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層應(yīng)用效果較差[14]。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算復(fù)雜儲層飽和度,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)確確定儲層電阻率是利用阿爾奇模型計(jì)算飽和度的關(guān)鍵。儲層鈣質(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)含量與儲層電阻率近似呈指數(shù)關(guān)系,利用含鈣質(zhì)儲層與純砂巖儲層電阻率的比值,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)對儲層電阻率的影響;2006年諸葛月英等[18]利用鈣質(zhì)含量與儲層電阻率測井響應(yīng)的交會圖,得到鈣質(zhì)含量與儲層電阻率的函數(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)確反映儲層含油性,儲層測井飽和度評價(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 致密油儲層特征

本文選取28塊可反映公山廟油藏涼高山組儲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),明確儲層巖性、物性和孔隙結(jié)構(gòu)特征,為后續(xù)含鈣質(zhì)儲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)含量的增加儲層物性變差(見圖3)。

圖3 孔隙度、滲透率與鈣質(zhì)含量交會圖

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)果明確了致密油儲層的基本特征,為進(jìn)一步開展儲層飽和度評價(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 致密油儲層電阻率校正

當(dāng)儲層不含鈣質(zhì)時(shí),深電阻率測井響應(yīng)主要反映儲層的物性與含油性,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)的儲層,定義其深電阻率為Rt,Ca;選擇與含鈣質(zhì)儲層物性相似條件下的不含鈣質(zhì)儲層,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號層(2 546～2 550 m)、12號層(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。孔隙度為2.82%～11.05%,滲透率為0.011～1.681 mD,為典型的致密油儲層。儲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%。