超致密砂巖測井評價(jià)

楊春文，申本科，劉雙蓮，吳天乾，周賢斌，黃 鄭，孫建孟，李 浩，李群德，呂和軍

(1.中石化華北石油工程有限公司，河南 鄭州 450006； 2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206； 4.石化經(jīng)緯華北測控公司，河南 南陽 473132；5.中石化河南油田分公司 油氣開發(fā)管理部，河南 南陽 473132； 6.中國石油大學(xué)(華東)資源學(xué)院，山東 青島 266000)

超致密砂巖屬于致密氣砂巖儲層，儲集于低孔隙度(小于7%)，低滲透率(小于0．01 ×10-3μm2)砂巖中，儲層無自然產(chǎn)能，須通過大規(guī)模壓裂或特殊采氣工藝技術(shù)才能產(chǎn)出具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的天然氣。超致密砂巖中天然氣資源非常豐富，在所有的含油氣區(qū)，超致密砂巖氣藏幾乎都有分布。此類氣藏因局部滲流條件評價(jià)及飽和度計(jì)算難度很大，導(dǎo)致識別與判斷經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量很困難，因此，其大部分儲量為難動用儲量，測井評價(jià)能力的提升，是推動此類儲量經(jīng)濟(jì)開采的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國超致密砂巖氣藏具有類型多樣、成藏復(fù)雜、勘探難度大等特點(diǎn)，但隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷提高，以及對超致密砂巖氣藏成藏理論研究的不斷深入，低滲透油氣資源成為常規(guī)油氣資源的接替者和保障世界油氣資源供應(yīng)主角的另一支力量。與常規(guī)天然氣藏相比，超致密砂巖氣藏具有以下重要特征：①該類氣藏儲層通常還具有巖性致密、埋藏深度大、成巖作用強(qiáng)度高、物性差、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜和非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)；②含水飽和度高，一般大于40%，局部達(dá)到60%以上，致密氣藏一般不出現(xiàn)明顯分離的氣水接觸面，一般無明顯的水層；③具有大面積普遍含氣、浮力作用有限、氣水關(guān)系復(fù)雜、地層壓力異常和分布不受構(gòu)造控制的共同特征。本文從超致密砂巖氣藏的巖性、物性、電性、含油氣性儲集層“四性”關(guān)系出發(fā)，對超致密砂巖儲層進(jìn)行測井評價(jià)。

1 低滲透儲層

低滲透儲層巖性復(fù)雜，低滲儲層基本上為石英和長石相伴生，其相對含量變化范圍很大(20%～70%)，大多數(shù)儲層的巖屑類型復(fù)雜且含量較高(40%～60%)，儲層膠結(jié)物一般為泥質(zhì)和鈣質(zhì)。低孔低滲儲層類型可為石英砂巖、長石砂巖、巖屑砂巖或其組合。儲集空間非均質(zhì)性強(qiáng)是低滲透儲層固有的特性，主要為儲層沉積、成巖和成藏作用的差異性所致。非均質(zhì)性包括宏觀和微觀2個(gè)方面。宏觀非均質(zhì)性主要表現(xiàn)為砂體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、巖石組分以及砂體在平面上連通情況等的差異性，微觀非均質(zhì)性主要為儲層內(nèi)幕復(fù)雜所致。①低滲儲層孔隙中原生孔和次生孔共存，粒間孔、粒內(nèi)孔、粒緣孔與裂隙裂縫混雜，常以次生溶蝕孔為主?？紫逗淼兰?xì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。②儲層成巖黏土礦物發(fā)育，顆粒膠結(jié)方式和填隙物類型多樣，不同黏土礦物及其賦存狀態(tài)對孔隙的改造作用差異很大。因此，由于各類孔隙相對大小及其構(gòu)建關(guān)系千變?nèi)f化，低滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲層儲集特征差異明顯[1-10]。

討論我國測井評價(jià)行業(yè)面臨的問題，歐陽健先后提出我國測井評價(jià)技術(shù)面臨“三低”問題[11-12]，“三低”指儲層孔隙度低、滲透率低及電阻率低。其中，低孔低滲油氣藏一般孔隙度小12%、滲透率小于5×10-3μm2。2004年，李國欣等[13]概括為“三低兩高一復(fù)雜”：當(dāng)時(shí)中石油低孔低滲油氣藏的儲量已占新增儲量的65%；其中“兩高”即開發(fā)區(qū)含水率高、采出程度高?！皟筛摺钡某霈F(xiàn)，加劇了剩余油識別與開采的難度。低孔低滲油氣藏多為巖性油氣藏，砂體疊置關(guān)系復(fù)雜，油氣層縱向分布存在差異，油水關(guān)系復(fù)雜，油氣藏類型多樣。此外，由于烴柱高度一般不大，儲層孔隙結(jié)構(gòu)差，且油氣富集程度受烴原巖和儲層物性雙重控制，導(dǎo)致儲層中油水分異作用弱，含油氣飽和度小，油水過渡帶較寬。

2 致密砂巖儲層

致密砂巖儲層一般都屬于次生低滲透油氣藏，致密砂巖儲層孔隙度和空氣滲透率都很低，毛管壓力相對較高，束縛水飽和度一般在45%～70%，由于該類儲層的孔隙主要由分散的微孔洞構(gòu)成，且孔洞之間的連通性差，造成滲透率低。致密砂巖儲層地質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為孔隙度<10%、原地滲透率<0.1×10-3μm2或空氣滲透率<1×10-3μm2、孔喉半徑<1 μm、含氣飽和度<60%[14-15]。

3 超致密砂巖

以川西上三疊統(tǒng)須家河組砂巖為研究對象，根據(jù)井下取心測定6 000多個(gè)樣品得到如下數(shù)據(jù)：其平均孔隙度為4.02%；砂巖基質(zhì)的3 000樣品中，滲透率小于0.01×10-3μm2的約占28%，滲透率為0.01×10-3～0.1×10-3μm2約占71%；砂巖孔隙喉道半徑平均低于四川計(jì)算氣體有效喉道0.075 μm的數(shù)值，大于0.5 μm者極少。因此，稱之為“超致密砂巖”，見表1。

表1 砂巖基質(zhì)孔隙度級別與流體活動關(guān)系Tab.1 Relationship between porosity grade of sandstone matrix and fluid activity

超致密砂巖儲層物性較差，毛管壓力高，油水分異差，油水同層現(xiàn)象普遍，同時(shí)儲層微孔隙發(fā)育，束縛水飽和度高，油氣層原始含油氣飽和度大都低于60%，使油氣在巖石總體積中所占比例相對低。而較小的儲層儲集空間，使得儲存其中的流體對測井響應(yīng)貢獻(xiàn)率更低，大大降低了測井資料對孔隙流體和儲層變化的分辯能力，導(dǎo)致油氣層與水層、工業(yè)產(chǎn)層與低產(chǎn)層的測井響應(yīng)特征差異小、對比度低，對油氣層識別提出了極大挑戰(zhàn)。鉆井液侵入作用改造了井筒附近的流體性質(zhì)，造成油氣層與水層的電阻率對比度降低，給識別地層真實(shí)流體性質(zhì)帶來困難，使油水層識別進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，超致密砂巖儲層的地質(zhì)成因多樣，不同儲層具有不同的電性特征，導(dǎo)致流體識別方法與標(biāo)準(zhǔn)在同一層位的不同地區(qū)或相同地區(qū)的不同層位通用性差。而部分含油層在壓裂改造前后流體產(chǎn)出性質(zhì)、產(chǎn)量均有很大變化，導(dǎo)致以試油氣資料標(biāo)定油氣層識別方法不確定性大，給測井評價(jià)增加了困難。強(qiáng)烈井噴與儲量和產(chǎn)量并無直接關(guān)系，無工業(yè)價(jià)值的氣井在超高壓和一定裂縫配合下，也會出現(xiàn)非常猛烈的初噴。氣儲量與構(gòu)造裂縫的分布范圍及相對較高的孔隙度有關(guān)；產(chǎn)量主要與局部裂縫發(fā)育狀況有關(guān)。上述問題給測井評價(jià)技術(shù)帶來一系列的困難和挑戰(zhàn)。

4 超致密砂巖測井評價(jià)面臨的問題

4.1 巖性與物性

由于超致密砂巖儲層普遍具有超低孔隙度、超低滲透率、低含油氣飽和度的特性，在測井曲線上儲層孔隙空間以及所含流體的信息反映非常微弱，超致密砂巖儲層自然產(chǎn)能低、常需壓裂改造，而壓裂改造則破壞儲層原有的孔隙結(jié)構(gòu)，加上有些儲層對外來液體敏感性較強(qiáng)，部分地區(qū)儲層結(jié)構(gòu)和油水關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致產(chǎn)液類型和產(chǎn)量在改造前后發(fā)生改變，造成應(yīng)用測井資料進(jìn)行儲層評價(jià)的難度很大。

4.2 電性

超致密砂巖儲層微觀非均質(zhì)性導(dǎo)致測井響應(yīng)由簡單的線性關(guān)系變?yōu)閺?fù)雜的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的測井響應(yīng)體積模型適應(yīng)性差，儲層參數(shù)定量解釋難度大。孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜對儲層電性質(zhì)的影響大，經(jīng)典的阿爾奇模型中的m、n參數(shù)呈線性響應(yīng)，取值范圍大，飽和度計(jì)算的不確定性大，油、水層測井分辨難度增大，建立適用超致密砂巖儲層飽和度模型十分困難[16]。這是致密、超致密儲層有時(shí)候電阻越低越可能產(chǎn)氣的現(xiàn)象。

5 超致密砂巖測井評價(jià)的對策分析

由于孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致孔滲關(guān)系的非線性，滲流特征復(fù)雜，建立有效的滲透率模型困難。在超致密儲層中，由于儲層基質(zhì)的孔隙度和滲透率都很低，裂縫的存在可以提高流體的滲流能力，并且裂縫通常是主要的滲流通道，控制著超致密砂巖氣藏的滲流系統(tǒng)，對超致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)具有重要的影響。超致密砂巖儲層只有靠裂縫溝通，氣體才能活動。因此，超致密砂巖測井評價(jià)中主要的問題就是對超致密砂巖儲集層中天然裂縫的識別和預(yù)測[17-20]。

裂縫的存在，對儲層的性質(zhì)及儲層流體的識別均有很大的影響。不同的測井曲線對裂縫及其類型會有或多或少的專屬記錄，裂縫型氣層與孔隙型氣層的測井響應(yīng)特征也會因測量對象不同而具有測井響應(yīng)的差別。

5.1 工業(yè)氣層缺失測井“挖掘效應(yīng)”的識別

按照測井原理，由于天然氣的含氫指數(shù)與體積密度都比油或水小得多，這在測井曲線上表現(xiàn)為低中子顯示，低密度，即氣層測井識別原理中著名的“挖掘效應(yīng)”。但研究表明，本區(qū)許多測試獲工業(yè)氣流的儲層并無“挖掘效應(yīng)”。例如圖1中的2個(gè)氣層，上部氣層可見清晰的“挖掘效應(yīng)”，但下部氣層雖測試獲得工業(yè)氣流，但測井曲線的“挖掘效應(yīng)”卻消失了。因此，“挖掘效應(yīng)”的消失，只能反映地質(zhì)的異常。該異?？赡芫褪橇芽p型砂巖的存在：由于裂縫存在，鉆井液侵入并占據(jù)儲層的孔隙空間，使測井曲線的含氫指數(shù)變高，體積密度增加，致“挖掘效應(yīng)”消失或極不明顯，干擾氣層的識別[21-25]。

5.2 基于雙側(cè)向測井曲線差異的裂縫識別

側(cè)向測井電阻率響應(yīng)方程為：

式中，Rlld為深側(cè)向電阻率；Rlls為淺側(cè)向電阻率；Rt為地層真電阻率；Rxo為沖洗帶地層電阻率；Kd為深側(cè)向測井電極系；Ks為淺側(cè)向測井電極系；Di為 侵入帶直徑；dc為井眼直徑；h為主電流層厚度。

某井下部儲層，中子—密度曲線的“挖掘效應(yīng)”消失如圖1所示，但試油與生產(chǎn)均表明該層為工業(yè)氣層，該層雙側(cè)向電阻率存在較大的差異，且電阻率較低，小于10 Ω·m，因此可推測，其雙側(cè)向的差異很可能與高角度砂巖裂縫有關(guān)。

圖1 氣層中子—密度曲線無挖掘效應(yīng)Fig.1 Gas layer neutron-density curve has no mining effect

5.3 成像測井顯示有裂縫存在

成像測井是以顏色代表電阻率測值，其顏色越亮，則電阻率越高。應(yīng)用成像技術(shù)識別裂縫，主要是依據(jù)裂縫發(fā)育處的電阻率與圍巖的差異。利用成像測井技術(shù)可直觀地反映地層裂縫情況，四川盆地XY井成像測井如圖2所示，從圖2中可以看到，在6 456～6 458 m，發(fā)育數(shù)條中低角度裂縫，從而直觀證明該區(qū)部分儲層發(fā)育裂縫，與推測吻合。對全區(qū)進(jìn)一步系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，這些局部發(fā)育的小型裂縫確實(shí)不多，加之成像測井資料有限，因此，這些裂縫型儲層常被前期研究忽略。另外，當(dāng)裂縫微小至其開度小于5 mm的成像分辨率時(shí)，這些微裂縫也難以被成像測井所辨識。研究區(qū)的另一種現(xiàn)象同樣引起筆者關(guān)注：一些被生產(chǎn)或測試證實(shí)的、缺失“挖掘效應(yīng)”的工業(yè)氣層，在成像測井上并無裂縫形態(tài)，但3條電阻率曲線中可見微球型聚焦電阻率(多代表沖洗帶電阻率)遠(yuǎn)低于深淺側(cè)向，這可能與儲層發(fā)育小級別微裂縫有關(guān)。這類砂巖微裂縫因特別隱蔽，難以被成像識別而容易漏判，其識別需借助巖心薄片才能佐證。

圖2 四川盆地XY井成像測井Fig.2 Imaging log of XY well in Sichuan Basin

5.4 裂縫型砂巖油氣藏的其他識別證據(jù)

宏觀地質(zhì)作用的結(jié)果，一定會在微觀上有忠實(shí)刻畫，從系統(tǒng)的角度考察，二者具有一致性。這也為充分利用微觀信息去佐證宏觀認(rèn)識提供了思路。

(1)巖心鑄體薄片照片。巖心鑄體照片顯示如圖3所示，巖樣中砂巖存在大量的微細(xì)裂縫。裂縫穿切顆?；蛱钕段?，縫寬約0.01 mm，呈網(wǎng)狀分布。這間接佐證了微球型聚焦電阻率遠(yuǎn)低于深淺側(cè)向，對微小裂縫存在的推測。巖心鑄體薄片中微細(xì)裂縫的存在，充分證明該區(qū)部分儲層遭受過強(qiáng)應(yīng)力作用，與宏觀推測吻合。這些微裂縫對孔隙度的影響不大，但對儲層滲透率的影響很大，容易引起部分孔滲關(guān)系異常。

圖3 微裂縫特征Fig.3 Microcrack characteristics

(2)巖心分析孔隙度與滲透率異常關(guān)系。NEB研究區(qū)巖心分析孔隙度與滲透率的相關(guān)關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，該工區(qū)孔隙度與滲透率表現(xiàn)出2種不同的關(guān)系。①孔隙度與滲透率分布呈簡單的線性關(guān)系，研究區(qū)大部分儲層與之相符，這類關(guān)系可能代表孔隙型砂巖儲層；②低孔卻高滲的關(guān)系，即圖4中所圈出的部分，這種異?，F(xiàn)象用裂縫解釋更為合理。

圖4 NEB巖心分析孔隙度與滲透率關(guān)系Fig.4 NEB core analysis of the relationship between porosity and permeability

(3)試井分析滲透率與巖心分析或測井解釋滲透率的關(guān)系異常。多口井的試井分析滲透率與巖心分析或測井解釋滲透率比較均發(fā)現(xiàn)，試井分析滲透率常大于后兩者，進(jìn)一步證明，孔隙型儲層可能不是該地區(qū)儲層的唯一類型。

上述分析表明，以上微觀證據(jù)與存在裂縫儲層的推理高度吻合，且微觀證據(jù)均與裂縫發(fā)育的指向具有一致性，可比較充分地證明研究區(qū)除了孔隙型儲層之外，還存在裂縫型儲層。在證明前期宏觀地質(zhì)研究不夠全面之余，也為該地區(qū)油氣勘探開發(fā)提出了新認(rèn)識，指出了潛在的新領(lǐng)域。

6 結(jié)論

本文主要分析了川西須家河組致密砂巖層段，概括了該地區(qū)超致密砂巖的定義，描述了超致密砂巖的地質(zhì)概況、物性分析等。首先從低滲透儲層的大類定義出發(fā)，敘述了低滲透儲層的定義，緊接著描述了屬于低滲透儲層的致密砂巖儲層，并給出了相關(guān)定量定義；在明確了如上廣義上的儲層概念后，對比性地概括了超致密砂巖的定義，給出其定量的物性上限，并根據(jù)川西須家河組的致密砂巖層段的特征研究給出了該地區(qū)超致密砂巖的普遍特征。

分析了超致密砂巖的一些相關(guān)測井評價(jià)：在超致密砂巖級別的儲層中，基本都是氣藏并且儲層孔隙意義不大，主要是天然裂縫的存在使得超致密砂巖才具有商業(yè)價(jià)值，因此在超致密砂巖儲層中主要是對其儲層中裂縫的識別和氣藏描述。之后分析了3種識別裂縫的方法：利用測井曲線、成像測井資料通過建立模型得到裂縫識別方法；通過巖心鑄體薄片、巖心孔滲異常關(guān)系曲線和試井分析滲透率與巖心分析或測井解釋滲透率的關(guān)系異常，得到識別超致密砂巖氣的其他證據(jù)方法。