鄂爾多斯盆地膏鹽巖下碳酸鹽巖儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算方法

文曉峰,羅菊蘭,牛林林,羅紅梅,付浩,朱春紅

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司,陜西西安710200)

0 引 言

隨著鄂爾多斯盆地在膏鹽巖下碳酸鹽巖儲(chǔ)層油氣勘探開(kāi)發(fā)不斷突破,由于儲(chǔ)層礦物組分多樣、巖性復(fù)雜和孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素,導(dǎo)致利用測(cè)井資料進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和參數(shù)計(jì)算不準(zhǔn)確,不能滿足生產(chǎn)需要。主要表現(xiàn):①鄂爾多斯盆地膏鹽巖下碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度高、巖石脆性大,當(dāng)儲(chǔ)層發(fā)育裂縫時(shí),鉆取巖心容易破碎,給巖石物理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了困難;②儲(chǔ)層礦物組分復(fù)雜,測(cè)井參數(shù)受到巖石骨架的影響大于物性和含氣性的影響,常用的風(fēng)化殼型碳酸鹽巖的孔隙度和滲透率計(jì)算模型難以滿足膏鹽巖下碳酸鹽巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)需求;③膏鹽在鉆井過(guò)程中易溶于鉆井液,使巖石的孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化,導(dǎo)致巖樣與地層巖石的真實(shí)情況差異大,巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法反映地層的物性及孔隙結(jié)構(gòu);④儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型多樣,對(duì)孔隙度滲透率的關(guān)系影響大,從而造成產(chǎn)液量、產(chǎn)液性質(zhì)的變化。

針對(duì)以上難題,以鄂爾多斯盆地馬五6、馬五7、馬五9膏鹽下白云巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象,選取能滿足巖石物理實(shí)驗(yàn)需求、代表儲(chǔ)層特征的巖樣,結(jié)合巖心觀察,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在巖性分類的基礎(chǔ)上,分3種巖性組合類型分別建立了孔隙度和滲透率的計(jì)算模型,將巖樣按孔隙型、裂縫型和致密層狀分別建立了飽和度模型,使孔隙度誤差小于1.5%,滲透率誤差小于半個(gè)數(shù)量級(jí),含氣飽和度誤差小于10.0%,滿足了膏鹽巖下測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的需求。

圖1 二次采樣后不同巖性與孔隙類型巖心照片圖

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地奧陶系馬五段是馬家溝組最后一期蒸發(fā)旋回形成的沉積地層,細(xì)分為10個(gè)亞段,其中馬五10、馬五8、馬五6亞段為主要的膏鹽巖層,尤其以馬五6膏鹽巖分布范圍最廣、面積大,為天然氣的聚集提供了很好的蓋層。盆地西緣奧陶系上組合馬五1～馬五4地層剝露嚴(yán)重,上古生界煤系烴源巖直接與馬五6～馬五10亞段地層接觸,形成大范圍分布穩(wěn)定的“供烴窗口”,為膏鹽巖下天然氣成藏提供了有利條件。膏鹽巖下的馬五6、馬五7和馬五9碳酸鹽巖巖性以白云石為主,溶蝕孔隙和微裂縫為天然氣的主要儲(chǔ)集空間。

2 儲(chǔ)層測(cè)井模型的建立

2.1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征及測(cè)井響應(yīng)

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組膏鹽巖下白云巖儲(chǔ)層,孔隙不發(fā)育,物性差。通過(guò)對(duì)399塊巖樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)其孔隙度主要分布在0.0～6.0%,平均孔隙度為3.7%,其中孔隙度小于2.0%的巖樣占29.3%、2.0%～4.0%的巖樣占29.6%、4.0%～6.0%的巖樣占20.6%、大于6.0%的巖樣占20.5%。巖樣分析表明該套儲(chǔ)層礦物組分復(fù)雜,含有方解石、硬石膏、石鹽、石英和黃鐵礦等,使得巖石骨架頂難以確定,造成孔隙度計(jì)算不準(zhǔn)確。另外,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,以晶間孔和復(fù)合孔為主,裂縫較發(fā)育,導(dǎo)致孔隙度滲透率關(guān)系、氣水關(guān)系復(fù)雜。圖1為通過(guò)二次采樣得到的不同巖性與孔隙類型巖心照片圖,表1中列出了圖1所示的巖樣物性和礦物組分?jǐn)?shù)據(jù)。由表1和圖1可以看出,5號(hào)巖樣為孔隙型含膏白云巖,含硬石膏,表現(xiàn)為高孔隙度、中高滲透率物性特征;13號(hào)巖樣為裂縫型白云巖,表現(xiàn)為低孔隙度、高滲透率特征;54號(hào)巖樣為致密層狀白云巖,表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率特征;58號(hào)巖樣為致密型鹽粒充填白云巖,巖心肉眼觀察為高孔隙度、高滲透率儲(chǔ)層,但實(shí)際表現(xiàn)為低孔隙度、低滲透率特征,這一矛盾主要是儲(chǔ)層含鹽造成的,巖心表面的孔隙由石鹽在鉆井和取心過(guò)程中溶解形成,并非巖石真正的溶蝕孔隙。圖2的壓汞曲線(其中K為滲透率,10-3μm2;φ為孔隙度,%)表明,5號(hào)巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于58號(hào)。從表2可以看出,5號(hào)與58號(hào)巖樣聲波時(shí)差數(shù)值接近,密度和中子值反映58號(hào)孔隙度明顯大于5號(hào),電阻率補(bǔ)償顯示58號(hào)更高。因此,從測(cè)井參數(shù)值上反映58號(hào)巖樣代表的儲(chǔ)層物性和含氣性要明顯優(yōu)于5號(hào),但試氣結(jié)果表明,5號(hào)巖樣所代表的儲(chǔ)層獲得了工業(yè)氣流,而58號(hào)儲(chǔ)層試氣結(jié)果為干層。因此,利用測(cè)井資料識(shí)別和評(píng)價(jià)這類儲(chǔ)層是研究的重點(diǎn)。

表1 圖1中巖樣的孔隙度、滲透率及礦物組分表

圖2 圖1中3塊巖樣的壓汞曲線圖

表2 圖1中巖樣的測(cè)井參數(shù)值列表

2.2 孔隙度計(jì)算模型

孔隙度是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)最關(guān)鍵的參數(shù)之一,骨架值的確定對(duì)孔隙度計(jì)算精度影響較大。巖心觀察及X射線衍射資料分析表明,馬家溝組膏鹽巖下白云巖儲(chǔ)層含有方解石、硬石膏和石鹽等多種特殊礦物,由于這些礦物骨架值差異大,對(duì)測(cè)井計(jì)算的孔隙度精度影響較大。以密度計(jì)算孔隙度為例,石鹽的密度骨架值為2.03 g/cm3、白云巖的密度骨架值為2.87 g/cm3,當(dāng)白云巖中含有石鹽時(shí),隨著石鹽含量增高,必然導(dǎo)致巖石的密度骨架值降低,但是當(dāng)這些石鹽并沒(méi)有被識(shí)別出來(lái)時(shí),在計(jì)算孔隙度的過(guò)程中依然會(huì)用純白云巖的密度骨架值,從而導(dǎo)致計(jì)算的孔隙度比儲(chǔ)層實(shí)際孔隙度大;而硬石膏的密度骨架值明顯高于白云巖,因此,當(dāng)白云巖里面含有少量的硬石膏時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的孔隙度偏小。由此可見(jiàn),對(duì)于巖性不純的白云巖,不同的礦物組分對(duì)孔隙度的計(jì)算有較大影響。同時(shí),石鹽在地下高溫高壓環(huán)境下易溶,從而造成孔隙被充填,降低儲(chǔ)層孔隙度和滲透率。針對(duì)該區(qū)儲(chǔ)層地質(zhì)特征,在研究分析77塊巖樣的X射線衍射數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,把膏鹽巖下白云巖儲(chǔ)層按照所含其它礦物組分分為方解石-白云石、硬石膏-白云石和石鹽-白云石這3種類型,分類進(jìn)行孔隙度參數(shù)計(jì)算。

為確?？紫抖冉５臏?zhǔn)確性,需對(duì)孔隙度模型進(jìn)行巖心刻度。結(jié)合儲(chǔ)層地質(zhì)特點(diǎn),該次實(shí)驗(yàn)選取氣體法測(cè)量孔隙度,為使石鹽等易溶礦物不被溶解,選取有機(jī)溶劑進(jìn)行洗樣并烘干,然后注入氦氣計(jì)算得到巖石顆粒體積。最后,用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合常規(guī)測(cè)井曲線建立孔隙度計(jì)算模型。該文利用擬合法分方解石-白云石、硬石膏-白云石和石鹽-白云石這3種組合類型建立了孔隙度計(jì)算模型,具體模型見(jiàn)表3。表3中,φAC為用聲波時(shí)差曲線計(jì)算的孔隙度,%;φDEN為用密度曲線計(jì)算的孔隙度,%;Δt為聲波時(shí)差值,μs/m;ρ為密度值,g/cm3。

從以上模型中選出最優(yōu)的孔隙度模型,可以看出,孔隙度計(jì)算模型只有硬石膏-白云巖組合型儲(chǔ)層當(dāng)ρ>2.85時(shí)其相關(guān)系數(shù)較低,為0.792 4,其余模型相關(guān)系數(shù)都在0.950 0以上,模型的精度高。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,如果存在井眼擴(kuò)徑造成密度失真,利用密度曲線計(jì)算孔隙度會(huì)比地層真實(shí)孔隙度偏大,此時(shí)選用聲波孔隙度計(jì)算模型。

表3 3種巖性組合的孔隙度計(jì)算模型

2.3 滲透率計(jì)算模型

碳酸鹽巖儲(chǔ)層因礦物組分不同、孔隙類型不同導(dǎo)致孔隙度滲透率關(guān)系復(fù)雜,相同孔隙度的儲(chǔ)層其滲透率和產(chǎn)能差別很大。通過(guò)對(duì)馬家溝組中下組合儲(chǔ)層13口井77顆巖樣的物性分析發(fā)現(xiàn),孔隙度與滲透率的關(guān)系復(fù)雜。綜合巖心的礦物組分和不同孔隙類型分析,認(rèn)為在不同礦物組合分類條件下,同孔隙類型儲(chǔ)層的孔隙度滲透率關(guān)系差異大,如圖3所示,當(dāng)儲(chǔ)層巖性為白云石-石灰石組合時(shí),按照孔隙型(圖3中藍(lán)色點(diǎn))和裂縫型(圖3中紅色點(diǎn))進(jìn)行儲(chǔ)層分類可得到較好的孔隙度和滲透率的關(guān)系公式。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在巖性為硬石膏-白云石和石鹽-白云石組合2種情況下,孔隙度和滲透率關(guān)系圖中的點(diǎn)并沒(méi)有明顯的分區(qū),不同孔隙類型的點(diǎn)分區(qū)比較明顯。因此,將硬石膏-白云石和石鹽-白云石組合情況統(tǒng)一按照硬石膏-石鹽-白云石組合(見(jiàn)圖4),分孔隙型(圖4中紫色點(diǎn))和裂縫型(圖4中紅色點(diǎn))得到的孔隙度滲透率關(guān)系具有較高的相關(guān)系數(shù)。由圖3、圖4可以得出:當(dāng)儲(chǔ)層巖性為方解石-白云石組合時(shí),裂縫型儲(chǔ)層孔隙度與滲透率的關(guān)系見(jiàn)式(1);孔隙型儲(chǔ)層孔隙度與滲透率的關(guān)系見(jiàn)式(2)。當(dāng)儲(chǔ)層巖性為硬石膏-白云石和石鹽-白云石組合時(shí),裂縫型儲(chǔ)層孔隙度與滲透率的關(guān)系見(jiàn)式(3);孔隙型儲(chǔ)層孔隙度與滲透率的關(guān)系見(jiàn)式(4)。

K=0.0029e4.3482φ

(1)

K=0.005e0.964φ

(2)

K=0.006e2.318φ

(3)

K=0.007e0.697φ

(4)

圖3 方解石-白云石組合孔隙度與滲透率關(guān)系圖

圖4 硬石膏-白云石或石鹽-白云石組合孔隙度與滲透率關(guān)系圖

2.4 飽和度計(jì)算模型

鄂爾多斯盆地膏鹽巖下儲(chǔ)層,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巖石組合類型多變,該文以阿爾奇公式為理論基礎(chǔ),在巖電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同巖性組合,分別建立了孔隙型和裂縫型儲(chǔ)層飽和度計(jì)算模型。其中所用的巖電實(shí)驗(yàn)采用降飽和度測(cè)量方法,利用氣驅(qū)法測(cè)量電阻增大系數(shù)。

膏鹽巖下碳酸鹽巖儲(chǔ)層礦物多樣,需要研究?jī)?chǔ)層礦物組分對(duì)a、b、m、n值(a、b、m、n代表的參數(shù)意義與傳統(tǒng)的阿爾奇公式一致)的影響程度。按礦物組分將白云巖儲(chǔ)層分為方解石-白云石組合型儲(chǔ)層、硬石膏-白云石組合型儲(chǔ)層、石鹽-白云石組合型儲(chǔ)層這3種類型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,得到孔隙度與地層因素關(guān)系和含水飽和度與電阻增大系數(shù)的關(guān)系,分析資料點(diǎn)分布得出不同巖性的點(diǎn)在圖中分布特征是一致的,說(shuō)明膏鹽巖下儲(chǔ)層不同礦物組分對(duì)a、b、m、n值的影響基本沒(méi)有區(qū)別,因此,在建立飽和度模型時(shí)不考慮礦物組分的影響,圖5是不同巖性孔隙度與地層因素關(guān)系圖。

圖5 分巖性孔隙度與地層因素關(guān)系圖

膏鹽巖下儲(chǔ)層孔隙類型多樣、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,按照孔隙類型分析儲(chǔ)層巖電參數(shù)的關(guān)系。圖6是不同孔隙類型的孔隙度和地層因素關(guān)系圖,從圖6中可見(jiàn)不同孔隙類型的巖樣m、a值差異很大。當(dāng)儲(chǔ)層為孔隙型且孔隙度大于等于1.5%時(shí),孔隙度與地層因素的關(guān)系見(jiàn)式(5)。當(dāng)儲(chǔ)層為孔隙型且孔隙度小于1.5%時(shí),孔隙度與地層因素的關(guān)系見(jiàn)式(6)。當(dāng)儲(chǔ)層為裂縫型時(shí),孔隙度與地層因素的關(guān)系見(jiàn)式(7)。由此認(rèn)為,對(duì)于膏鹽巖下孔隙型儲(chǔ)層,當(dāng)孔隙度較大時(shí),a=2.699,m=1.306,這與阿爾奇公式的理論值差異較小,而當(dāng)儲(chǔ)層為致密層狀結(jié)構(gòu)時(shí),a=66.506,m=0.454;對(duì)于裂縫型儲(chǔ)層,a=12.562,m=0.672,與阿爾奇公式中的m、a理論值相差很大,具有高a、低m的特征。通過(guò)不同孔隙類型的含水飽和度與電阻的增大系數(shù)關(guān)系分析得出:對(duì)于不同孔隙類型的巖樣在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的點(diǎn)并沒(méi)有明顯分區(qū),且相關(guān)性較差,說(shuō)明膏鹽巖下儲(chǔ)層電阻率的影響因素更為復(fù)雜,利用阿爾奇理論不能提供準(zhǔn)確的飽和度計(jì)算結(jié)果。鑒于此,這里將所測(cè)巖樣一并回歸,得出電阻率增大系數(shù)公式見(jiàn)式(8),即可得出b=1.331,n=1.294。

F=2.699/φ1.306

(5)

F=66.506/φ0.454

(6)

F=12.562/φ0.672

(7)

(8)

式中,F為地層因素,無(wú)量綱;I為電阻率增大系數(shù),無(wú)量綱;Sw為含水飽和度,小數(shù)。

圖6 分孔隙類型孔隙度與地層因素關(guān)系圖

3 應(yīng)用效果分析

利用新建的測(cè)井解釋模型,對(duì)鄂爾多斯盆地膏鹽巖下碳酸鹽巖儲(chǔ)層9口探井的巖心進(jìn)行分析對(duì)比,計(jì)算的孔隙度與巖心分析孔隙度一致性好,絕對(duì)誤差小于1.5%;計(jì)算的滲透率與巖心分析滲透率一致性較好,相對(duì)誤差在0.5個(gè)數(shù)量級(jí)以內(nèi);計(jì)算的飽和度與密閉取心分析飽和度也具有較好的一致性,相對(duì)誤差在10.0%以內(nèi)。相比原解釋模型,新模型計(jì)算的參數(shù)精度和測(cè)井解釋符合率明顯提高,并在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

XX1井是鄂爾多斯盆地靖邊氣田中部的一口預(yù)探井,目的層是馬家溝組馬五6、馬五7。該井位于馬五7的天然氣有利富集區(qū)內(nèi),該井馬五5亞段發(fā)育約12 m的鹽巖層,馬五6亞段發(fā)育硬石膏。馬五6、馬五7儲(chǔ)層以白云石為主,孔隙較發(fā)育。測(cè)井曲線如圖7所示,馬五6、馬五7儲(chǔ)層電阻率較高、聲波時(shí)差值較高、密度值較低。利用原解釋模型解釋馬五6第58、60層和馬五7第63、64層為差氣層,經(jīng)酸化后測(cè)試,試氣無(wú)阻流量?jī)H為0.328 7×104m3/d,無(wú)水。顯然,試氣結(jié)果與測(cè)井解釋結(jié)論不吻合。

3 522～3 590 m井段的白云巖儲(chǔ)層中均含有一定量的石鹽,孔隙度選取石鹽-白云石礦物組合模型計(jì)算,通過(guò)巖心和電成像資料得知該段是孔隙型儲(chǔ)層,滲透率模型選取石鹽-白云石組合的孔隙型模型計(jì)算。圖7及表6是利用模型計(jì)算得到的孔隙度、滲透率、含氣飽和度參數(shù),與巖心實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)對(duì)比,XX1井利用新模型計(jì)算的孔隙度、滲透率與巖心實(shí)驗(yàn)分析得到的孔隙度和滲透率的誤差明顯減小,其中3個(gè)層用新模型計(jì)算的平均孔隙度為2.0%,巖心分析孔隙度的絕對(duì)誤差為0.5%,較原模型計(jì)算的值誤差減小了1.5%;新模型計(jì)算平均滲透率為0.95×10-3μm2,與巖心分析滲透率的絕對(duì)誤差為0.39×10-3μm2,誤差較原模型減小了0.70×10-3μm2;計(jì)算飽和度與實(shí)驗(yàn)分析飽和度一致性好,誤差較原模型減小了11.8%,驗(yàn)證了新模型的可靠性。依據(jù)新的計(jì)算參數(shù),馬五6第58層和馬五7第63、64層解釋為干層,馬五6第60層解釋為差氣層,解釋結(jié)論與試氣結(jié)果相吻合。

圖7 XX1井儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

表6 XX1井儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié) 論

(1)鄂爾多斯盆地奧陶系馬五段膏鹽巖下白云巖儲(chǔ)層含有方解石、石鹽、硬石膏等多種特殊礦物,導(dǎo)致巖石骨架各參數(shù)值很難確定。巖性復(fù)雜、礦物多樣和裂縫發(fā)育等因素造成儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算難度大。

(2)針對(duì)膏鹽巖下白云巖儲(chǔ)層的地質(zhì)特征,在精細(xì)巖性識(shí)別的基礎(chǔ)上,分方解石-白云石、硬石膏-白云石和石鹽-白云石這3種礦物組合建立了孔隙度計(jì)算模型,通過(guò)與物性分析資料對(duì)比,采用新模型計(jì)算的孔隙度與巖心分析結(jié)果的絕對(duì)誤差小于1.5%;在孔隙結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上,把儲(chǔ)層大致分為裂縫型和孔隙型,并分別建立了滲透率計(jì)算模型,采用新模型計(jì)算的孔隙度與巖心分析結(jié)果的絕對(duì)誤差小于半個(gè)數(shù)量級(jí);建立了針對(duì)不同礦物組分和不同孔隙類型的飽和度計(jì)算模型,計(jì)算的含水飽和度與巖心分析含水飽和度的誤差控制在10.0%以內(nèi)。

(3)通過(guò)模型驗(yàn)證和9口探井的實(shí)際應(yīng)用,結(jié)果表明采用新模型計(jì)算的孔隙度、滲透率、含水飽和度精度明顯提高,解釋結(jié)論與試氣結(jié)果相符。