基于海上砂礫巖低滲透率成因分析及測井評價

張沖

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江524057)

0 引 言

南海西部油田近年新發(fā)現(xiàn)的烏石東區(qū)流沙港組三段復(fù)雜砂礫巖儲層,儲層埋深2 300～3 000 m,屬較為典型的扇三角洲砂礫巖沉積體系[1-2]。儲層物性主要受沉積、成巖壓實作用影響,儲層物性展布規(guī)律復(fù)雜,相對高滲透率區(qū)是儲層甜點(diǎn)。但由于流沙港組三段砂礫巖的低成分成熟度和低結(jié)構(gòu)成熟度,巖石骨架、孔隙結(jié)構(gòu)、基質(zhì)和礫石含量差異大,儲層滲透率的測井解釋難度大,滲透率計算模型難以依據(jù)簡單的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行構(gòu)建,現(xiàn)有測井模型計算的儲層滲透率解釋精度低,不能滿足油田開發(fā)需要。因此,本文基于孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)定量表征的非線性儲層滲透率精細(xì)計算方法,提高了復(fù)雜砂礫巖儲層滲透率計算精度,對油田的進(jìn)一步開發(fā)評價具有積極意義。

1 海上砂礫巖低滲透率成因分析

流沙港組三段巖性復(fù)雜,從粉砂巖、中細(xì)砂巖到砂礫巖均有分布,縱向上物性變化快,孔隙度、滲透率主要分布區(qū)間分別為15.0%～22.0%、4.0～64.0 mD(1)非法定計量單位,1 mD=0.987×10-3 μm2,下同,總體表現(xiàn)為中孔隙度、低滲透率特征。造成儲層低滲透率的成因和物性的影響因素主要有以下3個方面。

(1)沉積因素。流沙港組三段沉積時期,烏石凹陷東區(qū)地形呈東高西低趨勢,東北部發(fā)育北東—西南方向的溝道[3-4],為三角洲的注入提供了有利的搬運(yùn)通道,河流攜帶著沉積物由地勢高的地方往東北方向運(yùn)移,在水動力變?nèi)醯臅r候,沉積物發(fā)生卸載沉積。沉積相帶是造成儲層物性差異和低滲透率的主要控制因素。烏石凹陷東區(qū)流沙港組三段是典型的扇三角洲水下分流河道特征[5],底部為砂礫巖儲層以及槽狀交錯層理的含礫砂巖層;平行層理的中細(xì)砂巖和塊狀泥質(zhì)粉細(xì)砂巖,在近物源處的水下分流河道由于分選磨圓差、泥質(zhì)含量高,儲層表現(xiàn)為低滲透率特征;稍微遠(yuǎn)離物源處的水下分流河道由于搬運(yùn)距離更遠(yuǎn),分選磨圓變好、泥質(zhì)含量減少,儲層滲透性變好。

(2)成巖壓實作用。流三段隨埋深加大,壓實作用變強(qiáng)。巖石薄片表現(xiàn)為石英、長石等剛性顆粒定向排列,云母等塑性顆粒發(fā)生形變,碎屑顆粒以線-點(diǎn)狀接觸為主。研究區(qū)流沙港組三段壓實率與孔隙度和滲透率呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系,埋深增大,儲層壓實作用也越強(qiáng),物性降低明顯。深度2 600 m以下,綜合壓實率(含化學(xué)膠結(jié)壓實)達(dá)70%以上,層內(nèi)平均孔隙度低,低滲透率—特低滲透率,反映巖石進(jìn)入強(qiáng)壓實帶。儲層滲透率與埋深的關(guān)系顯示,粗粒砂巖在埋深較大時,滲透率降低幅度大于細(xì)粒砂巖。

流沙港組三段壓實膠結(jié)圖從定量角度顯示了不同井區(qū)的壓實膠結(jié)作用強(qiáng)度,1區(qū)、9區(qū)、11區(qū)、14區(qū)埋深大,儲層被壓實作用消除的孔隙體積大,壓實率高,屬于強(qiáng)壓實區(qū),壓實對儲層物性具有明顯的破壞作用。巖心壁心的物性分析也顯示深埋區(qū)儲層因埋深大壓實作用強(qiáng),儲層物性尤其是儲層滲透性明顯降低。

(3)溶蝕和破裂作用。烏石凹陷東區(qū)流沙港組三段溶蝕作用產(chǎn)生大量的次生孔隙,擴(kuò)大了儲集空間,從鑄體薄片下可以看到,長石溶孔、長石溶蝕形成的鑄?？资殖Ｒ?極大地改善了儲層的孔隙空間。由于含礫砂巖因多晶石英礫石顆粒的存在,巖石脆性礦物含量高,在壓實過程中,礫石顆粒的存在使礫石易發(fā)生扭動或破裂,滲透性有一定程度改善。正是因為局部儲層受到溶蝕和破裂作用的影響,儲層物性變化規(guī)律更為復(fù)雜。

基于海上砂礫巖低滲透率主控因素分析認(rèn)為,儲層滲透率的評價應(yīng)考慮沉積、成巖作用塑造的孔隙結(jié)構(gòu)和巖相類型兩大因素。

2 基于孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的滲透率計算

2.1 砂礫巖儲層巖相的劃分

巖性變化大、多類巖性并存是砂礫巖儲層的重要特征,由于巖相的變化,物性參數(shù)也會存在極大差異,特別是儲層的滲透率,其差異可以達(dá)到2～3個數(shù)量級[6-7]。因此,精確的巖相劃分是滲透率精細(xì)求解的基礎(chǔ)。根據(jù)取心井巖性描述劃分巖相剖面是最為直接和精確的方法,但對于海上油田而言,由于取心成本昂貴,巖心資料相對陸地油田顯得極為匱乏,在無取心的井進(jìn)行巖相劃分就是問題的關(guān)鍵。不同的巖相往往具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的成巖作用,因此,有必要利用較易獲得的測井資料在縱向上對巖相進(jìn)行識別和精確劃分,從而消除因巖相變化造成的滲透率解釋精度問題[8-9]。

南海西部油田烏石凹陷東區(qū)流沙港組三段具有較為豐富的旋轉(zhuǎn)井壁心資料,對于巖相的地質(zhì)雕刻具有重要意義。通過壁心的描述與薄片鑒定、激光粒度分析等實驗手段相結(jié)合,對壁心巖性進(jìn)行精確定相,提取關(guān)鍵測井曲線信息,建立巖相判識的樣本集,采用Bayes巖性判別方法[10-11],建立巖相判別方程,對單井巖相進(jìn)行數(shù)字劃分,確定單井縱向上的巖相類型。為避免巖相劃分過細(xì)造成巖相判別困難,將流沙港組三段巖相劃分為4類:砂礫巖相(石英礫石含量大于50%);含礫粗砂巖相(石英礫石含量小于50%,粒度主要為粗粒);含礫中細(xì)砂巖相(石英礫石含量小于50%,粒度主要為中到細(xì)粒);細(xì)粉砂巖相(不含礫,巖性較純的細(xì)粒巖性)。式(1)～式(4)是流沙港組三段選用自然伽馬(GR)、深側(cè)向電阻率(RIld)、中子(CNL)和密度(DEN)這4項參數(shù)利用Bayes巖性判別法建立的巖相判別方程。巖相判別共選取巖心和壁心上典型的30個巖相樣本(砂礫巖巖相9個、含礫粗砂巖巖相6個、含礫中細(xì)砂巖巖相9個、細(xì)粉砂巖相6個),共判識錯誤3個,樣本的回判率為9%,與實際取心和壁心巖相類型吻合率高,可以用于流沙港組三段砂礫巖儲層的巖相精細(xì)劃分。

砂礫巖相判別方程

S1=-3807.805+4.633GR+61.993RIld+

31.234CNL+2770.032DEN

(1)

含礫粗砂巖相判別方程

S2=-3884.086+4.807GR+62.932RIld+

31.078CNL+2797.297DEN

(2)

含礫中細(xì)砂巖相判別方程

S3=-4042.151+5.467GR+67.621RIld+

31.784CNL+2828.173DEN

(3)

細(xì)粉砂巖相判別方程

S4=-4298.132+5.981GR+71.774RIld+

32.454CNL+2900.662DEN

(4)

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)測井定量表征

(1)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與物性。沉積作用、成巖作用決定了儲層孔隙結(jié)構(gòu)和空間配置,體現(xiàn)在孔隙喉道半徑、孔喉的迂曲程度和有效孔隙空間配置上,微觀孔隙結(jié)構(gòu)從根本上影響了儲層的滲透率。從排驅(qū)壓力、孔喉半徑平均值等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與儲層物性的關(guān)系可以看出(見圖1),儲層滲透率與排驅(qū)壓力呈明顯的負(fù)相關(guān),儲層滲透率與孔喉半徑呈明顯的正相關(guān),相關(guān)程度較高,說明喉道對儲層滲透率影響程度較高。

圖1 烏石東區(qū)流沙港組三段排驅(qū)壓力、孔喉半徑平均值與滲透率的關(guān)系

(2)儲層品質(zhì)指數(shù)分級下的孔隙度滲透率關(guān)系。表征儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)很多,但是這些參數(shù)大部分屬于微觀參數(shù),可依靠取樣測試分析求得,但直接求取則很困難。因此,需要一個與儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)的宏觀參數(shù),作為儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與測井信息之間的紐帶,實現(xiàn)儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及儲層滲透率的測井評價。通過調(diào)研砂礫巖儲層及低滲砂巖儲層相關(guān)文獻(xiàn),選用儲層品質(zhì)指數(shù)作為評價儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的中間橋梁[12],以期確立滲透率、孔隙度與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

儲層品質(zhì)指數(shù)定義:假設(shè)單位體積巖石樣品的孔隙由n個半徑為r的毛細(xì)管組成,則儲層品質(zhì)指數(shù)

(5)

式中,Fs為形狀因子,無量綱;τ為毛細(xì)管彎曲度,無量綱;K為滲透率,(×10-3μm2);φe為有效孔隙度,%。

從式(5)可見,宏觀尺度上,Irq與儲層的孔隙度和滲透率有關(guān);微觀孔隙結(jié)構(gòu)來看,當(dāng)毛細(xì)管變細(xì)(r減小)或彎曲度(τ)變大時,Irq均減小。因此,Irq與巖石的孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度和滲透率均有關(guān),是巖石微觀和宏觀物性特征的綜合反映。

利用取心井段巖心物性分析數(shù)據(jù)計算儲層的Irq,通過對儲層品質(zhì)指數(shù)聚類分級:Irq<0.8主要對應(yīng)中孔隙度特低滲透率儲層;0.81.5主要對應(yīng)中孔隙度中滲透率儲層。通過對儲層品質(zhì)指數(shù)與儲層分類的對比分級,可見儲層的孔隙度與滲透率的相關(guān)關(guān)系非常明顯(見圖2)。這反映了不同儲層品質(zhì)的孔隙度滲透率關(guān)系存在很大差異,靠單一的孔隙度滲透率關(guān)系,滲透率難以獲得準(zhǔn)確的解釋結(jié)果。因此,儲層品質(zhì)指數(shù)參數(shù)可以作為儲層孔隙度、滲透率與孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)相互轉(zhuǎn)換驗證求取的中間橋梁。

2.3 多礦物模型孔隙度確定

孔隙度的精確求取是儲層滲透率解釋的關(guān)鍵因素之一,由于扇三角洲的沉積環(huán)境導(dǎo)致巖性、粒度、泥質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)等都發(fā)生急劇變化,因此,孔隙度的確定需要從沉積的角度來確定模型?；诘V物分析和鑄體薄片資料,流沙港組三段砂礫巖儲層巖石骨架由砂巖和石英礫石組成,可利用這2種骨架加黏土和孔隙作為多礦物解釋模型。根據(jù)上述模型分析,采用密度、中子和自然伽馬建立測井響應(yīng)方程。

(6)

方程組在求解時,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征,限定約束條件:0≤Vi≤1,i=1,2,3(1表示砂巖,2表示石英礫石,3表示黏土),0≤φ≤1。各組成分的測井響應(yīng)值通過巖心分析資料確定,從而建立測井參數(shù)數(shù)據(jù)集,采用所建立的測井方程對流沙港組三段的測井資料進(jìn)行處理,求取儲層孔隙度。流沙港組三段70塊巖心壁心實驗分析的孔隙度與采用多礦物模型確定的孔隙度相關(guān)系數(shù)為0.893 7,平均相對誤差為0.4%,誤差率控制在7%以內(nèi),滿足開發(fā)生產(chǎn)需要。

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的測井表征

孔隙和喉道是碎屑巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的重要組成部分,影響著地下油氣的儲集和油氣田的開發(fā)效果,是較為重要的地質(zhì)描述參數(shù)[13-14]。儲層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)可分為微觀和宏觀參數(shù):宏觀參數(shù)主要指儲層的孔隙度和滲透率;微觀參數(shù)主要描述巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu),具體可以分為控制流體運(yùn)動的微觀特征參數(shù)、表征孔喉連通性的微觀特征參數(shù)、孔喉的分選性、孔喉大小及分布等。這些參數(shù)的求取主要通過室內(nèi)鑄體薄片、CT掃描、掃描電鏡、壓汞等實驗獲得,資料往往存在局限性,很難推廣。為此,前人基于大量的分析化驗數(shù)據(jù)和特殊實驗手段,通過測井資料求取這類微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

國內(nèi)外建立的低滲透率巖石微觀結(jié)構(gòu)模型較多,如毛細(xì)管束、分形理論、喉腔、格子氣自動機(jī)和簡化電導(dǎo)等模型,不同的巖石微觀結(jié)構(gòu)模型適用于不同的巖石孔隙結(jié)構(gòu)。在對流沙港組三段儲層巖心薄片和孔隙結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上,通過類比分析,選用劉向君教授所建立的復(fù)雜低滲透率儲層(致密低滲和復(fù)雜巖性儲層)巖石導(dǎo)電模型,該模型結(jié)合復(fù)雜低滲透率地層孔喉細(xì)小且喉道多為片狀的特點(diǎn),選取毛細(xì)管束模型來模擬復(fù)雜低滲透率儲層的導(dǎo)電規(guī)律。通過巖石導(dǎo)電實驗推導(dǎo)出以下3個重要的微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)模型[15]。

毛細(xì)管平均半徑(rca)

(7)

孔喉迂曲度(τ)

(8)

孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)(P)

(9)

式中,Rw為地層水電阻率;Sw為地層的含水飽和度;φ為地層孔隙度。

圖2 烏石東區(qū)流沙港組三段儲層品質(zhì)指數(shù)分級下的孔隙度滲透率關(guān)系圖

從式(7)、式(8)可見,當(dāng)?shù)貙訋r性和飽和流體的性質(zhì)相似時,隨電阻Rt變大,巖石的孔喉半徑rca會逐漸變小,而毛細(xì)管的迂曲程度τ越大,反映儲層孔隙結(jié)構(gòu)變得越復(fù)雜。因此,可以看出地層電阻率Rt的縱向變化可以反映儲層孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

孔喉半徑rca、毛細(xì)管迂曲程度τ和孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)P這3個孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)可以較好地反映儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征。其中孔喉半徑rca主要反映巖石孔隙喉道的平均大小;毛細(xì)管的迂曲程度τ主要反映巖石孔喉的曲折復(fù)雜程度;孔隙結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)P是孔喉大小和孔喉曲折度的綜合程度。因此,利用這3個基本參數(shù)可以較好地評價儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征,反映儲集性能,也可以評價儲層的滲透能力。通過對現(xiàn)有的流沙港組三段分析化驗資料結(jié)合測井計算獲得的孔喉半徑、毛細(xì)管迂曲度和孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)與儲層品質(zhì)指數(shù)之間存在較為明顯的相關(guān)關(guān)系(見圖3)?？缀碛厍仍龃?儲層品質(zhì)指數(shù)變小;毛細(xì)管平均半徑越大,儲層品質(zhì)指數(shù)越大;孔隙結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)越大,儲層品質(zhì)指數(shù)也越大。利用這3個參數(shù)實現(xiàn)儲層滲透率的求取。

圖3 毛細(xì)管平均半徑、孔喉迂曲度和孔隙結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)與儲層品質(zhì)指數(shù)的關(guān)系

圖4 烏石東區(qū)流沙港組三段BP網(wǎng)絡(luò)法解釋的儲層滲透率與巖心滲透率對比圖

2.5 滲透率精細(xì)解釋

儲層品質(zhì)指數(shù)的測井表征參數(shù)建立后,嘗試多種數(shù)學(xué)地質(zhì)方法對儲層滲透率進(jìn)行解釋,經(jīng)過多次試驗,最終選用阻尼最小二乘算法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滲透率測井實現(xiàn)。

BP網(wǎng)絡(luò)的算法基本原理是基于最速下降法的優(yōu)化方法,屬于最優(yōu)化計算法中較為普遍但效率極低算法。結(jié)合流沙港組三段砂礫巖儲層特征,考慮其因沉積、成巖作用導(dǎo)致的巖性復(fù)雜程度和孔隙結(jié)構(gòu)的無規(guī)律性變化等因素,采用基于Levenberg-Marquardt算法(LM),即阻尼最小二乘算法原理,該方法是非線性最小二乘無約束優(yōu)化的主要計算方法,其在地球物理和儲層預(yù)測研究中已獲得較好的效果[16-18]。

針對4類巖相分別設(shè)計BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),共3層:輸入層、隱含層、輸出層。經(jīng)過反復(fù)試驗,選取了巖石孔喉半徑rca,毛細(xì)管迂曲度τ,以及孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)P這3個測井孔隙結(jié)構(gòu)表征參數(shù)組合,作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層。輸入結(jié)點(diǎn)為3個,根據(jù)隱含層結(jié)點(diǎn)個數(shù)大約為輸入結(jié)點(diǎn)的2倍關(guān)系,隱含層選取6個結(jié)點(diǎn),輸出層取1個結(jié)點(diǎn),這1個輸出為特定巖相的儲層品質(zhì)指數(shù)的計算值,訓(xùn)練次數(shù)3 050次,誤差精度為0.004 993時終止,解釋效果最佳。利用該方法計算的特定巖相儲層品質(zhì)指數(shù)即可結(jié)合孔隙度反算出對應(yīng)巖相的儲層滲透率。

2.6 應(yīng)用效果對比

帶入訓(xùn)練的樣本數(shù)53個,檢驗樣本數(shù)25個,訓(xùn)練樣本和檢驗樣本通過儲層品質(zhì)指數(shù)反算的儲層滲透率與巖心壁心試驗分析的滲透率擬合效果均較好,表明該滲透率解釋方法有效(見圖4)。BP預(yù)測滲透率平均相對誤差為56.91%,基本都控制在100%以內(nèi),解釋結(jié)果在合理范圍內(nèi)。

烏石東區(qū)流沙港組三段屬于低滲透率儲層,不存在明顯的宏觀裂縫,儲層的滲透率直接影響了單井的產(chǎn)能,測試產(chǎn)能與儲層滲透性具有明顯相關(guān)性,測試產(chǎn)能越大,試井滲透率和巖心的滲透率也越高。從WX-9井的處理結(jié)果與巖心實驗求取結(jié)果對比來看,采用多礦物模型計算的儲層孔隙度和基于孔隙結(jié)構(gòu)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的儲層滲透率值大小和變化趨勢均與實驗求取值吻合性非常好(見圖5)。動靜態(tài)對比驗證表明,基于孔隙結(jié)構(gòu)求解的儲層測井滲透率與巖心壁心滲透率和試井滲透率在數(shù)值和變化趨勢上均具有明顯的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.902 7和0.734 8。在其他取心資料井的檢驗對比也取得同樣的效果,說明該解釋方法是可行的,可以推廣到全區(qū)應(yīng)用。

圖5 烏石凹陷東區(qū)WX-9井綜合測井解釋與巖心、壁心實驗測試結(jié)果對比剖面*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3 結(jié) 論

(1)綜合考慮流沙港組三段砂礫巖儲層復(fù)雜的物性變化建立的基于Bayes判別原理的巖相判別方程,實現(xiàn)了利用測井資料在縱向上對巖相進(jìn)行識別和精確劃分。通過建立多礦物孔隙度計算模型求取滿足精度要求的儲層孔隙度,為儲層滲透率的精細(xì)求解奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)引入儲層品質(zhì)指數(shù)這一中間橋梁實現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測井定量轉(zhuǎn)換,采用非線性BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求取儲層品質(zhì)指數(shù),進(jìn)而反算砂礫巖儲層滲透率,利用該方法求取的儲層滲透率值大小和變化趨勢均與實驗求取值吻合性高,表明該解釋方法可行,能夠滿足油藏地質(zhì)綜合描述和儲量計算對參數(shù)的精度要求。