黃思靜 郎咸國 蘭葉芳 魏文文
儲層質(zhì)量的評價參數(shù)很多,孔隙度、滲透率、孔隙構成(不同類型孔隙的相對含量)與孔隙結(jié)構是人們最常用的參數(shù)[1,2]。有些參數(shù)的數(shù)據(jù)量很大,而且很容易獲得,如孔隙度和滲透率,在油田尺度范圍,從巖心分析測試獲得的樣品經(jīng)??梢猿^106當量級,因而成為人們最常用和最可靠的儲層質(zhì)量評價參數(shù);但具有相同或類似孔隙度的樣品也可以具有不同的儲層質(zhì)量,這可以通過滲透率,尤其是孔隙結(jié)構參數(shù)或孔隙構成來進行評估??墒?,孔隙結(jié)構參數(shù)或孔隙構成資料的獲取相對困難,前者需要相對復雜的壓汞分析,后者則需要有經(jīng)驗的巖礦工作者進行薄片分析或薄片圖像分析。然而,一些對儲層質(zhì)量存在實質(zhì)性影響的巖石礦物學、巖石學或結(jié)構特征很難在評價過程中通過孔隙度、滲透率和孔隙構成等方面的參數(shù)來進行定量評估,如早期的以孔隙襯里方式存在的膠結(jié)物,它們對巖石孔隙度的影響很小的前提下提高巖石的抗壓實能力和降低化學成巖作用的強度[3-5],因而被認為是重要的保持性成巖作用;但這些膠結(jié)物是如何定量影響巖石孔隙結(jié)構和儲層質(zhì)量的,有關的定量評價參數(shù)仍然難以表達。
實際上,儲集巖的孔隙結(jié)構參數(shù)和孔隙構成會反映在孔隙度-滲透率關系上,因而巖石的孔隙度-滲透率關系可以成為我們進行儲層質(zhì)量評價的一個有用的指標,這對于確定不同尺度(如盆地尺度、油田尺度或生產(chǎn)開發(fā)尺度等)孔隙度下限值和進行儲量計算很有幫助。
人們研究孔隙度-滲透率關系的主要目的經(jīng)常是為了通過孔隙度預測滲透率,大多數(shù)鉆井的巖心孔隙度往往是不完整的和不連續(xù)的,而一個鉆井連續(xù)的孔隙度可以通過測井方法獲得;但除了像核磁共振[6]等少數(shù)方法以外,滲透率的獲取非常困難,或只能獲得精度很差的滲透率。因此,人們通常的做法是通過巖心分析建立孔隙度-滲透率的關系,然后在沒有巖心的地方使用孔隙度測井并從巖心的孔隙度-滲透率的關系估計滲透率。然而,人們已逐漸注意到,無論是碳酸鹽巖還是碎屑巖儲集巖,孔隙度-滲透率的關系是巖石結(jié)構(雜基含量、碎屑的粒度和分選性)、自生礦物構成和孔隙構成的反映,并可以作為儲層質(zhì)量的表征。盡管如此,有關的研究并不多見,國內(nèi)較早的實例如黃思靜等(2004)對鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)三疊系延長組砂巖孔隙成因?qū)紫抖龋瓭B透率關系的研究,作者注意到延長組不同油層組的砂巖具有不同的孔隙度-滲透率關系,要獲取相同滲透率所需要的孔隙度值是不同的[7];在碳酸鹽儲層領域內(nèi)的重要研究成果是L?n?y(2006)發(fā)表在AAPG上的論文,他總結(jié)6種碳酸鹽孔隙類型的18種孔隙度-滲透率關系,給碳酸鹽地層烴類儲量計算研究提供了重要的基礎資料[8];新近的成果還有蘭葉芳等(2011)關于鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)自生綠泥石對砂巖儲層孔隙度-滲透率關系影響的研究,該結(jié)果首次用孔隙度-滲透率關系的研究方法評價了作為孔隙襯里的早期膠結(jié)物對儲層質(zhì)量的影響[9]。本文試圖在總結(jié)前人在該領域研究成果的基礎上,結(jié)合國內(nèi)外有關研究實例,對用孔隙度-滲透率關系及相應的截止孔隙度評價儲層質(zhì)量的一些具體方法進行討論。
由于傳統(tǒng)的儲層孔隙度-滲透率關系研究的目的是通過巖心分析建立的孔隙度-滲透率的關系(這是通過滲透率對孔隙度的回歸),以便從孔隙度(測井孔隙度)估計滲透率,因而在孔隙度-滲透率投點圖中,通常將X軸定義為孔隙度,而將Y軸定義為滲透率。但在利用孔隙度-滲透率關系研究儲層質(zhì)量時,為了求取有關的評價參數(shù),應該將孔隙度對滲透率回歸,因而應將滲透率定義為X軸,而將孔隙度定義為Y軸。這是因為我們要求取的與儲層質(zhì)量有關的參數(shù)是要獲取相同滲透率所需要的孔隙度值,人們關心的是孔隙度而不是滲透率。
通過孔隙度-滲透率關系來評價儲層質(zhì)量的參數(shù)是特征滲透率對應的孔隙度值,黃思靜等(2004)將其稱為要獲得相同滲透率所需要的孔隙度值[6]。L?n?y(2006)在對具有不同孔隙類型的碳酸鹽儲層孔隙度-滲透率關系的研究中用“porosity cutoff”來定義該孔隙度值,認為該孔隙度值被用來排除那些沒有足夠滲透性使流體流動的孔隙[7]。本文建議將該孔隙度值稱為截止孔隙度(或孔隙度截止值),其定義為,由儲層孔隙度-滲透率關系曲線確定的要獲得某一特征滲透率所需要的孔隙度臨界值,當孔隙度小于該臨界值時,儲層將不具有所給定的特征滲透率??梢哉J為該孔隙度值代表了與該特定滲透率對應的流體流動的截止,同時該數(shù)值所代表的是那些需要排除的對于所給滲透率來說是沒有足夠滲透性的孔隙度。顯然,該數(shù)值越小,某一給定的特征滲透率對應的孔隙度越小,需要排除的孔隙度越少,孔隙度截止值越低,儲層質(zhì)量越好。特征滲透率可以包括0.01×10-3μm2、0.1×10-3μm2、1×10-3μm2和10×10-3μm2等數(shù)值,其中往往有一個是某一特定儲層的滲透率下限,如鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組砂巖的該數(shù)值可能大致在0.1×10-3μm2。該數(shù)值由具體儲層的眾多特征(儲層物性、孔隙結(jié)構、巖石結(jié)構和成分等)以及開發(fā)的經(jīng)濟性決定。
隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部,延長組是以河流和湖泊相為主的陸源碎屑沉積,底部與中三疊統(tǒng)紙坊組呈不整合接觸(平行不整合),頂部在印支期暴露時間間隔中受到不同程度的剝蝕,與侏羅系延安組或富縣組呈不整合接觸(平行不整合)[10]。
延長組是鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)重要的石油儲層與產(chǎn)層,由10個油層組構成,從上往下依次為長1~長10。在10個油層組中,長7油層組是最為重要的烴源層,長4+5和長9是次要烴源層。各油層組均可作為儲層。10個油層組砂巖具有不同的孔隙度-滲透率關系(表1、圖1、圖2)??紫抖龋瓭B透率關系尤其表現(xiàn)在0.1×10-3μm2滲透率所對應的孔隙度上,即0.1×10-3μm2滲透率的截止孔隙度。0.1×10-3μm2滲透率可能大致是與目前鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)產(chǎn)、儲層狀況及相應的開發(fā)的經(jīng)濟性相適應的用以計算儲量的滲透率下限值。我們尤其關心的是相應的孔隙度下限值是多少。表1和圖2表明:長1~長4+5等上部油層組的截止孔隙度應該在11%左右,長8及其以下地層應該在8%左右,而長6和長7油層組大致在8%~10%之間。各油層組與0.1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度應該就是用以計算儲量的孔隙度下限值。
控制鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組不同油層組砂巖的孔隙度-滲透率關系和截止孔隙度的因素很多,但有2個因素是最為主要的并且是我們需要重點討論的。第一個因素是砂巖孔隙的構成。已有的研究表明,由于印支期暴露時間間隔中大氣淡水對長石等鋁硅酸鹽的溶解作用,從近不整合面附近的上部油層組向下,次生孔隙(主要由長石溶孔、巖屑溶孔和高嶺石晶間孔構成)是減少的(與之相應的碎屑長石減少,代表長石溶解的自生高嶺石和自生石英增加),因而上部油層組砂巖的孔隙度較高,但次生孔隙較多,下部油層組孔隙度較低,但原生孔隙較多[11]。次生孔隙的這種形成方式顯著控制了隴東地區(qū)砂巖物性的縱向變化特征的同時,也控制了砂巖的孔隙構成方式以及孔隙度-滲透率關系和相應的截止孔隙度。第二個因素是砂巖的巖石學與礦物學特征,如巖石結(jié)構(雜基含量、碎屑的粒度和分選性)和自生礦物構成(尤其是以孔隙襯里方式存在的自生綠泥石的含量),一些油層組(如長6)雖然主要由原生孔隙構成,但砂巖粒度較細,分選較差,雜基含量較高,并有一定數(shù)量的以孔隙襯里方式存在的自生綠泥石(其對儲層質(zhì)量和截止孔隙度的影響后面作具體討論),因而其截止孔隙度仍然偏高。從0.1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度來說,隴東地區(qū)長8油層組的儲層質(zhì)量較好,截止孔隙度較小,需要排除的連通性較差的孔隙較少,用以計算儲量的孔隙度下限值較低;而長2等上部油層組儲層質(zhì)量相對較差,截止孔隙度較大,需要排除的連通性較差的孔隙較多,用以計算儲量的孔隙度下限值較高。當然,不同的滲透率區(qū)間(如更小的0.01×10-3μm2滲透率和更大的1×10-3μm2以及10×10-3μm2滲透率)的截止孔隙度是不一樣的,這同樣受孔隙構成及巖石的結(jié)構和成分等特征控制,但0.1×10-3μm2滲透率對于鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組儲層來說應該是一個關鍵值,因而對應的截止孔隙度也是最為重要的。
表1 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組(長1~長10油層組)儲層砂巖的孔隙度-滲透率方程及不同滲透率所對應的截止孔隙度Table 1 Equations of porosity-permeability and the porosity cutoffs at different permeabilities calculated from the equations of different members of Yanchang sandstone(Chang 1~Chang 10)of Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin
圖1 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組部分油層組(長1、長8和長10)儲層砂巖的孔隙度-滲透率投點圖及相應的孔隙度-滲透率方程Fig.1 Porosity-permeability plots and corresponding equations for Members Chang 1,Chang 8and Chang 10 strata of Yanchang sandstone,Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin
圖2 (A)綜合的隴東地區(qū)延長組不同油層組儲層砂巖的孔隙度-滲透率關系曲線;(B)隴東地區(qū)延長組不同油層組(沒有包括主要作為烴源層的長4+5、長7和長9油層組)0.1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度分布直方圖Fig.2 (A)Integrated relation curves of porosity-permeability of Yanchang Formation different oil-bearing formations of Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin;(B)The histogram of the permeability of 0.1×10-3μm2corresponding porosity cutoffs of Yanchang Formation different oil-bearing formations(except the hydrocarbon source bed Chang 4+5,Chang 7and Chang 9oil-bearing formation)of Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin
以孔隙襯里方式存在的自生礦物對埋藏條件下,尤其是深埋藏條件下的儲集空間具有保護作用,典型的如砂巖中以孔隙襯里方式存在的自生綠泥石和碳酸鹽巖的硬底膠結(jié)物,它們往往是深埋藏條件下異常高孔隙度存在的主要機制[3,4,12-17],因而這類自生礦物的數(shù) 量與巖石的孔隙度之間表現(xiàn)為正相關關系[5,18],并被認為是重要的保持性成巖作用。然而,到目前為止,仍然沒有一個很好的辦法來定量描述這類儲層的質(zhì)量。顯然,對一個特定的油田、區(qū)塊或地層來說,含量較高的以孔隙襯里方式存在的自生礦物的儲層具有較高的孔隙度,由于孔隙度和滲透率之間總體上的正相關關系,因而這些巖石總體上也具有較大的滲透率;但這并不代表以孔隙襯里方式存在的自生綠泥石含量較高的巖石具有較好的儲層質(zhì)量,人們早已從巖石的結(jié)構的直觀觀察中注意到了這些以孔隙襯里方式存在的自生礦物對喉道及滲透率的傷害[19,20]。表2、圖3和圖4給出了鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長8油層組具有不同自生綠泥石含量的砂巖樣品的孔隙度、滲透率投點圖、孔隙度-滲透率關系方程及由此獲得的不同特征滲透率所對應的截止孔隙度,表明在孔隙度變化不大的情況下,當砂巖中以孔隙襯里方式自生綠泥石的含量增加時,0.01×10-3μm2、0.1×1 0-3μm2、1×10-3μm2和10×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度總體上是增加的。以具典型意義的0.1×10-3μm2滲透率為例,當砂巖中自生綠泥石的質(zhì)量分數(shù)從<2%增加到10%~14%時,0.1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度從7.2%增加到10.9%,增加了近4%,這意味著在確定用以進行儲量計算的滲砂體下限時,當巖石中以孔隙襯里的自生綠泥石含量很低(如質(zhì)量分數(shù)<2%)時,只要有大致7%的孔隙度就夠了;但當自生綠泥石的質(zhì)量分數(shù)增加到10%~14%時,則需要近11%的孔隙度;顯然,在孔隙度類似的情況,孔隙襯里自生綠泥石含量越低的樣品,儲層質(zhì)量越好。
圖3 隴東地區(qū)長8油層組具有不同孔隙襯里自生綠泥石含量的砂巖樣品的孔隙度-滲透率投點圖及相應的孔隙度-滲透率方程Fig.3 Porosity-permeability plots and corresponding equations of sandstone samples with different contents of pore-lining chlorite for Members Chang 8of Yanchang Formation,Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin注意這些樣品具有類似的孔隙度變化范圍
圖4 (A)綜合的隴東地區(qū)長8油層組具不同以孔隙襯里自生綠泥石含量砂巖的孔隙度-滲透率關系曲線;(B)隴東地區(qū)長8油層組具不同以孔隙襯里自生綠泥石含量砂巖的0.1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度分布直方圖Fig.4 (A)Porosity-permeability relationship of sandstone samples with different contents of pore-lining chlorites in Member 8of Yanchang Formation,Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin;(B)Porosity cutoff distribution histogram at 0.1×10-3μm2 permeability of pore-lining chlorites in Member 8of Yanchang Formation,Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin
表2 隴東地區(qū)長8油層組具有不同自生綠泥石含量的砂巖樣品的孔隙度-滲透率關系方程及不同滲透率所對應的截止孔隙度Table 2 Equations of porosity-permeability and the porosity cutoffs at different permeabilities calculated from the equations of sandstone samples with different contents of authigenic chlorites in Member Chang 8of Yanchang sandstone,Triassic,eastern Gansu,Ordos Basin
我們可以對以孔隙襯里方式存在的膠結(jié)物對儲層質(zhì)量的影響作如下解釋:雖然以孔隙襯里方式存在的自生礦物是一種早期的膠結(jié)物,它們占據(jù)的孔隙空間也十分有限,其沉淀可以顯著提高巖石的機械強度和抗壓實能力(一些自生礦物還具有阻止膠結(jié)作用進一步發(fā)生的功能),從而改變巖石的孔隙度—深度曲線并使相對深埋藏條件下巖石具有較高的孔隙度;但這是在犧牲了一部分喉道、并降低滲透率的前提下達到保護孔隙的目的的。如果深埋藏條件下孔隙的保存機制不是通過孔隙襯里方式存在的自生礦物來實現(xiàn)的,而是通過剛性顆粒的存在或異常孔隙壓力等保持性成巖作用來實現(xiàn)的;或者說,如果巖石中缺乏孔隙襯里的自生礦物,并具有類似的孔隙度,則這些巖石將具有更好的儲層質(zhì)量。蘭葉芳等(2011)的研究也表明,在孔隙度變化不大的情況下,隨著砂巖中自生綠泥石含量的增加,滲透率降低、排驅(qū)壓力增加、中值壓力增加、對應的喉道半徑顯著減小、退出效率降低[21]。
L?n?y(2006)主要根據(jù)來自歐洲和中東的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、結(jié)合沉積、成巖作用以及與流體流動有關的特征,建立了一個孔隙類型分類體系[7]。該體系包括20種孔隙類型,表3中列出了這20種孔隙類型中的18種碳酸鹽巖的孔隙度-滲透率關系和截止孔隙度,這不但使我們經(jīng)常使用的很多沉積及成巖參數(shù)或模式可以作為預測儲層質(zhì)量的關鍵參數(shù),也使得碳酸鹽巖的孔隙度-滲透率關系具有可預測性。因而,我們可以利用巖石結(jié)構(如灰泥基質(zhì)的數(shù)量、白云巖的結(jié)構)、膠結(jié)物的類型(如以孔隙襯里方式存在的自生礦物的數(shù)量)和儲層孔隙構成(粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)孔、鑄???、大孔、中孔和微孔等)等各種沉積、成巖因素預測碳酸鹽巖的儲層質(zhì)量。
L?n?y(2006)選擇的用以求取截止孔隙度的關鍵滲透率值是1×10-3μm2,而不同于我們前邊討論的鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長組砂巖儲層選擇的0.1×10-3μm2,這說明不同的研究者對儲層質(zhì)量具有不同的定義。按1×10-3μm2的滲透率典型值,由不同類型孔隙構成的碳酸鹽巖的截止孔隙度具有非常大的變化范圍,從均一晶間大孔的5.4%,變化至第三系白堊微孔31.3%;因此,如果我們單從孔隙定義儲層質(zhì)量、確定儲層的某些邊界條件和計算烴類儲量,會得出完全不同的結(jié)果。L?n?y(2006)報道的一個實例基于一個泥盆系油氣田的數(shù)據(jù)表明,碳酸鹽巖孔隙類型的變化所導致油氣儲量計算結(jié)果的差別可以高達百分之幾百。
在碳酸鹽巖的各種孔隙類型中,晶洞孔隙、粒間孔隙和晶間孔隙的截止孔隙度較小,按1×10-3μm2的滲透率典型值,對應的截止孔隙度平均值都在10%以下(表3,圖5、圖6)。除晶洞以外,與溶解作用有關的次生孔隙(包括一些主要是原生孔隙的粒內(nèi)孔)的截止孔隙度較大,1×10-3μm2的滲透率對應的截止孔隙度平均值在13%~16%;灰泥微孔(主要是白堊微孔)具有最大的1×10-3μm2的滲透率對應的截止孔隙度,平均值高達30%(圖6)。就孔隙大小而論(表3,注意不同類型的孔隙具有不同的尺寸定義),大孔具有最小的1×10-3μm2的滲透率對應的截止孔隙度平均值,粒間孔和晶間孔分別為7.6%和5.4%;中孔次之;微孔具有最大的1×10-3μm2的滲透率對應的截止孔隙度平均值,粒間孔和晶間孔分別為11.0%和20.1%(圖6)。晶洞也是一種尺寸較大的孔隙,黃思靜(2010)將其定義為次生溶解成因的、非組構選擇性的、相對孤立且形態(tài)不規(guī)則的較大孔隙(通常情況孔徑大于1mm),因而也具有較小的截止孔隙度平均值(圖6)。
表3 碳酸鹽巖的孔隙分類系統(tǒng)、對應的孔隙度-滲透率方程、決定系數(shù)和1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度Table 3 Carbonate porosity classification system,corresponding porosity-permeability equations,coefficients of determination,porosity cutoffs at 1×10-3μm2 permeability
就孔隙大小而言,大孔對應著較好的儲層質(zhì)量,而微孔對應著較差的儲層質(zhì)量;就孔隙類型而言,粒間孔和晶間孔對應著較好的儲層質(zhì)量,晶間孔較好的儲層質(zhì)量與碳酸鹽巖的晶間孔主要為白云石晶間孔有關。另外,在大孔范圍內(nèi),碳酸鹽晶間孔對應巖石的儲層質(zhì)量甚至好于粒間孔(圖6-B),這也是很多白云巖具有較好儲層質(zhì)量的原因之一。
a.不同類型儲層具有不同的孔隙度-滲透率關系曲線,從該曲線中可以獲得特征滲透率所對應的截止孔隙度,其表征的是要獲得某一特征滲透率所需要的孔隙度臨界值,當孔隙度小于該臨界值時,儲層將不具有所給定的特征滲透率,因而截止孔隙度代表了與該特定滲透率對應的流體流動的截止值。
b.儲層的截止孔隙度是儲層質(zhì)量的反映,與某一特征滲透率對應的截止孔隙度越小,儲層質(zhì)量越好,反之儲層質(zhì)量較差。鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)三疊系延長組不同油層組儲層與0.1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度大致變化在7%~12%之間。0.1×10-3μm2滲透率可能是滲砂巖的下限,因而相應孔隙度的下限也大致變化于7%~12%之間,這將導致滲砂巖孔隙度下限定義的變化并影響烴類的儲量計算。
圖5 不同孔隙類型碳酸鹽巖的孔隙度-滲透率投點圖Fig.5 Porosity-permeability plots of different carbonate pore types
c.儲層的截止孔隙度是儲集巖各種沉積、成巖因素的反映,巖石結(jié)構(雜基或灰泥的含量、碎屑的粒度和分選性)、自生礦物構成(如以孔隙襯里方式存在的自生礦物的數(shù)量)、白云石的含量和儲層孔隙構成(粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)孔、鑄模孔、大孔、中孔和微孔等),會顯著影響儲層的截止孔隙度,因此,我們可以通過儲層的沉積及成巖參數(shù)預測儲層質(zhì)量。
d.以孔隙襯里方式存在的自生礦物對埋藏條件下,尤其是深埋藏條件下的儲集空間具有保護作用,典型的如砂巖中以孔隙襯里方式存在的自生綠泥石和碳酸鹽巖的硬底膠結(jié)物;但這些膠結(jié)物數(shù)量的增加會導致儲層截止孔隙度的增加,這類儲層的質(zhì)量比孔隙度類似但缺乏孔隙襯里膠結(jié)物的儲層差。
e.與沉積—成巖過程相關的碳酸鹽巖的孔隙類型會顯著影響截止孔隙度,由不同類型孔隙構成的碳酸鹽巖儲層的1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度變化在5.4%~31.3%之間,具有非常大的變化范圍(顯示截止孔隙度對碳酸鹽巖烴類含量計算的強烈影響)。粒間孔、晶間孔為主的碳酸鹽巖截止孔隙度較小,儲層質(zhì)量較好;灰泥巖微孔為主的碳酸鹽巖的截止孔隙度最大,儲層質(zhì)量最差;粒內(nèi)孔和鑄??诪橹鞯奶妓猁}巖具有中等的截止孔隙度及中等的儲層質(zhì)量。
圖6 不同孔隙類型碳酸鹽巖的孔隙度-滲透率關系中1×10-3μm2滲透率對應的截止孔隙度平均值分布直方圖Fig.6 Porosity cutoff histogram at 1×10-3μm2 permeability of different carbonate pore types
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