曹志鋒,黃衛(wèi)東,藺敬旗,王先虎,張凱,柴新輝

(1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司新疆分公司,新疆克拉瑪依834000;2.中國(guó)石油新疆油田公司勘探事業(yè)部,新疆克拉瑪依834000)

0 引 言

中國(guó)有30多個(gè)地區(qū)或盆地發(fā)育超壓,并在超壓層系中發(fā)現(xiàn)大量油氣[1]。目前對(duì)各類含油氣盆地及準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪湖凹陷二疊系上烏爾禾組地層超壓測(cè)井響應(yīng)特征及測(cè)井評(píng)價(jià)方法方面的研究較少[1-16]。

本文根據(jù)試油實(shí)測(cè)地層壓力、巖石物理實(shí)驗(yàn)分析資料和測(cè)井資料,分析研究區(qū)超壓的測(cè)井響應(yīng)特征、成因機(jī)理、識(shí)別方法和超壓對(duì)儲(chǔ)層物性的影響及其儲(chǔ)層油氣賦存關(guān)系,研究超壓礫巖儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法,為試油選層、儲(chǔ)層改造提供了重要的技術(shù)支撐,為此類油氣藏的勘探評(píng)價(jià)提供了新的測(cè)井評(píng)價(jià)方法。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部,西與西部隆起的山前斷裂帶相鄰,東與陸梁隆起相接,整體呈北東—南西向展布,面積約6 800 km2,是準(zhǔn)噶爾盆地增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要區(qū)塊。二疊系上烏爾禾組縱向上分為3段,整體表現(xiàn)為水進(jìn)超覆沉積,上烏爾禾組三段沉積時(shí)期,大規(guī)模水進(jìn),河道間、濱淺湖泥巖發(fā)育,為區(qū)域泥巖蓋層。儲(chǔ)層主要分布在烏一段、烏二段的扇三角洲前緣水下分流河道微相內(nèi),分布相對(duì)穩(wěn)定,巖性主要為砂礫巖、砂質(zhì)小礫巖和含礫中-細(xì)砂巖,夾灰色泥巖,為該區(qū)的主力油層段。油藏類型為構(gòu)造-巖性油藏。根據(jù)鄰井取心樣品分析化驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì),二疊系上烏爾禾組孔隙度為7%～16.11%,平均10.26%;滲透率(0.11～42.4)×10-3μm2,平均2.16×10-3μm2,屬于低孔隙度、特低滲透率儲(chǔ)層。

2 異常壓力縱向分布特征

實(shí)測(cè)地層壓力是超壓研究中直接反映超壓現(xiàn)象的可靠證據(jù)[2]。根據(jù)100余口井不同深度、不同層位試油實(shí)測(cè)地層壓力資料,通過分析該區(qū)地層壓力與深度的關(guān)系,該區(qū)三疊系及下伏地層在3 000 m以下超壓發(fā)育。該區(qū)正常地層壓力系數(shù)在1.00～1.10,90%的井地層壓力系數(shù)在1.10～1.65?，敽枷葙_系及上覆地層基本為常壓,三疊系、二疊系發(fā)育異常高壓,且隨深度增加地層異常壓力增高。橫向受泥巖厚度影響,超壓程度差異較大。

3 超壓成因機(jī)理分析及識(shí)別方法

3.1 超壓成因機(jī)理分析

前人提出10多種超壓形成機(jī)制主要包括:機(jī)械壓實(shí);化學(xué)溶解與沉淀;流體熱膨脹;有機(jī)質(zhì)生烴和裂解;黏土礦物脫水;構(gòu)造作用(如側(cè)向擠壓等);承壓作用;古壓力;流體注入;氣水密度差。研究認(rèn)為,流體熱增壓和礦物轉(zhuǎn)化脫水作用很難成為異常高壓形成的主要因素,構(gòu)造擠壓作用、快速沉積引起的欠壓實(shí)作用和烴類的生成作用是全球典型超壓盆地異常高壓形成的主因,他源超高壓傳導(dǎo)作用可以改變某一地區(qū)中-淺部地層異常高壓的分布?？焖俪练e的厚層泥巖內(nèi)部壓實(shí)與排水不平衡,孔隙水支撐一部分上覆巖石的重力,造成泥巖內(nèi)部孔隙度和孔隙流體壓力偏大,形成異常高壓。由此可見,這種異常高壓的形成條件是泥巖的沉積厚度大,沉積速率高[1]。

瑪湖凹陷在二疊紀(jì)是沉降中心,三疊紀(jì)初的沉降中心南移,瑪湖凹陷只是鄰近沉降中心,凹陷內(nèi)部沉積有厚層湖相泥巖。通過選取瑪南斜坡區(qū)三疊系白堿灘組厚層泥巖(見圖1中頂部藍(lán)色部分)為正常壓實(shí)基準(zhǔn),由上而下建立了三疊系白堿灘組、克拉瑪依組、百口泉組及二疊系上烏爾禾組泥巖段聲波隨深度變化關(guān)系。從圖1不同地層泥巖段聲波時(shí)差曲線可知,地層的超壓程度與泥巖的厚度有關(guān),圖1(a)顯示的一口井泥巖厚度小,聲波時(shí)差偏移小,反映了地層的欠壓實(shí)程度低,實(shí)測(cè)地層壓力系數(shù)1.05;圖1(c)顯示的一口井泥巖厚度大,聲波時(shí)差異常增大,反映了地層超壓程度高,實(shí)測(cè)地層壓力系數(shù)1.55。因此,泥巖聲波時(shí)差曲線存在異常偏大現(xiàn)象,說明瑪湖凹陷二疊系上烏爾禾組泥巖(圖1中黃色以下部分)存在欠壓實(shí)現(xiàn)象。快速沉積欠壓實(shí)作用是瑪湖凹陷異常高壓形成的主要因素。

3.2 超壓層的測(cè)井響應(yīng)特征分析及識(shí)別方法

圖1 不同泥巖層段聲波時(shí)差與深度的關(guān)系圖

超壓帶中泥巖異常高的聲波時(shí)差和低電阻率在解釋由欠壓實(shí)引起的異常高壓現(xiàn)象時(shí)符合了人們對(duì)這種物理現(xiàn)象因果關(guān)系的一般理解,因?yàn)槟鄮r壓實(shí)不平衡意味著對(duì)應(yīng)高孔隙度、低巖石密度和高地層水含量。早在20世紀(jì)七八十年代,許多學(xué)者利用測(cè)井響應(yīng)成功地解釋了由欠壓實(shí)導(dǎo)致的異常高壓現(xiàn)象。指出超壓泥巖中的聲波時(shí)差和視電阻率可能反映了超壓引起的泥巖本身的結(jié)構(gòu)變化,并可能是流體超壓的直接響應(yīng),而不是高孔隙度異常的響應(yīng),并解釋了壓實(shí)地層超壓帶出現(xiàn)高聲波時(shí)差(低縱波速度)和低電阻率響應(yīng)的原因:①超壓帶中泥巖的高聲波時(shí)差可能是由于超壓泥巖中含氣和水的微裂隙降低了聲波的傳播能力;②超壓帶中泥巖的低電阻率可能是因?yàn)槌瑝簩?dǎo)致泥巖中形成大量的微裂隙,從而增加了超壓泥巖中束縛水的相互聯(lián)系而致使電阻率降低[2]。

研究區(qū)二疊系上烏爾禾組的超壓帶中的泥巖、砂礫巖均具有高聲波時(shí)差的特征,其中,砂礫巖的異常幅度相對(duì)較小,何生等[2]研究認(rèn)為低聲速異?？赡苤饕强紫读黧w超壓導(dǎo)致顆粒間有效應(yīng)力減小直接引起的。

超壓地層首先是由于泥巖的欠壓實(shí)造成的,聲波時(shí)差增大,泥巖電阻率降低,表現(xiàn)為地層壓力升高。由表1可見,地層壓力系數(shù)與聲波時(shí)差呈正向關(guān)系,超壓越強(qiáng),地層壓力越高,聲波時(shí)差越大。地層壓力系數(shù)與泥巖的電阻率呈逆向關(guān)系,地層壓力越高,泥巖的電阻率越低。因此,可以通過泥巖的電阻率和聲波時(shí)差來識(shí)別儲(chǔ)層的超壓程度。

表1 測(cè)井項(xiàng)目與地層壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

4 超壓對(duì)儲(chǔ)層物性的影響及儲(chǔ)層分類方法

4.1 超壓對(duì)儲(chǔ)層的影響

超壓對(duì)儲(chǔ)層的影響主要表現(xiàn)在3方面:①超壓滯緩孔隙流體運(yùn)動(dòng),減緩或抑制成巖作用,保留大量原生孔隙;②超壓支撐部分上覆巖體的負(fù)荷,減少地層有效應(yīng)力,減緩超壓層的壓實(shí)作用,保留原始儲(chǔ)集空間;③超壓使上覆封隔層和圍巖發(fā)生破裂,形成微裂縫,增加儲(chǔ)集空間,改善儲(chǔ)集層連通性,提高儲(chǔ)集層的滲透性能[1]。

瑪湖凹陷二疊系上烏爾禾組超壓發(fā)育,超壓層內(nèi)部的砂礫巖明顯具有高滲透率特征。從圖2(右)鑄體薄片分析,支撐礫巖保留了儲(chǔ)層粒間孔隙,超壓使礫面孔“撐開”,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,地層“存儲(chǔ)孔”與“連通孔”大于正常壓實(shí)地層[3],增強(qiáng)了儲(chǔ)層的連通性,滲透率提高數(shù)百倍。儲(chǔ)層礫面孔隙發(fā)育,具有孔隙和微細(xì)裂縫的雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征,儲(chǔ)層的連通性好,毛細(xì)管阻力小,在核磁共振測(cè)井曲線上表現(xiàn)為大孔隙的結(jié)構(gòu)特征,毛細(xì)管孔隙小,形成了高滲透性儲(chǔ)層。

圖2(左)為瑪湖凹陷烏爾禾組3口井不同超壓儲(chǔ)層孔隙度滲透率對(duì)比。由于超壓地層快速堆積,儲(chǔ)層泥質(zhì)含量高,有效孔隙度低,平均在6%左右,正常壓實(shí)的儲(chǔ)層孔隙度平均在9%,但滲透性比正常壓實(shí)的儲(chǔ)層高得多。從正常壓實(shí)的儲(chǔ)層孔隙度、滲透率關(guān)系的斜率比超壓儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率關(guān)系的斜率小,超壓越強(qiáng),儲(chǔ)層的滲透性越好。說明儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)層的滲透性受超壓的控制,超壓越強(qiáng),自由流體孔隙越大,含油性越好,儲(chǔ)層的滲透性越好。

4.2 超壓物性指數(shù)構(gòu)建

圖2 上烏爾禾組不同超壓儲(chǔ)層孔隙度滲透率分析對(duì)比圖*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

欠壓實(shí)成因超壓下,地層存儲(chǔ)孔與連通孔大于正常壓實(shí)地層,超壓增加了儲(chǔ)層空間,改善了儲(chǔ)集層的滲流能力[15]。因此,超壓強(qiáng)度是油氣形成和儲(chǔ)層產(chǎn)能的主控因素。據(jù)此提出了并構(gòu)建了超壓儲(chǔ)層聲波時(shí)差與超壓泥巖之比的超壓物性指數(shù)關(guān)系[見式(1)]。通過分析,發(fā)現(xiàn)超壓儲(chǔ)層物性指數(shù)與地層壓力系數(shù)具有較好的關(guān)系(見表2),構(gòu)建了超壓物性指數(shù)與地層壓力關(guān)系[見式(2)]。超壓物性指數(shù)與儲(chǔ)層的產(chǎn)能呈正相關(guān)(見圖3左下圖),儲(chǔ)層壓力越高,儲(chǔ)層物性越好。即

pi=Δt/Rsh

(1)

pi=aρ-b

(2)

式中,a為相關(guān)系數(shù);b為常數(shù);pi為超壓物性指數(shù);Δt為儲(chǔ)層聲波時(shí)差值,μs/ft;Rsh為相鄰的泥巖電阻率值,Ω·m;ρ為地層壓力系數(shù)。

超壓物性指數(shù)反映了儲(chǔ)層的物性好壞,同時(shí)也反映了儲(chǔ)層超壓程度。儲(chǔ)層具有超壓越強(qiáng),儲(chǔ)層的物性越好、含油性越高特征。

4.3 儲(chǔ)層分類方法

基于對(duì)超壓儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí),提出了超壓物性指數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)的儲(chǔ)層分類方法。圖3為超壓儲(chǔ)層產(chǎn)能主控因素分析圖。超壓泥巖電阻率的大小與儲(chǔ)層產(chǎn)能具有較好相關(guān)性(見圖3左上),泥巖電阻率越低,超壓越強(qiáng),產(chǎn)能越高;超壓儲(chǔ)層聲波時(shí)差的大小與儲(chǔ)層產(chǎn)能具有較好相關(guān)性(見圖3左中),聲波時(shí)差越大,超壓越強(qiáng),產(chǎn)能越高;超壓儲(chǔ)層物性指數(shù)的大小與儲(chǔ)層產(chǎn)能具有較好相關(guān)性(見圖3左下),超壓物性指數(shù)越大,超壓越強(qiáng),產(chǎn)能越高。據(jù)此,通過核磁共振測(cè)井的可動(dòng)流體孔隙度與有效孔隙度之比構(gòu)建的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)與儲(chǔ)層超壓物性指數(shù)建立了儲(chǔ)層分類方法,依據(jù)產(chǎn)能大小,將儲(chǔ)層分為4類,構(gòu)建的儲(chǔ)層分類圖版符合率100%(見圖3右)。

表2 超壓物性指數(shù)與地層壓力系數(shù)關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

5 應(yīng)用效果

研究成果在老井重新處理、新井的測(cè)井解釋評(píng)價(jià)中發(fā)揮了重要作用。老井恢復(fù)試油中,19口井24層獲工業(yè)油流,其中12口井14層獲油率高達(dá)74%。地質(zhì)認(rèn)識(shí)的提高和評(píng)價(jià)技術(shù)的突破,為勘探試油選層、儲(chǔ)量計(jì)算、勘探評(píng)價(jià)等方面提供了技術(shù)支撐;儲(chǔ)層流體性質(zhì)解釋絕對(duì)符合率由38%提高到75%,研究成果獲得良好的地質(zhì)應(yīng)用效果。

圖4(a)為該區(qū)二疊系上烏爾禾組礫巖儲(chǔ)層常規(guī)方法電阻率與密度交會(huì)圖,該方法不能有效識(shí)別油層,符合率只有58.6%。圖4(b)引入電阻率與超壓物性指數(shù)交會(huì)圖,能有效識(shí)別油層,符合率100%,提高了超壓礫巖儲(chǔ)層的有層識(shí)別能力。

A井為該區(qū)一口評(píng)價(jià)井(見圖5),地層為二疊系上烏爾禾組,儲(chǔ)層巖性為礫巖,該層進(jìn)行了2層試油,試油結(jié)論與常規(guī)方法解釋結(jié)論不符合。第1層試油井段3 631.0～3 565.5 m,儲(chǔ)層電阻率為25 Ω·m,密度為2.47 g/cm3,錄井氣測(cè)異常明顯,常規(guī)電阻率與密度交會(huì)圖①點(diǎn)為油層[見圖4(a)];通過地層超壓分析,第1層的泥巖電阻率為3 Ω·m,為正常壓實(shí)地層,應(yīng)用超壓物性指數(shù)與電阻率建立的交會(huì)圖①點(diǎn)為油層[見圖4(b)],試油為低產(chǎn)油層,與新方法結(jié)論一致。第2層試油井段3 563.0～3 568.0 m電阻率為11 Ω·m,密度為2.52 g/cm3,氣測(cè)無油氣顯示,常規(guī)電阻率與密度交會(huì)圖③點(diǎn)為非油層[見圖4(a)];通過地層超壓分析,第2層的泥巖電阻率為2 Ω·m,具有泥巖欠壓實(shí)形成的地層超壓,應(yīng)用超壓物性指數(shù)與電阻率建立的交會(huì)圖③點(diǎn)為油層[見圖4(b)],試油為高產(chǎn)油層,與新方法結(jié)論一致。

圖5 A井上烏爾禾組試油成果測(cè)井圖

B井為該區(qū)一口預(yù)探井(見圖6),地層為二疊系上烏爾禾組,儲(chǔ)層巖性為礫巖。該層進(jìn)行了2層試油,第1層試油井段3 342～3 350 m,試油獲產(chǎn)油10.26 t/d,氣0.753×104m3/d,水10.28 m3/d,結(jié)論為油水同層。第2層井段3 281～3 286 m試油獲產(chǎn)油120.57 t/d,氣4.473×104m3/d,水34.49 m3/d,結(jié)論為油水同層。試油結(jié)論表明,第1層的核磁共振有效孔隙度4.9%,可動(dòng)流體2.1%,氣測(cè)異常明顯,油氣顯示活躍,有效厚度大,產(chǎn)能不高。而第2層的核磁共振有效孔隙度2.9%,可動(dòng)流體1.6%,氣測(cè)異常較小,有效厚度薄,但產(chǎn)能很高。分析原因,第2層頂部的泥巖電阻低、聲波時(shí)差大,明顯具有超壓地層的特征。第1層試油井段上部的泥巖層薄,主要為致密隔層,未能形成超壓油藏。應(yīng)用上烏爾禾組儲(chǔ)層產(chǎn)能分析與儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn),第1層為Ⅱ類儲(chǔ)層(見圖3右圖中的①號(hào)點(diǎn));第2層為Ⅰ類儲(chǔ)層(見圖3右圖中的②號(hào)點(diǎn)),符合實(shí)際產(chǎn)能。

圖6 B井上烏爾禾組試油成果測(cè)井圖

6 結(jié) 論

(1)泥巖欠壓實(shí)是該區(qū)超壓形成的主要成因機(jī)理,欠壓實(shí)泥巖具有低電阻率高聲波時(shí)差測(cè)井特征。

(2)泥巖欠壓實(shí)作用使礫巖儲(chǔ)層的礫面孔隙發(fā)育,具有孔隙和微細(xì)裂縫的雙重孔隙結(jié)構(gòu)特征,儲(chǔ)層連通性好,毛細(xì)管孔隙小,在核磁共振上表現(xiàn)為大孔隙的結(jié)構(gòu)特征,形成了低孔隙度、高滲透性儲(chǔ)層。

(3)超壓程度和儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲(chǔ)層產(chǎn)能大小的主控因素,超壓越強(qiáng),儲(chǔ)層的自由流體孔隙越大,滲透性越好,產(chǎn)能越高。

(4)基于超壓油層的測(cè)井響應(yīng)特征,構(gòu)建了超壓泥巖電阻率、聲波時(shí)差、地層壓力系數(shù)關(guān)系的超壓物性指數(shù),該指數(shù)既反映了儲(chǔ)層品質(zhì),又體現(xiàn)了超壓程度,為儲(chǔ)層油層識(shí)別、儲(chǔ)層分類提供了新方法。