英西湖相碳酸盐岩储层测井解释新方法

张审琴,李亚锋,郭正权,魏国,李贵梅,梁晓宇

(1.中国石油青海油田分公司,甘肃敦煌736200;2.斯伦贝谢中国公司,北京100016)

0 引 言

英西地区位于柴达木盆地西部英雄岭构造带西端,渐新世晚期(E32)是柴达木盆地最大湖泛期,英西地区该时期处于半深湖深湖沉积环境,沉积了一套巨厚湖相细粒碳酸盐岩,混杂陆源粉砂及泥质,具明显混积特征。根据沉积旋回,E32地层从上到下分为I-VI个油组[1]。通过近年来对柴西地区富油气凹陷的持续勘探发现,咸化条件下发育的一套甜点储层E32(古近系渐新统下干柴沟组)白云岩储层越来越受到重视[2]。

对于复杂油气储层,由于多种因素的相互干扰,不仅定量评价遇到困难,有时甚至定性识别流体性质也遇到挑战[3]。英西深层湖相碳酸盐岩储层异常复杂,其复杂性是多个因素的叠加形成。首先是湖相混积岩导致的多种矿物并存;其次由于后期构造作用导致裂缝发育,从而使孔隙类型多样,包括晶间孔、粒间孔、裂缝及溶蚀孔洞等,孔隙结构极其复杂;最后是逆冲断层发育引起的油水关系复杂。在定性评价阶段,储层识别与流体类型判识是测井需要完成的2个核心任务。为了有效解决面临的测井难题,在大量分析化验刻度测井解释结果的基础上,形成了以高分辨率电成像(FMI)、岩性扫描测井(Litho Scanner)为手段,并与常规测井资料相结合的精细处理解释与评价方法。该方法基本解决了英西地区深层湖相碳酸盐岩储层测井评价所面临的困难。

1 矿物成分与岩性

渐新世(E32)是柴达木盆地湖盆发育的鼎盛时期该时期英西位于古柴达木盆地的沉积中心,沉积厚度大。目的层段主要发育6种岩相,包括膏质泥岩泥质膏岩、(含膏)颗粒灰云岩、(含膏质)灰云岩、(含膏)云质泥岩、纹层灰岩、灰质泥岩。

常规储层中定量解释一般包含两三种矿物,比如砂泥岩剖面多为黏土和石英,碳酸盐岩剖面多为黏土、方解石、白云石等。由于不同矿物的自然伽马、密度、中子、声波等差异大(见表1),自然伽马与三孔隙度曲线结合求解两三种矿物是比较成熟的技术。但面对英西深层的复杂碳酸盐岩如此多的矿物成分,以自然伽马(伽马能谱)、三孔隙度测井(密度、中子及声波)为主的测井系列,无论采用什么处理技术和方法,都很难实现主要矿物成分的准确定量计算。矿物成分与岩性在测井综合评价中也是必不可少的一部分,地质研究人员也需要利用矿物剖面进行纵向沉积旋回、沉积相的推断,准确的岩性剖面是非常重要和必须的解释成果。

表1 主要矿物测井响应参数

*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

不同矿物具有其特定的元素组成,且分子式是已知的,变化范围很小。比如石英主要是硅与氧组成,方解石主要包含钙、碳与氧元素,白云石则为钙、镁、碳与氧等元素构成。由此可见只要获得了地层中主要的元素含量,就可以通过数学方法求解出主要的矿物组成。斯伦贝谢公司的次生伽马能谱测井(GST),元素俘获谱测井(ECS),岩性扫描测井(LithoScanner),都是基于元素测量反演地层的矿组成分。在实验室,地质学家用XRD仪器分析矿物,用XRF设备分析元素。XRF设备可以提供比岩性扫描更多的元素,然而作为井下电缆测井仪器的岩性扫描测量的主要元素完全满足复杂储层评价的需要。岩性扫描测井仪器所获得的元素精度超过以前所有测井仪器[4],测量元素精度提高主要得益于仪器在电子线路、中子源、探头晶体等方面取得的进展。岩性扫描采用了脉冲中子管中子源,与ECS的镅铍化学源相比,其能量更强,中子产额更大。掺铈的溴化镧探头伽马探头分辨率更高,受温度的影响更小等。岩性扫描测井通过对俘获伽马谱和非弹性散射伽马谱解谱得到的主要地层元素包括硅、钙、镁、铁、硫、钾、钠、碳等。元素种类多、探测精度高使岩性扫描测井仪在复杂岩性评价方面具有了无可比拟的优势。

2015年以来,英西深层目的层段除个别井因井况条件不允许外,全部采集了高精度模式的岩性扫描资料。在分析不同矿物特性基础之上,根据测井评价的需要及岩性扫描测量得到的元素含量和精度,以XRD全岩分析数据做为刻度,通过微调不同矿物的骨架参数使矿物含量与岩心分析结果相匹配,实现了从岩性扫描的元素到矿物的转换。图1为×1井岩性扫描计算结果与XRD全岩分析结果的对比图。测井计算的主要矿物成分包括黏土、砂(石英与长石)、方解石、白云石等与岩心分析结果符合程度高。图1中的3 860～3 865 m段白云石含量超过50%,局部达到75%,含少量的黏土和砂,硬石膏含量多小于20%,根据地质命名原则,定名为泥质白云岩。多井评价结果表明,英西深层湖相碳酸盐岩主要储层的岩性为含泥白云岩、泥质白云岩、含泥灰云岩和泥质灰云岩。

图1 ×1井测井计算矿物与全岩结果对比图

2 孔隙度计算方法

图2 Y203井测井计算孔隙度与岩心分析结果对比图

取心资料证实该套碳酸盐岩储层晶间孔发育,铸体薄片、扫描电镜均发现有机酸对晶间孔的溶蚀改造,但溶蚀程度弱,溶蚀规模小[5];研究区储层沉积环境为深湖相半深湖相,沉积物以静水细粒沉积为主,受物源供给、季节、气候等共同影响,岩石中水平纹层发育,纹层中发育层间缝;碳酸盐岩中脆性矿物含量高,受构造、生烃增压等应力作用易形成裂缝,受高矿化度地层水影响,早期裂缝被硬石膏全充填,晚期裂缝空间硬石膏半充填。因此,该套碳酸盐岩储层储集空间以晶间孔为主,层间缝、裂缝系统发育,对晶间孔中油气起沟通疏导作用[1]。白云石晶间孔是储层主要储集空间,其与白云石含量呈正相关。

孔隙的测井评价包括孔隙度大小计算和孔隙结构评价。其中孔隙结构的测井评价多数情况下依赖核磁共振测井,英西地区受高矿化度钻井液限制,核磁共振测井信噪比和精度满足不了孔隙结构评价的需要,研究中主要采用成像测井开展这部分的工作。计算孔隙度大小通常的做法是利用岩心分析孔隙度与三孔隙度曲线中的一条或几条回归关系式进行计算。其内在的机理是岩石组分单一,骨架参数基本稳定,测井曲线的变化主要受孔隙度变化驱动。对于英西复杂岩性常规的方法显然是不适用的,因为矿物成分类型多,且其骨架参数差异较大。以密度测井为例,石英长石的骨架密度多在2.65 g/cm3左右,白云石骨架密度为2.85 g/cm3。同样体积密度如果骨架类型不同,孔隙度显然是不一样的。

在英西地区,密度测井在非扩径段与岩心分析的孔隙度相关性最好。岩性扫描测井处理得到的精确矿物成分为利用密度曲线通过变骨架参数的方法计算孔隙度提供了非常有利的条件。结合岩性扫描结果与体积密度可以实现变骨架密度的孔隙度计算。如图2所示,测井计算的孔隙度与岩心分析结果一致性非常好。多井处理结果表明目的层段的孔隙度主要分布在4%～10%之间,其与白云石含量呈正相关,与黏土含量呈负相关,其他矿物含量与孔隙度无明确的关系。

3 地层结构与裂缝溶蚀

高分辨率电成像测井具有纵向分辨率高、井眼覆盖面积大的优势,在复杂储层的评价中其可发挥非常重要的作用。英西目的层受多期构造活动的影响,同时存在不同的沉积序列,在成像测井上表现为不同的图像结构。目的层可分为暗斑状结构、弱层状结构、强层状结构及块状结构。其中暗斑状结构主要为断层角砾、溶蚀发育带的典型特征,是4种结构中最为有利的构造特征。弱层状及强层状则主要是不同沉积特征的体现,水动力弱,静水缓慢沉积的泥岩层主要为强层状特征。硬石膏含量高或者致密白云质砂岩层则多为块状结构。

利用成像测井资料解释不同类型的裂缝已是非常成熟和普遍采用的技术。英西地区目的层主要发育高导缝、高阻缝、诱导缝,其中对储层起改善作用的主要为高导裂缝。为了定量评价裂缝、断层角砾孔洞及溶蚀孔洞,采用斯伦贝谢公司的Porotex次生孔隙定量表征技术。其主要原理是根据图像电导率绝对值及与背景电阻率的对比度,认为未充填的空间在图像上表现为绝对电导率高值,其与背景电导率的对比度大,通过选取合适的门槛值,采用人机交互的方式把裂缝、孔洞识别出来,并得到其面积绝对值。

Porotex次生孔隙定量表征技术与传统方法不同之处在于其可以把规则裂缝(正弦曲线拟合)、不规则裂缝(正弦曲线难以拟合)、溶蚀孔洞等引起的图像高导异常全部提取出来,并给予定量表征,从而能够更好地反映次生孔隙的发育情况。研究表明英西地区深层碳酸盐岩储层晶间孔尺寸小,多属微米到纳米级孔隙,只有通过后期的断裂、溶蚀作用孔隙结构方可得到改善。评价孔隙结构最好的测井技术是核磁共振,受限于高矿化度钻井液的核磁共振测井信噪比低,难以满足需求,因此,从Porotex技术得到的高导异常面孔率与面孔面积是表征孔隙结构的主要手段。如图3所示,在断层角砾段裂缝与孔洞发育,各种次生孔隙空间绝对孔隙度可达到0.5%,其对储层渗透性的贡献是非常大的,通常在类似储层段射孔可获得高产。

图3 Porotex裂缝、孔洞识别结果

4 流体识别方法

流体类型判识是测井需要解决的核心问题,在现代地球物理测井技术条件下,对于一般油气储层可以相当精确地识别流体性质和进行评价。但是,对于复杂油气储层,由于多种因素的相互干扰,不仅定量评价遇到困难,有时甚至识别流体性质也遇到挑战[3]。英西地区碳酸盐岩储层多种孔隙类型并存,总孔隙度偏低,电阻率对流体的响应偏弱,常规方法区分油水异常困难。

岩性扫描测井除了测量地层中的主要元素外,同时根据伽马的衰减得到了热中子宏观俘获截面曲线。储层中除黏土外的主要矿物成分热中子宏观俘获截面的骨架值多在8～12 c.u.之间,油的骨架值为2 c.u.左右,而英西地区目的层矿化度接近30×104mg/L的高矿化度盐水热中子宏观俘获截面可高达120 c.u.,这使得利用岩性扫描带测的热中子宏观俘获截面区分油水成为了可能。模拟结果显示当孔隙度为5%时,纯水层与50%含水饱和度的油层的Σ差值在2～3 c.u.(1)非法定计量单位,1 c.u.=10-3 cm-1,下同。据此利用测井解释的矿物剖面与孔隙度计算了假定储层中为高矿化度地层水情况下的热中子宏观俘获截面值,该值与实测值做比较,如果为纯水层,两者应该相等,如果计算值明显大于实测值,说明地层中含油。由此得到了热中子宏观俘获截面含油指示。图4为应用实例。3 920～3 927 m层段为含泥白云岩,孔隙度6%～8%,发育少量高导裂缝,热中子宏观俘获截面含油指示好,气测录井处于基值附近,无明显异常,对该层进行射孔压裂后获得了商业油流,从而证实了该方法的有效性。

为了识别油水,研究区内少数井进行了介电扫描测井。介电扫描测井利用油气和水的介电常数差异大的特性区分流体类型具有独特的优势[6]。20世纪80年代引入的介电测量技术因测量的限制、精度一般及质量控制缺乏,未能广泛应用。新一代的介电扫描测井仪克服了这些局限性,可用于精确地层评价。其主要原理是根据不同频率的介电常数利用模型反演得到地层中水的孔隙度,然后与外部输入的总孔隙度做比较,两者的差值则为含油的体积,由此得到储层的含油饱和度。如图5所示,3 445～3 450 m段为泥质灰云岩,总孔隙度为7%,发育高导裂缝,介电扫描测井得到的含油饱和度为30%～40%,据此解释为油水同层。对该层进行射孔压裂,初期日产油1～20 m3,水5～10 m3。

图4 热中子俘获截面识别流体实例

图5 介电扫描测井解释成果实例

5 饱和度计算

有多种途径可以计算流体饱和度,比较直接的如密闭取心分析法,还有理论模型计算法、经验公式法以及毛细管压力资料分析法等。尽管英西地区碳酸盐岩储层的孔隙结构复杂,以电阻率、孔隙度为基础的阿尔奇公式仍是计算饱和度的主要方法。由于储集空间主要为晶间孔,同时普遍发育高导裂缝,因此需要考虑裂缝对电阻率的影响。文中采用双重介质模型变胶结指数的方法,表示为

(1)

式中,φf为裂缝孔隙度,小数;φb为基质孔隙度,小数;mb为基质部分的地层胶结指数, 根据岩电实验数据得到,取1.865;m为总的胶结指数;υ为裂缝孔隙度在总有效孔隙度中所占比例,小数;φ为总有效孔隙度,小数。

目的层段的地层水矿化度高达几十万mg/L,在这种条件下,黏土对导电的贡献很小,可以忽略。因此由阿尔奇公式可计算出含水饱和度。

图6是采用变胶结指数计算的饱和度与固定胶结指数对比图。图6中右数第2道中红色充填部分为固定胶结指数计算的含水饱和度,绿色充填部分则是考虑裂缝的变胶结指数计算饱和度与固定胶结指数计算饱和度的差异。裂缝越发育,变胶结指数得到的m值越小,2种方法计算的结果差异越大,裂缝不发育时两者计算结果相同。

图6 双孔介质模型计算饱和度结果

6 结论与建议

(1)英西地区深层碳酸盐岩储层测井面临的挑战巨大,采用以岩性扫描、高分辨率电成像及常规测井相结合的测井系列十分必要。

(2)岩性扫描测井在矿物成分定量评价、岩性定名、孔隙度计算及油水识别3个方面都发挥了无可替代的作用。热中子宏观俘获截面在高矿化度地层水条件下识别流体是对岩性扫描测井的深度应用及拓展。

(3)文中采用的技术和方法对类似储层的测井评价具有推广和借鉴意义。建议在合适的井眼环境下采集核磁共振测井资料,为孔隙结构评价提供资料,同时加大介电扫描测井的力度,为油水识别提供更多非电法的手段。