風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層礦物組分及孔隙度計算方法

陳文安,李綱,郭正權(quán),謝琳,劉國良,李貴梅

(中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院,甘肅敦煌736202)

0 引 言

風(fēng)西地區(qū)位于柴達(dá)木盆地西部坳陷區(qū)大風(fēng)山構(gòu)造帶西段,N1—N21時期為淺湖—半深湖沉積環(huán)境,發(fā)育灰云坪、藻席及砂壩沉積微相,儲層巖性以碳酸鹽巖為主、混雜陸源碎屑及泥質(zhì),具有明顯的混積特征。根據(jù)成因類型和沉積機制將碳酸鹽巖歸納為生物成因、物理化學(xué)復(fù)合成因2大類,結(jié)合成分和結(jié)構(gòu)特征,有效儲層細(xì)分為藻灰?guī)r和灰云巖這2類碳酸鹽巖。藻灰?guī)r碳酸鹽含量通常大于60%,在弱水動力條件下,藻呈水平紋層狀或波狀生長,通過早期固結(jié)作用形成藻架孔。在高能環(huán)境中,由藻體分泌的黏液不斷捕集黏結(jié)灰泥形成藻團(tuán)塊,呈不規(guī)則的多邊形或團(tuán)塊狀,膠結(jié)程度較低,內(nèi)部碎屑物、泥質(zhì)含量較高,壓實作用使得藻團(tuán)塊緊密相接,團(tuán)塊之間易發(fā)生淡水淋溶,形成藻格架次生溶孔,溶孔發(fā)育,但藻團(tuán)塊自身幾乎不溶解[1]?；以茙r碳酸鹽含量在30%～86%,形成于低能環(huán)境,幾乎全由顆粒直徑為0.001～0.004 mm的灰泥組成,含陸源碎屑與石膏,孔隙主要為白云石晶間孔加少量微裂縫。有效儲層孔隙度分布在5.0%～15.0%,平均為7.6%,中值為6.6%,60.4%的樣品滲透率小于0.02 mD(1)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,屬特低孔隙度特低滲透率型儲層。儲層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜,藻灰?guī)r與灰云巖孔喉結(jié)構(gòu)差異大,藻灰?guī)r平均孔喉半徑為224.4 nm,灰云巖平均孔喉半徑為86.3 nm,相比較而言藻灰?guī)r的孔喉結(jié)構(gòu)好、滲透性更優(yōu)。

由于多種因素的相互干擾,湖相復(fù)雜混積巖儲層定量評價遇到困難,為有效、有針對性地解決這些復(fù)雜問題,形成了將巖性掃描、高分辨率電成像、核磁共振與常規(guī)資料結(jié)合的精細(xì)儲層評價方法。巖心X衍射及巖心孔隙度資料表明,風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層巖性控制物性的特征明顯,有效儲層的孔隙度與碳酸鹽含量呈正相關(guān),與黏土含量、砂質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)。巖性掃描測井可以準(zhǔn)確確定地層礦物組分[2],核磁共振測井能提供儲層測井評價所需要的基本參數(shù),如總孔隙度、有效孔隙度、可動流體孔隙度等。但對于未進(jìn)行巖性掃描和核磁共振測井的井,要準(zhǔn)確確定儲層礦物組分及孔隙度,需要其它的可替代方法。本文通過儲層參數(shù)影響因素分析、巖心標(biāo)定,與理論模型結(jié)合形成了利用常規(guī)測井資料計算儲層礦物組分和孔隙度的新方法,解決了只有常規(guī)測井資料時儲層評價所面臨的困難。

1 礦物組分計算方法

風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層礦物組分復(fù)雜,包括白云石、方解石、石英、長石、伊利石、黃鐵礦、石膏等。面對如此多的礦物組分,可以利用巖性掃描測井基于元素測量反演地層的礦物組分,但利用常規(guī)測井系列很難實現(xiàn)礦物組分的準(zhǔn)確定量計算。因此,將復(fù)雜混積巖儲層礦物組分合并簡化為碳酸鹽、砂質(zhì)及黏土這3種組分。

通過敏感性分析發(fā)現(xiàn),儲層自然伽馬、聲波時差、中子孔隙度與礦物組分關(guān)系密切,相關(guān)性較好,能較好地體現(xiàn)巖性差異。為消除不同井各測井系列本身可能存在的系統(tǒng)差異,降低由平面上存在埋深、構(gòu)造等因素導(dǎo)致的巖性評價系統(tǒng)誤差,提高常規(guī)測井曲線計算礦物組分含量的精度,故把校正后的測井曲線進(jìn)行歸一化處理[見式(1)、式(2)、式(3)],并轉(zhuǎn)換為相對曲線,選擇N21地層橫向?qū)Ρ蕊@示全區(qū)穩(wěn)定性好的Ⅲ-Ⅳ砂組為標(biāo)準(zhǔn)層。

ACp=AC/AC0

(1)

CNLp=CNL/CNL0

(2)

GRp=GR/GR0

(3)

式中,ACp為聲波時差歸一化后的值;AC為聲波時差,μs/m;AC0為標(biāo)準(zhǔn)層聲波時差峰值,μs/m;CNLp為中子孔隙度歸一化后的值;CNL為中子孔隙度,%;CNL0為標(biāo)準(zhǔn)層中子孔隙度峰值,%;GRp為自然伽馬歸一化后的值;GR為自然伽馬,API;GR0為標(biāo)準(zhǔn)層自然伽馬峰值,API。

對測井曲線進(jìn)行歸一化處理的目的是有效提高礦物組分含量的求取精度,歸一化后的曲線不應(yīng)用于孔隙度等物性參數(shù)的計算。儲層黏土含量、碳酸鹽含量以X衍射分析及巖性掃描測井資料為依據(jù),建立解釋模型。黏土含量計算模型見式(4),碳酸鹽含量計算模型見式(5)。

Vsh=-26.3807+40.8026GRp+

20.0984CNLp-1.5194GRp×CNLp

(4)

Vca=142.3371-59.2026GRp-

35.8392ACp-5.0606GRp×ACp

(5)

式中,Vsh為黏土含量,%;Vca為碳酸鹽含量,%。

利用上述模型計算的黏土含量和碳酸鹽含量與巖性掃描測井和X衍射實驗結(jié)果具有較好的一致性,表明計算模型可靠(見圖1)。

圖1 風(fēng)西X-3井礦物組分計算模型解釋剖面驗證

2 孔隙度計算方法

2.1 總孔隙度計算模型

2.1.1總孔隙度計算模型的建立

選用92個層段的樣品,利用巖心分析孔隙度與巖性密度得到巖心刻度密度模型

φ=-69.272ρ+189.78

(6)

式中,φ為孔隙度,%;ρ為巖性密度,g/cm3。根據(jù)式(6)得到的相關(guān)系數(shù)為0.900 8。

2.1.2巖心刻度密度模型樣本層段的礦物組分代表性分析

巖心刻度密度模型代表了儲層孔隙度與巖性密度經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系,可以較好地體現(xiàn)儲層孔隙度情況,但模型中應(yīng)用的巖心樣本數(shù)據(jù)大多來源于灰云巖、泥質(zhì)灰云巖等巖樣,高碳酸鹽含量的儲層樣品數(shù)量較少。依據(jù)巖心X衍射資料,樣本層段的碳酸鹽巖含量平均為42.3%、黏土含量平均為26.6%、砂質(zhì)含量平均為25.2%,即建立的巖心刻度密度模型樣本層段的巖石骨架值與上述礦物組分匹配的骨架值相當(dāng)(見表1)。

表1 巖心刻度密度模型樣本層段X衍射礦物組分統(tǒng)計

由于部分儲層碳酸鹽含量較高,其骨架組分碳酸鹽含量可以達(dá)到50%以上,典型藻灰?guī)r層段碳酸鹽含量超過65%,導(dǎo)致利用巖心刻度密度模型計算高碳酸鹽含量儲層孔隙度會偏低,需要對該模型進(jìn)行修正,以提高高碳酸鹽巖儲層孔隙度的計算精度。

2.1.3總孔隙度校正模型的確定

由全巖礦物組分測試數(shù)據(jù)表明,碳酸鹽組分中方解石含量在9%～24%、白云石含量在8%～73%,以鐵白云石為主。因此,以純白云石骨架密度2.87 g/cm3作為純碳酸鹽巖骨架密度值。研究區(qū)地層水礦化度平均為150 000 mg/L,地層流體密度取1.10 g/cm3,代入密度測井孔隙度理論計算公式,化簡得到純碳酸鹽巖孔隙度計算公式

φ0=-56.497ρ+162.15

(7)

式中,φ0為純碳酸鹽巖孔隙度,%;ρ為巖性密度,g/cm3。

對比巖心刻度密度模型趨勢線與純碳酸鹽巖理論線,可以看到差別較大(見圖2),表明風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層的礦物組分復(fù)雜,其骨架值與純碳酸鹽巖骨架值有較大區(qū)別。從理論上分析,巖石從混積巖過渡到純碳酸鹽巖,其孔隙度—密度關(guān)系就會符合碳酸鹽含量100%的理論線。巖心刻度密度模型趨勢線主要受混積巖礦物組分控制,基本代表了碳酸鹽含量在42.3%左右的趨勢。兩者的不同之處在于斜率和截距的大小。因此,在巖心刻度密度模型趨勢線和純碳酸鹽巖理論線之間進(jìn)行插值,即可確定不同碳酸鹽含量情況下的總孔隙度計算模型,并消除用固定模型帶來的誤差,尤其可以提高碳酸鹽含量較高的儲層孔隙度計算精度。依據(jù)式(6)和式(7),得到風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層總孔隙度校正模型

φt=A0×ρ+B0

(8)

圖2 風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層(N1—N21)孔隙度校正圖版

A0=-78.523+0.2203Vca

(9)

B0=209.79-0.4764Vca

(10)

式中,A0、B0為與碳酸鹽含量相關(guān)的系數(shù);φt為總孔隙度,%。

利用風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層的總孔隙度校正模型對風(fēng)西X3井X X12.25～X X12.55 m藻灰?guī)r層段進(jìn)行孔隙度計算。該段X衍射分析得到的碳酸鹽含量為73.2%,巖心分析得到的孔隙度為11.3%,巖性密度為2.618 g/cm3,巖心刻度密度模型計算的孔隙度為8.4%;采用總孔隙度校正模型計算的儲層孔隙度為11.6%,該值與巖心分析得到的孔隙度誤差較小,表明總孔隙度校正模型提高了高碳酸鹽含量儲層孔隙度的解釋精度,提高了模型對巖性頻繁變化的適用性。

2.2 有效孔隙度計算模型

由于風(fēng)西湖相復(fù)雜混積巖儲層巖性復(fù)雜,主要的碳酸鹽組分、砂質(zhì)組分、黏土組分對孔隙有效性的影響不一。為此,以混積巖孔隙的分布和巖性間的相互影響為出發(fā)點,提出了孔隙度分配“假想”模型。假設(shè)混積巖各組分顆粒是均質(zhì)的,儲層總孔隙度可以表示為3種不同礦物的孔隙度之和,而不同礦物的孔隙度可以按照礦物組分的體積百分比將總孔隙度分配給各種礦物(見圖3)。碳酸鹽孔隙度模型為式(11),砂質(zhì)孔隙度模型為式(12),黏土孔隙度模型為式(13)。

φca0=φt×Vca

(11)

φsand0=φt×Vsand

(12)

φsh0=φt×Vsh

(13)

式中,φca0為一次分配后的碳酸鹽孔隙度,%;φsand0為一次分配后的砂質(zhì)孔隙度,%;Vsand為砂質(zhì)含量,%;φsh0為一次分配后的黏土孔隙度,%。

圖3 混積巖儲層孔隙度一次分配模型

研究表明,風(fēng)西復(fù)雜混積巖儲層孔隙度隨著碳酸鹽含量的增加而增大、隨著黏土含量和砂質(zhì)含量的增加而減小。因此,設(shè)碳酸鹽孔隙是有效的,則有效孔隙度表示為

φe0=φca0=φt×Vca

(14)

式中,φe0為一次分配后的有效孔隙度,%。

實際上,儲層顆粒存在非均質(zhì)性,在求取碳酸鹽孔隙度時,一次分配后砂質(zhì)組分和黏土組分中仍可能存在碳酸鹽組分,需要多次將砂質(zhì)孔隙度和黏土孔隙度按照礦物組分的體積百分比進(jìn)行重新分配,利用多次迭代逼近碳酸鹽組分實際的孔隙度(見圖4)。二次分配后有效孔隙度模型見式(15),將式(11)～式(13)代入式(15),則式(15)化簡為式(16)。

φe=φca0+φsand0×Vca+φsh0×Vca

(15)

φe=φt×Vca×(1+Vsand+Vsh)

(16)

式中,φe為二次分配后的有效孔隙度,%。

圖4 混積巖儲層孔隙度二次分配模型

利用核磁共振測井有效孔隙度對不同分配次數(shù)的有效孔隙度進(jìn)行標(biāo)定。圖5為風(fēng)西X-3井根據(jù)常規(guī)測井曲線計算的有效孔隙度,可以看出,按各種礦物組分的體積比一次分配得到的有效孔隙度(φe0)與核磁共振測井有效孔隙度具有一定的相關(guān)性,但精度較差。按各種礦物組分的體積比二次分配得到的有效孔隙度(φe)與核磁共振測井有效孔隙度相關(guān)性好,表明風(fēng)西地區(qū)總孔隙度分配2次后得到的有效孔隙度就可以滿足解釋的需要。

圖5 風(fēng)西X-3井有效孔隙度模型驗證

2.3 混積巖儲層可動流體孔隙度計算模型

巖心分析表明,風(fēng)西復(fù)雜混積巖儲層孔隙度隨著黏土含量、砂質(zhì)含量的增加,孔隙度減小,呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此,建立束縛水孔隙度與黏土孔隙度、砂質(zhì)孔隙度的關(guān)系就可以求取可動流體孔隙度。根據(jù)巖石體積模型(見圖6),提出可動流體孔隙度(φf)的基本計算模型

φf=φt-φb

(17)

圖6 巖石體積模型

式中,φf為可動流體孔隙度,%;φb為束縛水孔隙度,%。

同樣,考慮儲層顆粒的非均質(zhì)性,在求取黏土孔隙度或砂質(zhì)孔隙度時,一次分配后其他2種組分需要進(jìn)行再次分配。二次分配后,黏土孔隙度的計算模型見式(18),砂質(zhì)孔隙度的計算模型見式(19)。

φsh=φt×Vsh×(1+Vca+Vsand)

(18)

φsand=φt×Vsand×(1+Vca+Vsh)

(19)

式中,φsh為黏土孔隙度,%;φsand為砂質(zhì)孔隙度,%。

利用核磁共振測井得到的束縛水孔隙度對黏土孔隙度和砂質(zhì)孔隙度之和進(jìn)行標(biāo)定(見圖7),通過對比分析,按照各種礦物的體積比一次分配得到的φsh0和φsand0之和與核磁共振測井束縛水孔隙度具有一定的相關(guān)性,但精度較差。二次分配得到的φsh和φsand之和與核磁共振測井束縛水孔隙度相關(guān)性好,表明總孔隙度分配2次后得到的φsh和φsand之和可以表征束縛水孔隙度。由式(18)和式(19)可得束縛水孔隙度計算模型為

φb=φt×Vsh×(1+Vca+Vsand)+

φt×Vsand×(1+Vca+Vsh)

(20)

將式(20)代入式(17),則可動流體孔隙度計算模型為

φf=φt-φt×Vsh×(1+Vca+Vsand)-

φt×Vsand×(1+Vca+Vsh)

(21)

圖7 風(fēng)西X-3井束縛水孔隙度模型驗證

3 結(jié)論與建議

(1)通過敏感曲線分析,應(yīng)用歸一化處理的相對曲線建立了礦物組分解釋模型,提高了礦物組分計算的精度。

(2)巖心刻度與理論模型結(jié)合,建立的混積巖儲層孔隙度校正模型,大幅度提高了混積巖儲層總孔隙度計算精度,提高了模型對巖性頻繁變化的適用性。

(3)以混積巖儲層孔隙的分布和礦物組分間的相互影響為出發(fā)點,提出了孔隙度分配“假想”模型,盡管巖石的有效孔隙度和可動流體孔隙度的計算方法可能和實際情況存在一定差距,但最終利用巖心分析數(shù)據(jù)和核磁共振測井結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定驗證,建立的計算方法滿足風(fēng)西復(fù)雜混積巖儲層有效孔隙度和可動流體孔隙度解釋的需要。

(4)本文采用的技術(shù)對柴達(dá)木盆地柴西北復(fù)雜混積巖儲層的測井評價具有推廣和借鑒意義,可以降低特殊測井成本。