“新三組合”測(cè)井技術(shù)在鄂爾多斯盆地致密砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

郭向東,崔宏俊,武延亮,孫亞隆,曹雄偉,高其宇

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司延長(zhǎng)氣田采氣一廠,陜西延安716000)

0 引 言

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,隨著石油、天然氣勘探與開(kāi)發(fā)的不斷深入,油氣勘探的對(duì)象逐漸由構(gòu)造油氣藏向較為隱蔽的巖性及地層油氣藏(風(fēng)化剝蝕型、超覆不整合型、潛山型油氣藏)轉(zhuǎn)變[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前中國(guó)20%的天然氣產(chǎn)量由致密砂巖氣提供,就資源量及勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)水平而言,致密砂巖氣是當(dāng)下最具商業(yè)價(jià)值的非常規(guī)能源[4-6]。孔隙度小、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、束縛水飽和度高、黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)的存在是致密砂巖儲(chǔ)層的典型特征,該特征降低了常規(guī)測(cè)井曲線對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層巖性、孔隙度、含油氣性的響應(yīng)靈敏度[7-8]。因此,應(yīng)用“常規(guī)三組合”測(cè)井資料對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)存在較大困難。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用常規(guī)測(cè)井曲線的典型特征、交會(huì)圖版、特征參數(shù)及復(fù)雜的數(shù)據(jù)挖掘和體積模型對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)做了大量的研究,但儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的效果并不理想[8-14]。

本文在利用元素俘獲能譜測(cè)井、核磁共振測(cè)井、介電掃描測(cè)井獲取豐富儲(chǔ)層物理參數(shù)的基礎(chǔ)上[15-20],應(yīng)用ELANPlus測(cè)井解釋模型解釋地層的礦物或巖石組分、計(jì)算儲(chǔ)層特征參數(shù)、識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì),對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在鄂爾多斯盆地致密砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用結(jié)果表明,“新三組合”測(cè)井技術(shù)能提供比常規(guī)測(cè)井更準(zhǔn)確的儲(chǔ)層參數(shù)及常規(guī)測(cè)井無(wú)法提供的特殊數(shù)據(jù),提高了儲(chǔ)層參數(shù)模型及流體識(shí)別的準(zhǔn)確性,在研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的適用性良好。

1 “新三組合”測(cè)井儀器基本原理

1.1 元素俘獲能譜測(cè)井儀

20世紀(jì)末,斯倫貝謝公司針對(duì)復(fù)雜巖性油氣藏評(píng)價(jià)中出現(xiàn)的困難,研制了元素俘獲能譜測(cè)井儀(Elemental Capture Spectroscopy,ECS),該儀器從巖石化學(xué)成分角度為非常規(guī)油氣藏的評(píng)價(jià)開(kāi)辟了一條新道路。ECS的探頭主要由Am-Be中子源(標(biāo)準(zhǔn)的16 Ci同位素)和一個(gè)對(duì)γ射線具有較高探測(cè)效率的BGO晶體探測(cè)器構(gòu)成。ECS測(cè)井時(shí),通過(guò)Am-Be中子源產(chǎn)生能量幅度為0～8 MeV(平均4 MeV)的快中子,與井眼周?chē)貙又蠧、O、Si、Ca、Fe、Mg等元素的原子核發(fā)生非彈性散射反應(yīng),產(chǎn)生非彈性散射γ射線;快中子經(jīng)過(guò)碰撞、活化反應(yīng)等過(guò)程,能量逐漸減小變成熱中子,地層中的原子核通過(guò)俘獲擴(kuò)散過(guò)程中的熱中子處于激發(fā)態(tài)從而變?yōu)榧ぐl(fā)核,激發(fā)核通過(guò)釋放γ射線重新回到基態(tài),被釋放的γ射線稱(chēng)為俘獲γ射線(見(jiàn)圖1)。

圖1 ECS測(cè)量原理示意圖

1.2 核磁共振測(cè)井儀

核磁共振測(cè)井儀(Combinable Magnetic Resonance,CMR)的核磁共振信號(hào)來(lái)源于地層孔隙流體中的氫原子核,通過(guò)核磁共振技術(shù)測(cè)量地層中的氫原子核在外加的強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)受到射頻脈沖的激發(fā)后恢復(fù)到平衡態(tài)這一弛豫過(guò)程(激發(fā)態(tài)氫原子核恢復(fù)到平衡態(tài)的快慢用弛豫時(shí)間表示),得到不受骨架影響的地層流體體積(即孔隙體積)及孔隙結(jié)構(gòu)等信息,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層孔隙特征的定量評(píng)價(jià)。本文應(yīng)用斯倫貝謝公司可組合式核磁共振測(cè)井儀CMR-Plus進(jìn)行定量孔隙特征評(píng)價(jià)及流體識(shí)別,CMR-Plus采用能夠?qū)Φ貙舆M(jìn)行磁化的加長(zhǎng)永久磁鐵,通過(guò)預(yù)極化的方式,實(shí)現(xiàn)高速測(cè)井;采用現(xiàn)代脈沖回波測(cè)量技術(shù)及新的接收天線,提升對(duì)快速衰減信號(hào)的探測(cè)能力,使得CMR-Plus具備了分辨儲(chǔ)層微小孔隙的能力;采用精度增強(qiáng)模式使儀器在測(cè)量束縛流體時(shí)具有更高的精度,在T2譜測(cè)量過(guò)程中,通過(guò)多次重復(fù)初始部分的測(cè)量(通常為10次),達(dá)到提高短T2譜測(cè)量精度的目的,從而改善孔隙度和滲透率的測(cè)量精度(見(jiàn)圖2)。

圖2 CMR-Plus儀器結(jié)構(gòu)及測(cè)量模式示意圖*非法定計(jì)量單位,1 in=25.4 mm,下同

1.3 介電掃描測(cè)井儀

斯倫貝謝公司的介電掃描測(cè)井儀(Array Dielectric Tool,ADT)能連續(xù)測(cè)量地層介電頻散,通過(guò)ADT測(cè)井得到具有4種極化頻率(頻率范圍20 MHz～1 GHz)和2種極化方向(橫向與縱向)的高分辨率測(cè)量數(shù)據(jù),及每種頻率在不同源距時(shí)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率。

陣列極板(長(zhǎng)度短、多源距天線)是ADT的核心(見(jiàn)圖3),每個(gè)交叉的偶極天線均配置了磁偶極,藍(lán)色的偶極天線為縱向極化,紅色的偶極天線為橫向極化。發(fā)射器(TA和TB)位于中間,接收器(RA1～RA4和RB1～RB4)對(duì)稱(chēng)位于發(fā)射器兩側(cè),它們的分布位置滿(mǎn)足最優(yōu)測(cè)量精度和井眼補(bǔ)償需求。為了達(dá)到環(huán)境影響的最小化,通過(guò)水力加壓使得具有較短長(zhǎng)度的可活動(dòng)天線極板緊貼井壁,這樣即使在不規(guī)則井眼中也能使陣列極板與井壁緊貼。2個(gè)同軸電子探針(PA和PB)用于陣列極板的質(zhì)量控制和確定特定頻率下鉆井液和泥餅的介電特性。發(fā)射器(TA和TB)發(fā)出的電磁波以4種不同頻率、2種極化方向傳入地層,能夠探測(cè)井壁外4 in的儲(chǔ)層特征。

圖3 ADT極板結(jié)構(gòu)示意圖

2 解釋模型

2.1 巖石體積物理模型

本文建立的巖石體積物理模型的骨架礦物組分為地層的主要成分,包括碳酸鹽礦物、硅質(zhì)礦物、黏土礦物、石膏、煤、黃鐵礦等;流體組分主要為氣和水(見(jiàn)圖4)。骨架礦物組分的評(píng)價(jià)依賴(lài)于ECS測(cè)井成果,儲(chǔ)層物性的評(píng)價(jià)依賴(lài)于三孔隙度曲線及CMR測(cè)井成果,含氣性評(píng)價(jià)利用ADT測(cè)井成果及電阻率測(cè)井、錄井氣測(cè)等資料綜合分析。

圖4 “新三組合”測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的巖石體積物理模型

2.2 ECS測(cè)井評(píng)價(jià)復(fù)雜骨架成分

本文通過(guò)對(duì)BGO晶體記錄的非彈性散射γ能譜和俘獲γ能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,獲取元素的干重、巖性和基質(zhì)參數(shù)。具體方法:將各元素的特征譜從總譜中分離出來(lái),得到各元素的產(chǎn)額;利用氧化物閉合模型將不同元素的產(chǎn)額轉(zhuǎn)換成元素干重分?jǐn)?shù);根據(jù)斯倫貝謝公司的巖心化學(xué)和礦物數(shù)據(jù)庫(kù)建立的Spectrolith經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,利用元素干重分?jǐn)?shù)計(jì)算基質(zhì)參數(shù)及地層巖礦的干重。利用Techlog軟件對(duì)ECS測(cè)井實(shí)測(cè)譜(非彈性散射γ能譜和俘獲γ能譜)進(jìn)行剝譜、解譜、氧閉合處理,得到的元素干重作為ELANPlus測(cè)井解釋模型的輸入?yún)?shù),經(jīng)解釋模型計(jì)算礦物組分,具體處理流程如下。

(1)剝譜分析。ECS測(cè)量得到的實(shí)測(cè)譜是地層中不同核素發(fā)出的γ射線總和,從數(shù)學(xué)角度分析,實(shí)測(cè)譜可看作不同元素標(biāo)準(zhǔn)譜的線性擬合,通過(guò)與單元素的標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對(duì)比,獲得不同元素的含量。

(2)解譜分析。測(cè)量譜(實(shí)測(cè)譜經(jīng)環(huán)境、儀器因素校正后的譜)與單元素標(biāo)準(zhǔn)譜匹配,應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行分析,使兩者相關(guān)性最好,從而得到不同元素的相對(duì)產(chǎn)額,該產(chǎn)額反應(yīng)單元素對(duì)測(cè)量譜的貢獻(xiàn)。測(cè)量譜各道的計(jì)數(shù)率用式(1)表示[15]。

(1)

式中,Ci為實(shí)測(cè)譜的第i道計(jì)數(shù);m為元素的總數(shù);aij為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)譜得到的n×m階響應(yīng)矩陣的(i,j)單元;Yj為第j種元素的相對(duì)產(chǎn)額;ei為誤差;n為總道數(shù)。

(3)氧化物閉合模型。假定地層中的礦物均由碳酸鹽礦物或氧化物組成,其百分含量之和為1。元素的相對(duì)產(chǎn)額經(jīng)氧化物閉合模型可換算成元素的絕對(duì)含量,其表達(dá)式見(jiàn)式(2),第j種元素的絕對(duì)含量見(jiàn)式(3)[16]。

(2)

(3)

式中,F為閉合刻度因子;Xj為第j種元素的氧化物指數(shù);Wj為第j個(gè)元素的靈敏度因子;Vj為第j種元素的體積含量。

(4)礦物組分計(jì)算。采用因子分析法,在X衍射實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,建立元素含量與礦物含量之間的關(guān)系式。

(4)

式中,Mk為第k種礦物體積含量;Djk為元素轉(zhuǎn)換系數(shù)(第k種礦物中第j種元素的百分含量)。

2.3 CMR測(cè)井計(jì)算儲(chǔ)層物性參數(shù)

CMR測(cè)井采集的回波串通過(guò)Techlog軟件處理得到T2分布譜,利用ELANPlus測(cè)井解釋模型計(jì)算儲(chǔ)層的總孔隙度[見(jiàn)式(5)]、可動(dòng)流體孔隙度[見(jiàn)式(6)]、束縛流體孔隙度[見(jiàn)式(7)]。滲透率的計(jì)算可通過(guò)Timur-Coates方程式[見(jiàn)式(8)]或SDR模型[見(jiàn)式(9)]獲得[17-18]。

(5)

(6)

(7)

KTIM=(φMRP/C)4(φFFV/φBFV)2

(8)

KSDR=C(φMRP)4(T2,gm)2

(9)

式中,φMRP為總孔隙度,%;φFFV為可動(dòng)流體孔隙度,%;φBFV為束縛流體孔隙度,%;KTIM為T(mén)imur-Coates方程式計(jì)算的滲透率,mD(1)非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;KSDR為SDR模型計(jì)算的滲透率,mD;C為待定系數(shù);T2,max為T(mén)2譜橫向弛豫時(shí)間的最大值,ms;T2,min為T(mén)2譜橫向弛豫時(shí)間的最小值,ms;T2,gm為T(mén)2譜橫向弛豫時(shí)間的幾何平均值,ms;A(T2)為T(mén)2譜的分布面積。

2.4 ADT測(cè)井計(jì)算儲(chǔ)層飽和度

利用巖石體積物理模型計(jì)算ADT測(cè)井不同頻率下的介電常數(shù)和電導(dǎo)率,通常采用ELANPlus測(cè)井解釋模型下的CRIM單頻解釋模型來(lái)計(jì)算[20],見(jiàn)式(10)。

(10)

CRIM單頻解釋模型僅能計(jì)算ADT測(cè)井中1 GHz頻率的相關(guān)參數(shù),且不能反應(yīng)巖石結(jié)構(gòu)信息。引入通用表達(dá)式[見(jiàn)式(11)][20]處理多種頻率下的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并提取骨架信息參數(shù),輸出的參數(shù)包括含水孔隙度(在總孔隙度已知的情況下可提供含水飽和度)、地層水礦化度、碳酸鹽巖石結(jié)構(gòu)和砂泥巖中陽(yáng)離子交換量,同時(shí)擬合介電常數(shù)和電導(dǎo)率頻散去掉含水孔隙度計(jì)算過(guò)程中的地層水礦化度的影響,地層水礦化度也作為單獨(dú)的輸出曲線。

(11)

3 應(yīng)用效果分析

“四性”關(guān)系研究是測(cè)井儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)的主要任務(wù)之一。其中巖性的評(píng)價(jià)主要是基于ECS測(cè)井;各孔隙度及滲透率參數(shù)由CMR測(cè)井資料計(jì)算得到,并結(jié)合三孔隙度曲線對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;ADT測(cè)井獲取的儲(chǔ)層含水孔隙度與CMR測(cè)井總孔隙度的差值,即為儲(chǔ)層含氣量。儲(chǔ)層評(píng)價(jià)綜合利用這3種測(cè)井技術(shù)手段結(jié)合常規(guī)測(cè)井資料、氣測(cè)錄井資料完成。

以長(zhǎng)XX井本溪組為例,綜合解釋成果圖5顯示,14、15號(hào)層,自然伽馬、補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差為低值,地層電阻率為高值(200～650 Ω·m);ECS測(cè)井得到礦物組分以硅質(zhì)礦物為主,巖性為砂巖;CMR測(cè)井有明顯的長(zhǎng)T2譜,表現(xiàn)出單峰或雙峰緊靠的特征,總孔隙度7%～9%,自由流體孔隙度2%～3%,KTIM及KSDR為0.2～2.0 mD;ADT測(cè)井成果資料顯示,介電常數(shù)為4～7 F/m,CMR測(cè)井總孔隙度與ADT測(cè)井含水孔隙度有明顯差異,含氣飽和度為60%～80%,氣測(cè)顯示好,解釋為氣層。16、17、18號(hào)層,自然伽馬為低值,光電吸收截面指數(shù)為4～5 b/eV,電阻率500～2 500 Ω·m;ECS測(cè)井得到的礦物組分以鈣質(zhì)礦物為主,巖性為灰?guī)r;CMR測(cè)井的T2譜無(wú)明顯特征,總孔隙度1.5%～3.0%,自由流體孔隙度為2%～3%,滲透率處理成果顯示KTIM及KSDR小于0.01 mD;ADT測(cè)井成果資料顯示,介電常數(shù)在8～10 F/m,總孔隙度與含水孔隙度無(wú)明顯差異,無(wú)氣測(cè)顯示,解釋為干層。

圖5 長(zhǎng)XX井常規(guī)測(cè)井及“新三組合”測(cè)井成果圖*非法定計(jì)量單位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

4 結(jié) 論

(1)ECS測(cè)井的目的為巖性識(shí)別,通過(guò)對(duì)比分析ECS測(cè)井成果、常規(guī)巖性曲線等資料,認(rèn)為ECS測(cè)井的結(jié)果準(zhǔn)確性較高,并提供不同巖性連續(xù)的骨架曲線,使得孔隙度的計(jì)算更加準(zhǔn)確,在復(fù)雜儲(chǔ)層的巖性識(shí)別及巖性段劃分方面具有十分重要的作用。

(2)CMR測(cè)井為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供了高精度的總孔隙度、有效孔隙度、自由流體孔隙度和滲透率等。T2譜能夠直觀地反應(yīng)儲(chǔ)層孔喉大小的分布和非均質(zhì)性,可用于儲(chǔ)層的品質(zhì)評(píng)價(jià);不同流體具有不同的弛豫特性,以此識(shí)別儲(chǔ)層流體。

(3)ADT測(cè)井在識(shí)別流體性質(zhì)方面具有一定的優(yōu)勢(shì),在電阻率對(duì)流體性質(zhì)不敏感的情況下,基于ECS測(cè)井得到的骨架礦物含量、CMR測(cè)井得到的總孔隙度曲線可用于計(jì)算不依賴(lài)電阻率測(cè)井的含水飽和度。

(4)“新三組合”測(cè)井相較于“常規(guī)三組合”測(cè)井,能夠提供更豐富、準(zhǔn)確的儲(chǔ)層特征參數(shù),使得儲(chǔ)層巖性識(shí)別、孔隙度計(jì)算、流體識(shí)別更準(zhǔn)確、直觀、可靠,用此方法評(píng)價(jià)儲(chǔ)層準(zhǔn)確性更高、適用性更好。