中江氣田沙溪廟組氣藏致密砂巖儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)

劉成川,陳 俊,黎華繼,王志章,胡華偉,李定軍

(1.中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司西南油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,四川成都610100;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京102200)

中江氣田沙溪廟組氣藏(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中江沙溪廟組氣藏)是受斷砂配置控制的以構(gòu)造-巖性氣藏為主的遠(yuǎn)源次生氣藏。該氣藏以淺水三角洲平原-前緣分流河道砂沉積為主要沉積物。儲(chǔ)層具有巖性復(fù)雜、厚度薄,致密(孔隙度Ф約為8.66%,滲透率K約為0.21mD(1mD=0.987×10-3um2)),非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)。儲(chǔ)集空間類(lèi)型多樣、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,次生孔隙占據(jù)重要地位,孔徑極差大,孔滲關(guān)系差,與大牛地氣田下石盒子組(Ф約為8.6%,K約為0.81mD)和蘇里格氣田石盒子組(Ф約為10.3%,K約為0.57mD)氣藏的情況類(lèi)似,是典型的低孔、低滲、低含氣豐度的“三低”氣藏[1]。測(cè)井儲(chǔ)層參數(shù)是測(cè)井綜合評(píng)價(jià)的重要依據(jù),氣藏的復(fù)雜性導(dǎo)致了測(cè)井響應(yīng)特征復(fù)雜多樣,使得孔隙度、滲透率、飽和度等測(cè)井儲(chǔ)層參數(shù)精度低,造成氣、水層誤判,從而影響了氣田的整體評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)。

由于“三低”油氣藏與常規(guī)儲(chǔ)層差異明顯,學(xué)者們進(jìn)行了大量的測(cè)井精細(xì)解釋模型研究,如建立孔隙度復(fù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,在滲透率模型中考慮孔隙喉道中粘土的影響,采用不同地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)方法評(píng)價(jià)飽和度等。隨著電成像、核磁共振等測(cè)井新技術(shù)的迅速發(fā)展,目前主流的研究方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法與核磁共振T2全譜數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)致密砂巖儲(chǔ)層滲透率[2]。利用Archie公式研究含水飽和度時(shí),選取準(zhǔn)確可靠的巖電參數(shù)是研究的關(guān)鍵。學(xué)者們對(duì)影響巖電參數(shù)的因素已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí),由于受巖石物性、粒度、孔隙結(jié)構(gòu)等眾多因素的影響,選用統(tǒng)一的巖電參數(shù)不能滿足飽和度評(píng)價(jià)的精度要求,因此各油氣田針對(duì)各自的地質(zhì)條件開(kāi)展孔隙度、流體礦化度、地應(yīng)力等參數(shù)與重要巖電參數(shù)的關(guān)系研究,并建立飽和度指數(shù)、膠結(jié)指數(shù)計(jì)算模型,力求提高含氣(油)飽和度的計(jì)算精度[3-5]。

中江氣田目前已進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段,因?yàn)閮H采用常規(guī)測(cè)井方法(主要為自然伽馬、深淺側(cè)向電阻率、補(bǔ)償聲波、補(bǔ)償中子以及密度測(cè)井等),故不能直接應(yīng)用基于核磁共振和電成像的測(cè)井評(píng)價(jià)方法,因此需要完善基于常規(guī)測(cè)井資料的儲(chǔ)層參數(shù)解釋模型,為地質(zhì)建模提供必要的基礎(chǔ)資料。

1 儲(chǔ)層“四性”關(guān)系

1.1 巖性和物性的關(guān)系

儲(chǔ)層巖石粒度是決定儲(chǔ)層物性、電性的關(guān)鍵因素之一。從圖1可以看出,當(dāng)儲(chǔ)層巖石碎屑顆粒細(xì)砂含量>75%時(shí),測(cè)井響應(yīng)為高自然伽馬、高電阻率特征,巖心分析孔隙度Por<4.0%,巖心分析滲透率Perm<0.1mD;當(dāng)儲(chǔ)層巖石碎屑顆粒粗砂含量>75%時(shí),自然伽馬值<55API,電阻率<15Ω·m,聲波時(shí)差>70μs/ft(1μs/ft≈3.28μs/m),孔隙度>10.00%,滲透率為0.1～1.0mD?？傮w而言,巖石粒度越粗,儲(chǔ)層物性條件越好,粗、中粒砂巖是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的基礎(chǔ)。

圖1 儲(chǔ)層巖石粒度-電性-物性關(guān)系(GR—自然伽馬;RD—深側(cè)向電阻率;RS—淺側(cè)向電阻率;AC—補(bǔ)償聲波;CNL—補(bǔ)償中子;DEN—補(bǔ)償密度;M2—儲(chǔ)層巖石碎屑顆粒粗砂含量;M3—儲(chǔ)層巖石碎屑顆粒中砂含量;M4—儲(chǔ)層巖石碎屑顆粒細(xì)砂含量;PORC—巖心實(shí)驗(yàn)分析孔隙度;PERMC—巖心實(shí)驗(yàn)分析滲透率)

由儲(chǔ)層巖心分析孔隙度-滲透率交會(huì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2)可知,細(xì)粒砂巖孔隙度主要為3.00%～9.00%,滲透率主要為0.01～0.20mD;中粒砂巖孔隙度主要為6.00%～15.00%,滲透率主要為0.04～1.00mD,巖石粒度對(duì)儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲能力具有顯著的影響。

圖2 儲(chǔ)層巖心分析孔隙度-滲透率交會(huì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.2 物性和含氣性的關(guān)系

為進(jìn)一步探索儲(chǔ)層物性與含氣飽和度之間的關(guān)系,我們對(duì)不同含氣飽和度下的縱、橫波速度進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。在不同孔隙度條件下,縱波時(shí)差隨著含氣飽和度的增大而增大,橫波速度則隨著含氣飽和度的增大而降低,縱橫波速度比(vP/vS)隨著含氣飽和度的增大而降低,說(shuō)明根據(jù)縱橫波速度比判定儲(chǔ)層含氣性的方法適用于中江沙溪廟組氣藏[6]。

值得注意的是,當(dāng)儲(chǔ)層物性較低(Φ<7%)時(shí),縱波時(shí)差雖然隨著含氣飽和度的增大而增大,但增大幅度小,縱橫波速度比對(duì)含氣飽和度的變化敏感性較差;而當(dāng)儲(chǔ)層物性較高(Φ>7%)時(shí),縱波時(shí)差和縱橫波速度比對(duì)含氣飽和度的變化反映則較為敏感。總體來(lái)說(shuō),在構(gòu)造、巖性相同的條件下,中江氣田沙溪廟組氣藏具有物性越好,含氣飽和度越高的特點(diǎn)。

圖3 縱波時(shí)差與含氣飽和度關(guān)系

圖4 橫波速度與含氣飽和度關(guān)系

圖5 縱橫波速度比與含氣飽和度關(guān)系

1.3 物性和含氣性對(duì)電性的影響

中江沙溪廟組氣藏不同物性和含氣飽和度的儲(chǔ)層電阻率差別大,范圍約為15～80Ω·m。儲(chǔ)層電阻率受巖石物性和含氣飽和度的雙重影響,儲(chǔ)層電阻率隨含氣飽和度的增大而增大,氣層和干層電阻率均隨孔隙度的減小而增大。

孔隙度、膠結(jié)指數(shù)與電阻率數(shù)值模型正演模擬結(jié)果如圖6所示,由圖可見(jiàn),孔隙度相同時(shí),儲(chǔ)層電阻率(Rt)值隨膠結(jié)指數(shù)的增大而增大,孔隙度越低,電阻率對(duì)孔隙度、膠結(jié)指數(shù)越敏感,但當(dāng)Φ>0.12時(shí)(圖中紅線處),電阻率對(duì)孔隙度、膠結(jié)指數(shù)的敏感性明顯降低(圖6中顏色越淺代表增大幅度越小,顏色越深代表增大幅度越大)。含水飽合度(Sw)分別為25%,50%,75%,100%的條件下,孔隙度、膠結(jié)指數(shù)和電阻率的數(shù)值模型正演模擬結(jié)果如圖7所示,可以看出,儲(chǔ)層電阻率受孔隙度、膠結(jié)指數(shù)、含水飽和度共同影響,三者均為儲(chǔ)層電阻率的重要影響因素(圖7中深綠色表明增大幅度大,淡紫色表明增大幅度小)。相比之下,巖石物性對(duì)電阻率的影響更為明顯。

圖6 孔隙度、膠結(jié)指數(shù)和電阻率的數(shù)值模型正演模擬結(jié)果

1.4 孔隙結(jié)構(gòu)特性對(duì)含氣性的影響

早期研究主要是將儲(chǔ)集層的孔隙結(jié)構(gòu)研究結(jié)果應(yīng)用于地層流體運(yùn)移及成藏規(guī)律研究,研究成果未廣泛應(yīng)用于油、氣、水測(cè)井評(píng)價(jià)。近些年的研究發(fā)現(xiàn),在低孔低滲致密儲(chǔ)層中,孔隙結(jié)構(gòu)直接影響儲(chǔ)層產(chǎn)能評(píng)價(jià)和油、氣、水層測(cè)井評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性[7-10]。因中江沙溪廟組氣藏地質(zhì)特征復(fù)雜,所以孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)該氣藏產(chǎn)能的影響尤為明顯。

圖7 不同含水飽和度(從左到右依次為25%,50%,75%,100%)條件下孔隙度、膠結(jié)指數(shù)和電阻率數(shù)值模型正演模擬結(jié)果

圖8為同一層位、同一河道的XX306和XX302井的測(cè)井曲線。兩口井的測(cè)井響應(yīng)特征差異不大,XX306井巖心實(shí)驗(yàn)分析孔隙度約為8.58%,XX302井巖心實(shí)驗(yàn)分析孔隙度約為9.1%;XX306井的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)(儲(chǔ)層品質(zhì)因子)約為0.18,XX302井的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)約為0.28。XX306井測(cè)試獲得天然氣產(chǎn)量約為900m3/d,XX302井測(cè)試獲得天然氣產(chǎn)量約為4.30×104m3/d,表明低孔低滲儲(chǔ)層的含氣性及產(chǎn)能與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖8 XX306井(a)和XX302井(b)的測(cè)井曲線(SP—自然電位;SH—泥質(zhì);C1—碳酸鹽含量;POR—孔隙度)

2 儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法

2.1 孔隙度及滲透率評(píng)價(jià)

孔隙度評(píng)價(jià)是在巖心歸位的基礎(chǔ)上,將聲波時(shí)差曲線與巖心孔隙度進(jìn)行擬合,建立關(guān)系式并進(jìn)行總孔隙度解釋,再根據(jù)威利公式[11-12]計(jì)算泥質(zhì)孔隙度,最后得到泥質(zhì)含量校正后的有效孔隙度。本文研究區(qū)有效孔隙度模型公式為:

(1)

式中:φe為有效孔隙度;tAC為聲波時(shí)差;Vsh為泥質(zhì)含量。

滲透率評(píng)價(jià)即建立巖心分析的滲透率與孔隙度簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,如指數(shù)或冪函數(shù)模型,但中江沙溪廟組氣藏的儲(chǔ)層孔隙和巖石結(jié)構(gòu)復(fù)雜,非均質(zhì)性強(qiáng),巖心分析孔隙度和滲透率在交會(huì)圖上分布分散,若依據(jù)傳統(tǒng)的單一關(guān)系建立滲透率模型,則計(jì)算的滲透率不能滿足致密儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)的要求。因此按照同一流動(dòng)單元范圍內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)特征大致相同的特點(diǎn),將巖心樣品分為幾類(lèi)流動(dòng)單元并分類(lèi)建立滲透率模型,從而達(dá)到提高非均質(zhì)致密儲(chǔ)層滲透率評(píng)價(jià)精度的目的,該方法稱(chēng)為流動(dòng)單元法。

流動(dòng)單元指數(shù)(FZI)定義如下:

(2)

式中:Fs為孔隙幾何形狀指數(shù);Sgv為礦物顆粒比表面積。

流動(dòng)單元指數(shù)將巖石礦物特征、孔喉特征相結(jié)合用于判定孔隙結(jié)構(gòu),可準(zhǔn)確描述氣藏的非均質(zhì)特征。將(2)式進(jìn)行反變換即可得到基于流動(dòng)單元的滲透率為:

(3)

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中這種孔滲模型是近似的直線(斜率相同)。因此可近似認(rèn)為同一直線上的樣品具有相似的孔喉特征,為同一類(lèi)流動(dòng)單元。根據(jù)中江沙溪廟組氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)情況,利用該區(qū)實(shí)驗(yàn)分析資料計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化孔隙度指標(biāo)、流動(dòng)單元指數(shù)、儲(chǔ)層品質(zhì)因子等參數(shù),采用K-Means聚類(lèi)[13-15]分析方法,將研究區(qū)樣品分為如圖9所示的3類(lèi)流動(dòng)單元。Ⅰ類(lèi)流動(dòng)單元主要包括中、粗粒砂巖以及少量泥巖,門(mén)檻壓力最低,中值半徑最大,最大進(jìn)汞飽和度最高,平均滲透率約為2.531mD;Ⅱ類(lèi)流動(dòng)單元主要包括中、細(xì)砂巖以及部分泥巖和泥質(zhì)粉砂巖,平均滲透率約為0.353mD;Ⅲ類(lèi)流動(dòng)單元滲透性最差,主要為細(xì)砂巖,泥質(zhì)含量較大,平均滲透率約為0.075mD。

圖9 研究區(qū)樣品3類(lèi)流動(dòng)單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果

分析各流動(dòng)單元的電性特征可知,AC、RD和RS的測(cè)井響應(yīng)組合對(duì)流動(dòng)單元敏感性高,因此,采用支持向量機(jī)(SVM)對(duì)井中取心段地層進(jìn)行流動(dòng)單元特征識(shí)別,并對(duì)未取心段地層進(jìn)行分類(lèi)預(yù)測(cè),可實(shí)現(xiàn)不同流動(dòng)單元的整體判斷,正確率達(dá)70%。根據(jù)不同流動(dòng)單元滲透率與孔隙度的關(guān)系,建立如下的不同流動(dòng)單元滲透率模型公式及參數(shù)(表1)。

將本文提出的流動(dòng)單元法應(yīng)用于中江沙溪廟組氣藏滲透率預(yù)測(cè)。如圖10所示中藍(lán)色曲線為采用傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)的滲透率曲線,紫色曲線為采用本文方法預(yù)測(cè)的滲透率曲線,紅色曲線為巖心分析的孔隙度及滲透率,可以看出,采用本文方法預(yù)測(cè)的滲透率更接近巖心分析滲透率。

2.2 飽和度評(píng)價(jià)方法

如圖11和圖12所示,中江沙溪廟組氣藏巖心的地層因素與孔隙度能夠較好地滿足雙對(duì)數(shù)關(guān)系,電阻率增大率與飽和度的雙對(duì)數(shù)關(guān)系也較為明顯,表明Archie公式適用于本研究區(qū)。不同河道擬合關(guān)系存在差異,說(shuō)明利用包含固定膠結(jié)指數(shù)(m)和飽和度指數(shù)(n)值的Archie公式計(jì)算含氣飽和度會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差,因此,我們嘗試引入其它測(cè)井參數(shù)修正模型表征參數(shù),從而完善含水飽和度模型。

表1 不同流動(dòng)單元滲透率模型公式及參數(shù)

圖10 XX109井滲透率預(yù)測(cè)結(jié)果(PERM—滲透率)

圖11 不同河道巖心地層因素的對(duì)數(shù)與孔隙度的對(duì)數(shù)關(guān)系

圖12 不同河道巖心飽和度的對(duì)數(shù)與電阻率增大率的對(duì)數(shù)關(guān)系

中江氣田沙溪廟組氣藏儲(chǔ)層的m,n值主要受儲(chǔ)層的孔隙度、泥質(zhì)含量等因素影響,而孔隙度、泥質(zhì)含量均可以利用測(cè)井資料求取。針對(duì)不同層位m,n值的主控因素,分層位建立m,n值與主控因素的關(guān)系式,可以得到隨儲(chǔ)層物性、巖性等變化的m,n參數(shù)值[16-22]。

(4)

式中:φe為有效孔隙度;a,b均為相應(yīng)的回歸系數(shù)。

n與孔隙度無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系,但與泥質(zhì)含量有良好的相關(guān)性,因此2號(hào)河道可變n的計(jì)算公式為:

(5)

對(duì)于相同層位4號(hào)河道,n與泥質(zhì)含量有著較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82,但與孔隙度相關(guān)性較差(相關(guān)系數(shù)僅為0.198),因此采用泥質(zhì)含量計(jì)算可變n的公式為:

(6)

孔隙度是孔隙結(jié)構(gòu)的宏觀體現(xiàn),泥質(zhì)含量在某種程度上反映巖石的粒度,與孔隙結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān),因此考慮m與孔隙結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性,結(jié)合壓汞資料可知,m與孔喉半徑關(guān)系密切(圖13),孔喉半徑越大,巖石連通性越好,m值越低。

本文選取儲(chǔ)層品質(zhì)因子(IRQ)作為評(píng)價(jià)儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的中間參數(shù)[23-27]。假設(shè)單位體積巖石樣品的孔隙由N個(gè)半徑為r的毛管組成,則:

(7)

式中:τ為毛管彎曲度。

由(7)式可以看出,宏觀上IRQ與儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率密切相關(guān);微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析可知,τ與IRQ也存在明顯的相關(guān)關(guān)系。因此,IRQ與巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙度、滲透率均相關(guān),是巖石微觀和宏觀物性特征的綜合反映。

如圖14所示,儲(chǔ)層品質(zhì)指數(shù)與膠結(jié)指數(shù)相關(guān)性良好,因此4號(hào)河道可變m的計(jì)算公式為:

(8)

圖13 4號(hào)河道孔喉半徑與膠結(jié)指數(shù)交會(huì)顯示

圖14 4號(hào)河道儲(chǔ)層品質(zhì)因子與膠結(jié)指數(shù)交會(huì)顯示

3 應(yīng)用效果

圖15 XX206井2050.0～2100.0m層段測(cè)井曲線(CAL1,CAL2分別代表不同時(shí)刻的井徑;1in=2.54cm)

4 結(jié)論

對(duì)于中江沙溪廟組氣藏而言,粗、中粒砂巖是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的基礎(chǔ),巖石粒度對(duì)儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲能力具有顯著的控制作用。儲(chǔ)層特性決定著含氣性,即當(dāng)儲(chǔ)層流通性好,儲(chǔ)層品質(zhì)好,儲(chǔ)層物性參數(shù)高時(shí),儲(chǔ)層的含氣飽和度高。電性特征為巖性、物性和含油氣性的綜合顯示,孔隙結(jié)構(gòu)特性對(duì)電阻率的影響更為明顯。

中江氣田沙溪廟組氣藏采用傳統(tǒng)的單一關(guān)系建立滲透率模型,計(jì)算得到的滲透率不能滿足致密儲(chǔ)層精細(xì)評(píng)價(jià)的要求,但以流動(dòng)單元為基礎(chǔ),分類(lèi)建立滲透率模型能提高滲透率評(píng)價(jià)精度。

Archie公式中m,n值與泥質(zhì)含量和孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)密切相關(guān),利用泥質(zhì)含量、孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)計(jì)算可變的m,n值,得到的含水飽和度對(duì)中江沙溪廟組儲(chǔ)層評(píng)價(jià)更為有效。