鄂爾多斯盆地膏鹽巖下碳酸鹽巖儲層參數計算方法

文曉峰,羅菊蘭,牛林林,羅紅梅,付浩,朱春紅

(中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安710200)

0 引 言

隨著鄂爾多斯盆地在膏鹽巖下碳酸鹽巖儲層油氣勘探開發不斷突破,由于儲層礦物組分多樣、巖性復雜和孔隙結構復雜等因素,導致利用測井資料進行儲層評價和參數計算不準確,不能滿足生產需要。主要表現:①鄂爾多斯盆地膏鹽巖下碳酸鹽巖儲層裂縫發育程度高、巖石脆性大,當儲層發育裂縫時,鉆取巖心容易破碎,給巖石物理實驗帶來了困難;②儲層礦物組分復雜,測井參數受到巖石骨架的影響大于物性和含氣性的影響,常用的風化殼型碳酸鹽巖的孔隙度和滲透率計算模型難以滿足膏鹽巖下碳酸鹽巖儲層評價需求;③膏鹽在鉆井過程中易溶于鉆井液,使巖石的孔隙度和孔隙結構發生很大變化,導致巖樣與地層巖石的真實情況差異大,巖心實驗結果無法反映地層的物性及孔隙結構;④儲層孔隙結構復雜、類型多樣,對孔隙度滲透率的關系影響大,從而造成產液量、產液性質的變化。

針對以上難題,以鄂爾多斯盆地馬五6、馬五7、馬五9膏鹽下白云巖儲層為研究對象,選取能滿足巖石物理實驗需求、代表儲層特征的巖樣,結合巖心觀察,分析實驗結果。在巖性分類的基礎上,分3種巖性組合類型分別建立了孔隙度和滲透率的計算模型,將巖樣按孔隙型、裂縫型和致密層狀分別建立了飽和度模型,使孔隙度誤差小于1.5%,滲透率誤差小于半個數量級,含氣飽和度誤差小于10.0%,滿足了膏鹽巖下測井儲層評價的需求。

圖1 二次采樣后不同巖性與孔隙類型巖心照片圖

1 地質概況

鄂爾多斯盆地奧陶系馬五段是馬家溝組最后一期蒸發旋回形成的沉積地層,細分為10個亞段,其中馬五10、馬五8、馬五6亞段為主要的膏鹽巖層,尤其以馬五6膏鹽巖分布范圍最廣、面積大,為天然氣的聚集提供了很好的蓋層。盆地西緣奧陶系上組合馬五1～馬五4地層剝露嚴重,上古生界煤系烴源巖直接與馬五6～馬五10亞段地層接觸,形成大范圍分布穩定的“供烴窗口”,為膏鹽巖下天然氣成藏提供了有利條件。膏鹽巖下的馬五6、馬五7和馬五9碳酸鹽巖巖性以白云石為主,溶蝕孔隙和微裂縫為天然氣的主要儲集空間。

2 儲層測井模型的建立

2.1 儲層地質特征及測井響應

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組膏鹽巖下白云巖儲層,孔隙不發育,物性差。通過對399塊巖樣進行數據分析,發現其孔隙度主要分布在0.0～6.0%,平均孔隙度為3.7%,其中孔隙度小于2.0%的巖樣占29.3%、2.0%～4.0%的巖樣占29.6%、4.0%～6.0%的巖樣占20.6%、大于6.0%的巖樣占20.5%。巖樣分析表明該套儲層礦物組分復雜,含有方解石、硬石膏、石鹽、石英和黃鐵礦等,使得巖石骨架頂難以確定,造成孔隙度計算不準確。另外,儲層孔隙結構復雜,以晶間孔和復合孔為主,裂縫較發育,導致孔隙度滲透率關系、氣水關系復雜。圖1為通過二次采樣得到的不同巖性與孔隙類型巖心照片圖,表1中列出了圖1所示的巖樣物性和礦物組分數據。由表1和圖1可以看出,5號巖樣為孔隙型含膏白云巖,含硬石膏,表現為高孔隙度、中高滲透率物性特征;13號巖樣為裂縫型白云巖,表現為低孔隙度、高滲透率特征;54號巖樣為致密層狀白云巖,表現為低孔隙度、低滲透率特征;58號巖樣為致密型鹽粒充填白云巖,巖心肉眼觀察為高孔隙度、高滲透率儲層,但實際表現為低孔隙度、低滲透率特征,這一矛盾主要是儲層含鹽造成的,巖心表面的孔隙由石鹽在鉆井和取心過程中溶解形成,并非巖石真正的溶蝕孔隙。圖2的壓汞曲線(其中K為滲透率,10-3μm2;φ為孔隙度,%)表明,5號巖樣的孔隙結構明顯優于58號。從表2可以看出,5號與58號巖樣聲波時差數值接近,密度和中子值反映58號孔隙度明顯大于5號,電阻率補償顯示58號更高。因此,從測井參數值上反映58號巖樣代表的儲層物性和含氣性要明顯優于5號,但試氣結果表明,5號巖樣所代表的儲層獲得了工業氣流,而58號儲層試氣結果為干層。因此,利用測井資料識別和評價這類儲層是研究的重點。

表1 圖1中巖樣的孔隙度、滲透率及礦物組分表

圖2 圖1中3塊巖樣的壓汞曲線圖

表2 圖1中巖樣的測井參數值列表

2.2 孔隙度計算模型

孔隙度是儲層評價最關鍵的參數之一,骨架值的確定對孔隙度計算精度影響較大。巖心觀察及X射線衍射資料分析表明,馬家溝組膏鹽巖下白云巖儲層含有方解石、硬石膏和石鹽等多種特殊礦物,由于這些礦物骨架值差異大,對測井計算的孔隙度精度影響較大。以密度計算孔隙度為例,石鹽的密度骨架值為2.03 g/cm3、白云巖的密度骨架值為2.87 g/cm3,當白云巖中含有石鹽時,隨著石鹽含量增高,必然導致巖石的密度骨架值降低,但是當這些石鹽并沒有被識別出來時,在計算孔隙度的過程中依然會用純白云巖的密度骨架值,從而導致計算的孔隙度比儲層實際孔隙度大;而硬石膏的密度骨架值明顯高于白云巖,因此,當白云巖里面含有少量的硬石膏時,可能會導致計算的孔隙度偏小。由此可見,對于巖性不純的白云巖,不同的礦物組分對孔隙度的計算有較大影響。同時,石鹽在地下高溫高壓環境下易溶,從而造成孔隙被充填,降低儲層孔隙度和滲透率。針對該區儲層地質特征,在研究分析77塊巖樣的X射線衍射數據基礎上,把膏鹽巖下白云巖儲層按照所含其它礦物組分分為方解石-白云石、硬石膏-白云石和石鹽-白云石這3種類型,分類進行孔隙度參數計算。

為確?？紫抖冉５臏蚀_性,需對孔隙度模型進行巖心刻度。結合儲層地質特點,該次實驗選取氣體法測量孔隙度,為使石鹽等易溶礦物不被溶解,選取有機溶劑進行洗樣并烘干,然后注入氦氣計算得到巖石顆粒體積。最后,用實驗數據結合常規測井曲線建立孔隙度計算模型。該文利用擬合法分方解石-白云石、硬石膏-白云石和石鹽-白云石這3種組合類型建立了孔隙度計算模型,具體模型見表3。表3中,φAC為用聲波時差曲線計算的孔隙度,%;φDEN為用密度曲線計算的孔隙度,%;Δt為聲波時差值,μs/m;ρ為密度值,g/cm3。

從以上模型中選出最優的孔隙度模型,可以看出,孔隙度計算模型只有硬石膏-白云巖組合型儲層當ρ>2.85時其相關系數較低,為0.792 4,其余模型相關系數都在0.950 0以上,模型的精度高。在實際應用過程中,如果存在井眼擴徑造成密度失真,利用密度曲線計算孔隙度會比地層真實孔隙度偏大,此時選用聲波孔隙度計算模型。

表3 3種巖性組合的孔隙度計算模型

2.3 滲透率計算模型

碳酸鹽巖儲層因礦物組分不同、孔隙類型不同導致孔隙度滲透率關系復雜,相同孔隙度的儲層其滲透率和產能差別很大。通過對馬家溝組中下組合儲層13口井77顆巖樣的物性分析發現,孔隙度與滲透率的關系復雜。綜合巖心的礦物組分和不同孔隙類型分析,認為在不同礦物組合分類條件下,同孔隙類型儲層的孔隙度滲透率關系差異大,如圖3所示,當儲層巖性為白云石-石灰石組合時,按照孔隙型(圖3中藍色點)和裂縫型(圖3中紅色點)進行儲層分類可得到較好的孔隙度和滲透率的關系公式。在實驗數據分析過程中發現,在巖性為硬石膏-白云石和石鹽-白云石組合2種情況下,孔隙度和滲透率關系圖中的點并沒有明顯的分區,不同孔隙類型的點分區比較明顯。因此,將硬石膏-白云石和石鹽-白云石組合情況統一按照硬石膏-石鹽-白云石組合(見圖4),分孔隙型(圖4中紫色點)和裂縫型(圖4中紅色點)得到的孔隙度滲透率關系具有較高的相關系數。由圖3、圖4可以得出:當儲層巖性為方解石-白云石組合時,裂縫型儲層孔隙度與滲透率的關系見式(1);孔隙型儲層孔隙度與滲透率的關系見式(2)。當儲層巖性為硬石膏-白云石和石鹽-白云石組合時,裂縫型儲層孔隙度與滲透率的關系見式(3);孔隙型儲層孔隙度與滲透率的關系見式(4)。

K=0.0029e4.3482φ

(1)

K=0.005e0.964φ

(2)

K=0.006e2.318φ

(3)

K=0.007e0.697φ

(4)

圖3 方解石-白云石組合孔隙度與滲透率關系圖

圖4 硬石膏-白云石或石鹽-白云石組合孔隙度與滲透率關系圖

2.4 飽和度計算模型

鄂爾多斯盆地膏鹽巖下儲層,孔隙結構復雜,巖石組合類型多變,該文以阿爾奇公式為理論基礎,在巖電實驗的基礎上,針對不同巖性組合,分別建立了孔隙型和裂縫型儲層飽和度計算模型。其中所用的巖電實驗采用降飽和度測量方法,利用氣驅法測量電阻增大系數。

膏鹽巖下碳酸鹽巖儲層礦物多樣,需要研究儲層礦物組分對a、b、m、n值(a、b、m、n代表的參數意義與傳統的阿爾奇公式一致)的影響程度。按礦物組分將白云巖儲層分為方解石-白云石組合型儲層、硬石膏-白云石組合型儲層、石鹽-白云石組合型儲層這3種類型進行實驗分析,得到孔隙度與地層因素關系和含水飽和度與電阻增大系數的關系,分析資料點分布得出不同巖性的點在圖中分布特征是一致的,說明膏鹽巖下儲層不同礦物組分對a、b、m、n值的影響基本沒有區別,因此,在建立飽和度模型時不考慮礦物組分的影響,圖5是不同巖性孔隙度與地層因素關系圖。

圖5 分巖性孔隙度與地層因素關系圖

膏鹽巖下儲層孔隙類型多樣、孔隙結構復雜,按照孔隙類型分析儲層巖電參數的關系。圖6是不同孔隙類型的孔隙度和地層因素關系圖,從圖6中可見不同孔隙類型的巖樣m、a值差異很大。當儲層為孔隙型且孔隙度大于等于1.5%時,孔隙度與地層因素的關系見式(5)。當儲層為孔隙型且孔隙度小于1.5%時,孔隙度與地層因素的關系見式(6)。當儲層為裂縫型時,孔隙度與地層因素的關系見式(7)。由此認為,對于膏鹽巖下孔隙型儲層,當孔隙度較大時,a=2.699,m=1.306,這與阿爾奇公式的理論值差異較小,而當儲層為致密層狀結構時,a=66.506,m=0.454;對于裂縫型儲層,a=12.562,m=0.672,與阿爾奇公式中的m、a理論值相差很大,具有高a、低m的特征。通過不同孔隙類型的含水飽和度與電阻的增大系數關系分析得出:對于不同孔隙類型的巖樣在雙對數坐標中的點并沒有明顯分區,且相關性較差,說明膏鹽巖下儲層電阻率的影響因素更為復雜,利用阿爾奇理論不能提供準確的飽和度計算結果。鑒于此,這里將所測巖樣一并回歸,得出電阻率增大系數公式見式(8),即可得出b=1.331,n=1.294。

F=2.699/φ1.306

(5)

F=66.506/φ0.454

(6)

F=12.562/φ0.672

(7)

(8)

式中,F為地層因素,無量綱;I為電阻率增大系數,無量綱;Sw為含水飽和度,小數。

圖6 分孔隙類型孔隙度與地層因素關系圖

3 應用效果分析

利用新建的測井解釋模型,對鄂爾多斯盆地膏鹽巖下碳酸鹽巖儲層9口探井的巖心進行分析對比,計算的孔隙度與巖心分析孔隙度一致性好,絕對誤差小于1.5%;計算的滲透率與巖心分析滲透率一致性較好,相對誤差在0.5個數量級以內;計算的飽和度與密閉取心分析飽和度也具有較好的一致性,相對誤差在10.0%以內。相比原解釋模型,新模型計算的參數精度和測井解釋符合率明顯提高,并在生產中得到廣泛應用。

XX1井是鄂爾多斯盆地靖邊氣田中部的一口預探井,目的層是馬家溝組馬五6、馬五7。該井位于馬五7的天然氣有利富集區內,該井馬五5亞段發育約12 m的鹽巖層,馬五6亞段發育硬石膏。馬五6、馬五7儲層以白云石為主,孔隙較發育。測井曲線如圖7所示,馬五6、馬五7儲層電阻率較高、聲波時差值較高、密度值較低。利用原解釋模型解釋馬五6第58、60層和馬五7第63、64層為差氣層,經酸化后測試,試氣無阻流量僅為0.328 7×104m3/d,無水。顯然,試氣結果與測井解釋結論不吻合。

3 522～3 590 m井段的白云巖儲層中均含有一定量的石鹽,孔隙度選取石鹽-白云石礦物組合模型計算,通過巖心和電成像資料得知該段是孔隙型儲層,滲透率模型選取石鹽-白云石組合的孔隙型模型計算。圖7及表6是利用模型計算得到的孔隙度、滲透率、含氣飽和度參數,與巖心實驗分析數據對比,XX1井利用新模型計算的孔隙度、滲透率與巖心實驗分析得到的孔隙度和滲透率的誤差明顯減小,其中3個層用新模型計算的平均孔隙度為2.0%,巖心分析孔隙度的絕對誤差為0.5%,較原模型計算的值誤差減小了1.5%;新模型計算平均滲透率為0.95×10-3μm2,與巖心分析滲透率的絕對誤差為0.39×10-3μm2,誤差較原模型減小了0.70×10-3μm2;計算飽和度與實驗分析飽和度一致性好,誤差較原模型減小了11.8%,驗證了新模型的可靠性。依據新的計算參數,馬五6第58層和馬五7第63、64層解釋為干層,馬五6第60層解釋為差氣層,解釋結論與試氣結果相吻合。

圖7 XX1井儲層參數計算結果對比圖

表6 XX1井儲層參數計算結果對比表

4 結 論

(1)鄂爾多斯盆地奧陶系馬五段膏鹽巖下白云巖儲層含有方解石、石鹽、硬石膏等多種特殊礦物,導致巖石骨架各參數值很難確定。巖性復雜、礦物多樣和裂縫發育等因素造成儲層參數計算難度大。

(2)針對膏鹽巖下白云巖儲層的地質特征,在精細巖性識別的基礎上,分方解石-白云石、硬石膏-白云石和石鹽-白云石這3種礦物組合建立了孔隙度計算模型,通過與物性分析資料對比,采用新模型計算的孔隙度與巖心分析結果的絕對誤差小于1.5%;在孔隙結構分析基礎上,把儲層大致分為裂縫型和孔隙型,并分別建立了滲透率計算模型,采用新模型計算的孔隙度與巖心分析結果的絕對誤差小于半個數量級;建立了針對不同礦物組分和不同孔隙類型的飽和度計算模型,計算的含水飽和度與巖心分析含水飽和度的誤差控制在10.0%以內。

(3)通過模型驗證和9口探井的實際應用,結果表明采用新模型計算的孔隙度、滲透率、含水飽和度精度明顯提高,解釋結論與試氣結果相符。