利用孔隙分類法計算火成巖儲層滲透率的方法及其應用

楊興旺,趙 杰,朱友青

(1.中國石油大學資源與信息學院,北京102249;2.中國石油大慶油田分公司勘探部,黑龍江大慶163453; 3.斯倫貝謝DCS,北京100016)

0 引 言

火成巖儲層孔隙類型多,孔隙結構復雜,并且火成巖儲層具有很強的非均質性。不經次生作用改造的火成巖其孔隙的連通性差,滲透率低;經風化、溶蝕及構造運動等次生作用改造的火成巖儲層具有碳酸鹽巖儲層類似的孔隙結構特點[1]。在沉積巖地層,常用的滲透率計算方法是基于孔隙度大小和顆粒尺寸建立的,在碎屑巖儲層應用效果較好,但在孔隙結構復雜的碳酸鹽巖和火成巖儲層遇到挑戰。斯倫貝謝公司在碳酸鹽巖儲層研究的基礎上提出了孔隙分類法計算儲層滲透率[2]。在巖心和測井資料研究的基礎上認為松遼盆地北部徐家圍子斷陷和南部長嶺斷陷中部凸起帶火成巖儲層孔隙結構具有碳酸鹽巖儲層孔隙類似的特點,利用孔隙分類法計算該研究區火成巖儲層滲透率的效果較好。

1 火成巖儲層孔隙及滲透率特點

研究區松遼盆地火成巖儲層孔隙主要可歸并為氣孔(包括杏仁孔)、次生溶孔(粒間溶孔、基質溶孔和斑晶溶孔)及晶間微孔3類。未蝕變或未經改造的火山熔巖,孔隙以晶間微孔和孤立的氣孔為主,孔隙度和滲透率很低。該類巖石脆弱、易碎,常表現為裂縫或微裂縫發育。該類巖石不是該研究區主要儲層,占據了約45%的火成巖體積。

凝灰巖儲層孔隙度稍高,主要由玻屑或晶屑組成,基本以氣孔和微孔隙為主,缺少有效溝通,滲透率低。巖心資料表明凝灰巖儲層隨孔隙度增大,滲透率增加,但滲透率增大系數低于常規儲層。該類巖石占據了約50%的火成巖體積。熱碎屑流形成的凝灰角礫巖和原地角礫巖儲層次生溶孔發育,該類巖石是研究區火成巖物性最好的儲層。熱碎屑流角礫凝灰巖中更多發育漿屑,可以保留大量的氣孔,所以可以有較高的孔隙度。溶蝕形成的原地角礫巖孔隙度具有較大的分布范圍,有時可達到20%左右,滲透率可以達到100×10-3mD(非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4μm2,下同)。

圖1為徐家圍子研究區火成巖地層不同巖性巖心孔隙度與巖心滲透率關系圖。火山溶巖(黃色數據點)孔隙度和滲透率普遍低,缺乏規律性。凝灰巖儲層(藍色數據點)孔隙發育,孔隙度相對較高,但主要為氣孔和微孔隙,孔隙連通性差,滲透率低。角礫巖儲層(粉紅色數據點)孔隙發育,孔隙度和滲透率變化較大,普遍高于凝灰巖儲層。凝灰巖和角礫巖儲層滲透率共同點是,隨孔隙度的增大,滲透率呈正比例升高,但遵循不同的變化規律,角礫巖儲層隨孔隙度的增大滲透率增加迅速。

在凝灰巖儲層,利用SDR滲透率公式[2]計算的滲透率與巖心滲透率基本吻合。但在溶蝕角礫巖儲層,SDR滲透率公式計算的滲透率低于巖心滲透率。其根本原因是在溶蝕作用下角礫巖儲層發育孔喉較大的孔隙,且連通性好,滲流能力強。SDR等滲透率計算公式是基于砂泥巖地層的孔隙度和顆粒尺寸基礎上建立的公式,溶蝕孔洞發育的火成巖儲層與顆粒支撐的砂泥巖儲層的孔隙結構存在差異,因此,SDR等滲透率經驗公式不適合次生孔洞發育的儲層。

圖1 火成巖儲層巖心孔隙度與滲透率關系圖

2 孔隙分類法原理

孔隙分類法計算滲透率又稱為 P3A(Porosity Partitioning and Permeability Analysis)[2],是斯倫貝謝公司的碳酸鹽巖儲層滲透率計算方法。碳酸鹽巖儲層孔隙類型和孔隙結構復雜,滲透率的變化隨次生孔、洞以及裂縫的發育而呈急劇變化,P3A計算滲透率的基本思路是根據孔喉半徑把儲層孔隙分為微孔、中孔和大孔而進行滲透率計算。

儲層的存儲能力和流動能力是評價儲層質量的2個重要參數,儲層存儲能力與儲層總孔隙體積φt和微孔隙體積Vmicro有關,通常隨Vmicro/φt比值減小或中孔、大孔隙體積增加,儲層存儲能力增強(見圖2);儲層的流動能力與大孔體積Vmacro和中孔體積Vmeso關系密切,通常隨大孔體積 Vmacro增加或[Vmacro/(Vmeso+Vmicro)]比值增大,儲層流體流動能力增強[5]。

在碳酸鹽巖巖心研究的基礎上,把孔喉半徑小于0.5μm的孔隙劃分為微孔,微孔通常以束縛流體為主;把孔喉半徑大于5μm的孔隙劃分為大孔,大孔指孔喉大且具有連通性的孔隙;把孔喉半徑處于0.5～5μm的孔隙劃分為中孔,中孔是主要的儲集空間[5]。根據孔隙所含大孔、中孔和微孔的比例可以把儲層孔隙分成如圖3所示的8個級別[2],儲層的滲流能力和存儲能力隨孔隙級別不同而不同。

圖2 存儲能力和流動能力與孔隙尺寸的關系

圖3 孔隙分類示意圖

目前,沒有可行的測井技術直接測量孔喉半徑,常用的方法是利用與孔隙尺寸相關的核磁共振測井等資料建立與孔喉的間接關系。核磁共振 T2分布譜的表面弛豫率是受孔隙表面積和孔隙體積的比值控制的,孔隙表面積和孔隙體積的比值是與孔喉半徑的分布相關的,也就是說核磁共振 T2分布譜與孔喉半徑相關,因此,可以利用核磁共振 T2分布譜劃分與孔喉半徑相關的孔隙類別。通常,微孔對應短 T2分布譜部分,以束縛流體體積為主;大孔對應長分布譜部分,以次生孔洞為主。

大量碳酸鹽巖巖心分析資料表明,在粒間孔、晶間孔發育或者次生孔洞等大孔不發育的儲層,利用改進的SDR滲透率計算公式,應用效果較好。改進的SDR滲透率公式中的孔隙度指數c從4改變為2,表明儲層滲流能力增強,即在相同孔隙度情況下,碳酸鹽巖儲層孔隙滲流能力比砂泥巖儲層強。滲透率公式中的孔隙度指數c與阿爾奇飽和度公式中的膠結指數m具有類似的意義。但當儲層含有一定比例的大孔時,即使改進的SDR滲透率公式和Timur/Coates滲透率公式計算的滲透率都不準確。碳酸鹽巖巖心實驗表明,在次生孔洞發育的儲層,滲透率隨大孔的體積Vmacro增加而呈正比迅速增大。因此,在對大孔研究的基礎上,利用巖心數據對 Timur/Coates公式進行了改進,見式(1),改進的 Timur/Coates公式更適合次生孔洞發育的儲層[5]。

式中,a為系數;b為孔隙度指數,值為2;c為孔隙體積比指數,值為2。指數b和c是在大量巖心分析基礎上得到的,類似于阿爾奇公式的膠結指數,在大孔隙地層,地層膠結指數減小,滲透率增加。

3 應用實例

圖4為研究區火成巖3種不同巖性和孔隙類型的孔喉半徑分布圖。圖4(a)為致密、低孔隙度流紋巖孔喉分布圖,在這種低孔隙度溶巖地層,孔喉半徑很小,普遍低于0.5μm,滲流能力很差;圖4(b)為孔隙相對發育的凝灰巖孔喉分布圖,這類儲層孔喉半徑分布范圍相對較大,60%的孔隙體積其孔喉半徑分布在0.5～5μm;圖4(c)為溶蝕角礫巖樣品,其孔喉半徑分布從0.05～20μm,這類儲層滲流能力強,大孔喉起主導作用。

圖4 巖石孔喉分布圖

圖5為研究區火成巖儲層利用P3A方法計算滲透率的實例。圖5中右起第3道為核磁共振 T2分布譜,紅色線為微孔截止值,T2值為33μs;藍色線為大孔截止值,T2值為1 000μs。圖5中右起第2道為孔隙度道,藍色充填區為微孔體積,綠色充填區為中孔體積,黃色充填區為大孔體積。右起第1道陳列的是滲透率和孔隙類型劃分結果,不同顏色和符號的圖例表示了不同的孔隙類型。長 T2譜對應著大孔和大孔-中孔孔隙類型,如層段3 712～3 719 m,3 713～3 732 m和3 744～3 748 m等;短 T2譜對應著中孔、大孔-微孔和中孔-微孔類型,如層段3 732～3 741 m和3 752～3 756 m。根據孔隙類型計算的滲透率(藍色線)與巖心滲透率(黑色數據點)吻合較好。圖5中左起第1道為滲透率對比結果,綠色線 KSDR為利用SDR滲透率公式計算的滲透率曲線,藍色線 KP3A是利用孔隙分類法P3A計算的滲透率,滲透率 KP3A與巖心滲透率(黑色數據點)吻合較好。在大孔發育層段 KSDR結果低于巖心滲透率,如層段3 713～3 719 m,3 724～3 731.8 m和3 742～3 747 m等。實例表明,在次生孔洞發育的儲層,利用孔隙分類法計算滲透率是相對準確的。

4 結 論

巖心資料和測試資料證明利用孔隙分類法計算松遼盆地火成巖儲層的滲透率是可行的,計算結果相對準確;并且孔隙分類的結果有助于對儲層生產能力的了解和判斷。該方法的局限性在于沒有考慮裂縫滲透率的計算和假設次生孔洞是連通的;如果孔洞和氣孔是孤立的,則利用該方法計算的滲透率偏高。

[1] 潘保芝,薛林福,李周波,等.裂縫性火成巖儲層測井評價方法與應用[M].北京:石油工業出版社,2003 (10):1-16,58-65.

[2] Li guoxin,et al.Petrophysical Characterization of a Complex Volcanic Reservoir, YingCheng Group, Daqing,China[J].Petrophysics,2008,49(2):113-129.

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[4] Allen D F,Boyd A,et al.The Practical Application of NMR Logging in Carbonates:3 Case Studies[J].SPWLA 42nd Ann.Logging Symp,Paper K,2001.

[5] Hassal J K,et al.Comparison of Permeability Predictors from NMR,Formation Image and Other Logs in a Carbonate Reservoir[C]∥SPE at the Abu Dhabi International Petroleum Exhibition&Conference,10-13th October 2004,SPE 88683.