巖石機(jī)械參數(shù)在致密砂巖流體識(shí)別中的應(yīng)用

曾靜波, 萬金彬, 程道解, 白松濤, 楊帆, 邢軍

(中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

研究區(qū)塊位于塔里木庫車地區(qū),目的層白堊系巴什基奇克組埋藏深,高溫、高壓,巖性復(fù)雜(主要以細(xì)砂、細(xì)～中砂為主,其次為中砂),儲(chǔ)集類型多樣(裂縫～微裂隙發(fā)育),物性差(孔隙度主要集中在1%～5%,比例在80%以上),非均質(zhì)性強(qiáng),孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在實(shí)際解釋評(píng)價(jià)中單單使用常規(guī)測(cè)井資料難以進(jìn)行油氣水識(shí)別。許多專家與學(xué)者已通過實(shí)驗(yàn)和理論研究表明,利用陣列聲波測(cè)井資料識(shí)別地層流體性質(zhì)行之有效[1-4]。本文在前人的工作基礎(chǔ)之上,針對(duì)研究工區(qū)特點(diǎn),選取陣列聲波測(cè)井資料提取縱、橫波速度信息,與常規(guī)測(cè)井資料結(jié)合計(jì)算反映地層巖石機(jī)械特性的參數(shù),由此建立的交會(huì)圖版可以有效識(shí)別氣水層。對(duì)低孔隙度低滲透率-特低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層的流體識(shí)別和勘探開發(fā)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

1 陣列聲波測(cè)井資料識(shí)別流體性質(zhì)原理

含氣地層中,地層的彈性性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變,直接結(jié)果導(dǎo)致縱波能量衰減明顯,而橫波能量變化不大,因?yàn)榈貙涌紫吨兴蜌庀嘣诼晫W(xué)特性上有很大的差異(表1是油氣水的理論聲學(xué)參數(shù)值[5]),可以通過陣列聲波測(cè)井資料提取出縱、橫波速度計(jì)算出一系列的巖石機(jī)械參數(shù)(體積模量、壓縮系數(shù)、波阻抗、泊松比、拉梅系數(shù)、剪切模量等),從中選擇構(gòu)建出對(duì)流體性質(zhì)敏感性強(qiáng)的參數(shù)建立交會(huì)圖版,從而達(dá)到識(shí)別流體性質(zhì)的目的。

根據(jù)致密砂巖聲波速度試驗(yàn)[6-7],隨著含氣飽和度的增加,縱波速度在一定范圍內(nèi)明顯減小,隨著物性(孔隙度、滲透率)的變好,縱波速度的變化也越大;橫波速度幾乎保持為一個(gè)常量或略有減小,這一結(jié)論與前面所述原理共同為識(shí)別研究工區(qū)的儲(chǔ)層流體性質(zhì)工作奠定了基礎(chǔ)。

表1 油、氣、水的聲學(xué)參數(shù)

2 巖石機(jī)械參數(shù)求取及其交會(huì)圖版

2.1 體積模量、剪切模量比值與地層壓縮系數(shù)

在彈性波動(dòng)理論中,體積模量與剪切模量比值及地層壓縮系數(shù)為

(1)

(2)

式中,κ為體積模量,無量綱;μ為剪切模量,無量綱;CB地層壓縮系數(shù),G·Pa-1;ρ為體積密度,g·cm-3;vp、vs分別為縱、橫波速度,m·s-1。

2.2 波阻抗與泊松比

波阻抗反映的是巖石中密度與聲波速度在不同流體性質(zhì)間的變化,表達(dá)式為密度與速度的乘積;泊松比反映了儲(chǔ)層的橫向應(yīng)變對(duì)縱向應(yīng)變的影響,對(duì)氣體反映敏感?？v、橫波阻抗以及泊松比表達(dá)式為

(3)

(4)

(5)

式中,Zp、Zs分別為縱、橫波阻抗,無量綱;λ、μ分別為拉梅系數(shù)、剪切模量,無量綱;ΔtR為飽和流體縱、橫波速度比,無量綱。

研究工區(qū)由于巖性的復(fù)雜多樣性與裂縫的存在,單一使用密度與縱波速度的乘積得到的波阻抗識(shí)別氣層的效果不太理想,在此,用縱、橫波阻抗構(gòu)建組合參數(shù)識(shí)別氣層。

由Biot理論,有

λ=λdry+β2M

(6)

式中,λdry為干燥巖石的體積參量;β為流體與巖石各自體積變化比值;M為與流體相關(guān)的參數(shù)。

構(gòu)建組合表達(dá)式

(7)

通過選擇合適的k1值使組合表達(dá)式最大化突顯出流體的影響,也最大化地減小固體基質(zhì)部分的影響。結(jié)合式(3)至式(5)得到

ρ[(λdry+β2M+2μ)-kμ]=ρβ2M

(8)

從而

(9)

式中,vpdry、vsdry分別為干燥巖石的縱、橫波速度。

參考1997年Han的實(shí)驗(yàn)[8],其中給出了幾種不同巖石的vp/vs特征(見圖1),取砂巖vp/vs的截止值1.46,得到k1值為2.15。

圖1 不同巖石的vP/vS特征

圖2 泊松比與波阻抗交會(huì)圖

2.3 拉梅系數(shù)與剪切模量

拉梅系數(shù)表征巖石不可壓縮性的度量,不僅與巖石成分有關(guān),還與巖石內(nèi)的流體性質(zhì)密切相關(guān);剪切模量表征巖石的剛性強(qiáng)度,只受巖石成分的影響,與巖石中的流體性質(zhì)基本無關(guān)。其表達(dá)式分別為

(10)

(11)

利用二者之間的差異可用來尋找氣層。與波阻抗識(shí)別氣層方法類似,構(gòu)建拉梅系數(shù)與剪切模量的組合參數(shù)進(jìn)行氣層識(shí)別,組合參數(shù)為λ-k2μ,類似地得到k2值為0.15。

圖2至圖4是用研究區(qū)域的8口試油井?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合上述巖石機(jī)械參數(shù)建立的交會(huì)圖版。從圖中看到氣層與純水層可以明顯的區(qū)分開來,氣層、氣水同層、含氣水層的波阻抗組合參數(shù)、泊松比、 拉梅系數(shù)與剪切模量組合參數(shù)數(shù)值明顯小于水層的數(shù)值,而在體積模量、剪切模量比值與地層壓縮系數(shù)交會(huì)圖版中,水層的數(shù)值較氣層、氣水同層、含氣水層數(shù)值大,除此之外氣層與氣水同層、氣層與含氣水層、氣水同層與含氣水層區(qū)分效果不好。表2是根據(jù)交會(huì)圖版得到的不同流體性質(zhì)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 拉梅系數(shù)差值與比值交會(huì)圖

圖4 κ/μ與地層壓縮系數(shù)CB交會(huì)圖

表2 研究工區(qū)不同流體性質(zhì)判別標(biāo)準(zhǔn)

圖5 A井巖石機(jī)械參數(shù)識(shí)別氣層效果圖(5 800～5 840 m)*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

3 應(yīng)用實(shí)例分析

圖5是A井識(shí)別巖石物理參數(shù)識(shí)別氣層效果圖。從常規(guī)測(cè)井曲線上可以看到井徑曲線較為規(guī)則,自然伽馬測(cè)井曲線在儲(chǔ)層段反映出了非均質(zhì)性(儲(chǔ)層段高值,非儲(chǔ)層段低值),自然電位測(cè)井曲線反映儲(chǔ)層段異常變化不明顯,井段底部32～33號(hào)層電阻率曲線呈現(xiàn)明顯的負(fù)向差異,深電阻率均值為4 Ω·m,呈現(xiàn)出明顯的水層特征;密度均值為2.53 g/cm3,聲波均值為60.36 μs/ft*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,反映出儲(chǔ)層物性較好,解釋為水層。20、23、26、28、30號(hào)層深電阻率均值在9 Ω·m左右,密度曲線明顯變大,均值為2.596 g/cm3,聲波與中子曲線相對(duì)有效儲(chǔ)層變小,均值分別為58.66 μs/ft、2.49%,物性明顯變差,解釋為干層。在井段的上部21、22、24號(hào)層電阻率呈低侵,均值為13 Ω·m,聲波變大,中子的挖掘效應(yīng)較為明顯,密度值明顯減小,其均值分別為63.5 μs/ft、6.35%、2.51 g·cm-3,解釋為氣層。25、27、29、31號(hào)層三孔隙度曲線變化趨勢(shì)與氣層相一致,均值分別62.6 μs/ft、5.87%、2.5 g/cm3,電阻率曲線基本重合或呈現(xiàn)高侵現(xiàn)象,平均值為6.5 Ω·m,解釋為氣水同層。第9～14道是計(jì)算出的用來識(shí)別流體的巖石機(jī)械參數(shù),可以看到在氣層段泊松比、波阻抗、拉梅系數(shù)與剪切模量差/比值、彈性參數(shù)都變小,壓縮系數(shù)變大,顯示出了明顯的相應(yīng)特征,而水層段與之相反,區(qū)分效果明顯。該井在5 800～5 840 m試油,日產(chǎn)氣178 339 m3,日產(chǎn)水103 m3,結(jié)論為氣水同層,試油結(jié)論與解釋結(jié)論基本一致。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)巖石所處的溫度和壓力一定時(shí),隨著含氣飽和度的增大,縱波速度在一定范圍內(nèi)減小明顯,橫波速度幾乎不變。

(2) 研究工區(qū)往往由于孔隙結(jié)構(gòu)、巖石組分膠結(jié)物等因素的影響,會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的壓縮系數(shù)值偏低,因此在用壓縮系數(shù)識(shí)別流體時(shí)要參考水層的值。

(3) 由于陣列聲波測(cè)井信息對(duì)含氣地層響應(yīng)明顯,再加上易受巖性、物性的影響,導(dǎo)致研究區(qū)塊內(nèi)的氣水同層、含氣水層與氣層無法區(qū)分,如何將其區(qū)分需在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)場陣列聲波測(cè)井信息,采用彈性模量、壓縮系數(shù)、構(gòu)建波阻抗、拉梅系數(shù)與剪切模量差/比值方法能夠有效地識(shí)別氣層,在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

(4) 陣列聲波測(cè)井受巖性、物性影響較大,但在低孔隙度低滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下,識(shí)別氣層方法仍然適用,只是準(zhǔn)確度有所降低。

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