利用孔隙分類(lèi)法計(jì)算火成巖儲(chǔ)層滲透率的方法及其應(yīng)用

楊興旺,趙 杰,朱友青

(1.中國(guó)石油大學(xué)資源與信息學(xué)院,北京102249;2.中國(guó)石油大慶油田分公司勘探部,黑龍江大慶163453; 3.斯倫貝謝DCS,北京100016)

0 引 言

火成巖儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型多,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且火成巖儲(chǔ)層具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性。不經(jīng)次生作用改造的火成巖其孔隙的連通性差,滲透率低;經(jīng)風(fēng)化、溶蝕及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等次生作用改造的火成巖儲(chǔ)層具有碳酸鹽巖儲(chǔ)層類(lèi)似的孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]。在沉積巖地層,常用的滲透率計(jì)算方法是基于孔隙度大小和顆粒尺寸建立的,在碎屑巖儲(chǔ)層應(yīng)用效果較好,但在孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳酸鹽巖和火成巖儲(chǔ)層遇到挑戰(zhàn)。斯倫貝謝公司在碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究的基礎(chǔ)上提出了孔隙分類(lèi)法計(jì)算儲(chǔ)層滲透率[2]。在巖心和測(cè)井資料研究的基礎(chǔ)上認(rèn)為松遼盆地北部徐家圍子斷陷和南部長(zhǎng)嶺斷陷中部凸起帶火成巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)具有碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙類(lèi)似的特點(diǎn),利用孔隙分類(lèi)法計(jì)算該研究區(qū)火成巖儲(chǔ)層滲透率的效果較好。

1 火成巖儲(chǔ)層孔隙及滲透率特點(diǎn)

研究區(qū)松遼盆地火成巖儲(chǔ)層孔隙主要可歸并為氣孔(包括杏仁孔)、次生溶孔(粒間溶孔、基質(zhì)溶孔和斑晶溶孔)及晶間微孔3類(lèi)。未蝕變或未經(jīng)改造的火山熔巖,孔隙以晶間微孔和孤立的氣孔為主,孔隙度和滲透率很低。該類(lèi)巖石脆弱、易碎,常表現(xiàn)為裂縫或微裂縫發(fā)育。該類(lèi)巖石不是該研究區(qū)主要儲(chǔ)層,占據(jù)了約45%的火成巖體積。

凝灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙度稍高,主要由玻屑或晶屑組成,基本以氣孔和微孔隙為主,缺少有效溝通,滲透率低。巖心資料表明凝灰?guī)r儲(chǔ)層隨孔隙度增大,滲透率增加,但滲透率增大系數(shù)低于常規(guī)儲(chǔ)層。該類(lèi)巖石占據(jù)了約50%的火成巖體積。熱碎屑流形成的凝灰角礫巖和原地角礫巖儲(chǔ)層次生溶孔發(fā)育,該類(lèi)巖石是研究區(qū)火成巖物性最好的儲(chǔ)層。熱碎屑流角礫凝灰?guī)r中更多發(fā)育漿屑,可以保留大量的氣孔,所以可以有較高的孔隙度。溶蝕形成的原地角礫巖孔隙度具有較大的分布范圍,有時(shí)可達(dá)到20%左右,滲透率可以達(dá)到100×10-3mD(非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4μm2,下同)。

圖1為徐家圍子研究區(qū)火成巖地層不同巖性巖心孔隙度與巖心滲透率關(guān)系圖。火山溶巖(黃色數(shù)據(jù)點(diǎn))孔隙度和滲透率普遍低,缺乏規(guī)律性。凝灰?guī)r儲(chǔ)層(藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn))孔隙發(fā)育,孔隙度相對(duì)較高,但主要為氣孔和微孔隙,孔隙連通性差,滲透率低。角礫巖儲(chǔ)層(粉紅色數(shù)據(jù)點(diǎn))孔隙發(fā)育,孔隙度和滲透率變化較大,普遍高于凝灰?guī)r儲(chǔ)層。凝灰?guī)r和角礫巖儲(chǔ)層滲透率共同點(diǎn)是,隨孔隙度的增大,滲透率呈正比例升高,但遵循不同的變化規(guī)律,角礫巖儲(chǔ)層隨孔隙度的增大滲透率增加迅速。

在凝灰?guī)r儲(chǔ)層,利用SDR滲透率公式[2]計(jì)算的滲透率與巖心滲透率基本吻合。但在溶蝕角礫巖儲(chǔ)層,SDR滲透率公式計(jì)算的滲透率低于巖心滲透率。其根本原因是在溶蝕作用下角礫巖儲(chǔ)層發(fā)育孔喉較大的孔隙,且連通性好,滲流能力強(qiáng)。SDR等滲透率計(jì)算公式是基于砂泥巖地層的孔隙度和顆粒尺寸基礎(chǔ)上建立的公式,溶蝕孔洞發(fā)育的火成巖儲(chǔ)層與顆粒支撐的砂泥巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)存在差異,因此,SDR等滲透率經(jīng)驗(yàn)公式不適合次生孔洞發(fā)育的儲(chǔ)層。

圖1 火成巖儲(chǔ)層巖心孔隙度與滲透率關(guān)系圖

2 孔隙分類(lèi)法原理

孔隙分類(lèi)法計(jì)算滲透率又稱(chēng)為 P3A(Porosity Partitioning and Permeability Analysis)[2],是斯倫貝謝公司的碳酸鹽巖儲(chǔ)層滲透率計(jì)算方法。碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型和孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,滲透率的變化隨次生孔、洞以及裂縫的發(fā)育而呈急劇變化,P3A計(jì)算滲透率的基本思路是根據(jù)孔喉半徑把儲(chǔ)層孔隙分為微孔、中孔和大孔而進(jìn)行滲透率計(jì)算。

儲(chǔ)層的存儲(chǔ)能力和流動(dòng)能力是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層質(zhì)量的2個(gè)重要參數(shù),儲(chǔ)層存儲(chǔ)能力與儲(chǔ)層總孔隙體積φt和微孔隙體積Vmicro有關(guān),通常隨Vmicro/φt比值減小或中孔、大孔隙體積增加,儲(chǔ)層存儲(chǔ)能力增強(qiáng)(見(jiàn)圖2);儲(chǔ)層的流動(dòng)能力與大孔體積Vmacro和中孔體積Vmeso關(guān)系密切,通常隨大孔體積 Vmacro增加或[Vmacro/(Vmeso+Vmicro)]比值增大,儲(chǔ)層流體流動(dòng)能力增強(qiáng)[5]。

在碳酸鹽巖巖心研究的基礎(chǔ)上,把孔喉半徑小于0.5μm的孔隙劃分為微孔,微孔通常以束縛流體為主;把孔喉半徑大于5μm的孔隙劃分為大孔,大孔指孔喉大且具有連通性的孔隙;把孔喉半徑處于0.5～5μm的孔隙劃分為中孔,中孔是主要的儲(chǔ)集空間[5]。根據(jù)孔隙所含大孔、中孔和微孔的比例可以把儲(chǔ)層孔隙分成如圖3所示的8個(gè)級(jí)別[2],儲(chǔ)層的滲流能力和存儲(chǔ)能力隨孔隙級(jí)別不同而不同。

圖2 存儲(chǔ)能力和流動(dòng)能力與孔隙尺寸的關(guān)系

圖3 孔隙分類(lèi)示意圖

目前,沒(méi)有可行的測(cè)井技術(shù)直接測(cè)量孔喉半徑,常用的方法是利用與孔隙尺寸相關(guān)的核磁共振測(cè)井等資料建立與孔喉的間接關(guān)系。核磁共振 T2分布譜的表面弛豫率是受孔隙表面積和孔隙體積的比值控制的,孔隙表面積和孔隙體積的比值是與孔喉半徑的分布相關(guān)的,也就是說(shuō)核磁共振 T2分布譜與孔喉半徑相關(guān),因此,可以利用核磁共振 T2分布譜劃分與孔喉半徑相關(guān)的孔隙類(lèi)別。通常,微孔對(duì)應(yīng)短 T2分布譜部分,以束縛流體體積為主;大孔對(duì)應(yīng)長(zhǎng)分布譜部分,以次生孔洞為主。

大量碳酸鹽巖巖心分析資料表明,在粒間孔、晶間孔發(fā)育或者次生孔洞等大孔不發(fā)育的儲(chǔ)層,利用改進(jìn)的SDR滲透率計(jì)算公式,應(yīng)用效果較好。改進(jìn)的SDR滲透率公式中的孔隙度指數(shù)c從4改變?yōu)?,表明儲(chǔ)層滲流能力增強(qiáng),即在相同孔隙度情況下,碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙滲流能力比砂泥巖儲(chǔ)層強(qiáng)。滲透率公式中的孔隙度指數(shù)c與阿爾奇飽和度公式中的膠結(jié)指數(shù)m具有類(lèi)似的意義。但當(dāng)儲(chǔ)層含有一定比例的大孔時(shí),即使改進(jìn)的SDR滲透率公式和Timur/Coates滲透率公式計(jì)算的滲透率都不準(zhǔn)確。碳酸鹽巖巖心實(shí)驗(yàn)表明,在次生孔洞發(fā)育的儲(chǔ)層,滲透率隨大孔的體積Vmacro增加而呈正比迅速增大。因此,在對(duì)大孔研究的基礎(chǔ)上,利用巖心數(shù)據(jù)對(duì) Timur/Coates公式進(jìn)行了改進(jìn),見(jiàn)式(1),改進(jìn)的 Timur/Coates公式更適合次生孔洞發(fā)育的儲(chǔ)層[5]。

式中,a為系數(shù);b為孔隙度指數(shù),值為2;c為孔隙體積比指數(shù),值為2。指數(shù)b和c是在大量巖心分析基礎(chǔ)上得到的,類(lèi)似于阿爾奇公式的膠結(jié)指數(shù),在大孔隙地層,地層膠結(jié)指數(shù)減小,滲透率增加。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖4為研究區(qū)火成巖3種不同巖性和孔隙類(lèi)型的孔喉半徑分布圖。圖4(a)為致密、低孔隙度流紋巖孔喉分布圖,在這種低孔隙度溶巖地層,孔喉半徑很小,普遍低于0.5μm,滲流能力很差;圖4(b)為孔隙相對(duì)發(fā)育的凝灰?guī)r孔喉分布圖,這類(lèi)儲(chǔ)層孔喉半徑分布范圍相對(duì)較大,60%的孔隙體積其孔喉半徑分布在0.5～5μm;圖4(c)為溶蝕角礫巖樣品,其孔喉半徑分布從0.05～20μm,這類(lèi)儲(chǔ)層滲流能力強(qiáng),大孔喉起主導(dǎo)作用。

圖4 巖石孔喉分布圖

圖5為研究區(qū)火成巖儲(chǔ)層利用P3A方法計(jì)算滲透率的實(shí)例。圖5中右起第3道為核磁共振 T2分布譜,紅色線(xiàn)為微孔截止值,T2值為33μs;藍(lán)色線(xiàn)為大孔截止值,T2值為1 000μs。圖5中右起第2道為孔隙度道,藍(lán)色充填區(qū)為微孔體積,綠色充填區(qū)為中孔體積,黃色充填區(qū)為大孔體積。右起第1道陳列的是滲透率和孔隙類(lèi)型劃分結(jié)果,不同顏色和符號(hào)的圖例表示了不同的孔隙類(lèi)型。長(zhǎng) T2譜對(duì)應(yīng)著大孔和大孔-中孔孔隙類(lèi)型,如層段3 712～3 719 m,3 713～3 732 m和3 744～3 748 m等;短 T2譜對(duì)應(yīng)著中孔、大孔-微孔和中孔-微孔類(lèi)型,如層段3 732～3 741 m和3 752～3 756 m。根據(jù)孔隙類(lèi)型計(jì)算的滲透率(藍(lán)色線(xiàn))與巖心滲透率(黑色數(shù)據(jù)點(diǎn))吻合較好。圖5中左起第1道為滲透率對(duì)比結(jié)果,綠色線(xiàn) KSDR為利用SDR滲透率公式計(jì)算的滲透率曲線(xiàn),藍(lán)色線(xiàn) KP3A是利用孔隙分類(lèi)法P3A計(jì)算的滲透率,滲透率 KP3A與巖心滲透率(黑色數(shù)據(jù)點(diǎn))吻合較好。在大孔發(fā)育層段 KSDR結(jié)果低于巖心滲透率,如層段3 713～3 719 m,3 724～3 731.8 m和3 742～3 747 m等。實(shí)例表明,在次生孔洞發(fā)育的儲(chǔ)層,利用孔隙分類(lèi)法計(jì)算滲透率是相對(duì)準(zhǔn)確的。

4 結(jié) 論

巖心資料和測(cè)試資料證明利用孔隙分類(lèi)法計(jì)算松遼盆地火成巖儲(chǔ)層的滲透率是可行的,計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確;并且孔隙分類(lèi)的結(jié)果有助于對(duì)儲(chǔ)層生產(chǎn)能力的了解和判斷。該方法的局限性在于沒(méi)有考慮裂縫滲透率的計(jì)算和假設(shè)次生孔洞是連通的;如果孔洞和氣孔是孤立的,則利用該方法計(jì)算的滲透率偏高。

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