測井新技術(shù)在瑪北陸相頁巖油儲層的應(yīng)用

付連明,鄭以華,房濤,王煒,王玥,蔡亮

(1.中國石油新疆油田公司勘探事業(yè)部,新疆克拉瑪依834000;2.斯倫貝謝公司,北京100015)

0 引 言

近年來,隨著北美海相頁巖油的有效開發(fā),中國陸相頁巖油成為非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)的熱點。中國陸相頁巖油資源豐富,勘探開發(fā)前景廣闊,測井作為油氣勘探的關(guān)鍵技術(shù)之一,是解決陸相頁巖油儲層品質(zhì)評價、甜點識別以及水平井靶點選取等關(guān)鍵問題的重要技術(shù)支撐[1-2]。但目前針對陸相頁巖油的測井及相關(guān)評價技術(shù)尚處于初級階段,在地質(zhì)模型的建立、評價思路及方法等方面面臨很大的挑戰(zhàn)。

相較于常規(guī)儲層,陸相頁巖油儲層的巖性更加復(fù)雜,包括多種黏土礦物、碳酸鹽巖類、石英、長石、有機質(zhì)、重礦物等;孔隙度低且孔隙種類繁多,如有機孔隙、無機孔隙以及裂縫等[3];孔隙結(jié)構(gòu)具有很強的非均質(zhì)性。常規(guī)測井曲線在上述地質(zhì)特征的背景下,由于受到多種復(fù)雜因素疊加的影響,其響應(yīng)特征基本沒有匹配關(guān)系。因此,基于常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)建立的礦物體積模型和阿爾奇公式在陸相頁巖油儲層的巖性識別、巖相劃分、物性及含油性評價等儲層參數(shù)定性和定量評價上已不適用[4-7]。新疆油田瑪北風(fēng)城組陸相頁巖油儲層厚度大、礦物種類多、孔隙種類多樣且孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,借鑒國外海相頁巖油氣藏測井評價思路,結(jié)合中國陸相頁巖油儲層特點,在研究區(qū)X1井應(yīng)用巖性掃描測井儀(LithoScanner)、全井眼地層微電阻率成像測井儀(Fullbore Formation MicroImager,FMI)、新一代核磁共振測井儀(New Generation Combinable Magnetic Resonance Tool,CMR-NG),結(jié)合巖心刻度測井進行綜合評價,滿足了陸相頁巖油儲層評價的需要,取得較好的應(yīng)用效果。

1 測井新技術(shù)

LithoScanner測井可以為復(fù)雜油氣儲層提供精細(xì)的巖性描述。該技術(shù)除了實現(xiàn)地層主要元素的高精度測量外,還可以獨立地測量地層中總有機碳的含量。相比元素俘獲能譜測井儀(Elemental Capture Spectroscopy,ECS),LithoScanner主要在3個方面取得重大技術(shù)進步:①采用溴化鑭(LaBr3:Ce)晶體應(yīng)用于伽馬能譜探測器和最新型的耐高溫光電倍增管,溴化鑭晶體可以持續(xù)高光輸出,并且在溫度高至200 ℃的情況下維持能譜測量的精度;②采用的新一代鎢屏蔽脈沖中子管能發(fā)射14.1 MeV高能中子束,其中子輸出通量高達3×108個/s,比化學(xué)放射源高8倍以上;③LithoScanner通過控制發(fā)射脈沖中子的時間,分別得到俘獲伽馬能譜和非彈性散射伽馬能譜,然后通過基于多元回歸分析的元素氧閉合模型解譜獨立地計算測量元素的相對含量,將與碳酸鹽礦物相關(guān)的無機碳含量從總碳中扣除,就可以得到地層中總有機碳的含量。

CMR-NG以斯倫貝謝公司上一代核磁共振測井儀為基礎(chǔ)設(shè)計生產(chǎn),更加高效和可靠。儀器在上一代核磁共振測井儀的硬件基礎(chǔ)上進行了全新的設(shè)計,縱向弛豫時間最短可到1 ms。CMR-NG測井能提供高縱向分辨率的孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)信息,其新脈沖序列設(shè)計還可以實現(xiàn)精度高且連續(xù)的T1譜測量。在新脈沖序列下測量的回波串原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過數(shù)學(xué)解析得到地層的T1譜和T2譜數(shù)據(jù);利用最新的盲源圖像分離與處理技術(shù),對得到的T1、T2譜進行優(yōu)化分簇分析;利用分簇結(jié)果與地層孔隙結(jié)構(gòu)及流體類型進行關(guān)聯(lián),解釋得出地層孔隙中不同的流體類型及其體積含量,從而使得CMR-NG測井既可高精度確定儲層的孔隙度,又能夠確定其流體類型,例如可動油、束縛油、瀝青質(zhì)、高黏度油、自由水、毛細(xì)管束縛水或黏土束縛水。同時利用CMR-NG測井的解釋結(jié)果,進一步定義頁巖油生產(chǎn)指數(shù),該指數(shù)反映了地層揮發(fā)烴(可動油)與地層總有機碳的比值,從而用來表述頁巖油儲層的油氣生產(chǎn)能力。

FMI具有8個極板共192個微電極,每個電極直徑為0.2 in(1)非法定計量單位,1 in=25.4 mm,下同,電極間距0.1 in。通過微電極向地層發(fā)射同極性聚焦電流,由此反映井壁附近地層的電阻率。FMI測井有極高的分辨率,其縱向和橫向分辨率均為5 mm。因此,FMI測井可以識別不同尺度的儲層結(jié)構(gòu)和井旁構(gòu)造特征,如斷層、裂縫、層理、結(jié)核及礫石顆粒等。

2 礦物成分及巖相劃分

2.1 定量計算礦物成分含量

中國陸相頁巖油儲層相對國外海相頁巖油儲層,巖性更加復(fù)雜,黏土礦物、石英、長石、碳酸鹽巖礦物交替變化。常規(guī)測井曲線中子、密度、聲波時差和電阻率對有機質(zhì)特別敏感,很難準(zhǔn)確地反映礦物組成及其縱向變化,具體體現(xiàn)在:泥質(zhì)含量指示曲線(自然伽馬曲線、自然電位曲線)的變化無法反應(yīng)有效儲層的發(fā)育位置;孔隙度指示曲線(中子孔隙度、體積密度和聲波時差曲線)形態(tài)平直,基本不能區(qū)分巖性和計算孔隙度;電阻率曲線呈鋸齒狀,且變化趨勢與物性曲線沒有匹配關(guān)系。由此可見,常規(guī)測井曲線數(shù)據(jù)無法滿足陸相頁巖油儲層評價的需要。

利用LithoScanner測井和元素氧閉合模型得到元素含量,建立元素與礦物的關(guān)系,從而計算地層礦物含量。目前有2種方法可以將測得的元素含量轉(zhuǎn)化為礦物含量:①利用巖性掃描處理程序(SpectroLith)直接獲得,這種方法受模型的限制,可選擇的模型有限,計算得到的礦物含量與巖性分析實驗數(shù)據(jù)有一定的差異;②利用優(yōu)化的模型組合技術(shù)進行計算,其原理是利用元素含量聯(lián)立方程計算各種礦物的體積,優(yōu)勢在于可以通過調(diào)整輸入元素含量數(shù)據(jù)的響應(yīng)參數(shù)和權(quán)值使方程矩陣的非相關(guān)性達到最小。

圖1是研究區(qū)X1井LithoScanner測井成果圖,對測井原始數(shù)據(jù)解譜,利用氧閉合模型得到元素干重,結(jié)合區(qū)域地質(zhì),采用優(yōu)化的模型組合技術(shù)計算礦物成分的含量。圖1中第1道體積剖面從左至右分別為伊利石含量、石英含量、鉀長石含量、鈉長石含量、石灰石含量、白云石含量、黃鐵礦含量以及干酪根含量,其含量與對應(yīng)礦物成分的X射線衍射(XRD)分析含量有很好的一致性。

圖1 LithoScanner測井成果圖

2.2 巖相劃分

中國的陸相頁巖油儲層以湖泊沉積為主,儲層巖性受陸源的輸入、多期的水進和水退以及火山的影響,同時由于處于湖盆的不同位置其沉積環(huán)境也有明顯的不同,不同的沉積環(huán)境形成了在礦物、結(jié)構(gòu)、烴源巖品質(zhì)以及物性上具有明顯差異的巖相。利用測井新技術(shù)有效劃分儲層巖相是陸相頁巖油儲層評價的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

Lithoscanner提供的礦物成分含量可以很好地反應(yīng)沉積環(huán)境,例如硅質(zhì)巖的含量與陸源輸入的強弱關(guān)系密切;白云石多為化學(xué)、生物成因,其含量反應(yīng)了水體的深淺以及陸源輸入的多少等;硅質(zhì)巖、碳酸鹽類以及黏土含量在孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)和微裂縫發(fā)育程度上也有明顯差異。同時陸相頁巖油儲層薄互層發(fā)育,巖心觀察過程中常見層理面原油外滲,因此刻畫儲層結(jié)構(gòu)(如層狀、塊狀等信息)也是劃分巖相的重要依據(jù)。由此可見,利用Lithoscanner測井計算礦物成分含量及FMI測井分析儲層結(jié)構(gòu)劃分巖相,能夠建立測井與地質(zhì)的橋梁,結(jié)合CMR-NG測井?dāng)?shù)據(jù),實現(xiàn)陸相頁巖油儲層的精細(xì)評價。以新疆油田瑪北風(fēng)城組陸相頁巖油儲層為例,通過對研究區(qū)儲層表征參數(shù)的分析研究,最終選取了鈣元素、硅元素及鋁元素含量這3個表征參數(shù),結(jié)合FMI劃分層狀、塊狀等結(jié)構(gòu)分析,劃分了6類巖相。表1為6類巖相測井曲線的特征值及分析結(jié)果,圖2為6類巖相的測井特征差異。

圖2 X1井巖相測井特征

表1 X1井巖相特征

3 儲層品質(zhì)評價

陸相頁巖油儲層的孔隙種類多,既有無機孔隙也有有機孔隙,孔隙度低,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜且非均質(zhì)性很強。同時陸相頁巖油儲層源儲一體,由于復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)及烴源巖儲層含油性在縱向上有很大的差異,因此,儲層品質(zhì)需要從物性和含油性這2個方面進行評價。

針對X1井風(fēng)城組陸相頁巖油儲層進行CMR-NG盲源聚類分析,將T1—T2譜信號分為14簇[見圖3(a)],其中T2小于10 ms、T1小于30 ms的區(qū)域內(nèi)為黏土束縛水信號;T1/T2值為1、T2大于10 ms、T1大于30 ms的區(qū)域內(nèi)為可動水信號;T2小于10 ms、T1大于30 ms的區(qū)域內(nèi)為束縛油信號;可動油信號分布在T1/T2值大于3、T1大于30 ms、T2大于10 ms的區(qū)域內(nèi)。確定各區(qū)域的流體類型后,對每個深度的二維譜圖聚類結(jié)果進行分析計算,從而得到各深度點不同流體的組分和總孔隙度、有效孔隙度。圖3中展示了各巖相典型的T1—T2譜交會特征,其中巖相1、巖相3可動油信號強,束縛水和束縛油信號相對較弱;巖相2在可動油和束縛油區(qū)域均有較強信號;巖相4主要為束縛水信號,在水區(qū)也見到微弱信號;巖相5主要為束縛信號。圖4為X1井CMR-NG測井的解釋成果,其成果可以分為儲層物性評價和流體類型分析2個部分,核磁共振孔隙度與巖心分析孔隙度以及核磁共振含水飽和度與巖心分析含水飽和度有很好的一致性,驗證了解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 X1井CMR-NG盲源聚類分析成果和各巖相典型T1—T2譜交會圖

圖4 X1井CMR-NG測井解釋成果圖*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

4 新技術(shù)綜合評價實例分析

利用常規(guī)測井和FMI、LithoScanner、CMR-NG測井資料,結(jié)合巖心實驗分析,對X1井陸相頁巖油儲層進行綜合解釋評價(見圖5)。綜合分析X1井各項儲層參數(shù),該井陸相頁巖油儲層厚度達275 m,其中頂部及中下部以巖相1和巖相3為主,儲層品質(zhì)較好,共解釋127 m頁巖油層;孔隙度2.3%～7.5%,平均為3.7%;滲透率0.001～1.200 mD,平均為0.004 mD;TOC值0.5%～3.8%,平均為1.2%;含水飽和度41.4%～65.0%。該井為直井,針對陸相頁巖油儲層分9段進行射孔和大規(guī)模壓裂作業(yè),最終穩(wěn)產(chǎn)油20.78 t/d。結(jié)合產(chǎn)液剖面結(jié)果,主力出油的井段集中在頂部及中下部,與測井綜合解釋成果吻合。目前,研究區(qū)鉆探的多口預(yù)探井均獲得工業(yè)油氣流,顯示出很好的勘探開發(fā)前景。

圖5 X1井綜合解釋成果圖

5 結(jié) 論

(1)儲層評價的關(guān)鍵在于確定巖性、物性及含油性之間的關(guān)系。針對陸相頁巖油儲層,常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)無法準(zhǔn)確、高效地建立三者的關(guān)系。研究區(qū)從巖心實驗出發(fā),利用巖心刻度LithoScanner、CMR-NG測井?dāng)?shù)據(jù),建立儲層參數(shù)與測井?dāng)?shù)據(jù)的橋梁,實現(xiàn)儲層參數(shù)的定量計算。

(2)利用LithoScanner、CMR-NG等測井新技術(shù)為陸相頁巖油儲層精細(xì)評價提供了高分辨率的準(zhǔn)確參數(shù),從而更精準(zhǔn)地確定甜點發(fā)育段,滿足了頁巖儲層測井解釋評價的需要。