含鈣質(zhì)致密油儲(chǔ)層電阻率校正及飽和度評價(jià)方法

劉志遠(yuǎn),李浩,郭宇豪,趙寧,陳志強(qiáng)

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500)

0 引 言

繼頁巖氣之后,致密油是非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的一個(gè)新熱點(diǎn)[1-3]。致密油儲(chǔ)層具有巖性和潤濕性復(fù)雜、孔隙結(jié)構(gòu)較差、低產(chǎn)或無自然產(chǎn)能等特征,儲(chǔ)層巖石物理特征及測井響應(yīng)特征復(fù)雜,含油性評價(jià)存在困難[4-7]。致密油儲(chǔ)層飽和度精確評價(jià)是致密油勘探開發(fā)的關(guān)鍵[8]。測井解釋中常利用電阻率計(jì)算含油飽和度,其關(guān)鍵在于確定合適的飽和度計(jì)算模型[9-11]。1942年殼牌公司專家Archie[12]發(fā)表著名的阿爾奇公式,最早提出測井計(jì)算儲(chǔ)層含油氣飽和度的模型。1968年,Mungan等[13]指出阿爾奇公式隱含3個(gè)假設(shè)條件:①飽和度和電阻率關(guān)系唯一;②給定儲(chǔ)層巖心的飽和度指數(shù)為常數(shù);③地層水電阻率性質(zhì)相同。由于致密砂巖往往難以滿足上述條件,使得阿爾奇公式在致密砂巖儲(chǔ)層應(yīng)用效果較差[14]。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算復(fù)雜儲(chǔ)層飽和度,國內(nèi)外學(xué)者以阿爾奇公式為基礎(chǔ),通過實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo),提出了改進(jìn)的含油氣飽和度計(jì)算模型。

準(zhǔn)確確定儲(chǔ)層電阻率是利用阿爾奇模型計(jì)算飽和度的關(guān)鍵。儲(chǔ)層鈣質(zhì)發(fā)育常導(dǎo)致電阻率值增大。若計(jì)算飽和度時(shí),未考慮鈣質(zhì)對電阻率的影響,則會(huì)造成計(jì)算的含油氣飽和度偏大的假象[15],使測井解釋與試油結(jié)果不一致。為消除鈣質(zhì)含量對儲(chǔ)層電阻率的影響,需要對電阻率進(jìn)行鈣質(zhì)含量校正。1995年張宇曉等[16]通過相對電阻率法得到鈣質(zhì)校正系數(shù),對電阻率測井響應(yīng)進(jìn)行校正;1996年石強(qiáng)[17]發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)含量與儲(chǔ)層電阻率近似呈指數(shù)關(guān)系,利用含鈣質(zhì)儲(chǔ)層與純砂巖儲(chǔ)層電阻率的比值,建立與鈣質(zhì)含量相關(guān)的電阻率增大系數(shù),通過電阻率增大系數(shù)即可消除鈣質(zhì)對儲(chǔ)層電阻率的影響;2006年諸葛月英等[18]利用鈣質(zhì)含量與儲(chǔ)層電阻率測井響應(yīng)的交會(huì)圖,得到鈣質(zhì)含量與儲(chǔ)層電阻率的函數(shù)關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上校正含鈣質(zhì)儲(chǔ)層電阻率,運(yùn)用校正后的電阻率計(jì)算含水飽和度,提高了鈣質(zhì)儲(chǔ)層測井解釋符合率;2009年王敏等[19-20]通過統(tǒng)計(jì)回歸方式得到不同流體的電阻率與鈣質(zhì)含量之間的函數(shù)公式,認(rèn)為不同流體的電阻率與純砂巖電阻率的差值為油水層的電阻率界限;2015年卜誠[21]結(jié)合多種測井方式,通過多元回歸法得到鈣質(zhì)含量計(jì)算模型,并用改進(jìn)的印度尼西亞公式計(jì)算含水飽和度。

四川盆地公山廟油藏涼高山組致密油儲(chǔ)層鈣質(zhì)含量較高,高鈣質(zhì)使得電阻率測井響應(yīng)難以準(zhǔn)確反映儲(chǔ)層含油性,儲(chǔ)層測井飽和度評價(jià)困難。針對此問題,結(jié)合巖石物理實(shí)驗(yàn)及理論推導(dǎo),提出一種基于鈣質(zhì)含量校正的致密砂巖儲(chǔ)層含油飽和度計(jì)算模型,應(yīng)用該模型可以明顯提高計(jì)算含油飽和度的精度。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)公山廟油藏位于四川盆地中北部,在南充、儀隴、蓬安、西充縣境內(nèi),勘探面積1 700 km2,鉆探控制面積約500 km2[22]。區(qū)域構(gòu)造上,公山廟油藏隸屬于川中古隆中斜平緩構(gòu)造帶,表現(xiàn)為低丘地表,呈東西向展布的長條狀低緩背斜構(gòu)造,略呈弧形向北凸出,高點(diǎn)位于公山廟附近,兩翼平緩對稱,傾角1°～4°[23]。

侏羅紀(jì)地層是四川盆地目前唯一發(fā)育油藏的地層。公山廟油藏侏羅紀(jì)地層自下而上發(fā)育自流井組、涼高山組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組[24]。本文研究的目的層位為涼高山組(見圖1),巖性主要為湖泊相黑色頁巖、粉-細(xì)粒砂巖及泥巖[25-26]。涼高山組上段是涼高山組砂體發(fā)育的主要時(shí)期,該期川中東部絕大部分地區(qū)為濱淺湖—淺湖沉積。涼高山組油藏?zé)N源主要來自涼高山組上段的黑色頁巖,烴源條件好,形成了以巖性、構(gòu)造雙因素控制的復(fù)合型油藏,少數(shù)為構(gòu)造背景下的巖性油藏[27-28]。

圖1 研究區(qū)公山廟油藏地層柱狀圖

2 致密油儲(chǔ)層特征

本文選取28塊可反映公山廟油藏涼高山組儲(chǔ)層特征的巖心開展巖石薄片、X衍射、物性、核磁共振、巖電等配套實(shí)驗(yàn),明確儲(chǔ)層巖性、物性和孔隙結(jié)構(gòu)特征,為后續(xù)含鈣質(zhì)儲(chǔ)層電阻率校正及飽和度建模奠定基礎(chǔ)。

2.1 巖性特征

巖心薄片顯示研究區(qū)巖性以長石巖屑砂巖[見圖2(a)]為主,含少量巖屑砂巖[見圖2(b)]。巖石膠結(jié)物成分復(fù)雜,主要為方解石膠結(jié)[見圖2(c)],巖心鈣質(zhì)含量較高。X衍射分析結(jié)果表明,致密油儲(chǔ)層礦物成分以石英和斜長石為主,黏土含量較高。石英含量在30.85%～59.97%,平均值為45.36%;斜長石含量在10.09%～52.19%,平均值為29.87%;除石英和斜長石外,方解石也較發(fā)育,方解石含量的最大值為24.92%,平均值為5.76%。部分致密油儲(chǔ)層的鈣質(zhì)含量高主要由方解石含量較高引起。

圖2 致密油儲(chǔ)層薄片特征

2.2 物性特征

28塊巖心物性分析結(jié)果顯示:巖心孔隙度為2.820%～11.050%,平均值為6.016%;滲透率為0.011～1.681 mD(1)非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,平均值為0.168 mD。

根據(jù)賈承造等[1]的研究表明,公山廟油藏涼高山組油藏為典型的致密油藏。由巖心孔隙度、滲透率與鈣質(zhì)含量之間的關(guān)系分析表明,隨著鈣質(zhì)含量的增加儲(chǔ)層物性變差(見圖3)。

圖3 孔隙度、滲透率與鈣質(zhì)含量交會(huì)圖

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

巖心鑄體薄片顯示殘余粒間孔[見圖2(d)]、長石溶孔[見圖2(e)]和巖屑溶孔[見圖2(f)]為致密油儲(chǔ)層的主要孔隙類型。殘余粒間孔為埋藏成巖過程中經(jīng)過膠結(jié)壓實(shí)改造后形成的孔隙,該類孔隙形狀通常為三角形或多邊形,且有較大的孔隙半徑與較好的孔隙連通性[29];長石溶孔為長石類礦物在有水存在的酸性介質(zhì)下經(jīng)溶蝕反應(yīng)形成的次生溶孔,由于長石礦物種類不同,所形成的次生孔隙也存在差異;同理,巖屑溶孔為巖屑遭破壞和蝕變形成的次生孔隙[30]。

表1為公山廟油藏部分巖心配套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表,實(shí)驗(yàn)結(jié)果明確了致密油儲(chǔ)層的基本特征,為進(jìn)一步開展儲(chǔ)層飽和度評價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

表1 公山廟油藏巖心配套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 致密油儲(chǔ)層電阻率校正

當(dāng)儲(chǔ)層不含鈣質(zhì)時(shí),深電阻率測井響應(yīng)主要反映儲(chǔ)層的物性與含油性,物性相似的條件下,含油層段的深電阻率比不含油層段的深電阻率大[22]。同時(shí),巖石X衍射及巖電實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)儲(chǔ)層含鈣時(shí)電阻率明顯增大,且鈣質(zhì)含量不同對電阻率的影響程度存在差異。因此,當(dāng)儲(chǔ)層含鈣時(shí),需在準(zhǔn)確確定鈣質(zhì)含量的基礎(chǔ)上,對深電阻率曲線進(jìn)行鈣質(zhì)影響校正。

3.1 鈣質(zhì)含量計(jì)算模型

分析鈣質(zhì)發(fā)育層段巖心聲波時(shí)差及電阻率之間的關(guān)系,鈣質(zhì)含量高的巖心聲波時(shí)差值小、電阻率值大;鈣質(zhì)含量低的巖心聲波時(shí)差值大、電阻率值小。鈣質(zhì)含量與聲波時(shí)差值、電阻率對數(shù)值的相關(guān)性均較差(見圖4),分析認(rèn)為相關(guān)性較差的原因是聲波時(shí)差和電阻率不只受鈣質(zhì)含量的影響,聲波時(shí)差還受孔隙度影響,電阻率則受鈣質(zhì)含量、孔隙度及飽和度等因素的影響。

圖4 聲波時(shí)差、電阻率與鈣質(zhì)含量之間的相關(guān)關(guān)系*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

若不考慮飽和度對巖心電阻率的影響,當(dāng)鈣質(zhì)含量高時(shí),巖心孔隙度值小、電阻率對數(shù)值大、聲波時(shí)差值小,即鈣質(zhì)含量與孔隙度的比值、電阻率對數(shù)與聲波時(shí)差的比值成比例;反之,當(dāng)鈣質(zhì)含量低時(shí),規(guī)律相反。因此,可利用交會(huì)圖法提高聲波時(shí)差、電阻率與鈣質(zhì)含量之間的相關(guān)性[見圖5(a)]。然而,圖5(a)顯示其相關(guān)性并不明顯,究其原因:①電阻率對數(shù)值與聲波時(shí)差值數(shù)量級不同;②飽和度對巖心電阻率的影響較大,而對聲波時(shí)差的影響不大。

圖5 聲波時(shí)差、電阻率、孔隙度與鈣質(zhì)含量之間的相關(guān)關(guān)系

為解決上述問題,將巖心電阻率對數(shù)值與聲波時(shí)差值進(jìn)行歸一化處理,歸一化后變量數(shù)值均在0～1,代表了電阻率對數(shù)值與聲波時(shí)差值的變化趨勢。鈣質(zhì)含量高時(shí),歸一化的電阻率對數(shù)值接近1,歸一化的聲波時(shí)差值接近0,二者比值較歸一化處理前變大,數(shù)量級為100～101。歸一化處理后的交會(huì)圖表明,歸一化可有效提高聲波時(shí)差、電阻率、孔隙度與鈣質(zhì)含量之間的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.911 5[見圖5(b)]。利用電阻率對數(shù)值與聲波時(shí)差值的相對變化趨勢,可以準(zhǔn)確求取鈣質(zhì)含量與孔隙度的比值。

根據(jù)圖5(b)可以得到鈣質(zhì)含量的計(jì)算模型

(1)

式中,VCa為鈣質(zhì)含量,%;lgRtN為歸一化后的電阻率對數(shù)值,無量綱;ΔtN為歸一化后的聲波時(shí)差值,無量綱;φ為孔隙度,%。

根據(jù)鈣質(zhì)含量計(jì)算模型顯示,孔隙度的準(zhǔn)確計(jì)算是精確確定鈣質(zhì)含量的前提。傳統(tǒng)體積物理模型未考慮鈣質(zhì)對孔隙度的影響,因此,計(jì)算的視孔隙度與巖心真實(shí)孔隙度相差較大。含鈣質(zhì)砂巖巖石體積物理模型為

1=φ+VCa+Vm

(2)

(3)

式中,Vm為骨架含量,%;Δt為聲波時(shí)差綜合響應(yīng)值,μs/ft;Δtf為流體聲波時(shí)差值,μs/ft;ΔtCa為鈣質(zhì)聲波時(shí)差值,μs/ft;Δtm為骨架聲波時(shí)差值,μs/ft。

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3),推導(dǎo)得到含鈣質(zhì)儲(chǔ)層的孔隙度計(jì)算模型

(4)

根據(jù)式(4)得到孔隙度后,即可利用式(1)計(jì)算得到鈣質(zhì)含量。

3.2 電阻率校正模型

當(dāng)儲(chǔ)層含鈣質(zhì)時(shí),深電阻率測井響應(yīng)值明顯增大,因此,含鈣質(zhì)儲(chǔ)層飽和度計(jì)算時(shí)需要對深電阻率進(jìn)行鈣質(zhì)影響校正。選擇發(fā)育鈣質(zhì)的儲(chǔ)層,定義其深電阻率為Rt,Ca;選擇與含鈣質(zhì)儲(chǔ)層物性相似條件下的不含鈣質(zhì)儲(chǔ)層,定義其深電阻率為Rt,J;分析lgRt,Ca/lgRt,J與VCa之間的關(guān)系,以此確定鈣質(zhì)含量對儲(chǔ)層深電阻率增大值的影響(見圖6)。lgRt,Ca/lgRt,J與VCa的相關(guān)關(guān)系可表示為

圖6 電阻率鈣質(zhì)校正模型

(5)

通過上式可以得到深電阻率的鈣質(zhì)影響校正模型[見式(6)],利用該統(tǒng)計(jì)模型對深電阻率曲線進(jìn)行鈣質(zhì)影響校正。

(6)

4 致密油儲(chǔ)層飽和度計(jì)算模型

在深電阻率校正的基礎(chǔ)上,可采用校正后的阿爾奇公式計(jì)算儲(chǔ)層含水飽和度

Sw=[a×b×Rw/(Rt,J×φm)]1/n

(7)

式中,Sw為含水飽和度,小數(shù);a、b為與巖性有關(guān)的系數(shù);m為膠結(jié)指數(shù);n為飽和度指數(shù);Rw為地層水電阻率,Ω·m。

利用阿爾奇公式計(jì)算儲(chǔ)層含水飽和度的關(guān)鍵在于模型參數(shù)m、n的準(zhǔn)確確定。對巖心m、n值與孔隙度進(jìn)行交會(huì)圖(見圖7)分析表明:無論是否含鈣質(zhì),m值與孔隙度存在分段函數(shù)關(guān)系;n值與孔隙度存在線性函數(shù)關(guān)系,且含鈣質(zhì)樣品的n值整體大于不含鈣質(zhì)樣品的n值。綜合考慮孔隙度與m、n值的關(guān)系,建立利用孔隙度計(jì)算m、n值的統(tǒng)計(jì)回歸模型:式(8)為n值的計(jì)算模型;利用孔隙度分界值(6.2%)得到m的分段計(jì)算模型,當(dāng)φ>6.2%,模型為式(9),當(dāng)φ≤6.2%,模型為式(10)。

圖7 巖電實(shí)驗(yàn)?zāi)z結(jié)指數(shù)、飽和度指數(shù)與孔隙度交會(huì)圖

n=-0.2456φ+4.5058

(8)

m=2

(9)

m=0.1346φ+1.1604

(10)

5 應(yīng)用實(shí)例

圖8為公山廟油藏A井飽和度處理成果圖,其中11號(hào)層(2 546～2 550 m)、12號(hào)層(2 556～2 559 m)的自然伽馬值減小,補(bǔ)償中子值和聲波時(shí)差值均減小,補(bǔ)償密度值呈現(xiàn)增大趨勢,深、淺電阻率值均增大,顯示鈣質(zhì)較發(fā)育。采用式(4)計(jì)算含鈣質(zhì)儲(chǔ)層孔隙度,計(jì)算結(jié)果小于6%,與巖心實(shí)測孔隙度吻合較好?；谑?1)計(jì)算得到儲(chǔ)層鈣質(zhì)含量,計(jì)算結(jié)果與巖心實(shí)測鈣質(zhì)含量接近,顯示模型準(zhǔn)確度較高。由圖8中第5道測井實(shí)測深電阻率與鈣質(zhì)含量校正深電阻率對比分析得到:深電阻率曲線經(jīng)過鈣質(zhì)影響校正后其值明顯降低,利用變參數(shù)阿爾奇模型,以校正后的深電阻率曲線為基礎(chǔ)計(jì)算含水飽和度,結(jié)果顯示計(jì)算的含水飽和度與巖心分析束縛水飽和度吻合較好。

圖8 A井飽和度處理成果圖

將鈣質(zhì)校正后的變參數(shù)阿爾奇模型應(yīng)用到研究區(qū)涼高山組5口井的致密油儲(chǔ)層飽和度計(jì)算中。由圖9可見,巖心實(shí)驗(yàn)束縛水飽和度與上述模型計(jì)算的含水飽和度結(jié)果均分布在45°線附近,飽和度的平均誤差為3.9%,表明采用電阻率鈣質(zhì)影響校正后的變參數(shù)阿爾奇模型計(jì)算含水飽和度能大幅提升飽和度的計(jì)算精度。

圖9 巖心分析與測井計(jì)算飽和度對比圖

6 結(jié) 論

(1)四川盆地公山廟油藏侏羅系涼高山組致密油儲(chǔ)層巖性以長石巖屑砂巖為主,含少量巖屑砂巖。礦物成分以石英和斜長石為主?？紫抖葹?.82%～11.05%,滲透率為0.011～1.681 mD,為典型的致密油儲(chǔ)層。儲(chǔ)集空間以殘余粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔為主。

(2)建立了鈣質(zhì)含量及電阻率鈣質(zhì)影響校正模型:①鈣質(zhì)含量在深電阻率、聲波時(shí)差曲線上響應(yīng)明顯;鈣質(zhì)含量高,則深電阻率值大,聲波時(shí)差值小;鈣質(zhì)將使儲(chǔ)層深電阻率測井響應(yīng)值增大,如未考慮鈣質(zhì)對深電阻率的影響,將使得計(jì)算的含油飽和度偏高,飽和度計(jì)算時(shí),必須進(jìn)行鈣質(zhì)校正;②基于含鈣質(zhì)砂巖巖石體積物理模型,推導(dǎo)得到含鈣質(zhì)儲(chǔ)層的孔隙度計(jì)算模型;③建立含歸一化電阻率、聲波時(shí)差及孔隙度參數(shù)的鈣質(zhì)含量計(jì)算模型,在鈣質(zhì)含量計(jì)算的基礎(chǔ)上,對電阻率值進(jìn)行校正。

(3)基于鈣質(zhì)校正后的深電阻率曲線,利用變參數(shù)阿爾奇模型計(jì)算的含水飽和度與巖心分析束縛水飽和度吻合較好,計(jì)算的含油飽和度絕對誤差小于5%。