胜利油区疏松砂岩低电阻率气层测井评价技术

2015-05-09黄质昌武清钊黄新平石立新杜蕊

测井技术 2015年4期

黄质昌, 武清钊, 黄新平, 石立新, 杜蕊

(1.中石化胜利石油工程有限公司测井公司, 山东东营 257096; 2.中石化石油勘探开发研究院, 北京 100083)

0 引言

胜利油区疏松砂岩地层存在具有工业开采价值的低电阻率气层,其特点是电阻率或电阻率增大系数低、三孔隙度测井含气特征不明显,储层评价过程中容易造成漏解释或解释结论不准确,是储层测井评价工作的一个难点。由于地层松软,偶极子声波测井不能有效激发地层的横波信号,如何在疏松砂岩地层井孔中获取准确的横波速度尚需进一步研究[1];一些在固结砂岩中行之有效的气层识别方法,如纵横波差值法[2]、纵横波时差法[3]等不适用于疏松砂岩地层的含气性识别,对疏松砂岩低电阻率气层的评价造成了技术性制约。针对以上存在的问题,本文以常规测井资料、试气数据为基础,开展综合应用研究工作,以期能探索、总结出一种行之有效的疏松砂岩低电阻率气层评价技术方法,提高低电阻率气层评价的准确性和有效性。

1 低电阻率气层成因分析

1.1 黏土矿物的影响

陈召佑等用大牛地气田高电阻率气层和低电阻率气层的岩心实验分析数据进行对比,发现低电阻率气层中黏土体积含量明显高于高电阻率气层[4];何胜林等通过对东方1-1气田低电阻率气层岩心X衍射数据的统计分析,得到低电阻率气层的黏土矿物主要为蒙脱石和伊利石,两者含量之和占到黏土总量的60%[5]。他们的研究结果表明黏土矿物对低电阻率气层的形成有重要的影响。

胜利油区疏松砂岩低电阻率气层岩性测井响应的显著特点是自然伽马数值较高、自然电位异常幅度小,指示储层富含泥质。朱家俊通过对胜利油区浅层疏松砂岩低电阻率油气层的研究表明[6],部分储层的黏土含量高达23.3%,由于地层埋藏较浅,黏土中的蒙脱石尚未转化,其含量占到黏土总量的96.3%,蒙脱石在黏土矿物中占绝对主导地位。疏松砂岩富含蜂窝状蒙脱石矿物,其阳离子交换能力在各种黏土矿物中最大,大大增强黏土的附加导电能力,从而大幅度地降低油气层电阻率。图1为胜利油区黏土矿物类型、黏土阳离子交换能力与地层深度的关系图[6]。随着地层深度从浅到深的变化,黏土矿物从蒙脱石不断向伊蒙混层、伊利石、高岭土转化,同时黏土的阳离子交换能力从大到小不断变化。图2为气层电阻率与黏土含量关系图。图2中电阻率与黏土含量呈幂数负相关,黏土含量0～7%,电阻率随黏土含量的增加急速下降;黏土含量7%～23%电阻率随黏土含量的增加缓慢降低。上述分析表明,储层富含以蒙脱石为主要黏土矿物的泥质是低电阻率气层形成的主要原因。

图1 黏土类型、阳离子交换能力与地层深度关系图

图2 气层电阻率与黏土含量关系图

1.2 地层水矿化度的影响

图3为含水泥质砂岩黏土阳离子交换附加导电原理图。黏土在泥质砂岩中的附加电导率为Ce=B×QV/F*,地层水矿化度对黏土附加导电性的影响具体体现在它对交换阳离子当量电导率B的影响,在一定的地层温度条件下,随着矿化度的增加,B不断增大,矿化度低时B的变化率大,当矿化度增加到某一临界点(E点)时,B达到一个极值Bmax,这时矿化度继续增大B不再变化,Bmax由地层温度决定。含水泥质砂岩电导率C0与地层水电导率Cw的关系可分为非线性区和线性区:E点以前为非线性区,即地层水矿化度较低的区域,随着矿化度的增加C0急剧增大,变化率非常大,表明交换阳离子的附加导电作用非常强烈,这时矿化度的增大对高电阻率地层的减阻作用将很明显;E点及其以后为线性区,Cw进入地层水矿化度较高的区域,C0的变化率趋于稳定且数值变小,随着矿化度的增大C0以较小的斜率稳定升高。胜利油田用泥质砂岩通过实验室测量得到E点的矿化度数据:溶液为NaCl,温度100 ℃,E点的矿化度约为21 000 mg/L。胜利油区疏松砂岩气层地层水矿化度分布范围为1 500～8 000 mg/L,地层水较淡,即处于E点以前的非线性区域,黏土的附加导电作用非常强烈,纯砂岩气层电阻率高值,泥质砂岩气层电阻率低值(或低气/水层电阻率对比度)。总结以上的分析,地层水矿化度处于非线性区域导致黏土的附加导电作用增强是低电阻率气层形成的次要因素。

图3 含水泥质砂岩黏土阳离子交换附加导电原理图

2 低电阻率气层评价技术

2.1 含水饱和度计算方法

低电阻率气层富含蒙脱石矿物,其强烈的阳离子附加导电作用大大降低了气层电阻率测量数值,这对气层含水饱和度计算造成了较大的误差。通过不同含水饱和度模型计算结果的分析对比,以黏土阳离子交换导电机理为理论基础的Waxman-Smits含水饱和度模型(W-S模型)适用于疏松砂岩低电阻率气层含水饱和度计算。W-S模型及其相关参数的计算公式[7]为

(1)

B=Bmax×(1-0.83e-0.5Cw)

(2)

Bmax=-1.2879+0.2205T-0.0004T2

(3)

(4)

式中,Ct、Cw分别为含油气岩石和地层水电导率,S/m;Sw为岩石含水饱和度,小数;F*、n*分别为总孔隙度与纯砂岩相等的泥质砂岩地层因素和饱和度指数,无量纲,在Cw足够大时可用泥质砂岩直接测量求取[8];B、Bmax分别为交换阳离子的当量电导率和交换阳离子的最大当量电导率,S·cm3·mmol-1·m-1;T为地层温度, ℃;QV为泥质砂岩单位孔隙体积的阳离子交换容量,mmol/cm3;CECcl为泥质砂岩所含黏土矿物的平均阳离子交换容量,mmol·100-1·g-1,由黏土类型决定;Vcl,dry为岩石的干黏土体积,%;ρcl,dry为干黏土平均密度,g/cm3;φt为泥质砂岩总孔隙度,%。式(4)中相关参数的求取使用李山生等提出的方法进行计算[7]。

2.2 孔隙度测井含气信息提取

天然气的密度远小于油和水的密度,气层的密度测井值低于地层完全含水时的地层密度;天然气的含烃指数远低于1,气层在中子测井曲线中常存在挖掘效应,其中子测井值比它完全含水时明显偏小;天然气声波传播速度慢,含气地层纵波时差增大,经常出现周波跳跃现象,气层声波测井纵波时差大于其完全含水时的纵波时差[9]。可以利用数学方法提取中子、密度、声波测井所蕴含的含气信息。三孔隙度计算公式[9]为

(5)

(6)

(7)

式中,φna、φda、φsa分别为计算的地层中子、密度、声波测井孔隙度,小数;ψl、ψma、ψsh分别为地层测井、岩石骨架、泥质中子孔隙度值,小数;ρb、ρma、ρsh分别为地层测井、岩石骨架、泥质密度值,g/cm3;Cp为地层压实系数,无量纲;Δt、Δtma、Δtsh分别为地层测井、岩石骨架、泥质声波时差值,μs/ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同。

利用φna、φda、φsa分别计算三孔隙度差值、比值,提取地层含气信息,用以识别含气地层。三孔隙度差值计算公式

Ga=φda+φsa-2φna+1

(8)

三孔隙度比值计算公式

(9)

式(8)、式(9)中Ga、Gr分别为三孔隙度差值和比值,无量纲,没有明确的物理或地质含义,为利用三孔隙度测井在含气地层具有不同响应特性而设计的2个含气指示数学参数,它们对地层的含气信息起放大作用,但Gr对地层含气信息的放大作用比Ga大。式(8)中加1是为了便于以后气层判别指标Ig的计算,也为了使Ga、Gr、Ig的3个参数在水层中同时接近于1。当地层含气时,Ga>1、Gr>1;当地层为水层(油层)时,Ga≈1、Gr≈1。三孔隙度的计算进行过岩性和泥质校正,故Ga、Gr不受岩性和泥质的影响,能较好地反映地层含气性的变化。图4为利用测试数据制作的Ga—Gr交会图,气层、水层2类不同性质的样品点在图4中能被较好地区分,说明指标Ga、Gr在指示地层的含气性方面具有良好的敏感性。

图4 识别气、水层的Ga—Gr交会图

2.3 气层判别指标与分级判别规则

参数Ga、Gr能指示含气层与水层(油层)的区别,但未能对含气层的级别(气层、气水同层)进一步细分。事实上Ga、Gr、Sw这3个参数在一定程度上都能反映储层含气(油)性的变化,但由于低电阻率气层在孔隙度、电阻率曲线上气层响应特征较弱,因而这3个参数独立反映的含气信息也相对较弱。针对电阻率阻气层的这些特点,在研究过程中提出把3个参数组合起来形成一个气层判别指标,在含气层使原来3个参数分散、较弱的含气特征产生叠加放大效应(远大于1),而在水层判别指标则不被放大(保持在1左右),以提高低电阻率气层识别灵敏度,利于低电阻率气层的识别;再利用区块试气数据与气层判别指标相结合,分别统计出气层、气水同层判别指标的下限值,实现应用气层判别指标对储层含气级别计算机数据处理自动判别,提高低电阻率气层评价能力和准确性。气层判别指标式为

Ig=Ga×Gr/Sw

(10)

式(10)在水层的计算结果为Ig≈1;在含气层则Ig≫1,实现对储层含气信息的有效放大,达到有效识别低电阻率气层的目的。若利用区块试气数据统计得到气层、气水同层的判别指标下限值分别为Ig1和Ig2,则可利用表1对储层的含气性进行分级评价。

表1 储层含气性分级判别规则

3 应用效果

疏松砂岩低电阻率气层评价技术应用于胜利油区QD油田和LHK油田共19口井的储层测井评价,在识别评价低电阻率气层方面取得良好效果。

图5 Q5井测井数据处理成果图

Q5井为QD油田第5区块的1口预探井(见图5),油气勘探目的层为馆陶组疏松砂岩地层,储层岩性以粉砂、泥质粉砂岩为主,平均孔隙度30.5%、平均渗透率1 100×10-3μm2,地层水矿化度3 540 mg/L、水型为NaHCO3。图5中1号层自然伽马数值较高(约78 API),指示储层泥质含量重;中子、密度测井基本没有含气响应,声波时差有所增大;深感应电阻率7.5 Ω·m左右、邻近水层电阻率5.7 Ω·m,测井曲线气层响应不明显。利用低电阻率气层评价技术进行数据处理的成果图显示该层三孔隙度差值、比值有含气现象,气层判别指标进入气层区域,解释为气层。该层试气日产气19 713 m3、不含水,解释结论与试气结论相符合。

LX7井为LHK油田第7区块的1口评价井(见图6),油气勘探目的层为馆陶组疏松砂岩地层,储层岩性以粉砂、泥质粉砂岩为主。该井为定向斜井,最大井斜角46.96 °,地层水矿化度2 776 mg/L、水型为NaHCO3。图6中2号层自然伽马数值较高(约80 API)、自然电位无异常幅度,指示储层泥质含量较高;中子、密度测井基本没有含气响应,声波时差有增大现象;深侧向电阻率4～6.8 Ω·m、邻近水层电阻率5～6 Ω·m,测井曲线指示气层特征不明显。利用低电阻率气层评价技术进行数据处理评价,成果图中含气特征参数Ga、Gr、Ig指示储层含气性良好,解释为气层。该层在钻井过程中气测录井数值有明显增大现象,全烃从1.1%上升到23.38%,甲烷含量从0.813%上升至23.03%,气测录井资料显示气层特征明显,间接验证了该层为气层。

另外,尝试把该技术方法应用于中-低电阻率固结砂岩气层的测井评价。Y2为1口评价井,目的层为沙四段砂岩储层,该井2号层深感应电阻率5～6 Ω·m、邻近水层电阻率2～3 Ω·m,属于中-低电阻率储层;密度、声波测井曲线基本没有含气显示,中子测井曲线有小幅度的挖掘效应,总体测井曲线显示的含气特征不突出。利用低电阻率气层评价技术进行数据处理的成果显示该层三孔隙度差值、比值含气性较好,气层判别指标指示为气层,解释为气层。该层试气日产气6 431 m3,解释结论正确。