四川盆地基性火山岩气层流体性质测井判别方法

吴煜宇 唐 军 赖 强 谢 冰 蔡 明 金 燕

（1. 中国石油西南油气田分公司， 四川 成都 610041； 2. 长江大学地球物理与石油资源学院， 湖北 武汉 430100）

0 引 言

世界范围内火山岩以基性为主， 但就当前中国火山岩勘探开发进程来看， 酸性火山岩居多［1-4］，而四川盆地西部二叠系火山岩属典型的基性火山岩。 随着中国石油总公司勘探力度的加大和测井新技术与新方法的持续推进， 对川西地区火山岩目前在岩性识别、 储层定量评价和识别等领域已基本能够满足勘探开发需求。 测井面临的主要难点之一是孔隙流体性质判别， 因为该区与新疆、 大庆等地的酸性火山岩相比具有电阻率值明显降低且起伏不大的特点， 其导电机理与应用在砂岩的阿尔奇公式并不匹配［5-8］。 传统的基于电法测井的储层流体性质判别方法在川西火山岩储层评价中存在很大的局限性， 亟需开展非电法测井的火山岩储层流体性质评价方法研究。 曲线重叠法和交会图法虽然属于定性判别， 但由于其操作简单， 直接来源于原始测井数据， 且容易建立与地质信息的联系， 一直受到测井分析家的青睐［9］。 新疆准噶尔盆地酸性火山岩在中子—密度孔隙度重叠定性判别气层的基础上， 开展了半定量的火山岩气层判别方法研究［10］； 朱建华等［11］利用核磁和密度测井双孔隙度的差别替代常用的中子-密度双孔隙度来判别火山岩储层流体性质； 单玄龙等［12］在火山岩亚相约束下用声波—中子—密度3 种孔隙度叠置图进行气层的识别。 针对阵列声波测井资料在火山岩流体性质判别中的应用， 测井同行也做了大量研究工作， 出发点均是利用了纵、 横波速度对孔隙流体性质敏感的特点， 通过纵横波速度比或泊松比来定性识别含气地层。 如李同华等［13］、 王海华等［14］基于偶极横波测井资料纵横波速度比判别储层含气性； 边会媛等［15］充分研究了横波数据在低孔低渗气层识别中的应用效果。 此外， 物理实验与数值模拟均证明， 随着地层含气饱和度的增大， 岩石的弹性模量、 拉梅系数等弹性力学属性均会减小［16-20］。 以上这些方法在定性判别气、 水层上应用效果良好， 但对于干层、 气水同层等并未阐述， 尤其针对基性火山岩储层的流体性质判别研究得更少。

本文从阵列声波、 密度测井资料的综合应用角度出发， 建立了基于流体有效压缩系数和泊松比与岩石有效压缩系数幅度差的半定量识别图版， 同时， 为进一步区分水层、 干层， 引入能够反映地层弹性性能的拉梅系数， 建立了基于拉梅系数以及弹性模量差值的流体性质判别方法。 将上述方法在四川盆地基性火山岩储层中进行了实际应用， 取得良好的应用效果， 希望对中国基性火山岩的勘探技术提供借鉴。

1 用压缩系数判别流体性质方法存在的问题

从气体影响岩石总体弹性性能的角度出发， 利用泊松比（横向变形系数）、 有效压缩系数对气体的敏感性可以实现气层的定性判别。 随地层含气性的增加， 岩石有效压缩系数会显著增大； 虽然泊松比也会增大， 但岩石骨架会降低气体对岩石总体横向变形能力的改造能力， 所以利用泊松比与岩石有效压缩系数重叠显示， 作为一种定性判别储层流体的方法。 但是， 实例表明单纯依靠泊松比与岩石有效压缩系数曲线重叠法不能满足多井之间的横向对比。 例如： YT1 井、 YS1 井在5 628 ～5 730 m 井段和6 380～6 435 m 井段均发育2 个气层， 2 口井1号层的岩石有效压缩系数与泊松比之间的幅度差均比2 号层大， 表明1 号层含气性优于2 号层。 但是， 对比YT1 井和YS1 井储层段， YS1 井整体的岩石有效压缩系数与泊松比的差值要高于YT1 井，而实际试油结果YT1 井2 个储层测试产纯气， YS1井2 个储层合试测试产水， 含微气。 因此， 单纯依靠泊松比与岩石有效压缩系数曲线重叠法不能满足多井之间的横向对比。

降低岩石物理反演多解性的有效方法之一是增加约束条件。 Gassman 方程明确描述了孔隙流体性质与孔隙压缩系数的关系， 公式为

利用式（1）、 式（2）， 通过纵波、 横波速度、密度与弹性参数关系能够得到随井轴深度连续变化的孔隙压缩系数。 计算结果： YT1 井和YS1 井1 号层均比2 号层孔隙压缩系数高， 同样反映2 口井由上往下含气性逐渐减弱， 同时， 对比YT1 井2 号层和YS1 井1 号层的孔隙压缩系数， 前者整体上要优于后者， 说明YT1 井2 号层的含气性好于YS1井1 号层。

本文根据川西地区目前已测试的YT1 （测试气层）、 YS1 （测试出水）、 HS1 （干层） 等井的6 个测试层段， 建立了泊松比和孔隙压缩系数交会的流体性质判别图版（图1）。

由图1 可知， 气层的判别标准为孔隙压缩系数大于10 GPa-1， 岩石有效压缩系数与泊松比差值大于0.06。 该方法能将气层与非气层（水层、 干层）分开， 对于水层和干层的区分效果依然不明显。 引入体积模型， 根据式（2） 推导建立不同含气饱和度的压缩系数计算方法， 图2 的纵坐标是当前岩石与饱含气岩石有效压缩系数相对增量（即当前岩石与饱含气岩石压缩系数的比值）， 横坐标是含气饱和度。 从图2 可见， 当含气饱和度在30%以内时， 压缩系数相对增量对含气饱和度很敏感， 且孔隙度越大， 压缩系数增量变化越迅速， 表明利用该方法可以很好地判别储层含气性。

2 基于岩石弹性参数的孔隙流体判别新方法

图2 是利用压缩系数进行储层孔隙流体性质判别的理论依据， 即随着含气饱和度的增高， 岩石有效压缩系数相对增量变大。 但是该图也反映出该方法存在的2 个不足： 一是孔隙度越小， 岩石有效压缩系数相对增量变化越慢， 表明该方法在低孔隙度地层的应用效果较差； 二是当含气饱和度大于30%以后， 压缩系数相对增量曲线变化趋于平缓，即含气性的敏感性会降低。 为此， 本文从2 个方面对基于压缩系数的流体判别方法进行了改进。

2.1 基于拉梅系数的孔隙流体识别方法

经研究证实， 温度、 压力环境一致时， 拉梅系数相比弹性模量、 泊松比与地层弹性有更好的相关性［21-23］。 国外研究表明， 利用拉梅系数λ、μ与密度测井曲线能对不同地区的页岩气进行区分， 但同时指出地层岩性、 物性等因素会对区分效果有一定影响［23］， 为弥补依靠压缩系数判别储层流体性质的单一性， 在分析含气性与岩石弹性性能的关系之后， 建立拉梅系数与储层流体性质间的判别方法。

四川盆地火山岩以基性玄武质熔岩和基性角砾熔岩为主， 组成火山岩的矿物组分和含量相对稳定， 地层的拉梅系数主要受储层物性的影响。 拉梅系数与体积弹性模量、 剪切模量、 岩石横波速度vs之间的关系为

岩石的横波速度按平均模型［25］进行模拟计算，公式为

式中：vma——岩石骨架声波速度， m／s；

vf——岩石孔隙声波速度， m／s。

从火成岩地层中选取致密层段的声波速度、 密度值用于本次岩性、 物性对地层拉梅系数的影响规律分析， 岩石骨架纵波速度取5 311 m／s， 岩石骨架横波速度取2 855 m／s， 骨架密度为2.85 g／cm3，根据声波速度、 密度与弹性模量之间的关系， 可计算出骨架弹性模量为58.98 GPa， 骨架体积模量为48.37 GPa， 骨架泊松比为0.29。 根据式（3） —式（5）， 可得到拉梅系数与孔隙度、 含气饱和度关系（图3）。

由图3 可知， 随着地层孔隙度的增大， 整个岩石的弹性性能将变好， 拉梅系数变小， 即λ（μ） ∝1／φ， 且随孔隙度的增大，λ较μ减小更快； 孔隙度恒定， 随着含气饱和度的升高， 岩石拉梅系数λ与全含水时拉梅系数λw的比值降低。 四川盆地基性火山岩储层物性与声波时差具有明显的正相关性， 即纵波时差越大， 孔隙度越大， 因此，拉梅系数与纵波时差Δtp的关系是λ（μ） ∝1／Δtp。 为进一步降低孔隙度对地层拉梅系数的影响，扩大地层流体对弹性参数的敏感性， 将岩石有效拉梅系数除以纵波时差， 即

式中 Δtp——纵波时差， μs／m。

这样， 利用四川盆地已生产测试的井建立了基于拉梅系数的流体性质判别图版（图4）， 利用该方法可以将气层、 水层、 干层有效区分。

2.2 弹性模量差比值法

为改进当含气饱和度变大后， 体积弹性模量敏感性降低的问题， 马明明、 刘国强等［17-26］从构建岩石弹性模量与骨架弹性模量差值的方式提出了解决办法， 虽然该方法在骨架值的估算上存在一定难度， 但对于降低岩性、 孔隙度的影响， 提高对储层流体的敏感性有效果。 引入Biot 系数α， 则Gassmann 方程的另一种表达形式为

若定义模量差比值

根据式 （15）， 若火山岩骨架体积模量为40 GPa，骨架剪切模量为19 GPa， 气的体积模量为0.055 GPa， 水的体积模量为2.25 GPa， 则可绘制含气饱和度与模量差比值的关系（图5）。 由该图5 可见，W与Sg是线性关系， 且不受孔隙度大小的影响。 所以， 可以利用式（15） 进行地层含气性特征参数的定量提取。

图5 含气饱和度与模量差比值的关系Fig.5 Relations between the gas saturation and modulus difference ratio

3 实例应用及效果评价

利用岩石压缩系数-泊松比与孔隙压缩系数、拉梅系数以及弹性模量差值构建的3 个判别方法对2019 年新钻探井TF2 井进行了测井流体性质判别。该井为油基钻井液钻井， 电阻率为阵列感应测井，火山岩段电阻率整体很低， 且正负差异交替出现，以电阻率测井为主的流体性质判别法仍难以适用，根据本文提供的方法， 通过密度测井及阵列声波测井数据， 处理得到了火山岩段岩石有效压缩系数、泊松比、 孔隙压缩系数、 改进的拉梅系数、 弹性模量差、 含气饱和度等参数值。 该井储层段岩石压缩系数与泊松比差异明显， 孔隙压缩系数较高， 反映含气性明显， 纵向上， 1、 2 号储层含气性优于3号储层； 但是， 测井计算的X1、Xn都很低， 反映地层弹性形变强。 同时计算的模量差比以及含气饱和度均表示3 个储层都为气层。 又根据文中所建立的岩石压缩系数与泊松比差值和孔隙压缩系数交会以及经物性校正后的拉梅系数交会2 个图版的验证， TF2 井的1—3 号层均落在气层区（图6）， 但从含气饱和度评价， 该井的3 号段含气饱和度仅在20%～25%， 故综合评价该井的3 个层均为气层。

Gassman 方程是针对地层孔隙度发育好提出的计算孔隙流体压缩系数的方法， 所以当孔隙度偏小或者裂缝发育时， 该方法的使用效果将变差。 本文建立的基于拉梅系数的判别方法， 其物理基础是地层气含量越好， 岩石总体弹性性能越好， 拉梅系数变小， 即小作用力下也可以产生岩石变形， 同样对地层的各向同性以及孔隙度有一定要求， 虽然能够改进岩石压缩系数-泊松比判别法在水层、 干层的识别能力， 但对于同层、 含气水层、 含水气层仍存在问题； 利用改进的弹性模量差比值判别法可以对上述问题进行弥补， 总体而言， 以上3 种判别方法的适用条件存在差别（表1）， 在实际储层流体性质评价中， 将3 种判别方法结合能够提高测井判别准确度。

表1 3 种判别方法的适用性Table 1 Statistics of the applicability of 3 discriminating methods

4 结 论

（1） 泊松比与岩石有效压缩系数重叠法可用于定性评价一口井纵向上的含气性， 对于多井之间横向的流体性质判别效果较差。 利用Gassman 方程计算出的孔隙压缩系数可提高对气层的敏感性， 也能够区分同口井中不同井段含气性的差异。 将泊松比与岩石有效压缩系数的差值和孔隙压缩系数结合， 建立的二维火山岩储层流体图版， 可以区分气层与非气层， 但对水层以及干层判别效果较差。

（2） 拉梅系数总体反映地层弹性， 地层弹性又与地层含气性密切相关， 地层含气性越好， 拉梅系数总体越小， 但易受岩性、 物性等因素的影响，对气水同层、 含气水层等识别效果差。 四川盆地火山岩岩性大类基本稳定， 地层的纵波时差与储层物性相关性好， 通过纵波时差对拉梅系数进行改进后， 可提高拉梅系数对孔隙流体的敏感性， 将气层、 水层以及干层明显区分。

（3） 利用改进的弹性模量差值法可以降低孔隙度对储层含气性评价的影响， 同时提高在不同含气饱和度时的敏感性， 但需要精确掌握岩石固体成分的弹性模量。 具体操作时， 须将以上3 种方法综合应用， 首先利用压缩系数-泊松比差值区分出气层与非气层， 然后对比拉梅系数和弹性模量差值的储层流体识别效果， 区分出水层以及干层。 利用本文建立的评价方法为四川盆地基性火山岩储层流体性质的跟踪评价提供了有力技术支撑， 满足了现场油气快速评价的需求。