含钙质致密油储层电阻率校正及饱和度评价方法

刘志远,李浩,郭宇豪,赵宁,陈志强

(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.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500)

0 引 言

继页岩气之后,致密油是非常规油气勘探开发的一个新热点[1-3]。致密油储层具有岩性和润湿性复杂、孔隙结构较差、低产或无自然产能等特征,储层岩石物理特征及测井响应特征复杂,含油性评价存在困难[4-7]。致密油储层饱和度精确评价是致密油勘探开发的关键[8]。测井解释中常利用电阻率计算含油饱和度,其关键在于确定合适的饱和度计算模型[9-11]。1942年壳牌公司专家Archie[12]发表著名的阿尔奇公式,最早提出测井计算储层含油气饱和度的模型。1968年,Mungan等[13]指出阿尔奇公式隐含3个假设条件:①饱和度和电阻率关系唯一;②给定储层岩心的饱和度指数为常数;③地层水电阻率性质相同。由于致密砂岩往往难以满足上述条件,使得阿尔奇公式在致密砂岩储层应用效果较差[14]。为了更准确地计算复杂储层饱和度,国内外学者以阿尔奇公式为基础,通过实验和理论推导,提出了改进的含油气饱和度计算模型。

准确确定储层电阻率是利用阿尔奇模型计算饱和度的关键。储层钙质发育常导致电阻率值增大。若计算饱和度时,未考虑钙质对电阻率的影响,则会造成计算的含油气饱和度偏大的假象[15],使测井解释与试油结果不一致。为消除钙质含量对储层电阻率的影响,需要对电阻率进行钙质含量校正。1995年张宇晓等[16]通过相对电阻率法得到钙质校正系数,对电阻率测井响应进行校正;1996年石强[17]发现钙质含量与储层电阻率近似呈指数关系,利用含钙质储层与纯砂岩储层电阻率的比值,建立与钙质含量相关的电阻率增大系数,通过电阻率增大系数即可消除钙质对储层电阻率的影响;2006年诸葛月英等[18]利用钙质含量与储层电阻率测井响应的交会图,得到钙质含量与储层电阻率的函数关系,并在此基础上校正含钙质储层电阻率,运用校正后的电阻率计算含水饱和度,提高了钙质储层测井解释符合率;2009年王敏等[19-20]通过统计回归方式得到不同流体的电阻率与钙质含量之间的函数公式,认为不同流体的电阻率与纯砂岩电阻率的差值为油水层的电阻率界限;2015年卜诚[21]结合多种测井方式,通过多元回归法得到钙质含量计算模型,并用改进的印度尼西亚公式计算含水饱和度。

四川盆地公山庙油藏凉高山组致密油储层钙质含量较高,高钙质使得电阻率测井响应难以准确反映储层含油性,储层测井饱和度评价困难。针对此问题,结合岩石物理实验及理论推导,提出一种基于钙质含量校正的致密砂岩储层含油饱和度计算模型,应用该模型可以明显提高计算含油饱和度的精度。

1 研究区地质概况

研究区公山庙油藏位于四川盆地中北部,在南充、仪陇、蓬安、西充县境内,勘探面积1 700 km2,钻探控制面积约500 km2[22]。区域构造上,公山庙油藏隶属于川中古隆中斜平缓构造带,表现为低丘地表,呈东西向展布的长条状低缓背斜构造,略呈弧形向北凸出,高点位于公山庙附近,两翼平缓对称,倾角1°～4°[23]。

侏罗纪地层是四川盆地目前唯一发育油藏的地层。公山庙油藏侏罗纪地层自下而上发育自流井组、凉高山组、沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组[24]。本文研究的目的层位为凉高山组(见图1),岩性主要为湖泊相黑色页岩、粉-细粒砂岩及泥岩[25-26]。凉高山组上段是凉高山组砂体发育的主要时期,该期川中东部绝大部分地区为滨浅湖—浅湖沉积。凉高山组油藏烃源主要来自凉高山组上段的黑色页岩,烃源条件好,形成了以岩性、构造双因素控制的复合型油藏,少数为构造背景下的岩性油藏[27-28]。

图1 研究区公山庙油藏地层柱状图

2 致密油储层特征

本文选取28块可反映公山庙油藏凉高山组储层特征的岩心开展岩石薄片、X衍射、物性、核磁共振、岩电等配套实验,明确储层岩性、物性和孔隙结构特征,为后续含钙质储层电阻率校正及饱和度建模奠定基础。

2.1 岩性特征

岩心薄片显示研究区岩性以长石岩屑砂岩[见图2(a)]为主,含少量岩屑砂岩[见图2(b)]。岩石胶结物成分复杂,主要为方解石胶结[见图2(c)],岩心钙质含量较高。X衍射分析结果表明,致密油储层矿物成分以石英和斜长石为主,黏土含量较高。石英含量在30.85%～59.97%,平均值为45.36%;斜长石含量在10.09%～52.19%,平均值为29.87%;除石英和斜长石外,方解石也较发育,方解石含量的最大值为24.92%,平均值为5.76%。部分致密油储层的钙质含量高主要由方解石含量较高引起。

图2 致密油储层薄片特征

2.2 物性特征

28块岩心物性分析结果显示:岩心孔隙度为2.820%～11.050%,平均值为6.016%;渗透率为0.011～1.681 mD(1)非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,平均值为0.168 mD。

根据贾承造等[1]的研究表明,公山庙油藏凉高山组油藏为典型的致密油藏。由岩心孔隙度、渗透率与钙质含量之间的关系分析表明,随着钙质含量的增加储层物性变差(见图3)。

图3 孔隙度、渗透率与钙质含量交会图

2.3 孔隙结构特征

岩心铸体薄片显示残余粒间孔[见图2(d)]、长石溶孔[见图2(e)]和岩屑溶孔[见图2(f)]为致密油储层的主要孔隙类型。残余粒间孔为埋藏成岩过程中经过胶结压实改造后形成的孔隙,该类孔隙形状通常为三角形或多边形,且有较大的孔隙半径与较好的孔隙连通性[29];长石溶孔为长石类矿物在有水存在的酸性介质下经溶蚀反应形成的次生溶孔,由于长石矿物种类不同,所形成的次生孔隙也存在差异;同理,岩屑溶孔为岩屑遭破坏和蚀变形成的次生孔隙[30]。

表1为公山庙油藏部分岩心配套实验数据表,实验结果明确了致密油储层的基本特征,为进一步开展储层饱和度评价奠定了基础。

表1 公山庙油藏岩心配套实验数据表

3 致密油储层电阻率校正

当储层不含钙质时,深电阻率测井响应主要反映储层的物性与含油性,物性相似的条件下,含油层段的深电阻率比不含油层段的深电阻率大[22]。同时,岩石X衍射及岩电实验结果显示:当储层含钙时电阻率明显增大,且钙质含量不同对电阻率的影响程度存在差异。因此,当储层含钙时,需在准确确定钙质含量的基础上,对深电阻率曲线进行钙质影响校正。

3.1 钙质含量计算模型

分析钙质发育层段岩心声波时差及电阻率之间的关系,钙质含量高的岩心声波时差值小、电阻率值大;钙质含量低的岩心声波时差值大、电阻率值小。钙质含量与声波时差值、电阻率对数值的相关性均较差(见图4),分析认为相关性较差的原因是声波时差和电阻率不只受钙质含量的影响,声波时差还受孔隙度影响,电阻率则受钙质含量、孔隙度及饱和度等因素的影响。

图4 声波时差、电阻率与钙质含量之间的相关关系*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

若不考虑饱和度对岩心电阻率的影响,当钙质含量高时,岩心孔隙度值小、电阻率对数值大、声波时差值小,即钙质含量与孔隙度的比值、电阻率对数与声波时差的比值成比例;反之,当钙质含量低时,规律相反。因此,可利用交会图法提高声波时差、电阻率与钙质含量之间的相关性[见图5(a)]。然而,图5(a)显示其相关性并不明显,究其原因:①电阻率对数值与声波时差值数量级不同;②饱和度对岩心电阻率的影响较大,而对声波时差的影响不大。

图5 声波时差、电阻率、孔隙度与钙质含量之间的相关关系

为解决上述问题,将岩心电阻率对数值与声波时差值进行归一化处理,归一化后变量数值均在0～1,代表了电阻率对数值与声波时差值的变化趋势。钙质含量高时,归一化的电阻率对数值接近1,归一化的声波时差值接近0,二者比值较归一化处理前变大,数量级为100～101。归一化处理后的交会图表明,归一化可有效提高声波时差、电阻率、孔隙度与钙质含量之间的相关性,相关系数达0.911 5[见图5(b)]。利用电阻率对数值与声波时差值的相对变化趋势,可以准确求取钙质含量与孔隙度的比值。

根据图5(b)可以得到钙质含量的计算模型

(1)

式中,VCa为钙质含量,%;lgRtN为归一化后的电阻率对数值,无量纲;ΔtN为归一化后的声波时差值,无量纲;φ为孔隙度,%。

根据钙质含量计算模型显示,孔隙度的准确计算是精确确定钙质含量的前提。传统体积物理模型未考虑钙质对孔隙度的影响,因此,计算的视孔隙度与岩心真实孔隙度相差较大。含钙质砂岩岩石体积物理模型为

1=φ+VCa+Vm

(2)

(3)

式中,Vm为骨架含量,%;Δt为声波时差综合响应值,μs/ft;Δtf为流体声波时差值,μs/ft;ΔtCa为钙质声波时差值,μs/ft;Δtm为骨架声波时差值,μs/ft。

联立式(1)、式(2)、式(3),推导得到含钙质储层的孔隙度计算模型

(4)

根据式(4)得到孔隙度后,即可利用式(1)计算得到钙质含量。

3.2 电阻率校正模型

当储层含钙质时,深电阻率测井响应值明显增大,因此,含钙质储层饱和度计算时需要对深电阻率进行钙质影响校正。选择发育钙质的储层,定义其深电阻率为Rt,Ca;选择与含钙质储层物性相似条件下的不含钙质储层,定义其深电阻率为Rt,J;分析lgRt,Ca/lgRt,J与VCa之间的关系,以此确定钙质含量对储层深电阻率增大值的影响(见图6)。lgRt,Ca/lgRt,J与VCa的相关关系可表示为

图6 电阻率钙质校正模型

(5)

通过上式可以得到深电阻率的钙质影响校正模型[见式(6)],利用该统计模型对深电阻率曲线进行钙质影响校正。

(6)

4 致密油储层饱和度计算模型

在深电阻率校正的基础上,可采用校正后的阿尔奇公式计算储层含水饱和度

Sw=[a×b×Rw/(Rt,J×φm)]1/n

(7)

式中,Sw为含水饱和度,小数;a、b为与岩性有关的系数;m为胶结指数;n为饱和度指数;Rw为地层水电阻率,Ω·m。

利用阿尔奇公式计算储层含水饱和度的关键在于模型参数m、n的准确确定。对岩心m、n值与孔隙度进行交会图(见图7)分析表明:无论是否含钙质,m值与孔隙度存在分段函数关系;n值与孔隙度存在线性函数关系,且含钙质样品的n值整体大于不含钙质样品的n值。综合考虑孔隙度与m、n值的关系,建立利用孔隙度计算m、n值的统计回归模型:式(8)为n值的计算模型;利用孔隙度分界值(6.2%)得到m的分段计算模型,当φ>6.2%,模型为式(9),当φ≤6.2%,模型为式(10)。

图7 岩电实验胶结指数、饱和度指数与孔隙度交会图

n=-0.2456φ+4.5058

(8)

m=2

(9)

m=0.1346φ+1.1604

(10)

5 应用实例

图8为公山庙油藏A井饱和度处理成果图,其中11号层(2 546～2 550 m)、12号层(2 556～2 559 m)的自然伽马值减小,补偿中子值和声波时差值均减小,补偿密度值呈现增大趋势,深、浅电阻率值均增大,显示钙质较发育。采用式(4)计算含钙质储层孔隙度,计算结果小于6%,与岩心实测孔隙度吻合较好。基于式(1)计算得到储层钙质含量,计算结果与岩心实测钙质含量接近,显示模型准确度较高。由图8中第5道测井实测深电阻率与钙质含量校正深电阻率对比分析得到:深电阻率曲线经过钙质影响校正后其值明显降低,利用变参数阿尔奇模型,以校正后的深电阻率曲线为基础计算含水饱和度,结果显示计算的含水饱和度与岩心分析束缚水饱和度吻合较好。

图8 A井饱和度处理成果图

将钙质校正后的变参数阿尔奇模型应用到研究区凉高山组5口井的致密油储层饱和度计算中。由图9可见,岩心实验束缚水饱和度与上述模型计算的含水饱和度结果均分布在45°线附近,饱和度的平均误差为3.9%,表明采用电阻率钙质影响校正后的变参数阿尔奇模型计算含水饱和度能大幅提升饱和度的计算精度。

图9 岩心分析与测井计算饱和度对比图

6 结 论

(1)四川盆地公山庙油藏侏罗系凉高山组致密油储层岩性以长石岩屑砂岩为主,含少量岩屑砂岩。矿物成分以石英和斜长石为主。孔隙度为2.82%～11.05%,渗透率为0.011～1.681 mD,为典型的致密油储层。储集空间以残余粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔为主。

(2)建立了钙质含量及电阻率钙质影响校正模型:①钙质含量在深电阻率、声波时差曲线上响应明显;钙质含量高,则深电阻率值大,声波时差值小;钙质将使储层深电阻率测井响应值增大,如未考虑钙质对深电阻率的影响,将使得计算的含油饱和度偏高,饱和度计算时,必须进行钙质校正;②基于含钙质砂岩岩石体积物理模型,推导得到含钙质储层的孔隙度计算模型;③建立含归一化电阻率、声波时差及孔隙度参数的钙质含量计算模型,在钙质含量计算的基础上,对电阻率值进行校正。

(3)基于钙质校正后的深电阻率曲线,利用变参数阿尔奇模型计算的含水饱和度与岩心分析束缚水饱和度吻合较好,计算的含油饱和度绝对误差小于5%。