致密气“三品质”测井综合评价方法研究

2022-04-23章海宁信毅黄若坤刘伟

西南石油大学学报(自然科学版) 2022年2期

关键词：库车测井孔隙

袁龙，章海宁，信毅，黄若坤，刘伟

1.中国石油测井有限公司地质研究院，陕西西安710021

2.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000

3.中国石油塔里木油田公司安全环保与工程监督中心，新疆库尔勒841000

引言

致密油气是当前国际上非常规油气藏发展的重点领域之一，具有十分广泛的勘探开发前景。致密油气“三品质”（储层品质、烃源岩品质及工程品质）是决定致密气富集程度、保存条件及有效开采的重要因素[1-4]。致密气富集程度、是否高产主要由储层“三品质”来综合表征，其产能主要受多个因素综合影响[5-7]。物性好的优质储层可能因其顶底烃源岩品质较差，导致形成不了良好的油气富集区[8]；也可能因为脆性指数低、可压裂指数较差而开采难度大；但当储层品质属于中等级别时，可能因脆性指数高、可压裂指数及源储配置关系好而较易开采。因此，储层品质、烃源岩品质决定了致密气的富集程度好坏，而工程品质则决定了致密气能否高效地进行压裂开采。

塔里木盆地库车拗陷具备较大的勘探开发潜力，亟需开展测井技术攻关，解决生产开发中面临的问题。利用测井技术开展致密气储层、烃源岩及工程品质定性评价的研究成果虽然较多[9-10]，但目前为止，很少有学者将“三品质”及三者之间进行综合评价研究。鉴于此，以库车拗陷侏罗系主力储层为研究对象，深入挖掘蕴藏在测井资料中的“三品质”等信息，结合岩芯分析化验、测录井及地质等资料，在主控因素评价的基础上，通过构建“三品质”测井定量评价技术来对储层进行综合评价，为致密气藏压裂层位和有利区的优选提供可靠的技术支持。

针对库车拗陷侏罗系致密气藏与低渗透气藏存在多方面的差异性，开展了岩石物理实验、储层参数定量建模、“三品质”测井评价及富集区优选评价等方法研究，较好地满足了油田勘探开发中的地质和工程方面的需求。

1 气藏基本特征和关键参数

1.1 致密气藏基本特征

塔里木盆地库车拗陷致密气藏位于北部依奇克里克构造带（图1），发育第四纪冲积扇，主要目的层为侏罗系阿合组，岩性为岩屑长石砂岩；主要烃源岩为侏罗系阳霞组和三叠系塔里奇克组，厚度大、分布广、有机质丰度高。在空间上，这两套烃源岩和侏罗系阿合组储层之间呈“三明治”式叠置，形成非常优质的生储盖组合。这种供烃体系充注的源储配置关系极大地提高了烃源岩排烃与聚集效率，对油气在储层中聚集成藏非常有利，是库车拗陷北部构造带致密气藏形成的重要因素。

图1 库车拗陷北部依奇克里克构造带致密气藏构造图Fig.1 Tight gas reservoir structure of Yiqikelike structural belt,northern Kuqa Depression

1.2 致密气藏表征关键参数

非常规致密砂岩气藏的测井评价方法和过程明显区别于常规油气藏。国内针对不同的油田地区采用了多套储层的表征参数和技术流程，但国外从测井角度结合地质和工程等方面来综合评价致密气的资料相对较少[11-13]。

通过分析大量致密气藏特征，本文总结出致密气藏在勘探开发中测井相关的重点研究内容，同时确定“三品质”是综合评价致密气藏特征的关键因素参数（表1）。其中，岩性、物性、含气性、电性、烃源岩特性、脆性及地应力各向异性等“七性”参数评价是致密气藏储层特征综合评价最为重要的内容，也是致密气储层“三品质”测井综合评价的核心。

表1 致密气藏评价的关键参数Tab.1 Key parameters of tight gas reservoir evaluation

2 致密气储层品质测井评价

2.1 物性测井评价

2.1.1 密度—核磁共振孔隙度

假设NMR 核磁仪器和密度测井仪能够探测相同的深度，随着仪器探测深度的增加，致密储层段的侵入剖面被测量到孔隙度特征参数不会发生明显变化，因此，通过组合密度和核磁测井数据来获取含气校正孔隙度被认定为新的一种孔隙度校正方法，来解决致密储层孔隙度的含气校正。

假设流体的含氢指数HL等于1，利用核磁共振原理，得到核磁孔隙度响应特征方程

根据理论模型原理，密度测井来计算的视孔隙度公式

设α=(1−HgPg)，而β=(ρm−ρb)/(ρm−ρL)，代入式（1）和式（2）中，对既测量岩芯孔隙度又测量核磁孔隙度的储层段进行含气校正。在这种情况下，运用拟合的方法得到致密储层中常数α 和β 值（利用重点区块67 块岩芯分析结果）。假设含气校正后的孔隙度ϕDMR等于岩芯分析孔隙度ϕCore，方程表达式改写为

2.1.2 渗透率

由于库车拗陷致密砂岩储层受到多个地质因素的影响，导致渗透率与孔隙度的相关性差且复杂。迫切需要深入研究岩石矿物组分和微观结构，分析孔隙结构指数和矿物组分对渗透率的影响，最终确定渗透率模型。因此，采用Herron 等[14]提出的考虑矿物组成来建立渗透率模型

Mi可以通过元素测井方法得到，通过岩芯刻度来获得其他参数。该公式中最具特点的是在于Fmax和Bi在不同地区具有特定值，从而准确地提高渗透率精度。

2.2 储层品质测井综合评价

2.2.1 储层品质指数测井模型构建

鉴于库车拗陷侏罗系阿合组的压汞实验分析资料较多，选用压汞数据来构建孔隙结构指数来反映储层孔隙结构以及渗流特性，最终通过这些参数（分选系数、最大孔喉半径及排驱压力等）构建孔隙结构指数PI。为了将致密储层的孔隙结构指数应用到生产中，需要建立孔隙结构指数的测井计算模型。将压汞数据得到的孔隙结构指数与测井曲线建立关系，优选出相关系数好的测井曲线来建立孔隙结构指数计算模型

从综合角度上分析，致密砂岩的储层品质影响因素包含岩性、孔隙结构指数、储层品质因子等。通过对构建特征参数进行优选，包括孔隙结构指数（GR、ρ、RT、AC、PI）、波阻抗指示（F1=ρ/AC）、泥质指示[F2=∆GR/（1 −∆GR）]、含氢量指示（F3=GRCNL）、孔隙体积与颗粒体积比[F4=ϕ/（1 −ϕ）]、储层品质因子；再利用Fisher 判别函数建立基质储层品质指数QR计算公式

2.2.2 综合评价分析

致密气储层品质指数测井解释模型计算的QR真实值变化区间较大，为了依据QR值来划分储层品质类型，对QR值进行了分类处理。处理后，QR值在0∼4，其值越大，储层品质就越好。因此，将研究区储层品质划分为4 种类型：QR值等于4 表示储层品质好（I 类）、QR值等于1 表示储层品质差（IV类）；QR值在2∼3 表示储层品质中等（II、III 类）。

图2 为库车拗陷迪北气藏DB104 井阿合组储层品质评价成果图。其中，4 700∼4 715 m、4 720∼4 735 m、4 742∼4 755 m 等层段的自然伽马值较低，在48∼65 API，受井径扩径影响的密度曲线值较低，为2.45 g/cm3左右；声波时差计算的孔隙度值在5.8%∼13.5%，渗透率在0.2∼15.0 mD，含气饱和度在45%∼78%，储层品质指数QR值以3 和4 为主。储层品质综合评价为I、II 类。

图2 库车拗陷侏罗系阿合组储层品质评价成果图（DB104 井）Fig.2 Reservoir quality evaluation result of Jurassic Ahe Formation in Kuqa Depression（Well DB104）

经测试，DB14 井日产气49×104m3，属高产气层。说明DB14 井储层品质较好，也在实践中验证了储层品质级别好的井相比品质差的井具有良好的产气潜力。

3 致密气烃源岩品质测井评价

3.1 烃源岩特征及类型

库车拗陷烃源岩是以沼泽相和河流相沉积为主体的含煤沉积构造，其有机质高度富集，而且以陆生高等植物为有机质的主要来源，有机质的性质必然与一般湖相泥岩有所差别。结合前人研究资料总结，研究区侏罗系阳霞组烃源岩属于煤系烃源岩。

从岩芯资料分析可知，库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩的岩性主要为煤层、碳质泥岩和暗色泥岩。

由图3a 所示的岩芯有机碳含量数据分析可以看出，侏罗系阳霞组煤层有机质丰度明显高于碳质泥岩和暗色泥岩，其中，煤层有机碳含量最高且大于20.00%，平均为35.26%；碳质泥岩有机碳含量一般在5.00%∼30.00%，平均为17.78%；暗色泥岩有机碳含量在1.00%∼8.00%。

从图3b 所示的烃源岩氢指数与最高温峰关系可以看出，有机质类型主要为IIIC类，其次为IIC2类，按照煤系烃源岩分类标准，库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩属于倾气性烃源岩。

图3 库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩特征及类型综合图Fig.3 Comprehensive map of characteristics and types of source rocks of Jurassic Yangxia Formation in Kuqa Depression

3.2 烃源岩地化参数评价

3.2.1 总有机碳含量测井计算

有机碳含量大小是研究区预测有机质多少的关键参数之一[15-18]。经大量实验数据和地质资料分析，研究区的烃源岩类型多且特征差异大，包括煤层、碳质泥岩和暗色泥岩，需建立不同岩性的∆lgR与岩芯有机碳含量之间关系（图4）。因此，通过综合分析按不同岩性来计算有机碳含量。

图4 不同岩性的∆lgR与岩芯有机碳含量之间关系图Fig.4 The relationship between ∆lgRof different lithology and core organic carbon content

（1）煤层

本次研究筛选了8 口井的煤层有机碳含量和测井资料，对有机碳含量与电阻率、声波时差、补偿密度等测井参数进行分析，相关性好。因此，构建能够反映深探测电阻率与声波时差包络面积∆lgR，选用研究区块205 块样品的有机碳含量数据来刻度测井∆lgR，构建煤层有机碳含量测井计算模型。

（2）泥岩类

通过对泥岩类有机碳含量与自然能谱曲线、深探测电阻率、声波时差和补偿密度等参数进行敏感性分析，发现有机碳含量与深探测电阻率、声波时差的关系最好。因此，采用经典的∆lgR方法建立了泥岩类有机碳含量的模型。

3.2.2 多参数测井计算模型

（1）生烃潜率

有机碳含量、生烃潜率可有效地表征有机质丰度，而有机质丰度是烃源岩生烃的基础参数。生烃潜率主要受烃源岩分布、有机质丰度、有机质类型、镜质体反射率等多种因素的共同影响。由于研究区的烃源岩在埋深变化不大的情况下镜质体反射率变化较小且母质类型大致相同，则为生、排烃量的计算奠定了基础。

在岩芯分析的基础上，得到煤层、泥岩类生烃潜率（IS1+S2）模型

（2）氯仿沥青“A”

氯仿沥青“A”是生烃量评价的重要参数之一，它是能被氯仿完全溶解且储存于源岩中的有机质占岩石重量的百分比。据阿尔奇公式可计算出烃源岩孔隙内含气饱和度，则氯仿沥青“A”可以由含气饱和度和岩石密度计算得到

（3）镜质体反射率

镜质体反射率大小与温度和压力密切相关，并具有一些基本的测井特征，如镜质体反射率增高，密度测井增大、声波时差减小、电阻率加大等。因此，以实验室分析值对比同一深度上的测井资料，可建立基于烃源岩埋深、测井密度和声波、测井电阻率等的线性或非线性模型。通过库车拗陷5 口井的测井资料和岩芯分析，建立镜质体反射率计算经验公式为

3.3 烃源岩品质测井综合评价

3.3.1 定义烃源岩品质指数

文献调研发现[19]，烃源岩品质除了与总有机碳含量有关外，还与烃源岩的等效厚度、镜质体反射率和生排烃效率等因素有关，因此，需综合考虑反映烃源岩品质的地化参数及组合形式来评价致密气烃源岩的发育及特征规律。

总有机碳含量和镜质体反射率是烃源岩品质评价的关键参数。因此，可以利用有机碳含量、生烃潜率及镜质体反射率等地球化学参数来构建能反映研究区煤系烃源岩发育程度的测井表征参数

根据对库车拗陷侏罗系阳霞组煤系烃源岩地化参数综合评价研究，建立了综合考虑总有机碳含量、镜质体反射率和排烃效率3 种因素的烃源岩分类评价标准，如表2 所示。

表2 库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩分类评价标准Tab.2 Classification evaluation criteria of source rock in Yangxia Formation,Jurassic,Kuqa Depression

3.3.2 综合评价分析

根据地质上烃源岩分类标准，将库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩品质分为3 类（表2）。基于上述烃源岩地化参数测井计算方法，开展了研究区阳霞组烃源岩品质指数PT研究。PT值越大，烃源岩品质就越好。结合致密气储层品质研究成果和生产动态资料，将研究区烃源岩品质性能划分为3 种类型：PT值大于8 表示烃源岩品质好（IT类）；PT值在4∼8表示烃源岩品质中等（IIT类）；PT值小于4 表示烃源岩品质较差（IIIT类）。

图5 为库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩品质参数解释成果，可以看出，烃源岩品质较好的部位主要分布在阳霞组下部4 440∼4 448 m，总有机碳含量高，在35.0%∼58.0%，镜质体反射率较高，在2.25%以上，烃源岩品质指数大于8，因此，烃源岩品质综合评价为IT类。4 390∼4 418 m、4 423∼4 428 m 处的烃源岩地化曲线显示该层烃源岩品质较好，总有机碳含量在2.8%∼7.1%，品质指数在4∼8，此处的烃源岩品质综合评价为IIT类。

图5 库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩品质参数解释成果图（YN2 井）Fig.5 Interpretation results of quality parameters of source rocks of Jurassic Yangxia Formation in Kuqa Depression（Well YN2）

以上分析说明库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩品质较好，这为后期源储配置关系分析及对产能的控制作用打下基础。

4 致密气工程品质测井评价

为了增加单井产量和延长稳产期，致密气藏一般都要进行压裂改造[20-22]，工程品质方面的测井综合评价对于压裂设计、可压裂段优选及压裂高度预测等都起到十分关键的作用。前人曾提出将脆性指数结合岩石应力强度用于页岩气储层工程评价，但少见用于致密气藏工程品质评价的研究。本文优选出一种适用研究区的脆性指数计算方法，同时引入抗压强度、断裂韧性和可压裂性指数等工程参数，结合实际情况完善工程品质测井评价标准，最终建立了研究区致密气储层工程品质测井评价方法。

4.1 致密气的脆性指数

由于测井资料具有连续性强、分辨率高及易采集等特点，目前主要利用测井资料进行储层脆性评价。常用方法包括矿物组分法、岩石力学参数法和内摩擦角法。综合分析可知：（1）3 种方法计算脆性指数的过程相互独立，但得到的3 条曲线形态非常相似；（2）矿物组分法得到的脆性指数变化范围广，且变化过于明显，适用性最差；（3）内摩擦角法得到的脆性指数与实际情况吻合度高，适用性最强。

本文采用内摩擦角法求取研究区脆性指数，经过大量研究资料分析，得出内摩擦角计算经验方程，主要通过常规测井曲线自然伽马数据来计算，最后得到脆性指数。脆性指数公式为

4.2 断裂韧性对可压裂性的影响

断裂韧性是反映水力压裂造缝能力的一个非常重要参数，其值大小不仅能反映水力压裂造缝能力强弱来分析是否易于压裂，也能够指示储层压裂程度的难易。在线弹性断裂力学理论研究的基础上，通过分析岩石压裂缝扩展机理，来充分改善致密砂岩储层可压裂性测井评价效果[23-24]。

本文预测岩石断裂韧性主要采用杨氏模量与断裂韧性的经验公式，该方法可以通过测井曲线来得到连续KIC曲线

4.3 抗压强度对可压裂性的影响

岩石样品在单向受压力条件下破裂产生的极限压应力被定义为岩石的单轴抗压强度σc，是非常重要的岩石力学参数[25]。抗压强度σc是决定在压应力条件下能否形成裂缝的重要参数。随着抗压强度增大，地层越不容易压裂形成复杂的网状缝[26]。

在前人实验数据的基础上[27]，得到岩石单轴抗压强度与孔隙度交会图如图6 所示，图中包含了国内不同地区的砂岩、碳酸盐岩和页岩的样品数据，可以看出，孔隙度与单轴抗压强度存在负相关。

图6 岩石单轴抗压强度与孔隙度交会图Fig.6 Intersection diagram of rock uniaxial compressive strength and porosity

整体来看，这3 种岩性的孔隙度与抗压强度之间的变化趋势非常明显。图6 中黑色五星是库车拗陷地区D102 井砂岩样品的单轴抗压强度测量结果。可以看出，经验公式对目标区样品的拟合程度较好。因此，可采用式（19）对本地区储层的抗压强度进行预测

4.4 可压裂性指数的提出

一般条件下，致密气藏需要进行大规模的分段压裂才能更加有效并持续地进行开发，而预测储层的有利压裂层位需通过工程品质评价、可压裂性程度分析才能达到。

致密气藏进行压裂的目的是最大化改造储集体的体积和油气采收率，形成复杂、可连通的有效裂缝网络。因此，高脆性指数、低断裂韧性和低抗压强度的岩石地层才具备理想的压裂施工条件。因此，可采用岩石脆性指数、抗压强度和断裂韧性多参数相结合的方法，构建可压裂性指数公式

4.5 工程品质测井综合评价

4.5.1 工程品质评价标准

一般情况下，致密砂岩储层的脆性指数越高，它的可压裂性就越好。当储层的脆性指数较高、断裂韧性较低但抗压强度较高时，储层的裂缝网络难以形成，使得可压裂指数相应减小，降低了储层的可压裂性；当储层的抗压强度较低、脆性指数较高且断裂韧性较高时，储层中的裂缝延伸扩展困难，可压裂性指数也相应减小，导致储层的可压裂性降低；当储层具有较低的抗压强度、断裂韧性和脆性指数时，同样也会降低储层的可压裂性。

因此，本文在研究中利用声波、密度等测井资料对地层的脆性指数、断裂韧性、抗压强度及可压裂性指数进行建模。通过梳理研究结果，结合实际生产过程中的动态排采和压裂效果资料，对库车拗陷北部构造带地区的致密气工程品质进行了等级划分，结果如表3 所示。

表3 致密气储层工程品质评价标准Tab.3 Tight gas reservoir engineering quality evaluation standard

表3 中工程品质IL类表示储层可压裂性强；IIL类表示储层具备较好的可压裂性；IIIL类表示储层可压裂性差，难以被成功改造。

4.5.2 综合评价

根据工程品质评价技术流程，对致密砂岩储层DB105X 井进行工程品质测井综合评价。对该井致密砂岩储层的上优选段（图7 第9 道中黄色充填部分或第10 道中红色充填部分代表可压裂优势段）进行施工，该井射孔段长度为58 m，所用压裂液总量为680 m3，加砂量为31 m3。经过试开采，该井累计总产气量达100×104m3，日均产气量达10×104m3，压裂前日产气3×104m3左右。

图7 库车拗陷侏罗系阿合组工程品质评价成果图（DB105X 井）Fig.7 Project quality evaluation result map of Jurassic Ahe Formation in Kuqa Depression（Well DB105X）

施工结果表明，该井储层改造效果明显，致密气产量得到显著提升，说明本文提出的利用可压裂性指数来判断储层工程品质好坏的方法适用于致密气储层，具有一定的可靠性。

5 致密气“三品质”评价方法及应用

5.1 “三品质”平面分布图

通过分析，储层含气富集程度与烃源岩生烃潜力间的配置关系对每口单井产能具有较为稳定的控制作用，即源储配置关系好能够控制含油气富集区的分布规律。为了更好地反映单井“三品质”特征，定义新的参数：有机碳非均质指数TH=(TC/TM)H、生烃非均质指数IH=IS1+S2H、储层品质非均质指数RH=RQIH、储层结构非均质指数PH=ϕPTIH、脆性参数BI、工程品质PI。

图8a、图8b 展示了烃源岩品质非均质特征规律分布，可以看出，侏罗系阳霞组烃源岩品质非均质特征参数向高产区逐渐增高，表示靠近侏罗系阿合组砂体上部烃源岩对储层产能贡献大。图8c、图8d、图8e、图8f 为储层及工程品质分布，可以看出，I、II 储层品质参数与厚度、储层结构非均质指数、工程品质参数（脆性、可压裂性）集中在油气聚集带区域，整体上较好优选库车拗陷北部构造带致密气的富集区。

图8 库车拗陷侏罗系阳霞组烃源岩、阿合组储层及工程品质综合平面分布图Fig.8 Comprehensive plane distribution map of Jurassic Yangxia Formation source rock,Ahe Formation reservoir and engineering quality in Kuqa Depression

5.2 源储配置关系及对产能的控制作用

库车拗陷研究区侏罗系阳霞段烃源岩生烃能力与阿合组储层品质有效配置控制了有利富集区分布，多井评价可优选大型致密气藏富集区。根据库车侏罗系阿合组储层品质研究结果，认为影响产能的因素主要为孔隙度和含气饱和度，其次是孔隙结构指数，储层品质与产能关系密切，能较好地描述产能的影响因素。此外，侏罗系阳霞组烃源岩生烃能力越强，同等物性条件下储层孔隙结构指数越好，其含气充注程度则越高，即含气饱和度越高。由图9a可见，通过阳霞组烃源岩品质与阿合组储层及工程品质平面分布来评价富集程度，再将三者结合，根据源储配置关系来综合评价优选富集区和潜力区（图9b），可以有效指导致密气藏的评价和开发建产。

图9 库车拗陷北部构造带致密气藏“三品质”及配置关系Fig.9 “Three qualities”and their configuration relationships of tight gas reservoir in the north structure of in Kuqa Depression

5.3 实例井“三品质”综合评价

对塔里木盆地库车拗陷致密砂岩地层DX1 井进行“三品质”测井综合评价，结果如图10 所示。

图10 库车拗陷致密气“三品质”测井综合评价（DX1 井）Fig.10 Comprehensive logging evaluation of“Three qualities”tight gas in Kuqa Depression（Well DX1）

（1）结合烃源岩品质综合评价标准，DX1 井储层段上部的阳霞组烃源岩品质级别以IT、IIT类为主。再利用库车拗陷侏罗系源储配置与单井产量关系图分析，该井的源储配置关系显著且处于构造高部位，具备高产气井特征。

（2）依据储层品质综合评价标准，DX1 井4 896.0∼4 910.0 m 段及4 939.5∼4 943.0 m 段总厚度为17.5 m。利用声波时差计算的孔隙度在6.5%∼13.0%，渗透率在0.75∼55.00 mD，含气饱和度在55%∼80%，储层品质QR值等于3 和4，整体上该井的储层品质综合评价为I、II 类。说明该井致密气储层品质较好。

（3）结合工程品质综合评价标准，通过全井段可压裂性指数和产层识别结果分析，给出DX1井可压裂层段划分标准，即将可压裂性指数大于0.20 的地层划为可压裂层段，其余为遮挡层。依据此标准，可将DX1 井划分为：Shi1—Shi5 为遮挡层，Pre1—Pre5 为可压裂层段。压裂前日产气2.8×104m3，分段压裂测试后日产气20.0×104m3，高产气层。

结合动态测试资料综合分析发现，研究区非常规致密气井想要获得较高产量，不仅要具备好的储层品质、烃源岩品质以及较好的源储配置关系，而且在压裂层段要具备好的工程品质也是非常重要的关键因素。