成像測(cè)井孔隙度頻譜技術(shù)與巖心孔隙分析資料對(duì)比研究

周彥球, 李曉輝, 范曉敏

(1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130000; 2.大慶鉆探工程公司測(cè)井公司, 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

井壁微電阻率掃描成像測(cè)井由于分辨率高、覆蓋面積大、處理結(jié)果形象直觀,地質(zhì)應(yīng)用的范圍不斷拓寬。隨著油氣勘探目的層日趨復(fù)雜化,人們對(duì)應(yīng)用成像測(cè)井資料的地質(zhì)解釋提出了更高的要求,如精細(xì)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)與連通狀況。然而,在目前技術(shù)條件下,成像測(cè)井尚無(wú)法對(duì)地層孔隙進(jìn)行直接測(cè)量。巖心孔隙分析資料(如鑄體薄片技術(shù)、恒速壓汞技術(shù)等)能夠展示巖石內(nèi)部孔隙尺度的細(xì)節(jié)特征,可較好地輔佐微觀地質(zhì)評(píng)價(jià)。研究二者之間的聯(lián)系與區(qū)別,在生產(chǎn)應(yīng)用中有一定的實(shí)際意義,但目前國(guó)內(nèi)外少見關(guān)于這一課題的公開報(bào)道。本文結(jié)合生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例,綜合分析電成像測(cè)井孔隙度頻譜技術(shù)以及巖心鑄體薄片與恒速壓汞資料,就二者之間對(duì)應(yīng)性的問(wèn)題開展對(duì)比研究。

1 成像測(cè)井孔隙度分析

成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)電阻率刻度、孔隙度標(biāo)定等過(guò)程,可以轉(zhuǎn)化為孔隙度圖像,通過(guò)配色處理,可用于對(duì)井壁地層剖面孔隙度特征的直觀解釋。通過(guò)使用一定窗長(zhǎng)和步長(zhǎng)對(duì)孔隙度圖像進(jìn)行頻率直方圖統(tǒng)計(jì),可在剖面上形成孔隙度頻譜,從而可直觀地觀察各深度段不同大小孔隙度的頻率分布。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步使用相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)技術(shù),可形成多種孔隙度分布特征曲線,用于對(duì)井壁地層剖面的孔隙度分布進(jìn)行連續(xù)的精細(xì)評(píng)價(jià)[1]。

實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于某一具體儲(chǔ)層常用以下特征參數(shù)描述孔隙度分布的非均質(zhì)性(見圖1)。

圖1 孔隙度分布部分特征參數(shù)示意圖

總孔隙度(φT)。經(jīng)孔隙度標(biāo)定后由成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在各深度點(diǎn)計(jì)算的總孔隙度,實(shí)際是給定深度附近的所有成像計(jì)算孔隙度的均值,與常規(guī)處理的有效孔隙度接近[1-2]。

孔隙度譜均方差(φVR)。給定深度附近的成像計(jì)算孔隙度的均方差,指示譜的離散程度。

局部最大孔隙度(φmax)。給定深度附近的成像計(jì)算孔隙度的最大值,為孔隙度譜的右邊界,可根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)3σ原則[3]截止,在井眼不規(guī)則處可作手動(dòng)截止。

局部最小孔隙度(φmin)。給定深度附近的成像計(jì)算孔隙度的最小值,為孔隙度譜的左邊界。

主頻孔隙度(φPHP)?？紫抖茸V主峰所在位置,一般與孔隙度均值接近。

孔隙度變異系數(shù)(VKφ)。類似于油藏描述中滲透率變異系數(shù),為井周孔隙度的均方差與孔隙度均值的比值,指示孔隙度的徑向非均質(zhì)性[1]。

主峰右側(cè)寬度(φW)與右側(cè)方差(φV)。孔隙度譜主峰右側(cè)的寬度與方差,表征次生孔隙的發(fā)育程度。主峰右側(cè)的譜寬越大、方差越大,則說(shuō)明次生孔隙在各個(gè)層級(jí)上均有發(fā)育,并可推斷其成因類型多樣,儲(chǔ)層解釋的可信度也較高[4]。

原生孔隙度(φR)與次生孔隙度(φS)。實(shí)際為由大、小尺寸孔隙分別構(gòu)成的孔隙度,分別指示基質(zhì)孔隙度與裂縫、孔洞孔隙度,定義與其地質(zhì)定義類似但不具成因意義?？墒褂么舐煞?OTSU)[5]自動(dòng)求取最佳分割點(diǎn),計(jì)算原生孔隙度與次生孔隙度的值,亦可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)截止。

2 巖心顯微圖像與恒速壓汞技術(shù)

2.1 巖心鑄體薄片顯微圖像

巖心鑄體薄片技術(shù)是通過(guò)對(duì)儲(chǔ)集層巖心進(jìn)行系統(tǒng)取樣、洗油、烘干處理之后,在真空或一定的壓力下,把帶色物質(zhì)如五德合金、染色的環(huán)氧樹脂、紅色的有機(jī)玻璃單體等灌注入巖樣空隙內(nèi),待灌注物質(zhì)固化后,再將巖樣定向切制成巖石薄片,放在顯微鏡下觀察。結(jié)合數(shù)字成像系統(tǒng),可對(duì)巖心薄片代表性視域進(jìn)行二維數(shù)字圖像采集,形成鑄體薄片顯微圖像[6-7]。

鑄體薄片中帶色物質(zhì)就是孔、縫、喉,代表巖石二維空間的孔隙結(jié)構(gòu)狀態(tài)。利用巖石孔隙鑄體薄片的顯微照片所反映出的孔隙形態(tài)特征,可揭示出儲(chǔ)層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征。鑄體薄片及其顯微圖像的顯著特點(diǎn)是分析目標(biāo)特征單一、突出,易于識(shí)別和選取,為孔隙特征的鑒定提供了便利條件。巖心鑄體薄片顯微圖像使抽象的孔隙度特征變得直觀、可視,對(duì)客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集性及滲流能力大有幫助。初步的解釋評(píng)價(jià)是對(duì)微觀條件下孔隙結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)及連通性的感性認(rèn)識(shí)[7]。

2.2 恒速壓汞技術(shù)原理

壓汞技術(shù)仍是獲取儲(chǔ)層微觀孔、喉特征參數(shù)的重要途徑。常規(guī)壓汞只能獲得喉道半徑及對(duì)應(yīng)喉道控制的孔喉體積分布,無(wú)法將孔隙與喉道分開。恒速壓汞技術(shù)采用高精度泵,以極低的恒定速度(通常為0.000 05 mL/min)向巖樣喉道及孔隙內(nèi)進(jìn)汞,從而保證進(jìn)汞過(guò)程在準(zhǔn)靜態(tài)下進(jìn)行。假定在進(jìn)汞過(guò)程中界面張力和接觸角保持不變,隨著汞進(jìn)入喉道,毛細(xì)管系統(tǒng)壓力逐漸升高。在汞突破喉道限制進(jìn)入孔隙的瞬間,汞在孔隙空間內(nèi)以極快的速度發(fā)生重新分布,壓力得以釋放,此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)壓力同落。因孔隙半徑與喉道半徑存在數(shù)量級(jí)的差別,通過(guò)檢測(cè)進(jìn)汞壓力的波動(dòng)就可以將孔隙與喉道區(qū)分開,實(shí)現(xiàn)對(duì)喉道和孔隙數(shù)量與大小的精確測(cè)量。恒速壓汞技術(shù)優(yōu)于常規(guī)壓汞技術(shù):①能將喉道和孔隙分開,分別提供孔隙和喉道的毛細(xì)管壓力曲線;②能準(zhǔn)確、直接測(cè)量孔隙和喉道的大小及分布;③實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌杉僭O(shè)多孔介質(zhì)由直徑大小不同的喉道和孔隙構(gòu)成,更符合低滲透率、特低滲透率儲(chǔ)層小孔細(xì)喉或細(xì)孔微喉的結(jié)構(gòu)特征[8-9]。

3 對(duì)比研究與應(yīng)用實(shí)例

3.1 微電阻率掃描成像測(cè)井與巖心孔隙分析資料的比較

微電阻率掃描成像測(cè)井通過(guò)微電流掃描的方式測(cè)量陣列電扣回路中的電流強(qiáng)度,以獲取電扣正對(duì)著的地層鄰域由于巖石結(jié)構(gòu)或電化學(xué)上的非均質(zhì)引起的微電阻率的變化。通過(guò)使用上述孔隙度處理技術(shù),轉(zhuǎn)化為孔隙度圖像并進(jìn)一步分析,提取井壁附近地層孔隙度的相關(guān)信息。與巖心顯微圖像技術(shù)相比,二者之間既有聯(lián)系又有區(qū)別。

二者在目標(biāo)體、環(huán)境條件、形成原理、分辨率等方面均存在差異,很難將二者所反映的地質(zhì)特征進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。巖心顯微圖像通常能較為直接地反映局部的、細(xì)微孔隙級(jí)的地質(zhì)特征,成像測(cè)井限于其固有分辨率(約5 mm),無(wú)法對(duì)單個(gè)孔隙尺度的現(xiàn)象進(jìn)行直接測(cè)量。然而,大量的生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明,巖心能觀察到的顯著地質(zhì)現(xiàn)象通常在成像測(cè)井圖上都可以找到對(duì)應(yīng)的類似現(xiàn)象;另一方面,雖然成像測(cè)井儀器的固有分辨率僅為5 mm左右,但由于它具有很高的靈敏度,實(shí)際可以探測(cè)到寬度小到幾微米或幾十微米的地質(zhì)體(如裂縫)[10],而在圖像上的顯示尺寸仍為5 mm以上。換言之,雖然成像測(cè)井分辨率有限,反映的主要是巖石特征在局部形成的組合效應(yīng),但它對(duì)高頻變化的細(xì)微特征都會(huì)有所響應(yīng)。雖然圖像顯示的地質(zhì)體的尺寸與其真實(shí)大小有所出入,但可以通過(guò)有效刻度(對(duì)于裂縫寬度的計(jì)算,各種系列的成像儀器均有成型的公式[11],有成像測(cè)井孔隙度的標(biāo)定[1])使其接近客觀實(shí)際。

巖心壓汞技術(shù)形成的孔隙半徑分布直方圖反映了儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu),成像測(cè)井孔隙度譜反映孔隙的局部組合效應(yīng),二者在研究尺度上有所區(qū)別;同時(shí),當(dāng)巖樣具有較強(qiáng)代表性時(shí),成像測(cè)井尺度的響應(yīng)特征也能呈現(xiàn)與之相應(yīng)的一致性。

如果巖心樣本的取樣深度是在成像測(cè)井的測(cè)量范圍內(nèi),巖樣對(duì)某一層段的地質(zhì)特征具有代表性,或微觀的地質(zhì)特征較為普遍而能引起成像測(cè)井尺度的顯著響應(yīng),那么,二者所反映的總體特征就具有可比性,而且應(yīng)該是大同小異的。這時(shí),求同存異建立起二者之間的聯(lián)系,就可能取得較好的應(yīng)用效果。

3.2 某油田孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層中應(yīng)用實(shí)例

某油田K油層組為孔隙型碳酸鹽巖儲(chǔ)層,在A井對(duì)該層位進(jìn)行了產(chǎn)能測(cè)試,上段2 610～2 620 m日產(chǎn)油118 m3、日產(chǎn)氣11 250×104m3;下段2 644～2 658 m試油僅見少量氣泡。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理結(jié)果及鄰井巖心取樣分析顯示,該層位上下2段儲(chǔ)層的孔隙度變化不大,主要在23%～30%之間,但縱向上滲透率的差異卻很明顯,上段2 610.0～2 630.0 m滲透率總體較好,數(shù)值分布在10～100 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=0.987×10-3 μm2,下同之間,甚至局部達(dá)到1 000 mD,且?guī)r心分析數(shù)值點(diǎn)較離散;下段2 630.0～2 656.0 m由上往下滲透率逐漸變差,滲透率分布在1～10 mD之間,甚至局部小于1 mD,且?guī)r心分析數(shù)值點(diǎn)較集中(見圖2左)。滲透率的差異導(dǎo)致了上下2段儲(chǔ)層產(chǎn)能的較大差別,也指示了其孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)與分布的差異。

巖心鑄體薄片分析顯示,該油田K油層組儲(chǔ)層巖性主要為生屑-砂屑泥晶灰?guī)r,孔隙類型多樣,非均質(zhì)性很強(qiáng)。通過(guò)該井的鑄體薄片鑒定發(fā)現(xiàn),K2油層組上段2 610.0～2 630.0 m巖石普遍含較多砂屑或藻類生物碎屑,藻類鑄?？酌芗⒋执?、溶擴(kuò),常形成炭渣狀的連通,但分布很不均勻,呈斑塊狀集中;砂屑之間多發(fā)育粒間溶孔,孔徑大于小顆粒直徑,并有顆粒殘留,大大增強(qiáng)了粒間的連通性。二者構(gòu)成大尺寸、連通較好的孔隙。另外,尚有有孔蟲、棘屑等生物體腔孔以及其他小尺寸的孔隙類型。大小孔隙各自聚集,形成結(jié)構(gòu)的不均勻,并控制孔隙分布的不均勻。而2 630.0～2 656.0 m段幾乎不含砂屑或藻類生物碎屑,生物顆粒細(xì)小,密集聚集,孔隙類型相對(duì)單一,以有孔蟲(抱球蟲)體腔孔為主,其次為粒間溶孔和泥晶晶間微孔,孔隙尺寸小而且分布相對(duì)均勻,連通性較差(圖2右)?？梢?孔隙結(jié)構(gòu)、分布的垂向差異導(dǎo)致了儲(chǔ)層滲透性的明顯變化。

對(duì)該井的電成像測(cè)井資料進(jìn)行孔隙度頻譜處理,提取K油層組上下2段的孔隙度頻譜并分析孔隙非均質(zhì)性的特征參數(shù)(見圖3、表1)。上段總孔隙度φT為23.8(%或p.u.,下同),與下段(24.9)接近。原生(小尺寸)孔隙度φR與次生(大尺寸)孔隙度φS差異較大,分別為7.9與14.9,而下段原、次生孔隙度較為接近,分別為13.0與11.9。上段局部最大孔隙度φmax為45.1,局部最小孔隙度φmin為0.09,譜寬范圍大于下段(最大40.7,最小0.18)。上段孔隙度變異系數(shù)VKφ為0.33,大于下段(0.21);上段主峰位置φPHP為28.0,主峰右側(cè)寬度φW為17.1,右側(cè)方差φV為2.20,與下段相比主峰靠后,且右側(cè)孔隙度較發(fā)育(下段分別為26.5、14.2、1.68)。根據(jù)譜形特征分析,二者總孔隙度接近,但上段儲(chǔ)層孔隙度數(shù)據(jù)總體更為離散,譜帶更寬,主峰左側(cè)拖曳較大,主峰位置更加靠右,且主峰右側(cè)孔隙度也較下段更發(fā)育,說(shuō)明上段儲(chǔ)層孔隙類型多樣,而且大尺寸的孔隙度更為發(fā)育;下段儲(chǔ)層孔隙度數(shù)據(jù)總體較為集中,譜帶較窄,主峰左側(cè)拖曳較少,主峰位置與上段相比偏左,且主峰右側(cè)孔隙度不如上段發(fā)育。說(shuō)明下段儲(chǔ)層孔隙類型比較單一,各種孔隙尺寸相差較小且分布較均勻。成像測(cè)井孔隙度譜所呈現(xiàn)的孔隙結(jié)構(gòu)與分布特征,與上述巖心鑄體薄片吻合良好。圖2中左邊部分為測(cè)井曲線及數(shù)字處理成果,其中第5道的散點(diǎn)為巖心分析孔隙度,第6道的散點(diǎn)為巖心分析滲透率;圖2右邊部分別為上、下段代表性的鑄體薄片圖像。

圖2 A井常規(guī)測(cè)井及數(shù)字處理成果與巖心鑄體薄片顯微圖像*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in = 0.304 8 m, 下同

圖3 A井K油層組成像測(cè)井孔隙度頻譜處理結(jié)果

層段/m?T?R?S?max?minVK??PHP?W?V2640～265023.87.914.945.10.090.3328.017.12.202674～268824.913.011.940.70.180.2126.514.21.68

對(duì)K油層組2 608～2 649 m段所取的5塊巖心進(jìn)行恒速壓汞實(shí)驗(yàn),獲得了孔隙半徑的分布圖[見圖4(a)]。根據(jù)巖心取樣深度,提取了對(duì)應(yīng)深度附近的成像測(cè)井孔隙度譜[見圖4(b)]。對(duì)比巖心恒速壓汞孔隙半徑分布與成像測(cè)井孔隙度譜發(fā)現(xiàn),5塊巖樣的孔隙半徑分布特征與成像孔隙度譜特征在譜峰的相對(duì)位置以及譜形的相對(duì)離散程度等方面都比較相似。為獲得二者之間的定量關(guān)系,進(jìn)一步對(duì)這2種分布(或直方圖)的均值、均方差進(jìn)行回歸擬合(見圖5)。

以孔隙度譜均值為自變量X,以孔隙半徑分布的均值為因變量Y,線性擬合關(guān)系式為

Y=1.1151X+86.952

(1)

R=0.660 2

圖4 A井恒速壓汞測(cè)得的孔隙半徑分布與對(duì)應(yīng)深度附近的成像測(cè)井孔隙度譜對(duì)比

圖5 孔隙度譜與孔隙半徑分布均值、均方差的擬合

以孔隙度譜均方差為自變量X,以孔隙半徑分布的均方差為因變量Y,線性擬合關(guān)系式為

Y=1.6635X-1.2872

(2)

R=0.895 7

可見,2種分布在相對(duì)位置和形態(tài)方面都非常接近,通過(guò)回歸擬合,可以使用成像測(cè)井的孔隙度譜估計(jì)對(duì)應(yīng)的孔隙半徑分布(均值、方差),尤其對(duì)于方差(指示離散程度或譜寬)的預(yù)測(cè),可以獲得很高的符合率,對(duì)于儲(chǔ)層的精細(xì)解釋可提供非常有益的參考,同時(shí)也證實(shí)了成像測(cè)井用于微觀解釋的可行性。

4 結(jié) 論

(1) 微電阻率成像測(cè)井雖然受限于其固有分辨率,無(wú)法對(duì)孔隙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行直接測(cè)量,但由于它具有很高的靈敏度,對(duì)于大小為幾微米或幾十微米的細(xì)微地質(zhì)事件也能有所響應(yīng),同時(shí)也包含了其微觀非均質(zhì)性的信息。巖心顯微圖像技術(shù)通常可以比較直接地揭示巖石內(nèi)部孔隙級(jí)的細(xì)微結(jié)構(gòu),但它往往是局部的、不連續(xù)的。成像測(cè)井與之相比,雖然無(wú)法在細(xì)微特征上一一對(duì)應(yīng),但二者對(duì)于相同地質(zhì)特征的總體反映是相互吻合的。

(2) 巖心壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)得的孔隙半徑分布反映了儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu),成像測(cè)井孔隙度譜反映孔隙的局部組合效應(yīng),二者在研究尺度上有所區(qū)別,在巖樣具有較強(qiáng)代表性時(shí),成像測(cè)井尺度的響應(yīng)特征也能呈現(xiàn)與之相應(yīng)的一致性。實(shí)踐研究表明,在適當(dāng)條件下,成像測(cè)井的孔隙度譜可用于估算對(duì)應(yīng)的孔隙半徑分布,尤其對(duì)于后者方差的預(yù)測(cè)可獲得很高的符合率。

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