郭春安 關(guān)平 師永民,? 杜書恒
基于測井曲線無量綱交會(huì)法的致密砂巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”識(shí)別及預(yù)測
郭春安1,2關(guān)平1,2師永民1,2,?杜書恒3
1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871; 2.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心, 北京 100871; 3.中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190; ?通信作者, E-mail: sym@vip.163.com
基于自然伽馬和聲波時(shí)差曲線對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層具有良好測井響應(yīng)的原理, 采用經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法、基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法和聲波孔隙度法 3 種方式, 將鄂爾多斯盆地某油田區(qū)塊的自然伽馬和聲波時(shí)差曲線變換成新曲線, 提出測井曲線無量綱交會(huì)法, 構(gòu)建得到非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)(HEI)和孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(PPI)兩個(gè)“甜點(diǎn)”指數(shù), 對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。探索綜合運(yùn)用無量綱交會(huì)法和“甜點(diǎn)”指數(shù)判別法來識(shí)別致密砂巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”的新方法, 對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層進(jìn)行分類評(píng)價(jià)及“甜點(diǎn)”預(yù)測。研究結(jié)果與礦場實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度較高, 可為致密砂巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”預(yù)測提供較重要的理論和實(shí)踐依據(jù)。
鄂爾多斯盆地; 致密砂巖儲(chǔ)層; 無量綱交會(huì)法; “甜點(diǎn)”預(yù)測; 儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)
近年來, 在非常規(guī)油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域, 評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能并預(yù)測“甜點(diǎn)”空間分布成為重點(diǎn)和難點(diǎn)[1?6]。有關(guān)致密砂巖儲(chǔ)層的劃分與評(píng)價(jià), 目前國際上尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[7?9]。一些學(xué)者通過核磁共振、掃描電子顯微鏡和壓汞實(shí)驗(yàn)來測定和表征儲(chǔ)層物性的各項(xiàng)參數(shù), 結(jié)合儲(chǔ)層的巖性、脆性、應(yīng)力各向異性以及烴源巖潛力和性質(zhì), 或結(jié)合吸水實(shí)驗(yàn)、沉積相和測井特征等, 定性地制定致密儲(chǔ)層的劃分方案[10?18], 此類做法具有較強(qiáng)主觀性, 時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本也較大。還有一些學(xué)者在定性研究的基礎(chǔ)上, 利用層次分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、Q型聚類分析法以及優(yōu)化巖石物理模型等數(shù)理分析方法, 建立儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)來評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層[19?31], 此類方法具有定量性的特征, 但所需資料較多, 在油田生產(chǎn)實(shí)踐中不具有普適性。
作為我國致密油勘探開發(fā)的主要目標(biāo)之一的鄂爾多斯盆地晚三疊世延長組, 發(fā)育一套自湖進(jìn)相至湖退相的薄層砂泥巖互層沉積體系, 其中長 7 油層組以致密砂巖非常規(guī)儲(chǔ)層為主[32?36]。面對(duì)全球油價(jià)持續(xù)走低的市場背景, 經(jīng)濟(jì)而高效地評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的相對(duì)優(yōu)劣并進(jìn)行“甜點(diǎn)”預(yù)測成為業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[37?39]。本文以測井理論為基礎(chǔ), 采用經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法、基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法和聲波孔隙度法3 種無量綱途徑, 對(duì)鄂爾多斯盆地某油田區(qū)塊較易獲得的自然伽馬和聲波時(shí)差曲線進(jìn)行改造交會(huì), 通過改造路徑和灰色關(guān)聯(lián)分析法, 得到致密砂巖儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)的“甜點(diǎn)”指數(shù), 從而能夠綜合評(píng)判致密砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能, 并通過將實(shí)例應(yīng)用結(jié)果與前人相關(guān)研究資料進(jìn)行比較, 證明本文方法的實(shí)用性。
無量綱交會(huì)法評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層的一般程序如下: 將自然伽馬(GR)曲線和聲波時(shí)差(DT)原始曲線放在同一曲線道上進(jìn)行交會(huì), 調(diào)節(jié)兩者的位置, 使之居于曲線道的中間。當(dāng)自然伽馬曲線在聲波時(shí)差曲線左邊時(shí), 兩者之間幅度差越大, 則該層段砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能越好。據(jù)此, 在曲線圖上直觀地判斷儲(chǔ)層的優(yōu)劣, 并將研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層大致劃分為4類(圖 1)。
在實(shí)際操作中, 不同人員或同一人員在不同時(shí)刻調(diào)節(jié)的自然伽馬和聲波時(shí)差測井曲線模板往往存在差異, 這種偶然性因素是無法消除的, 因此亟需尋找一個(gè)適應(yīng)于研究區(qū)的“公式”去定量地表征這種現(xiàn)象。事實(shí)上, 我們至少面臨以下兩個(gè)問題: 1)自然伽馬的單位為 API, 聲波時(shí)差的單位為 μs/m, 兩者量綱不同, 無法比較; 2)通常情況下, 自然伽馬測井?dāng)?shù)值遠(yuǎn)小于聲波時(shí)差測井?dāng)?shù)值, 兩者數(shù)量級(jí)別不同, 不能直接比較。
為了解決上述問題, 本文以研究區(qū)為例, 提出利用經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法、基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法和聲波孔隙度法 3 種方式來實(shí)現(xiàn)無量綱交會(huì)法。
1.2.1 經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法
依據(jù)測井解釋經(jīng)驗(yàn)及研究區(qū)實(shí)際情況, 通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及大量嘗試, 尋找到適應(yīng)于研究區(qū)的公式, 將原有自然伽馬曲線和聲波時(shí)差曲線變換成新曲線進(jìn)行比較, 即
式中, GR1為新的自然伽馬測井值(無量綱), DT1為新的聲波時(shí)差測井值(無量綱), GR 為原始自然伽馬測井值(API), DT 為原始聲波時(shí)差測井值(μs/m)。
1.2.2 基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法
應(yīng)用油藏評(píng)價(jià)軟件 Discovery, 對(duì)長 7 油層組進(jìn)行精細(xì)描述, 根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)澐值接蛯?、砂巖組、小層和單砂體, 對(duì)每個(gè)最小地質(zhì)分層單位上的自然伽馬曲線和聲波時(shí)差曲線進(jìn)行相應(yīng)的無量綱操作:
式(2)中, GR2為經(jīng)過無量綱化的原始自然伽馬曲線值, DT2為經(jīng)過無量綱化的原始聲波時(shí)差曲線值, GRmax為原始自然伽馬曲線在各最小地質(zhì)分層單元區(qū)間的最大值(API), GRmin為原始自然伽馬曲線在各最小地質(zhì)分層單元區(qū)間的最小值(API), DTmax為原始聲波時(shí)差曲線在各最小地質(zhì)分層單元區(qū)間的最大值(μs/m), DTmin為原始聲波時(shí)差曲線在各最小地質(zhì)分層單元區(qū)間的最小值(μs/m)。
1.2.3 聲波孔隙度法
在利用測井或地震資料計(jì)算砂巖孔隙度方面, Wyllie等[40]假設(shè)的巖石物理模型僅由充滿流體的孔隙和均勻固結(jié)的純砂巖組成, Angeleri 等[41]則認(rèn)為孔隙、砂巖骨架和泥質(zhì)構(gòu)成的三元結(jié)構(gòu)模型較為合適。本研究基于 Angeleri 模型[41], 運(yùn)用潘和平等[42]歸納的孔隙度確定方法, 將研究區(qū)長 7 油層組簡化為孔隙、泥質(zhì)和砂巖骨架 3 個(gè)部分, 利用微積分方法進(jìn)一步說明對(duì)其孔隙度的求解。
用一組曲線網(wǎng)將長 7 油層組分成個(gè)小長柱體, 任意選擇其中一個(gè)長柱體, 其高度為長 7 油層組的厚度, 記為, 橫截面積很小(無限趨于 0), 記為 d, 長柱體與長 7 和長 8 地層面相交的兩個(gè)封閉區(qū)域可近似為平面(圖 2), 則長 7 油層組的體積可表示為
聲波通過該長柱體的總時(shí)間等于通過其內(nèi)部孔隙的時(shí)間POR、通過泥巖介質(zhì)的時(shí)間SH和通過砂巖骨架的時(shí)間MA之和, 即
式中,為聲波通過介質(zhì)的平均速度(m/s), 下角標(biāo)POR, SH 和 MA 分別代表孔隙、泥質(zhì)和砂巖骨架。
等式兩邊同時(shí)積分, 得到
即
經(jīng)推導(dǎo), 得到研究區(qū)任意位置孔隙度的計(jì)算公式為
在模型化的長 7 油層組 3 個(gè)部分中, 聲波在孔隙中傳播的速度最小, 故聲波時(shí)差最大, 即 DTPOR可用 DTmax表示。同理, DTMA可用 DTmin表示, 則式(7)可進(jìn)一步演變?yōu)?/p>
在求解孔隙度時(shí), 需要先求總孔隙度, 再進(jìn)行壓實(shí)校正和泥質(zhì)校正, 因此最終求取孔隙度的公式為
式中,P為壓實(shí)校正系數(shù)(無量綱)。
對(duì)比研究區(qū) 47 個(gè)取芯井樣品孔隙度的實(shí)驗(yàn)室測定值與式(9)的計(jì)算值(圖 3), 可以說明該孔隙度計(jì)算公式在研究區(qū)的適用性較強(qiáng)。式(9)的第一項(xiàng)是對(duì) DT 的改造, 第二項(xiàng)則是對(duì) GR 的改造, 即
改造后的 DT 值大于改造后的 GR 值, 表明該層位發(fā)育一定的孔隙, 可能預(yù)示存在砂巖儲(chǔ)層, 兩者的差值越大, 表示砂巖儲(chǔ)層的孔隙度越大, 則有良好儲(chǔ)層的可能性極大。這樣, 也解釋了無量綱交會(huì)法的本質(zhì)及合理性。
經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法的優(yōu)點(diǎn)是, 在有前人研究資料的情況下, 可將已有公式應(yīng)用到類似區(qū)塊中, 省去試錯(cuò)的時(shí)間和精力, 缺點(diǎn)是遇到新的區(qū)塊時(shí)通常需要不斷重新賦值, 并反復(fù)驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性?;趦?chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法的優(yōu)點(diǎn)是可以保證將研究區(qū)不同的井和同一口井的各個(gè)層段改造成新曲線的公式適合其地質(zhì)狀況, 缺點(diǎn)是需要對(duì)每口井進(jìn)行精細(xì)的地質(zhì)解釋和分層, 并對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高。聲波孔隙度法揭示了無量綱交會(huì)法的實(shí)質(zhì), 但其應(yīng)用流程較繁瑣。在油氣田勘探開發(fā)實(shí)踐中, 在條件允許的情況下, 可將這 3 種改造方法相結(jié)合來運(yùn)用。
無量綱交會(huì)法是通過對(duì)自然伽馬曲線和聲波時(shí)差曲線的改造, 直觀地評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層的品質(zhì), 但該方法受人為因素的影響, 在判斷儲(chǔ)層優(yōu)劣時(shí)存在不足。本研究在無量綱交會(huì)法的基礎(chǔ)上, 建立定量評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層的“甜點(diǎn)”指數(shù)。
關(guān)于致密砂巖儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)目前研究較少。本文結(jié)合研究區(qū)長 7 油層組致密砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)的特點(diǎn), 在基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法改造路徑的基礎(chǔ)上, 求算該油層組各深度處改造后的聲波時(shí)差值與自然伽馬測井值之差, 并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 得到非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)(HEI), 以此作為致密砂巖儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)的判別標(biāo)準(zhǔn)。HEI 的計(jì)算公式如下:
孔隙度和滲透率是影響致密砂巖儲(chǔ)層性能的決定性因素, 各種表征致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)的參數(shù)均可歸結(jié)為對(duì)孔隙度和滲透率及其相互關(guān)系的描述。本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法, 對(duì)孔隙度和滲透率這兩個(gè)參數(shù)分別賦予權(quán)重, 從而建立一個(gè)綜合表征致密砂巖儲(chǔ)層物性的指標(biāo)。
首先, 根據(jù)上述 47 個(gè)樣品的數(shù)據(jù)(圖 4)建立研究區(qū)孔隙度與滲透率的關(guān)系式:
式中,為滲透率(10?3μm2)。
然后, 結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析法, 選取研究區(qū) 200口井的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理: 1)選定滲透率作為參考序列, 孔隙度為比較序列; 2)對(duì)孔隙度和滲透率序列進(jìn)行歸一化處理, 組成矩陣; 3)確定孔隙度比較序列與滲透率參考序列對(duì)應(yīng)元素差值絕對(duì)值的二級(jí)最小值; 4)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù), 并求取灰色關(guān)聯(lián)度。
最后, 根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果, 分別求取研究區(qū)孔隙度和滲透率的權(quán)重系數(shù):
式中,W為權(quán)重系數(shù)(無量綱),r為灰色關(guān)聯(lián)度(無量綱)。由孔隙度和滲透率綜合評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層的“孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(PPI)”可定義為
選取研究區(qū)某井的長 7 油層組, 分別繪制經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法、基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法和聲波孔隙度法對(duì)應(yīng)的無量綱交會(huì)圖以及巖性剖面圖, 并繪制非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)和孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)曲線, 相互補(bǔ)充修正后, 可進(jìn)行致密砂巖儲(chǔ)層的綜合評(píng)價(jià)(圖 5)。
根據(jù)交會(huì)圖和“甜點(diǎn)”指數(shù)綜合評(píng)價(jià)效果可知, 該井的長 7 油層組下部, 砂巖儲(chǔ)層性能一般; 長 7油層組中部, 除頂端發(fā)育一套物性相對(duì)較好的砂巖儲(chǔ)層外, 其他層位均為極差儲(chǔ)層; 長 7 油層組上部, 自然伽馬曲線與聲波時(shí)差曲線的幅度差較大, 多數(shù)“甜點(diǎn)”指數(shù)處于相對(duì)高值, 為中等?好儲(chǔ)層, 是實(shí)際射孔產(chǎn)層段。上述結(jié)果與自然電位(SP)曲線顯示的特征和油田現(xiàn)有生產(chǎn)資料較吻合, 印證了該方法的準(zhǔn)確性。
計(jì)算得到目標(biāo)區(qū)塊 200 口井長 7 油層組致密砂巖儲(chǔ)層的孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo), 主要分布在 0.1~1 之間, 其累積概率曲線(圖 6)出現(xiàn)明顯的分段特征, 表明這 4 段沉積物的粒度和成因環(huán)境有顯著區(qū)別, 導(dǎo)致儲(chǔ)層品質(zhì)的差異。
計(jì)算研究區(qū) 200 口井長 7 油層組致密砂巖儲(chǔ)層段的孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo), 得到長 71油層、長 72油層和長 73油層的儲(chǔ)層分類平面圖(圖 7)。結(jié)合無量綱交會(huì)法(不進(jìn)行曲線改造, 僅起輔助作用), 選擇橫跨研究區(qū)的兩條剖面(圖 8)分析其縱向演化過程。
表1 研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)
研究區(qū)儲(chǔ)層總體上沿東北?西南向展布, 物性普遍較差, 非均質(zhì)性強(qiáng), 主要儲(chǔ)層類型(Ⅲ類和Ⅳ類)分布廣泛, 不同時(shí)期沉積的砂體經(jīng)??v向上疊置, 橫向上連片分布, 形成多個(gè)砂體群, 累計(jì)厚度最大可達(dá) 60 m。
Ⅰ類和Ⅱ類儲(chǔ)層可作為該區(qū)的“甜點(diǎn)”, 在長 7油層組各個(gè)演化時(shí)期都呈零星狀分布, 平面上呈“土豆?fàn)睢? 砂體側(cè)向連續(xù)性較差。
長 73油層的Ⅰ類和Ⅱ類儲(chǔ)層分布面積最小, 散落在研究區(qū)邊緣, 砂體呈孤立狀, 常橫向擠壓到烴源巖中, 分布不穩(wěn)定, 屬于半深湖?深湖沉積相。
長 72油層的Ⅰ類和Ⅱ類儲(chǔ)層向研究區(qū)中心位移, 砂體厚度較薄, 頻繁地與烴源巖縱向疊置, 屬于深水三角洲相。
長 71油層的Ⅰ類和Ⅱ類儲(chǔ)層相對(duì)最為發(fā)育, 砂體數(shù)量和面積均有所增加, 三角洲平原相逐漸居于主導(dǎo)地位。
圖8 研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層類型的縱向分布
上述結(jié)論可有效地預(yù)測“甜點(diǎn)”分布的區(qū)域和層位, 指導(dǎo)油田現(xiàn)場進(jìn)行高效的大規(guī)模井位部署。
本文以鄂爾多斯盆地某油田區(qū)塊為研究對(duì)象, 綜合運(yùn)用無量綱交會(huì)法和“甜點(diǎn)”指數(shù)判別法, 對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層進(jìn)行分類評(píng)價(jià)及“甜點(diǎn)”預(yù)測, 得到以下主要結(jié)論。
1)無量綱交會(huì)法是通過改造后的自然伽馬曲線和聲波時(shí)差曲線幅度差, 直觀地判斷致密砂巖儲(chǔ)層性能的優(yōu)劣, 其 3 種改造路徑(經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)法、基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法和聲波孔隙度法)各有優(yōu)缺點(diǎn), 在油田生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要, 選擇適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>
2)依據(jù)基于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的歸一化法改造路徑建立的非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及通過賦予孔隙度和滲透率權(quán)重建立的孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)均可定量地評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層的性能。由于包含取芯井樣品的實(shí)際孔滲值, 孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的可信度相對(duì)較高。在實(shí)際應(yīng)用中, 這兩個(gè)“甜點(diǎn)”指數(shù)可結(jié)合無量綱交會(huì)圖及石油工程地質(zhì)資料, 互相修正和補(bǔ)充后綜合運(yùn)用, 最大限度地提高石油采收率。
3)根據(jù)孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)制定的儲(chǔ)層分類方案與研究區(qū)油田生產(chǎn)實(shí)際情況吻合較好, 可供該油田及周邊地區(qū)使用; 綜合運(yùn)用孔?滲綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及無量綱交會(huì)法對(duì)研究區(qū)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及預(yù)測結(jié)果與前人相關(guān)研究成果一致, 可以有效地指導(dǎo)下一步油田開發(fā)方案的制定。
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Identification and Prediction of “Sweet Spots” in Tight Sandstone Reservoirs Based on Logging Curve Dimensionless Rendezvous Method
GUO Chun’an1,2, GUAN Ping1,2, SHI Yongmin1,2,?, DU Shuheng3
1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of Oil and Gas, Peking University, Beijing 100871; 3. The State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190; ?Corresponding author, E-mail: sym@vip.163.com
Based on the principle that natural gamma and acoustic time difference curves have nice logging response in tight sandstone reservoirs, three methods named experience trial and error,the degeneralization method based on the non-homogeneousnature of the reservoir and sonic porosity methodwere adopted to transform the natural gamma and acoustic time difference curves in an oilfield area of Ordos Basin into new curves to propose a logging curve dimensionless rendezvous method, and two kinds of “sweet spots” indexes named heterogeneity evaluation index (HEI) and porosity-permeability comprehensive evaluation index (PPI) were constructed to evaluate the tight sandstone reservoirs quantitatively. A new means was explored to identify the “sweet spots” of tight sandstone reservoirs by using dimensionless rendezvous method and “sweet spots” indexes to carry out reservoir classification, evaluation and “sweet spots” prediction in the study area. The conclusions of this research are in good agreement with the measured data in the mine, which will provide an important theoretical and practical basis for the prediction of “sweet spots” in the tight sandstone reservoirs.
Ordos Basin; tight sandstone reservoirs; dimensionless rendezvous method; “sweet spots” prediction; reservoir classification and evaluation
10.13209/j.0479-8023.2020.002
國家科技重大專項(xiàng)(2017ZX05013005-009)資助
2019?03?18;
2019?12?10