元坝工区须家河组储层测井评价研究

李 浩,刘双莲,葛 祥,吴见萌,何传亮,郭丽莉

(1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083;2.中国石化石油工程技术研究院,北京100101;3.中石化西南石油工程有限公司测井分公司,四川成都610100;4.中国石油集团测井有限公司天津分公司射孔器材加工厂,天津300280)

2012年,元坝工区YL7井在上三叠统须家河组三段(以下简称须三段,T3x3)测试获得高产工业气流,揭开了元坝陆相气藏的研究,须家河组三段和二段(以下简称须二段,T3x2)地层成为研究重点。

研究区测井评价面临三个难题。一是岩石类型复杂、气层的电阻率特征无规律,如须三段有些气层电阻率在1000Ω·m以上,有些气层电阻率不足100Ω·m,还有低电阻率的测试低产气层。二是低角度裂缝的测井响应不明显,与附近龙岗气田须三段的低角度裂缝测井响应差异大,其中,龙岗气田须三段低角度缝的声波时差高达80μs/ft(1ft≈0.3048m),为典型的开启裂缝;元坝须三段低角度裂缝声波时差大多在60μs/ft左右,与无裂缝储层的声波值接近,识别难度很大。三是须二段孔隙度和裂缝密度总体大于须三段,但两者测试产能却相反,原因不明。统计表明,须二段平均孔隙度达到10%,测试层无阻流量却鲜见高于5×104m3,须三段平均孔隙度远低于前者,仅为4.93%,测试层无阻流量多高于5×104m3,两者反差巨大。上述现象困扰测井解释,导致早期测井评价的准确性不高,成为元坝工区须家河组的研究瓶颈。

多年的勘探开发实践表明,四川盆地须家河组天然气储量巨大,但可用于经济开采的区块很少,其根本原因是储层“甜点”研究不到位,怎样探索出须家河组储层的“甜点”构成模式,是增加其储量动用程度的关键,经济意义巨大。采用测井曲线地质解析技术,以其中的地质细分类刻度测井以及推演出复杂测井曲线信号的地质归因,是弄清四川盆地须家河组储层经济产量“甜点”构成模式的有效途径。

1 元坝陆相测井评价的地质概况

元坝地区构造上位于四川盆地东北部,通过构造及断裂解释结果分析,该地区可划分为4个区带,即九龙山南鼻状构造、南部低缓带、向斜带和中部断褶带,如图1所示。

图1 元坝地区须二下亚段顶构造图(据中石化西南分公司)

研究区须二段沉积环境为三角洲前缘-前三角洲沉积,储层以长石岩屑砂岩为主,次为岩屑石英砂岩;须三段沉积环境受隆升事件影响,沉积相变化明显,发育辫状河三角洲-湖泊相过渡沉积体系,储层主要为岩屑砂岩,其中须三段Ⅰ-Ⅲ砂组岩石颗粒粗,多见钙屑砂岩[1-3],即砂岩中的岩屑成分主要为碳酸盐岩,且该岩屑含量大于50%。沉积因素对两套储层的电阻率影响较大,其中须二段储层岩石颗粒变化相对稳定,与之对应的是储层电阻率变化稳定;隆升事件导致须三段储层的钙质与岩石粒度变化大,与之对应的是储层电阻率变化大。

研究区的重大地质事件对沉积相、岩性和储层影响巨大。一是应力事件的影响。根据区域应力场特征,元坝构造地处龙门山前、米仓山前和大巴山前推覆褶皱带交会处,具三重构造应力挤压背景。裂缝演化分析认为,受膏盐岩“上拱”影响,研究区西部构造变形处砂岩常见高角度构造纵张缝。受龙门山南东向应力挤压,砂岩间的薄层泥岩发生层间错动,形成近水平层间滑脱缝[4]。这种裂缝在须二段和须三段测试气层的测井曲线中识别得最多,可见,应力事件中挤压推覆成因的低角度裂缝与测试产能可能更密切。二是隆升事件的影响。研究区须三段Ⅳ-Ⅴ砂组岩石的钙屑含量远低于上部Ⅰ-Ⅲ砂组,由Ⅳ砂组到3砂组岩石颗粒突然变粗(与之对应,图2中褐色粗横线之上可见电阻率突然变高)、岩屑含量剧增,表明二者之间有一次明显的隆升事件,造成沉积相、岩石的物质组成与储层的孔隙结构双重巨变。

图2 元坝工区测井响应与测试关系

地质事件改变地层本质并体现在测井曲线中,它给测井评价及生产测试带来诸多矛盾,又极难察觉,造成前期地质研究与测井评价的诸多假象,怎样找到地质事件的测井信号特征,事关本区的正确认识。

2 基于地质事件解析的流体识别研究

2.1 测井评价的思路与对策

地质事件极可能是本区须二段与须三段储层测试结果矛盾的主因,也可能是破解矛盾的关键。从问题的表象看,岩性、物性及岩石骨架信号大于储层含气信号,最终导致了测井评价困难;从本质看,隆升、推覆事件引发的复杂近源堆积和裂缝系统,是造成测井评价多重困难的根本;从研究思路看,弄清隆升、推覆事件与测井响应的本质关系及其对储层性质的影响,才是解决问题的关键。图3显示了地质事件与测井评价的关系,反映了地质事件与测井曲线联系的物理意义。图中须二段主要与推覆事件有关,它主要引发两个测井评价难题:一是复杂应力造成电阻率成因复杂,非油气测井信号有可能参与饱和度计算,使饱和度计算精度低;二是裂缝因素会造成3条电阻率和3条孔隙度测井曲线形变,影响流体识别及饱和度计算精度。须三段受推覆与隆升事件影响的叠加,测井评价难度更大,其中隆升事件的影响有3个:一是多种岩石类型对电阻率影响巨大,影响流体识别;二是岩屑矿物复杂导致岩石骨架多变,影响孔隙度计算精度;三是孔隙结构复杂,有时可见相对“高孔隙”测试的干层。

图3 地质事件与测井评价的关系

推覆与隆升事件的差异是气层电阻率变化大的主要原因,二者的耦合关系是低角度裂缝具有隐蔽性的成因。另外,事件叠加也绝非是两种复杂事件的简单累加,其中还有事件与事件相互作用引发的新问题,这既是测井评价的未知因素,也可能是破解难题的另一把钥匙。

根据上述分析,解析地质事件与测井曲线的本质关系,是破解本区须二段与须三段储层测试结果矛盾的关键措施。本区须家河组需用测井曲线地质解析技术[5]开展3方面研究。一是采用岩心刻度测井曲线,解析须二段、须三段事件差异与岩性的测井识别关系;二是采用溶蚀、裂缝刻度测井曲线,分别解析隆升事件与钙屑的隐蔽溶蚀测井特征、推覆事件与隐蔽低角度裂缝的测井特征,为推导这两个地质事件的耦合关系提供研究依据;三是将上述两个事件的隐蔽测井响应与测试储层的结构归因,推导和解决本区须二段与须三段孔隙度与产能关系相反的成因,指导新钻井的测井解释预测。

2.2 岩心刻度测井曲线与岩性模型的建立

本区须三段砾石突然大量出现是宏观隆升事件的微观外显。前期研究发现,电阻率、自然伽马分别对储层中的岩石粒度、岩屑含量更敏感,因此,以岩石粒度和岩屑(碳酸盐岩含量大于50%为钙屑,反之为岩屑)为细分类依据,研究隆升与推覆事件(代表岩性分别为钙屑与岩屑)对测井曲线记录的影响。

图4为分类后的测井响应图版,该图版展示出3个规律。一是气层赋存于固定的岩石类型中,它既难赋存于最粗的岩石颗粒,又非更细,表明气层对渗流通道的选择。二是电阻率可判断钙屑粒度,它随钙屑颗粒变粗而增高。三是自然伽马可判断储层钙屑含量,它随钙屑含量减少而增大。依此推论:钙屑具有溶蚀与充填的两面性,并可能对储层渗透率和产能影响巨大。根据图4的认识,建立了两套地层的岩性识别标准(表1)。

图4 岩心标定岩性测井响应图版

根据以上研究,进一步提出了研究区测井评价的简化体积模型(图5)。该模型表明,隆升和推覆事件决定了须二与须三段体积模型的差异性。其中,须三段1-3砂组隆升事件显著,钙屑含量高且变化小,此时岩石的粒度变化对电阻率影响最大;须三段4-5砂组及须二段储层岩石粒度变化小,推测推覆事件作用更大,此时钙屑含量对电阻率影响最大。

图5 研究区须二、须三段体积模型

该体积模型有两点启示:一是钙屑含量的量变与质变,可能是制约钙屑砂岩与岩屑砂岩孔隙结构特征的主因;二是钙屑与裂缝的耦合关系,可能是解开本区测井评价矛盾现象的钥匙。这些研究结果可能是解开须二段与须三段测井评价矛盾的关键。

岩石类型自然伽马/API电阻率/(Ω·m)声波时差/(μs·ft-1)典型井测试经济产能统计砾岩<40>10 000<45YL11无钙屑砂砾岩<403 000～10 00045～55YL6无含砾钙屑砂岩<401 000～3 00045～55YB6有钙屑砂岩<55300～1 00055～60YL11有岩屑砂岩>55<30058～63YB6无

2.3 裂缝与溶蚀刻度测井曲线研究

2.3.1 裂缝刻度测井曲线研究

本区发育的低角度裂缝以及水平裂缝是宏观推覆事件的微观延伸。根据岩心观察和利用成像测井研究成果刻度的常规测井曲线,可建立基于常规测井曲线的裂缝分类识别方法(图6和图7)。

图6右侧岩心照片为某井须三段取心段的半充填裂缝,左侧为该裂缝在测井曲线上的深度标定。岩心中,裂缝上半部分的白色物质为方解石充填,下半部分为开启裂缝,中间见溶蚀现象;岩心和自然伽马亦互相佐证,该低角度裂缝发育在砂、泥转换界面上,声波时差在60μs/ft左右。图6初步印证了隆升事件成因的钙屑沿低角度裂缝或溶蚀或充填的耦合关系推测。

图6 元坝工区取心段半充填裂缝标定

图7为研究区高、低角度裂缝标定结果。图7a中,裂缝在成像测井的倾角蝌蚪图上表现为中低角度,与之相对应的常规测井曲线出现相应的变化,一是在裂缝处的电阻率曲线会显著降低(见图7a中曲线栏的右侧第一道),这是因为中低角度裂缝处的钻井液侵入较深,使电阻率明显低于临近地层;二是声波时差值的增高(见图7a中曲线栏的右侧第二道),这是因为,声波在低角度裂缝处衰减,使声波时差值增高。图中电阻率与声波时差的变化可一一对应,相互佐证,反映了裂缝处测井曲线的关联关系。

图7b为高角度裂缝的测井曲线标定结果。图中右侧为该井的高角度裂缝岩心照片,裂缝处可见深浅侧向具有一定的正差异。

图7 元坝工区低角度裂缝(a)和高角度裂缝(b)标定结果

2.3.2 溶蚀刻度测井曲线研究

钙屑具有两面性,它既可发生溶蚀[7-8],也可发生充填,可采用薄片鉴定溶蚀刻度测井曲线。针对溶蚀储层,可推导3条孔隙度测井曲线的原理差异:当储层溶蚀孔发育时,计算或校正得到的中子、密度孔隙度大于声波孔隙度;当储层含气时,计算或校正得到的声波、密度孔隙度大于中子孔隙度;当储层为水层时,计算或校正的上述3条孔隙度基本相等。基于这3条孔隙度测井曲线的原理差异,找到了溶蚀储层的测井识别依据。图8为溶蚀孔测井曲线识别,可见,溶蚀孔发育深度处(4379～4380m),测井计算的密度孔隙度明显大于声波孔隙度,与次生孔的测井解释原理相符合。

图8 溶蚀孔测井曲线识别结果

根据上述工作,建立了适合研究区须二、三段的裂缝、溶蚀测井识别标准(表2),为解开研究区须二和须三段地质事件引发的测井认识矛盾奠定了基础。

表2 元坝工区须二、三段裂缝、溶蚀测井识别标准

2.4 根据储层结构特殊性归因,研制储层流体识别图版

解决了裂缝与溶蚀的测井识别,无疑为须二段和须三段储层结构的特殊性归因打下基础。须二段与须三段地质事件的差异性,是解决本区须二段与须三段储层测试结果矛盾的关键线索,其中须三段面临不同事件的耦合,其研究的重要性更甚于须二段。分析各事件促成的地层条件及其内在性质,完全可以根据前文提到的归因分析法开展研究,推理并还原这种耦合关系的来龙去脉。

首先,前文研究已明确,推覆事件促成须二、须三段储层的裂缝体系的产生,尤其是低角度裂缝。图9中3468m处为典型的半充填低角度裂缝,测井曲线在该处出现类似图7a的电阻率(图7a中右侧第一道)与声波(7a中右侧第二道)联动,另外,此处的自然伽马曲线刚好处于岩性细微变化的界面处。推理认为,低角度裂缝多发育于岩石接触面上,可归因于岩石薄弱面(岩性变化面)是推覆事件作用并产生低角度裂缝的重要界面。

图9 YL7井须三段含气指示曲线

其次,图7a的半充填裂缝可归因于隆升事件提供的充足钙屑。测井与岩心观察相互印证,须三段测井识别的低角度裂缝处,具有钙屑物质充填与溶蚀的两面性,它构成储层溶蚀与充填的物质基础,并产生复杂的富钙屑裂缝结构,影响了测井响应方式。

第三,须三段低孔、高产可归因于这种富钙屑的低角度裂缝体系。该体系中低角度裂缝处的钙屑物质提供了复杂的溶蚀与充填场所,产生特殊的半充填裂缝和特殊的孔、渗结构,沿低角度裂缝形成的局部溶蚀成高渗带,对气藏开采构成深远影响。

为印证上述归因分析,利用密度与声波的孔隙度关系,推导了测井响应对裂缝与溶蚀的测井解释关系。图9中右侧第三道为校正后的三孔隙度关系曲线,根据测井解释原理,可以看到3种关系:一是声波孔隙度主要反映原生孔隙,当计算的声波孔隙度为零值时,表明原生孔隙不发育;二是由于钙屑砂岩致密,图中以裂缝为中心,向上下延伸,声波会逐渐归零,归零处密度孔隙度明显高于声波,表明此处发育溶蚀;三是图8反映了典型的溶蚀现象(未见明显裂缝测井响应),图9与图8的区别明显。裂缝中心点处声波与密度的孔隙度差异更复杂,这是因为在低角度裂缝处同时存在声波衰减和溶蚀现象,使声波与密度孔隙度同时增高,其增高的程度取决于低角度裂缝的开度与溶蚀强度。

将事件耦合结合测井推理,研制出基于地质事件认识的须三段“含气指示曲线”。图9第四道为YL7井计算的须三段含气指示曲线,该曲线印证并阐释了事件耦合的内在联系:溶蚀现象主要沿低角度裂缝的中心呈近似对称发育(3460～3472m),溶蚀与裂缝在须三段的这种特殊关系,形成局部高渗带,是须三段储层孔隙度低却高产的主因。

反观须二段气层,裂缝虽然是储层是否产气的关键,但钙屑含量小于30%,影响了溶蚀与裂缝的有效配置。YB22井是须二段产量最高的一口井,该井须二段产气层测井曲线(图10)中4402～4412m声波值呈多个“刺刀状”增高,具低角度裂缝发育特征,表明该层低角度裂缝发育密度大是产量偏高的原因。进一步统计须二段各井表明,低角度裂缝密度与须二段气层产能关系密切。

图10 YB22井须二段产气层测井曲线

上述研究表明,本区两段地层孔隙度与测试结果的巨大反差原因在于,推覆事件促成了裂缝体系,其中,低角度裂缝在储层的发育密度,决定了须二段气层的产能特点;隆升事件提供了富钙屑砂岩,它是储层的溶蚀与充填基础,这种复杂溶蚀、充填与裂缝的特殊耦合,决定了须三段气层的产能特点。两套地层事件成因研究合理解释了矛盾现象,也成为破解难题的关键。

基于上述研究认识,建立了元坝地区须家河组二段、三段流体识别图版(图11),为本区流体识别图版制作提供了依据,图版坐标的物理意义包涵地质事件因素。其中,须三段是隆升与推覆事件叠加,其图版横坐标引入能够表达溶蚀与裂缝特殊结构的含气指示(IGAS)曲线,纵坐标采用储层孔隙度(POR)。图中,高产气层的IGAS值大于20,其它储层是IGAS与POR的综合关系,IGAS和POR均高,则储层产能偏好,反之储层偏差(图11a)。须二段以推覆事件为主,其图版横坐标用裂缝发育密度指代低角度裂缝强度,纵坐标以密度与声波关系函数,作为孔隙度系数。图中,气层的低角度裂缝强度参数值高,差气层的低角度裂缝强度参数值与孔隙度系数均较高,含气层反之(图11b)。

图11 元坝地区须家河组二段、三段流体识别图版a 须三段含气指示(IGAS)与孔隙度交会曲线; b 须二段低角度裂缝强度孔隙度系数交会曲线

3 实际应用研究

3.1 新钻井储层流体预测

该图版随后被当年新钻井一一证实。图12为YB223井流体识别结果,分析可知,该井须三段IGAS值低,表明低角度裂缝与溶蚀的耦合程度低,结合该井测试储层孔隙度低,测井解释预判为低产气层,测试结果与预测结果相符。

图12 YB223井流体识别结果

3.2 勘探目标预测

本工区中,须三段是研究的主要目的层。上述研究表明,纵向上岩性变化面是低角度裂缝发育带,钙屑物质沿低角度裂缝面对称溶蚀,有助于形成含气高产带,这些认识将对勘探开发部署影响巨大。

从另一个角度思考,横向上岩性的变化同样与产量的高低有关。图13为元坝地区须三段主河道岩相展布图。图中YL7井、YL12井、YL10井及YB221井测试产量较高,其共同特点是,分布于钙屑砂质砾岩或中粗粒钙屑砂岩中,在岩相边界处有可能高产概率大;其它岩相储层测试均为低产,目前测试尚未见到工业气流。

图13 元坝地区须三段主河道岩相展布

元坝地区前期探井以直井为主,钻探层位多选择储层内部,以该钻探方式目前在该区须三段还难以形成规模开发。

以低角度裂缝带为获得经济产能的钻探目标,以裂缝带上下地层对称溶蚀的孔隙为经济产量的供给基础,是否有助于水平井的长期稳产以及该区未来的经济开发呢,有待于进一步验证。

4 结论

1) 测井曲线地质解析技术有助于解决复杂储层测井评价难题。本文应用其中的刻度法,得到了岩性、裂缝即溶蚀的识别依据,为利用测井曲线识别推覆事件和隆升事件奠定了基础;应用归因法,推导出地质事件与须三段储层局部高渗的内在关联,该关联被须三段“含气指示曲线”的内在结构所佐证。

2) 地质事件是本区须二和须三段孔隙度与储层产能矛盾的根本因素。其中,低角度裂缝发育强度与须二段气层的产气量密切相关;隆升事件为须三段提供了丰富的钙屑,钙屑沿低角度裂缝的对称溶蚀与局部充填,构成须三段半充填裂缝特殊的低孔隙、高渗结构,形成须三段储层低孔隙却高产的特殊现象。

3) 新认识有可能为元坝地区须三段的经济开采提供依据。该区前期探井以直井为主,目前该区须三段因直井控制储量规模小、测试产能下降很快,因而还难以形成规模开发。本文提出以低角度裂缝带作为获得经济产能的钻探目标,以裂缝带上下地层对称溶蚀发育的孔隙为经济产量的供给基础,该思路有可能扩大单井控制储量,为须三段经济开采提供可行依据。