郭向東,崔宏俊,武延亮,孫亞隆,曹雄偉,高其宇

(陜西延長石油(集團)有限責任公司延長氣田采氣一廠,陜西延安716000)

0 引 言

從20世紀90年代開始,隨著石油、天然氣勘探與開發(fā)的不斷深入,油氣勘探的對象逐漸由構造油氣藏向較為隱蔽的巖性及地層油氣藏(風化剝蝕型、超覆不整合型、潛山型油氣藏)轉變[1-3]。據(jù)統(tǒng)計目前中國20%的天然氣產(chǎn)量由致密砂巖氣提供,就資源量及勘探開發(fā)技術水平而言,致密砂巖氣是當下最具商業(yè)價值的非常規(guī)能源[4-6]?？紫抖刃?、孔隙結構復雜、束縛水飽和度高、黃鐵礦及有機質的存在是致密砂巖儲層的典型特征,該特征降低了常規(guī)測井曲線對致密砂巖儲層巖性、孔隙度、含油氣性的響應靈敏度[7-8]。因此,應用“常規(guī)三組合”測井資料對致密砂巖儲層進行評價存在較大困難。國內外學者利用常規(guī)測井曲線的典型特征、交會圖版、特征參數(shù)及復雜的數(shù)據(jù)挖掘和體積模型對致密砂巖儲層評價做了大量的研究,但儲層評價的效果并不理想[8-14]。

本文在利用元素俘獲能譜測井、核磁共振測井、介電掃描測井獲取豐富儲層物理參數(shù)的基礎上[15-20],應用ELANPlus測井解釋模型解釋地層的礦物或巖石組分、計算儲層特征參數(shù)、識別儲層流體性質,對致密砂巖儲層進行綜合評價。在鄂爾多斯盆地致密砂巖儲層評價中的應用結果表明,“新三組合”測井技術能提供比常規(guī)測井更準確的儲層參數(shù)及常規(guī)測井無法提供的特殊數(shù)據(jù),提高了儲層參數(shù)模型及流體識別的準確性,在研究區(qū)致密砂巖儲層評價中的適用性良好。

1 “新三組合”測井儀器基本原理

1.1 元素俘獲能譜測井儀

20世紀末,斯倫貝謝公司針對復雜巖性油氣藏評價中出現(xiàn)的困難,研制了元素俘獲能譜測井儀(Elemental Capture Spectroscopy,ECS),該儀器從巖石化學成分角度為非常規(guī)油氣藏的評價開辟了一條新道路。ECS的探頭主要由Am-Be中子源(標準的16 Ci同位素)和一個對γ射線具有較高探測效率的BGO晶體探測器構成。ECS測井時,通過Am-Be中子源產(chǎn)生能量幅度為0～8 MeV(平均4 MeV)的快中子,與井眼周圍地層中C、O、Si、Ca、Fe、Mg等元素的原子核發(fā)生非彈性散射反應,產(chǎn)生非彈性散射γ射線;快中子經(jīng)過碰撞、活化反應等過程,能量逐漸減小變成熱中子,地層中的原子核通過俘獲擴散過程中的熱中子處于激發(fā)態(tài)從而變?yōu)榧ぐl(fā)核,激發(fā)核通過釋放γ射線重新回到基態(tài),被釋放的γ射線稱為俘獲γ射線(見圖1)。

圖1 ECS測量原理示意圖

1.2 核磁共振測井儀

核磁共振測井儀(Combinable Magnetic Resonance,CMR)的核磁共振信號來源于地層孔隙流體中的氫原子核,通過核磁共振技術測量地層中的氫原子核在外加的強磁場內受到射頻脈沖的激發(fā)后恢復到平衡態(tài)這一弛豫過程(激發(fā)態(tài)氫原子核恢復到平衡態(tài)的快慢用弛豫時間表示),得到不受骨架影響的地層流體體積(即孔隙體積)及孔隙結構等信息,實現(xiàn)儲層孔隙特征的定量評價。本文應用斯倫貝謝公司可組合式核磁共振測井儀CMR-Plus進行定量孔隙特征評價及流體識別,CMR-Plus采用能夠對地層進行磁化的加長永久磁鐵,通過預極化的方式,實現(xiàn)高速測井;采用現(xiàn)代脈沖回波測量技術及新的接收天線,提升對快速衰減信號的探測能力,使得CMR-Plus具備了分辨儲層微小孔隙的能力;采用精度增強模式使儀器在測量束縛流體時具有更高的精度,在T2譜測量過程中,通過多次重復初始部分的測量(通常為10次),達到提高短T2譜測量精度的目的,從而改善孔隙度和滲透率的測量精度(見圖2)。

圖2 CMR-Plus儀器結構及測量模式示意圖*非法定計量單位,1 in=25.4 mm,下同

1.3 介電掃描測井儀

斯倫貝謝公司的介電掃描測井儀(Array Dielectric Tool,ADT)能連續(xù)測量地層介電頻散,通過ADT測井得到具有4種極化頻率(頻率范圍20 MHz～1 GHz)和2種極化方向(橫向與縱向)的高分辨率測量數(shù)據(jù),及每種頻率在不同源距時的介電常數(shù)和電導率。

陣列極板(長度短、多源距天線)是ADT的核心(見圖3),每個交叉的偶極天線均配置了磁偶極,藍色的偶極天線為縱向極化,紅色的偶極天線為橫向極化。發(fā)射器(TA和TB)位于中間,接收器(RA1～RA4和RB1～RB4)對稱位于發(fā)射器兩側,它們的分布位置滿足最優(yōu)測量精度和井眼補償需求。為了達到環(huán)境影響的最小化,通過水力加壓使得具有較短長度的可活動天線極板緊貼井壁,這樣即使在不規(guī)則井眼中也能使陣列極板與井壁緊貼。2個同軸電子探針(PA和PB)用于陣列極板的質量控制和確定特定頻率下鉆井液和泥餅的介電特性。發(fā)射器(TA和TB)發(fā)出的電磁波以4種不同頻率、2種極化方向傳入地層,能夠探測井壁外4 in的儲層特征。

圖3 ADT極板結構示意圖

2 解釋模型

2.1 巖石體積物理模型

本文建立的巖石體積物理模型的骨架礦物組分為地層的主要成分,包括碳酸鹽礦物、硅質礦物、黏土礦物、石膏、煤、黃鐵礦等;流體組分主要為氣和水(見圖4)。骨架礦物組分的評價依賴于ECS測井成果,儲層物性的評價依賴于三孔隙度曲線及CMR測井成果,含氣性評價利用ADT測井成果及電阻率測井、錄井氣測等資料綜合分析。

圖4 “新三組合”測井儲層評價的巖石體積物理模型

2.2 ECS測井評價復雜骨架成分

本文通過對BGO晶體記錄的非彈性散射γ能譜和俘獲γ能譜數(shù)據(jù)進行分析處理,獲取元素的干重、巖性和基質參數(shù)。具體方法:將各元素的特征譜從總譜中分離出來,得到各元素的產(chǎn)額;利用氧化物閉合模型將不同元素的產(chǎn)額轉換成元素干重分數(shù);根據(jù)斯倫貝謝公司的巖心化學和礦物數(shù)據(jù)庫建立的Spectrolith經(jīng)驗關系,利用元素干重分數(shù)計算基質參數(shù)及地層巖礦的干重。利用Techlog軟件對ECS測井實測譜(非彈性散射γ能譜和俘獲γ能譜)進行剝譜、解譜、氧閉合處理,得到的元素干重作為ELANPlus測井解釋模型的輸入?yún)?shù),經(jīng)解釋模型計算礦物組分,具體處理流程如下。

(1)剝譜分析。ECS測量得到的實測譜是地層中不同核素發(fā)出的γ射線總和,從數(shù)學角度分析,實測譜可看作不同元素標準譜的線性擬合,通過與單元素的標準譜進行對比,獲得不同元素的含量。

(2)解譜分析。測量譜(實測譜經(jīng)環(huán)境、儀器因素校正后的譜)與單元素標準譜匹配,應用最小二乘法進行分析,使兩者相關性最好,從而得到不同元素的相對產(chǎn)額,該產(chǎn)額反應單元素對測量譜的貢獻。測量譜各道的計數(shù)率用式(1)表示[15]。

(1)

式中,Ci為實測譜的第i道計數(shù);m為元素的總數(shù);aij為根據(jù)標準譜得到的n×m階響應矩陣的(i,j)單元;Yj為第j種元素的相對產(chǎn)額;ei為誤差;n為總道數(shù)。

(3)氧化物閉合模型。假定地層中的礦物均由碳酸鹽礦物或氧化物組成,其百分含量之和為1。元素的相對產(chǎn)額經(jīng)氧化物閉合模型可換算成元素的絕對含量,其表達式見式(2),第j種元素的絕對含量見式(3)[16]。

(2)

(3)

式中,F為閉合刻度因子;Xj為第j種元素的氧化物指數(shù);Wj為第j個元素的靈敏度因子;Vj為第j種元素的體積含量。

(4)礦物組分計算。采用因子分析法,在X衍射實驗分析的基礎上,建立元素含量與礦物含量之間的關系式。

(4)

式中,Mk為第k種礦物體積含量;Djk為元素轉換系數(shù)(第k種礦物中第j種元素的百分含量)。

2.3 CMR測井計算儲層物性參數(shù)

CMR測井采集的回波串通過Techlog軟件處理得到T2分布譜,利用ELANPlus測井解釋模型計算儲層的總孔隙度[見式(5)]、可動流體孔隙度[見式(6)]、束縛流體孔隙度[見式(7)]。滲透率的計算可通過Timur-Coates方程式[見式(8)]或SDR模型[見式(9)]獲得[17-18]。

(5)

(6)

(7)

KTIM=(φMRP/C)4(φFFV/φBFV)2

(8)

KSDR=C(φMRP)4(T2,gm)2

(9)

式中,φMRP為總孔隙度,%;φFFV為可動流體孔隙度,%;φBFV為束縛流體孔隙度,%;KTIM為Timur-Coates方程式計算的滲透率,mD(1)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;KSDR為SDR模型計算的滲透率,mD;C為待定系數(shù);T2,max為T2譜橫向弛豫時間的最大值,ms;T2,min為T2譜橫向弛豫時間的最小值,ms;T2,gm為T2譜橫向弛豫時間的幾何平均值,ms;A(T2)為T2譜的分布面積。

2.4 ADT測井計算儲層飽和度

利用巖石體積物理模型計算ADT測井不同頻率下的介電常數(shù)和電導率,通常采用ELANPlus測井解釋模型下的CRIM單頻解釋模型來計算[20],見式(10)。

(10)

CRIM單頻解釋模型僅能計算ADT測井中1 GHz頻率的相關參數(shù),且不能反應巖石結構信息。引入通用表達式[見式(11)][20]處理多種頻率下的測井數(shù)據(jù)并提取骨架信息參數(shù),輸出的參數(shù)包括含水孔隙度(在總孔隙度已知的情況下可提供含水飽和度)、地層水礦化度、碳酸鹽巖石結構和砂泥巖中陽離子交換量,同時擬合介電常數(shù)和電導率頻散去掉含水孔隙度計算過程中的地層水礦化度的影響,地層水礦化度也作為單獨的輸出曲線。

(11)

3 應用效果分析

“四性”關系研究是測井儲層綜合評價的主要任務之一。其中巖性的評價主要是基于ECS測井;各孔隙度及滲透率參數(shù)由CMR測井資料計算得到,并結合三孔隙度曲線對計算結果進行驗證;ADT測井獲取的儲層含水孔隙度與CMR測井總孔隙度的差值,即為儲層含氣量。儲層評價綜合利用這3種測井技術手段結合常規(guī)測井資料、氣測錄井資料完成。

以長XX井本溪組為例,綜合解釋成果圖5顯示,14、15號層,自然伽馬、補償密度、聲波時差為低值,地層電阻率為高值(200～650 Ω·m);ECS測井得到礦物組分以硅質礦物為主,巖性為砂巖;CMR測井有明顯的長T2譜,表現(xiàn)出單峰或雙峰緊靠的特征,總孔隙度7%～9%,自由流體孔隙度2%～3%,KTIM及KSDR為0.2～2.0 mD;ADT測井成果資料顯示,介電常數(shù)為4～7 F/m,CMR測井總孔隙度與ADT測井含水孔隙度有明顯差異,含氣飽和度為60%～80%,氣測顯示好,解釋為氣層。16、17、18號層,自然伽馬為低值,光電吸收截面指數(shù)為4～5 b/eV,電阻率500～2 500 Ω·m;ECS測井得到的礦物組分以鈣質礦物為主,巖性為灰?guī)r;CMR測井的T2譜無明顯特征,總孔隙度1.5%～3.0%,自由流體孔隙度為2%～3%,滲透率處理成果顯示KTIM及KSDR小于0.01 mD;ADT測井成果資料顯示,介電常數(shù)在8～10 F/m,總孔隙度與含水孔隙度無明顯差異,無氣測顯示,解釋為干層。

圖5 長XX井常規(guī)測井及“新三組合”測井成果圖*非法定計量單位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

4 結 論

(1)ECS測井的目的為巖性識別,通過對比分析ECS測井成果、常規(guī)巖性曲線等資料,認為ECS測井的結果準確性較高,并提供不同巖性連續(xù)的骨架曲線,使得孔隙度的計算更加準確,在復雜儲層的巖性識別及巖性段劃分方面具有十分重要的作用。

(2)CMR測井為儲層評價提供了高精度的總孔隙度、有效孔隙度、自由流體孔隙度和滲透率等。T2譜能夠直觀地反應儲層孔喉大小的分布和非均質性,可用于儲層的品質評價;不同流體具有不同的弛豫特性,以此識別儲層流體。

(3)ADT測井在識別流體性質方面具有一定的優(yōu)勢,在電阻率對流體性質不敏感的情況下,基于ECS測井得到的骨架礦物含量、CMR測井得到的總孔隙度曲線可用于計算不依賴電阻率測井的含水飽和度。

(4)“新三組合”測井相較于“常規(guī)三組合”測井,能夠提供更豐富、準確的儲層特征參數(shù),使得儲層巖性識別、孔隙度計算、流體識別更準確、直觀、可靠,用此方法評價儲層準確性更高、適用性更好。