基于流體置換理論的致密砂巖氣層識(shí)別方法研究

王文文

（ 中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 ，北京 101149）

鄂爾多斯盆地東緣F區(qū)塊主要勘探層位為上晚古生代地層，自上而下發(fā)育二疊系石千峰、上石盒子、下石盒子、山西、太原組及石炭系本溪組，其巖性主要為砂巖、泥巖、灰?guī)r及煤。經(jīng)過數(shù)年勘探，區(qū)塊致密砂巖氣已取得了一定成果。但在致密砂巖儲(chǔ)層勘探開發(fā)過程中，由于致密砂巖儲(chǔ)層致密儲(chǔ)層孔喉半徑小，非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致“非阿爾奇響應(yīng)”，使得致密儲(chǔ)層油氣水層電阻率基本相當(dāng)，高阻水層和低阻氣層的普遍發(fā)育，造成流體性質(zhì)識(shí)別難度大，含氣性評(píng)價(jià)問題日益凸顯。

針對(duì)致密氣儲(chǔ)層流體識(shí)別難點(diǎn)，前人應(yīng)用常規(guī)、陣列聲波、核磁等測(cè)井資料，評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)，提出了諸多方法，取得了一定效果。吳松濤等[1]利用核磁等資料揭示了致密儲(chǔ)層可動(dòng)流體飽和度分布特征，明確了致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)與可動(dòng)流體的關(guān)系；呂斯端等[2]分析了致密鄂爾多斯盆地延長組致密儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征，認(rèn)為致密砂巖氣藏隨著含氣性的降低，電阻率邊界并不明確，常規(guī)電阻率與聲波時(shí)差圖法區(qū)分致密氣，易出現(xiàn)混合現(xiàn)象；楊克兵等[3]提出了縱橫波波速比-縱波時(shí)差曲線重疊方法、泊松比-體積模量曲線重疊方法進(jìn)行致密砂巖儲(chǔ)層含氣性定性評(píng)價(jià)；對(duì)鄂爾多斯盆地致密儲(chǔ)層特征、測(cè)井敏感性的分析，初步實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層流體性質(zhì)的定性劃分，但當(dāng)儲(chǔ)層巖性、泥質(zhì)含量發(fā)生變化時(shí)都會(huì)對(duì)識(shí)別效果結(jié)果造成改變，說明上述評(píng)價(jià)方法還存在局限。

下面以鄂爾多斯盆地東緣上古生界致密砂巖氣層為例，以地震中的Gassmann理論為基礎(chǔ)，分析致密儲(chǔ)層含氣性與巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，應(yīng)用陣列聲波資料，獲取表征儲(chǔ)層含氣性的流體模量參數(shù)，提升致密砂巖儲(chǔ)層流體識(shí)別符合率。

圖1 泊松比與體積壓縮系數(shù)交會(huì)圖

1 致密儲(chǔ)層含氣性與巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系

儲(chǔ)層含氣后，造成縱波速度降低，因橫波不受流體影響，橫波速度不變；與純水層相比，含氣儲(chǔ)層的縱橫波速度比降低；同時(shí)不同流體的壓縮系數(shù)差異較大，氣體壓縮系數(shù)相對(duì)較大，而水壓縮系數(shù)小?；谏鲜隽W(xué)參數(shù)特性可以定性識(shí)別氣層。

利用圖版法對(duì)B區(qū)塊有試氣資料的層位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合測(cè)試產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量對(duì)測(cè)試結(jié)論進(jìn)行分類，分別建立了泊松比與體積壓縮系數(shù)（圖1）、縱橫波速度比與敏感參數(shù)、楊氏模量與體積模量（圖2）、縱橫波速度比與拉梅系數(shù)圖版（圖3）。

由圖1泊松比與體積壓縮系數(shù)交會(huì)可知，測(cè)試結(jié)論分別為氣層、差氣層、干層、氣水同層、含氣水層、水層，將對(duì)應(yīng)層位上的數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到圖版上，該圖版可以對(duì)氣層與非氣層具有區(qū)分的作用，但部分水層與氣層點(diǎn)混雜。

通過圖2、圖3可知，利用不同模量參數(shù)交會(huì)均對(duì)氣層與非氣層具有區(qū)分作用，但仍存在部分水層與氣層的混雜。

由于常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)受骨架、泥質(zhì)及孔隙流體的多重因素影響，因此剝離泥質(zhì)及骨架影響，直接獲取孔隙流體模量參數(shù)，將有效提升流體識(shí)別精度。

圖2 楊氏模量與體積模量交會(huì)圖

2 流體置換方法原理

1951年Gassmann發(fā)表了著名的Gassmann方程[4]，該項(xiàng)理論在物探領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，它給出了巖石的干骨架、固體基質(zhì)和孔隙流體的體積模量與巖石飽和不同組分孔隙流體的體積模量間的關(guān)系。Gassmann方程很大的用途在于流體替換模擬FRM（Fluid Replacement Modeling）。對(duì)于多相飽和巖石可以使用孔隙流體等效模量概念，通過使用Gassmann方程計(jì)算計(jì)算等效流體模量，從而進(jìn)行流體性質(zhì)判別。

隨著巖石壓縮性的增大，孔隙壓力也隨之增大。同時(shí)，孔隙壓力的增加阻止了巖石的壓縮，從而增強(qiáng)了巖石的剛度。低頻Gassmann理論可以有效地預(yù)測(cè)不同流體飽和巖石有效體積模量：

式中：K為巖石體積模量，Pa；Kdry為干巖石有效體積模量，Pa；K0為組成巖石的礦物有效體積模量，Pa；φ為孔隙度，小數(shù)；Kf為孔隙流體的等效體積模量，Pa。

Gassmann方程適用于完全彈性的巖石骨架結(jié)構(gòu)和完全飽和的孔隙流體，對(duì)各種孔隙幾何形態(tài)都具有普遍性和有效性。

通過計(jì)算巖石的體積模量、礦物的有效體積模量和干巖的有效體積模量，可以得到孔隙流體的等效體積模量。

2.1 巖石體積模量

基于速度在孔隙介質(zhì)中的表達(dá)式，聯(lián)立可求解巖石體積模量：

式中：ρc為巖石的密度，g/cm3；ΔTs為巖石的橫波時(shí)差，m/s；ΔTc為巖石的縱波時(shí)差，m/s；μ為巖石的有效剪切模量，kPa。

2.2 VRH法獲取礦物有效體積模量

巖石中礦物的有效體積模量可以用VRH法（Voigt Bounds ， Reuss and Hill Average）獲得。Voigt平均模型和Reuss平均模型分別代表混合物中平均應(yīng)力和應(yīng)變之比。Voigt模型假設(shè)各處應(yīng)變相等（并聯(lián)模型）；Reuss模型描述了等應(yīng)力條件 （串聯(lián)模型），非常適用于懸浮物和流體的混合。Hill模型（1952年）為平均Voigt上限和Reuss下限，這就是VRH平均模型[5]：

式中：KVRH為Hill模型求取的有效體積模量，Pa；KV為Voigt模型求取的有效體積模量上限值，Pa；KR為Reuss模型求取的有效體積模量下限值，Pa。

2.2 干燥巖石有效體積模量的計(jì)算

干燥巖石的有效體積模量并不完全等同于氣體飽和巖石的有效體積模量，只有當(dāng)填充氣體的體積模量接近于零時(shí)才是等效的。在正常的油氣儲(chǔ)層條件下，由于高溫高壓，氣體具有較高的體積模量，也是滿足飽和流體條件的。

干燥巖石的有效體積模量主要通過Greenberg-Castagna法、Biot系數(shù)法、干燥巖石泊松比法獲得。Biot系數(shù)法作為一種簡單快速的方法被廣泛使用。

干燥巖石體積模量可以寫為：

式中：Kdry為干燥巖石的有效體積模量，Pa；β為Biot系數(shù)，無量綱。

Biot系數(shù)一般被視為一種孔隙度的函數(shù)。Geertsma、Krief[6]等和Nur[7]等都給出了由孔隙度φ擬合Biot系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)性公式。

在純砂巖，Geertsma與 Smit提出了應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下：

Krief認(rèn)為Biot系數(shù)是一個(gè)連續(xù)的孔隙度函數(shù)：

3 應(yīng)用實(shí)例

圖4為A井利用流體置換理論識(shí)別致密砂巖氣層的成果圖。從圖4中可以看出，29號(hào)層深度段1 478.5 ~ 1 481.3 m，層厚2.8 m，對(duì)應(yīng)的自然伽馬整體呈低值（局部受高放射性礦物影響），巖性較純；井徑曲線規(guī)則、井眼條件良好；深、淺側(cè)向電阻率曲線呈現(xiàn)低阻、分異特征；陣列聲波的泊松比和速度比具有微弱“鏡像特征”；但流體模量呈現(xiàn)低值，數(shù)值低于1 MPa，利用流體模量反算含氣飽和度較高，指示該層段為氣層；該井1 478.5 ~ 1 481.3 m層段射孔，獲得日產(chǎn)氣無阻流量35 381 m3/d，為工業(yè)氣流層，與解釋結(jié)論完全符合。33號(hào)層深度段1 498.5 ~ 1 505.0 m，測(cè)井響應(yīng)類似，呈現(xiàn)低阻特征，利用流體模量反算含氣飽和度較高，指示該層段為氣層。

圖4 A井流體置換理論識(shí)別致密砂巖氣層的成果圖

4 結(jié)論

（1）分析區(qū)域致密砂巖儲(chǔ)層聲學(xué)響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)縱橫波速度比、泊松比等參數(shù)對(duì)含氣變化響應(yīng)敏感。通過多種力學(xué)參數(shù)交會(huì)，能夠區(qū)分氣層、差氣層、干層、氣水同層、含氣水層、水層，但部分水層與氣層點(diǎn)混雜。

（2）基于地震巖石物理Gassmann理論，結(jié)合陣列聲波等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，建立了包含巖石孔隙、骨架、混合流體的模量模型，最終獲得混合流體模量。

（3）研究區(qū)測(cè)試井實(shí)例表明，典型致密砂巖低阻氣層，電阻率及其他交會(huì)方法指示微弱，流體性質(zhì)識(shí)別難度大。基于流體置換方法，利用流體模型識(shí)別氣層，識(shí)別結(jié)果更為直觀可靠。