LS油田水平井地层评价方法研究

孙建孟, 张鹏云, 冯春珍, 刘行军

(1.中国石油大学地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580; 2.中国石油集团有限公司长庆事业部, 陕西 西安 710201)

0 引 言

水平井钻井对常规和非常规油气开采能降低勘探开发成本,提高单井产量和采收率等[1-2]。然而中国水平井测井系列仍非常简单,给测井地层评价带来极大挑战。前人的研究主要集中在测井仪器响应的理论模拟、各向异性的实验研究[3]、解释软件开发[4]及井眼轨迹与油藏接触关系等方面[5-6],讨论如何把水平井和直井统一起来进行水平井测井解释鲜有报道。

LS油田水平井段1 000 m以上,测井系列以声波感应测井或声波侧向测井为主,给定量评价造成极大的困难。本文提出以直井为基准的校正思路,通过各向异性校正,把水平井和直井统一起来实现水平井借鉴直井的思路完成水平井定量评价与流体识别。

1 水平井测井曲线校正

受地层各向异性的影响,在同一地层中水平井测井响应与直井有较大差异,根据声波时差计算的孔隙度与地层真值存在偏差,再加上电阻率各向异性引入的误差,最终计算的含水饱和度偏差更大[7]。在直井中建立的储层参数计算模型通常是由取心的直井建立并刻度,由于测井条件已经改变,已建立的模型不能直接应用到水平井地层评价中,需要首先将水平井测井资料与直井对标。

LS油田目的层为低孔隙度低渗透率储层,构造简单,砂体平均厚度为17 m,水平井测井系列简单,包括自然电位、自然伽马、声波时差和深浅电阻率测井。针对该油田测井系列特点,本文主要考虑声波时差和电阻率曲线的校正。

1.1 水平井声波时差曲线校正

1.1.1 岩石物理实验法

中国研究水平井声波各向异性最直接的方法是岩心分析实验。表1为研究区13块饱和岩样的声波各向异性实验结果,表1中第2列为垂直地层面的纵波时差值,第3列为平行于地层面的纵波时差值,垂向纵波时差大于水平纵波时差,二者差值在3.6～18.1 μs/m,平均为12.3 μs/m,声波各向异性系数平均为1.060。声波各向异性系数

γ=Δtv/Δth=vh/vv

(1)

式中,Δtv为垂向纵波时差;Δth为水平纵波时差;vh为水平纵波速度;vv为垂向纵波速度。

表1 岩心声波各向异性实验结果

通过岩石物理实验法得到研究区地层声波各向异性系数,根据式(2)完成对水平井声波时差曲线的校正

Δtc=γ·Δt

(2)

式中,Δt为测量声波时差值;Δtc为校正声波时差值。

1.1.2 统计平移法

由于地层各向异性的影响,水平井中测量的声波时差值较直井中偏小。可以采用统计对比的方法对研究区水平井进行声波时差校正。首先,在水平井的控制井中选取与水平井目的层相对应的层段分别作出水平井及其控制井声波时差频率直方图,得到各自峰值,然后对水平井时差曲线进行平移校正,校正量为二者峰值之差。

图1为研究区H4水平井及其控制井相同层段声波时差直方图。图1中H4井峰值为216.346 μs/m,2口控制井峰值平均为225.177 μs/m,该水平井声波时差校正量为8.831 μs/m,计算得到各向异性系数为1.041。

图1 H4井及其控制井声波时差直方图

应用上述方法对研究区9口水平井进行声波时差校正,分别计算得到声波各向异性系数γ,并与实验法进行对比(统计结果见表2)。由表2,平移法得到的各向异性系数与实验法很接近,平均相对误差为0.860%。在缺少声波各向异性实验的情况下,统计平移法不失为一种简单有效的水平井声波时差校正方法。需要特别注意,用作直方图的声波时差数据必须来自同一目的层,具体处理时应反复对比,仔细选取。

表2 水平井声波时差校正统计

1.2 水平井电阻率曲线校正

1.2.1 岩石物理实验法

对研究区电阻率曲线的校正首先采用岩石物理实验的方法,表3为研究区16块岩样的岩电实验结果。水平电阻率为平行于地层面的测量值,垂向电阻率为垂直于地层面的测量值,岩样的垂向电阻率均大于水平电阻率,各向异性系数λ通过式(3)得到

λ=Rv/Rh

(3)

式中,Rv为垂向电阻率;Rh为水平电阻率。由表3可见,同一岩样垂向电阻率均大于水平电阻率值即水平井电阻率测量值较直井偏大,各向异性系数1.056～1.153,平均1.098。

将地层电阻率各向异性系数连同井斜曲线代入式(4)完成电阻率各向异性校正

Rh=Ra1+(λ2-1)cos2θλ

(4)

式中,Ra为水平井电阻率测量值;θ为仪器轴线与垂直层界面方向的夹角,因研究区地层为平缓单倾构造,倾角为0.5°,所以,将井斜角作为θ代入式(4)中。

表3 岩心电阻率各向异性实验结果

1.2.2 统计平移法

与声波时差曲线校正类似,对水平井电阻率曲线的校正也可采用统计平移的方法。类似地在水平井的控制井中选取与水平井目的层相对应的层段,分别作出水平井及其控制井电阻率频率直方图,得到各自峰值。与声波时差不同,由于电阻率的非线性特征,校正系数为控制井与水平井电阻率峰值之比。

图2为H4井及其控制井相同层段电阻率直方图。图2中H4井峰值为68.226 Ω·m,2口控制井峰值平均为48.289 Ω·m,该水平井电阻率校正系数为0.708,各向异性系数为1.189,连同井斜曲线代入式(4)中即可对水平井电阻率曲线实施校正。

图2 H4井及其控制井电阻率直方图

1.2.3 电阻率重构法

水平井中岩性由根据自然伽马计算的泥质含量反映,物性由根据校正后的声波时差计算的孔隙度反映,井眼轨迹穿过的目的层一般属同一套地层,有相同的水性和相似的含油气性。受阿尔奇公式的基本原理启发,结合LS油田水平井测井系列,提出电阻率重构法对水平井电阻率曲线进行校正。

电阻率重构法的步骤:①在导眼井或控制井中选取与水平井目的层同一层位的井段,由随钻测井资料和储层参数计算模型确定目的层泥质含量和孔隙度值;②建立目的层电阻率与泥质含量以及孔隙度的相关关系;③在水平井中利用构建的模型重构水平井电阻率曲线。孔隙度应由校正后的声波时差计算得到。在直井中选用随钻测井资料构建目的层电阻率与泥质含量和孔隙度的关系,可以忽略泥浆侵入的影响,较普通电缆测井资料更能准确反映地层特性。从研究区9口井的电阻率重构关系式可知,目的层电阻率随泥质含量的增加而减小,随孔隙度值的增大而增大(见表4),将关系式分别应用到各水平井中即可得到1条重构电阻率曲线,完成水平井电阻率曲线校正。

表4 重构电阻率拟合公式统计

分别计算统计平移法和电阻率重构法的各向异性系数并与岩石物理实验结果进行比较,统计平移法各向异性系数比岩石物理实验结果偏大,相对误差为1.92%～16.63%,平均相对误差为5.73%;电阻率重构法与实验法相比相对误差为0.16%～8.08%,平均相对误差0.91%(见表5)。2种方法计算的电阻率各向异性系数较实验法均有一定误差,即不能将各向异性引入的误差完全校正掉,相比较而言电阻率重构法更接近实验结果。

实际地层评价过程应根据所掌握资料选择合适的校正方法,如有岩石各向异性实验分析结果,首选实验法对水平井电阻率曲线进行校正;如无实验分析资料则通过电阻率重构法实现,假如既无各向异性实验资料,控制井中也缺少随钻测井资料则选用统计平移法。由于水平井电阻率测井响应的复杂性,它的校正比声波时差曲线难度更大。为了提高校正结果的准确度,应在充分分析和比较研究区直井和水平井测井响应特征的基础上选用合适的校正方法,积累解释经验,为后续储层参数计算做准备。

表5 水平井电阻率校正统计

2 水平井储层参数计算

通过校正研究,把水平井的声、电测井校正到直井测井,由此可借用直井的评价模型实现定量评价。

2.1 孔隙度计算

依据研究区探井、评价井取心分析资料,选取目的层22口直井73个层点进行孔隙度分析,分析结果表明,声波时差与岩心分析孔隙度都有良好的相关性(见图3),据此建立储层孔隙度计算模型

φ=0.1646 Δt-28.619R2=0.6541

(5)

式中,φ为储层孔隙度值,%;Δt为声波时差值,μs/m。

图3 声波时差与孔隙度交会图

由1.1节的分析,受地层各向异性的影响,垂直于地层面的声波速度会小于平行于地层面的声波速度,即水平井中测量的声波时差偏小。利用岩石物理实验法或统计平移法对水平井声波时差曲线进行校正后才是对地层信息的真实反映,才能借用在直井中建立的孔隙度解释模型

φc=0.1646 Δtc-28.619

(6)

式中,Δtc为校正后的声波时差值,μs/m。

2.2 渗透率计算

根据砂岩的沉积特征,同一地层在平面上岩石成分和结构基本相同,在不同井中有相同或相似的测井响应特征;纵向上不同沉积时期的地层岩石成分和结构会发生变化,出现砂泥互层或有规律的韵律变化,造成油藏垂向上非均质性要强于水平方向,表现为垂向渗透率低于水平渗透率[8]。对于同一样品,其水平渗透率与垂向渗透率的差别正是该样品点上渗透能力在不同方向上变化的反映。地层垂向渗透率对水平井产能的影响要比对直井的影响大,是影响水平井产能的主要因素。实验分析表明,研究区岩心总体表现为水平渗透率大、垂向渗透率小的特点。如果有高角度缝的存在,岩心垂向渗透率与水平渗透率的比值将显著提高。

研究区储层物性分析结果表明,岩心分析水平方向渗透率与孔隙度具有较好的相关性(见图4),据此建立了水平渗透率的测井解释模型

Kh=0.0011 e0.4831φcR2=0.8907

(7)

式中,Kh为水平方向渗透率,mD*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;φc为利用校正后的水平井声波时差计算得到的孔隙度。

图4 孔隙度与水平渗透率交会图

分别测量岩心水平和垂直方向渗透率,结果表明,水平渗透率明显大于垂向渗透率,而且水平渗透率越大,垂向渗透率与其比值越小(见图5),在水平渗透率计算的基础上可建立垂向渗透率测井解释模型

(8)

式中,Kv为垂直方向渗透率。

图5 水平渗透率与垂向渗透率交会图

2.3 饱和度计算

地层含水饱和度一般由阿尔奇公式得到

Sw=nabRwφmRt

(9)

式中,a、b、m、n是与地区相关的参数,可通过岩电实验得到;Rw为地层水电阻率,可以通过地层水分析资料等方法得到。在水平井中利用阿尔奇公式计算饱和度与直井不同,水平井中一般没有岩心分析资料,只能借用前期直井的岩电实验分析结果,但在直井岩电实验中得到的a、b、m、n是对平行于地层面的岩样测量分析的结果,与水平井的测量方式不符,必须对水平井测井资料进行相应校正后方可代入公式中求取地层含水饱和度,否则将会存在一定误差,影响综合评价结果。因此,在前期岩电实验和水平井测井曲线校正的基础上建立了水平井地层含水饱和度解释模型

图6 地层因数与孔隙度的关系及电阻增大率和含水饱和度的关系

式中,Rtc为校正后的电阻率曲线值;φc为由校正后的声波时差值计算得到的地层孔隙度。根据水平岩样岩电实验(见图6)得到研究区各参数分别为a=1.922;m=1.524;b=1.121;n=1.951。由区域水分析资料,研究区地层水电阻率Rw约为0.095 Ω·m。

至此,先后建立了水平井中孔隙度、水平渗透率、垂向渗透率和含水饱和度的测井解释模型。水平井储层参数计算的总体思路是先对水平井测井资料进行相应校正,然后借用前期直井中建立的模型求取各储层参数。与直井相比,水平井储层参数计算有以下特点:由声波时差计算孔隙度需要对声波时差曲线进行各向异性校正;由于渗透率存在各向异性且垂向渗透率对水平井的生产能力有较大影响,因此需要分别计算2个方向的渗透率,其中水平渗透率可由孔隙度与它的相关关系计算得到,垂向渗透率则以水平渗透率的计算为前提,根据二者相关关系计算得到;对于水平井地层含水饱和度的计算应注意,由于岩电实验通常是平行于地层面的岩样测量结果,与水平井测量方式不同,因此水平井测井资料需进行校正才能代入阿尔奇公式中求取含水饱和度(见表6)。

表6 直井和水平井储层参数计算比较

3 水平井流体性质识别

水平井部署区域控制井的油水产出状况与水平井中油水分布密切相关。基于以上认识,在水平井测井曲线校正和储层参数计算的基础上,将在直井中建立的流体性质识别图版推广到水平井中进行油水层识别。对研究区44口直井已试油储层进行取值、分析和计算,作出了声波时差—电阻率(Δt-Rt)交会图(见图7),图7中Δt>223 μs/m的区域为油层,Δt<217 μs/m的区域为干层,底部Rt<25 Ω·m的区域为水层,利用该图版能够较好地把油层、差油层、干层、水层识别出来。

以H4水平井为例,图7中黑色数据点为未进行声波和电阻率校正时在油水识别图版上分布情况,红色数据点为校正后的流体性质识别结果,校正后数据点普遍向右侧油层区移动,电阻率值稍有减小。图7说明了对水平井测井曲线进行校正是整个测井解释流程不可缺少的重要一步,否则将导致许多层段发生误判,影响综合评价结论和后续生产。

图7 H4井流体性质识别对比

采用上述方法对研究区9口水平井进行流体性质识别并作了统计(见表7),分别计算校正前后油层段个数以及油层段长度占水平段长度的百分比,用平均单段产量对其进行验证。这是因为研究区水平井目的层属同一层位,经分段压裂后每一段裂缝数量和规模基本相当,产量相差不大,所以采用平均单段产量表征水平井的产能水平。由表7可见,校正前油层占比和平均单段产量相关性很差,解释结论符合率低,校正后二者有较好的一致性,表明本文提出的水平井地层评价方法可行。

表7 流体性质识别统计

图8 H4井综合解释成果图

4 应用效果及实例分析

为了检验方法和模型的实用性,利用上述方法编制程序对研究区H4井进行了处理,处理成果图见图8。图8中第2道为原始声波时差曲线、岩石物理实验法和统计平移法校正后的声波时差曲线,校正后声波时差值增大。第3道为原始深侧向电阻率曲线及采用本文3种方法校正后的结果,校正后电阻率值总体上均减小,其中统计平移法校正量较大。第4道为原始孔隙度曲线和由实验法校正后的声波时差计算的孔隙度曲线,可以看到孔隙度值平均增大2.1%。第5道中水平渗透率明显大于垂向渗透率。综合比较分析,第73、75、77号层段解释结论由差油层改为油层。采用相同评价方法和流程对研究区9口水平井进行处理,与原结论相比新解释结果与各井产能水平(因压裂后每段裂缝条数和规模基本相当,产量相差不大,故采用平均单段产量代表水平井产能水平)一致性较好,表明本文提出的水平井地层评价方法可行。

表8 校正前后解释结论对比表

5 结 论

(1) 与直井相比水平井测井环境复杂,受到多种因素的影响,特别是各向异性对测量结果的影响显著,水平井中声波时差测量值较直井小,而视电阻率值则较大,常规直井地层评价模型不能直接应用于水平井,必须对水平井声波时差和电阻率曲线进行相应校正。

(2) 采用岩石物理实验法和统计平移法对水平井声波时差曲线进行校正,2种方法结果一致性好,误差小于1%;由于电阻率测井响应的复杂性以及测井系列之间的差异,水平井电阻率曲线的校正难度较大,本文采用岩石物理实验法、统计平移法和电阻率重构法实现,其中实验法和电阻率重构法一致性较好。

(3) 在水平井测井曲线校正的前提下,提出以直井为基准的思路,借用直井地层评价模型计算水平井储层参数,厘清了水平井储层参数计算的难题;在测井曲线校正和储层参数计算的基础上,进一步借用直井中建立的流体性质判别图版进行水平井油水识别,提高了水平井测井解释精度。

(4) 本文提出的水平井地层评价方法简便有效,实际应用效果较好,充分利用了直井岩心资料和测井资料,提高了水平井测井解释精度。

参考文献:

[1] 周灿灿, 王昌学. 水平井测井解释技术综述 [J]. 地球物理学进展, 2006, 21(1): 152-160.

[2] 赵军, 海川. 水平井测井解释中井眼轨迹与油藏关系分析技术 [J]. 测井技术, 2004, 28(2): 145-147.

[3] 赵江青, 王成龙, 叶青竹. 岩石各向异性在水平井测井解释中的应用 [J]. 测井技术, 1998, 22(1): 36-41.

[4] 李鹏翔, 徐姣莲. 水平井测井解释成果显示图件的绘制 [J]. 石油天然气学报, 1994(增刊1): 11-16.

[5] 李鹏翔, 林静, 刘思贤. 水平井测井解释研究的发展 [J]. 石油天然气学报, 1999, 21(2): 23-26.

[6] 汪中浩, 易觉非, 赵乾富, 等. 水平井测井资料地质解释应用 [J]. 石油天然气学报, 2004, 26(3): 70-72.

[7] Passey Q R, Yin H, Rendeiro C M, et al. Overview of High-angle and Horizontal Well Formation Evaluation: Issues, Learnings, and Future Directions [C]∥SPWLA 46th Annual Logging Symposium, 2005.

[8] 姜天良, 汪嘉月, 陈坚, 等. 江苏油田砂岩油藏水平与垂向渗透率关系特征研究 [C]∥中国石油学会第四届青年学术年会, 2005: 128-130.