馮建園 常靜春 竇如勝 郝麗萍 尚 勇 郭祥光 燕興榮

(①中國石油大港油田分公司新項目事業(yè)部；②中國石油集團(tuán)測井有限公司天津分公司)

0 引 言

致密砂巖氣是一種儲集于低滲透、特低滲透致密砂巖儲層中的典型非常規(guī)天然氣資源[1]。鄂爾多斯盆地大寧區(qū)塊致密砂巖氣藏發(fā)育，主要分布在石炭系上統(tǒng)本溪組、二疊系下統(tǒng)太原組和山西組、二疊系中統(tǒng)石盒子組。大寧區(qū)塊二疊系石盒子期沉積環(huán)境以河流-三角洲相為主，其中盒6段-盒8段儲層以三角洲平原分流河道砂體為主，砂體南北向展布比較穩(wěn)定；山西組山2段儲層以河流-三角洲沉積環(huán)境下的三角洲前緣水下分流河道沉積砂體為主，砂體主體自北向南呈條帶狀展布；太原組儲集層為海相濱岸環(huán)境沉積的沿岸砂壩，規(guī)模相對較小，但儲層物性相對較好。大寧地區(qū)石盒子組、山西組、太原組和本溪組致密砂巖氣儲層試氣均獲得較好效果，反映該區(qū)塊致密砂巖氣資料豐富，具有分布廣泛、發(fā)展前景良好的特點(diǎn)，該區(qū)塊致密砂巖氣成為國內(nèi)重要的非常規(guī)天然氣資源[2]。

大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層發(fā)育段巖性比較復(fù)雜，包括砂巖、泥巖、煤層、碳酸鹽巖等，其中泥巖、煤層和碳酸鹽巖這三種巖性測井響應(yīng)特征與砂巖有明顯區(qū)別，易于識別。但是致密砂巖氣儲層在常規(guī)測井資料響應(yīng)特征上差異較大，一般情況下自然伽馬數(shù)值在20～100 API之間，深電阻率介于5～1 000 Ω·m之間，補(bǔ)償密度介于2.3～2.65 g/cm3之間，補(bǔ)償聲波介于185～250 μs/m之間。該區(qū)巖心、試采等資料綜合分析表明，在相同層位、相同物性、相當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)及含氣飽和度條件下，致密砂巖氣儲層巖石類型的不同導(dǎo)致試氣效果也存在明顯差別，如何利用測井資料有效開展致密砂巖儲層巖石類型識別是儲層綜合評價中需要解決的首要問題。

1 致密砂巖氣儲層巖石類型特征

巖心資料表明，致密砂巖氣儲層礦物成分主要包括石英、長石、巖屑，其中長石以堿性長石為主，斜長石較少；巖屑以變質(zhì)巖為主，含少量酸性噴出巖。依據(jù)巖石薄片鑒定資料對大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層進(jìn)行巖石類型劃分[3]，明確了大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層發(fā)育的4種主要巖石類型，分別為石英砂巖、巖屑石英砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑砂巖，而長石石英砂巖、長石砂巖、巖屑長石砂巖基本不發(fā)育。

致密砂巖碎屑顆粒中石英含量越高，巖屑含量越低，儲層物性越好[4]。石英含量高，巖石成分成熟度高，分選好，磨圓度高，儲層物性好；巖屑或長石含量高，巖石成分成熟度低，分選差，磨圓度低，儲層物性差。研究區(qū)域致密砂巖儲層黏土礦物以高嶺石、伊利石和伊蒙混層為主，綠泥石含量相對較少，基本不含蒙脫石；孔隙度介于1%～12%之間，滲透率介于0.001～20 mD之間，具有明顯的低孔低滲儲層特征；孔隙類型以溶孔、晶間孔、粒間孔為主，并發(fā)育少量裂縫；巖石類型不同，儲層物性、儲集特征等均存在明顯差別。

圖1分別為4種主要巖石類型孔隙度與滲透率、喉道分選系數(shù)與孔喉半徑中值、孔隙度與最大進(jìn)汞飽和度、孔隙度與排驅(qū)壓力、滲透率與束縛水飽和度、滲透率與最大進(jìn)汞飽和度關(guān)系圖，從圖中可以看出，巖石類型不同，儲層孔隙度、滲透率、喉道分選系數(shù)、排驅(qū)壓力等儲層參數(shù)特征也明顯不同。其中石英砂巖儲層孔隙度數(shù)值高、滲透率好，說明該類儲層物性好；喉道分選系數(shù)小，反映儲層孔隙喉道較均勻，分選較好；最大進(jìn)汞飽和度較高、排驅(qū)壓力小，說明儲層孔隙結(jié)構(gòu)以大孔為主，滲濾性能較好；束縛水飽和度較低，說明儲層黏土含量較少。巖屑石英砂巖孔隙度介于3.5%～10%,滲透率介于0.1～3 mD之間，孔隙度和滲透率數(shù)值中等，喉道分選系數(shù)較小，最大進(jìn)汞飽和度相對較高，束縛水飽和度相對較小，反映該類巖石儲層物性較好，孔隙結(jié)構(gòu)以中到大孔為主，黏土含量相對較少。長石巖屑砂巖儲層孔隙度和滲透率較低，說明儲層物性相對較差；喉道分選系數(shù)較大，最大進(jìn)汞飽和度數(shù)值較低，排驅(qū)壓力大，孔喉半徑中值小，束縛水飽和度高，說明該類巖石儲集空間以中小孔徑為主，黏土含量相對較高。巖屑砂巖孔隙度、滲透率數(shù)值低，喉道分選系數(shù)數(shù)值高，孔喉半徑中值相對低值，最大進(jìn)汞飽和度數(shù)值高，排驅(qū)壓力相對高值，反映儲層儲集空間以小孔為主、物性差。

圖1 不同巖石類型致密砂巖氣儲層特征分析

由以上分析可知，巖石類型不同，致密砂巖氣儲層物性及孔隙結(jié)構(gòu)等均存在明顯差別，因此巖石類型的精確識別對于致密砂巖氣儲層測井精細(xì)評價、射孔層優(yōu)選及開發(fā)生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)作用。

2 主要巖石類型測井響應(yīng)特征分析

由于不同巖石類型砂巖儲層在孔滲及儲集類型上的差別，使得不同巖石類型在測井資料上響應(yīng)特征中也存在一定差別，根據(jù)多條測井曲線的形態(tài)特征和測井曲線值定性劃分巖性，這是識別巖性的一種直觀方法[5]。通過開展巖心和測井曲線的綜合分析，確定了4種主要巖石類型砂巖儲層測井響應(yīng)特征(圖2)。

石英砂巖測井資料響應(yīng)特征為低自然伽馬、中高電阻率、中低補(bǔ)償聲波、補(bǔ)償密度數(shù)值變化范圍較大，其中自然伽馬數(shù)值在20～45 API之間，補(bǔ)償聲波數(shù)值在195～250 μs/m之間，補(bǔ)償密度數(shù)值在2.30～2.65 g/cm3之間(圖2a)。巖屑石英砂巖在測井資料上的響應(yīng)特征為自然伽馬數(shù)值中等、中低補(bǔ)償聲波、中高電阻率、中高補(bǔ)償密度數(shù)值，其中自然伽馬數(shù)值在40～80 API之間，補(bǔ)償聲波數(shù)值在195～245 μs/m之間，補(bǔ)償密度數(shù)值在2.40～2.60 g/cm3之間(圖2b)。長石巖屑砂巖在測井資料上的響應(yīng)特征為中高自然伽馬、中低電阻率、中低補(bǔ)償聲波、中高補(bǔ)償密度，其中自然伽馬數(shù)值在60～110 API之間，補(bǔ)償聲波數(shù)值在185～240 μs/m之間，補(bǔ)償密度數(shù)值在2.40～2.65 g/cm3之間(圖2c)。巖屑砂巖在測井資料上的響應(yīng)特征為中高自然伽馬，中低補(bǔ)償聲波、中低電阻率、中高補(bǔ)償密度數(shù)值，其中自然伽馬數(shù)值在65～110 API之間，補(bǔ)償聲波數(shù)值在185～225 μs/m之間，補(bǔ)償密度數(shù)值在2.45～2.65 g/cm3之間(圖2d)。

上述4種主要巖性中，深電阻率數(shù)值變化范圍均較大，對于巖性區(qū)分不敏感，大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層主要巖石類型測井響應(yīng)特征如表1所示。

圖2 主要巖石類型砂巖儲層測井響應(yīng)特征

表1 主要巖石類型砂巖測井響應(yīng)特征統(tǒng)計

3 主要巖石類型識別方法

大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層巖石類型多樣，成分復(fù)雜，巖石類型不同，測井響應(yīng)特征也存在差別，現(xiàn)有的巖性識別方法不能滿足研究區(qū)域巖性精確識別要求。為了有效開展致密砂巖氣儲層巖性識別，在綜合巖心和測井資料基礎(chǔ)上優(yōu)選出對不同巖石類型特征變化比較敏感的測井曲線，包括自然伽馬、補(bǔ)償密度、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償聲波等，再采用逐步剝離法開展致密砂巖氣儲層巖石類型識別，通過“三步剝離法”實(shí)現(xiàn)了主要巖石類型的精確判別，具體方法如下。

第一步：利用自然伽馬相對值(DGR)與補(bǔ)償密度(DEN)曲線交會圖板識別出石英砂巖(圖3a)。從圖中可以看出，雖然石英砂巖儲層補(bǔ)償密度數(shù)值變化范圍較大，但自然伽馬相對值較小，一般小于0.35，且隨著自然伽馬相對值的變小，補(bǔ)償密度數(shù)值明顯增大，在圖板上與其他三類巖石存在明顯差別，由此可以有效確定石英砂巖識別標(biāo)準(zhǔn)：

DGR=(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin)

其中：DEN≤0.91DGR+2.682

式中：DGR為自然伽馬相對值，無量綱；GR為自然伽馬，API；GRmin為自然伽馬最小值，API；GRmax為自然伽馬最大值，API。

巖屑石英砂巖、巖屑砂巖與長石巖屑砂巖這三類巖石自然伽馬相對值主要分布在0.25～0.75之間，補(bǔ)償密度數(shù)值主要分布在2.4～2.65 g/cm3,故該圖板只能有效區(qū)分石英砂巖，不能區(qū)分其他三類巖石。

第二步：在有效區(qū)分石英砂巖的基礎(chǔ)上，針對巖屑石英砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑砂巖三類巖石進(jìn)行巖性識別敏感測井參數(shù)分析，選取補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波和補(bǔ)償中子計算得到M、N值。巖石的M、N值基本上不受孔隙度和孔隙內(nèi)流體的影響，可直接反映巖石的骨架特征[6]。通過進(jìn)一步分析，選取N值與補(bǔ)償密度曲線建立交會圖板進(jìn)行巖屑砂巖的有效識別(圖3b)，由此確定巖屑砂巖識別標(biāo)準(zhǔn)為：

①N≤0.55；

②N>0.55，DEN≤-1.5N+3.415。

其中：N=(CNf-CN)/(DEN-DENf)

式中：CNf為流體補(bǔ)償中子骨架值，%；CN為補(bǔ)償中子，%；DEN為補(bǔ)償密度，g/cm3；DENf為流體補(bǔ)償密度骨架值，g/cm3。

利用該圖板可以有效識別巖屑砂巖，但不能區(qū)分巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖，因此需結(jié)合這兩種巖石類型測井響應(yīng)特征建立相應(yīng)評價圖板。

第三步：針對巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖進(jìn)行敏感測井參數(shù)分析，建立N與M交會圖進(jìn)行有效識別，并確定相應(yīng)識別標(biāo)準(zhǔn)：

巖屑石英砂巖：M≤1.5N-1.05

長石巖屑砂巖：M>1.5N-1.05

其中：M=0.01 (ACf-AC)/(DEN-DENf)

式中：ACf為流體的補(bǔ)償聲波值，μs/m；AC為補(bǔ)償聲波值，μs/m。

圖3 大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層巖石類型測井識別圖板

4 應(yīng)用效果

通過上述“三步剝離法”可有效識別大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層4種主要巖石類型，基于逐步剝離確定的不同巖石類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，編制相應(yīng)的程序進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了致密砂巖氣儲層主要巖石類型精確連續(xù)識別。

圖4為利用該方法處理得到的大吉X井山西組巖性識別成果圖，從圖中可以看出， 2 171.5～2 180.0 m井段自然伽馬數(shù)值低，主要介于16～30 API之間，補(bǔ)償密度數(shù)值介于2.40～2.64 g/cm3之間，巖性識別結(jié)果為石英砂巖，2 154.0～2 156.0 m井段自然伽馬數(shù)值中等，介于65～75 API之間，電阻率數(shù)值相對較低，補(bǔ)償密度數(shù)值介于2.35～2.56 g/cm3之間，巖性識別結(jié)果為巖屑砂巖。巖性識別確定的巖石類型與巖心薄片分析結(jié)果具有很好的對應(yīng)關(guān)系，說明利用該方法可有效進(jìn)行儲層巖性識別，該方法的應(yīng)用為儲層物性參數(shù)的精確計算及儲層產(chǎn)能識別打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 大吉X井山西組巖性識別成果圖

5 結(jié) 論

(1)大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層主要巖石類型為石英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖、長石巖屑砂巖。結(jié)合不同巖石類型巖心及測井響應(yīng)特征，建立了三步剝離的巖性識別方法，計算結(jié)果與巖心分析結(jié)果一致性較好，有效提高了利用常規(guī)測井資料進(jìn)行巖性評價的精度。

(2)三步剝離的巖性識別方法在大寧地區(qū)致密砂巖氣儲層評價中的應(yīng)用，為目標(biāo)區(qū)塊巖性變化特征及儲層分布研究提供了重要的技術(shù)支撐，該方法對于國內(nèi)同類型儲層巖性識別具有很好的普適性。