四川盆地基性火山巖氣層流體性質(zhì)測(cè)井判別方法

吳煜宇 唐 軍 賴(lài) 強(qiáng) 謝 冰 蔡 明 金 燕

（1. 中國(guó)石油西南油氣田分公司， 四川 成都 610041； 2. 長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

0 引 言

世界范圍內(nèi)火山巖以基性為主， 但就當(dāng)前中國(guó)火山巖勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程來(lái)看， 酸性火山巖居多［1-4］，而四川盆地西部二疊系火山巖屬典型的基性火山巖。 隨著中國(guó)石油總公司勘探力度的加大和測(cè)井新技術(shù)與新方法的持續(xù)推進(jìn)， 對(duì)川西地區(qū)火山巖目前在巖性識(shí)別、 儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)和識(shí)別等領(lǐng)域已基本能夠滿足勘探開(kāi)發(fā)需求。 測(cè)井面臨的主要難點(diǎn)之一是孔隙流體性質(zhì)判別， 因?yàn)樵搮^(qū)與新疆、 大慶等地的酸性火山巖相比具有電阻率值明顯降低且起伏不大的特點(diǎn)， 其導(dǎo)電機(jī)理與應(yīng)用在砂巖的阿爾奇公式并不匹配［5-8］。 傳統(tǒng)的基于電法測(cè)井的儲(chǔ)層流體性質(zhì)判別方法在川西火山巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中存在很大的局限性， 亟需開(kāi)展非電法測(cè)井的火山巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)評(píng)價(jià)方法研究。 曲線重疊法和交會(huì)圖法雖然屬于定性判別， 但由于其操作簡(jiǎn)單， 直接來(lái)源于原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)， 且容易建立與地質(zhì)信息的聯(lián)系， 一直受到測(cè)井分析家的青睞［9］。 新疆準(zhǔn)噶爾盆地酸性火山巖在中子—密度孔隙度重疊定性判別氣層的基礎(chǔ)上， 開(kāi)展了半定量的火山巖氣層判別方法研究［10］； 朱建華等［11］利用核磁和密度測(cè)井雙孔隙度的差別替代常用的中子-密度雙孔隙度來(lái)判別火山巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)； 單玄龍等［12］在火山巖亞相約束下用聲波—中子—密度3 種孔隙度疊置圖進(jìn)行氣層的識(shí)別。 針對(duì)陣列聲波測(cè)井資料在火山巖流體性質(zhì)判別中的應(yīng)用， 測(cè)井同行也做了大量研究工作， 出發(fā)點(diǎn)均是利用了縱、 橫波速度對(duì)孔隙流體性質(zhì)敏感的特點(diǎn)， 通過(guò)縱橫波速度比或泊松比來(lái)定性識(shí)別含氣地層。 如李同華等［13］、 王海華等［14］基于偶極橫波測(cè)井資料縱橫波速度比判別儲(chǔ)層含氣性； 邊會(huì)媛等［15］充分研究了橫波數(shù)據(jù)在低孔低滲氣層識(shí)別中的應(yīng)用效果。 此外， 物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬均證明， 隨著地層含氣飽和度的增大， 巖石的彈性模量、 拉梅系數(shù)等彈性力學(xué)屬性均會(huì)減?。?6-20］。 以上這些方法在定性判別氣、 水層上應(yīng)用效果良好， 但對(duì)于干層、 氣水同層等并未闡述， 尤其針對(duì)基性火山巖儲(chǔ)層的流體性質(zhì)判別研究得更少。

本文從陣列聲波、 密度測(cè)井資料的綜合應(yīng)用角度出發(fā)， 建立了基于流體有效壓縮系數(shù)和泊松比與巖石有效壓縮系數(shù)幅度差的半定量識(shí)別圖版， 同時(shí)， 為進(jìn)一步區(qū)分水層、 干層， 引入能夠反映地層彈性性能的拉梅系數(shù)， 建立了基于拉梅系數(shù)以及彈性模量差值的流體性質(zhì)判別方法。 將上述方法在四川盆地基性火山巖儲(chǔ)層中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用， 取得良好的應(yīng)用效果， 希望對(duì)中國(guó)基性火山巖的勘探技術(shù)提供借鑒。

1 用壓縮系數(shù)判別流體性質(zhì)方法存在的問(wèn)題

從氣體影響巖石總體彈性性能的角度出發(fā)， 利用泊松比（橫向變形系數(shù)）、 有效壓縮系數(shù)對(duì)氣體的敏感性可以實(shí)現(xiàn)氣層的定性判別。 隨地層含氣性的增加， 巖石有效壓縮系數(shù)會(huì)顯著增大； 雖然泊松比也會(huì)增大， 但巖石骨架會(huì)降低氣體對(duì)巖石總體橫向變形能力的改造能力， 所以利用泊松比與巖石有效壓縮系數(shù)重疊顯示， 作為一種定性判別儲(chǔ)層流體的方法。 但是， 實(shí)例表明單純依靠泊松比與巖石有效壓縮系數(shù)曲線重疊法不能滿足多井之間的橫向?qū)Ρ取?例如： YT1 井、 YS1 井在5 628 ～5 730 m 井段和6 380～6 435 m 井段均發(fā)育2 個(gè)氣層， 2 口井1號(hào)層的巖石有效壓縮系數(shù)與泊松比之間的幅度差均比2 號(hào)層大， 表明1 號(hào)層含氣性?xún)?yōu)于2 號(hào)層。 但是， 對(duì)比YT1 井和YS1 井儲(chǔ)層段， YS1 井整體的巖石有效壓縮系數(shù)與泊松比的差值要高于YT1 井，而實(shí)際試油結(jié)果YT1 井2 個(gè)儲(chǔ)層測(cè)試產(chǎn)純氣， YS1井2 個(gè)儲(chǔ)層合試測(cè)試產(chǎn)水， 含微氣。 因此， 單純依靠泊松比與巖石有效壓縮系數(shù)曲線重疊法不能滿足多井之間的橫向?qū)Ρ取?/p>

降低巖石物理反演多解性的有效方法之一是增加約束條件。 Gassman 方程明確描述了孔隙流體性質(zhì)與孔隙壓縮系數(shù)的關(guān)系， 公式為

利用式（1）、 式（2）， 通過(guò)縱波、 橫波速度、密度與彈性參數(shù)關(guān)系能夠得到隨井軸深度連續(xù)變化的孔隙壓縮系數(shù)。 計(jì)算結(jié)果： YT1 井和YS1 井1 號(hào)層均比2 號(hào)層孔隙壓縮系數(shù)高， 同樣反映2 口井由上往下含氣性逐漸減弱， 同時(shí)， 對(duì)比YT1 井2 號(hào)層和YS1 井1 號(hào)層的孔隙壓縮系數(shù)， 前者整體上要優(yōu)于后者， 說(shuō)明YT1 井2 號(hào)層的含氣性好于YS1井1 號(hào)層。

本文根據(jù)川西地區(qū)目前已測(cè)試的YT1 （測(cè)試氣層）、 YS1 （測(cè)試出水）、 HS1 （干層） 等井的6 個(gè)測(cè)試層段， 建立了泊松比和孔隙壓縮系數(shù)交會(huì)的流體性質(zhì)判別圖版（圖1）。

由圖1 可知， 氣層的判別標(biāo)準(zhǔn)為孔隙壓縮系數(shù)大于10 GPa-1， 巖石有效壓縮系數(shù)與泊松比差值大于0.06。 該方法能將氣層與非氣層（水層、 干層）分開(kāi)， 對(duì)于水層和干層的區(qū)分效果依然不明顯。 引入體積模型， 根據(jù)式（2） 推導(dǎo)建立不同含氣飽和度的壓縮系數(shù)計(jì)算方法， 圖2 的縱坐標(biāo)是當(dāng)前巖石與飽含氣巖石有效壓縮系數(shù)相對(duì)增量（即當(dāng)前巖石與飽含氣巖石壓縮系數(shù)的比值）， 橫坐標(biāo)是含氣飽和度。 從圖2 可見(jiàn)， 當(dāng)含氣飽和度在30%以?xún)?nèi)時(shí)， 壓縮系數(shù)相對(duì)增量對(duì)含氣飽和度很敏感， 且孔隙度越大， 壓縮系數(shù)增量變化越迅速， 表明利用該方法可以很好地判別儲(chǔ)層含氣性。

2 基于巖石彈性參數(shù)的孔隙流體判別新方法

圖2 是利用壓縮系數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層孔隙流體性質(zhì)判別的理論依據(jù)， 即隨著含氣飽和度的增高， 巖石有效壓縮系數(shù)相對(duì)增量變大。 但是該圖也反映出該方法存在的2 個(gè)不足： 一是孔隙度越小， 巖石有效壓縮系數(shù)相對(duì)增量變化越慢， 表明該方法在低孔隙度地層的應(yīng)用效果較差； 二是當(dāng)含氣飽和度大于30%以后， 壓縮系數(shù)相對(duì)增量曲線變化趨于平緩，即含氣性的敏感性會(huì)降低。 為此， 本文從2 個(gè)方面對(duì)基于壓縮系數(shù)的流體判別方法進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 基于拉梅系數(shù)的孔隙流體識(shí)別方法

經(jīng)研究證實(shí)， 溫度、 壓力環(huán)境一致時(shí)， 拉梅系數(shù)相比彈性模量、 泊松比與地層彈性有更好的相關(guān)性［21-23］。 國(guó)外研究表明， 利用拉梅系數(shù)λ、μ與密度測(cè)井曲線能對(duì)不同地區(qū)的頁(yè)巖氣進(jìn)行區(qū)分， 但同時(shí)指出地層巖性、 物性等因素會(huì)對(duì)區(qū)分效果有一定影響［23］， 為彌補(bǔ)依靠壓縮系數(shù)判別儲(chǔ)層流體性質(zhì)的單一性， 在分析含氣性與巖石彈性性能的關(guān)系之后， 建立拉梅系數(shù)與儲(chǔ)層流體性質(zhì)間的判別方法。

四川盆地火山巖以基性玄武質(zhì)熔巖和基性角礫熔巖為主， 組成火山巖的礦物組分和含量相對(duì)穩(wěn)定， 地層的拉梅系數(shù)主要受儲(chǔ)層物性的影響。 拉梅系數(shù)與體積彈性模量、 剪切模量、 巖石橫波速度vs之間的關(guān)系為

巖石的橫波速度按平均模型［25］進(jìn)行模擬計(jì)算，公式為

式中：vma——巖石骨架聲波速度， m／s；

vf——巖石孔隙聲波速度， m／s。

從火成巖地層中選取致密層段的聲波速度、 密度值用于本次巖性、 物性對(duì)地層拉梅系數(shù)的影響規(guī)律分析， 巖石骨架縱波速度取5 311 m／s， 巖石骨架橫波速度取2 855 m／s， 骨架密度為2.85 g／cm3，根據(jù)聲波速度、 密度與彈性模量之間的關(guān)系， 可計(jì)算出骨架彈性模量為58.98 GPa， 骨架體積模量為48.37 GPa， 骨架泊松比為0.29。 根據(jù)式（3） —式（5）， 可得到拉梅系數(shù)與孔隙度、 含氣飽和度關(guān)系（圖3）。

由圖3 可知， 隨著地層孔隙度的增大， 整個(gè)巖石的彈性性能將變好， 拉梅系數(shù)變小， 即λ（μ） ∝1／φ， 且隨孔隙度的增大，λ較μ減小更快； 孔隙度恒定， 隨著含氣飽和度的升高， 巖石拉梅系數(shù)λ與全含水時(shí)拉梅系數(shù)λw的比值降低。 四川盆地基性火山巖儲(chǔ)層物性與聲波時(shí)差具有明顯的正相關(guān)性， 即縱波時(shí)差越大， 孔隙度越大， 因此，拉梅系數(shù)與縱波時(shí)差Δtp的關(guān)系是λ（μ） ∝1／Δtp。 為進(jìn)一步降低孔隙度對(duì)地層拉梅系數(shù)的影響，擴(kuò)大地層流體對(duì)彈性參數(shù)的敏感性， 將巖石有效拉梅系數(shù)除以縱波時(shí)差， 即

式中 Δtp——縱波時(shí)差， μs／m。

這樣， 利用四川盆地已生產(chǎn)測(cè)試的井建立了基于拉梅系數(shù)的流體性質(zhì)判別圖版（圖4）， 利用該方法可以將氣層、 水層、 干層有效區(qū)分。

2.2 彈性模量差比值法

為改進(jìn)當(dāng)含氣飽和度變大后， 體積彈性模量敏感性降低的問(wèn)題， 馬明明、 劉國(guó)強(qiáng)等［17-26］從構(gòu)建巖石彈性模量與骨架彈性模量差值的方式提出了解決辦法， 雖然該方法在骨架值的估算上存在一定難度， 但對(duì)于降低巖性、 孔隙度的影響， 提高對(duì)儲(chǔ)層流體的敏感性有效果。 引入Biot 系數(shù)α， 則Gassmann 方程的另一種表達(dá)形式為

若定義模量差比值

根據(jù)式 （15）， 若火山巖骨架體積模量為40 GPa，骨架剪切模量為19 GPa， 氣的體積模量為0.055 GPa， 水的體積模量為2.25 GPa， 則可繪制含氣飽和度與模量差比值的關(guān)系（圖5）。 由該圖5 可見(jiàn)，W與Sg是線性關(guān)系， 且不受孔隙度大小的影響。 所以， 可以利用式（15） 進(jìn)行地層含氣性特征參數(shù)的定量提取。

圖5 含氣飽和度與模量差比值的關(guān)系Fig.5 Relations between the gas saturation and modulus difference ratio

3 實(shí)例應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

利用巖石壓縮系數(shù)-泊松比與孔隙壓縮系數(shù)、拉梅系數(shù)以及彈性模量差值構(gòu)建的3 個(gè)判別方法對(duì)2019 年新鉆探井TF2 井進(jìn)行了測(cè)井流體性質(zhì)判別。該井為油基鉆井液鉆井， 電阻率為陣列感應(yīng)測(cè)井，火山巖段電阻率整體很低， 且正負(fù)差異交替出現(xiàn)，以電阻率測(cè)井為主的流體性質(zhì)判別法仍難以適用，根據(jù)本文提供的方法， 通過(guò)密度測(cè)井及陣列聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)， 處理得到了火山巖段巖石有效壓縮系數(shù)、泊松比、 孔隙壓縮系數(shù)、 改進(jìn)的拉梅系數(shù)、 彈性模量差、 含氣飽和度等參數(shù)值。 該井儲(chǔ)層段巖石壓縮系數(shù)與泊松比差異明顯， 孔隙壓縮系數(shù)較高， 反映含氣性明顯， 縱向上， 1、 2 號(hào)儲(chǔ)層含氣性?xún)?yōu)于3號(hào)儲(chǔ)層； 但是， 測(cè)井計(jì)算的X1、Xn都很低， 反映地層彈性形變強(qiáng)。 同時(shí)計(jì)算的模量差比以及含氣飽和度均表示3 個(gè)儲(chǔ)層都為氣層。 又根據(jù)文中所建立的巖石壓縮系數(shù)與泊松比差值和孔隙壓縮系數(shù)交會(huì)以及經(jīng)物性校正后的拉梅系數(shù)交會(huì)2 個(gè)圖版的驗(yàn)證， TF2 井的1—3 號(hào)層均落在氣層區(qū)（圖6）， 但從含氣飽和度評(píng)價(jià)， 該井的3 號(hào)段含氣飽和度僅在20%～25%， 故綜合評(píng)價(jià)該井的3 個(gè)層均為氣層。

Gassman 方程是針對(duì)地層孔隙度發(fā)育好提出的計(jì)算孔隙流體壓縮系數(shù)的方法， 所以當(dāng)孔隙度偏小或者裂縫發(fā)育時(shí)， 該方法的使用效果將變差。 本文建立的基于拉梅系數(shù)的判別方法， 其物理基礎(chǔ)是地層氣含量越好， 巖石總體彈性性能越好， 拉梅系數(shù)變小， 即小作用力下也可以產(chǎn)生巖石變形， 同樣對(duì)地層的各向同性以及孔隙度有一定要求， 雖然能夠改進(jìn)巖石壓縮系數(shù)-泊松比判別法在水層、 干層的識(shí)別能力， 但對(duì)于同層、 含氣水層、 含水氣層仍存在問(wèn)題； 利用改進(jìn)的彈性模量差比值判別法可以對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行彌補(bǔ)， 總體而言， 以上3 種判別方法的適用條件存在差別（表1）， 在實(shí)際儲(chǔ)層流體性質(zhì)評(píng)價(jià)中， 將3 種判別方法結(jié)合能夠提高測(cè)井判別準(zhǔn)確度。

表1 3 種判別方法的適用性Table 1 Statistics of the applicability of 3 discriminating methods

4 結(jié) 論

（1） 泊松比與巖石有效壓縮系數(shù)重疊法可用于定性評(píng)價(jià)一口井縱向上的含氣性， 對(duì)于多井之間橫向的流體性質(zhì)判別效果較差。 利用Gassman 方程計(jì)算出的孔隙壓縮系數(shù)可提高對(duì)氣層的敏感性， 也能夠區(qū)分同口井中不同井段含氣性的差異。 將泊松比與巖石有效壓縮系數(shù)的差值和孔隙壓縮系數(shù)結(jié)合， 建立的二維火山巖儲(chǔ)層流體圖版， 可以區(qū)分氣層與非氣層， 但對(duì)水層以及干層判別效果較差。

（2） 拉梅系數(shù)總體反映地層彈性， 地層彈性又與地層含氣性密切相關(guān)， 地層含氣性越好， 拉梅系數(shù)總體越小， 但易受巖性、 物性等因素的影響，對(duì)氣水同層、 含氣水層等識(shí)別效果差。 四川盆地火山巖巖性大類(lèi)基本穩(wěn)定， 地層的縱波時(shí)差與儲(chǔ)層物性相關(guān)性好， 通過(guò)縱波時(shí)差對(duì)拉梅系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)后， 可提高拉梅系數(shù)對(duì)孔隙流體的敏感性， 將氣層、 水層以及干層明顯區(qū)分。

（3） 利用改進(jìn)的彈性模量差值法可以降低孔隙度對(duì)儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)的影響， 同時(shí)提高在不同含氣飽和度時(shí)的敏感性， 但需要精確掌握巖石固體成分的彈性模量。 具體操作時(shí)， 須將以上3 種方法綜合應(yīng)用， 首先利用壓縮系數(shù)-泊松比差值區(qū)分出氣層與非氣層， 然后對(duì)比拉梅系數(shù)和彈性模量差值的儲(chǔ)層流體識(shí)別效果， 區(qū)分出水層以及干層。 利用本文建立的評(píng)價(jià)方法為四川盆地基性火山巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)的跟蹤評(píng)價(jià)提供了有力技術(shù)支撐， 滿足了現(xiàn)場(chǎng)油氣快速評(píng)價(jià)的需求。