泌陽凹陷深層致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)測井評價(jià)方法研究

章新文，毛海艷，謝春安，譚靜娟，賴富強(qiáng)

(1.中國石化河南油田分公司，河南 南陽 450000；2.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331；3.重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

0 引 言

泌陽凹陷安棚地區(qū)深層地層屬于特低孔、特低滲儲層，儲集空間由多種類型的孔隙組合而成，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1-2]，僅僅依靠孔隙度、飽和度等宏觀參數(shù)來評價(jià)致密儲層的有效性存在局限，因此，有必要結(jié)合孔隙結(jié)構(gòu)開展儲層綜合評價(jià)。通常實(shí)驗(yàn)室采用鑄體薄片、掃描電鏡、核磁共振實(shí)驗(yàn)、高壓壓汞和恒速壓汞等技術(shù)手段來進(jìn)行儲層孔隙結(jié)構(gòu)的表征[3-5]。

近年來，基于壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立核磁共振孔隙結(jié)構(gòu)評價(jià)模型得到推廣。實(shí)驗(yàn)研究表明，核磁共振T2譜與壓汞法均能很好地反映地層的孔隙結(jié)構(gòu)，二者之間存在著很好的相關(guān)性[6-7]。因此，中國學(xué)者針對核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為偽毛管壓力曲線開展了大量的研究[8-9]。目前的研究大多是利用核磁資料擬合求解，沒有考慮常規(guī)測井里包含的孔隙結(jié)構(gòu)信息，擬合求解得到的模型一般適用性較差，不同的區(qū)塊需大量的巖心數(shù)據(jù)擬合，同時(shí)，擬合模型考慮的信息量往往不夠，擬合過程會漏失了一些因素，得到的模型適用條件不明確[10-12]。因此，從Archie公式出發(fā)，提出將井筒泥漿侵入的過程近似等效為實(shí)驗(yàn)室高壓壓汞過程的假設(shè)，綜合利用常規(guī)測井和核磁共振測井聯(lián)合反演，通過公式推導(dǎo)得到核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為偽毛管壓力曲線的新模型，然后利用巖心分析資料進(jìn)行驗(yàn)證，并針對安棚深層致密砂巖儲層新鉆井開展孔隙結(jié)構(gòu)跟蹤評價(jià)和試氣驗(yàn)證分析。

1 安棚深層系致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

安棚深層儲層巖石成分以石英、巖屑和長石為主，孔隙類型以次生粒間溶孔為主，其次為組分內(nèi)溶孔及雜基內(nèi)微孔和裂縫孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[1]。根據(jù)A84、A2020井等7口井86個(gè)巖心樣品的高壓壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知：孔隙度主要分布在3.00%～5.00%，平均為4.85%；滲透率平均值為1.32 mD；平均最大孔喉半徑為1.57 μm；平均中值半徑為0.41 μm。

通過分析可知，孔隙度、排驅(qū)壓力、最大孔喉半徑均與滲透率整體上呈較好的線性關(guān)系(圖1)，其中，最大孔喉半徑與滲透率線性關(guān)系最好，孔隙度其次，排驅(qū)壓力與滲透率成負(fù)相關(guān)。

圖1 泌陽凹陷安棚區(qū)塊滲透率單因素分析

2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)反演模型研究

前人基于核磁共振實(shí)驗(yàn)與高壓壓汞手段對該區(qū)儲層孔隙結(jié)構(gòu)展開了大量的研究[8]，但在孔喉結(jié)構(gòu)應(yīng)用于儲層有效性評價(jià)方面的研究較少，如何從核磁共振測井T2譜中提取用于現(xiàn)場評價(jià)儲層孔喉的大小及分布參數(shù)，并直觀、定量表征孔喉結(jié)構(gòu)，最終有效評價(jià)泌陽凹陷安棚區(qū)塊低孔、特低滲透砂巖儲層有效性還未有定論?；跍y井資料，通過公式推導(dǎo)計(jì)算最大進(jìn)汞飽和度，構(gòu)建進(jìn)汞飽和度曲線，進(jìn)行偽毛管壓力曲線實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，最終計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 基于測井資料計(jì)算最大進(jìn)汞飽和度方法

測井過程中，由于泥漿柱壓力大于地層壓力，導(dǎo)致泥漿侵入地層，沖洗帶含水飽和度發(fā)生變化的過程，可以近似看成泥漿濾液驅(qū)替孔隙空間里自由流體的過程，則被驅(qū)替的自由流體飽和度為：

S=Sxo-Sw

(1)

式中：S為被泥漿濾液驅(qū)替的自由流體飽和度；Sw為原始地層含水飽和度；Sxo為沖洗帶含水飽和度。

驅(qū)替過程中壓力差為：

Δp=pb-pd

(2)

式中：Δp為壓力差，MPa；pb為井筒泥漿流體的壓力，MPa；pd為地層壓力，MPa。

在不同的Δp條件下，S有所不同，同時(shí)，S還受到巖石基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特別是孔喉半徑分布的影響，即：

S=f(p，r1，…ri)

(3)

式中：p為壓力，MPa；ri為不同成分巖石基質(zhì)的孔徑，μm。

劉衛(wèi)[11]的實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著p逐漸增大，S的增幅逐漸減小直至接近于0，并最終達(dá)到極值Smax，即：

(4)

根據(jù)紹維志[10]、王勇軍[12]等人的研究，最大進(jìn)汞飽和度SHgmax與巖石孔隙度、孔喉半徑大小呈正相關(guān)?？紫抖群涂缀戆霃皆酱蟊砻鲙r石物性越好，具有更好的油氣滲濾通道，則在井筒泥漿條件下，被泥漿濾液驅(qū)替的自由流體飽和度也會更大。據(jù)此，可假設(shè)SHgmax與S呈正相關(guān)關(guān)系，但泥頁巖、碎屑巖中泥質(zhì)的存在對孔喉影響不能忽略，其會降低基質(zhì)孔喉半徑，增加束縛流體含量，與SHgmax呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即：

(5)

式中：Vsh為泥質(zhì)含量；SHgmax為最大進(jìn)汞飽和度。

當(dāng)Δp達(dá)到最大時(shí)，p=pmax，此時(shí)，SHgmax將主要受泥質(zhì)含量以及被驅(qū)替的自由流體飽和度影響。根據(jù)式(4)、(5)，可建立SHgmax的工程近似計(jì)算模型：

(6)

式中：C1、C2、C3為待定系數(shù)，均大于0；pmax為最大壓力，MPa。

將式(1)帶入式(6)中，基于Archie公式計(jì)算Sw、Sxo，整理后得到：

(7)

式中：a、b為與巖性有關(guān)的Archie參數(shù)；Rmf為沖洗帶泥漿濾液電阻率，Ω·m；Rxo為淺側(cè)向測井電阻率，Ω·m；φ為孔隙度；m為巖性膠結(jié)指數(shù)；n為飽和指數(shù)；Sw為地層含水飽和度；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Rt為深側(cè)向測井電阻率，Ω·m。

式中：c、d均為大于0的待定常數(shù)，與巖性及其泥質(zhì)分布形式有關(guān)。

2.2 根據(jù)核磁共振T2譜計(jì)算進(jìn)汞飽和度曲線

對于水潤濕相的巖石，當(dāng)磁場近似均勻，且?guī)r石孔隙具有較為規(guī)則的幾何形狀時(shí)，不考慮擴(kuò)散弛豫，橫向弛豫時(shí)間主要受控于表面弛豫。基于核磁共振測井橫向弛豫時(shí)間譜，研究毛管壓力與毛管孔徑之間的關(guān)系[12]，得到毛管壓力與橫向弛豫時(shí)間的關(guān)系式為：

(9)

式中：pc為毛管壓力，MPa；T2為橫向弛豫時(shí)間，ms；C′為與汞的弛豫率以及孔隙形狀有關(guān)的常數(shù)，MPa·ms。

巖樣進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn)時(shí)，汞先進(jìn)入較大的孔隙空間，根據(jù)核磁共振基本理論，T2值越大，表明孔徑越大。橫向弛豫T2時(shí)間反向累加譜反映了汞逐漸進(jìn)入儲層孔隙空間的過程，核磁共振T2積分譜表達(dá)了孔隙度與T2時(shí)間的映射關(guān)系(圖2)，核磁共振測井經(jīng)過T2解譜后得到離散的T2積分譜曲線，則這種映射關(guān)系表達(dá)為：

φi=f(T2i)

(10)

式中：φi為與第i個(gè)T2組分相對應(yīng)的積分譜孔隙度；T2i為第i個(gè)橫向弛豫時(shí)間組分。

在高壓壓汞過程中，驅(qū)汞壓力不斷克服孔隙的毛管壓力，汞得以持續(xù)進(jìn)入；當(dāng)孔隙度為總孔隙度、驅(qū)汞壓力克服最小孔徑毛管壓力時(shí)，進(jìn)汞飽和度達(dá)到最大，即：

SHgi=SHgmax

(11)

式中：SHgi為進(jìn)汞飽和度。

結(jié)合式(8)—(11)，得到進(jìn)汞飽和度與驅(qū)汞壓力的關(guān)系為：

(12)

圖2 T2積分譜與反向累加譜

式(12)中，根據(jù)不同的φi得到了對應(yīng)的進(jìn)汞飽和度SHgi，式(10)表達(dá)了φi與橫向弛豫時(shí)間組分T2i的對應(yīng)關(guān)系，代入式(9)，可得SHgi與其對應(yīng)的驅(qū)汞壓力pi(MPa)之間的對應(yīng)關(guān)系。定義驅(qū)汞壓力pi為橫軸，進(jìn)汞飽和度SHgi為縱軸，即得到當(dāng)前測井深度的進(jìn)汞飽和度曲線。

該計(jì)算模型具有以下特點(diǎn)：①有明確的假設(shè)條件或適應(yīng)條件，即井筒泥漿侵入的過程近似等效為實(shí)驗(yàn)室高壓壓汞的過程；②不再是簡單的數(shù)學(xué)擬合，而是推導(dǎo)出了T2累計(jì)積分譜轉(zhuǎn)換成進(jìn)汞飽和度曲線理論計(jì)算方法，因此，可結(jié)合巖石物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定；③充分挖掘了常規(guī)測井與核磁共振測井中所包含的巖石孔隙結(jié)構(gòu)信息。

2.3 偽毛管壓力曲線計(jì)算模型標(biāo)定

選取研究區(qū)AN2050井的8個(gè)柱塞巖樣進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，驅(qū)汞壓力為0.01～32.10 MPa，選取其中23個(gè)離散的壓力數(shù)據(jù)，分別測定其對應(yīng)的進(jìn)汞飽和度。根據(jù)最小二乘法的思想，基于式(12)計(jì)算得到的毛管壓力與巖心得到的毛管壓力差異最小時(shí)，式(12)中待定系數(shù)c，d以及C′將得到標(biāo)定，即：

(13)

式中：SHg(p)為計(jì)算得到的累計(jì)進(jìn)汞飽和度關(guān)于驅(qū)汞壓力的函數(shù)；SHgc(p)為高壓壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的累計(jì)進(jìn)汞飽和度關(guān)于驅(qū)汞壓力的函數(shù)。

理論上，基于AN2050井8個(gè)柱塞巖樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建8組方程組，每組23個(gè)方程，求解式(12)中c、d和式(9)中C′。采用非負(fù)約束條件的奇異值分解算法進(jìn)行求解，確定c為0.12，d為0.58，C′為0.756。

經(jīng)過標(biāo)定后的偽毛管壓力曲線計(jì)算模型可以計(jì)算后續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)[12]，基于該模型計(jì)算的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和巖心測試對比如圖3所示。由圖3可知，基于測井資料計(jì)算的偽毛管壓力曲線與巖心實(shí)驗(yàn)得到的毛管壓力曲線(相同量綱正則化后)具有很好的一致性。統(tǒng)計(jì)表明，中值壓力、排驅(qū)壓力、孔徑加權(quán)均值、最大孔喉半徑、中值半徑相對誤差分別為14.8%、12.6%、10.7%、11.8%、13.4%，相關(guān)系數(shù)大于0.75。

圖3 AN2050井偽毛壓力曲線及孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

3 核磁孔隙結(jié)構(gòu)評價(jià)方法的應(yīng)用

3.1 識別有效儲層

將孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)反演模型應(yīng)用于致密砂巖儲層新鉆B441井(圖4)，針對該井H3VI層3 028.0～3 035.1 m井段，現(xiàn)場根據(jù)孔隙度為2.5%～5.9%，判斷該層為差油層。而核磁共振孔隙參數(shù)反演結(jié)果顯示，該井段最大孔喉半徑已經(jīng)達(dá)到了10.0 μm，且1.0～10.0 μm的孔喉半徑占比較大，指示孔隙結(jié)構(gòu)較好，故提高儲層解釋級別，解釋為油層，并更精準(zhǔn)地定位儲層品質(zhì)較好的井段為3 028.7～3 034.6 m。試油顯示，該儲層日產(chǎn)油為2.12 m3/d，驗(yàn)證了基于孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)反演解釋的結(jié)果。

圖4 B441井基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 識別差油層

將孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)反演模型應(yīng)用于研究區(qū)另一口新井FB99井，處理結(jié)果見圖5。由圖5可知，3 154.1～3 167.8 m井段(1號儲層)核磁共振測井有效孔隙度為3.1%～6.2%，深側(cè)向測井電阻率基本大于80 Ω·m，原測井解釋為油層；3 168.2～3 181.2 m井段(2號儲層)核磁共振測井有效孔隙度為2.3%～5.8%，深側(cè)向測井電阻率小于50 Ω·m，原測井解釋為油水層。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，核磁共振孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)中，1號和2號儲層1.0～10.0 μm孔徑孔隙度均低于1.0%，儲層基質(zhì)孔隙以小孔徑為主，孔隙結(jié)構(gòu)較差，因此，二次解釋結(jié)論將1號儲層調(diào)整為差油層。對1號儲層進(jìn)行射孔試油，儲層改造加砂12.5 m3，最終日產(chǎn)油為0.47 m3/d，產(chǎn)少量水，基于儲層孔隙結(jié)構(gòu)的二次解釋得到了驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

(1) 針對泌陽凹陷安棚區(qū)塊深層系致密砂巖儲層，充分挖掘了常規(guī)測井與核磁共振測井中所包含的巖石孔隙結(jié)構(gòu)信息，通過公式推導(dǎo)和巖石物理實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，可建立基于常規(guī)測井與核磁共振測井聯(lián)合反演的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)評價(jià)新模型。

(2) 基于常規(guī)測井和核磁共振測井資料聯(lián)合反演模型，得到的最大孔喉半徑、排驅(qū)壓力、飽和度中值半徑和飽和度中值壓力等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與巖心實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果相關(guān)性較好。利用核磁共振測井資料并結(jié)合常規(guī)測井可以反映儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征，為復(fù)雜儲層有效性識別以及產(chǎn)能的定性預(yù)測提供了有力支撐。該方法具有較好的應(yīng)用前景。

圖5 FB99井孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)反演模型