火成巖裂縫性儲層測井評價——以準噶爾盆地石炭系火成巖油藏為例

陳 冬,陳力群,魏修成,汪中浩

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國地質(zhì)大學,北京 100083; 3.長江大學,湖北荊州 434023)

火成巖裂縫性儲層測井評價
——以準噶爾盆地石炭系火成巖油藏為例

陳 冬1,陳力群2,魏修成1,汪中浩3

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國地質(zhì)大學,北京 100083; 3.長江大學,湖北荊州 434023)

以準噶爾盆地石炭系火成巖油藏為研究對象,從油藏地質(zhì)特點和測井特征出發(fā),利用取心資料和常規(guī)測井數(shù)據(jù),研究該區(qū)火成巖裂縫的成因及特點。采用M-N交會圖對火成巖巖性進行識別;在考慮裂縫對孔滲影響的基礎上,提出了裂縫各種彈性參數(shù)的計算方法;結合電成像測井資料、試油資料以及巖心描述,構建了該區(qū)火成巖裂縫儲層測井綜合評價方法。研究發(fā)現(xiàn),裂縫在彈性參數(shù)上表現(xiàn)為低楊氏模量和高泊松比特征。該方法能夠較好地滿足利用測井資料對該地區(qū)火成巖裂縫性油藏進行研究的需要。

彈性參數(shù);裂縫;成像測井;測井評價;火成巖;石炭系;準噶爾盆地

火成巖油藏作為裂縫-溶蝕孔洞雙孔隙介質(zhì)非均質(zhì)儲層,由于其固有的礦物成分復雜、巖石各向異性強烈、儲層孔隙類型多樣的特點,它具有比碎屑砂巖和碳酸鹽巖更為復雜的巖電關系[1-2]。在火成巖儲層中,裂縫大多數(shù)分布在基巖電阻率較高的硬地層中,它既是油氣儲集空間,又是油氣滲流的通道,裂縫的發(fā)育程度和有效性在一定程度上決定了油氣的產(chǎn)出量,而常規(guī)測井數(shù)據(jù)和先進的成像測井技術為裂縫的研究提供了豐富的巖石物理參數(shù)信息,因此綜合各種測井資料對裂縫進行識別和評價對于火成巖的研究具有重要的指導意義。

近年來,國內(nèi)外在火成巖測井評價方面都取得了一些長足的進步,如三維空間識別火成巖巖性、流體性質(zhì),核磁和元素測井確定裂縫孔隙度和飽和度等,但這些進展都依賴于單項技術的突破,在生產(chǎn)測試前缺乏多手段的相互驗證,可信度略顯單薄。本文在對準噶爾盆地潛山火成巖測井響應特征進行詳細分析的基礎上,根據(jù)“低楊氏模量高泊松比”的彈性力學參數(shù)特征,結合常規(guī)測井與FMI成像測井資料,提出了針對該區(qū)火成巖裂縫性儲層測井評價的有效方法。

1 區(qū)域構造及巖性識別

準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū)構造上屬于準噶爾盆地西部的一個二級隆起單元,東面緊鄰紅車斷裂帶,南面為南緣沖斷帶的四棵樹凹陷,北西伸入扎伊爾山山前[3]。由于受多期構造運動作用,該地區(qū)形成多條南北向大型逆沖斷裂和自東向西抬起的斷裂帶,是一個構造十分復雜的斷塊區(qū)域,西北緣地區(qū)石炭系油藏是在新疆準噶爾盆地腹部發(fā)現(xiàn)的一個深層、低孔隙、低滲透、裂縫性的古潛山火山巖油藏。

國內(nèi)外學者多采用直方圖和交會圖來分析不同火成巖在測井曲線上的響應特征,并輔以數(shù)學統(tǒng)計方法來進行火成巖儲層測井巖性識別,取得了諸多成果[4-10]。根據(jù)賈春明[3]對 36口井的取心資料分析,該地區(qū)火成巖巖性主要是中基性火山熔巖、火山碎屑巖,含少量酸性巖,火山碎屑沉積巖也占有一定比例,發(fā)育少量沉積巖,個別井出現(xiàn)中性侵入巖。在本次研究中,筆者利用M-N交會圖對該地區(qū)火成巖巖性進行了劃分。

假設在中子-密度和聲波-密度交會圖中各巖石的骨架-流體線都是直線,則可以分別計算密度與中子交會圖及密度與聲波交會圖中的每一個骨架-流體斜率。顯然,這些斜率是與巖石孔隙度無關(假設不包括裂縫孔隙度)而主要反映巖石的參數(shù)。對于每一種礦物或純巖石,其M和N值都是定值,如純石英砂巖,在M-N交會圖上只是一個點。而對多數(shù)礦物來說,如火成巖的安山巖由于其礦物成分可以有一定的范圍,對于井段上的任一點計算的M和N值,只要落在確定的范圍內(nèi)就可以劃分為該巖類。

式中,Δt和Δtf分別為實測巖石和流體的聲波時差,μs/m;ρb和ρf分別為實測巖石和流體的密度,g/cm3;φN和 φNf分別為實測巖石和流體的中子孔隙度測井值。對于淡水泥漿,Δtf=189μs/ m,φNf=1,ρf=1.0 g/cm3。

中子孔隙度的單位是石灰?guī)r孔隙度,M值乘以系數(shù) 0.01是使它大小適度,易于在圖版上刻度,MN交會圖中M和N可視為無量綱數(shù)據(jù)。骨架值的確定除流紋巖是借鑒的外,其他巖性的骨架值用薄片資料確定。從車排子火成巖的M-N交會圖中可知(圖 1),從基性到酸性火山巖(玄武巖 —安山巖 —沉凝灰?guī)r),M和N值有遞增的趨勢。玄武巖(圖1a)M和N值最小;安山巖(圖1b),沉凝灰?guī)r(圖1c)和流紋巖M和N值大,而且沉凝灰?guī)rM和N值比流紋巖小;玄武角礫巖(圖 1d)M和N值大于玄武巖,與安山巖相比,玄武角礫巖M值較小,N值較大。

2 火成巖裂縫測井響應

裂縫是巖石受力形成的一種沒有明顯位移的脆性構造,其形成的根本原因是巖石所受的應力超過其強度造成的[11-27]。火成巖儲層中縫寬度一般較大,具有裂縫成因和產(chǎn)狀多樣、多期性,相互切割成裂縫網(wǎng)絡、裂縫充填高度高,充填物分層次、裂縫密度變化大的特點。

通過對該區(qū) 31口取心井資料的研究,統(tǒng)計出裂縫在各種巖性地層中的發(fā)育情況(圖 2)。裂縫在 6種巖性的地層中都有發(fā)育,其中安山巖中的裂縫發(fā)育最為普遍,凝灰?guī)r、沉積巖中發(fā)育情況次之,角礫巖和玄武巖中也有大量裂縫發(fā)育,流紋巖中出現(xiàn)裂縫的情況較少。

結合巖心實驗資料和 FMI成像資料,統(tǒng)計準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū) 42口井的常規(guī)測井資料、F MI成像測井和巖心資料,將所有裂縫劃分為垂直裂縫、高角度裂縫、斜交裂縫、水平裂縫和網(wǎng)狀裂縫5種。對資料相對齊全的車峰X井1 600～1 900m井段(石炭系)的測井解釋綜合成果圖進行裂縫分析 (圖 3),圖中左側(cè)為常規(guī)測井曲線,右側(cè)為F MI成像測井圖像,依據(jù) F MI成像測井資料和巖心描述得到車峰X井的裂縫成果數(shù)據(jù)表(表1)。

研究發(fā)現(xiàn),在裂縫發(fā)育段,沖洗帶電阻率(Rxo)曲線出現(xiàn)毛刺狀跳躍現(xiàn)象,聲波時差 (AC)在裂縫無充填時變大,有時會伴隨有周波跳躍的現(xiàn)象,但是如果深度太深的時候這種現(xiàn)象變得不明顯(表 1;圖 3);視電阻率 (Rt)、沖洗帶電阻率(Rxo),在裂縫發(fā)育且無充填的時候變小,密度(DEN)有變小的趨勢,自然伽馬 (GR)、聲波時差(AC)和中子孔隙度 (CNL)相對沒有裂縫發(fā)育的地方會變大(表 1;圖 3)。當裂縫有充填時上述常規(guī)測井曲線變化特征不明顯,裂縫變得不容易識別。在微電阻率掃描成像(FMI)資料上,由于圍巖的電阻率比泥漿電阻率高,所以各種類型的開啟裂縫在成像圖上都表現(xiàn)為深色正弦線,而閉合縫由于被高電阻率的方解石等充填表現(xiàn)為亮的正弦線,由 FMI圖可定出裂縫的傾角和走向。

圖1 M-N交會圖識別火成巖巖性實例Fig.1 Identification of igneous rock lithologies onM-Ncross plots

圖 2 準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū)不同巖性裂縫發(fā)育統(tǒng)計Fig.2 Statistics of fractures in different lithologies at Chepaizi area,the northwestern margin of the JunggarBasin

3 彈性力學參數(shù)計算

部分裂縫利用常規(guī)測井曲線難以識別,這是因為網(wǎng)狀或不規(guī)則裂縫多被填充或半填充后成為無效縫,或者垂直裂縫在測井過程中,測井儀器的探頭剛好錯過了裂縫,裂縫就無法在測井曲線上反映出來。因此,為了提高裂縫識別準確率,引入楊氏模量等彈性力學參數(shù)來綜合識別裂縫。

根據(jù)波動理論,利用縱波聲波時差和密度等測井資料,可以計算得到巖石的泊松比、楊氏模量等表征巖石機械強度的彈性參數(shù)。在這些彈性參數(shù)的計算中,需要有地層的橫波速度,但在常規(guī)測井中并沒有直接的橫波測量結果,因此只能通過聲波縱波測井資料和地層巖性資料轉(zhuǎn)換而得到,在巖性相對均一的地層中,采用下式來確定橫波速度:

圖 3 準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū)車峰X井石炭系火成巖測井響應特征Fig.3 Log responses of the Carboniferous igneous rocks in Chefeng-X well at Chepaizi area, the northwestern margin of the JunggarBasin

表 1 準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū)車峰 X井 FMI裂縫識別成果Table 1 Fractures identified by F MI in Chefeng-X well at Chepaiziarea,the northwestern margin of the Junggar Basin

式中:Vs為利用縱波速度計算的橫波速度,m/s;ρ為地層體積密度,g/cm3;Vp為縱波速度,m/s,縱波速度即為測井縱波聲波時差的倒數(shù)。

本次研究中通過與全波列測井實際測量得到的橫波速度(由橫波時差求倒數(shù)計算得到)來驗證依據(jù)式(3)求取的橫波速度Vs在研究區(qū)域內(nèi)是否準確適用。選取研究區(qū)域內(nèi)進行了全波列測井的車A井,圖 4中橫坐標為該井全波列測井實際測量得到的橫波速度,縱坐標為由式(3)根據(jù)縱波速度計算得到的橫波速度,紅色的斜線為 45°線。當橫縱坐標相同刻度時,計算得到的橫波速度與實測橫波速度平均分布在 45°線上下,說明二者數(shù)值接近,利用式(3)在該地區(qū)由縱波速度計算橫波速度是可靠的。

求取橫波速度Vs之后,其他彈性參數(shù)的求取就變得容易多了[12]。依次得到各彈性參數(shù)計算如下:

圖 4 準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū)計算得到的橫波速度與實測橫波速度對比Fig.4 Comparison be tween the calculated and measured shear velocity at Chepaizi area,the northwestern margin of the JunggarBasin

該參數(shù)表征在巖石的比例極限內(nèi),材料的伸長(縮短)量與截面尺寸的相對縮小 (增大)量,亦即巖石橫向應變與縱向應變的比值,也叫橫向變性系數(shù),它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù),無量綱。由于橫波傳播不受儲集空間流體的影響,地層含氣以后,Vp下降而Vs基本不變,故當泊松比明顯降低時可認為是儲氣層。

該參數(shù)表征巖石對受力作用的阻力,即縱向應力與縱向應變的比值,單位為N/m2。固體介質(zhì)對拉伸力的阻力越大,彈性越好,楊氏模量E值越大。

等效彈性模量(EC)表征剪切應力和剪切應力上發(fā)生的應變的比值。

巖石的穩(wěn)定參數(shù) (RG)表征巖石在受到外力情況下穩(wěn)定性的指數(shù),可由等效彈性模量EC推導出來。

4 應用實例

利用上面的橫波速度和 4個彈性力學參數(shù),對車排子石炭系所有取心井的裂縫段進行統(tǒng)計研究,發(fā)現(xiàn)一個“三低兩高”的現(xiàn)象:低楊氏模量(E)、低等效彈性模量(EC)、低巖石的穩(wěn)定參數(shù)(RG)和高橫波速度(Vs)、高泊松比(σ)。對取心井車 X井裂縫發(fā)育段的彈性參數(shù)結合巖心描述進行分析(圖 5),該井在 2 055～2 058.5 m取心,裂縫段主要成分為火山碎屑具凝灰結構,巖石致密,不規(guī)則裂縫發(fā)育,裂縫密度每 10 cm為 10～15條,縫長 0.5～10 cm,縫寬 0.2～2 mm,大部分被硅質(zhì)和方解石半充填或充填,見斜層理及波狀層理,并具錯動構造。

由5個參數(shù)的物理意義和變化特征,為了簡化裂縫識別的方法,用楊氏模量(E)和泊松比(σ)就可以體現(xiàn)這 5個參數(shù)所反應的裂縫特征,再結合其他常規(guī)測井曲線特征,以提高裂縫識別的準確率。

按照上述對取心井裂縫段彈性參數(shù)特征的分析方法,本次研究針對車排子地區(qū)共識別了 42口井,累計 410個裂縫段。以車 B井為例 (圖 6),該井無取心資料,也沒有進行成像測井,在 1 050～1 053 m及 1 060～1 064 m井段,泊松比變大,楊氏模量減小,表現(xiàn)為裂縫特征。結合常規(guī)電測曲線電阻率變小,聲波時差變大,井徑發(fā)生擴徑等特征,綜合判斷上述二井段處為裂縫發(fā)育段。利用該井巖屑錄井的資料對上述裂縫識別結論進行驗證,錄井描述該井段巖性為安山巖,含油顯示為熒光級別,地層裂縫較發(fā)育,由此證明了利用彈性參數(shù)特征綜合識別裂縫的可靠性。

5 結論及建議

通過對車排子地區(qū)石炭系火成巖裂縫性儲層的研究,認為利用M-N交會圖能夠?qū)υ搮^(qū)域發(fā)育的六種火成巖進行準確的巖性識別。在分析了火成巖不同類型裂縫的測井響應特征基礎上,提出利用泊松比和楊氏模量來識別裂縫,在該地區(qū)的裂縫預測中取得了較好的應用效果。針對火成巖裂縫性儲層評價的客觀復雜性,充分考慮巖石物理模型及孔隙流體對各種地球物理參數(shù)的不同影響,進而得到準確的儲層參數(shù)實現(xiàn)儲量的準確計算是火成巖儲層需要進一步深入研究的方向。

圖 5 準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū)車 X井取心段裂縫彈性參數(shù)特征Fig.5 Characteristics of elastic parameters of fractures in the cored interval of Chefeng-X well at Chepaizi area, the northwestern margin of the JunggarBasin

圖 6 準噶爾盆地西北緣車排子地區(qū)車B井利用彈性參數(shù)特征綜合識別裂縫實例Fig.6 An example of fracture identification by elastic parameters in Che-B well at Chepaizi area, the northwestern margin of the JunggarBasin

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Log evaluation of fractured igneous reservoirs:a case study of the Carbon iferous igneous reservoirs in the Junggar Basin

Chen Dong1,Chen Liqun2,Wei Xiucheng1andWang Zhonghao3

(1.SINOPEC Petroleum Exploration and Production Research Institute,Beijing100083,China;2.China University of Geosciences,Beijing100083,China;3.Yangtze University,Jingzhou,Hubei434023,China)

Taking the Carboniferous igneous reservoirs of JunggarBasin as an example,the authors examine the origin and characteristics of fractures in the igneous rocks by using reservoir geology,core data and conventional log data.Lithology of the igneous rocks are identified byM-Ncross plot.Taking the impact of fractures on porosity and per meability into consideration,we put forwardmethods for calculating elastic parametersof fractures. In combination with imaging log data,formation testing data and core description,we establish a composite evaluation method for fractured igneous reservoirs in this area.The study shows that the fractures feature in low Yangmodulus and high Poisson ratio.The method can meet the needsof studying fractured igneous reservoirs in this area.

elastic parameter,fracture,imaging logging,log evaluation,igneous rock,Carboniferous,Junggar Basin

TE122.2

A

0253-9985(2011)01-0083-08

2010-12-05。

陳冬(1980—),男,博士,儲層預測。

國家自然科學基金資助項目(40839901)。

(編輯 張亞雄)