周軍,邊會媛,陳文安,張迪,劉國良,王飛

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.青海油田勘探開發(fā)研究院,甘肅 敦煌 736202; 3.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710064)

0 引言

儲層非均質(zhì)性是指沉積環(huán)境、成巖作用和構(gòu)造運動等活動在儲層的形成過程中對其產(chǎn)生的影響,在空間和內(nèi)部的不同性質(zhì)上均存在變化,是影響地下油、氣、水運移和油氣運移的關(guān)鍵參數(shù)[1-2]。對于儲層非均質(zhì)性的分類,早在20世紀80年代就有研究。Pettijohn以及Weber分別提出了5類和7類劃分方案[3];裘懌楠[4]根據(jù)油田開發(fā)情況,將儲層非均質(zhì)性劃分為層間、平面、層內(nèi)和孔隙非均質(zhì)性四類。層間非均質(zhì)性指層系的旋回性、砂礫層間的不均勻性、夾層分布等,其研究內(nèi)容包括分層系數(shù)、垂直砂體密度、各砂層間滲透系數(shù)的不均勻程度、有效厚度系數(shù)及儲層間非均質(zhì)性評價方法。平面非均質(zhì)性是指由于砂體中孔隙度、滲透率的平面變化所引起的儲層規(guī)模和幾何形態(tài)的不均勻性。層內(nèi)非均質(zhì)性主要表現(xiàn)為顆粒尺寸的規(guī)律性、層理構(gòu)造序列及橫縱向滲透率之比在巖性、物性和沉積相等方面都存在不同程度的差異,其形成具有內(nèi)在的復(fù)雜性,與形成的地質(zhì)過程及原因密切相關(guān)[5]?？紫斗蔷|(zhì)性是指所含巖石的成分、包含的填隙物類型以及孔喉結(jié)構(gòu)等方面存在不同[6]。

學(xué)者多采用巖心分析與測井解釋結(jié)合評價儲層非均質(zhì)性,并利用滲透率變異系數(shù)、突進系數(shù)、極差等參數(shù),從多個方面對儲層非均質(zhì)性進行表征[7]。邊會媛等[8]通過孔滲、X衍射和薄片分析等方法得出柴達木盆地漸新統(tǒng)下干柴溝組儲層有較強的非均質(zhì)性,并通過廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全井段偽毛管壓力曲線應(yīng)用于儲層類型預(yù)測;李海燕等[9]通過壓汞測試、掃描電鏡和鑄體薄片等資料分析儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu),并應(yīng)用聚類分析和Bayes判別分析方法確定研究區(qū)的優(yōu)質(zhì)儲層;袁紅旗等[10]利用洛倫茲曲線,提出綜合定量表征儲層非均質(zhì)性的方法,比傳統(tǒng)僅基于滲透率指標所構(gòu)建的參數(shù)能更好地反映儲層非均質(zhì)性;楊少春[11]利用綜合指數(shù)法對儲層非均質(zhì)性進行了定量刻劃。相對于常規(guī)測井方法,電成像測井能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖像,具有較高的垂直分辨率[12],可以較為準確地反映井周地層的巖性及物性變化[13]。Aghli等[14]利用電成像測井對孔隙度系統(tǒng)、滲透剖面和非均質(zhì)性指數(shù)進行評價,認為電成像測井可用于評價儲層非均質(zhì)性;侯振學(xué)等[15]對井壁微電阻率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,提出了電阻率譜技術(shù)和分選指數(shù)的計算方法并對儲層非均質(zhì)性進行定量評價;李昌等[16]利用巖心、成像測井資料,基于分形理論計算電成像測井圖像的分形維數(shù)來定量描述儲層非均質(zhì)性;藺敬旗等[17]利用電成像測井的孔隙度譜及電阻率譜計算方法,定量表征了砂礫巖儲層非均質(zhì)性。

牛東地區(qū)侏羅紀儲層巖性復(fù)雜,礦物成分多樣,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,砂礫巖儲層非均質(zhì)性強,單一的表征參數(shù)無法對儲層的非均質(zhì)性進行全面評價。針對這一問題,本文將洛倫茲系數(shù)運用到電成像測井中,并引入集中程度函數(shù),根據(jù)綜合概率模型計算均值、方差、洛倫茲系數(shù)和集中程度函數(shù),結(jié)合層次分析法,得到各個評價參數(shù)的權(quán)重,對儲層非均質(zhì)性進行定量評價,獲得一種較為準確全面的層內(nèi)非均質(zhì)性評價標準。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及儲層特征

柴達木盆地的西北為阿爾金山,南為昆侖山,北界為祁連山,地勢自WN向ES緩傾。柴達木板塊被塔里木板塊、華北板塊、揚子板塊以及青藏板塊所包圍,古地理位置與周鄰板塊間的位置變動、分散和聚集等因素對柴達木盆地的發(fā)育演變起著主導(dǎo)作用[18]。研究區(qū)構(gòu)造位置和巖性柱狀圖如圖1所示,牛東地區(qū)在構(gòu)造上是牛東鼻隆,屬于三級構(gòu)造[8]。研究區(qū)位于柴北緣阿爾金山前東段牛東地區(qū)侏羅系,勘探區(qū)帶主要有阿爾金山前段階帶、盆地腹部背斜構(gòu)造帶、祁連山前沖段帶等。牛東地區(qū)的侏羅系為中生代現(xiàn)今殘留地層,是油氣儲集區(qū)的重要組成部分。

圖1 柴達木盆地牛東地區(qū)侏羅系構(gòu)造位置及巖性柱狀圖Fig.1 Structural location and lithologic histogram of Jurassic in Niudong Area, Qaidam Basin

牛東地區(qū)侏羅系儲層巖石骨架為石英,巖屑成分復(fù)雜,主要為方解石和鈉長石(圖2a)。儲層粒度分布不均勻,以粗砂巖和中砂巖為主(圖2b)。由牛X井3 620～3 623 m區(qū)段的巖心鑄體薄片可見,儲層空間發(fā)育裂縫、貼?？p和粒內(nèi)溶蝕縫(圖3)。儲層物性發(fā)育中等,平均孔隙度為8.1%,平均滲透率為0.63×10-3μm2,屬于低孔低滲儲層(圖4)。

圖2 侏羅紀儲層巖性特征Fig.2 Jurassic reservoir lithology

圖3 侏羅紀儲層孔隙類型特征Fig.3 Characteristics of pore types in Jurassic reservoir

圖4 侏羅紀儲層孔滲分布Fig.4 Jurassic reservoir porosity and permeability distribution

根據(jù)牛東地區(qū)毛管壓力參數(shù)統(tǒng)計分析,砂礫巖儲集層的排驅(qū)壓力最低為0.042 MPa,最高為0.76 MPa;平均吼道半徑最低為0.967 μm,最高為17.5 μm;最大進汞飽和度最低為58.9%,最高為80.1%;退汞效率最低為26.2%,最高為38.7%。毛管壓力曲線參數(shù)變化較大,牛東地區(qū)砂礫巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強。

2 電成像測井孔隙度譜的計算方法

已有研究表明,電成像測井所測量的電阻率不是地層的真實電阻率。在電成像測井中,電流的流動方式、聚集以及探測深度與側(cè)向測井相似,可選用淺側(cè)向電阻率作為刻度標準[19]:

(1)

電成像測井測量的電阻率反映儲層沖洗帶的信息,利用阿爾奇公式進行標定[20]:

(2)

式中:a、b為與巖性有關(guān)的系數(shù);m為膠結(jié)指數(shù);n為飽和度指數(shù);φ為孔隙度;Sxo為沖洗帶含水飽和度;Rxo為沖洗帶電阻率;Rmf為泥漿溶液電阻率。再把刻度后的電阻率Ri代入計算,得到的孔隙度記作為φi,用常規(guī)淺側(cè)向電阻率RLLS得到的孔隙度記作φ0,代入式(2)并整理得

(3)

再把式(1)代入式(3):

(4)

通常選取一個圖像窗口,利用式(4)依次計算每個窗口中成像測井點的孔隙度,得到對應(yīng)地層的孔隙度譜。應(yīng)用此方法處理研究區(qū)的電成像資料,得到3種典型的孔隙度譜分布類型(圖5):I類儲層,孔隙度譜以單峰窄譜為主,譜峰靠前,儲層較均一,主要為基質(zhì)孔,物性偏差,非均質(zhì)性弱;Ⅱ類儲層,孔隙度譜以雙峰為主,譜分布范圍較寬,主峰相對靠前,相比次生孔隙,基質(zhì)孔隙更為發(fā)育,非均質(zhì)性一般;Ⅲ類儲層,孔隙度譜以多峰寬譜為主,主峰相對靠后,相比基質(zhì)孔隙,次生孔隙更為發(fā)育,非均質(zhì)性強。

圖5 孔隙度譜形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.5 Morphological structure of porosity spectrum

圖6為牛東地區(qū)牛X井3 340～3 370 m井段儲層孔隙度譜。牛X井孔隙度譜形態(tài)有單峰窄譜型、靠前的雙峰寬譜型和靠后的多峰寬譜型。為了更精確評價砂礫巖復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和層內(nèi)非均質(zhì)性,對孔隙度譜做進一步分析。

圖6 牛東地區(qū)牛X井3340～3370 m砂礫巖孔隙度譜Fig.6 Porosity spectrum of conglomerate 3340～3370 m from Niu X well in Niudong area

3 利用孔隙度譜評價儲層層內(nèi)非均質(zhì)性

3.1 均值方差法評價儲層層內(nèi)非均質(zhì)性

(5)

(6)

式中:φi是用電成像方法測量測井曲線的孔隙度;pi為其對應(yīng)孔隙度的頻數(shù)。

3.2 洛倫茲系數(shù)法評價層內(nèi)非均質(zhì)性

洛倫茲系數(shù)又叫基尼系數(shù),最早是在經(jīng)濟學(xué)中使用,而后廣泛用于評價儲層的非均質(zhì)性。洛倫茲系數(shù)法是利用儲集層實測資料的真實孔隙度貢獻曲線和理想儲集層絕對均質(zhì)曲線所圍的區(qū)域,與儲集層的絕對均質(zhì)曲線和縱軸所圍區(qū)域的面積之比來反映儲集層的非均質(zhì)性程度[22]。

將要計算的某深度段測井曲線的數(shù)值按一定順序排列,得到y(tǒng)1,y2,…,yi,…,yn;它們的深度間隔為Δdi。令:

(7)

得到該深度段的洛倫茲曲線函數(shù):

(8)

(9)

圖7中,橫軸x上的點代表測井值所在的深度間隔;縱坐標f(x)代表待求層段單條測井曲線上的測井值貢獻;曲線BMC為洛倫茲曲線。洛倫茲曲線BMC和直線BC所圍面積是反映儲層非均質(zhì)程度的重要指標,面積越大,非均質(zhì)性也就越強。當曲線BMC與直線BC重合時,儲層是完全均質(zhì)的。洛倫茲系數(shù)值L可以表示為曲線BMC和直線BC的面積S1與三角形BCD的面積S2之比,即

(10)

圖7 洛倫茲系數(shù)計算示意Fig.7 Schematic diagram of Lorentz coefficient calculation

3.3 集中程度函數(shù)法評價儲層層內(nèi)非均質(zhì)性

集中程度函數(shù)最初是在氣象中表征云朵的分布情況,反映數(shù)據(jù)在一定程度上對平均態(tài)的偏離程度[23]:

(11)

4 綜合概率法評價儲層層內(nèi)非均質(zhì)性

綜合概率法是通過對某一目標的多種不同評價方法進行綜合評判,得出一種綜合概率指標,從而對該儲層進行分類。相對于單獨的非均質(zhì)性評價方法,綜合概率法是一種更加準確全面的評價方法[24]。選擇綜合概率的方法,其關(guān)鍵在于選擇綜合概率函數(shù)的形式。本文選擇的綜合概率函數(shù)為

K=axi+byi+mzi+nwi,

(12)

式中:K為綜合概率指數(shù);xi為孔隙度均值;yi為孔隙度的方差;zi為孔隙度的洛倫茲系數(shù)值;wi為孔隙度的集中程度函數(shù)值;a、b、m、n為各參數(shù)對應(yīng)的權(quán)重。

4.1 利用層次分析法計算權(quán)重

層次分析法(AHP)最主要的就是構(gòu)建參數(shù)判斷矩陣,結(jié)合數(shù)學(xué)方法定性分析,再根據(jù)各個方案計算出的權(quán)重來解決問題。表1給出了參數(shù)比較的標度描述,表2為參數(shù)兩兩比較的結(jié)果。矩陣最大特征值為4.123 7,對應(yīng)的特征向量為{0.072 5,0.141 4,0.837 4,0.522 9},4個參數(shù)對應(yīng)的權(quán)重為{0.046 1,0.089 8,0.531 9,0.332 2}。對結(jié)果做一致性檢驗,得到一致性比例(CR)為0.045 8;CR<0.1,說明各個參數(shù)之間的比較是合理的。

表1 判斷矩陣標度定義Table 1 Scale definition of judgment matrix

表2 參數(shù)權(quán)重的配對比較矩陣Table 2 Paired comparison matrix of parameter weights

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特征,選取以上4個參數(shù)來融合非均質(zhì)綜合指數(shù),以此來定量表征儲層層內(nèi)非均質(zhì)性。由于所選取的參數(shù)具有不同的尺度,需要將其進行歸一化處理:

(13)

式中:fi為歸一化后的值;Xi為待處理值;Xmin為待處理參數(shù)組的最小值;Xmax為待處理參數(shù)組的最大值;p、q為常數(shù),也就是處理后所需要的范圍,這里取p=1,q=0。

4.2 利用綜合概率法進行儲層分類

將儲層孔隙度均值、方差、洛倫茲系數(shù)和集中程度函數(shù)歸一化處理后,根據(jù)權(quán)重計算得到的綜合概率K,當K≤0.07時為Ⅰ類儲層,0.070.2時為Ⅲ類儲層。對牛X井進行綜合概率法層內(nèi)非均質(zhì)性評價,效果如圖8所示。圖中給出了均值、方差、洛倫茲系數(shù)和集中程度函數(shù)4種非均質(zhì)性表征參數(shù)曲線,還給出了綜合概率函數(shù)曲線、儲層分類結(jié)果以及利用壓汞實驗的毛管壓力曲線,用于對分類效果進行驗證。根據(jù)解釋結(jié)果,3 605.32 m為I類儲層,排驅(qū)壓力和中值壓力均較小,毛管壓力曲線較為平緩,非均質(zhì)性弱;3 377.94 m為Ⅱ類儲層,排驅(qū)壓力較低,但中值壓力緩升高,毛管壓力曲線緩上升,非均質(zhì)性一般;3 510.30 m為Ⅲ類儲層,排驅(qū)壓力和中值壓力均偏高,毛管壓力曲線平緩段變短,非均質(zhì)性強。

圖8 牛X井侏羅紀儲層非均質(zhì)性評價結(jié)果Fig.8 Results of Jurassic reservoir non-homogeneity evaluation in Niu X well

將牛X井的毛管壓力曲線按照綜合概率法解釋結(jié)果進行分類(圖9),并結(jié)合儲層的粒度分析等資料對三類儲層特征進行評價(表3)。I類儲層綜合概率值小于0.07,孔喉連通性較好,為粗歪度,分選性較好,孔喉半徑較大,表明儲層的孔隙結(jié)構(gòu)和滲流能力好,是本地區(qū)最好的孔隙結(jié)構(gòu)類型,非均質(zhì)性弱;以長石巖屑砂巖為主,含少量礫石,填隙物為泥質(zhì)和方解石,碎屑顆粒破碎,見少量貼?？p和粒內(nèi)溶蝕縫。Ⅱ類儲層綜合概率值在0.07～0.2之間,孔喉連通性一般,為中等歪度,分選性中等,表明儲層的孔隙結(jié)構(gòu)和滲流能力中等,是本地區(qū)主要的儲層,非均質(zhì)性一般;為泥質(zhì)含礫不等粒長石巖屑砂巖,顆粒分選較差,填隙物為泥質(zhì)和方解石,碎屑顆粒破碎,未見孔隙。Ⅲ類儲層綜合概率值大于0.2,孔喉連通性差,為細歪度,分選性較差,表明儲層的孔隙結(jié)構(gòu)和滲流能力差,非均質(zhì)性強;以含泥礫質(zhì)粗巨粒長石巖屑砂巖為主,填隙物為泥質(zhì)和方解石,顆粒破碎劇烈,未見孔隙。

表3 綜合概率值劃分儲層類型Table 3 Classification of reservoir types by comprehensive probability values

圖9 牛X井巖心壓汞毛管壓力曲線Fig.9 Mercury capillary pressure curve of core injection in Niu X well

5 結(jié)論

1)研究區(qū)巖性復(fù)雜,礦物成分多樣,儲層孔隙發(fā)育裂縫、貼粒縫和粒內(nèi)溶蝕縫等多種類型,物性發(fā)育中等,孔喉類型復(fù)雜,毛管壓力曲線參數(shù)變化較大,均表現(xiàn)出強非均質(zhì)性。

2)引入洛倫茲系數(shù)和集中程度函數(shù),根據(jù)電成像測井資料得到孔隙度譜,結(jié)合層次分析法計算各指標權(quán)重,利用綜合概率函數(shù)對儲層進行分類。該方法在柴達木盆地牛X井侏羅系儲層非均質(zhì)性評價和綜合定量表征中取得較好效果。

3)研究區(qū)儲層按照非均質(zhì)性程度可劃分為3類:I類(K≤0.07),孔喉連通性較好,粗歪度,分選性較好,為弱非均質(zhì)性儲層;Ⅱ類(0.070.2),孔喉連通性差,細歪度,分選性較差,為強非均質(zhì)性儲層。研究區(qū)儲層主要發(fā)育強非均質(zhì)性類型和中等非均質(zhì)性類型。