礁灰巖儲層孔隙流體敏感性參數分析
——以阿姆河右岸區塊生物礁儲層為例

曹均徐敏賀振華,2楊曉劉斌

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學 2.成都理工大學信息工程學院3.川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司 4.中國石油(土庫曼斯坦)阿姆河天然氣公司

礁灰巖儲層孔隙流體敏感性參數分析
——以阿姆河右岸區塊生物礁儲層為例

曹均1徐敏2,3賀振華1,2楊曉3劉斌4

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學 2.成都理工大學信息工程學院3.川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司 4.中國石油(土庫曼斯坦)阿姆河天然氣公司

曹均等.礁灰巖儲層孔隙流體敏感性參數分析——以阿姆河右岸區塊生物礁儲層為例.天然氣工業,2010,30(5):37-40.

儲層流體敏感性參數的分析和提取是地震資料解釋、反演和儲層流體識別的基礎。實驗室含流體樣品的巖石物理參數測試是尋找儲層流體敏感性參數的重要研究手段之一。根據土庫曼斯坦阿姆河右岸區塊油氣勘探需要,選取該區卡洛夫—牛津階碳酸鹽巖生物礁儲層的石灰巖樣品,利用MTS系統進行了巖石物理參數實驗測試,通過相同測試條件下飽氣和飽水巖樣的測試分析,發現巖樣含不同流體時地震響應特征有著明顯的差異;進一步的分析結果表明:拉梅常數等參數對含氣性較為敏感。同時,通過分析不同流體因子的組合,得到對含氣性更為敏感的高靈敏度組合式流體識別因子。從Gassmann方程入手,分析了不同流體識別因子敏感性差異的內在機理。最后,利用實驗獲取的含氣敏感性流體識別因子,對研究區的測井資料進行了定量交會圖分析。結果表明,該方法對礁灰巖儲層的氣水識別有較好的效果。

生物礁 儲集層 流體識別因子 含氣敏感性 超聲波 實驗 土庫曼斯坦 阿姆河右岸區塊

0 引言

生物礁儲層在油氣勘探開發中占有十分重要的地位,但生物礁儲層常常面臨的主要問題是預測難度大,鉆探成功率低。因此,探討不同類型生物礁儲層的巖石物理性質和地震響應特征之間的相互關系成為地球物理學家、巖石物理學家和油藏工程師共同關注的焦點。國內外研究成果表明:地震屬性對巖石孔隙中不同流體的敏感性存在著明顯的差異[1-5]。通過巖石物理參數實驗測試,從巖樣孔隙含不同流體的巖石物理參數差異獲取孔隙流體敏感性參數具有直接性、唯一性,可為特定地區的地震資料解釋、反演和儲層流體識別提供實驗依據,對降低儲層預測的多解性和鉆探風險也起著十分重要的作用。針對阿姆河右岸地區卡洛夫—牛津階碳酸鹽巖生物礁儲層的地震地質特征和儲層氣水識別的研究需要,利用MTS巖石物理參數測試系統,對該地區生物礁碳酸鹽巖樣品含不同孔隙流體的地震響應特征進行測試,利用巖石物理參數對不同流體的響應差異分析、提取儲層的含氣敏感性參數,對該地區的儲層預測和含氣性檢測具有指導意義。

1 流體識別因子的類別及計算

地震響應屬性參數對流體的敏感差異可反演巖石孔隙中流體的變化。基于巖石孔隙流體的研究,提出了多種識別流體異常的地震屬性參數,并稱之為流體識別因子。如:Goodway等所提出的LMR(Lambdamu-rho)方法[1],識別流體組分的 Russell法[2],寧忠華等提出的高靈敏度流體識別因子[5]等。通過巖石物理參數實驗測試,對特定地區巖樣含不同流體的實驗測試結果進行流體識別因子的流體敏感性分析,尋找與獲取實驗研究區生物礁儲層流體敏感性巖石物理參數,可為該地區生物礁儲層的流體檢測和預測工作提供實驗依據。

對特定儲層進行巖石孔隙流體識別時,提出或構建了多種流體識別因子,這些因子多數表現為縱波速度、橫波速度、巖石密度及三者的組合形式。主要包括密度(ρ)、縱波速度(vp)、橫波速度(vs)、縱橫波速度比(vp/vs)、泊松比(σ)、楊氏模量(E)、體積模量(κ)、剪切模量(μ)、拉梅常數(λ)、λρ、μρ、λρ·μρ、縱波阻抗(Ip)、橫波阻抗(Is)、縱橫波阻抗差(Ip-Is)等15種因子。

Russell等人提出了組合型流體識別因子(ρf),可更為直接地反映孔隙流體的影響。根據Biot-Gassmann方程得到有孔、飽和介質的波速表達式為:項,可用或者λ+2μ表示,對橫波而言,其飽和巖石速度僅取決于密度(ρ)。

從式(1)可以看到,孔隙流體變化對速度和模量的影響主要由流體因子(f)反映出來。縱波、橫波阻抗是地震反演中經常用到的參數,通過對阻抗的組合計算可以得到流體因子(f),即β2M的值。

式中:c為一個比例因子,I2p-cI2s為使能夠直接反映出流體因子(f)的值,式(4)需要滿足s-cμdry=0,則有:

式(5)即為流體識別因子(ρf)的表達式,對于c值的確定,可通過特定研究區儲層的地震、測井資料或巖石物理參數實驗測試數據確定。

式中:β為Biot系數(孔隙壓力恒定時,流體體積變化與巖石體積變化之比);M為地層模量(在體積不變的情況下,使流體進入地層的壓力);ρsat為飽和巖石的密度;f為流體因子,其值等于β2M;s為干燥巖石骨架加突出流體識別因子(Ip)的作用。

當巖石中的孔隙流體、流體賦存空間發生變化時,不同流體識別因子的響應特征是有差異的。這些差異為識別孔隙流體提供了依據。為了對不同因子的識別能力進行定量評價,以確定不同流體識別因子對流體的識別能力和敏感性程度,可用儲層巖石在孔隙流體發生變化前后屬性參數的相對變化來進行分析與定量評價。用孔隙流體變化前的屬性參數作為參照值,以孔隙流體變化后的屬性參數的相對變化來定量描述孔隙流體變化前后屬性參數的響應差異,并把它作為流體因子的識別能力(R),則巖石孔隙流體由含流體1變化到含流體2時,流體因子識別能力(R)可表示為:

2 實驗測試與結果分析

2.1 石灰巖樣品的實驗測試

實驗測試采用的是美國MTS巖石物理參數測試系統,能夠模擬6000m以內的儲層溫壓條件。樣品測試可以達到的最高溫度為200℃,最大軸向加載力為1000kN,最大圍壓為140MPa,孔隙流體壓力為70MPa。組合式超聲波換能器能激發、接收縱波(P波)和兩個同軸但偏振方向相互垂直的橫波(S1、S2)。可通過測試得到的波形讀取波的初至和振幅,再依據樣品的長度、密度計算得到縱橫波速度等地震波的多種屬性參數[6]。

實驗樣品取自土庫曼斯坦阿姆河右岸地區卡洛夫—牛津階生物礁儲層的石灰巖巖心樣品,在相同實驗條件下分別進行干燥(含空氣)和完全飽和水的巖石物理參數測試,得到含氣、水兩種不同孔隙流體巖心樣品的地震波響應特征和巖石物理參數。

2.2 實驗測試結果分析

根據實驗測試獲得的樣品飽和氣與完全飽和水兩種不同孔隙流體條件下的縱橫波速度等地震屬性參數和巖石物理參數,計算了17種流體識別因子的相對變化。根據研究區目的層巖石樣品的實驗測試結果分析,流體屬性因子(ρf)和高靈敏度因子(HS FI F)中參數c和A分別選取3.17和5.6。圖1比較直觀地表現了前15種流體識別因子的識別能力,流體屬性因子(ρf)和高靈敏度因子(HS FI F)的識別能力見表1。

分析圖1、表1的結果可以得出,當孔隙流體由含氣變化到飽和水時,不同流體識別因子的流體識別能力有著明顯的差異。根據流體識別能力的差異,可將流體識別因子分為4類:①極敏感因子ρf、HS FI F;②敏感因子λρ、λρ·μρ、λ、K、Ip、Is,σ;③較敏感因子Ip、vp/vs、ρ、vp;④弱敏感或不敏感因子 vs、E、μ、Is、μρ。

圖1 生物礁石灰巖樣品流體識別因子的識別能力圖

表1 ρf和HSFI F因子的識別能力表

根據孔隙彈性理論,當石灰巖巖樣孔隙流體由空氣變為水時,飽和氣(干)巖石、飽和水巖石的壓縮率(巖石體積模量的倒數)可以由礦物壓縮率、孔隙空間的額外壓縮率和孔隙流體壓縮率表達[7],即

式中:φ為孔隙度;Kdry為干巖石體積模量;Kmineral為礦物體積模量;Kφ為孔隙空間剛度;Ksat為飽和巖石體積模量;Kfluid為孔隙流體體積模量;μdry、μsat分別為干巖石、飽和水巖石的剪切模量;ρsat、ρfluid、ρmineral分別為飽和巖石、孔隙流體和礦物的密度。

從式中可以看出,當孔隙度不變時,對于石灰巖等較硬的巖石,空隙流體變化對孔隙空間剛度的影響較小,則飽和巖石體積模量主要受流體體積模量的影響。巖樣飽和水后,孔隙流體模量有明顯增大,巖樣的 Ksat則有明顯增加。飽水前后,其密度略有增加,而巖樣的剪切模量沒有變化。由公式可知,飽和巖石的拉梅常數(λsat)會隨之增大。由飽和巖石的縱波速度表達式和橫波速度公式(3)可知,由于巖樣飽水后λsat的增加明顯大于ρsat,因而,飽和水巖樣的縱波速度會變大,而橫波速度會因為飽水巖樣密度的增加而變小。同理,飽和水巖樣的縱波阻抗會變大,而橫波阻抗則變化較小。巖樣實驗測試結果分析獲得的不同含氣敏感性的流體識別因子較好地符合了上述巖石孔隙流體變化的地震響應機理和規律。

3 應用實例

根據巖石物理實驗測試分析獲得的含氣敏感性流體識別因子,選取研究區內某井的氣水同層進行含氣敏感性流體識別因子應用研究。該井處在東恰什古伊構造,位于阿姆河右岸“阿爾金—阿塞爾”三維區塊研究區的東部。測井資料表明該井儲層主要分布于卡洛夫—牛津階碳酸鹽巖、特別是生物礁灰巖中,包括氣層、含氣層、氣水同層、水層等。對儲層的劃分,主要是根據儲層的不同測井響應特征,結合該區塊測井資料和區域地質資料來定性識別和確定流體性質。氣水分界線的確定是預測有效儲層和計算儲量的重要依據。

根據實驗測試結果,選取了ρf、HS FI F,λρ、λρ· μρ、σ等含氣敏感性流體識別因子,對該井3623.6～3628.2m氣水同層段的測井參數和巖石物理參數,通過Gassmann(1951)方程式進行流體替換計算,得到飽和氣與飽和水兩種狀態下相應的含氣敏感性流體識別因子值。即

交會圖技術是一種常用的地震屬性解釋技術,它是把兩種屬性數據在平面圖上交會,根據交會點的坐標定出所求參數的數值和范圍的一種方法。其中,定量交會圖技術則是一項以Ebdon(1977)提出的標準差橢圓擬合技術為基礎,用定量參數描述儲層的空間展布特征,對流體屬性進行流體可識別性分析的技術[8-9]。流體因子的識別能力越強,則對孔隙流體變化越敏感,通過交會圖技術把流體識別因子值用圖示的方法反映出來,則不同識別能力的流體因子值的分布相對集中,可使不同含氣敏感性的流體識別因子能得到直觀、簡明的表達。圖2為選用λρ、ρf、σ、HS FI F、λρ·μρ等含氣敏感性流體識別因子的飽和氣和飽和水石灰巖的交會圖。通過圖2可以看出飽氣、飽水的兩類石灰巖在交匯空間的展布特征非常明顯,擬合橢圓定量地劃分出了兩個不同的區域,并且交會圖中的兩個橢圓只有少部分重疊,表明實驗測試得到的上述流體識別因子對含氣性十分敏感,氣、水識別效果明顯,對研究區儲層的氣水識別具有實踐指導作用。

圖2 生物礁灰巖定量流體識別因子交會圖

4 結論

1)巖石物理參數實驗測試表明:不同流體識別因子對飽氣和飽水生物礁儲層石灰巖的氣水識別能力存在著明顯的差異,通過巖樣含不同孔隙流體的對比分析可定量評價不同流體因子的含氣敏感性。

2)對于生物礁儲層石灰巖,拉梅常數、體積模量、縱波與橫波阻抗差、泊松比等流體識別因子對氣、水識別較為敏感,而組合式流體識別因子ρf、HS FI F、λρ、λρ·μρ等更為敏感。

3)利用定量交會圖技術,將實驗測試分析得到的含氣敏感性流體識別因子應用于研究區某井氣水同層段的氣、水識別,顯示出較好的氣、水識別效果。

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DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.009

Cao Jun,researcher,was born in1967.He is mainly engaged in research of rock physics and applied geophysics.

Add:No.1,Dongsan Rd.,Erxianqiao,Chengdu,Sichuan610059,P.R.China

Tel:+86-28-84078796 Mobile:+86-13689052435 E-mail:caojun@cdut.edu.cn

An analysis of pore fluid sensitivity parameters in reef limestone reservoirs:An example from Callovian-Oxfordian carbonate reef reservoirs in the Amu Darya Right Bank Block,Turkmenistan

Cao Jun1,Xu Min2,3,He Zhenhua1,2,Yang Xiao3,Liu Bin4
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Ex ploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan610059,China;2.College ofInf ormation Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan610059,China;3.Sichuan Petroleum Geophysical Prospecting Company, Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan610213,China;4.CN PC(Turkmenistan)A mu Darya River Gas Com pany,Beijing100101,China)

Analysis and extraction of sensitivity parameters of reservoir fluids are the basis of seismic interpretation,inversion and reservoir fluid identification.Laboratory testing of physical parameters of rock samples containing fluids is one of the most important methods to study sensitivity parameters of reservoir fluids.The samples from the Callovian-Oxfordian carbonate reef limestone reservoirs in the Amu Darya Right Bank Block are selected to test rock physical parameters by using the MTS system.Samples saturated with gas and water are tested separately under the same experimental conditions.The test results show that seismic responses are significantly different from samples saturated with different fluids.Further analysis shows that the Lame constant parameter is relatively sensitive to gas.An integral fluid identification factor combination that is more sensitive to gas is obtained by analyzing combinations of different fluid factors.The intrinsic mechanism causing the sensitivity differences of different fluid recognition factors is also studied by using the Gassmann Equation.Finally,the gas-sensitive fluid recognition factors obtained from laboratory testing are used to perform quantitative cross-plot analysis of the log data in the study area.The results show that this method is effective in differentiating gas-bearing from water-bearing reef limestone reservoirs.

bioherm,reservoir,fluid recognition factors,gas sensitivity,ultrasonic wave,laboratory experiment,Turkmenistan, Amu Darya Riglt Bank

book=37,ebook=504

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.009

2010-01-29 編輯 韓曉渝)

國家自然科學基金項目“生物礁油氣儲層地震響應特征與識別研究”(編號:40774064)。

曹均,1967年生,研究員,碩士;主要從事巖石物理、應用地球物理研究工作。地址:(610059)四川省成都市二仙橋東三路1號。電話:(028)84078796,13689052435。E-mail:caojun@cdut.edu.cn

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE5,pp.37-40,5/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)