基于測井推演的巖石力學(xué)參數(shù)識別致密砂巖氣層

弓浩浩, 夏宏泉, 崔麗香, 高飛龍

(1.延長油田公司七里村采油廠, 陜西 延安 717100; 2.西南石油大學(xué)石油工程測井實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500; 3.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部, 陜西 西安 710200)

0 引 言

蘇里格氣田的含氣層主要為上古生界二疊系下石盒子組的盒8段及山西組的山1段,氣藏受控于近南北向分布的大型河流、侵砂體帶,有效砂體呈孤立狀分布在致密砂巖中,規(guī)模小且連續(xù)性、連通性差,多數(shù)屬于低孔隙度、低滲透率、低產(chǎn)和低豐度的大型致密氣藏。以往氣層識別研究主要利用常規(guī)的聲波時(shí)差、密度、中子和電阻率測井資料,由于受儲層結(jié)構(gòu)和物性的影響較大,對低孔隙度低滲透率(有時(shí)是低電阻率)的氣層識別效果不佳,導(dǎo)致氣層判釋符合率不高,這些都影響了射孔壓裂層段的選擇和試油氣結(jié)果。

由于地層在飽含氣狀態(tài)下縱波速度明顯減小,橫波速度有增大趨勢,這為利用偶極聲波測井資料提取縱、橫波時(shí)差和計(jì)算地層的流體體積壓縮系數(shù)、泊松比等參數(shù)進(jìn)行氣層識別提供了重要的理論基礎(chǔ)。本文實(shí)際處理時(shí),以試氣結(jié)論作為依據(jù),合理讀取對應(yīng)儲層段的測井特征參數(shù)值;建立流體壓縮系數(shù)與泊松比、巖石體積壓縮系數(shù)與泊松比比值交會識別氣層的圖版;通過對比總結(jié)獲取識別儲層流體類型的參數(shù)界限值,形成工區(qū)氣層識別的標(biāo)準(zhǔn)或模式,最后將其推廣應(yīng)用到工區(qū)新井的氣層識別中。

1 利用偶極橫波測井資料識別氣層原理

當(dāng)儲層內(nèi)充滿石油或天然氣時(shí),將引起儲層巖石的彈性力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化,縱波能量衰減顯著增大,而橫波能量衰減較小,從而導(dǎo)致縱波時(shí)差顯著增大,橫波時(shí)差有減小的趨勢[1-2],即油、氣層的縱波時(shí)差要比相同巖性相同孔隙度的水層大,尤其是氣層要大的多,導(dǎo)致泊松比降低、體積壓縮系數(shù)升高、彈性模量增大等[3-7]。這個(gè)結(jié)論是通過實(shí)驗(yàn)分析和理論計(jì)算得出的(見圖1),利用5塊巖心進(jìn)行氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn),分別獲取巖心在不同含氣飽和度下的縱橫波速度,并建立兩者的變化關(guān)系,可知隨巖心含氣飽和度的增大,縱波速度明顯降低,而橫波速度基本不變?；诤瑲獾貙勇晫W(xué)響應(yīng)特征的巖石物理研究,根據(jù)識別氣層能力,優(yōu)化選擇聲波參數(shù)(見圖2)。研究發(fā)現(xiàn),在高含氣飽和度范圍內(nèi),壓縮系數(shù)變化最明顯,泊松比次之[8]。泊松比是地層縱波與橫波速度比值的函數(shù),在儲集層相同巖性和相同孔隙條件下,水層巖石的縱波和橫波速度的比值增大,泊松比相應(yīng)地增大;氣層巖石的縱波與橫波速度的比值減小,泊松比也相應(yīng)地減小[9]。巖石體積壓縮系數(shù)Cb在氣層段受巖石骨架的影響較大,且數(shù)值較小,因而可采用巖石壓縮系數(shù)與泊松比的比值(Cb/μ)反映氣層段的變化。

圖1 縱橫波速度隨含氣飽和度增大的變化關(guān)系圖

圖2 不同聲學(xué)特征參數(shù)相對變化率隨含氣飽和度增大的關(guān)系圖

地層孔隙中油、氣、水的聲學(xué)性質(zhì)是不同的,密度有差異,其壓縮系數(shù)也不同。表1是油、氣、水的理論壓縮系數(shù),由表1可以看出,油、水的壓縮系數(shù)相差2倍左右,而天然氣或氣與水的壓縮系數(shù)相差近1～2個(gè)數(shù)量級(40倍左右),因而只要能夠求得儲層流體壓縮系數(shù),就能夠較好地定量或者半定量識別儲層流體類型。

表1 3種流體(油、氣、水)的聲學(xué)參數(shù)

*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m, 1 psi=6 894.757 Pa, 下同

以聲波能量為基礎(chǔ)的油氣識別方法受井眼等因素的影響大,井徑的變化通常會影響聲波在井內(nèi)的傳播,擴(kuò)徑嚴(yán)重或者井壁很不規(guī)則會造成計(jì)算的慢度值明顯偏大。對于這種情況,通過將接收器上的數(shù)據(jù)分別按照共源陣列數(shù)據(jù)組合和聲源陣列數(shù)據(jù)組合得到不同的慢度值,再進(jìn)行平均,即可補(bǔ)償井徑不規(guī)則造成的影響[10]。

根據(jù)偶極橫波聲波測井資料可以得到地層連續(xù)的流體壓縮系數(shù)(Cf)、泊松比(μ)和巖石壓縮系數(shù)與泊松比比值(Cb/μ)曲線進(jìn)行儲氣層的識別。在繪制測井成果曲線圖時(shí),把Cf與μ同向刻度、與Cb/μ反向刻度,分別繪制在同一曲線道內(nèi),并調(diào)整各自的刻度,在氣層處二者會形成一個(gè)明顯的鏡像包絡(luò)線,由此便可直觀地指示氣層。

2 巖石彈性力學(xué)參數(shù)的計(jì)算

用于氣層識別的主要巖石力學(xué)參數(shù)有泊松比、巖石壓縮系數(shù)、巖石壓縮系數(shù)與泊松比的比值、流體壓縮系數(shù)等。

(1) 泊松比μ

(1)

(2) 巖石壓縮系數(shù)Cb

(1-φ)Cma+φCf

(2)

(3) 巖石壓縮系數(shù)與泊松比的比值為Cb/μ。

(4) 流體體積壓縮系數(shù)Cf

基于聲波傳播的巖石體積模型(把聲波在單位體積巖石中傳播的時(shí)間分成幾部分傳播時(shí)間的體積加權(quán)值),考慮到地層中含有泥質(zhì)或鈣質(zhì)會影響巖石體積壓縮系數(shù)的大小,在式(2)的基礎(chǔ)上反推出巖石體積壓縮系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

式中,Cb、Cma、Csh、Cf分別為實(shí)際巖石、骨架砂巖、泥質(zhì)和流體的壓縮系數(shù)(單位為1/104MPa或1/Mpsi或1/GPa);Δtc、Δts分別為巖石縱波、橫波時(shí)差,μs/ft;φ、Vsh分別為巖石孔隙度和泥質(zhì)含量,小數(shù);ρ為巖石體積密度,g/cm3;β為單位轉(zhuǎn)換因子。

巖石體積壓縮系數(shù)可由地層密度和縱橫波時(shí)差測井值獲得,泥質(zhì)含量可由GR曲線獲得;根據(jù)實(shí)際泥巖、砂巖的骨架密度和縱橫波時(shí)差值可求得Csh、Cma,由式(3)即可確定流體壓縮系數(shù)Cf。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

基于上述方法模型,編制相應(yīng)的偶極橫波測井資料處理的氣層識別程序,將其用于蘇里格氣田的SS區(qū)塊盒8和山1層段的氣層識別中。根據(jù)儲層劃分標(biāo)準(zhǔn)和射孔段的試氣結(jié)果,讀取每口井的射孔井段及附近層段對應(yīng)的特征參數(shù)(Cf、μ、Cb/μ),統(tǒng)計(jì)獲得了SS區(qū)塊9口井共26個(gè)層段的測井特征參數(shù)(見表2)。以μ或Cb/μ為縱坐標(biāo)、流體壓縮系數(shù)Cf為橫坐標(biāo),建立的氣層識別圖版如圖3所示。

圖3采用了26個(gè)層數(shù)據(jù),其中2個(gè)層劃分有誤,

圖版的符合率為92%。 由該圖版得到SS區(qū)塊識別儲層流體類型的各參數(shù)界限值如表3所示。

圖3 SS區(qū)塊流體壓縮系數(shù)與泊松比交會識別氣層圖版

井號射孔段/m層位試采的氣/水產(chǎn)量解釋層段/mCf/Mpsi-1(Cb/μ)/Mpsi-1μ試氣結(jié)論測井解釋S13096～3099盒83127～3129山12445/03095.4～3099.50.7500.8360.255干層含氣水層3100.7～3103.41.5471.3290.219差氣層含氣水層3126.8～3128.71.3661.1080.206差氣層氣水層S22984～2986盒83012～3015山1546/02978～2986.70.6900.8410.242干層干層3013.2～3015.21.1301.1520.230干層差氣層S32877～2880盒81542/27.42877.5～2881.31.2731.1270.251氣水層氣層2877.5～2881.31.250.9510.266氣水層氣層S42817～2820盒82843～284620958/02815.7～2817.72.2652.2890.166氣層氣層2841.6～2846.52.1752.1860.145氣層氣層2841.6～2846.51.7691.7040.159氣層氣層S52692～2695盒85759/02682.6～2688.11.0621.1230.210干層干層2689.2～2692.41.3291.1110.206差氣層干層S62895～2899盒82917～2921山111160/0.3 11826/0.62893.4～2895.81.2611.1400.217差氣層干層2895.75～28981.6801.9490.176氣層氣水層2916.6～2918.11.7391.7830.176氣層氣層2919.75～29231.5451.4620.192差氣層差氣層S72795～2798盒82848～28512867～2870山12887～289011080/02794～2795.61.5421.4600.188差氣層差氣層2795.6～2798.42.0362.6020.132氣層氣層2848.6～28511.3141.2890.199差氣層差氣層2866.6～28701.4561.3830.195差氣層差氣層S82755～2758盒82784～2788山11503/0973/32745.6～27520.6131.0100.243干層干層2752～2755.31.2161.3160.227差氣層差氣層2784.7～27871.3831.5290.198差氣層氣層S93029～3032盒83103～3106山143920/021630/03029.75～30322.2884.0300.109氣層氣層3032～3033.252.3502.7670.150氣層氣層3033.25～30341.7102.1610.149氣層氣層

表3 SS區(qū)塊氣層識別標(biāo)準(zhǔn)

將該區(qū)塊的流體類型識別參數(shù)界限值(識別標(biāo)準(zhǔn)),用于新井的儲層含流體性質(zhì)評價(jià),以檢驗(yàn)判釋標(biāo)準(zhǔn)的適用性。以S8井的儲層段流體性質(zhì)判釋成果圖為例(見圖4),常規(guī)測井曲線如SP、AC、CNL和電阻率測井曲線變化特征都不明顯,都很難判斷儲層流體類型。利用表3中的氣層識別標(biāo)準(zhǔn)對該井儲層段進(jìn)行二次測井解釋,可知在2 755～2 758 m、2 784～2 788 m這2個(gè)射孔段中,第7和第8道中流體壓縮系數(shù)與泊松比、壓縮系數(shù)泊松比比值只有很小的交會面積;6號、7號和9號解釋層中Cf、μ和Cb/μ的均值分別表現(xiàn)為:1.30.22、Cb/μ<1.12,可解釋為干層。而一次測井解釋(縱橫波速度比法識別氣層)時(shí)則將2號層解釋為差氣層,7號層、8號層和9號層解釋為氣層。試氣結(jié)論,射孔段2 755～2 758 m日產(chǎn)氣1 503 m3,射孔段2 784～2 788 m日產(chǎn)氣973 m3,產(chǎn)水3 m3。

圖4 S8井2 745～2 800 m儲層段含流體性質(zhì)判釋成果圖

4 結(jié) 論

(1) 利用常規(guī)測井資料難以對蘇里格地區(qū)SS區(qū)塊儲層段的含氣性進(jìn)行有效評價(jià),偶極聲波測井資料在工區(qū)低孔隙度低滲透率砂巖氣層的識別中具有明顯優(yōu)勢。

(2) 通過儲層巖心在驅(qū)替試驗(yàn)過程中聲學(xué)響應(yīng)特征的巖石物理研究,發(fā)現(xiàn)隨含氣飽和度的增大,縱波速度明顯降低,橫波速度基本不變,同時(shí)在高含氣飽和度下泊松比和體積壓縮系數(shù)的變化更明顯,利用兩者的比值更能體現(xiàn)出這種變化。

(3) 根據(jù)偶極橫波聲波測井資料得到地層的流體壓縮系數(shù)(Cf)與泊松比(μ)曲線、巖石壓縮系數(shù)與泊松比的比值(Cb/μ)曲線交會可以直觀識別氣層?，F(xiàn)場資料應(yīng)用表明,其識別氣層的判識率較高,值得推廣應(yīng)用。

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