低對比度砂巖油層巖石組分核磁與常規(guī)測井聯(lián)合反演方法*

管 耀 馮 進(jìn) 劉君毅 高楚橋 王清輝 李兆平 石 磊 潘衛(wèi)國

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司 廣東深圳 518054； 2.長江大學(xué) 湖北武漢 430100）

目前利用測井資料計(jì)算地層泥質(zhì)含量的方法較多，如利用自然伽馬曲線的希爾奇公式法、利用密度與中子交會的交會法、利用多條常規(guī)曲線的最優(yōu)化方法等［1-4］。這些經(jīng)典方法應(yīng)用在與泥巖對比度大、易識別的細(xì)砂粒級以上為主的砂巖儲層能較準(zhǔn)確地計(jì)算泥質(zhì)含量，都是依賴目標(biāo)儲層與泥巖在常規(guī)曲線上的響應(yīng)差異。本文研究的恩平地區(qū)低對比度砂巖儲層巖性以極細(xì)砂以下粒級組分為主，細(xì)粒組分對放射性有較強(qiáng)的吸附作用，這類儲層真正的泥質(zhì)含量不一定高，但表現(xiàn)在自然伽馬曲線、密度和中子交會特征為高泥質(zhì)含量，利用經(jīng)典方法易將極細(xì)砂劃分為泥質(zhì)，而儲層評價上一般認(rèn)為僅粉砂和黏土部分組成泥質(zhì)，因此利用經(jīng)典方法計(jì)算得到的泥質(zhì)含量過大，易將砂巖儲層誤判為干層甚至泥巖。因此，本文旨在找到一種能準(zhǔn)確計(jì)算極細(xì)砂組分含量的方法。

雖然只用常規(guī)測井曲線結(jié)合最優(yōu)化方法也能反演出極細(xì)砂等易誤判為泥質(zhì)的細(xì)粒組分，但始終受常規(guī)測井曲線對比度低的影響，反演出的泥質(zhì)含量偏高，計(jì)算的孔隙度偏小，因此找到對低對比度砂巖儲層敏感的測井曲線就是解決此問題的關(guān)鍵。研究中發(fā)現(xiàn)核磁測井T2譜特征在泥巖層和低對比度砂巖層之間有明顯區(qū)別，表明核磁測井對低對比度砂巖儲層響應(yīng)敏感。本文經(jīng)過詳細(xì)論證，進(jìn)一步提出核磁“大孔率”曲線作為極細(xì)砂敏感曲線，將其加入最優(yōu)化測井解釋，用以識別低對比度油層并提高泥質(zhì)含量及孔隙度計(jì)算精度，即本文提出的核磁與常規(guī)測井聯(lián)合反演低對比度油層礦物剖面的方法。該方法已在珠江口盆地恩平地區(qū)淺層廣泛應(yīng)用，取得了很好的效果。

1 恩平地區(qū)淺層低對比度油層成因分析

恩平凹陷位于珠江口盆地珠一坳陷最西端，整體為北東—南西走向，西接陽江凹陷，東北與西江凹陷連接，東南接番禺低隆起，總面積超過5 000 km2。平面上以三角洲外前緣相帶沉積為主，巖性多為粉細(xì)砂巖、含泥質(zhì)粉細(xì)砂巖夾泥巖［5-6］。

從已有測試資料證實(shí)的砂巖油層中取38塊巖心（其中20塊來自正常油層，18塊來自低對比度油層），進(jìn)行巖心粒度分析實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)得到恩平地區(qū)韓江組、珠江組砂巖油層巖心粒度分析柱狀圖（圖1）。由圖1可以看出，恩平地區(qū)韓江組、珠江組正常油層巖心骨架顆粒集中分布于粗砂、中砂和細(xì)砂，而低對比度油層巖心骨架顆粒集中分布于極細(xì)砂和粉砂。

圖1 恩平地區(qū)淺層巖心粒度分析柱狀圖Fig.1 Core grain size analysis histogram of shallow strata in Enping area

取恩平地區(qū)X1井典型低對比度油層段，分析測井響應(yīng)特征，如圖2所示。圖2中，2 128～2 136.5 m井段為上覆泥巖層；2 136.5～2 152.5 m井段為低對比度油層；2 152.5～2 166 m井段為正常油層。

在深度2 145 m處取井壁心做粒度分析，結(jié)果表明，巖石組分以極細(xì)砂（3＜φ≤4）為主，占比68.7%，極細(xì)砂粒級以下包括粗粉砂、細(xì)粉砂和黏土（φ＞4）占比合計(jì)13.7%，即泥質(zhì)不超過13.7%（圖3），但該深度處測井自然伽馬值為100 API左右，接近于純泥巖自然伽馬值110 API，如用常規(guī)方法計(jì)算泥質(zhì)含量，結(jié)果均在80%以上［7］，將誤判為泥巖干層。

然而，從該井低對比度油層的核磁T2譜來看，其孔隙結(jié)構(gòu)特征介于泥巖層與正常油層之間，橫向馳豫時間大于33 ms的部分較多（圖2），說明其大孔隙占有一定比例，并非泥巖層或干層，這也是本文利用核磁測井資料參與反演粗粉砂含量的理論基礎(chǔ)。因此，恩平地區(qū)淺層低對比度油層的成因主要是巖石骨架顆粒細(xì)造成的。

2 巖石組分核磁與常規(guī)測井聯(lián)合反演方法原理

由于研究區(qū)低對比度油層的主要成因是極細(xì)砂含量高導(dǎo)致的自然伽馬值高，本方法的目的就是反演出易誤判為泥質(zhì)的極細(xì)砂巖組分含量，根據(jù)各巖性對應(yīng)的顆粒粒徑分布，在測井解釋中將“砂巖”這一地層組分分為顆粒粗、孔喉半徑大的“中細(xì)砂巖”（粒度分布范圍大于0.125 mm）和顆粒細(xì)、孔喉半徑小的“極細(xì)砂巖”（粒度分布范圍0.062 5～0.125 mm）。若能準(zhǔn)確計(jì)算“極細(xì)砂巖”含量，則能在低對比度油層高自然伽馬值的情況下計(jì)算出相對準(zhǔn)確的泥質(zhì)含量，從而解決研究區(qū)儲層參數(shù)計(jì)算精度問題。為了計(jì)算“中細(xì)砂巖”“極細(xì)砂巖”和泥質(zhì)，在地層組分變得更為復(fù)雜的情況下，常規(guī)的測井解釋方法不能解決這種復(fù)雜巖性問題，需采用最優(yōu)化測井解釋方法。

圖2 恩平地區(qū)X1井測井響應(yīng)特征Fig.2 Logging response characteristics of Well X1 in Enping area

圖3 恩平地區(qū)X1井低對比度油層巖心粒度分析結(jié)果Fig.3 Grain size analysis results of cores in lowcontrast reservoirs for Well X1 in Enping area

最優(yōu)化測井解釋的原理是將不同系列測井值建立響應(yīng)方程聯(lián)立求解，計(jì)算礦物組分含量和流體體積，利用優(yōu)化技術(shù)，通過調(diào)節(jié)各種輸入?yún)?shù)，如礦物測井響應(yīng)參數(shù)等，使方程矩陣的非相關(guān)性達(dá)到最小。由于測井得到的每一條曲線（測量值）可以看作是地層中各組分（包括礦物及孔隙流體）貢獻(xiàn)的疊加，因此可以建立測量值與各組分之間的響應(yīng)方程，測井得到幾條曲線就可以建立幾個線性或非線性的響應(yīng)方程，形成一個方程組聯(lián)立求解各組分體積含量，再通過設(shè)定約束條件得到最終合理的解。

若將砂巖分為中細(xì)砂和極細(xì)砂兩種，則地層中的組分有泥質(zhì)、中細(xì)砂、極細(xì)砂和孔隙流體等，設(shè)其在地層中的相對含量分別為Vsh、Vma1、Vma2和φ，則常規(guī)測井曲線的響應(yīng)方程通式可寫為

式（1）中：X為測井值；Xsh、Xma1、Xma2和Xf分別為泥質(zhì)、中細(xì)砂、極細(xì)砂和孔隙流體的測井響應(yīng)值。

由響應(yīng)方程構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)為

式（2）中：Bi為輸入的第i個測井值；m為測井值的個數(shù)；V j為第j個組分的含量；n為組分的個數(shù)；X ij為測井響應(yīng)參數(shù)；為目標(biāo)函數(shù)，通過求解該目標(biāo)函數(shù)就可得到各組分的相對含量。

在使用常規(guī)資料計(jì)算時，主要依靠自然伽馬以及三孔隙度計(jì)算地層組分含量，這些曲線存在兩方面不足：①中細(xì)砂與極細(xì)砂主要的礦物組分都是石英（SiO2），其密度、中子和聲波的礦物骨架值幾乎無差別，三孔隙度曲線對中細(xì)砂與極細(xì)砂的區(qū)分效果有限；②研究區(qū)低對比度油層自然伽馬值僅略低于泥巖層，自然伽馬曲線對泥巖與極細(xì)砂巖的區(qū)分效果有限。以上兩點(diǎn)原因?qū)е聝H使用常規(guī)測井曲線計(jì)算出的泥質(zhì)、中細(xì)砂和極細(xì)砂含量不準(zhǔn)。

本文提出了巖石組分核磁和常規(guī)測井聯(lián)合反演的方法，詳細(xì)推導(dǎo)過程如下。

核磁測井是目前唯一一種能表征孔隙結(jié)構(gòu)的測井方法，通過測量地層孔隙流體氫核的橫向馳豫時間T2，用T2時間長短表征孔隙空間大小，因此反演的核磁T2譜能準(zhǔn)確表達(dá)儲層孔隙空間大小的分布狀態(tài)。雖然泥巖和低對比度砂巖在常規(guī)曲線上看不出太大差別，但是在核磁T2譜上差異明顯，如圖2中泥巖層在T2譜上基本無可動孔隙，低對比度砂巖層有相對明顯可動孔隙，因此可以間接地認(rèn)為核磁T2譜對巖石中粒級較大砂巖骨架顆粒的響應(yīng)敏感，在顆粒分選和磨圓較好的條件下，核磁可動孔隙越大，粗粒組分越多。根據(jù)這一關(guān)系，得到核磁T2譜分布與低對比度砂巖中的極細(xì)砂含量有直接相關(guān)性的結(jié)論，這是本文方法的理論基礎(chǔ)。

泥巖、中細(xì)砂巖與極細(xì)砂巖等3種巖性的孔隙結(jié)構(gòu)有明顯差異，其中中細(xì)砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)最好，泥巖的孔隙結(jié)構(gòu)最差，極細(xì)砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)介于兩者之間。為了解決極細(xì)砂含量計(jì)算精度問題，考慮在最優(yōu)化測井解釋的目標(biāo)方程中加入核磁測井資料，用核磁資料與常規(guī)測井資料進(jìn)行聯(lián)合反演。

在核磁資料測得的T2譜中，通常認(rèn)為T2截止值小于3 ms的部分為泥質(zhì)束縛水，大于3 ms的部分為有效孔隙。取T2截止值大于3 ms且小于33 ms的部分為小孔隙φX（束縛孔隙），大于33ms的孔隙為大孔隙φD（可動孔隙）。在這一認(rèn)識的基礎(chǔ)上，定義大孔率參數(shù)R為大孔隙在有效孔隙中所占的比例，即

式（3）中：φD和φX分別為大孔孔隙度和小孔孔隙度，兩者都能通過核磁測井得到。由于大孔率參數(shù)能反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征，大孔率參數(shù)越大巖石的孔隙結(jié)構(gòu)越好，而泥巖、中細(xì)砂巖和極細(xì)砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征有明顯區(qū)別［8］，利用這一參數(shù)能較好地區(qū)分這3種巖性。

為了使用大孔率曲線參與計(jì)算地層組分，需要寫出大孔率曲線的響應(yīng)方程，并確定每種地層組分的骨架參數(shù)。大孔率骨架參數(shù)與常規(guī)測井骨架參數(shù)不同，以密度測井為例，在地層中每一種地層組分都有固定的骨架密度值，其大小取決于組分的化學(xué)成分和測量環(huán)境，如石英的化學(xué)成分為SiO2，這決定了石英的骨架密度值在2.65 g／cm3左右。而地層組分的大孔率與其化學(xué)成分關(guān)系不大，其值僅與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。因?yàn)榧兊V物或流體均沒有孔隙結(jié)構(gòu)，所以傳統(tǒng)體積模型中的各個組分沒有大孔率骨架參數(shù)值，也無法寫出響應(yīng)方程。

孔隙結(jié)構(gòu)是指巖石內(nèi)的孔隙和喉道類型、大小、分布及其相互連通關(guān)系。固體礦物骨架的排列形成了孔隙及孔隙結(jié)構(gòu)，而流體又填充在孔隙中，孔隙結(jié)構(gòu)決定了流體的存在形式。只有地層組分同時擁有固體骨架和孔隙流體時，該組分才有孔隙和孔隙結(jié)構(gòu)，也才有大孔率參數(shù)。為了寫出大孔率參數(shù)的響應(yīng)方程，將傳統(tǒng)的體積模型做修改，如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)體積模型與修改后的體積模型Fig.4 Traditional volume model and modified volume mode

將傳統(tǒng)體積模型中的有效孔隙度φ分為中細(xì)砂孔隙體積Vφma1和極細(xì)砂孔隙體積Vφma2，即

修改后的體積模型表達(dá)式為

在修改后的體積模型中，中細(xì)砂（含孔隙）V′ma1是指原體積模型中的中細(xì)砂Vma1與中細(xì)砂孔隙體積Vφma1之和，極細(xì)砂（含孔隙）V′ma2是指原體積模型中的極細(xì)砂Vma2與極細(xì)砂孔隙體積Vφma2之和，即

傳統(tǒng)體積模型中的泥質(zhì)、中細(xì)砂、極細(xì)砂和孔隙均沒有大孔率這一骨架參數(shù)，但修改后體積模型中的各組分表示的是骨架與對應(yīng)孔隙的結(jié)合，所以有大孔率這一骨架參數(shù)。根據(jù)修改后的體積模型寫出大孔率的響應(yīng)方程為

式（6）中：Rsh、Rma1和Rma2分別表示泥巖、中細(xì)砂巖（含孔隙）和極細(xì)砂巖（含孔隙）的大孔率，可以在巖性較純的層段讀取。

砂巖的有效孔隙度等于有效孔隙體積比總體積，即

式（8）中：V′為巖石總體積；V為巖石骨架體積；φ為巖石有效孔隙度。

將式（8）變形，得

同理，中細(xì)砂（含孔隙）V′ma1和極細(xì)砂（含孔隙）V′ma2可寫成

式（10）中：φma1為中細(xì)砂巖有效孔隙度；φma2為極細(xì)砂巖有效孔隙度。

巖石物理學(xué)中認(rèn)為，對于碎屑巖，其孔隙度大小的控制因素主要有：顆粒大小的均一性、膠結(jié)或固結(jié)程度、沉積和沉積后的壓實(shí)量、填充方式，與顆粒粒徑的大小沒有直接關(guān)系［9-12］，故可以假設(shè)純中細(xì)砂的有效孔隙度φma1和純極細(xì)砂的有效孔隙度φma2相等，即

式（4）中，2種砂巖的有效孔隙體積Vφma1和Vφma2可分別寫成2種砂巖的總體積V′ma1和V′ma2乘以2種砂巖的有效孔隙度φma1和φma2，即

將式（5）和式（11）代入式（12），得中細(xì)砂有效孔隙度φma1、極細(xì)砂有效孔隙度φma2和泥質(zhì)砂巖有效孔隙度φ之間的關(guān)系為

將式（13）代入式（10）和式（7），化簡得大孔率曲線的響應(yīng)方程為

定義視有效孔隙大孔率Rφ為

根據(jù)實(shí)際核磁測井資料，泥巖大孔率為0.05左右，低對比度油層大孔率為0.3～0.6，正常油層大孔率一般大于0.6。恩平地區(qū)正常油層泥質(zhì)含量一般小于15%，低對比度油層泥質(zhì)含量一般小于30%。對于有效儲層，式（15）中VshRsh相對于大孔率R可忽略不計(jì)，1-Vsh＞0.7，對式（14）整體的影響不大，為方便起見，忽略兩者的影響，則可將式（14）寫為

式（14）與式（16）之間的誤差為

估算誤差E的最大值時，有效孔隙度φ取最大值30%、泥質(zhì)含量Vsh取最大值30%、泥質(zhì)大孔率Rsh約為0.05，低對比度油層大孔率R取0.3～0.6，則E的最大值約為0.03～0.07，該值只有低對比度油層大孔率的1／10。因此，為了使用方便，實(shí)際計(jì)算時可使用式（16）。

式（16）形式與常規(guī)測井曲線的響應(yīng)方程通式一致，故可用其與常規(guī)測井曲線響應(yīng)方程共同構(gòu)筑最優(yōu)化測井解釋的目標(biāo)函數(shù)。聯(lián)合反演可利用核磁測井資料中的孔隙結(jié)構(gòu)信息區(qū)分泥巖、中細(xì)砂巖和極細(xì)砂巖，從而提高地層參數(shù)的計(jì)算精度。如圖2第6道大孔率曲線即為利用核磁測井資料計(jì)算的結(jié)果，顯示低對比度油層的大孔率與純泥巖層和正常油層有較大差異。

3 應(yīng)用效果

圖5為恩平地區(qū)X1井常規(guī)測井曲線反演結(jié)果與本文聯(lián)合反演方法計(jì)算結(jié)果對比，其中第10道為常規(guī)曲線反演出的地層組分，第8道為聯(lián)合反演出的地層組分，可看到在正常油層兩種方法計(jì)算的巖性組分含量結(jié)果幾乎一致，但在低對比度油層常規(guī)曲線反演的泥質(zhì)含量偏高、而聯(lián)合反演的地層組分多了極細(xì)砂含量，因此有了更準(zhǔn)確的泥質(zhì)含量。

由于有了準(zhǔn)確的泥質(zhì)含量，滲透率等參數(shù)計(jì)算也更準(zhǔn)確，如圖5中第7道為兩種方法計(jì)算出的滲透率與巖心分析滲透率對比，可見本文聯(lián)合反演方法計(jì)算的改進(jìn)滲透率與巖心分析滲透率對應(yīng)性良好。由于該井低對比度油層巖心分析的孔隙度與滲透率證實(shí)了物性較好，并非泥巖干層，且2 141 m取得油樣證實(shí)了油層結(jié)論的可靠，因此聯(lián)合反演計(jì)算的泥質(zhì)含量與滲透率更準(zhǔn)確，說明聯(lián)合反演方法具有準(zhǔn)確識別低對比度油層與精確計(jì)算地層參數(shù)的優(yōu)勢。該方法在恩平地區(qū)5個油田共10口探井評價井中進(jìn)行了應(yīng)用，測井解釋低對比度油層平均泥質(zhì)含量由60%降低到20%左右，共識別出低對比度油層16層共67 m，增加石油探明儲量超過1 300×104m3，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 恩平地區(qū)X1井常規(guī)曲線反演結(jié)果與聯(lián)合反演結(jié)果對比Fig.5 Comparison of conventional curve inversion results and joint inversion results in Well X1 of Enping area

4 結(jié)論

1）恩平地區(qū)低對比度油層成因主要是極細(xì)砂等細(xì)粒組分含量高，細(xì)粒組分對放射性的高吸附作用造成其與泥巖在測井特征上的對比度低，并非泥質(zhì)含量高。

2）常規(guī)測井資料在計(jì)算泥質(zhì)、中細(xì)砂和極細(xì)砂含量的過程中，自然伽馬曲線對泥巖和極細(xì)砂的分辨能力較差，三孔隙度曲線對中細(xì)砂與極細(xì)砂的分辨能力較差，從而導(dǎo)致單獨(dú)使用常規(guī)資料進(jìn)行最優(yōu)化測井解釋求取的泥質(zhì)含量偏大。

3）核磁測井資料具有能表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征的優(yōu)勢，從核磁測井的T2譜中提取“大孔率”參數(shù)，用于區(qū)分泥質(zhì)、中細(xì)砂和極細(xì)砂，聯(lián)合常規(guī)測井資料的響應(yīng)方程，通過最優(yōu)化的方法進(jìn)行聯(lián)合反演，其計(jì)算結(jié)果與單獨(dú)使用常規(guī)測井資料反演的結(jié)果相比，泥質(zhì)含量更合理，孔隙度更精確。