含巖屑砂巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策

劉雙蓮,李 浩,魏修平,朱祖揚(yáng)

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院,北京100101;2.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京100083)

含巖屑砂巖也稱為富(長(zhǎng)石)巖屑砂巖,主要具有如下特點(diǎn):①物質(zhì)含量方面,此類砂巖的陸源碎屑顆粒、長(zhǎng)石與巖屑含量超過(guò)75%(即除石英砂巖以外);②成因條件方面,此類砂巖是與地質(zhì)隆升事件有關(guān)的近源堆積的復(fù)雜砂巖,主要分布于強(qiáng)烈隆起的山前凹陷區(qū)內(nèi);③沉積背景方面,它常在沖積扇、水下扇、辮狀河等沉積相中產(chǎn)出。

國(guó)內(nèi)外將巖屑砂巖儲(chǔ)層歸屬于非常規(guī)儲(chǔ)層的一個(gè)亞類型,所以,巖屑砂巖及含巖屑砂巖儲(chǔ)層的油氣勘探開(kāi)發(fā)需要遵循非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的規(guī)律[1-3]。測(cè)井評(píng)價(jià)是整個(gè)研究體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它是介于含巖屑砂巖的微觀成巖與宏觀地質(zhì)的中間認(rèn)知尺度,也是聯(lián)系二者的重要橋梁,測(cè)井技術(shù)的參與是完善含巖屑砂巖認(rèn)知鏈條的關(guān)鍵一環(huán)。

測(cè)井技術(shù)的理論基礎(chǔ)是地球物理,其主要研究方法也基于地球物理,傳統(tǒng)技術(shù)和手段在很大程度上限制了測(cè)井技術(shù)深層次地認(rèn)識(shí)含巖屑砂巖,還缺乏深入探討含巖屑砂巖中不同礦物的性質(zhì)對(duì)測(cè)井響應(yīng)及“甜點(diǎn)”的影響。測(cè)井認(rèn)知的有限性以及技術(shù)的局限性,已成為對(duì)含巖屑砂巖儲(chǔ)層開(kāi)展多學(xué)科攻關(guān)的不利因素。

在“甜點(diǎn)”測(cè)井識(shí)別技術(shù)研究方面,含巖屑砂巖儲(chǔ)層的礦物成分復(fù)雜,“甜點(diǎn)”的測(cè)井響應(yīng)機(jī)理尚不清楚,尤其是針對(duì)巖屑礦物組分對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征值影響的研究極少[4-5]。已有研究大多忽略了礦物組分對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響,儲(chǔ)層流體識(shí)別圖版(如聲波時(shí)差與電阻率交會(huì)圖版、孔隙度與電阻率交會(huì)圖版等),大多采用測(cè)井曲線平均值制作,難以保證流體識(shí)別的準(zhǔn)確性。

在飽和度計(jì)算方面,目前有兩大因素影響含巖屑砂巖儲(chǔ)層飽和度的計(jì)算。一是巖屑的多礦物特性導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石骨架復(fù)雜多變,難以保證孔隙度計(jì)算精度,在實(shí)際測(cè)井解釋中,目前主要采用理論骨架參數(shù)識(shí)別儲(chǔ)層和計(jì)算儲(chǔ)層孔隙度[6-7];二是含巖屑砂巖的成巖作用與孔隙結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜,即使是相同的巖性,也可能因?yàn)槌蓭r作用與孔隙結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致計(jì)算飽和度的阿爾奇公式參數(shù)m變化,無(wú)法保證儲(chǔ)層的飽和度計(jì)算精度[8-9],致使很多儲(chǔ)層評(píng)價(jià)出現(xiàn)錯(cuò)誤。目前,對(duì)于含氣飽和度的評(píng)價(jià)以及巖電參數(shù)的確定,多數(shù)是根據(jù)地區(qū)分巖性取值,或是采用雙水泥質(zhì)骨架導(dǎo)電模型[10]計(jì)算含水飽和度,或建立孔、滲綜合指數(shù)和束縛水飽和度與孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)及飽和度指數(shù)的關(guān)系[11-13]。上述方法難以解決含巖屑砂巖儲(chǔ)層的飽和度計(jì)算難題。

由上述分析可知,含巖屑砂巖儲(chǔ)層的描述與預(yù)測(cè)較為困難,因而此類儲(chǔ)層的油氣勘探開(kāi)發(fā)也很困難[14]。描述困難的原因在于:含巖屑砂巖儲(chǔ)層的孔、滲演化[15]異常復(fù)雜,已非單一專業(yè)可獨(dú)立表征。其中,測(cè)井專業(yè)的難點(diǎn)在于:在流體定性識(shí)別方面,傳統(tǒng)方法不適用于此類儲(chǔ)層的流體識(shí)別;在流體定量計(jì)算方面,難以確定巖石骨架和飽和度計(jì)算參數(shù)。本文分析了含巖屑砂巖儲(chǔ)層的測(cè)井評(píng)價(jià)意義及技術(shù)難點(diǎn),重點(diǎn)研究了含巖屑砂巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的識(shí)別方法與飽和度計(jì)算方法,以促進(jìn)對(duì)該類砂巖儲(chǔ)層的研究。

1 利用測(cè)井技術(shù)研究含巖屑砂巖的科學(xué)意義及技術(shù)難點(diǎn)

我國(guó)中西部盆地儲(chǔ)層與隆升事件關(guān)系密切[16-17],其絕大多數(shù)為致密的低滲透儲(chǔ)層,增儲(chǔ)上產(chǎn)所研究的主要儲(chǔ)層對(duì)象就是含巖屑砂巖。因此,對(duì)含巖屑砂巖油氣研究的意義主要表現(xiàn)在以下4方面。

1) 含巖屑砂巖儲(chǔ)層的油氣儲(chǔ)量規(guī)模巨大。此類儲(chǔ)層主要分布在我國(guó)中西部盆地,新一輪資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明,中國(guó)中西部四大盆地致密碎屑巖油氣資源量占碎屑巖總資源量的45.3%,在國(guó)家油氣資源戰(zhàn)略構(gòu)成中占據(jù)重要地位,且隨著勘探程度不斷提高,其所占比重還將會(huì)增大[18]。其中,致密砂巖油氣儲(chǔ)量與含巖屑砂巖密不可分,因此,含巖屑砂巖儲(chǔ)層的研究是重大科學(xué)問(wèn)題。

2) 含巖屑砂巖的未動(dòng)用儲(chǔ)量巨大、勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高。以天然氣為例,截至2016年,中石化致密砂巖的天然氣未動(dòng)用儲(chǔ)量占全部天然氣未動(dòng)用儲(chǔ)量的63.50%,遠(yuǎn)超其它類型的總和。從風(fēng)險(xiǎn)上看,川西新場(chǎng)氣田須家河組二段的探明儲(chǔ)量高,早期鉆探的8口探井中,測(cè)試的天然氣無(wú)阻流量中有3口井大于1×106m3/d,2口井大于4×105m3/d,截止目前,高于1×1011m3的天然氣剩余儲(chǔ)量難以動(dòng)用。大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部,其氣藏為低滲致密砂巖巖性氣藏,該氣田的部分儲(chǔ)量達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)規(guī)模,未動(dòng)用儲(chǔ)量曾接近70%。近年來(lái),水平井技術(shù)的應(yīng)用使上述的部分未動(dòng)用儲(chǔ)量達(dá)到經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)規(guī)模,但水平井鉆探風(fēng)險(xiǎn)依然很大,該氣田水平井開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)界限為單井無(wú)阻流量6×104m3/d,以該氣田的大98井區(qū)為例,2013年前已鉆水平井無(wú)阻流量大于6×104m3/d的成功率僅為54.76%。由此可見(jiàn),即使是鉆井設(shè)計(jì)非常謹(jǐn)慎的水平井,在該區(qū)仍有大于45%的井難以獲得經(jīng)濟(jì)效益,含巖屑砂巖的勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)巨大。

3) 對(duì)“甜點(diǎn)”識(shí)別與分布的研究能力有限,這也是造成上述問(wèn)題的主因。含巖屑砂巖的“甜點(diǎn)”分布與石英砂巖的“甜點(diǎn)”分布特征迥異,以大牛地氣田為例,該氣田太原組太2段儲(chǔ)層以石英砂巖為主,在太原組之后,因鄂爾多斯盆地北部陰山隆起,造成該氣田山西組山1段儲(chǔ)層以含巖屑砂巖為主,巖屑平均含量達(dá)到26%。如果將該氣田的產(chǎn)能從北到南劃分成北、中、南相同的3個(gè)帶,統(tǒng)計(jì)和對(duì)比相同帶內(nèi)兩套地層測(cè)試產(chǎn)能的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn),兩套地層的產(chǎn)能變化規(guī)律完全相反(圖1,圖2),其中,在北部山1段鉆遇的絕大多數(shù)直井不具經(jīng)濟(jì)價(jià)值,向南產(chǎn)能逐步增高;太2段的產(chǎn)能分布相反,含巖屑砂巖的評(píng)價(jià)難度與風(fēng)險(xiǎn)很大。該案例為致密砂巖儲(chǔ)層的“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)提供啟示:儲(chǔ)層母巖及其展布特征很可能控制儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的分布規(guī)律。弄清其規(guī)律,有助于“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè),避免投資風(fēng)險(xiǎn)。目前類似研究的文獻(xiàn)資料不多。

圖1 山1段同相帶產(chǎn)能分布

圖2 太2段同相帶產(chǎn)能分布

4) 含巖屑砂巖的多學(xué)科系統(tǒng)研究有限,測(cè)井技術(shù)更是不足。目前含巖屑砂巖的研究主要集中于微觀尺度的成巖作用,可探究一些含巖屑砂巖與儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”微觀成因的解釋關(guān)系,如含巖屑砂巖與溶蝕孔或孔隙喉道類型的成因關(guān)系等[19],但這些微觀發(fā)現(xiàn)與宏觀“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)之間缺乏完整認(rèn)知鏈條,這正是含巖屑砂巖未動(dòng)用儲(chǔ)量規(guī)模巨大、勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)高的技術(shù)難點(diǎn)。

石英砂巖儲(chǔ)層礦物成分相對(duì)單一,含巖屑砂巖與石英砂巖最大的區(qū)別是儲(chǔ)層礦物成分復(fù)雜多變,因而引發(fā)出3個(gè)測(cè)井評(píng)價(jià)難點(diǎn):一是測(cè)井曲線的信號(hào)響應(yīng)更復(fù)雜,多種礦物測(cè)井響應(yīng)信號(hào)與成巖、孔隙結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)層流體等測(cè)井響應(yīng)信號(hào)混雜一起[20],“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層的測(cè)井信號(hào)微弱而難以辨認(rèn);二是儲(chǔ)層礦物成分復(fù)雜,導(dǎo)致巖石骨架多變和飽和度計(jì)算公式參數(shù)不穩(wěn)定[21-22],使此類儲(chǔ)層的孔隙度和飽和度計(jì)算精度不高[23];三是這類儲(chǔ)層因巖屑礦物的性質(zhì)各異,使其縱橫向的物性變化異常復(fù)雜,“甜點(diǎn)”分布不確定,識(shí)別和預(yù)測(cè)困難,加之大多數(shù)油氣田的儲(chǔ)層含油氣豐度不高,使其“甜點(diǎn)”在宏觀與微觀的識(shí)別與預(yù)測(cè)更加困難。

2 含巖屑砂巖測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)策

2.1 含巖屑砂巖“甜點(diǎn)”識(shí)別方法

含巖屑砂巖“甜點(diǎn)”的識(shí)別,主要采用巖心刻度測(cè)井曲線技術(shù)研究成巖作用與測(cè)井曲線的響應(yīng)特征,理清巖屑砂巖與孔、滲發(fā)育關(guān)系,尋找高滲、已溶蝕的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層。具體對(duì)策是:針對(duì)大多數(shù)致密儲(chǔ)層因油氣的測(cè)井曲線響應(yīng)信號(hào)太微弱、非油氣干擾因素容易掩蓋儲(chǔ)層含氣響應(yīng)的特點(diǎn),選取孔隙最好位置,讀取能代表儲(chǔ)層流體信號(hào)的自然伽馬、密度、聲波時(shí)差與電阻率等曲線特征點(diǎn),制作特征點(diǎn)流體識(shí)別圖版,取代傳統(tǒng)的讀取測(cè)井曲線平均值制作流體識(shí)別圖版的方法。

在上述特征點(diǎn)分析基礎(chǔ)上,分析對(duì)含氣最敏感的測(cè)井曲線,再提取測(cè)井曲線中的含氣響應(yīng)敏感因子,采用數(shù)學(xué)方法有序地疊加,放大含氣響應(yīng)敏感因子,形成一條適合含巖屑砂巖儲(chǔ)層的流體識(shí)別曲線,即IGAS曲線。該方法是通過(guò)巖心與測(cè)井曲線響應(yīng)信號(hào)的分類精細(xì)刻度,尋找含巖屑砂巖儲(chǔ)層的“甜點(diǎn)”測(cè)井特征的測(cè)井識(shí)別技術(shù)與測(cè)井曲線“甜點(diǎn)”信號(hào)的重構(gòu)放大方法。最終形成含巖屑砂巖的儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的測(cè)井識(shí)別技術(shù)。

(1)

式中:IGAS為重構(gòu)的含氣敏感曲線值,其值越高,則表示含氣性越好;A、B、C分別為聲波時(shí)差、電阻率與自然伽馬的敏感因子;D為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù);ΔtAC為聲波時(shí)差;Rt為電阻率;γGR為自然伽馬。

利用該方法對(duì)大牛地氣田含巖屑砂巖含氣儲(chǔ)層進(jìn)行識(shí)別。圖3為自然伽馬與電阻率的交會(huì)結(jié)果,從圖3中可以看出,自然伽馬曲線對(duì)巖屑含量的高、低可起到判斷作用,雖然部分氣層的電阻率介于50～100Ω·m,與差氣層和含氣層的電阻率相近,但也有測(cè)試出氣的層段的電阻率高于100Ω·m,大于大部分的差氣層和含氣層的電阻率。圖4為自然伽馬與聲波時(shí)差的交會(huì)結(jié)果,從圖4中可看出,聲波時(shí)差在區(qū)分氣層與差氣層、含氣層上能起到一定的作用。因此,利用自然伽馬、電阻率與聲波時(shí)差對(duì)氣體的敏感性,建立了一條適合含巖屑砂巖儲(chǔ)層的流體識(shí)別曲線,利用該曲線可以較好地識(shí)別儲(chǔ)層的“甜點(diǎn)”與非“甜點(diǎn)”層(圖3,圖4)。

圖3 自然伽馬與電阻率交會(huì)結(jié)果

從圖5可以看出,在2791～2797m段IGAS平均值高達(dá)66.728,指示該層為良好的氣層,測(cè)試結(jié)果顯示,該層無(wú)阻流量為2.98×104m3/d。從圖6可以看出,在2656～2662m段IGAS平均值僅為1.980,指示為干層,測(cè)試結(jié)果顯示,無(wú)阻流量為0。綜上所述,說(shuō)明該識(shí)別方法準(zhǔn)確有效。

圖4 自然伽馬與聲波時(shí)差交會(huì)結(jié)果

圖5 含氣指示曲線識(shí)別“甜點(diǎn)”(一)

2.2 含巖屑砂巖儲(chǔ)層的飽和度計(jì)算方法

由于含巖屑砂巖儲(chǔ)層礦物成分復(fù)雜,影響了儲(chǔ)層孔隙度與含水飽和度的計(jì)算精度,針對(duì)此難點(diǎn),以大牛地氣田上古生界地層為目標(biāo),開(kāi)展了兩方面的探索研究。

圖6 含氣指示曲線識(shí)別“甜點(diǎn)”(二)

一是針對(duì)含巖屑砂巖儲(chǔ)層孔隙度計(jì)算精度不高的問(wèn)題,探索了含巖屑砂巖儲(chǔ)層的孔隙度計(jì)算方法。巖心分析結(jié)果表明,大牛地地區(qū)的巖屑砂巖的主要巖屑包括片巖、灰云巖、千枚巖、凝灰?guī)r、中酸性噴發(fā)巖、花崗巖、板巖和粉砂巖等,各種礦物的加入,使不同地層的巖石骨架為非固定值,影響了孔隙度計(jì)算的精度。為此,引入三孔隙度曲線(密度、聲波和中子)致密儲(chǔ)層特征點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的方法,將致密層的三孔隙度值納入測(cè)井的巖性分析交會(huì)圖版上,延伸至孔隙度為零處,即可獲得一套地層的巖石混合骨架值,具體可參考專利“一種地層巖石骨架的測(cè)井識(shí)別方法”[24]。該方法優(yōu)選出多礦物儲(chǔ)層混合骨架值,依據(jù)孔隙度計(jì)算模型(公式(2)至公式(4)),計(jì)算含巖屑砂巖儲(chǔ)層的孔隙度。

(2)

(3)

(4)

式中:Δtmf為混合流體聲波時(shí)差;ρmf為混合流體密度;Δtsh為泥質(zhì)聲波時(shí)差;ρsh為泥質(zhì)密度;Δtma為骨架聲波時(shí)差;ρma為骨架密度;φ為孔隙度;Vsh為泥質(zhì)含量;Vma為礦物體積含量。

研究表明,用此骨架計(jì)算的孔隙度與巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全吻合,如圖7所示。原孔隙度計(jì)算采用石英的巖石骨架計(jì)算孔隙度(即“原”一道),計(jì)算的孔隙度與巖心孔隙度有時(shí)吻合,有時(shí)相差較大,這是因?yàn)樵摰貙釉趶?qiáng)水動(dòng)力沉積時(shí),儲(chǔ)層石英含量高,此時(shí)采用石英骨架計(jì)算的孔隙度與巖心分析的結(jié)果基本一致,當(dāng)水動(dòng)力變?nèi)?巖屑含量增加時(shí),此時(shí)巖石骨架變化大,孔隙度計(jì)算精度低;本文采用求取的混合骨架來(lái)計(jì)算孔隙度,很好地避免了上述問(wèn)題,測(cè)井計(jì)算的孔隙度與巖心分析孔隙度吻合性好(即“現(xiàn)”一道中),計(jì)算孔隙度的絕對(duì)誤差小于5%,滿足儲(chǔ)量計(jì)算要求,為準(zhǔn)確判斷“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層與孔隙度高但不出氣的干層即高孔隙度干層提供識(shí)別依據(jù)。

二是針對(duì)含巖屑砂巖含油氣飽和度計(jì)算精度低,采用基于電阻率測(cè)井的變m值解釋技術(shù),降低因成巖成因因素的影響而導(dǎo)致電阻率不能完全反映儲(chǔ)層流體信息的難題,形成適合于含巖屑砂巖儲(chǔ)層的含氣飽和度計(jì)算方法。

近年來(lái)的系列研究已充分證明,致密儲(chǔ)層中的m值不是定值,而是變量[25]。即使相同巖性的致密儲(chǔ)層,也可能因成巖作用及孔隙結(jié)構(gòu)差異而不同,此時(shí)飽和度計(jì)算精度較低。在飽和度計(jì)算中,m值是一個(gè)被認(rèn)為與孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用有關(guān)的參數(shù)。當(dāng)儲(chǔ)層致密時(shí),儲(chǔ)層中孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用的電阻率信號(hào)遠(yuǎn)大于油氣、孔隙等其它信號(hào),此時(shí)該信號(hào)因過(guò)大,飽和度計(jì)算引入巖電實(shí)驗(yàn)的m值時(shí),它難以代表評(píng)價(jià)地層的m真值,而是融入了孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用信號(hào),因此飽和度計(jì)算精度與前面的孔隙度同樣不準(zhǔn)確?？梢?jiàn),研究此類儲(chǔ)層中m值的變化規(guī)律是此類飽和度計(jì)算的關(guān)鍵。由于致密儲(chǔ)層中的m值成因與電阻率曲線成因具有趨同性,因此可用電阻率研究m值的近似規(guī)律。本文將致密干層的含水飽和度定為大于95%,將該飽和度代入飽和度計(jì)算公式中,反求出電阻率與m值的變化關(guān)系,得到m值解釋圖版(圖8),再將該關(guān)系代入大牛地氣田測(cè)井評(píng)價(jià)中,計(jì)算的飽和度與巖心分析飽和度基本一致,獲得了良好的計(jì)算效果。

圖9是利用圖8所示的圖版計(jì)算的飽和度結(jié)果,可以看出,圖9中倒數(shù)第4道飽和度與密閉取心實(shí)驗(yàn)得到的飽和度基本一致,測(cè)井解釋該儲(chǔ)層為氣層,該段1684～1689m加壓壓裂后,產(chǎn)氣為2.14×104m3/d,驗(yàn)證了測(cè)井計(jì)算結(jié)果的可靠性?？梢?jiàn),用變m值法計(jì)算得到的含氣飽和度準(zhǔn)確可靠。

圖7 大牛地氣田某取心井孔隙度計(jì)算結(jié)果

圖8 可變m值圖版

圖9 計(jì)算的孔隙度和飽和度與巖心分析結(jié)果的對(duì)比

3 結(jié)論

開(kāi)展含巖屑砂巖的測(cè)井評(píng)價(jià)研究,有助于建立微觀發(fā)現(xiàn)與宏觀“甜點(diǎn)”預(yù)測(cè)之間的認(rèn)知鏈條,挖掘巨大的未動(dòng)用儲(chǔ)量,降低勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。本文以大牛地氣田上古生界儲(chǔ)層為例,開(kāi)展含巖屑砂巖“甜點(diǎn)”識(shí)別與儲(chǔ)層飽和度評(píng)價(jià)方法研究,得出如下結(jié)論:

1) 采用巖心刻度測(cè)井曲線技術(shù),通過(guò)讀取能代表儲(chǔ)層流體信號(hào)的特征點(diǎn),建立特征點(diǎn)識(shí)別圖版,分析對(duì)含氣最敏感的測(cè)井曲線,提取含氣響應(yīng)敏感因子,形成巖屑砂巖的儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的測(cè)井識(shí)別技術(shù);

2) 通過(guò)優(yōu)選適合多礦物儲(chǔ)層混合骨架值方法,準(zhǔn)確計(jì)算含巖屑砂巖的有效孔隙度,計(jì)算結(jié)果與巖心物性分析結(jié)果一致;

3) 基于電阻率測(cè)井的變m值飽和度計(jì)算方法計(jì)算的飽和度在含巖屑砂巖儲(chǔ)層中得到密閉取心分析飽和度驗(yàn)證,證明變m值飽和度計(jì)算方法準(zhǔn)確可靠。