一種基于等效介質(zhì)理論的儲(chǔ)層流體識(shí)別技術(shù)*

崔云江 陸云龍 汪瑞宏 李志愿 韓志磊

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)

流體性質(zhì)識(shí)別是儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。巖石聲學(xué)、力學(xué)特征強(qiáng)烈依賴其礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)及所含流體性質(zhì);基于巖石聲學(xué)、力學(xué)特征判別流體性質(zhì)是儲(chǔ)層流體識(shí)別的一個(gè)重要方法。

早期利用聲波測(cè)井“周波跳躍”現(xiàn)象定性判別氣層，后來(lái)隨著巖石物理技術(shù)的發(fā)展，逐步形成利用巖石物理模型定量識(shí)別流體性質(zhì)。邊會(huì)媛 等[1]等利用縱、橫波時(shí)差資料計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)，通過(guò)參數(shù)交會(huì)判別流體性質(zhì)，但該方法在應(yīng)用中受巖性、孔隙結(jié)構(gòu)等因素影響而存在一定不確定性。王元君 等[2]利用K-T模型并考慮巖性組分差異對(duì)彈性參數(shù)的影響進(jìn)行儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別，但未考慮流體在不同孔隙結(jié)構(gòu)中巖石彈性參數(shù)的差異，該方法僅適用于單一孔隙結(jié)構(gòu)下的儲(chǔ)層流體識(shí)別。Smith 等[3]基于Gassmann方程通過(guò)流體置換用于地震AVO流體檢測(cè)，但對(duì)干巖石模量的計(jì)算沒(méi)有提及理論方法。Grochau等[4]通過(guò)巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量了干巖石模量與飽和流體條件下巖石模量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，但未考慮孔隙結(jié)構(gòu)影響。Berryman[5]提出雙孔隙介質(zhì)理論，考慮孔隙結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致局部流動(dòng)的巖石模量的變化關(guān)系，但未給出模型的實(shí)際應(yīng)用效果。趙立新 等[6]引入泥質(zhì)砂巖雙重孔隙模型，對(duì)泥質(zhì)、砂質(zhì)部分孔隙分別計(jì)算，通過(guò)調(diào)整孔隙縱橫比(孔隙幾何形狀中短軸與長(zhǎng)軸的比值)定量反演，但該方法僅適用于泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層，且沒(méi)有涉及有效孔隙中喉道或裂隙等對(duì)流體較為敏感的孔隙參數(shù)評(píng)價(jià)。唐曉明[7]通過(guò)引入擠噴流理論建立孔-裂隙理論研究飽含流體條件下裂隙對(duì)彈性參數(shù)的影響，對(duì)流體性質(zhì)識(shí)別具有借鑒意義。李宏兵 等[8]通過(guò)對(duì)微分等效介質(zhì)模型模擬，給出孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖石彈性參數(shù)的影響，并給出近似的數(shù)值解，對(duì)于研究干巖石模量具有指導(dǎo)意義，但模型采用固定骨架參數(shù)，使得實(shí)際應(yīng)用受限。

本文從巖性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)等3個(gè)方面入手，通過(guò)計(jì)算變骨架參數(shù)值進(jìn)行巖性校正，利用微分等效介質(zhì)模型計(jì)算不同孔隙結(jié)構(gòu)下干巖石體積模量，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展流體性質(zhì)對(duì)巖石彈性參數(shù)影響的理論研究，通過(guò)流體模量與流體模量因子交會(huì)技術(shù)定量識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。渤海油田的應(yīng)用效果表明，本文方法儲(chǔ)層流體識(shí)別符合率顯著提高，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 方法原理

1.1 模型選取與使用

影響巖石彈性參數(shù)的因素包括骨架巖性成分、巖石孔隙度及孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙流體性質(zhì)等，因此需要建立一個(gè)能夠描述以上影響因素變化規(guī)律的解釋模型以精確分析儲(chǔ)層巖石特征。Norris[9]將Kuster-Toks?z[10]理論與微分等效介質(zhì)理論相結(jié)合，認(rèn)為對(duì)于復(fù)合材料中新加入的孔隙既能取代先前復(fù)合材料中的固體部分，也能取代已經(jīng)存在于材料中的孔隙部分，提出了Norris形式的微分等效介質(zhì)模型，見(jiàn)式(1)。該模型可以描述任意巖性多重孔隙條件下不同孔隙結(jié)構(gòu)巖石在包含不同流體性質(zhì)條件下彈性參數(shù)變化規(guī)律，且其數(shù)值解始終位于Hashin-Shtrikman[11]邊界之內(nèi)。

(1)

式(1)中：φ為孔隙度，f；K*(φ)、G*(φ)分別為巖石等效體積模量與剪切模量，GPa；Ki、Gi分別為包裹物體積模量與剪切模量，GPa；N為孔隙類型個(gè)數(shù)；i為孔隙類型序數(shù)；υi為第i種孔隙所占體積比，f；P*、Q*為極化因子，描述了在背景介質(zhì)中加入包裹體之后的效果。

式(1)可以描述當(dāng)巖石中存在不同孔隙縱橫比所對(duì)應(yīng)的孔隙空間時(shí)巖石的等效模量值。任一巖石孔隙結(jié)構(gòu)均包含孔隙和連通孔隙的喉道或裂隙，這兩部分的孔隙縱橫比存在差異，因此可以根據(jù)孔隙形狀及占據(jù)空間分為兩部分：一部分為占據(jù)較大空間的高孔隙縱橫比孔隙；另一部分為占據(jù)較小空間的低孔隙縱橫比孔隙(喉道或裂隙)。通過(guò)巖心鑄體薄片或成像測(cè)井資料可以給定不同孔隙縱橫比以及所對(duì)應(yīng)的孔隙體積含量，進(jìn)而描述儲(chǔ)層巖石特征對(duì)模型彈性參數(shù)的影響。圖1a為模擬石灰?guī)r孔隙型、孔隙-裂縫型、裂縫型等3種孔隙結(jié)構(gòu)類型儲(chǔ)層巖石體積模量變化規(guī)律,儲(chǔ)層孔隙充滿水且孔隙縱橫比分別為0.80(孔隙)、0.05(裂縫)，其中孔隙型儲(chǔ)層孔隙體積含量分別取95%(孔隙)、5%(裂縫)；孔隙-裂縫型儲(chǔ)層孔隙體積含量分別取60%(孔隙)、40%(裂縫)；裂縫型儲(chǔ)層孔隙體積含量分別取10%(孔隙)、90%(裂縫)。由圖1a可以看出，相同孔隙度下不同孔隙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層巖石體積模量存在較大差異，隨著裂縫增多或孔隙結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，儲(chǔ)層巖石體積模量逐漸降低；孔隙度越大，孔隙結(jié)構(gòu)特征影響也越大。圖1b為不同性質(zhì)流體飽和下巖石體積

圖1 多孔介質(zhì)理論對(duì)儲(chǔ)層彈性參數(shù)變化規(guī)律的模擬效果

模量變化規(guī)律，選取孔隙縱橫比分別為0.50(孔隙)、0.01(裂縫)，孔隙體積含量分別為95%(孔隙)、5%(裂縫)的純砂巖儲(chǔ)層，巖石骨架礦物選取石英。由圖1b可以看出，相同孔隙度下不同流體性質(zhì)巖石體積模量存在較大差異，且孔隙度越大差異越明顯。因此在實(shí)際資料處理過(guò)程中，首先根據(jù)地層巖性與孔隙結(jié)構(gòu)特征確定孔隙縱橫比，并計(jì)算不同孔隙縱橫比對(duì)應(yīng)孔隙的體積含量，在此基礎(chǔ)上選取合理的骨架參數(shù)值再由式(1)即可識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。

1.2 變骨架參數(shù)值計(jì)算

巖石骨架參數(shù)值是巖石物理模型中的重要參數(shù)，直接影響到模型的計(jì)算精度。由于受沉積環(huán)境的影響，巖石骨架巖性并不唯一。例如，陸相沉積的砂巖儲(chǔ)層巖石骨架中既包含石英與長(zhǎng)石，也包含黏土礦物，宏觀上體現(xiàn)為砂質(zhì)與泥質(zhì)的混合，并且砂質(zhì)與泥質(zhì)的比例隨著深度的變化而變化，導(dǎo)致巖石骨架測(cè)井參數(shù)值不斷改變。若采用傳統(tǒng)固定骨架值對(duì)式(1)中彈性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，模型數(shù)值解將受巖性變化的影響而產(chǎn)生誤差，所以需要采用變骨架參數(shù)值對(duì)式(1)進(jìn)行計(jì)算，從而達(dá)到校正并消除巖性影響的目的。巖石體積物理模型是建立測(cè)井響應(yīng)方程的基礎(chǔ)，因此采用等效體積模型同樣適用于描述骨架中巖性組分及含量之間的耦合關(guān)系，可以得到骨架真實(shí)參數(shù)值。對(duì)于兩種主要巖性成分所構(gòu)成的巖石骨架(例如砂巖儲(chǔ)層巖石骨架為砂質(zhì)與泥質(zhì))，可通過(guò)式(2)求取變骨架參數(shù)值。

(2)

式(2)中：DTCma、DTSma分別為縱、橫波變骨架時(shí)差值，μs/ft；DTC1、DTS1分別為巖性1的縱、橫波時(shí)差值，μs/ft；DTC2、DTS2分別為巖性2的縱、橫波時(shí)差值，μs/ft；v1、v2分別為巖性1、巖性2所占體積含量，f。

在實(shí)際資料處理過(guò)程中，對(duì)于碳酸鹽巖或花崗巖等特殊巖性地層，骨架時(shí)差直接通過(guò)礦物理論時(shí)差進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于砂泥巖地層，由于將泥質(zhì)作為骨架的一部分，因此泥質(zhì)時(shí)差的選取采用迭代方式，使得純泥巖位置聲波骨架值與測(cè)量值誤差最小。巖石骨架密度值可以利用ECS測(cè)井提供，或者利用式(2)進(jìn)行計(jì)算；結(jié)合式(2)的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系即可計(jì)算巖石骨架體積模量與剪切模量。在測(cè)井資料處理過(guò)程中，隨著不同深度點(diǎn)地層巖性剖面的變化即可實(shí)現(xiàn)變骨架模量值的定量計(jì)算。如渤海BZ28油田A井儲(chǔ)層為新近系明化鎮(zhèn)組砂巖，包含油、氣、水等3種流體，高孔高滲，孔隙結(jié)構(gòu)單一，主要受泥質(zhì)影響。由圖2所示的該井巖性校正前后縱波時(shí)差與縱橫波速比交會(huì)圖可以看出，巖性校正前儲(chǔ)層中不同流體性質(zhì)所對(duì)應(yīng)的時(shí)差值因受巖性影響區(qū)分效果較差，部分油、水層難以區(qū)分；巖性校正后的時(shí)差僅反映儲(chǔ)層流體性質(zhì)影響，使得包含不同流體性質(zhì)的儲(chǔ)層分布在理論計(jì)算線附近，儲(chǔ)層流體性質(zhì)區(qū)分明顯。

圖2 渤海BZ28油田A井巖性校正前、后縱波時(shí)差與縱橫波速比交會(huì)圖

1.3 流體模量與流體模量因子交會(huì)

將式(2)計(jì)算的變骨架參數(shù)值代入式(1),即可建立多孔介質(zhì)模型對(duì)儲(chǔ)層巖性、孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征，此時(shí)當(dāng)儲(chǔ)層飽含不同性質(zhì)流體時(shí)其巖石彈性參數(shù)僅反映流體性質(zhì)的差異，據(jù)此可以對(duì)儲(chǔ)層流體性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。如果不考慮孔隙空間流體性質(zhì)，根據(jù)式(1)、(2)即可計(jì)算出干巖石模量，此時(shí)根據(jù)Biot-Gassmann理論[12-14]將孔隙中流體替換為水，即可得到飽含水巖石模量，這2種巖石模量代表著儲(chǔ)層飽含流體時(shí)巖石模量的極限值，因此通過(guò)巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算的任一儲(chǔ)層的巖石模量分布于兩者之間，根據(jù)分布位置即可判別流體性質(zhì)。圖3為渤海BZ29油田B井由式(1)、(2)計(jì)算的巖石模量交會(huì)識(shí)別流體性質(zhì)效果圖，可以看出水層巖石模量(第6道綠線)與飽含水巖石模量(第6道藍(lán)線)重合，氣層巖石模量與干巖石模量(第6道紅線)接近，而油層巖石模量介于兩者之間，更接近飽含水巖石模量。

圖3 渤海BZ29油田B井多孔介質(zhì)模型法識(shí)別流體性質(zhì)

由于不同巖性儲(chǔ)層巖石彈性參數(shù)差異較大，為了能夠定量直觀地反映儲(chǔ)層流體性質(zhì)對(duì)巖石彈性參數(shù)的影響并且不受基質(zhì)背景的影響，有利于區(qū)域界限值的確定以及定量化解釋，在此定義流體模量因子M，以反映不同巖性儲(chǔ)層流體性質(zhì)的影響。

(3)

式(3)中：M為流體模量因子；K為儲(chǔ)層巖石體積模量(由測(cè)井資料計(jì)算得出)，GPa；Kdry為干巖石模量(根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算得出)，GPa；Ksatw為飽含水條件下巖石體積模量(因巖石飽含水，不再采用微分等效介質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算，而通過(guò)Biot-Gassmann理論[12-14]計(jì)算得出)，GPa。

不難看出，由式(3)計(jì)算的流體模量因子不受儲(chǔ)層巖性、孔隙特征影響，僅反映儲(chǔ)層流體性質(zhì)變化，對(duì)常規(guī)、復(fù)雜巖性儲(chǔ)層均適用。在干巖石模量計(jì)算基礎(chǔ)上，利用測(cè)井資料確定的巖石體積模量，根據(jù)Biot-Gassmann理論[12-14]進(jìn)行迭代計(jì)算，可以得到儲(chǔ)層流體模量Kf，即

(4)

式(4)中：Kf為流體模量，GPa；Km為巖石骨架模量，由式(2)計(jì)算得出，GPa。

由于采用變骨架參數(shù)，因此Km不再是固定值，即

(5)

式(5)中：ρma為骨架密度，g/cm3。

由此可見(jiàn)，流體模量與流體模量因子分別從流體本身特性、巖石包含流體特征反映了儲(chǔ)層流體性質(zhì)變化，兩者交會(huì)可直觀判別流體性質(zhì)。

2 應(yīng)用效果分析

圖4 渤海BZ26油田C井流體模量與流體模量因子交會(huì)法識(shí)別流體性質(zhì)

由渤海BZ26油田C井流體模量與流體模量因子交會(huì)法識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)效果(圖4)可以看出，該井測(cè)井曲線響應(yīng)特征反映典型的砂泥巖地層，儲(chǔ)層自然伽馬值較低、自然電位值較高(第1道)，中子、密度曲線存在交會(huì)(第5道)，為孔隙型儲(chǔ)層。根據(jù)渤海海域淺層砂巖孔隙與喉道特征，孔隙縱橫比分別為0.70、0.05，孔隙含量分別為95%、5%。②、④號(hào)層頂部氣層常規(guī)測(cè)井曲線電阻率較低(第4道)，中子、密度曲線 “鏡像”特征不明顯，而④號(hào)層經(jīng)DST測(cè)試日產(chǎn)氣66 441 m3、日產(chǎn)油49.6 m3，為帶氣頂油藏，常規(guī)測(cè)井不易區(qū)分氣油界面。通過(guò)流體模量與流體模量因子交會(huì)處理(第6道)可以看出：對(duì)于氣層，流體模量、流體模量因子交會(huì)差異明顯，出現(xiàn)“鏡像”特征；對(duì)于水層，流體模量與流體模量因子基本重合(⑤號(hào)層、①號(hào)層底部)；對(duì)于油層，流體模量與流體模量因子較為接近，兩者交會(huì)差異較小，與氣層、水層差異明顯。因此，對(duì)于常規(guī)測(cè)井識(shí)別困難的儲(chǔ)層，流體模量與流體模量因子交會(huì)具有較好的識(shí)別效果。

流體模量與流體模量因子交會(huì)法計(jì)算時(shí)考慮了巖性和孔隙結(jié)構(gòu)的影響，因此該方法對(duì)于不同類型儲(chǔ)層均適用。圖5為渤海油田常見(jiàn)儲(chǔ)層類型的流體模量參數(shù)計(jì)算結(jié)果交會(huì)圖，流體性質(zhì)識(shí)別結(jié)果均經(jīng)過(guò)測(cè)試、測(cè)壓、取樣得到了證實(shí)。其中，對(duì)于砂礫巖地層，采用礫石、砂質(zhì)2種成分進(jìn)行校正；對(duì)于碳酸鹽巖潛山，由于儲(chǔ)層巖性較為單一(石灰?guī)r或白云巖)，只對(duì)2種礦物均存在時(shí)進(jìn)行巖性校正；對(duì)于復(fù)雜巖性儲(chǔ)層，只對(duì)2種主要礦物成分進(jìn)行巖性校正。由圖5可以看出，盡管儲(chǔ)層巖性、孔隙結(jié)構(gòu)存在差異，但儲(chǔ)層流體性質(zhì)對(duì)巖石彈性參數(shù)的影響效果是一致的，即流體模量、流體模量因子在氣層中分布范圍較廣、數(shù)值最低，水層中數(shù)值最大，油層中數(shù)值介于氣層、水層之間，凝析氣層與油層計(jì)算結(jié)果存在一定重疊。

圖5 渤海油田儲(chǔ)層流體模量與流體模量因子交會(huì)圖版識(shí)別流體性質(zhì)

通過(guò)渤海油田不同儲(chǔ)層模量參數(shù)的交會(huì)統(tǒng)計(jì)，可以得到渤海油田不同流體性質(zhì)下模量參數(shù)的界限值(表1)。

表1 渤海油田儲(chǔ)層模量參數(shù)界限

3 結(jié)論

1) 從巖性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)等3個(gè)方面入手，通過(guò)引入微分等效介質(zhì)模型描述不同孔隙結(jié)構(gòu)特征下儲(chǔ)層巖石彈性參數(shù)變化特征，提出了變骨架參數(shù)計(jì)算方法，模型計(jì)算中骨架值根據(jù)實(shí)際地層巖性成分差異而變化，從而消除了巖性對(duì)模型彈性參數(shù)影響，使得該方法適用于不同巖性儲(chǔ)層。

2) 提出了流體模量因子計(jì)算方法，通過(guò)流體模量因子與流體模量交會(huì)技術(shù)可以直觀、定量地識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)，并給出不同流體性質(zhì)下儲(chǔ)層模量參數(shù)的區(qū)域界限值。本文方法在渤海油田的應(yīng)用效果良好，值得推廣應(yīng)用。

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