張帆， 高明， 陳國(guó)軍， 張嘯， 張進(jìn)， 范小秦

(中石油新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院地球物理研究所，烏魯木齊 830000)

沙灣凹陷二疊系佳木河組儲(chǔ)層厚度大，油氣顯示活躍，多口井獲得高產(chǎn)，勘探潛力大。但是受復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、沉積及成巖作用的影響，其巖石礦物成分多樣，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲(chǔ)層有效性識(shí)別難度大。微觀孔隙結(jié)構(gòu)控制著儲(chǔ)層的儲(chǔ)集與滲流能力，直接影響儲(chǔ)集層的產(chǎn)能評(píng)價(jià)和有效性識(shí)別，是儲(chǔ)層研究的基礎(chǔ)[1-2]，核磁共振測(cè)井可以對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)評(píng)價(jià)[3]，利用SDR模型和Coates模型還能計(jì)算得到滲透率，但是，在中基性砂礫巖儲(chǔ)層中，受順磁礦物的影響，其計(jì)算的結(jié)果誤差較大，應(yīng)用受到限制[4]。電成像測(cè)井不受特殊礦物及流體性質(zhì)的影響，是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的有效方法[5-6]。近年來(lái)，電成像測(cè)井在地層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)及儲(chǔ)層產(chǎn)能預(yù)測(cè)等方面有了較大程度的進(jìn)展，吳興能等[7]通過(guò)將電成像測(cè)井資料變換為孔隙度頻率譜進(jìn)行孔隙度評(píng)價(jià)；周彥球等[8]通過(guò)將孔隙度頻率譜和巖心孔隙分析資料的對(duì)比研究，證實(shí)了成像測(cè)井用于微觀解釋的可靠性。文獻(xiàn)[6,9]明確了不同類型孔隙的譜形態(tài)特征差異，進(jìn)而評(píng)價(jià)儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征[10-11]及預(yù)測(cè)儲(chǔ)層質(zhì)量[12-13]。前人的研究主要集中在利用孔隙度譜的形態(tài)特征評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的孔隙類型，而對(duì)于利用孔隙度譜定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性方面研究較少。

基于此，現(xiàn)以紅車斷裂帶佳木河組砂礫巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，利用壓汞、薄片等資料對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，提取孔隙度譜的幾何平均值、方差、變異系數(shù)及局部最大、最小孔隙度等能與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，并計(jì)算滲透率及儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)層分類和評(píng)價(jià)，結(jié)合試油資料明確不同儲(chǔ)層的產(chǎn)液能力，進(jìn)而確定有利儲(chǔ)層。以期提高儲(chǔ)層的有效性識(shí)別，為該區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層的有效性評(píng)價(jià)提供參考。

1 砂礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征及分類

紅車斷裂帶位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，作為準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起的二級(jí)構(gòu)造單元，其北與克一百斷裂南部為北天山山前沖斷帶四棵樹(shù)凹陷，東鄰中拐凸起與沙灣凹陷，西與車排子凸起相鄰[14]。紅車斷裂帶自下而上依次發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系和白堊系，其中二疊系佳木河組(P1j)是近年來(lái)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣油氣勘探主力層系之一，自下而上可分為佳一段(P1j1)、佳二段(P1j2)和佳三段(P1j3)。

P1j時(shí)期沉積的砂礫巖儲(chǔ)層是紅車斷裂帶的重要油氣儲(chǔ)集層之一。根據(jù)CP18、CP19等取心井薄片鑒定和巖心觀察統(tǒng)計(jì)分析，砂礫巖儲(chǔ)層礫石成分以變質(zhì)巖、火山質(zhì)礫石為主，主要為凝灰?guī)r及安山巖，含少量流紋巖、霏細(xì)巖等；砂質(zhì)成分主要為巖屑，石英及長(zhǎng)石含量較少，膠結(jié)物多見(jiàn)方沸石、濁沸石、片沸石和菱鐵礦。砂礫巖結(jié)構(gòu)成熟度表現(xiàn)為：膠結(jié)類型為壓嵌型及孔隙-壓嵌型，膠結(jié)多致密，礫石多為次棱角-次圓狀，分選差，支撐類型為顆粒支撐。上述分析表明P1j整體成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等偏低，巖石的抗壓能力較弱，造成巖石較致密，儲(chǔ)層物性非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

物性方面，P1j巖石樣品的孔隙度介于0.7%～24%，滲透率在0.01～37.8 mD，物性差異大，為中低孔-特低孔、特低滲-超低滲儲(chǔ)層(圖1)。電鏡資料顯示儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育粒間孔、溶蝕孔等孔隙類型，其中粒間孔和溶蝕孔為儲(chǔ)層流體的主要儲(chǔ)集空間。

在明確儲(chǔ)層特征的基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。研究區(qū)佳木河組砂礫巖毛管壓力曲線顯示(圖2)，各個(gè)曲線形態(tài)差異較大，整體為較細(xì)歪度特征，進(jìn)汞段傾斜，排驅(qū)壓力和最大進(jìn)汞飽和度較分散，最大孔喉半徑介于0.22～15 μm，孔隙度Por、滲透率Perm、孔喉半徑均值rm等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的分布范圍較寬，表明了砂礫巖孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。為便于對(duì)儲(chǔ)層的精細(xì)描述，參考前人對(duì)于致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的分類方法[15]，將研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)分為三類(表1)。

Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)排驅(qū)壓力Pd較低，一般小于0.3 MPa，最大進(jìn)汞飽和度SHg,max和平均孔喉半徑高，物性級(jí)別屬于中低孔低滲型，具有該類孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層物性較好，儲(chǔ)集空間以基質(zhì)孔和溶蝕孔為主。

Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)排驅(qū)壓力變大，介于0.3～0.7 MPa，平均孔喉半徑分布在0.2～0.5 μm，物性級(jí)別屬于特低孔超低滲型。

Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)排驅(qū)壓力高，往往大于0.7 MPa，最大進(jìn)汞飽和度小于35%，平均孔喉半徑值也較小，屬于超低孔超低滲儲(chǔ)層，具有該類孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層多為差儲(chǔ)層、非儲(chǔ)層。

圖1 P1j孔滲交會(huì)圖Fig.1 The crossplot of porosity and permeability in P1j

93塊樣品圖2 P1j毛管壓力曲線圖Fig.2 The capillary pressure curve of the P1j

表1 P1 j孔隙結(jié)構(gòu)分類評(píng)價(jià)參數(shù)表 Table 1 Classification on reservoir parameters of P1 j

由于研究區(qū)巖石骨架含有菱鐵礦等順磁性礦物，利用常規(guī)的核磁共振測(cè)井方法難以準(zhǔn)確測(cè)得T2譜，且計(jì)算的孔隙度、滲透率、飽和度等儲(chǔ)層參數(shù)的誤差較大[4]，而成像測(cè)井具有分辨率高、不受順磁礦物影響的特點(diǎn)，且孔隙度譜特征一定程度上反映儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，是評(píng)價(jià)復(fù)雜儲(chǔ)層的有效方法[6,16]，因此，考慮利用電成像資料對(duì)井壁地層的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)評(píng)價(jià)。

2 電成像孔隙度譜及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 孔隙度譜構(gòu)建

成像測(cè)井可以測(cè)得井周探測(cè)范圍內(nèi)地層的電導(dǎo)率，通過(guò)對(duì)電導(dǎo)率的處理，采用灰度回放的方式，即可獲得反映儲(chǔ)層電導(dǎo)率變化的成像圖，成像圖中亮色部分指示電阻率較高，反之則低。以Schlumberger公司的地層微電阻率掃描成像(FMI)資料為例，其獲取的就是8個(gè)極板上的192條電導(dǎo)率信息，根據(jù)電導(dǎo)率資料，采用Archie公式的變形[式(1)]，即可將其轉(zhuǎn)化為視孔隙度，經(jīng)歸一化處理后，便可得到相應(yīng)深度的孔隙度頻率分布譜。孔隙度頻率譜橫軸為不同大小的孔隙度，縱軸為不同大小孔隙度分布的頻率，因此，利用孔隙度譜(圖3)可以一定程度上對(duì)地層的孔隙分布情況進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。

(1)

式中：φi為計(jì)算的電成像像素的孔隙度i=1,2,…；φ為巖石孔隙度；m為膠結(jié)指數(shù)；n為飽和度指數(shù)；a和b為與巖性有關(guān)的常數(shù)；Rmf為泥漿濾液電阻率；Rxo為沖洗帶電阻率，在微電阻率掃描成像測(cè)井資料中即為測(cè)量的電阻率結(jié)果；Sxo為沖洗帶含水飽和度；Ci為電成像電極電導(dǎo)率。

圖3 孔隙度譜原理圖Fig.3 The priciple of porisity frequency spectrum

2.2 孔隙度頻率譜參數(shù)

為描述儲(chǔ)層孔隙度分布的均質(zhì)性，利用孔隙度譜均值、孔隙度譜標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及局部最大孔隙度、局部最小孔隙度進(jìn)行定量表征。

孔隙度譜幾何平均值(Pgm)：幾何均值用于計(jì)算數(shù)據(jù)的平均增長(zhǎng)率，將孔隙度分量φi的對(duì)應(yīng)頻率fi次方的結(jié)果再相乘求得，主要用于計(jì)算數(shù)據(jù)的平均增長(zhǎng)率[17]。

(2)

孔隙度譜均值(φa)表示某一深度附近成像計(jì)算的孔隙度的均值，均值越大，儲(chǔ)集性能越好，孔隙度譜均值一般和孔隙度較接近。

(3)

式(3)中：φi為計(jì)算的電成像像素的孔隙度；Pi為相應(yīng)視孔隙度的頻數(shù)。

(4)

孔隙度變異系數(shù)(VKφ)為孔隙度譜方差與均值的比值，指示孔隙度的徑向非均質(zhì)性。

(5)

局部最大、最小孔隙度(φmax、φmin)分別是孔隙度譜的右邊界和左邊界對(duì)應(yīng)的孔隙度值，反映儲(chǔ)層孔隙的分布區(qū)間。

2.3 不同孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙度譜特征

成像孔隙度譜以譜的分布形式反映儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，不同孔隙結(jié)構(gòu)的成像孔隙度譜特征各不相同，選取研究區(qū)砂礫巖不同儲(chǔ)層孔隙度譜分析(表2)，從形態(tài)特征上看，Ⅰ類儲(chǔ)層為多峰寬譜型，孔隙度譜多峰特征明顯，且譜帶較寬，孔隙度數(shù)據(jù)總體較為離散，表明儲(chǔ)層內(nèi)不同大小孔隙的分布范圍較廣，峰體右側(cè)拖曳較大，且位置更靠后，反映儲(chǔ)層大尺寸孔隙更為發(fā)育的特征；Ⅱ類儲(chǔ)層主要為變峰中譜型，孔隙度譜多為雙峰，部分為單峰，該類儲(chǔ)層譜帶較Ⅰ類儲(chǔ)層窄，主峰位于相對(duì)靠前的位置，反映儲(chǔ)層以中孔為主，孔隙度譜在主峰右側(cè)稍有延伸，即存在一定數(shù)量大孔，但不如Ⅰ類儲(chǔ)層發(fā)育；Ⅲ類儲(chǔ)層為單峰窄譜型，為單個(gè)譜峰，譜峰較窄且前移，主要以小孔隙為主。

表2 不同儲(chǔ)層孔隙度譜特征Table 2 The characteristics of pore spectrum in different reservoirs

三種孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙度譜參數(shù)如表3所示，對(duì)于 Ⅰ類儲(chǔ)層，孔隙度譜幾何平均值較大，為34.6，局部最大孔隙分量為43%，表明儲(chǔ)層的孔隙分布范圍寬，滲透性較好[18]，Ⅱ類儲(chǔ)層的孔隙度譜幾何平均值為22.5，較Ⅰ類儲(chǔ)層小，方差為8.3，反映巖石中孔隙分布范圍較窄；Ⅲ類儲(chǔ)層與前兩類相比，各個(gè)參數(shù)都較小，表明儲(chǔ)層內(nèi)部小孔集中度高，儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能較差的特征。

表3 不同儲(chǔ)層孔隙度譜參數(shù)表Table 3 The table of pore spectrum parameters in different reservoirs

3 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及應(yīng)用

3.1 電成像孔隙度譜與孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系

為驗(yàn)證孔隙度譜參數(shù)表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的可靠性，選取紅車斷裂帶二疊系佳木河組儲(chǔ)層砂礫巖巖樣的壓汞實(shí)驗(yàn)資料與對(duì)應(yīng)的孔隙度譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用孔隙度譜參數(shù)與毛管壓力等微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)建立關(guān)系。如圖4所示，孔隙度譜幾何平均值與排驅(qū)壓力為負(fù)指數(shù)關(guān)系，而與滲孔比、分選系數(shù)有較好的正相關(guān)關(guān)系，孔隙度譜方差與孔喉半徑均值、均質(zhì)系數(shù)有較好的正相關(guān)關(guān)系，最大孔隙度分量與最大孔喉半徑為正相關(guān)關(guān)系，壓汞孔喉半徑均值與孔隙度譜均值具有較好的正相關(guān)關(guān)系。由此，利用孔隙度譜參數(shù)通過(guò)定量計(jì)算得到以上各個(gè)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.2 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)

3.2.1 滲透率計(jì)算

各個(gè)孔隙度譜參數(shù)中，幾何平均值與壓汞孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性較高，考慮利用幾何平均值反映儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。參照SDR滲透率計(jì)算模型，建立基于孔隙度譜幾何平均值、孔隙度的滲透率K計(jì)算公式[式(6)][19]。圖5為利用電成像計(jì)算的滲透率與實(shí)驗(yàn)分析滲透率的交會(huì)圖，從計(jì)算結(jié)果上看，該模型的計(jì)算效果較好。

圖5 巖心滲透率與電成像計(jì)算滲透率交會(huì)圖Fig.5 The plot of core permeability and calculate permeability by electrical imaging

(6)

式(6)中：C為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為50；φ為地層孔隙度；Pgm為孔隙度譜幾何平均值。

3.2.2 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)揮油氣層的產(chǎn)能和提高采收率有重要作用，是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，孔隙度、滲透率、分選系數(shù)、最大進(jìn)汞飽和度和孔隙喉道均值和儲(chǔ)層類型有正比關(guān)系，而排驅(qū)壓力和儲(chǔ)層類型為反比關(guān)系，利用這6個(gè)儲(chǔ)層分類孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)構(gòu)建了儲(chǔ)層分類綜合評(píng)價(jià)指數(shù)Zz[20]。

(7)

式(7)中：φ為孔隙度；K為滲透率；Sp為分選系數(shù)；DM為孔隙喉道均值；Smax為最大進(jìn)汞飽和度；Pd為排驅(qū)壓力。

利用孔隙度譜參數(shù)擬合公式計(jì)算獲得綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，再結(jié)合比產(chǎn)液指數(shù)[式(8)]建立關(guān)系將儲(chǔ)層分類(圖6)，從圖6中可以看出，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和比產(chǎn)液指數(shù)為正相關(guān)關(guān)系，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)大，比產(chǎn)液指數(shù)高，儲(chǔ)層質(zhì)量越好。Ⅰ類儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)大于1.1，比產(chǎn)液指數(shù)大于0.5；Ⅱ類儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)介于0.4～1.1，比產(chǎn)液指數(shù)介于0.2～0.5；綜合評(píng)價(jià)指數(shù)小于0.4、比產(chǎn)液指數(shù)小于0.2的為Ⅲ類儲(chǔ)層。因此可以利用成像孔隙度譜參數(shù)構(gòu)建儲(chǔ)層分類綜合指數(shù)連續(xù)識(shí)別儲(chǔ)層類型，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)層的產(chǎn)液能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(8)

式(8)中：J為比產(chǎn)液指數(shù)；Q為產(chǎn)液量；T為時(shí)間；ΔP為生產(chǎn)壓差；H為射孔厚度。

圖6 儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與比產(chǎn)液指數(shù)交會(huì)圖Fig.6 The plot of Zz and J

3.3 應(yīng)用分析

以CP24井為例(圖7)，根據(jù)成像資料計(jì)算得到孔隙度譜識(shí)別儲(chǔ)層，4 600.0～4 620.0 m、4 626.5～4 670 m儲(chǔ)層段孔隙度譜的譜結(jié)構(gòu)譜峰靠后，為多峰寬譜型，局部最大、最小孔隙度大，儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)較高，分別為2.4和1.6，儲(chǔ)層質(zhì)量較好，為Ⅰ類儲(chǔ)層；4 690.0～4 693.0 m和4 704.4～4 707.8 m層段的孔隙度譜譜形結(jié)構(gòu)跨度小，譜峰形態(tài)窄，儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)較Ⅰ類低，分別為0.64和0.62，為Ⅱ類儲(chǔ)層；4 675.7～4 681.8 m、4 685.8～4 690.0 m、4 693.0～4 704.6 m層段的孔隙度譜接近孔隙度零刻度線附近，形態(tài)多為窄的單峰，各項(xiàng)孔隙度譜參數(shù)都較小，反映該類儲(chǔ)層內(nèi)小孔占比高，總孔隙度小，為Ⅲ類儲(chǔ)層。結(jié)合試油產(chǎn)液數(shù)據(jù)來(lái)看：位于頂部Ⅰ類儲(chǔ)層中4 606～4 610 m和4 618～4 620 m射孔段的日產(chǎn)油分別為86.95 m3/d和38.04 m3/d，產(chǎn)液量較高，而底部Ⅱ類儲(chǔ)層中4 691～4 693 m、4 705～4 707 m兩段的日產(chǎn)油量為24.96 m3/d，產(chǎn)液量較上部低，這與孔隙度譜參數(shù)分類結(jié)果相符。由此可見(jiàn)，利用孔隙度譜參數(shù)劃分的儲(chǔ)層類型較合理準(zhǔn)確，為該區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)提供參考。

4 結(jié)論

(1) 紅車斷裂帶佳木河組砂礫巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)合巖性、物性及壓汞資料將孔隙結(jié)構(gòu)分為三種類型，其中I、Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)較好，具有Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層為較差儲(chǔ)層。

(2) 孔隙度譜幾何平均值、方差、局部最大孔隙度等參數(shù)能較好地反映儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)分類，將譜形結(jié)構(gòu)歸為：多峰寬譜型、多峰窄譜型、單峰窄譜型，有利儲(chǔ)層多為多峰寬譜型和多峰中譜型。

圖7 CP24井孔隙結(jié)構(gòu)劃分及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)Fig.7 Pore structure division and reservoir evaluation in well CP24

(3) 基于孔隙度譜幾何平均值計(jì)算的滲透率與巖心滲透率較為吻合，結(jié)合儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)與比產(chǎn)液指數(shù)對(duì)儲(chǔ)層分類，并應(yīng)用到井筒剖面中，有助于儲(chǔ)層類型的劃分，也為利用孔隙度譜評(píng)價(jià)砂礫巖儲(chǔ)層有效性提供了依據(jù)。