駱飛飛,謝天壽,鐘磊,李國(guó)利,王長(zhǎng)江

(1.中國(guó)石油新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆克拉瑪依834000;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井應(yīng)用研究院,陜西西安710077)

0 引 言

由于受快速沉積的影響,砂礫巖儲(chǔ)層具有結(jié)構(gòu)和成分成熟度低、孔隙度小、滲透率低等地質(zhì)特征,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜;在測(cè)井曲線上,砂礫巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征與測(cè)井曲線之間不是線性關(guān)系,常規(guī)測(cè)井曲線表現(xiàn)復(fù)雜多樣[1-9]。這是由于砂礫巖儲(chǔ)層復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)使儲(chǔ)層巖石參數(shù)取值范圍大大增加,從而降低了電阻率測(cè)井判別流體性質(zhì)的能力,影響了飽和度的正確求取[10]。但是計(jì)算飽和度的阿爾奇公式是通過(guò)物性較好的純砂巖實(shí)驗(yàn)得出,它主要適應(yīng)于巖性純或泥質(zhì)含量很低的砂巖地層[11-13]。由于沒(méi)有考慮儲(chǔ)層的非均質(zhì)幾何參數(shù)(孔隙度、曲折度)、非均質(zhì)飽和度、各向異性等參數(shù)對(duì)巖石電阻率的影響,阿爾奇公式難以滿足低孔隙度、低滲透率、復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層飽和度計(jì)算[9]。因此,對(duì)于此類復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的砂礫巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō),如何根據(jù)儲(chǔ)層特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征選擇適當(dāng)?shù)膸r電參數(shù),已成為飽和度定量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[14-19]。

孔隙結(jié)構(gòu)影響儲(chǔ)層巖石導(dǎo)電性[16,20-21]。李秋實(shí)等[22]研究得出巖電參數(shù)n與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系密切;趙良孝[23]認(rèn)為,m表征導(dǎo)電截面積大小的變化率;張明祿等[24]研究證明孔隙結(jié)構(gòu)是影響巖電參數(shù)m、n的主要因素;孫建孟等[25]提出孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖電參數(shù)n有較大的影響,以此建立巖電參數(shù)n的模型;劉紅岐等[26]利用測(cè)井資料與孔隙結(jié)構(gòu)分形特性取得巖電參數(shù);閆建平、冉冶等[27-28]依據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)類型確定巖電參數(shù)模型的方法。這些前人的研究成果說(shuō)明,巖電參數(shù)m、n的準(zhǔn)確取值依賴于儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型精細(xì)劃分[16]。因此,本文從瑪湖地區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層巖心測(cè)試數(shù)據(jù)入手,系統(tǒng)分析砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)影響因素,提出基于孔隙結(jié)構(gòu)的砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)方法:首先提取巖心測(cè)試的核磁共振T2譜特征參數(shù),然后根據(jù)提取的這些特征參數(shù)與巖電參數(shù)m、n的關(guān)系,建立基于孔隙結(jié)構(gòu)的巖電參數(shù)m、n模型。該方法利用核磁共振測(cè)井資料實(shí)現(xiàn)了連續(xù)深度上的巖電參數(shù)m、n的準(zhǔn)確計(jì)算,進(jìn)而求取含油飽和度,并取得了顯著的應(yīng)用效果。

1 研究區(qū)概況及儲(chǔ)層特征

瑪湖地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷瑪湖凹陷北部,北接烏下斷裂帶,東臨夏鹽凸起。構(gòu)造上為向東南方向傾的平緩單斜構(gòu)造,局部為低幅度平臺(tái)、鼻狀或背斜構(gòu)造,斷裂較少[2]。三疊系百口泉組巖性主要為褐色或灰色含礫中砂巖、細(xì)礫巖、鈣質(zhì)砂礫巖、含礫粗砂巖、粉砂質(zhì)或含礫泥巖等,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層是灰色細(xì)礫巖和含礫中粗砂巖[1-3]。細(xì)礫巖平均孔隙度為8.63%,滲透率為4.46 mD(1)非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;中礫巖平均孔隙度為7.43%,滲透率為2.82 mD;砂礫巖平均孔隙度為6.15%,滲透率為0.97 mD;鈣質(zhì)砂礫巖平均孔隙度為4.61%,滲透率為0.64 mD;含礫中砂巖平均孔隙度為9.58%,滲透率為1.21 mD[2]。研究區(qū)儲(chǔ)層不同巖性的孔隙度和滲透率有一定的差別,但都屬于低孔隙度、低滲透率或特低滲透率儲(chǔ)層。這是由于研究區(qū)儲(chǔ)層在宏觀上沉積速率快、分選差、巖性變化快、成分和結(jié)構(gòu)成熟度低,造成了微觀上孔隙度低、滲透性差、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等地質(zhì)特征[2,29-30]。

2 砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)影響因素分析

影響儲(chǔ)層巖石導(dǎo)電性的因素很多,如巖石顆粒大小、導(dǎo)電礦物、泥質(zhì)、孔隙尺寸及分布等[31]。本文系統(tǒng)分析研究區(qū)儲(chǔ)層巖性、黏土礦物附加導(dǎo)電和孔隙尺寸及分布等對(duì)巖電參數(shù)的影響。

2.1 儲(chǔ)層巖石顆粒大小

對(duì)同時(shí)測(cè)試物性、巖電參數(shù)、粒度的41塊巖心樣品進(jìn)行分析,認(rèn)為:①巖電參數(shù)m值范圍為0.82～2.05,粒度大小在一定程度上影響m值的變化規(guī)律;在相同孔隙度條件下,中砂巖類m值要大于粗砂巖類和礫巖類[見(jiàn)圖1(a)];②巖電參數(shù)n值范圍為1.10～3.96,其最大值是最小值的近4倍,巖電參數(shù)n比m值變化范圍更大;77%的巖心巖電參數(shù)n值高于均質(zhì)碎屑巖的巖電參數(shù)n值(n=2);巖樣顆粒大小與n值變化規(guī)律復(fù)雜,很難相對(duì)準(zhǔn)確地描述巖樣顆粒對(duì)n值的影響[見(jiàn)圖1(b)]。通過(guò)對(duì)同時(shí)測(cè)量粒度和核磁共振的367塊巖心樣品分析發(fā)現(xiàn)[見(jiàn)圖1(c)],不同粒度巖樣的核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜主峰分布位置明顯不同;巖樣粒度越粗,T2譜主峰分布越靠左;粒度越細(xì),T2譜主峰分布越靠右;巖石骨架粒徑越復(fù)雜,T2譜分布位置越寬;這說(shuō)明巖性不同,孔隙結(jié)構(gòu)也不同。因此,瑪湖地區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層巖石顆粒大小對(duì)巖電參數(shù)的影響,體現(xiàn)在微觀上就是孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖電參數(shù)的影響。

圖1 砂礫儲(chǔ)層不同粒度巖樣巖電參數(shù)m、n值及標(biāo)準(zhǔn)T2譜圖

2.2 黏土礦物附加導(dǎo)電

圖3 不同巖心樣品核磁共振標(biāo)準(zhǔn)T2譜分布圖

圖2 不同類型黏土礦物與巖電參數(shù)m關(guān)系圖

據(jù)瑪湖地區(qū)儲(chǔ)層黏土礦物X射線、CT掃描、背散射SEM等測(cè)試結(jié)果,黏土類型主要為高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙脫石。模擬不同高嶺石含量的砂礫巖三維數(shù)字巖心,其中礫石體積含量為34.5%,砂粒體積含量為32%,高嶺石為充填式,且隨著占據(jù)粒間孔隙的高嶺石含量增加,孔隙度降低。設(shè)地層水礦化度為6×104mg/L,25 ℃時(shí)地層水電阻率為0.131 7 Ω·m。數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖2,隨著高嶺石含量的增加巖電參數(shù)m逐漸增大。因儲(chǔ)層中黏土礦物的附加導(dǎo)電性與儲(chǔ)層自由水導(dǎo)電性存在差異,而對(duì)高礦化度的孔隙自由水而言,由于高嶺石陽(yáng)離子交換能力(5 mmol/100 g)最弱,其附加導(dǎo)電性低于孔隙自由水而呈現(xiàn)出增阻作用[32],所以巖電參數(shù)m緩慢增大。本文構(gòu)建了不同蒙脫石含量的砂礫巖三維數(shù)字巖心,基本參數(shù)與上述巖心相同。巖心中蒙脫石以薄膜式分布,并不改變巖心孔隙度。設(shè)地層水礦化度為4×103mg/L,電阻率為1.3 Ω·m,模擬結(jié)果見(jiàn)圖2,隨著蒙脫石含量的增加,巖電參數(shù)m有明顯減小趨勢(shì)。這是因?yàn)槊擅撌?yáng)離子交換能力(70～100 mmol/100 g)強(qiáng),同時(shí)地層水電阻率高,此時(shí)它主要起到減阻作用。

綜上所述,黏土礦物既有增大電阻率的作用,也有降低電阻率的作用。在測(cè)井精細(xì)評(píng)價(jià)中,核磁共振T2譜上黏土束縛水部分幅度越高表示黏土含量越高;反之,表示黏土含量越低。T2譜上黏土束縛水部分的不同形態(tài)反映儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)有差異[15],因此,黏土礦物附加導(dǎo)電性對(duì)巖電參數(shù)m、n的影響可歸結(jié)為孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)m、n值的影響[15]。

2.3 儲(chǔ)層物性

儲(chǔ)層物性對(duì)巖電參數(shù)的影響主要在儲(chǔ)層孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)2個(gè)方面,而表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的方法主要有毛細(xì)管壓力法和核磁共振法[15]。圖3(a)中1號(hào)和2號(hào)巖心T2譜主峰位置和形態(tài)基本一致,表示巖心孔隙結(jié)構(gòu)相似;但T2譜幅度和包絡(luò)面積不同,表示巖心孔隙度不同;3號(hào)和4號(hào)巖心也有相同規(guī)律。在地層水電阻率、巖性、孔隙結(jié)構(gòu)都基本一致時(shí),孔隙度的差異使得巖電參數(shù)存在明顯差異。圖3(b)中2、5、6號(hào)巖心孔隙度基本相近,但是T2譜主峰位置和形態(tài)不一致,說(shuō)明這3塊巖心宏觀孔隙度相近,但微觀孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。在地層水電阻率、孔隙度基本一致時(shí),因孔隙結(jié)構(gòu)的不同,使得巖電參數(shù)存在明顯差異,說(shuō)明微觀孔隙結(jié)構(gòu)影響巖電參數(shù)的變化。

通過(guò)巖心全巖X衍射分析可知,瑪湖地區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層基本不含黃鐵礦,可不考慮導(dǎo)電礦物含量對(duì)巖電參數(shù)的影響;通過(guò)瑪湖地區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層巖石潤(rùn)濕性測(cè)試可知,儲(chǔ)層潤(rùn)濕性整體表現(xiàn)為親水性,巖石潤(rùn)濕性對(duì)巖電參數(shù)m、n影響可以忽略。因此,在地層水一定的情況下,影響瑪湖地區(qū)低孔隙度、低滲透率砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)m、n的主要因素有宏觀的孔隙度、微觀的孔隙結(jié)構(gòu)。

圖4 核磁共振T2譜特征參數(shù)描述圖

3 砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)計(jì)算方法

3.1 巖電參數(shù)計(jì)算方法的主要步驟

在前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)瑪湖地區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)影響因素綜合分析,提出一種基于核磁共振的砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)的計(jì)算方法。該方法主要步驟:①選取目的層位具有代表性的不同巖性和孔隙結(jié)構(gòu)的巖心,系統(tǒng)分析巖心測(cè)試的孔隙度、巖電參數(shù)m和n、核磁共振T2譜等;②在核磁共振T2譜上提取能充分反映孔隙結(jié)構(gòu)的特征參數(shù);③尋找上一步提取的特征參數(shù)與巖電參數(shù)m、n之間的關(guān)系,得到計(jì)算m、n值的方法;④將得到的m、n代入阿爾奇公式,計(jì)算含油飽和度。其主要研究?jī)?nèi)容包括規(guī)律分析、T2譜特征參數(shù)的定義與提取、巖電參數(shù)的建立和飽和度模型的驗(yàn)證及應(yīng)用。

3.2 核磁共振T2譜的變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)瑪湖地區(qū)367塊同時(shí)測(cè)量粒度和核磁共振T2譜的巖心測(cè)試數(shù)據(jù)分析[見(jiàn)圖2(c)],可以發(fā)現(xiàn):從含礫粗砂巖到礫質(zhì)粗砂巖再到砂礫巖,隨著礫石含礫的增加,T2譜的主峰和次峰都出現(xiàn)了不同程度的左移。這是由于復(fù)模態(tài)的砂礫巖中,隨著礫石含量的增加,礫石間的大孔隙被顆粒更細(xì)的砂和泥填充,造成小孔隙的比重增加、大孔隙的比重減小,T2譜峰左移。因此,可通過(guò)參數(shù)表征T2譜的變化規(guī)律,反映瑪湖地區(qū)砂礫巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步尋找其與巖電參數(shù)m、n之間的關(guān)系。

3.3 核磁共振T2譜特征參數(shù)的定義與提取

為了精細(xì)表征核磁共振T2譜特征參數(shù),選取6個(gè)參數(shù)(見(jiàn)圖4):①幅度參數(shù):a1、a2分別為小孔、大孔譜的峰值幅度;②孔隙大小:b1、b2分別為小孔、大孔譜峰值對(duì)應(yīng)的T2譜時(shí)間值,ms;③譜峰的延展度:c1、c2分別為小孔、大孔譜峰的延展度。在此基礎(chǔ)上,對(duì)上述特征參數(shù)進(jìn)行組合,定義3個(gè)特征參數(shù)。

(1)孔隙配位比X1:表示孔分布狀況,該值與孔的分選性有關(guān),分選越差該值越大,其公式為

X1=f(b1,b2)

(1)

(2)大孔張開(kāi)度X2:與連通配比及拖尾程度有關(guān),該值越大連通性越好,拖尾大,其公式為

X2=f(c2)

(2)

(3)小孔貢獻(xiàn)率X3:與小孔隙的有效連通性及幅度大小有關(guān),其公式為

X3=f(a1,a2,c1)

(3)

3.4 巖電參數(shù)模型的建立

首先,分析從核磁共振T2譜上提取的特征參數(shù)X1、X2、X3與實(shí)測(cè)的巖電參數(shù)m之間的關(guān)系。由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可見(jiàn),巖電參數(shù)m與X1、X2、X3這3個(gè)特征參數(shù)之間均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),采用最小二乘法進(jìn)行多參數(shù)擬合,得到基于孔隙結(jié)構(gòu)的巖電參數(shù)m的參數(shù)模型

0.355X1+1.445

(4)

圖5 核磁共振T2譜特征參數(shù)與巖電參數(shù)m、n的關(guān)系圖

式中,X1、X2、X3與m的相關(guān)系數(shù)為0.876 2。計(jì)算的巖電參數(shù)m值與巖心測(cè)試的巖電參數(shù)m值基本上分布在對(duì)稱軸附近[見(jiàn)圖5(g)],二者的相關(guān)性很高(R2=0.990 6),說(shuō)明該方法得到的巖電參數(shù)m模型計(jì)算精度高。

然后,用同樣的方法分析巖電參數(shù)n與X1、X2、X3之間的關(guān)系。由圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)可見(jiàn),巖電參數(shù)n與這些特征參數(shù)有較好的正相關(guān)關(guān)系,采用最小二乘法,進(jìn)行多參數(shù)擬合,得到基于孔隙結(jié)構(gòu)的巖電參數(shù)n的參數(shù)模型

n=-1.5+1.05X1+2.73X2+4.44X3

(5)

式中,X1、X2、X3與n的相關(guān)系數(shù)為0.865 3。計(jì)算的巖電參數(shù)n值與巖心測(cè)試的巖電參數(shù)n值基本上分布在對(duì)稱軸附近[見(jiàn)圖5(h)],二者的相關(guān)性很高(R2=0.970 4),說(shuō)明新方法計(jì)算的巖電參數(shù)精確度較高。

4 應(yīng)用分析

瑪湖地區(qū)M13井在目的層砂礫巖儲(chǔ)層中取心長(zhǎng)度較長(zhǎng)(包含密閉取心井段),巖心測(cè)試項(xiàng)目齊全。該井的測(cè)井資料除常規(guī)測(cè)井資料外,還包括電成像測(cè)井、核磁共振測(cè)井等成像測(cè)井資料。該井在后期目的層段試油中,獲得了日產(chǎn)油52.89 t、日產(chǎn)氣0.872×104m3的高產(chǎn)工業(yè)油流(見(jiàn)圖6)。由于各方面的資料均達(dá)到了驗(yàn)證飽和度模型的條件,因此,選取本井作為瑪湖地區(qū)飽和度模型的驗(yàn)證對(duì)象。

圖6 M13井計(jì)算飽和度與巖心分析飽和度的對(duì)比圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m

圖6中,在3 900～3 925 m井段,井徑曲線顯示儲(chǔ)層段不擴(kuò)徑,泥巖段或泥質(zhì)含量很高的層段出現(xiàn)擴(kuò)徑;自然電位曲線沒(méi)有明顯異常幅度,對(duì)巖性反映不明顯;自然伽馬在砂礫巖儲(chǔ)層段基本上都是低值,為46～55 API,泥質(zhì)含量高的層段,自然伽馬值增高;密度測(cè)井曲線反映儲(chǔ)層物性變化最明顯,中子測(cè)井曲線上變化很小;電阻率曲線顯示探測(cè)深度最淺的微球電阻率曲線受井眼擴(kuò)徑影響嚴(yán)重,但深、淺側(cè)向電阻率基本重合,對(duì)侵入特征反映不明顯,油層深電阻率值一般在20 Ω·m以上;核磁共振T2譜顯示,整個(gè)層段含油性差異不明顯,3 901.6～3 904.1 m井段差譜信號(hào)最強(qiáng)、含油性最好,3 912.3～3 917.8 m井段差譜信號(hào)次之、含油性好。計(jì)算的巖電參數(shù)m、n隨深度連續(xù)變化,達(dá)到了計(jì)算可變巖電參數(shù)的目的。圖6第9道是巖心測(cè)試的含油飽和度與計(jì)算的含油飽和度,二者基本完全一致,平均相對(duì)誤差在4%以內(nèi);在整個(gè)井段中,計(jì)算的含油飽和度(62%～80%)最高的層段是3 901.3～3 906.1 m,此層段的核磁共振差譜信號(hào)最強(qiáng),深電阻率測(cè)井曲線值也最高。所以,計(jì)算的含油飽和度變化規(guī)律與常規(guī)測(cè)井曲線、核磁共振測(cè)井響應(yīng)特征一致,與巖心測(cè)試的含油飽和度完全吻合,符合地區(qū)規(guī)律,能滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層進(jìn)行巖石物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬,分析儲(chǔ)層巖性、黏土礦物附加導(dǎo)電和孔隙尺寸及分布等對(duì)巖電參數(shù)的影響,明確孔隙結(jié)構(gòu)是影響低孔隙度、低滲透率砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)的主要因素。

(2)核磁共振T2譜和巖電參數(shù)能夠反映砂礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu),基于此建立復(fù)雜砂礫巖儲(chǔ)層巖電參數(shù)新模型,該模型解決了瑪湖地區(qū)復(fù)雜砂礫巖儲(chǔ)層飽和度定量計(jì)算的難題。利用核磁共振T2譜開(kāi)展基于孔隙結(jié)構(gòu)的巖電參數(shù)研究為復(fù)雜砂礫巖儲(chǔ)層飽和度計(jì)算提供了一種新的研究思路。

(3)新方法計(jì)算的飽和度與巖心實(shí)驗(yàn)的飽和度完全一致,表明利用核磁共振測(cè)井資料求取的巖電參數(shù)能夠準(zhǔn)確地表征砂礫巖儲(chǔ)層的導(dǎo)電規(guī)律。因此,在缺少巖電參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下,利用核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)深度上可變巖電參數(shù)的求取,獲得精確度較高的含油飽和度參數(shù)。