超壓油藏測井響應(yīng)特征與儲層評價方法

曹志鋒,黃衛(wèi)東,藺敬旗,王先虎,張凱,柴新輝

(1.中國石油集團測井有限公司新疆分公司,新疆克拉瑪依834000;2.中國石油新疆油田公司勘探事業(yè)部,新疆克拉瑪依834000)

0 引 言

中國有30多個地區(qū)或盆地發(fā)育超壓,并在超壓層系中發(fā)現(xiàn)大量油氣[1]。目前對各類含油氣盆地及準噶爾盆地環(huán)瑪湖凹陷二疊系上烏爾禾組地層超壓測井響應(yīng)特征及測井評價方法方面的研究較少[1-16]。

本文根據(jù)試油實測地層壓力、巖石物理實驗分析資料和測井資料,分析研究區(qū)超壓的測井響應(yīng)特征、成因機理、識別方法和超壓對儲層物性的影響及其儲層油氣賦存關(guān)系,研究超壓礫巖儲層測井評價方法,為試油選層、儲層改造提供了重要的技術(shù)支撐,為此類油氣藏的勘探評價提供了新的測井評價方法。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北部,西與西部隆起的山前斷裂帶相鄰,東與陸梁隆起相接,整體呈北東—南西向展布,面積約6 800 km2,是準噶爾盆地增儲上產(chǎn)的主要區(qū)塊。二疊系上烏爾禾組縱向上分為3段,整體表現(xiàn)為水進超覆沉積,上烏爾禾組三段沉積時期,大規(guī)模水進,河道間、濱淺湖泥巖發(fā)育,為區(qū)域泥巖蓋層。儲層主要分布在烏一段、烏二段的扇三角洲前緣水下分流河道微相內(nèi),分布相對穩(wěn)定,巖性主要為砂礫巖、砂質(zhì)小礫巖和含礫中-細砂巖,夾灰色泥巖,為該區(qū)的主力油層段。油藏類型為構(gòu)造-巖性油藏。根據(jù)鄰井取心樣品分析化驗資料統(tǒng)計,二疊系上烏爾禾組孔隙度為7%～16.11%,平均10.26%;滲透率(0.11～42.4)×10-3μm2,平均2.16×10-3μm2,屬于低孔隙度、特低滲透率儲層。

2 異常壓力縱向分布特征

實測地層壓力是超壓研究中直接反映超壓現(xiàn)象的可靠證據(jù)[2]。根據(jù)100余口井不同深度、不同層位試油實測地層壓力資料,通過分析該區(qū)地層壓力與深度的關(guān)系,該區(qū)三疊系及下伏地層在3 000 m以下超壓發(fā)育。該區(qū)正常地層壓力系數(shù)在1.00～1.10,90%的井地層壓力系數(shù)在1.10～1.65?，敽枷葙_系及上覆地層基本為常壓,三疊系、二疊系發(fā)育異常高壓,且隨深度增加地層異常壓力增高。橫向受泥巖厚度影響,超壓程度差異較大。

3 超壓成因機理分析及識別方法

3.1 超壓成因機理分析

前人提出10多種超壓形成機制主要包括:機械壓實;化學溶解與沉淀;流體熱膨脹;有機質(zhì)生烴和裂解;黏土礦物脫水;構(gòu)造作用(如側(cè)向擠壓等);承壓作用;古壓力;流體注入;氣水密度差。研究認為,流體熱增壓和礦物轉(zhuǎn)化脫水作用很難成為異常高壓形成的主要因素,構(gòu)造擠壓作用、快速沉積引起的欠壓實作用和烴類的生成作用是全球典型超壓盆地異常高壓形成的主因,他源超高壓傳導作用可以改變某一地區(qū)中-淺部地層異常高壓的分布。快速沉積的厚層泥巖內(nèi)部壓實與排水不平衡,孔隙水支撐一部分上覆巖石的重力,造成泥巖內(nèi)部孔隙度和孔隙流體壓力偏大,形成異常高壓。由此可見,這種異常高壓的形成條件是泥巖的沉積厚度大,沉積速率高[1]。

瑪湖凹陷在二疊紀是沉降中心,三疊紀初的沉降中心南移,瑪湖凹陷只是鄰近沉降中心,凹陷內(nèi)部沉積有厚層湖相泥巖。通過選取瑪南斜坡區(qū)三疊系白堿灘組厚層泥巖(見圖1中頂部藍色部分)為正常壓實基準,由上而下建立了三疊系白堿灘組、克拉瑪依組、百口泉組及二疊系上烏爾禾組泥巖段聲波隨深度變化關(guān)系。從圖1不同地層泥巖段聲波時差曲線可知,地層的超壓程度與泥巖的厚度有關(guān),圖1(a)顯示的一口井泥巖厚度小,聲波時差偏移小,反映了地層的欠壓實程度低,實測地層壓力系數(shù)1.05;圖1(c)顯示的一口井泥巖厚度大,聲波時差異常增大,反映了地層超壓程度高,實測地層壓力系數(shù)1.55。因此,泥巖聲波時差曲線存在異常偏大現(xiàn)象,說明瑪湖凹陷二疊系上烏爾禾組泥巖(圖1中黃色以下部分)存在欠壓實現(xiàn)象?？焖俪练e欠壓實作用是瑪湖凹陷異常高壓形成的主要因素。

3.2 超壓層的測井響應(yīng)特征分析及識別方法

圖1 不同泥巖層段聲波時差與深度的關(guān)系圖

超壓帶中泥巖異常高的聲波時差和低電阻率在解釋由欠壓實引起的異常高壓現(xiàn)象時符合了人們對這種物理現(xiàn)象因果關(guān)系的一般理解,因為泥巖壓實不平衡意味著對應(yīng)高孔隙度、低巖石密度和高地層水含量。早在20世紀七八十年代,許多學者利用測井響應(yīng)成功地解釋了由欠壓實導致的異常高壓現(xiàn)象。指出超壓泥巖中的聲波時差和視電阻率可能反映了超壓引起的泥巖本身的結(jié)構(gòu)變化,并可能是流體超壓的直接響應(yīng),而不是高孔隙度異常的響應(yīng),并解釋了壓實地層超壓帶出現(xiàn)高聲波時差(低縱波速度)和低電阻率響應(yīng)的原因:①超壓帶中泥巖的高聲波時差可能是由于超壓泥巖中含氣和水的微裂隙降低了聲波的傳播能力;②超壓帶中泥巖的低電阻率可能是因為超壓導致泥巖中形成大量的微裂隙,從而增加了超壓泥巖中束縛水的相互聯(lián)系而致使電阻率降低[2]。

研究區(qū)二疊系上烏爾禾組的超壓帶中的泥巖、砂礫巖均具有高聲波時差的特征,其中,砂礫巖的異常幅度相對較小,何生等[2]研究認為低聲速異?？赡苤饕强紫读黧w超壓導致顆粒間有效應(yīng)力減小直接引起的。

超壓地層首先是由于泥巖的欠壓實造成的,聲波時差增大,泥巖電阻率降低,表現(xiàn)為地層壓力升高。由表1可見,地層壓力系數(shù)與聲波時差呈正向關(guān)系,超壓越強,地層壓力越高,聲波時差越大。地層壓力系數(shù)與泥巖的電阻率呈逆向關(guān)系,地層壓力越高,泥巖的電阻率越低。因此,可以通過泥巖的電阻率和聲波時差來識別儲層的超壓程度。

表1 測井項目與地層壓力系數(shù)統(tǒng)計表

*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

4 超壓對儲層物性的影響及儲層分類方法

4.1 超壓對儲層的影響

超壓對儲層的影響主要表現(xiàn)在3方面:①超壓滯緩孔隙流體運動,減緩或抑制成巖作用,保留大量原生孔隙;②超壓支撐部分上覆巖體的負荷,減少地層有效應(yīng)力,減緩超壓層的壓實作用,保留原始儲集空間;③超壓使上覆封隔層和圍巖發(fā)生破裂,形成微裂縫,增加儲集空間,改善儲集層連通性,提高儲集層的滲透性能[1]。

瑪湖凹陷二疊系上烏爾禾組超壓發(fā)育,超壓層內(nèi)部的砂礫巖明顯具有高滲透率特征。從圖2(右)鑄體薄片分析,支撐礫巖保留了儲層粒間孔隙,超壓使礫面孔“撐開”,儲層孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,地層“存儲孔”與“連通孔”大于正常壓實地層[3],增強了儲層的連通性,滲透率提高數(shù)百倍。儲層礫面孔隙發(fā)育,具有孔隙和微細裂縫的雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征,儲層的連通性好,毛細管阻力小,在核磁共振測井曲線上表現(xiàn)為大孔隙的結(jié)構(gòu)特征,毛細管孔隙小,形成了高滲透性儲層。

圖2(左)為瑪湖凹陷烏爾禾組3口井不同超壓儲層孔隙度滲透率對比。由于超壓地層快速堆積,儲層泥質(zhì)含量高,有效孔隙度低,平均在6%左右,正常壓實的儲層孔隙度平均在9%,但滲透性比正常壓實的儲層高得多。從正常壓實的儲層孔隙度、滲透率關(guān)系的斜率比超壓儲層的孔隙度、滲透率關(guān)系的斜率小,超壓越強,儲層的滲透性越好。說明儲層的孔隙結(jié)構(gòu)與儲層的滲透性受超壓的控制,超壓越強,自由流體孔隙越大,含油性越好,儲層的滲透性越好。

4.2 超壓物性指數(shù)構(gòu)建

圖2 上烏爾禾組不同超壓儲層孔隙度滲透率分析對比圖*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

欠壓實成因超壓下,地層存儲孔與連通孔大于正常壓實地層,超壓增加了儲層空間,改善了儲集層的滲流能力[15]。因此,超壓強度是油氣形成和儲層產(chǎn)能的主控因素。據(jù)此提出了并構(gòu)建了超壓儲層聲波時差與超壓泥巖之比的超壓物性指數(shù)關(guān)系[見式(1)]。通過分析,發(fā)現(xiàn)超壓儲層物性指數(shù)與地層壓力系數(shù)具有較好的關(guān)系(見表2),構(gòu)建了超壓物性指數(shù)與地層壓力關(guān)系[見式(2)]。超壓物性指數(shù)與儲層的產(chǎn)能呈正相關(guān)(見圖3左下圖),儲層壓力越高,儲層物性越好。即

pi=Δt/Rsh

(1)

pi=aρ-b

(2)

式中,a為相關(guān)系數(shù);b為常數(shù);pi為超壓物性指數(shù);Δt為儲層聲波時差值,μs/ft;Rsh為相鄰的泥巖電阻率值,Ω·m;ρ為地層壓力系數(shù)。

超壓物性指數(shù)反映了儲層的物性好壞,同時也反映了儲層超壓程度。儲層具有超壓越強,儲層的物性越好、含油性越高特征。

4.3 儲層分類方法

基于對超壓儲層的認識,提出了超壓物性指數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)的儲層分類方法。圖3為超壓儲層產(chǎn)能主控因素分析圖。超壓泥巖電阻率的大小與儲層產(chǎn)能具有較好相關(guān)性(見圖3左上),泥巖電阻率越低,超壓越強,產(chǎn)能越高;超壓儲層聲波時差的大小與儲層產(chǎn)能具有較好相關(guān)性(見圖3左中),聲波時差越大,超壓越強,產(chǎn)能越高;超壓儲層物性指數(shù)的大小與儲層產(chǎn)能具有較好相關(guān)性(見圖3左下),超壓物性指數(shù)越大,超壓越強,產(chǎn)能越高。據(jù)此,通過核磁共振測井的可動流體孔隙度與有效孔隙度之比構(gòu)建的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)與儲層超壓物性指數(shù)建立了儲層分類方法,依據(jù)產(chǎn)能大小,將儲層分為4類,構(gòu)建的儲層分類圖版符合率100%(見圖3右)。

表2 超壓物性指數(shù)與地層壓力系數(shù)關(guān)系統(tǒng)計表

5 應(yīng)用效果

研究成果在老井重新處理、新井的測井解釋評價中發(fā)揮了重要作用。老井恢復(fù)試油中,19口井24層獲工業(yè)油流,其中12口井14層獲油率高達74%。地質(zhì)認識的提高和評價技術(shù)的突破,為勘探試油選層、儲量計算、勘探評價等方面提供了技術(shù)支撐;儲層流體性質(zhì)解釋絕對符合率由38%提高到75%,研究成果獲得良好的地質(zhì)應(yīng)用效果。

圖4(a)為該區(qū)二疊系上烏爾禾組礫巖儲層常規(guī)方法電阻率與密度交會圖,該方法不能有效識別油層,符合率只有58.6%。圖4(b)引入電阻率與超壓物性指數(shù)交會圖,能有效識別油層,符合率100%,提高了超壓礫巖儲層的有層識別能力。

A井為該區(qū)一口評價井(見圖5),地層為二疊系上烏爾禾組,儲層巖性為礫巖,該層進行了2層試油,試油結(jié)論與常規(guī)方法解釋結(jié)論不符合。第1層試油井段3 631.0～3 565.5 m,儲層電阻率為25 Ω·m,密度為2.47 g/cm3,錄井氣測異常明顯,常規(guī)電阻率與密度交會圖①點為油層[見圖4(a)];通過地層超壓分析,第1層的泥巖電阻率為3 Ω·m,為正常壓實地層,應(yīng)用超壓物性指數(shù)與電阻率建立的交會圖①點為油層[見圖4(b)],試油為低產(chǎn)油層,與新方法結(jié)論一致。第2層試油井段3 563.0～3 568.0 m電阻率為11 Ω·m,密度為2.52 g/cm3,氣測無油氣顯示,常規(guī)電阻率與密度交會圖③點為非油層[見圖4(a)];通過地層超壓分析,第2層的泥巖電阻率為2 Ω·m,具有泥巖欠壓實形成的地層超壓,應(yīng)用超壓物性指數(shù)與電阻率建立的交會圖③點為油層[見圖4(b)],試油為高產(chǎn)油層,與新方法結(jié)論一致。

圖5 A井上烏爾禾組試油成果測井圖

B井為該區(qū)一口預(yù)探井(見圖6),地層為二疊系上烏爾禾組,儲層巖性為礫巖。該層進行了2層試油,第1層試油井段3 342～3 350 m,試油獲產(chǎn)油10.26 t/d,氣0.753×104m3/d,水10.28 m3/d,結(jié)論為油水同層。第2層井段3 281～3 286 m試油獲產(chǎn)油120.57 t/d,氣4.473×104m3/d,水34.49 m3/d,結(jié)論為油水同層。試油結(jié)論表明,第1層的核磁共振有效孔隙度4.9%,可動流體2.1%,氣測異常明顯,油氣顯示活躍,有效厚度大,產(chǎn)能不高。而第2層的核磁共振有效孔隙度2.9%,可動流體1.6%,氣測異常較小,有效厚度薄,但產(chǎn)能很高。分析原因,第2層頂部的泥巖電阻低、聲波時差大,明顯具有超壓地層的特征。第1層試油井段上部的泥巖層薄,主要為致密隔層,未能形成超壓油藏。應(yīng)用上烏爾禾組儲層產(chǎn)能分析與儲層分類標準,第1層為Ⅱ類儲層(見圖3右圖中的①號點);第2層為Ⅰ類儲層(見圖3右圖中的②號點),符合實際產(chǎn)能。

圖6 B井上烏爾禾組試油成果測井圖

6 結(jié) 論

(1)泥巖欠壓實是該區(qū)超壓形成的主要成因機理,欠壓實泥巖具有低電阻率高聲波時差測井特征。

(2)泥巖欠壓實作用使礫巖儲層的礫面孔隙發(fā)育,具有孔隙和微細裂縫的雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征,儲層連通性好,毛細管孔隙小,在核磁共振上表現(xiàn)為大孔隙的結(jié)構(gòu)特征,形成了低孔隙度、高滲透性儲層。

(3)超壓程度和儲層孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲層產(chǎn)能大小的主控因素,超壓越強,儲層的自由流體孔隙越大,滲透性越好,產(chǎn)能越高。

(4)基于超壓油層的測井響應(yīng)特征,構(gòu)建了超壓泥巖電阻率、聲波時差、地層壓力系數(shù)關(guān)系的超壓物性指數(shù),該指數(shù)既反映了儲層品質(zhì),又體現(xiàn)了超壓程度,為儲層油層識別、儲層分類提供了新方法。