南堡地區(qū)蝕變火山巖儲層測井響應特征與蝕變程度評價

王欣茹,閆頂點,潘保芝,司兆偉,林發(fā)武,劉得芳

(1.吉林大學地球探測科學與技術學院,吉林長春130026;2.中國石油冀東油田勘探開發(fā)研究院,河北唐山063000)

0 引 言

火山巖儲層的蝕變現象使儲層特性發(fā)生復雜的變化,同時,也使火山巖儲層的評價難度大大增加,蝕變火山巖儲層測井響應特征與蝕變程度測井評價方法是研究的難點。國內外對于蝕變火山巖儲層的研究起步較晚,但近二十年,國內蝕變火山巖研究的發(fā)展十分迅速,很多學者在蝕變火山巖測井響應特征和蝕變程度評價方法方面的研究取得了較大進展。王春燕等[1]在考慮礦物成分變化和蝕變強弱后,根據蝕變指數和巖性指數建立交會圖來區(qū)分蝕變儲層和未蝕變儲層;楊雪[2]系統(tǒng)地總結了蝕變現象,建立考慮蝕變的最優(yōu)化三組分模型并計算火山熔巖含水飽和度;孫茹雪[3]建立蝕變黏土礦物的中基性火山巖儲層模型并用ABC優(yōu)化算法評價蝕變的火山巖儲層;王敏等[4]結合MOSTAFA模型和中子測井曲線計算蝕變巖層孔隙度并對中基性火山巖蝕變巖層進行識別;高衍武等[5]通過擬合巖心黏土和常規(guī)測井數據獲得蝕變評價參數并預測蝕變火山巖的黏土含量,利用該參數建立體積模型計算火山巖孔隙度。

在蝕變評價方面,通常定義不同蝕變指數評價火山巖蝕變程度。Ruxton[6]假設在蝕變過程中巖石化學組分中的氧化鋁含量必須始終不變,根據蝕變礦物化學組分中氧化硅的摩爾濃度定義蝕變指數;Nesbitt等[7]同樣假設蝕變后氧化鋁含量不變,利用蝕變礦物化學組分中氧化鈉、氧化鈣的摩爾濃度定義反映斜長石蝕變程度的蝕變指數;Parker[8]利用蝕變后巖石化學組分中的氧化鈉、氧化鎂、氧化鉀以及氧化鈣的摩爾質量定義蝕變指數,但是該指數只對蝕變程度低的巖石反應靈敏。

當前蝕變火山巖儲層評價研究依舊存在很多不足,本文針對上述局限性進行改進,得到一套完整且適用于研究區(qū)的蝕變火山巖測井評價方法。本研究開展于南堡5號構造的中基性火山巖儲層,該地區(qū)火山巖多發(fā)生黏土化蝕變。為準確評價研究區(qū)儲層蝕變程度,本文結合巖心、薄片分析數據以及測井曲線分析蝕變火山巖測井響應特征,通過繪制交會圖建立蝕變火山巖巖性識別圖版;基于蝕變火山巖的常規(guī)測井響應特征和地層元素測井(element capture spectroscopy logging,ECS)數據定義2種蝕變指數,結合巖心黏土含量,分析蝕變指數的可靠性。為評價研究區(qū)蝕變火山巖儲層,建立基于研究區(qū)的蝕變火山巖巖石體積模型,采用中子—變骨架密度交會圖求取體積模型參數,利用體積模型求取蝕變黏土體積及孔隙度,使用Simandoux公式計算儲層飽和度,最后進行蝕變火山巖儲層的測井評價并結合試油結論分析結果的可靠性。

1 蝕變火山巖測井響應特征與巖性識別

1.1 蝕變火山巖測井響應特征

不同巖性的火山巖測井響應特征不同,在測井曲線上表現的起伏變化以及形態(tài)特征也不同。蝕變黏土礦物會改變火山巖的物性,在不改變巖性的前提下使其測井響應特征發(fā)生變化。本文結合研究區(qū)的巖心資料和火山巖儲層測井曲線,研究同一巖性下蝕變與未蝕變巖層測井響應特征的變化,得到蝕變火山巖的測井響應特征。圖1為南堡X-1井玄武巖及蝕變玄武巖常規(guī)測井曲線的對比分析圖,結果顯示:①蝕變黏土礦物更容易交換陽離子,使電阻率測井值降低;②蝕變生成綠泥石等細粒礦物組分會導致密度測井值下降;③含有大量結晶水的綠泥石等蝕變黏土會使中子孔隙度變大,中子測井值升高;④蝕變不僅會生成黏土礦物,還會導致孔隙度發(fā)生改變,但是黏土礦物對聲波時差產生的影響要大于孔隙度,因此,蝕變火山巖聲波時差值升高。

圖1 南堡X-1井玄武巖及蝕變玄武巖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

1.2 蝕變火山巖巖性識別

不同巖性的蝕變情況不同,需進行蝕變火山巖巖性識別。圖2為南堡地區(qū)蝕變火山巖儲層自然伽馬—密度交會圖,可以發(fā)現:玄武巖性火山巖的自然伽馬值明顯低于流紋巖性火山巖,為20～80 API;玄武質凝灰?guī)r和蝕變玄武巖都在玄武巖的上方,密度小于2.5 g/cm3,二者很難區(qū)分;流紋巖的自然伽馬值偏高,分布在90～120 API,密度在2.5 g/cm3以下;流紋質凝灰?guī)r和流紋巖的密度值相近,但自然伽馬值相對較低,在80～90 API;流紋巖與蝕變流紋巖在當前巖性識別圖版中很難區(qū)分。因此,用此圖版可以完成部分火山巖性識別。

圖2 GR—DEN交會圖巖性識別圖版

為了區(qū)分蝕變和未蝕變巖層,根據蝕變火山巖的測井響應特征,選取聲波時差測井和深側向電阻率測井曲線,建立聲波時差—深側向電阻率交會圖圖版(見圖3)。圖3中,黑色直線為蝕變數據和未蝕變數據的分界線,紅色圓點為分界線與坐標軸的交點。可以發(fā)現,綠色數據點所代表的蝕變巖層深側向電阻率測井值明顯降低,聲波時差測井值變大,整體表現為蝕變數據點向右下方偏離,根據分界線可進行分離,本文結合這一特征定義蝕變識別參數ARs

圖3 AC—RLLd交會圖蝕變識別圖版

(1)

式中,RLLd為深側向電阻率,Ω·m;AC為聲波時差,μs/ft;a為分界線與縱軸交點縱坐標;b為分界線與橫軸交點橫坐標。利用ARs參數進行蝕變巖層的識別:當ARs>0時,為未蝕變巖層;ARs<0時,為蝕變巖層。

2 蝕變指數

上述研究證明,南堡地區(qū)火山巖儲層的測井響應受蝕變影響變化明顯,蝕變黏土對于測井評價的影響不可忽視,定義蝕變指數來評價蝕變巖層的蝕變程度,是用測井方法準確評價蝕變火山巖儲層的重要一環(huán)。

2.1 蝕變指數Is

高衍武等[5]基于蝕變黏土礦物會增加中子和聲波時差值、降低密度和電阻率值等變化規(guī)律,結合核磁共振測井數據,定義蝕變指數IAL

(2)

式中,AC為聲波時差,μs/ft;CNL為補償中子,%;DEN為密度,g/cm3;RLLd為深側向電阻率,Ω·m;φe為核磁共振有效孔隙度,%;φt為核磁共振總孔隙度,%。

本文只考慮常規(guī)測井數據,基于蝕變指數IAL定義新的蝕變指數。為了放大蝕變影響,設定目標巖層聲波時差最小值ACmin和中子最小值CNLmin為未蝕變時巖層的聲波時差和中子測井值,用聲波時差和中子測井值與對應最小值的差值代替基礎的聲波時差值和中子測井值CNL,再利用歸一化方法,降低由不同測井值差異過大帶來的誤差,最終得到蝕變指數Is

(3)

式中,c為巖性參數,用以將蝕變通指數Is刻度到0～100。

2.2 蝕變指數Ie

Campbell等[9]研究發(fā)現巖層在蝕變過程中元素的含量會發(fā)生變化,在發(fā)生蝕變時,活動元素的遷入或者遷出會導致元素含量的“稀釋”或“濃縮”。因此,可以結合這一規(guī)律并根據地層元素測井數據定義蝕變指數Ie。

基于研究區(qū)巖心黏土含量與地層元素測井數據,繪制巖心黏土含量—元素重量百分比含量交會圖,研究發(fā)現鋁元素(Al)和鐵元素(Fe)的重量百分比含量與巖心黏土含量呈正相關,硅元素(Si)和釓元素(Gd)的重量百分比含量與巖心黏土含量呈負相關。利用與黏土含量相關性較高的Al、Fe、Si、Gd元素重量百分比含量,定義蝕變指數Ie

Ie=d(WAl×WFe)/(WGd×WSi)

(4)

式中,d為巖性參數,用以將蝕變指數Ie刻度到0～100;WAl、WFe、WGd和WSi分別為Al元素、Fe元素、Gd元素和Si元素的重量百分比含量。

在結合巖心黏土含量進行分析后,確定了適合研究區(qū)域蝕變火山巖儲層蝕變程度的劃分方案:0≤蝕變指數(Is或Ie)<8,輕度蝕變;8≤蝕變指數(Is或Ie)<33,中度蝕變;33≤蝕變指數(Is或Ie),重度蝕變。

2.3 蝕變程度測井評價及效果

對研究區(qū)域內X-2井的玄武巖地層進行蝕變指數Is和Ie處理,結合該井巖心黏土含量進行分析,截取巖心黏土所在深度4 538～4 595 m層段,繪制南堡X-2井蝕變指數及蝕變程度分析圖(見圖4)。圖4中聲波時差和中子值隨蝕變程度的增加而增大;密度和深電阻率值隨蝕變程度的增加而降低,符合黏土化蝕變的測井響應特征規(guī)律。根據常規(guī)測井數據計算得到的蝕變指數Is和根據ECS測井數據計算得到的蝕變指數Ie都與巖心黏土含量的吻合度較高。在此玄武巖層段中,中度和重度蝕變層偏多,輕度蝕變層偏少。

圖4 南堡X-2井蝕變指數及蝕變程度分析圖

但是,蝕變指數Is和Ie的識別結果在部分深度有些許差異。以4 541 m的識別結果為例,Is識別結果為中度蝕變,而Ie識別結果為重度蝕變。由于Ie所用Al、Fe、Gd、Si元素的重量百分比含量與巖心黏土含量的相關性,小于Is中所用常規(guī)測井曲線與巖心黏土含量的相關性,在理論上Is的識別結果更為準確,因此,當二者有差異時應以Is的識別結果為準。

3 蝕變火山巖儲層飽和度計算

蝕變不僅會影響火山巖儲層的測井響應特征,也會改變其孔隙度和飽和度。為了校正蝕變黏土對于孔隙度和飽和度的影響,本文在識別出蝕變巖層后,針對蝕變火山巖儲層,建立考慮蝕變黏土影響的蝕變火山巖巖石體積模型求取蝕變黏土體積和孔隙度,進而計算考慮蝕變黏土的飽和度。

3.1 定量計算蝕變火山巖儲層黏土含量及孔隙度

根據南堡地區(qū)蝕變火山巖儲層特點,建立由不導電的混合骨架體積Vma、總孔隙度φ和蝕變黏土含量Vsh構成的蝕變火山巖巖石體積模型,求取蝕變黏土體積和孔隙度。

1=Vma+φ+Vsh

(5)

求取骨架參數的常規(guī)方法是統(tǒng)計分析,但是火山巖儲層結構成分復雜,這種計算骨架參數的方法并不適用,因此,利用ECS測井數據計算研究區(qū)蝕變火山巖骨架密度。

參考火山巖礦物模型,通過實驗室構建的元素與骨架密度之間的關系獲取骨架密度

ρma=3.1475-1.1003WSi-0.9834WCa-

2.4385WNa-2.4082WK+1.4245WFe-11.31WTi

(6)

式中,WSi、WCa、WNa、WK、WFe、WTi分別為硅、鈣、鈉、鉀、鐵、鈦等元素的重量百分比含量。

根據體積模型,當火山巖儲層只由孔隙、混合骨架和蝕變黏土組成時,利用ECS骨架密度和中子測井值可以建立中子—變骨架密度交會圖(見圖5),選取混合骨架M(φma,ρma)和蝕變黏土點S(φsh,ρsh)得到中子和密度參數。

圖5 中子-變骨架密度交會圖

令地層總孔隙度為φ,中子測井值為φN,孔隙中流體的中子值為φf,密度測井值為ρ,流體密度值為ρf,再結合由圖5所得參數以及蝕變火山巖儲層巖石體積模型可以得到

(7)

解得

(8)

其中系數A1、B1、C1、A2、B2、C2的計算公式

(9)

(10)

利用式(7)～(10)即可求取蝕變火山巖儲層的孔隙度φ和蝕變黏土體積Vsh。

在研究區(qū)內的X-3井中應用體積模型,求取蝕變巖層的孔隙度和蝕變黏土體積,結合巖心孔隙度和巖心黏土含量進行分析,截取巖心附近深度4 160～4 175 m層段繪制X-3井巖石體積模型應用結果分析圖(見圖6)。本段巖層的火山巖巖性為玄武質凝灰?guī)r,發(fā)生輕度和重度蝕變,測井曲線變化規(guī)律符合蝕變火山巖測井響應特征的研究結果;用體積模型計算所得的蝕變黏土體積和孔隙度與實際巖心黏土含量以及巖心孔隙度比較符合,可靠性較高。

圖6 X-3井巖石體積模型應用結果分析圖

3.2 蝕變火山巖儲層飽和度計算

根據上述結果,采用考慮蝕變黏土的Simandoux模型[10]計算蝕變火山巖儲層含水飽和度

(11)

式中,SW為含水飽和度,%;RW為地層水電阻率,Ω·m;Rt為地層電阻率,Ω·m;Rsh為黏土礦物電阻率,Ω·m;Vsh和φ分別為巖石體積模型計算得到的蝕變黏土體積和孔隙度。

束縛水飽和度Swi由巖心實驗的數據擬合而得

(12)

在南堡地區(qū)X-1井中應用Simandoux模型[10]和束縛水飽和度公式,計算蝕變火山巖儲層的飽和度并結合實際的試油結論進行分析,對X-1井進行綜合測井評價,截取試油結論所在深度4 760～4 788 m層段,繪制南堡X-1井測井解釋結果圖(見圖7)。

由圖7可見:研究區(qū)X-1井4 760～4 788 m深度段火山巖儲層巖性為玄武巖,發(fā)生輕度、中度和重度蝕變,巖層的測井響應特征符合研究所得規(guī)律。Simandoux模型計算結果顯示本段儲層為氣層,該井日產氣1.07×104m3,與實際試油結論相符。在研究區(qū)域,此測井評價方法行之有效。

圖7 南堡X-1井測井解釋結果

4 結 論

(1)對比分析的結果證明,黏土化蝕變會導致研究區(qū)域蝕變火山巖儲層的聲波時差、中子值升高,同時使電阻率和密度值降低。

(2)結合蝕變火山巖的測井響應特征建立的巖性識別圖版可以有效識別研究區(qū)域的火山巖巖性,在區(qū)分蝕變火山巖層方面效果明顯,識別結果與薄片分析相符。

(3)本文定義蝕變指數Is和Ie,在研究區(qū)域中應用效果較好,對火山巖儲層蝕變程度的評價比較準確,比之前建立的蝕變指數更靈敏,普適性更高。

(4)本文基于南堡地區(qū)蝕變火山巖儲層特點,建立蝕變火山巖巖石體積模型,求取的蝕變黏土體積和孔隙度與實際測量吻合度很高,考慮蝕變黏土礦物影響后的測井飽和度評價結果比較可靠。