基于岩石物理相分析的复杂储层测井综合评价<br/>——以福山油田永安地区流沙港组一段储层为例

基于岩石物理相分析的复杂储层测井综合评价
——以福山油田永安地区流沙港组一段储层为例

2017-06-05黄娅万金彬

长江大学学报(自科版) 2017年11期

关键词：孔喉沉积相永安

黄娅，万金彬

(中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西西安 710077)

孙盼科

(中国石油大学地球科学学院，北京 102249)

马庆林，张梅珠

(海南福山油田勘探开发有限责任公司勘探开发研究中心，海南海口 570100)

白松涛，何羽飞，程道解

(中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西西安 710077)

基于岩石物理相分析的复杂储层测井综合评价
——以福山油田永安地区流沙港组一段储层为例

黄娅，万金彬

(中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西西安 710077)

孙盼科

(中国石油大学地球科学学院，北京 102249)

马庆林，张梅珠

(海南福山油田勘探开发有限责任公司勘探开发研究中心，海南海口 570100)

白松涛，何羽飞，程道解

(中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西西安 710077)

以岩心、薄片、压汞、测井等测试资料为依据，在福山油田永安地区流沙港组一段沉积微相、成岩相、构造相特征研究的基础上，总结了研究区储层的4种岩石物理相类型：有利沉积相带粒间不稳定组分溶蚀成岩相，有利沉积相带粒内不稳定组分溶蚀成岩相，不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相，不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相。研究发现，各类岩石物理相具有不同的孔、渗关系和不同的岩电参数特征，因此在岩石物理相识别基础上分类建立了物性模型和饱和度模型，大大提高了解释精度，很好地解决了永安地区储层横向变化快导致的测井解释符合率低的问题。

福山油田；复杂储层；岩石物理相；沉积相；成岩相；岩电参数

随着勘探开发的深入，测井解释研究对象逐渐向低孔、低渗等复杂储层转移，对测井解释的要求越来越高。因此要很好地完成复杂储层的测井综合研究，首先必须对其地质成因进行研究，包括储层的沉积、成岩作用及其后期的构造改造作用，即岩石物理相的研究。

岩石物理相主要是由多种地质作用形成的成因单元，是沉积作用、成岩作用和后期改造等作用的综合反映[1]。最早由Spain[1]提出在单井剖面上划分岩石物理岩类，熊琦华等[2]、姚光庆等[3]相继开展了储层岩石物理相研究。在测井解释方面，石玉江等[4]研究发现岩石物理相是控制低渗透岩性油气藏储集层“四性”关系和测井响应特征的主导因素。基于岩石物理相分类建立测井储层参数解释模型是提高低渗透、非均质储层测井解释精度的有效方法。

该次研究针对海南福山油田永安地区流沙港组一段(El1)储层岩性、物性、微观孔喉结构横向变化较快,测井解释矛盾层逐渐增多等难题，在有限的岩心薄片、压汞试验分析基础上对取心井段进行岩石物理相分析，进而利用岩心刻度测井等数学方法，实现全井段的岩石物理相判别，并基于岩石物理相的分类完成了储层物性与饱和度模型的优化，进而提高了解释精度。上述基于岩石物理研究的储层测井综合评价解释方法很好地将宏观的沉积、成岩和构造等主控因素与微观的岩石特征、物性特征和孔喉结构特征相结合，使测井解释具有了更强的综合性指导意义，摆脱了“一孔之见”的局限性。

1 岩石物理相分类

岩石物理相具有“相”的含义，既能反映岩石物理特征，也能体现一定的沉积环境，是沉积相、成岩相和构造作用的综合表现。具体而言，沉积环境是基础，沉积时母岩的性质、水体能量等沉积环境控制了储层的分布范围、空间几何形态、沉积物的颗粒大小、矿物组分和岩石结构特征(分选性、磨圆度等)；后期的成岩作用对原有储层物性和孔喉结构进行改造，其中包括有利的改造(溶蚀作用、压溶作用)、不利的改造(压实作用、胶结作用)等；构造演化控制沉积作用及各种沉积体的发育，不同的沉积体系往往形成于不同的构造背景和气候环境。综上所述岩石物理相的主控因素为沉积相、成岩相和构造相。因此，笔者从沉积相分析、成岩相分析、构造特征分析3个方面对福山油田流沙港组的岩石物理相进行了分类与识别。

1.1 沉积相特征

图1 福山凹陷永安地区构造位置图

福山凹陷位于海南省北部，是北部湾盆地中次级负向构造单元。凹陷是受燕山运动的影响在古生界及中生界白垩系变质岩基底上发育起来的一个呈北断南超的箕状凹陷，构造走向北东，总面积2880km2。按构造和沉积特征，凹陷的陆上部分又细分为5个次一级的构造单元：白莲次凹、花场次凸、皇桐次凹、博厚断阶带和南部斜坡带，研究目标区永安地区位于花场次凸一级构造单元(图1)。

福山凹陷沉积序列以新生代沉积为主，其基底为中、古生界变质岩，沉积盖层由古近系长流组、流沙港组、涠洲组，新近系和第四系组成。其中流沙港组自下而上可以细分为流三段(El3)、流二段(El2)、El1。永安地区El1储层以扇三角洲相为主，砂岩相对较发育，物源主要来自南部，靠近北部湖水越深，泥质含量越高。永安地区南部主要发育水下分流河道砂体，物性较好，泥质含量较少；北部主要发育水下支流间湾、薄互层的席状砂体，物性相对较差。水下分流河道砂体沉积时水动力较强，粒度较粗，主要为砂砾岩沉积，黏土含量较低，粒间杂基含量较低，测井曲线为钟形或者箱形。分流河道向前延伸时能量减弱，河水携带的沉积物快速沉积下来，形成河口坝、席状砂等粒度较细的沉积物，黏土含量较高，测井曲线主要为漏斗形或者是指状的薄砂体。水下支流间湾沉积于水动力能量较弱的湖湾地区，岩性主要为泥岩、泥质粉砂岩，物性较差，测井曲线主要为高幅齿状。

综合研究认为，研究区沉积相主要分为2大类：有利沉积相带与不利沉积相带。其中有利沉积相带主要包括水下分流河道砂体，不利沉积相带主要包括水下支流间湾砂体和南部的席状砂砂体。

1.2 成岩相特征

成岩相主要指成岩环境及该环境形成的成岩产物[5]。通过铸体薄片和扫描电镜(图2)可以看出，研究区一部分颗粒主要以线接触为主(图2(a))，塑性矿物变形云母片扭曲发生形变(图2(c))，经历了较强的压实作用，且出现了中晚期的含铁白云石胶结(图2(e))，大部分石英具有Ⅱ级次生加大，书页状高岭石较普遍(图2(b))，长石岩屑溶蚀孔较发育(图2(a))。另一部分颗粒以点-线接触为主(图2(g))，石英为Ⅰ级次生加大，粒间溶孔相对较发育，其中粒间不稳定组分溶解对改善孔喉结构起到了积极作用，粒内溶孔对改善孔喉结构效果有限。石英的Ⅰ级次生加大会增加岩石的机械强度，一定程度上抑制晚期的压实程度，对物性有一定的保护作用。若孔隙间只有泥质充填，颗粒被泥质包裹，会加剧压实作用，颗粒间多为缝合线接触或线接触。

通过永安地区El1的471个泥岩样本点的镜质体反射率分析，其主要在0.5%～1.1%之间，最高热解峰温在460℃左右，次生孔隙为主，推断研究区El1目前主要处于中成岩A期。综合分析永安地区El1储层成岩过程经历了：机械压实作用(原生孔隙)→早成岩A期(原生孔隙为主)→早成岩B期(少量次生孔隙)→中成岩A期(次生孔隙为主)，其中次生孔隙主要包括粒间溶孔和粒内溶孔。

结合永安地区El1的成岩作用认识，根据成岩作用对储层物性的影响程度，将永安地区El1储层划分为3种成岩相：粒间不稳定组分溶蚀成岩相((图2(g)、(h))、粒内不稳定组分溶蚀成岩相(图2(i)、(j))、自生矿物充填致密成岩相(图2(k)、(l))。

图2 永安地区El1储层镜下成岩特征及成岩相

图3 永安地区El1沉积相与构造等值线叠合图

1.3 构造特征

永安断块构造位于福山凹陷皇桐次凹北部。构造是受凹陷北部边界断裂马袅断层和南部断层共同作用形成的地堑式构造，整体上是一个被断层复杂化的逆牵引背斜构造，地层产状北、东、南三面倾斜明显，西倾微弱，El1岩石中塑性碎屑颗粒含量较高，砂岩中破裂作用不发育，从岩心、成像资料发现裂缝发育规模较小。永安地区整体为一个北、东、南三面倾斜的背斜构造(图3)，北倾的正断层南部断层断距75m，将北部和南部地层分开。从岩心试验数据可以看出，南部海拔高，压实作用相对弱，北部构造低，压实作用相对较强。南部断层的南北地层特征相差较大。因此根据构造特征将研究区划分为2种构造相：南部构造相、北部构造相。其中南部构造相主要为水下分流河道沉积；北部构造相远离物源，沉积时水体能量弱，主要为薄层席状砂，黏土含量较高，主要发育不利沉积相带。南部由于海拔高、岩性纯、粒度粗，不发育致密成岩相带。

1.4 岩石物理相分类及其测井识别

通过对沉积相、成岩相和构造相的分析总结，南北构造相对储层的影响主要体现在沉积相与成岩相的差异上。南部离物源较近，沉积时水体能量较高，海拔较高，不发育致密成岩相。因此该次岩石物理相的分类不考虑南北构造相的差异。

永安地区El1主要发育4类岩石物理相，包括有利沉积相带粒间不稳定组分成岩相、有利沉积相带粒内不稳定组分溶蚀成岩相、不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相、不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相。在岩石物理相划分基础上，结合岩心薄片及测井资料，归纳总结了4种不同成岩相在测井曲线上的响应特征。主要包括对岩性、物性敏感的自然伽马、声波时差、密度、补偿中子孔隙度、补偿中子孔隙度与密度孔隙度之差等(见表1)。

表1 福山油田El1储层成岩相测井响应特征

同时为了更好地将各类岩石物理相分开，采用多元判别分析方法利用测井参数对储层进行归类。4类岩石物理相储层的判别函数分别是：

F1=-508-0.107qAPI+1.790Δt+224.4ρ+0.72φnc+1.68ρt

(1)

F2=-526-0.091qAPI+1.794Δt+229.9ρ+0.81φnc+1.77ρt

(2)

F3=-522-0.101qAPI+1.775Δt+226.9ρ+0.96φnc+2.44ρt

(3)

F4=-521-0.068qAPI+1.758Δt+225.5ρ+1.06φnc+2.47ρt

(4)

式中：qAPI为自然伽马，API；Δt为声波时差，μs/m；ρ为补偿密度，g/cm3；φnc为补偿中子孔隙度，%；ρt为电阻率，Ω·m；F1、F2、F3、F4分别为有利沉积相带粒间不稳定组分溶蚀成岩相判别函数、有利沉积相带粒内不稳定组分溶蚀成岩相判别函数、不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相判别函数、不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相判别函数。

在实际应用过程中，先利用测井资料计算4类岩石物理相储层的判别函数，然后比较4个函数的大小，判别函数值最大的就是该储层的岩石物理相所属类别。分析结果显示，研究区南部主要发育有利沉积相带粒间不稳定组分溶蚀成岩相、有利沉积相带粒内不稳定组分溶蚀成岩相，北部主要发育不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相和不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相。

2 储层参数模型优化

2.1 各类岩石物理相储层孔喉结构特征及物性模型优化

同类的岩石物理相孔、渗关系呈现出规律性的变化，孔隙类型和结构趋于一致。目前最直接表征孔喉结构好坏的就是利用压汞试验，排驱压力越小，分选系数越大，孔喉半径越大，代表孔喉结构越好；能够间接表征储层孔喉结构好坏的是渗流特征参数Irq，其值越大表示孔喉结构越好。

通过对永安地区El1共120个样品点的压汞与核磁试验研究发现，孔喉结构的好坏与岩石物理相的分类有着很好的对应关系：有利沉积相带粒间不稳定组分溶蚀成岩相，孔喉结构最好，孔隙度大于15%，渗透率大于150mD，排驱压力小于0.1MPa，分选好，孔喉半径大，平均孔喉半径4.3μm，孔喉结构好，Irq大于30；有利沉积相带不稳定组分粒内溶蚀成岩相，孔隙度大于10%，渗透率大于10mD，排驱压力较小，分选较好，平均孔喉半径1.57μm，Irq大于10；不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相，孔喉结构较差，排驱压力在0.23～0.77MPa之间，分选较差，Irq小于6.4；不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相，渗透率小于0.24mD，孔隙度小于7%，一般为非储层，孔喉结构为微孔微喉，排驱压力很大，孔喉半径小(见表2)。

表2 各类岩石物理相孔喉结构参数特征表

注：表中数据为最小值～最大值(平均值)。

图4 不同岩石物理相带孔、渗交会图

根据上述研究发现，不同的岩石物理相由于岩性、颗粒大小、分选、成岩作用的不同导致其孔喉结构有一定的差异，宏观上表现为具有不同的孔渗关系。从图4中可以看出，由于有利沉积相带沉积时水体能量较强，颗粒较粗，孔隙度相对较好，但是由于后期成岩作用的差异，导致粒间溶孔发育的有利沉积相带粒间不稳定组分溶蚀成岩相的砂体渗透率较粒内不稳定组分溶蚀成岩相更好；不利沉积相带沉积时水体能量较弱，物性较差，后期的不稳定组分溶蚀作用对孔喉结构有一定的改善作用，而后期的强压实作用和自生矿物完全充填使得致密成岩相的砂体物性较差，使其成为非储层。因此该次研究分岩石物理相进行渗透率建模(表3)，大大提高了解释精度。

表3 永安地区El1不同岩石物理相渗透率模型

2.2 各类岩石物理相储层饱和度模型优化

阿尔奇公式建立起了电阻率与饱和度的关系，其自身及相关的衍生模型Waxman-Smith模型、双水模型一直作为计算含油饱和度的经典公式[6]。经典的阿尔奇拟合公式有2个：

(5)

(6)

式中：F为地层因素，1；ρwc为岩石100%被地层水饱和时的地层电阻率，Ω·m；ρw为地层水电阻率，Ω·m；a为岩性系数，1；m为胶结指数，与孔隙结构有关，1；φ为孔隙度，1；I为地层电阻率增大系数，1；ρt为含原状地层电阻率，Ω·m；b为岩性系数，1；Sw为含水饱和度，1；n为饱和度指数，与油气水在孔隙网络中的分布状态有关，1。

随着研究的深入发现，不同地区不同层位的储层岩电参数特征差别较大。因此准确确定岩石的岩电参数是精确求取饱和度的基础。大量岩石模型的数值计算结果表明，岩电试验中的岩电参数受岩性、物性、孔隙结构影响显著[7～9]，而岩性、物性、孔隙结构的微观表现主要受地区宏观沉积作用、成岩作用和构造作用的控制。因此，基于沉积、成岩和构造的综合作用划分的不同的岩石物理相具有不同的岩电参数特征。

以永安地区El1储层岩电试验资料和前期岩石物理相研究为依据，探讨了通过岩石物理相研究进行岩电参数的分类来建模以提高复杂储层饱和度测井评价效果的方法。

通过岩电试验结果分析发现，a、b变化不大，均在1左右。从F-φ交会图(图5)和I-Sw交会图(图6)可以看出，分岩石物理相建立的F-φ和I-Sw模型具有更高的解释精度。按照有利沉积相带粒间不稳定组分溶蚀成岩相、有利沉积相带粒内不稳定组分溶蚀成岩相、不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相、不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相的顺序，其m逐渐减小，n逐渐增大，主要是因为有利沉积相带沉积时，其水体能量较强、粒度较粗、泥质含量较小、孔隙连通性较好。有利沉积相带粒内不稳定组分溶蚀成岩相、不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相、不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相的m变化不大，主要是由于受沉积、成岩作用影响，其孔喉结构相对较差，束缚水饱和度增大。因此，该次研究中对永安地区El1采用分岩石物理相建立饱和度模型(表4)。

图5 不同岩石物理相F-φ交会图

图6 不同岩石物理相I-Sw交会图

表4 永安地区El1不同岩石物理相储层岩电参数分布

3 实例应用

利用上述方法对永安地区El1复杂储层进行了油水层识别，克服了复杂储层岩性、物性、微观孔喉结构横向变化较快对油水层解释带来的困难，应用效果较好。

图7为永安地区Y15-1x井的测井解释成果图，由于目的层电阻率达到了30Ω·m，电性显示较好，一次解释时含水饱和度在50%左右，解释为油层，试油结果为水层，测井解释结果与试油结论矛盾。利用上述方法对储层岩石物理相进行分析，目的层191B、192C、193C、195B号砂体主要为不利沉积相带不稳定组分溶蚀成岩相，189、190、194、196号砂体主要为不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相，均为非储层；同时分相带对物性进行了建模，及对饱和度模型进行了优化。图7中的“渗透率1”和“含水饱和度1”为测井一次解释结果，“渗透率2”和“含水饱和度2”为分岩石物理相模型优化后的结果，优化后的含水饱和度与试油结果符合度更高。

图7 Y15-1x井测井解释成果图

4 结语

通过对沉积相、成岩相和构造相的分析总结，永安地区El1主要发育4类岩石物理相，包括有利沉积相带粒间不稳定组分成岩相，有利沉积相带粒内不稳定组分溶蚀相，不利沉积相带不稳定组分溶蚀相，不利沉积相带自生矿物充填致密成岩相。

通过岩心、压汞等试验分析发现，不同的岩石物理相具有不同的孔渗关系、孔喉结构特征和岩电参数特征。因此，该次研究在岩石物理相分类基础上建立了物性模型和饱和度模型，大大提高了解释精度。基于岩石物理研究的储层测井综合评价解释方法很好地将宏观沉积、成岩和构造等主控因素与微观岩石特征、物性特征和孔喉结构特征相结合，使测井解释具有了更强的综合性指导意义，在福山油田永安地区El1储层横向变化较快的储层中应用效果较好。

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[编辑] 龚丹