泌阳凹陷深层致密砂岩孔隙结构测井评价方法研究

2019-09-06章新文毛海艳谢春安谭静娟赖富强

特种油气藏 2019年4期

章新文，毛海艳，谢春安，谭静娟，赖富强

(1.中国石化河南油田分公司，河南南阳 450000；2.复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331；3.重庆科技学院，重庆 401331)

0 引言

泌阳凹陷安棚地区深层地层属于特低孔、特低渗储层，储集空间由多种类型的孔隙组合而成，孔隙结构复杂[1-2]，仅仅依靠孔隙度、饱和度等宏观参数来评价致密储层的有效性存在局限，因此，有必要结合孔隙结构开展储层综合评价。通常实验室采用铸体薄片、扫描电镜、核磁共振实验、高压压汞和恒速压汞等技术手段来进行储层孔隙结构的表征[3-5]。

近年来，基于压汞实验数据建立核磁共振孔隙结构评价模型得到推广。实验研究表明，核磁共振T2谱与压汞法均能很好地反映地层的孔隙结构，二者之间存在着很好的相关性[6-7]。因此，中国学者针对核磁共振T2谱转换为伪毛管压力曲线开展了大量的研究[8-9]。目前的研究大多是利用核磁资料拟合求解，没有考虑常规测井里包含的孔隙结构信息，拟合求解得到的模型一般适用性较差，不同的区块需大量的岩心数据拟合，同时，拟合模型考虑的信息量往往不够，拟合过程会漏失了一些因素，得到的模型适用条件不明确[10-12]。因此，从Archie公式出发，提出将井筒泥浆侵入的过程近似等效为实验室高压压汞过程的假设，综合利用常规测井和核磁共振测井联合反演，通过公式推导得到核磁共振T2谱转换为伪毛管压力曲线的新模型，然后利用岩心分析资料进行验证，并针对安棚深层致密砂岩储层新钻井开展孔隙结构跟踪评价和试气验证分析。

1 安棚深层系致密砂岩储层孔隙结构特征

安棚深层储层岩石成分以石英、岩屑和长石为主，孔隙类型以次生粒间溶孔为主，其次为组分内溶孔及杂基内微孔和裂缝孔隙，孔隙结构较为复杂[1]。根据A84、A2020井等7口井86个岩心样品的高压压汞实验数据统计分析可知：孔隙度主要分布在3.00%～5.00%，平均为4.85%；渗透率平均值为1.32 mD；平均最大孔喉半径为1.57 μm；平均中值半径为0.41 μm。

通过分析可知，孔隙度、排驱压力、最大孔喉半径均与渗透率整体上呈较好的线性关系(图1)，其中，最大孔喉半径与渗透率线性关系最好，孔隙度其次，排驱压力与渗透率成负相关。

图1 泌阳凹陷安棚区块渗透率单因素分析

2 孔隙结构参数反演模型研究

前人基于核磁共振实验与高压压汞手段对该区储层孔隙结构展开了大量的研究[8]，但在孔喉结构应用于储层有效性评价方面的研究较少，如何从核磁共振测井T2谱中提取用于现场评价储层孔喉的大小及分布参数，并直观、定量表征孔喉结构，最终有效评价泌阳凹陷安棚区块低孔、特低渗透砂岩储层有效性还未有定论。基于测井资料，通过公式推导计算最大进汞饱和度，构建进汞饱和度曲线，进行伪毛管压力曲线实验标定，最终计算孔隙结构参数。

2.1 基于测井资料计算最大进汞饱和度方法

测井过程中，由于泥浆柱压力大于地层压力，导致泥浆侵入地层，冲洗带含水饱和度发生变化的过程，可以近似看成泥浆滤液驱替孔隙空间里自由流体的过程，则被驱替的自由流体饱和度为：

S=Sxo-Sw

(1)

式中：S为被泥浆滤液驱替的自由流体饱和度；Sw为原始地层含水饱和度；Sxo为冲洗带含水饱和度。

驱替过程中压力差为：

Δp=pb-pd

(2)

式中：Δp为压力差，MPa；pb为井筒泥浆流体的压力，MPa；pd为地层压力，MPa。

在不同的Δp条件下，S有所不同，同时，S还受到岩石基质孔隙结构特别是孔喉半径分布的影响，即：

S=f(p，r1，…ri)

(3)

式中：p为压力，MPa；ri为不同成分岩石基质的孔径，μm。

刘卫[11]的实验研究表明，随着p逐渐增大，S的增幅逐渐减小直至接近于0，并最终达到极值Smax，即：

(4)

根据绍维志[10]、王勇军[12]等人的研究，最大进汞饱和度SHgmax与岩石孔隙度、孔喉半径大小呈正相关。孔隙度和孔喉半径越大表明岩石物性越好，具有更好的油气渗滤通道，则在井筒泥浆条件下，被泥浆滤液驱替的自由流体饱和度也会更大。据此，可假设SHgmax与S呈正相关关系，但泥页岩、碎屑岩中泥质的存在对孔喉影响不能忽略，其会降低基质孔喉半径，增加束缚流体含量，与SHgmax呈负相关关系，即：

(5)

式中：Vsh为泥质含量；SHgmax为最大进汞饱和度。

当Δp达到最大时，p=pmax，此时，SHgmax将主要受泥质含量以及被驱替的自由流体饱和度影响。根据式(4)、(5)，可建立SHgmax的工程近似计算模型：

(6)

式中：C1、C2、C3为待定系数，均大于0；pmax为最大压力，MPa。

将式(1)带入式(6)中，基于Archie公式计算Sw、Sxo，整理后得到：

(7)

式中：a、b为与岩性有关的Archie参数；Rmf为冲洗带泥浆滤液电阻率，Ω·m；Rxo为浅侧向测井电阻率，Ω·m；φ为孔隙度；m为岩性胶结指数；n为饱和指数；Sw为地层含水饱和度；Rw为地层水电阻率，Ω·m；Rt为深侧向测井电阻率，Ω·m。

式中：c、d均为大于0的待定常数，与岩性及其泥质分布形式有关。

2.2 根据核磁共振T2谱计算进汞饱和度曲线

对于水润湿相的岩石，当磁场近似均匀，且岩石孔隙具有较为规则的几何形状时，不考虑扩散弛豫，横向弛豫时间主要受控于表面弛豫。基于核磁共振测井横向弛豫时间谱，研究毛管压力与毛管孔径之间的关系[12]，得到毛管压力与横向弛豫时间的关系式为：

(9)

式中：pc为毛管压力，MPa；T2为横向弛豫时间，ms；C′为与汞的弛豫率以及孔隙形状有关的常数，MPa·ms。

岩样进行高压压汞实验时，汞先进入较大的孔隙空间，根据核磁共振基本理论，T2值越大，表明孔径越大。横向弛豫T2时间反向累加谱反映了汞逐渐进入储层孔隙空间的过程，核磁共振T2积分谱表达了孔隙度与T2时间的映射关系(图2)，核磁共振测井经过T2解谱后得到离散的T2积分谱曲线，则这种映射关系表达为：

φi=f(T2i)

(10)

式中：φi为与第i个T2组分相对应的积分谱孔隙度；T2i为第i个横向弛豫时间组分。

在高压压汞过程中，驱汞压力不断克服孔隙的毛管压力，汞得以持续进入；当孔隙度为总孔隙度、驱汞压力克服最小孔径毛管压力时，进汞饱和度达到最大，即：

SHgi=SHgmax

(11)

式中：SHgi为进汞饱和度。

结合式(8)—(11)，得到进汞饱和度与驱汞压力的关系为：

(12)

图2 T2积分谱与反向累加谱

式(12)中，根据不同的φi得到了对应的进汞饱和度SHgi，式(10)表达了φi与横向弛豫时间组分T2i的对应关系，代入式(9)，可得SHgi与其对应的驱汞压力pi(MPa)之间的对应关系。定义驱汞压力pi为横轴，进汞饱和度SHgi为纵轴，即得到当前测井深度的进汞饱和度曲线。

该计算模型具有以下特点：①有明确的假设条件或适应条件，即井筒泥浆侵入的过程近似等效为实验室高压压汞的过程；②不再是简单的数学拟合，而是推导出了T2累计积分谱转换成进汞饱和度曲线理论计算方法，因此，可结合岩石物理实验进行标定；③充分挖掘了常规测井与核磁共振测井中所包含的岩石孔隙结构信息。

2.3 伪毛管压力曲线计算模型标定

选取研究区AN2050井的8个柱塞岩样进行高压压汞实验，驱汞压力为0.01～32.10 MPa，选取其中23个离散的压力数据，分别测定其对应的进汞饱和度。根据最小二乘法的思想，基于式(12)计算得到的毛管压力与岩心得到的毛管压力差异最小时，式(12)中待定系数c，d以及C′将得到标定，即：

(13)

式中：SHg(p)为计算得到的累计进汞饱和度关于驱汞压力的函数；SHgc(p)为高压压汞实验数据得到的累计进汞饱和度关于驱汞压力的函数。

理论上，基于AN2050井8个柱塞岩样的实验数据，可以构建8组方程组，每组23个方程，求解式(12)中c、d和式(9)中C′。采用非负约束条件的奇异值分解算法进行求解，确定c为0.12，d为0.58，C′为0.756。

经过标定后的伪毛管压力曲线计算模型可以计算后续的孔隙结构参数[12]，基于该模型计算的孔隙结构参数和岩心测试对比如图3所示。由图3可知，基于测井资料计算的伪毛管压力曲线与岩心实验得到的毛管压力曲线(相同量纲正则化后)具有很好的一致性。统计表明，中值压力、排驱压力、孔径加权均值、最大孔喉半径、中值半径相对误差分别为14.8%、12.6%、10.7%、11.8%、13.4%，相关系数大于0.75。

图3 AN2050井伪毛压力曲线及孔隙结构参数对比

3 核磁孔隙结构评价方法的应用

3.1 识别有效储层

将孔隙结构参数反演模型应用于致密砂岩储层新钻B441井(图4)，针对该井H3VI层3 028.0～3 035.1 m井段，现场根据孔隙度为2.5%～5.9%，判断该层为差油层。而核磁共振孔隙参数反演结果显示，该井段最大孔喉半径已经达到了10.0 μm，且1.0～10.0 μm的孔喉半径占比较大，指示孔隙结构较好，故提高储层解释级别，解释为油层，并更精准地定位储层品质较好的井段为3 028.7～3 034.6 m。试油显示，该储层日产油为2.12 m3/d，验证了基于孔隙结构参数反演解释的结果。

图4 B441井基质孔隙结构参数

3.2 识别差油层

将孔隙结构参数反演模型应用于研究区另一口新井FB99井，处理结果见图5。由图5可知，3 154.1～3 167.8 m井段(1号储层)核磁共振测井有效孔隙度为3.1%～6.2%，深侧向测井电阻率基本大于80 Ω·m，原测井解释为油层；3 168.2～3 181.2 m井段(2号储层)核磁共振测井有效孔隙度为2.3%～5.8%，深侧向测井电阻率小于50 Ω·m，原测井解释为油水层。经研究发现，核磁共振孔隙结构参数中，1号和2号储层1.0～10.0 μm孔径孔隙度均低于1.0%，储层基质孔隙以小孔径为主，孔隙结构较差，因此，二次解释结论将1号储层调整为差油层。对1号储层进行射孔试油，储层改造加砂12.5 m3，最终日产油为0.47 m3/d，产少量水，基于储层孔隙结构的二次解释得到了验证。