ΔtAC為聲波時差;Rt為電阻率;γGR為自然伽馬。

利用該方法對大牛地氣田含巖屑砂巖含氣儲層進行識別。圖3為自然伽馬與電阻率的交會結(jié)果,從圖3中可以看出,自然伽馬曲線對巖屑含量的高、低可起到判斷作用,雖然部分氣層的電阻率介于50～100Ω·m,與差氣層和含氣層的電阻率相近,但也有測試出氣的層段的電阻率高于100Ω·m,大于大部分的差氣層和含氣層的電阻率。圖4為自然伽馬與聲波時差的交會結(jié)果,從圖4中可看出,聲波時差在區(qū)分氣層與差氣層、含氣層上能起到一定的作用。因此,利用自然伽馬、電阻率與聲波時差對氣體的敏感性,建立了一條適合含巖屑砂巖儲層的流體識別曲線,利用該曲線可以較好地識別儲層的“甜點”與非“甜點”層(圖3,圖4)。

圖3 自然伽馬與電阻率交會結(jié)果

從圖5可以看出,在2791～2797m段IGAS平均值高達66.728,指示該層為良好的氣層,測試結(jié)果顯示,該層無阻流量為2.98×104m3/d。從圖6可以看出,在2656～2662m段IGAS平均值僅為1.980,指示為干層,測試結(jié)果顯示,無阻流量為0。綜上所述,說明該識別方法準確有效。

圖4 自然伽馬與聲波時差交會結(jié)果

圖5 含氣指示曲線識別“甜點”(一)

2.2 含巖屑砂巖儲層的飽和度計算方法

由于含巖屑砂巖儲層礦物成分復雜,影響了儲層孔隙度與含水飽和度的計算精度,針對此難點,以大牛地氣田上古生界地層為目標,開展了兩方面的探索研究。

圖6 含氣指示曲線識別“甜點”(二)

一是針對含巖屑砂巖儲層孔隙度計算精度不高的問題,探索了含巖屑砂巖儲層的孔隙度計算方法。巖心分析結(jié)果表明,大牛地地區(qū)的巖屑砂巖的主要巖屑包括片巖、灰云巖、千枚巖、凝灰?guī)r、中酸性噴發(fā)巖、花崗巖、板巖和粉砂巖等,各種礦物的加入,使不同地層的巖石骨架為非固定值,影響了孔隙度計算的精度。為此,引入三孔隙度曲線(密度、聲波和中子)致密儲層特征點統(tǒng)計的方法,將致密層的三孔隙度值納入測井的巖性分析交會圖版上,延伸至孔隙度為零處,即可獲得一套地層的巖石混合骨架值,具體可參考專利“一種地層巖石骨架的測井識別方法”[24]。該方法優(yōu)選出多礦物儲層混合骨架值,依據(jù)孔隙度計算模型(公式(2)至公式(4)),計算含巖屑砂巖儲層的孔隙度。

(2)

(3)

(4)

式中:Δtmf為混合流體聲波時差;ρmf為混合流體密度;Δtsh為泥質(zhì)聲波時差;ρsh為泥質(zhì)密度;Δtma為骨架聲波時差;ρma為骨架密度;φ為孔隙度;Vsh為泥質(zhì)含量;Vma為礦物體積含量。

研究表明,用此骨架計算的孔隙度與巖心實驗數(shù)據(jù)完全吻合,如圖7所示。原孔隙度計算采用石英的巖石骨架計算孔隙度(即“原”一道),計算的孔隙度與巖心孔隙度有時吻合,有時相差較大,這是因為該地層在強水動力沉積時,儲層石英含量高,此時采用石英骨架計算的孔隙度與巖心分析的結(jié)果基本一致,當水動力變?nèi)?巖屑含量增加時,此時巖石骨架變化大,孔隙度計算精度低;本文采用求取的混合骨架來計算孔隙度,很好地避免了上述問題,測井計算的孔隙度與巖心分析孔隙度吻合性好(即“現(xiàn)”一道中),計算孔隙度的絕對誤差小于5%,滿足儲量計算要求,為準確判斷“甜點”儲層與孔隙度高但不出氣的干層即高孔隙度干層提供識別依據(jù)。

二是針對含巖屑砂巖含油氣飽和度計算精度低,采用基于電阻率測井的變m值解釋技術(shù),降低因成巖成因因素的影響而導致電阻率不能完全反映儲層流體信息的難題,形成適合于含巖屑砂巖儲層的含氣飽和度計算方法。

近年來的系列研究已充分證明,致密儲層中的m值不是定值,而是變量[25]。即使相同巖性的致密儲層,也可能因成巖作用及孔隙結(jié)構(gòu)差異而不同,此時飽和度計算精度較低。在飽和度計算中,m值是一個被認為與孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用有關(guān)的參數(shù)。當儲層致密時,儲層中孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用的電阻率信號遠大于油氣、孔隙等其它信號,此時該信號因過大,飽和度計算引入巖電實驗的m值時,它難以代表評價地層的m真值,而是融入了孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用信號,因此飽和度計算精度與前面的孔隙度同樣不準確。可見,研究此類儲層中m值的變化規(guī)律是此類飽和度計算的關(guān)鍵。由于致密儲層中的m值成因與電阻率曲線成因具有趨同性,因此可用電阻率研究m值的近似規(guī)律。本文將致密干層的含水飽和度定為大于95%,將該飽和度代入飽和度計算公式中,反求出電阻率與m值的變化關(guān)系,得到m值解釋圖版(圖8),再將該關(guān)系代入大牛地氣田測井評價中,計算的飽和度與巖心分析飽和度基本一致,獲得了良好的計算效果。

圖9是利用圖8所示的圖版計算的飽和度結(jié)果,可以看出,圖9中倒數(shù)第4道飽和度與密閉取心實驗得到的飽和度基本一致,測井解釋該儲層為氣層,該段1684～1689m加壓壓裂后,產(chǎn)氣為2.14×104m3/d,驗證了測井計算結(jié)果的可靠性?？梢?用變m值法計算得到的含氣飽和度準確可靠。

圖7 大牛地氣田某取心井孔隙度計算結(jié)果

圖8 可變m值圖版

圖9 計算的孔隙度和飽和度與巖心分析結(jié)果的對比

3 結(jié)論

開展含巖屑砂巖的測井評價研究,有助于建立微觀發(fā)現(xiàn)與宏觀“甜點”預測之間的認知鏈條,挖掘巨大的未動用儲量,降低勘探開發(fā)風險。本文以大牛地氣田上古生界儲層為例,開展含巖屑砂巖“甜點”識別與儲層飽和度評價方法研究,得出如下結(jié)論:

1) 采用巖心刻度測井曲線技術(shù),通過讀取能代表儲層流體信號的特征點,建立特征點識別圖版,分析對含氣最敏感的測井曲線,提取含氣響應敏感因子,形成巖屑砂巖的儲層“甜點”的測井識別技術(shù);

2) 通過優(yōu)選適合多礦物儲層混合骨架值方法,準確計算含巖屑砂巖的有效孔隙度,計算結(jié)果與巖心物性分析結(jié)果一致;

3) 基于電阻率測井的變m值飽和度計算方法計算的飽和度在含巖屑砂巖儲層中得到密閉取心分析飽和度驗證,證明變m值飽和度計算方法準確可靠。