南堡地区蚀变火山岩储层测井响应特征与蚀变程度评价

2021-03-22王欣茹闫顶点潘保芝司兆伟林发武刘得芳

测井技术 2021年1期

王欣茹,闫顶点,潘保芝,司兆伟,林发武,刘得芳

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;2.中国石油冀东油田勘探开发研究院,河北唐山063000)

0 引言

火山岩储层的蚀变现象使储层特性发生复杂的变化,同时,也使火山岩储层的评价难度大大增加,蚀变火山岩储层测井响应特征与蚀变程度测井评价方法是研究的难点。国内外对于蚀变火山岩储层的研究起步较晚,但近二十年,国内蚀变火山岩研究的发展十分迅速,很多学者在蚀变火山岩测井响应特征和蚀变程度评价方法方面的研究取得了较大进展。王春燕等[1]在考虑矿物成分变化和蚀变强弱后,根据蚀变指数和岩性指数建立交会图来区分蚀变储层和未蚀变储层;杨雪[2]系统地总结了蚀变现象,建立考虑蚀变的最优化三组分模型并计算火山熔岩含水饱和度;孙茹雪[3]建立蚀变黏土矿物的中基性火山岩储层模型并用ABC优化算法评价蚀变的火山岩储层;王敏等[4]结合MOSTAFA模型和中子测井曲线计算蚀变岩层孔隙度并对中基性火山岩蚀变岩层进行识别;高衍武等[5]通过拟合岩心黏土和常规测井数据获得蚀变评价参数并预测蚀变火山岩的黏土含量,利用该参数建立体积模型计算火山岩孔隙度。

在蚀变评价方面,通常定义不同蚀变指数评价火山岩蚀变程度。Ruxton[6]假设在蚀变过程中岩石化学组分中的氧化铝含量必须始终不变,根据蚀变矿物化学组分中氧化硅的摩尔浓度定义蚀变指数;Nesbitt等[7]同样假设蚀变后氧化铝含量不变,利用蚀变矿物化学组分中氧化钠、氧化钙的摩尔浓度定义反映斜长石蚀变程度的蚀变指数;Parker[8]利用蚀变后岩石化学组分中的氧化钠、氧化镁、氧化钾以及氧化钙的摩尔质量定义蚀变指数,但是该指数只对蚀变程度低的岩石反应灵敏。

当前蚀变火山岩储层评价研究依旧存在很多不足,本文针对上述局限性进行改进,得到一套完整且适用于研究区的蚀变火山岩测井评价方法。本研究开展于南堡5号构造的中基性火山岩储层,该地区火山岩多发生黏土化蚀变。为准确评价研究区储层蚀变程度,本文结合岩心、薄片分析数据以及测井曲线分析蚀变火山岩测井响应特征,通过绘制交会图建立蚀变火山岩岩性识别图版;基于蚀变火山岩的常规测井响应特征和地层元素测井(element capture spectroscopy logging,ECS)数据定义2种蚀变指数,结合岩心黏土含量,分析蚀变指数的可靠性。为评价研究区蚀变火山岩储层,建立基于研究区的蚀变火山岩岩石体积模型,采用中子—变骨架密度交会图求取体积模型参数,利用体积模型求取蚀变黏土体积及孔隙度,使用Simandoux公式计算储层饱和度,最后进行蚀变火山岩储层的测井评价并结合试油结论分析结果的可靠性。

1 蚀变火山岩测井响应特征与岩性识别

1.1 蚀变火山岩测井响应特征

不同岩性的火山岩测井响应特征不同,在测井曲线上表现的起伏变化以及形态特征也不同。蚀变黏土矿物会改变火山岩的物性,在不改变岩性的前提下使其测井响应特征发生变化。本文结合研究区的岩心资料和火山岩储层测井曲线,研究同一岩性下蚀变与未蚀变岩层测井响应特征的变化,得到蚀变火山岩的测井响应特征。图1为南堡X-1井玄武岩及蚀变玄武岩常规测井曲线的对比分析图,结果显示:①蚀变黏土矿物更容易交换阳离子,使电阻率测井值降低;②蚀变生成绿泥石等细粒矿物组分会导致密度测井值下降;③含有大量结晶水的绿泥石等蚀变黏土会使中子孔隙度变大,中子测井值升高;④蚀变不仅会生成黏土矿物,还会导致孔隙度发生改变,但是黏土矿物对声波时差产生的影响要大于孔隙度,因此,蚀变火山岩声波时差值升高。

图1 南堡X-1井玄武岩及蚀变玄武岩*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

1.2 蚀变火山岩岩性识别

不同岩性的蚀变情况不同,需进行蚀变火山岩岩性识别。图2为南堡地区蚀变火山岩储层自然伽马—密度交会图,可以发现:玄武岩性火山岩的自然伽马值明显低于流纹岩性火山岩,为20～80 API;玄武质凝灰岩和蚀变玄武岩都在玄武岩的上方,密度小于2.5 g/cm3,二者很难区分;流纹岩的自然伽马值偏高,分布在90～120 API,密度在2.5 g/cm3以下;流纹质凝灰岩和流纹岩的密度值相近,但自然伽马值相对较低,在80～90 API;流纹岩与蚀变流纹岩在当前岩性识别图版中很难区分。因此,用此图版可以完成部分火山岩性识别。

图2 GR—DEN交会图岩性识别图版

为了区分蚀变和未蚀变岩层,根据蚀变火山岩的测井响应特征,选取声波时差测井和深侧向电阻率测井曲线,建立声波时差—深侧向电阻率交会图图版(见图3)。图3中,黑色直线为蚀变数据和未蚀变数据的分界线,红色圆点为分界线与坐标轴的交点。可以发现,绿色数据点所代表的蚀变岩层深侧向电阻率测井值明显降低,声波时差测井值变大,整体表现为蚀变数据点向右下方偏离,根据分界线可进行分离,本文结合这一特征定义蚀变识别参数ARs

图3 AC—RLLd交会图蚀变识别图版

(1)

式中,RLLd为深侧向电阻率,Ω·m;AC为声波时差,μs/ft;a为分界线与纵轴交点纵坐标;b为分界线与横轴交点横坐标。利用ARs参数进行蚀变岩层的识别:当ARs>0时,为未蚀变岩层;ARs<0时,为蚀变岩层。

2 蚀变指数

上述研究证明,南堡地区火山岩储层的测井响应受蚀变影响变化明显,蚀变黏土对于测井评价的影响不可忽视,定义蚀变指数来评价蚀变岩层的蚀变程度,是用测井方法准确评价蚀变火山岩储层的重要一环。

2.1 蚀变指数Is

高衍武等[5]基于蚀变黏土矿物会增加中子和声波时差值、降低密度和电阻率值等变化规律,结合核磁共振测井数据,定义蚀变指数IAL

(2)

式中,AC为声波时差,μs/ft;CNL为补偿中子,%;DEN为密度,g/cm3;RLLd为深侧向电阻率,Ω·m;φe为核磁共振有效孔隙度,%;φt为核磁共振总孔隙度,%。

本文只考虑常规测井数据,基于蚀变指数IAL定义新的蚀变指数。为了放大蚀变影响,设定目标岩层声波时差最小值ACmin和中子最小值CNLmin为未蚀变时岩层的声波时差和中子测井值,用声波时差和中子测井值与对应最小值的差值代替基础的声波时差值和中子测井值CNL,再利用归一化方法,降低由不同测井值差异过大带来的误差,最终得到蚀变指数Is

(3)

式中,c为岩性参数,用以将蚀变通指数Is刻度到0～100。

2.2 蚀变指数Ie

Campbell等[9]研究发现岩层在蚀变过程中元素的含量会发生变化,在发生蚀变时,活动元素的迁入或者迁出会导致元素含量的“稀释”或“浓缩”。因此,可以结合这一规律并根据地层元素测井数据定义蚀变指数Ie。

基于研究区岩心黏土含量与地层元素测井数据,绘制岩心黏土含量—元素重量百分比含量交会图,研究发现铝元素(Al)和铁元素(Fe)的重量百分比含量与岩心黏土含量呈正相关,硅元素(Si)和钆元素(Gd)的重量百分比含量与岩心黏土含量呈负相关。利用与黏土含量相关性较高的Al、Fe、Si、Gd元素重量百分比含量,定义蚀变指数Ie

Ie=d(WAl×WFe)/(WGd×WSi)

(4)

式中,d为岩性参数,用以将蚀变指数Ie刻度到0～100;WAl、WFe、WGd和WSi分别为Al元素、Fe元素、Gd元素和Si元素的重量百分比含量。

在结合岩心黏土含量进行分析后,确定了适合研究区域蚀变火山岩储层蚀变程度的划分方案:0≤蚀变指数(Is或Ie)<8,轻度蚀变;8≤蚀变指数(Is或Ie)<33,中度蚀变;33≤蚀变指数(Is或Ie),重度蚀变。

2.3 蚀变程度测井评价及效果

对研究区域内X-2井的玄武岩地层进行蚀变指数Is和Ie处理,结合该井岩心黏土含量进行分析,截取岩心黏土所在深度4 538～4 595 m层段,绘制南堡X-2井蚀变指数及蚀变程度分析图(见图4)。图4中声波时差和中子值随蚀变程度的增加而增大;密度和深电阻率值随蚀变程度的增加而降低,符合黏土化蚀变的测井响应特征规律。根据常规测井数据计算得到的蚀变指数Is和根据ECS测井数据计算得到的蚀变指数Ie都与岩心黏土含量的吻合度较高。在此玄武岩层段中,中度和重度蚀变层偏多,轻度蚀变层偏少。

图4 南堡X-2井蚀变指数及蚀变程度分析图

但是,蚀变指数Is和Ie的识别结果在部分深度有些许差异。以4 541 m的识别结果为例,Is识别结果为中度蚀变,而Ie识别结果为重度蚀变。由于Ie所用Al、Fe、Gd、Si元素的重量百分比含量与岩心黏土含量的相关性,小于Is中所用常规测井曲线与岩心黏土含量的相关性,在理论上Is的识别结果更为准确,因此,当二者有差异时应以Is的识别结果为准。

3 蚀变火山岩储层饱和度计算

蚀变不仅会影响火山岩储层的测井响应特征,也会改变其孔隙度和饱和度。为了校正蚀变黏土对于孔隙度和饱和度的影响,本文在识别出蚀变岩层后,针对蚀变火山岩储层,建立考虑蚀变黏土影响的蚀变火山岩岩石体积模型求取蚀变黏土体积和孔隙度,进而计算考虑蚀变黏土的饱和度。

3.1 定量计算蚀变火山岩储层黏土含量及孔隙度

根据南堡地区蚀变火山岩储层特点,建立由不导电的混合骨架体积Vma、总孔隙度φ和蚀变黏土含量Vsh构成的蚀变火山岩岩石体积模型,求取蚀变黏土体积和孔隙度。

1=Vma+φ+Vsh

(5)

求取骨架参数的常规方法是统计分析,但是火山岩储层结构成分复杂,这种计算骨架参数的方法并不适用,因此,利用ECS测井数据计算研究区蚀变火山岩骨架密度。

参考火山岩矿物模型,通过实验室构建的元素与骨架密度之间的关系获取骨架密度

ρma=3.1475-1.1003WSi-0.9834WCa-

2.4385WNa-2.4082WK+1.4245WFe-11.31WTi

(6)

式中,WSi、WCa、WNa、WK、WFe、WTi分别为硅、钙、钠、钾、铁、钛等元素的重量百分比含量。

根据体积模型,当火山岩储层只由孔隙、混合骨架和蚀变黏土组成时,利用ECS骨架密度和中子测井值可以建立中子—变骨架密度交会图(见图5),选取混合骨架M(φma,ρma)和蚀变黏土点S(φsh,ρsh)得到中子和密度参数。

图5 中子-变骨架密度交会图

令地层总孔隙度为φ,中子测井值为φN,孔隙中流体的中子值为φf,密度测井值为ρ,流体密度值为ρf,再结合由图5所得参数以及蚀变火山岩储层岩石体积模型可以得到

(7)

解得

(8)

其中系数A1、B1、C1、A2、B2、C2的计算公式

(9)

(10)

利用式(7)～(10)即可求取蚀变火山岩储层的孔隙度φ和蚀变黏土体积Vsh。

在研究区内的X-3井中应用体积模型,求取蚀变岩层的孔隙度和蚀变黏土体积,结合岩心孔隙度和岩心黏土含量进行分析,截取岩心附近深度4 160～4 175 m层段绘制X-3井岩石体积模型应用结果分析图(见图6)。本段岩层的火山岩岩性为玄武质凝灰岩,发生轻度和重度蚀变,测井曲线变化规律符合蚀变火山岩测井响应特征的研究结果;用体积模型计算所得的蚀变黏土体积和孔隙度与实际岩心黏土含量以及岩心孔隙度比较符合,可靠性较高。