秦瑞寶,李銘宇,余杰,湯麗娜,黃濤,李利

(中海油研究總院有限責任公司,北京100028)

0 引 言

致密砂巖氣作為中國各類天然氣藏的重要組成部分,相對于常規(guī)氣藏,其物性差,孔隙結構復雜,儲層參數難以準確計算[1-2]。為此,國內外學者開展了相應的研究。宋子齊等[3]通過分析巖性、物性、孔隙結構類型與測井響應之間的關系,建立了不同巖石物理相儲層孔隙度模型,能夠提高致密儲層孔隙度計算精度;邵才瑞等[4]利用巖心壓汞資料,根據不同毛細管壓力曲線形態(tài),按孔隙度范圍分類建立J函數與飽和度之間的關系,能夠提高低孔隙度低滲透率儲層飽和度的計算精度;李霞等[5]基于低孔隙度低滲透率儲層孔隙結構特征,提出了雙孔隙組分飽和度模型,比較適用于巖電實驗中出現“非阿爾奇”現象的低孔隙度低滲透率儲層;石玉江等[6]在儲層導電機理研究基礎上,建立了基于自由水、微孔隙水和黏土束縛水的“三水”并聯導電的含水飽和度解釋模型,提高了致密儲層含氣性評價精度。

該文結合臨興區(qū)塊油藏特點,提出了基于物源分類的巖心標定測井的孔隙度精細評價新方法,建立了基于“非線性阿爾奇”現象的新含氣飽和度模型,從而得到精確的孔隙度、飽和度等參數,為增加儲量提高產量提供可靠依據。

1 區(qū)塊概況及儲層特征

臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶,臨近大牛地氣田,主要勘探目的層為上古生界二疊系石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組以及石炭系本溪組。

該研究區(qū)沉積相類型多樣,成巖作用強烈,巖石成分復雜,巖屑、長石含量高。儲層主要發(fā)育長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖與巖屑砂巖,少量發(fā)育巖屑石英砂巖與石英砂巖;成巖相主要分為溶蝕相、綠泥石襯邊相、硅質膠結相、碳酸鹽膠結相、基質充填相和機械壓實相,其中溶蝕相和綠泥石襯邊相對儲層物性起建設性作用,其他成巖相對儲層物性有破壞作用。

該區(qū)塊儲層整體物性較差(見圖1),孔隙度為0.3%～21.5%,平均7.3%;滲透率為0.001～89.600 mD(1)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,平均0.330 mD,其中致密和低滲透砂巖儲層占比近80%。

圖1 臨興區(qū)塊儲層巖心分析孔隙度、滲透率分布情況

2 儲層參數測井精細評價

孔隙度和飽和度是儲量評價中最重要的2個參數。但由于研究區(qū)含氣層位多、沉積相類型多樣、巖石成分復雜、成巖作用強烈,給準確求取孔隙度和飽和度帶來挑戰(zhàn)。為提高儲層參數計算精確度,滿足儲量估算要求,開展了孔隙度、飽和度精細評價研究。

2.1 基于物源分類的巖心標定測井孔隙度計算方法

臨興區(qū)塊巖石成分復雜,導致巖石骨架參數多變,采用常規(guī)三孔隙度測井評價方法結合巖心數據進行建模,發(fā)現密度與巖心分析孔隙度的相關性要明顯好于中子和聲波時差與巖心分析孔隙度的相關性,因此,采用單密度測井資料計算孔隙度。但由于研究區(qū)含氣層位多,在平面和縱向上分布不均,不同井、不同層位的含氣性變化大,含氣性和巖性的變化對密度測井響應存在較大影響。上石盒子組巖心分析孔隙度與測井密度相關系數僅為0.73,這樣的相關性對于中高孔隙度滲透率儲層基本滿足計算精度要求,但對于特低孔隙度滲透率和致密儲層來說則不夠。利用回歸公式計算的孔隙度與巖心分析孔隙度相對誤差高達20%以上,無法滿足儲量估算的精度要求。該文結合區(qū)塊沉積物源和沉積相分析,在綜合考慮含氣性變化的前提下,建立巖心標定測井孔隙度精細評價模型,有效解決孔隙度計算精度不高的問題。

諸多研究成果表明,鄂爾多斯盆地北部上石炭統(tǒng)中二疊統(tǒng)砂巖的物源區(qū)主要為再旋回造山帶物源區(qū),可劃分出烏海-銀川、杭錦旗-東勝及準格爾旗-府谷等3個物源區(qū)。受物源分類的影響(不同物源控制巖屑含量的多少),盆地內部石英砂巖分布以杭錦旗-東勝為界,具有明顯東西分區(qū)性,主要分布于盆地西部,越往東石英含量逐漸降低,而巖屑含量則逐漸增高,盆地東部總體上是巖屑砂巖的覆蓋區(qū)[7-8]。結合臨興區(qū)塊X射線衍射分析資料統(tǒng)計上石盒子組東西區(qū)巖石成分分布情況(見表1),可以看出,從西往東,石英含量降低,長石和巖屑含量增加,并且圖2中薄片分析表明,位于東邊的LX-A井其巖屑含量明顯多于西邊的LX-B井,整體上與鄂爾多斯盆地大趨勢保持一致。因此,臨興區(qū)塊平面上巖石骨架密度應該表現為西低東高的特征。

表1 臨興區(qū)塊上石盒子組巖石成分統(tǒng)計表

從區(qū)域沉積背景分析,臨興區(qū)塊主要目的層上古生界沉積環(huán)境經歷了太原組濱淺海相潮坪障壁潟湖沉積,到山西組海陸過渡相曲流河三角洲沉積,再到下石盒子組、上石盒子組及石千峰組河流三角洲發(fā)育的內陸湖盆陸源碎屑沉積的發(fā)展演變,下部海相、海陸過渡相易形成灰質膠結,碳酸鹽巖含量高,巖石骨架密度增大。利用X射線衍射分析資料統(tǒng)計分析臨興區(qū)塊不同層位碳酸鹽巖含量的分布情況(見表2),總體上看,從下而上自太原組到石千峰組,碳酸鹽巖含量逐漸降低,與區(qū)域沉積相認識相符,故縱向上巖石骨架密度表現為上低下高的特征。

表2 臨興區(qū)塊碳酸鹽巖含量統(tǒng)計表

結合巖心分析孔隙度,利用密度測井孔隙度計算公式,分區(qū)、分層位標定砂巖骨架密度值,具體標定結果見表3。

表3 臨興區(qū)塊巖石骨架密度取值表(單位:g·cm-3)

研究區(qū)致密砂巖氣儲層密度孔隙度與中子孔隙度的差值大小能夠反映儲層含氣性[9],含氣性越好,密度孔隙度與中子孔隙度差值也會越大。自然高產氣層測井響應特征表現為自然伽馬值小于50 API、密度中子孔隙度曲線表現為明顯的正差異,密度孔隙度與中子孔隙度差值大于或等于4%。因此,可以根據流體性質對測井響應的影響程度確定地層流體密度值。

該文據此開展臨興區(qū)塊孔隙度計算,以使計算精度達到儲量規(guī)范的要求。

(1)

φt=φe+Vshφsh

(2)

圖2 臨興區(qū)塊上石盒子組巖石骨架密度值分布*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m; 1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

式中,φe為有效孔隙度,小數;φt為總孔隙度,小數;ρlog為體積密度測井值,g/cm3;ρma為砂巖骨架密度,g/cm3;ρsh為泥巖密度值,取2.62 g/cm3;Vsh為泥質含量,小數;φsh為泥巖孔隙度,取0.10 g/cm3。ρfl為地層流體密度,當密度孔隙度減中子孔隙度差大于或等于4%時,取0.80 g/cm3,否則取1.00 g/cm3。以臨興區(qū)塊上石盒子組巖石骨架密度標定結果為例(見圖2中盒2段沉積微相平面分布圖),以圖2中紅線為界,西邊巖石骨架密度取2.66 g/cm3,測井計算孔隙度與巖心分析孔隙度吻合最好(見圖2中LX-B井處理成果圖),東邊巖石骨架密度取2.68 g/cm3,測井計算孔隙度與巖心分析孔隙度吻合最好(見圖2中LX-A井處理成果圖),其他層段巖石骨架密度取值見表3。最終形成了平面上東、西分區(qū),縱向上分層位的砂巖骨架密度取值規(guī)律,總體上骨架密度呈現西低東高,上低下高的趨勢,與區(qū)域物源分類和沉積背景相一致。

2.2 基于“非阿爾奇”現象的含氣飽和度新模型

致密砂巖儲層孔隙結構復雜、巖電關系復雜,巖電參數難以準確求取,傳統(tǒng)阿爾奇或印度尼西亞公式評價含水飽和度不能滿足儲量估算的精度要求。該文基于臨興區(qū)塊大量的巖電實驗數據,針對致密砂巖儲層分析不同孔隙類型儲層的巖電關系,構建新的致密砂巖儲層含氣飽和度定量評價模型。

2.2.1巖電關系分析

根據Rasmus多重孔隙介質電阻率模型[10],認為巖石孔隙結構對巖石電學性質有控制作用。圖3為臨興區(qū)塊鑄體薄片資料顯示的4種孔隙類型及實驗分析得到的巖電關系,儲層孔隙結構可分為粒間孔隙型、粒間-溶蝕孔隙型、泥粉-粒間孔隙型和粒間-裂縫孔隙型,巖電實驗數據顯示的復雜孔隙類型是導致數據點分區(qū)分散、巖電關系產生差異的原因。分析不同孔隙類型的膠結指數m與孔隙度的關系發(fā)現:溶蝕孔隙的存在將使膠結指數m增大,基質孔隙度愈小、溶蝕孔隙度愈大,m值愈大;微裂縫發(fā)育可降低膠結指數m值,基質孔隙度愈低、裂縫孔隙度愈大,m愈小;在相同孔隙度下,粒間-裂縫孔隙型膠結指數m最小,粒間-溶蝕孔隙型膠結指數m最大。4種不同孔隙類型儲層巖石電阻率指數與含水飽和度的關系整體呈現指數關系,粒間孔隙、粒間-溶蝕孔隙、泥粉-粒間孔隙和粒間裂縫孔隙的飽和度指數n依次增大。

圖3 臨興區(qū)塊薄片分析孔隙類型和巖電關系

2.2.2新飽和度模型及參數確定方法

(1)膠結指數m值的確定

地層因素與巖心分析孔隙度的關系表明,臨興地區(qū)膠結指數m是一個變值,m值與孔隙度呈近似單調遞增關系。但不同層位的變化趨勢不盡相同,若不分層擬合相關系數僅為0.417,無法滿足計算精度要求。故分層位建立m值的確定方法(見圖4)。圖4為不同層位膠結指數m與孔隙度的關系,分層擬合的公式精度明顯提高。由于石千峰組和山西組m值變化較小,可以選取固定的m值。

圖4 臨興區(qū)塊不同層位膠結指數m值與巖心分析孔隙度的關系

(2)新飽和度系數xb和電阻率指數xn值的確定

研究區(qū)巖電實驗結果表明,巖石電阻率指數與含水飽和度在雙對數坐標系下呈現較明顯的非線性相關性。為了進一步提高飽和度評價精度,將巖電實驗數據分為2類,建立電阻率指數與含水飽和度的指數關系[見圖5(a)],分別得到飽和度系數。Ⅰ類以泥粉粒間孔隙、粒間裂縫孔隙和小孔隙為主,Ⅱ類巖樣以粒間孔隙、粒間溶蝕孔隙和大孔隙為主,Ⅰ類飽和度系數n值大于Ⅱ類飽和度系數n值。

圖5 臨興區(qū)塊2類儲層測井定量區(qū)分圖版

但是,對于這2類儲層能否利用測井資料區(qū)分開來,是新模型得以在實際測井資料處理中應用的關鍵。相比于Ⅰ類儲層,Ⅱ類孔隙結構構成的儲層物性更好,儲集滲透能力強,含氣性更好,基于中子、密度、聲波三孔隙度測井與儲層含氣性的密切關系,提出利用三孔隙度比值B放大儲層含氣信息從而識別不同類型儲層。經過多種參數交會圖分析,發(fā)現測井三孔隙度比值B與干巖樣密度DENG交會圖能夠區(qū)分2類儲層[見圖5(b)],Ⅰ類儲層:B>4,DENG>2.47 g/cm3;Ⅱ類儲層:B≤4,DENG≤2.47 g/cm3。

其中,三孔隙度比值計算公式為

(3)

式中,B為三孔隙度比值,無量綱;φs為聲波孔隙度,小數;φN為中子孔隙度,小數;φd為密度孔隙度,小數。

干巖樣密度可以通過建立與巖心分析孔隙度的相關關系(見圖5(c))計算得到

DENG=-0.0246φ+2.636

(4)

式中,DENG為干巖樣密度,g/cm3;φ為巖心分析孔隙度,小數。

在上述巖電關系的基礎上,建立新的巖電關系

(5)

(6)

聯合式(5)和式(6),可得飽和度模型的關系式

(7)

式中,F為地層因素,無量綱;I為電阻率指數,無量綱;Ro為100%含水巖石電阻率,Ω·m;Rw為地層水電阻率,Ω·m;Rt為地層電阻率,Ω·m;φe為有效孔隙度,小數;m為孔隙膠結指數;α為巖性系數,取值1;xb和xn為新飽和度模型系數,區(qū)別于阿爾奇公式中的b和n值。最終分層位確定了不同類型儲層新飽和度模型的參數取值(見表4)。

表4 新飽和度模型參數取值表

3 測井資料處理及精度分析

依據上述儲層參數精細評價方法對50口取心井開展實際測井資料的處理,利用270層的巖心分析孔隙度對測井解釋孔隙度進行驗證,相對誤差均小于8%[見圖6(a)],滿足儲量估算的精度要求。另外,由于密閉取心對鉆井工藝要求極高、成本昂貴,研究區(qū)僅對少量井進行了密閉取心。研究表明,蠟封巖心分析含水飽和度及3 MPa高壓半滲透隔板束縛水飽和度數據可用于測井計算飽和度的檢驗[11]。最終利用研究區(qū)3口井8個小層密閉取心、24口井61個小層蠟封巖心、8口井23個小層半滲透隔板的飽和度數據對測井計算飽和度進行檢驗[見圖6(b)],其絕對誤差均小于5%,滿足儲量估算的精度要求。

圖6 臨興區(qū)塊測井解釋孔隙度和含水飽和度計算精度分析

圖7為利用新模型對LX-C井儲層參數精細處理的結果。從左到右第7道藍色曲線為原解釋孔隙度曲線,紅色曲線為新方法解釋孔隙度曲線,第8道藍色曲線為原解釋含水飽和度,紅色曲線為新方法解釋含水飽和度,黑色桿狀線為巖心分析孔隙度、飽和度數據。新模型計算結果與巖心分析數據吻合更好,且孔隙度和含氣飽和度均高于常規(guī)解釋結果。通過統(tǒng)計,圖7中3套氣層新方法處理的平均孔隙度為8.3%,平均含氣飽和度為72.5%;常規(guī)解釋的平均孔隙度為6.1%,平均含氣飽和度為57.2%。分別高出2.2%和15.3%。僅此3個氣層而言,其他儲量計算參數保持不變,采用該研究提出的精細評價方法處理后,計算儲量將提高9.6%。

圖7 LX-C井新老方法處理結果對比

4 結 論

(1)以大量巖心分析資料為基礎,以巖心標定測井的方法,建立了基于物源分類的孔隙度計算方法,解決了臨興區(qū)塊巖石成分復雜、巖石骨架參數變化大導致的孔隙度計算精度低的問題。研究結果表明,由于巖屑和碳酸鹽巖含量高,導致骨架密度值明顯大于砂巖理論密度值(2.65 g/cm3)。該方法對類似取心資料少或勘探新區(qū)的孔隙度的精確計算,具有一定的指導意義。

(2)臨興區(qū)塊儲層孔隙類型多樣,導致巖電關系復雜,使得傳統(tǒng)的含水飽和度模型計算精度低。通過對大量的巖電實驗數據進行分析,認為在雙對數坐標系下,巖石的電阻率指數與含水飽和度呈現為非線性,分2類儲層建立了新含氣飽和度模型。通過密閉取心、蠟封巖心和半滲透隔板巖心分析數據驗證,新模型計算的飽和度絕對誤差小于5%,滿足了儲量規(guī)范要求。

(3)該研究成果為臨興區(qū)塊提供了精確的孔隙度、飽和度參數,為致密砂巖氣層分類、壓裂改造奠定了堅實基礎,為增儲上產提供了重要的技術支撐。