勝利油區(qū)疏松砂巖低電阻率氣層測井評價技術(shù)

黃質(zhì)昌, 武清釗, 黃新平, 石立新, 杜蕊

(1.中石化勝利石油工程有限公司測井公司, 山東 東營 257096; 2.中石化石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083)

0 引 言

勝利油區(qū)疏松砂巖地層存在具有工業(yè)開采價值的低電阻率氣層,其特點是電阻率或電阻率增大系數(shù)低、三孔隙度測井含氣特征不明顯,儲層評價過程中容易造成漏解釋或解釋結(jié)論不準(zhǔn)確,是儲層測井評價工作的一個難點。由于地層松軟,偶極子聲波測井不能有效激發(fā)地層的橫波信號,如何在疏松砂巖地層井孔中獲取準(zhǔn)確的橫波速度尚需進一步研究[1];一些在固結(jié)砂巖中行之有效的氣層識別方法,如縱橫波差值法[2]、縱橫波時差法[3]等不適用于疏松砂巖地層的含氣性識別,對疏松砂巖低電阻率氣層的評價造成了技術(shù)性制約。針對以上存在的問題,本文以常規(guī)測井資料、試氣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),開展綜合應(yīng)用研究工作,以期能探索、總結(jié)出一種行之有效的疏松砂巖低電阻率氣層評價技術(shù)方法,提高低電阻率氣層評價的準(zhǔn)確性和有效性。

1 低電阻率氣層成因分析

1.1 黏土礦物的影響

陳召佑等用大牛地氣田高電阻率氣層和低電阻率氣層的巖心實驗分析數(shù)據(jù)進行對比,發(fā)現(xiàn)低電阻率氣層中黏土體積含量明顯高于高電阻率氣層[4];何勝林等通過對東方1-1氣田低電阻率氣層巖心X衍射數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,得到低電阻率氣層的黏土礦物主要為蒙脫石和伊利石,兩者含量之和占到黏土總量的60%[5]。他們的研究結(jié)果表明黏土礦物對低電阻率氣層的形成有重要的影響。

勝利油區(qū)疏松砂巖低電阻率氣層巖性測井響應(yīng)的顯著特點是自然伽馬數(shù)值較高、自然電位異常幅度小,指示儲層富含泥質(zhì)。朱家俊通過對勝利油區(qū)淺層疏松砂巖低電阻率油氣層的研究表明[6],部分儲層的黏土含量高達23.3%,由于地層埋藏較淺,黏土中的蒙脫石尚未轉(zhuǎn)化,其含量占到黏土總量的96.3%,蒙脫石在黏土礦物中占絕對主導(dǎo)地位。疏松砂巖富含蜂窩狀蒙脫石礦物,其陽離子交換能力在各種黏土礦物中最大,大大增強黏土的附加導(dǎo)電能力,從而大幅度地降低油氣層電阻率。圖1為勝利油區(qū)黏土礦物類型、黏土陽離子交換能力與地層深度的關(guān)系圖[6]。隨著地層深度從淺到深的變化,黏土礦物從蒙脫石不斷向伊蒙混層、伊利石、高嶺土轉(zhuǎn)化,同時黏土的陽離子交換能力從大到小不斷變化。圖2為氣層電阻率與黏土含量關(guān)系圖。圖2中電阻率與黏土含量呈冪數(shù)負(fù)相關(guān),黏土含量0～7%,電阻率隨黏土含量的增加急速下降;黏土含量7%～23%電阻率隨黏土含量的增加緩慢降低。上述分析表明,儲層富含以蒙脫石為主要黏土礦物的泥質(zhì)是低電阻率氣層形成的主要原因。

圖1 黏土類型、陽離子交換能力與地層深度關(guān)系圖

圖2 氣層電阻率與黏土含量關(guān)系圖

1.2 地層水礦化度的影響

圖3為含水泥質(zhì)砂巖黏土陽離子交換附加導(dǎo)電原理圖。黏土在泥質(zhì)砂巖中的附加電導(dǎo)率為Ce=B×QV/F*,地層水礦化度對黏土附加導(dǎo)電性的影響具體體現(xiàn)在它對交換陽離子當(dāng)量電導(dǎo)率B的影響,在一定的地層溫度條件下,隨著礦化度的增加,B不斷增大,礦化度低時B的變化率大,當(dāng)?shù)V化度增加到某一臨界點(E點)時,B達到一個極值Bmax,這時礦化度繼續(xù)增大B不再變化,Bmax由地層溫度決定。含水泥質(zhì)砂巖電導(dǎo)率C0與地層水電導(dǎo)率Cw的關(guān)系可分為非線性區(qū)和線性區(qū):E點以前為非線性區(qū),即地層水礦化度較低的區(qū)域,隨著礦化度的增加C0急劇增大,變化率非常大,表明交換陽離子的附加導(dǎo)電作用非常強烈,這時礦化度的增大對高電阻率地層的減阻作用將很明顯;E點及其以后為線性區(qū),Cw進入地層水礦化度較高的區(qū)域,C0的變化率趨于穩(wěn)定且數(shù)值變小,隨著礦化度的增大C0以較小的斜率穩(wěn)定升高。勝利油田用泥質(zhì)砂巖通過實驗室測量得到E點的礦化度數(shù)據(jù):溶液為NaCl,溫度100 ℃,E點的礦化度約為21 000 mg/L。勝利油區(qū)疏松砂巖氣層地層水礦化度分布范圍為1 500～8 000 mg/L,地層水較淡,即處于E點以前的非線性區(qū)域,黏土的附加導(dǎo)電作用非常強烈,純砂巖氣層電阻率高值,泥質(zhì)砂巖氣層電阻率低值(或低氣/水層電阻率對比度)?？偨Y(jié)以上的分析,地層水礦化度處于非線性區(qū)域?qū)е吗ね恋母郊訉?dǎo)電作用增強是低電阻率氣層形成的次要因素。

圖3 含水泥質(zhì)砂巖黏土陽離子交換附加導(dǎo)電原理圖

2 低電阻率氣層評價技術(shù)

2.1 含水飽和度計算方法

低電阻率氣層富含蒙脫石礦物,其強烈的陽離子附加導(dǎo)電作用大大降低了氣層電阻率測量數(shù)值,這對氣層含水飽和度計算造成了較大的誤差。通過不同含水飽和度模型計算結(jié)果的分析對比,以黏土陽離子交換導(dǎo)電機理為理論基礎(chǔ)的Waxman-Smits含水飽和度模型(W-S模型)適用于疏松砂巖低電阻率氣層含水飽和度計算。W-S模型及其相關(guān)參數(shù)的計算公式[7]為

(1)

B=Bmax×(1-0.83e-0.5Cw)

(2)

Bmax=-1.2879+0.2205T-0.0004T2

(3)

(4)

式中,Ct、Cw分別為含油氣巖石和地層水電導(dǎo)率,S/m;Sw為巖石含水飽和度,小數(shù);F*、n*分別為總孔隙度與純砂巖相等的泥質(zhì)砂巖地層因素和飽和度指數(shù),無量綱,在Cw足夠大時可用泥質(zhì)砂巖直接測量求取[8];B、Bmax分別為交換陽離子的當(dāng)量電導(dǎo)率和交換陽離子的最大當(dāng)量電導(dǎo)率,S·cm3·mmol-1·m-1;T為地層溫度, ℃;QV為泥質(zhì)砂巖單位孔隙體積的陽離子交換容量,mmol/cm3;CECcl為泥質(zhì)砂巖所含黏土礦物的平均陽離子交換容量,mmol·100-1·g-1,由黏土類型決定;Vcl,dry為巖石的干黏土體積,%;ρcl,dry為干黏土平均密度,g/cm3;φt為泥質(zhì)砂巖總孔隙度,%。式(4)中相關(guān)參數(shù)的求取使用李山生等提出的方法進行計算[7]。

2.2 孔隙度測井含氣信息提取

天然氣的密度遠小于油和水的密度,氣層的密度測井值低于地層完全含水時的地層密度;天然氣的含烴指數(shù)遠低于1,氣層在中子測井曲線中常存在挖掘效應(yīng),其中子測井值比它完全含水時明顯偏小;天然氣聲波傳播速度慢,含氣地層縱波時差增大,經(jīng)常出現(xiàn)周波跳躍現(xiàn)象,氣層聲波測井縱波時差大于其完全含水時的縱波時差[9]?？梢岳脭?shù)學(xué)方法提取中子、密度、聲波測井所蘊含的含氣信息。三孔隙度計算公式[9]為

(5)

(6)

(7)

式中,φna、φda、φsa分別為計算的地層中子、密度、聲波測井孔隙度,小數(shù);ψl、ψma、ψsh分別為地層測井、巖石骨架、泥質(zhì)中子孔隙度值,小數(shù);ρb、ρma、ρsh分別為地層測井、巖石骨架、泥質(zhì)密度值,g/cm3;Cp為地層壓實系數(shù),無量綱;Δt、Δtma、Δtsh分別為地層測井、巖石骨架、泥質(zhì)聲波時差值,μs/ft*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同。

利用φna、φda、φsa分別計算三孔隙度差值、比值,提取地層含氣信息,用以識別含氣地層。三孔隙度差值計算公式

Ga=φda+φsa-2φna+1

(8)

三孔隙度比值計算公式

(9)

式(8)、式(9)中Ga、Gr分別為三孔隙度差值和比值,無量綱,沒有明確的物理或地質(zhì)含義,為利用三孔隙度測井在含氣地層具有不同響應(yīng)特性而設(shè)計的2個含氣指示數(shù)學(xué)參數(shù),它們對地層的含氣信息起放大作用,但Gr對地層含氣信息的放大作用比Ga大。式(8)中加1是為了便于以后氣層判別指標(biāo)Ig的計算,也為了使Ga、Gr、Ig的3個參數(shù)在水層中同時接近于1。當(dāng)?shù)貙雍瑲鈺r,Ga>1、Gr>1;當(dāng)?shù)貙訛樗畬?油層)時,Ga≈1、Gr≈1。三孔隙度的計算進行過巖性和泥質(zhì)校正,故Ga、Gr不受巖性和泥質(zhì)的影響,能較好地反映地層含氣性的變化。圖4為利用測試數(shù)據(jù)制作的Ga—Gr交會圖,氣層、水層2類不同性質(zhì)的樣品點在圖4中能被較好地區(qū)分,說明指標(biāo)Ga、Gr在指示地層的含氣性方面具有良好的敏感性。

圖4 識別氣、水層的Ga—Gr交會圖

2.3 氣層判別指標(biāo)與分級判別規(guī)則

參數(shù)Ga、Gr能指示含氣層與水層(油層)的區(qū)別,但未能對含氣層的級別(氣層、氣水同層)進一步細(xì)分。事實上Ga、Gr、Sw這3個參數(shù)在一定程度上都能反映儲層含氣(油)性的變化,但由于低電阻率氣層在孔隙度、電阻率曲線上氣層響應(yīng)特征較弱,因而這3個參數(shù)獨立反映的含氣信息也相對較弱。針對電阻率阻氣層的這些特點,在研究過程中提出把3個參數(shù)組合起來形成一個氣層判別指標(biāo),在含氣層使原來3個參數(shù)分散、較弱的含氣特征產(chǎn)生疊加放大效應(yīng)(遠大于1),而在水層判別指標(biāo)則不被放大(保持在1左右),以提高低電阻率氣層識別靈敏度,利于低電阻率氣層的識別;再利用區(qū)塊試氣數(shù)據(jù)與氣層判別指標(biāo)相結(jié)合,分別統(tǒng)計出氣層、氣水同層判別指標(biāo)的下限值,實現(xiàn)應(yīng)用氣層判別指標(biāo)對儲層含氣級別計算機數(shù)據(jù)處理自動判別,提高低電阻率氣層評價能力和準(zhǔn)確性。氣層判別指標(biāo)式為

Ig=Ga×Gr/Sw

(10)

式(10)在水層的計算結(jié)果為Ig≈1;在含氣層則Ig?1,實現(xiàn)對儲層含氣信息的有效放大,達到有效識別低電阻率氣層的目的。若利用區(qū)塊試氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到氣層、氣水同層的判別指標(biāo)下限值分別為Ig1和Ig2,則可利用表1對儲層的含氣性進行分級評價。

表1 儲層含氣性分級判別規(guī)則

3 應(yīng)用效果

疏松砂巖低電阻率氣層評價技術(shù)應(yīng)用于勝利油區(qū)QD油田和LHK油田共19口井的儲層測井評價,在識別評價低電阻率氣層方面取得良好效果。

圖5 Q5井測井?dāng)?shù)據(jù)處理成果圖

Q5井為QD油田第5區(qū)塊的1口預(yù)探井(見圖5),油氣勘探目的層為館陶組疏松砂巖地層,儲層巖性以粉砂、泥質(zhì)粉砂巖為主,平均孔隙度30.5%、平均滲透率1 100×10-3μm2,地層水礦化度3 540 mg/L、水型為NaHCO3。圖5中1號層自然伽馬數(shù)值較高(約78 API),指示儲層泥質(zhì)含量重;中子、密度測井基本沒有含氣響應(yīng),聲波時差有所增大;深感應(yīng)電阻率7.5 Ω·m左右、鄰近水層電阻率5.7 Ω·m,測井曲線氣層響應(yīng)不明顯。利用低電阻率氣層評價技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理的成果圖顯示該層三孔隙度差值、比值有含氣現(xiàn)象,氣層判別指標(biāo)進入氣層區(qū)域,解釋為氣層。該層試氣日產(chǎn)氣19 713 m3、不含水,解釋結(jié)論與試氣結(jié)論相符合。

LX7井為LHK油田第7區(qū)塊的1口評價井(見圖6),油氣勘探目的層為館陶組疏松砂巖地層,儲層巖性以粉砂、泥質(zhì)粉砂巖為主。該井為定向斜井,最大井斜角46.96 °,地層水礦化度2 776 mg/L、水型為NaHCO3。圖6中2號層自然伽馬數(shù)值較高(約80 API)、自然電位無異常幅度,指示儲層泥質(zhì)含量較高;中子、密度測井基本沒有含氣響應(yīng),聲波時差有增大現(xiàn)象;深側(cè)向電阻率4～6.8 Ω·m、鄰近水層電阻率5～6 Ω·m,測井曲線指示氣層特征不明顯。利用低電阻率氣層評價技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理評價,成果圖中含氣特征參數(shù)Ga、Gr、Ig指示儲層含氣性良好,解釋為氣層。該層在鉆井過程中氣測錄井?dāng)?shù)值有明顯增大現(xiàn)象,全烴從1.1%上升到23.38%,甲烷含量從0.813%上升至23.03%,氣測錄井資料顯示氣層特征明顯,間接驗證了該層為氣層。

另外,嘗試把該技術(shù)方法應(yīng)用于中-低電阻率固結(jié)砂巖氣層的測井評價。Y2為1口評價井,目的層為沙四段砂巖儲層,該井2號層深感應(yīng)電阻率5～6 Ω·m、鄰近水層電阻率2～3 Ω·m,屬于中-低電阻率儲層;密度、聲波測井曲線基本沒有含氣顯示,中子測井曲線有小幅度的挖掘效應(yīng),總體測井曲線顯示的含氣特征不突出。利用低電阻率氣層評價技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理的成果顯示該層三孔隙度差值、比值含氣性較好,氣層判別指標(biāo)指示為氣層,解釋為氣層。該層試氣日產(chǎn)氣6 431 m3,解釋結(jié)論正確。

4 結(jié) 論

(1) 疏松砂巖儲層富含以蒙脫石為主要黏土礦物成分的泥質(zhì),在較低地層水礦化度區(qū)域陽離子交換當(dāng)量電導(dǎo)率變化率大,導(dǎo)致黏土的附加導(dǎo)電作用增強是勝利油區(qū)疏松砂巖低電阻率氣層形成的主要因素。

(2) W-S模型適用于由黏土陽離子交換作用產(chǎn)生附加導(dǎo)電性而形成的低電阻率氣層含水飽和度計算。

(3) 由三孔隙度差值、比值和含水飽和度組合形成的氣層判別指標(biāo)適用于勝利油區(qū)疏松砂巖低電阻率含氣儲層的分級識別,可以提高低電阻率氣層評價的有效性和準(zhǔn)確性。

(4) 判別指標(biāo)的2個下限參數(shù)Ig1、Ig2應(yīng)按地層的巖性、物性和地層水礦化度的相似性分區(qū)塊進行統(tǒng)計得到。

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