南堡地區(qū)蝕變火山巖儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征與蝕變程度評(píng)價(jià)

王欣茹,閆頂點(diǎn),潘保芝,司兆偉,林發(fā)武,劉得芳

(1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026;2.中國(guó)石油冀東油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,河北唐山063000)

0 引 言

火山巖儲(chǔ)層的蝕變現(xiàn)象使儲(chǔ)層特性發(fā)生復(fù)雜的變化,同時(shí),也使火山巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)難度大大增加,蝕變火山巖儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征與蝕變程度測(cè)井評(píng)價(jià)方法是研究的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于蝕變火山巖儲(chǔ)層的研究起步較晚,但近二十年,國(guó)內(nèi)蝕變火山巖研究的發(fā)展十分迅速,很多學(xué)者在蝕變火山巖測(cè)井響應(yīng)特征和蝕變程度評(píng)價(jià)方法方面的研究取得了較大進(jìn)展。王春燕等[1]在考慮礦物成分變化和蝕變強(qiáng)弱后,根據(jù)蝕變指數(shù)和巖性指數(shù)建立交會(huì)圖來(lái)區(qū)分蝕變儲(chǔ)層和未蝕變儲(chǔ)層;楊雪[2]系統(tǒng)地總結(jié)了蝕變現(xiàn)象,建立考慮蝕變的最優(yōu)化三組分模型并計(jì)算火山熔巖含水飽和度;孫茹雪[3]建立蝕變黏土礦物的中基性火山巖儲(chǔ)層模型并用ABC優(yōu)化算法評(píng)價(jià)蝕變的火山巖儲(chǔ)層;王敏等[4]結(jié)合MOSTAFA模型和中子測(cè)井曲線計(jì)算蝕變巖層孔隙度并對(duì)中基性火山巖蝕變巖層進(jìn)行識(shí)別;高衍武等[5]通過(guò)擬合巖心黏土和常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)獲得蝕變?cè)u(píng)價(jià)參數(shù)并預(yù)測(cè)蝕變火山巖的黏土含量,利用該參數(shù)建立體積模型計(jì)算火山巖孔隙度。

在蝕變?cè)u(píng)價(jià)方面,通常定義不同蝕變指數(shù)評(píng)價(jià)火山巖蝕變程度。Ruxton[6]假設(shè)在蝕變過(guò)程中巖石化學(xué)組分中的氧化鋁含量必須始終不變,根據(jù)蝕變礦物化學(xué)組分中氧化硅的摩爾濃度定義蝕變指數(shù);Nesbitt等[7]同樣假設(shè)蝕變后氧化鋁含量不變,利用蝕變礦物化學(xué)組分中氧化鈉、氧化鈣的摩爾濃度定義反映斜長(zhǎng)石蝕變程度的蝕變指數(shù);Parker[8]利用蝕變后巖石化學(xué)組分中的氧化鈉、氧化鎂、氧化鉀以及氧化鈣的摩爾質(zhì)量定義蝕變指數(shù),但是該指數(shù)只對(duì)蝕變程度低的巖石反應(yīng)靈敏。

當(dāng)前蝕變火山巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)研究依舊存在很多不足,本文針對(duì)上述局限性進(jìn)行改進(jìn),得到一套完整且適用于研究區(qū)的蝕變火山巖測(cè)井評(píng)價(jià)方法。本研究開(kāi)展于南堡5號(hào)構(gòu)造的中基性火山巖儲(chǔ)層,該地區(qū)火山巖多發(fā)生黏土化蝕變。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)研究區(qū)儲(chǔ)層蝕變程度,本文結(jié)合巖心、薄片分析數(shù)據(jù)以及測(cè)井曲線分析蝕變火山巖測(cè)井響應(yīng)特征,通過(guò)繪制交會(huì)圖建立蝕變火山巖巖性識(shí)別圖版;基于蝕變火山巖的常規(guī)測(cè)井響應(yīng)特征和地層元素測(cè)井(element capture spectroscopy logging,ECS)數(shù)據(jù)定義2種蝕變指數(shù),結(jié)合巖心黏土含量,分析蝕變指數(shù)的可靠性。為評(píng)價(jià)研究區(qū)蝕變火山巖儲(chǔ)層,建立基于研究區(qū)的蝕變火山巖巖石體積模型,采用中子—變骨架密度交會(huì)圖求取體積模型參數(shù),利用體積模型求取蝕變黏土體積及孔隙度,使用Simandoux公式計(jì)算儲(chǔ)層飽和度,最后進(jìn)行蝕變火山巖儲(chǔ)層的測(cè)井評(píng)價(jià)并結(jié)合試油結(jié)論分析結(jié)果的可靠性。

1 蝕變火山巖測(cè)井響應(yīng)特征與巖性識(shí)別

1.1 蝕變火山巖測(cè)井響應(yīng)特征

不同巖性的火山巖測(cè)井響應(yīng)特征不同,在測(cè)井曲線上表現(xiàn)的起伏變化以及形態(tài)特征也不同。蝕變黏土礦物會(huì)改變火山巖的物性,在不改變巖性的前提下使其測(cè)井響應(yīng)特征發(fā)生變化。本文結(jié)合研究區(qū)的巖心資料和火山巖儲(chǔ)層測(cè)井曲線,研究同一巖性下蝕變與未蝕變巖層測(cè)井響應(yīng)特征的變化,得到蝕變火山巖的測(cè)井響應(yīng)特征。圖1為南堡X-1井玄武巖及蝕變玄武巖常規(guī)測(cè)井曲線的對(duì)比分析圖,結(jié)果顯示:①蝕變黏土礦物更容易交換陽(yáng)離子,使電阻率測(cè)井值降低;②蝕變生成綠泥石等細(xì)粒礦物組分會(huì)導(dǎo)致密度測(cè)井值下降;③含有大量結(jié)晶水的綠泥石等蝕變黏土?xí)怪凶涌紫抖茸兇?中子測(cè)井值升高;④蝕變不僅會(huì)生成黏土礦物,還會(huì)導(dǎo)致孔隙度發(fā)生改變,但是黏土礦物對(duì)聲波時(shí)差產(chǎn)生的影響要大于孔隙度,因此,蝕變火山巖聲波時(shí)差值升高。

圖1 南堡X-1井玄武巖及蝕變玄武巖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

1.2 蝕變火山巖巖性識(shí)別

不同巖性的蝕變情況不同,需進(jìn)行蝕變火山巖巖性識(shí)別。圖2為南堡地區(qū)蝕變火山巖儲(chǔ)層自然伽馬—密度交會(huì)圖,可以發(fā)現(xiàn):玄武巖性火山巖的自然伽馬值明顯低于流紋巖性火山巖,為20～80 API;玄武質(zhì)凝灰?guī)r和蝕變玄武巖都在玄武巖的上方,密度小于2.5 g/cm3,二者很難區(qū)分;流紋巖的自然伽馬值偏高,分布在90～120 API,密度在2.5 g/cm3以下;流紋質(zhì)凝灰?guī)r和流紋巖的密度值相近,但自然伽馬值相對(duì)較低,在80～90 API;流紋巖與蝕變流紋巖在當(dāng)前巖性識(shí)別圖版中很難區(qū)分。因此,用此圖版可以完成部分火山巖性識(shí)別。

圖2 GR—DEN交會(huì)圖巖性識(shí)別圖版

為了區(qū)分蝕變和未蝕變巖層,根據(jù)蝕變火山巖的測(cè)井響應(yīng)特征,選取聲波時(shí)差測(cè)井和深側(cè)向電阻率測(cè)井曲線,建立聲波時(shí)差—深側(cè)向電阻率交會(huì)圖圖版(見(jiàn)圖3)。圖3中,黑色直線為蝕變數(shù)據(jù)和未蝕變數(shù)據(jù)的分界線,紅色圓點(diǎn)為分界線與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)。可以發(fā)現(xiàn),綠色數(shù)據(jù)點(diǎn)所代表的蝕變巖層深側(cè)向電阻率測(cè)井值明顯降低,聲波時(shí)差測(cè)井值變大,整體表現(xiàn)為蝕變數(shù)據(jù)點(diǎn)向右下方偏離,根據(jù)分界線可進(jìn)行分離,本文結(jié)合這一特征定義蝕變識(shí)別參數(shù)ARs

圖3 AC—RLLd交會(huì)圖蝕變識(shí)別圖版

(1)

式中,RLLd為深側(cè)向電阻率,Ω·m;AC為聲波時(shí)差,μs/ft;a為分界線與縱軸交點(diǎn)縱坐標(biāo);b為分界線與橫軸交點(diǎn)橫坐標(biāo)。利用ARs參數(shù)進(jìn)行蝕變巖層的識(shí)別:當(dāng)ARs>0時(shí),為未蝕變巖層;ARs<0時(shí),為蝕變巖層。

2 蝕變指數(shù)

上述研究證明,南堡地區(qū)火山巖儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)受蝕變影響變化明顯,蝕變黏土對(duì)于測(cè)井評(píng)價(jià)的影響不可忽視,定義蝕變指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)蝕變巖層的蝕變程度,是用測(cè)井方法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)蝕變火山巖儲(chǔ)層的重要一環(huán)。

2.1 蝕變指數(shù)Is

高衍武等[5]基于蝕變黏土礦物會(huì)增加中子和聲波時(shí)差值、降低密度和電阻率值等變化規(guī)律,結(jié)合核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),定義蝕變指數(shù)IAL

(2)

式中,AC為聲波時(shí)差,μs/ft;CNL為補(bǔ)償中子,%;DEN為密度,g/cm3;RLLd為深側(cè)向電阻率,Ω·m;φe為核磁共振有效孔隙度,%;φt為核磁共振總孔隙度,%。

本文只考慮常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),基于蝕變指數(shù)IAL定義新的蝕變指數(shù)。為了放大蝕變影響,設(shè)定目標(biāo)巖層聲波時(shí)差最小值A(chǔ)Cmin和中子最小值CNLmin為未蝕變時(shí)巖層的聲波時(shí)差和中子測(cè)井值,用聲波時(shí)差和中子測(cè)井值與對(duì)應(yīng)最小值的差值代替基礎(chǔ)的聲波時(shí)差值和中子測(cè)井值CNL,再利用歸一化方法,降低由不同測(cè)井值差異過(guò)大帶來(lái)的誤差,最終得到蝕變指數(shù)Is

(3)

式中,c為巖性參數(shù),用以將蝕變通指數(shù)Is刻度到0～100。

2.2 蝕變指數(shù)Ie

Campbell等[9]研究發(fā)現(xiàn)巖層在蝕變過(guò)程中元素的含量會(huì)發(fā)生變化,在發(fā)生蝕變時(shí),活動(dòng)元素的遷入或者遷出會(huì)導(dǎo)致元素含量的“稀釋”或“濃縮”。因此,可以結(jié)合這一規(guī)律并根據(jù)地層元素測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)定義蝕變指數(shù)Ie。

基于研究區(qū)巖心黏土含量與地層元素測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),繪制巖心黏土含量—元素重量百分比含量交會(huì)圖,研究發(fā)現(xiàn)鋁元素(Al)和鐵元素(Fe)的重量百分比含量與巖心黏土含量呈正相關(guān),硅元素(Si)和釓元素(Gd)的重量百分比含量與巖心黏土含量呈負(fù)相關(guān)。利用與黏土含量相關(guān)性較高的Al、Fe、Si、Gd元素重量百分比含量,定義蝕變指數(shù)Ie

Ie=d(WAl×WFe)/(WGd×WSi)

(4)

式中,d為巖性參數(shù),用以將蝕變指數(shù)Ie刻度到0～100;WAl、WFe、WGd和WSi分別為Al元素、Fe元素、Gd元素和Si元素的重量百分比含量。

在結(jié)合巖心黏土含量進(jìn)行分析后,確定了適合研究區(qū)域蝕變火山巖儲(chǔ)層蝕變程度的劃分方案:0≤蝕變指數(shù)(Is或Ie)<8,輕度蝕變;8≤蝕變指數(shù)(Is或Ie)<33,中度蝕變;33≤蝕變指數(shù)(Is或Ie),重度蝕變。

2.3 蝕變程度測(cè)井評(píng)價(jià)及效果

對(duì)研究區(qū)域內(nèi)X-2井的玄武巖地層進(jìn)行蝕變指數(shù)Is和Ie處理,結(jié)合該井巖心黏土含量進(jìn)行分析,截取巖心黏土所在深度4 538～4 595 m層段,繪制南堡X-2井蝕變指數(shù)及蝕變程度分析圖(見(jiàn)圖4)。圖4中聲波時(shí)差和中子值隨蝕變程度的增加而增大;密度和深電阻率值隨蝕變程度的增加而降低,符合黏土化蝕變的測(cè)井響應(yīng)特征規(guī)律。根據(jù)常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到的蝕變指數(shù)Is和根據(jù)ECS測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到的蝕變指數(shù)Ie都與巖心黏土含量的吻合度較高。在此玄武巖層段中,中度和重度蝕變層偏多,輕度蝕變層偏少。

圖4 南堡X-2井蝕變指數(shù)及蝕變程度分析圖

但是,蝕變指數(shù)Is和Ie的識(shí)別結(jié)果在部分深度有些許差異。以4 541 m的識(shí)別結(jié)果為例,Is識(shí)別結(jié)果為中度蝕變,而Ie識(shí)別結(jié)果為重度蝕變。由于Ie所用Al、Fe、Gd、Si元素的重量百分比含量與巖心黏土含量的相關(guān)性,小于Is中所用常規(guī)測(cè)井曲線與巖心黏土含量的相關(guān)性,在理論上Is的識(shí)別結(jié)果更為準(zhǔn)確,因此,當(dāng)二者有差異時(shí)應(yīng)以Is的識(shí)別結(jié)果為準(zhǔn)。

3 蝕變火山巖儲(chǔ)層飽和度計(jì)算

蝕變不僅會(huì)影響火山巖儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征,也會(huì)改變其孔隙度和飽和度。為了校正蝕變黏土對(duì)于孔隙度和飽和度的影響,本文在識(shí)別出蝕變巖層后,針對(duì)蝕變火山巖儲(chǔ)層,建立考慮蝕變黏土影響的蝕變火山巖巖石體積模型求取蝕變黏土體積和孔隙度,進(jìn)而計(jì)算考慮蝕變黏土的飽和度。

3.1 定量計(jì)算蝕變火山巖儲(chǔ)層黏土含量及孔隙度

根據(jù)南堡地區(qū)蝕變火山巖儲(chǔ)層特點(diǎn),建立由不導(dǎo)電的混合骨架體積Vma、總孔隙度φ和蝕變黏土含量Vsh構(gòu)成的蝕變火山巖巖石體積模型,求取蝕變黏土體積和孔隙度。

1=Vma+φ+Vsh

(5)

求取骨架參數(shù)的常規(guī)方法是統(tǒng)計(jì)分析,但是火山巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜,這種計(jì)算骨架參數(shù)的方法并不適用,因此,利用ECS測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)蝕變火山巖骨架密度。

參考火山巖礦物模型,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的元素與骨架密度之間的關(guān)系獲取骨架密度

ρma=3.1475-1.1003WSi-0.9834WCa-

2.4385WNa-2.4082WK+1.4245WFe-11.31WTi

(6)

式中,WSi、WCa、WNa、WK、WFe、WTi分別為硅、鈣、鈉、鉀、鐵、鈦等元素的重量百分比含量。

根據(jù)體積模型,當(dāng)火山巖儲(chǔ)層只由孔隙、混合骨架和蝕變黏土組成時(shí),利用ECS骨架密度和中子測(cè)井值可以建立中子—變骨架密度交會(huì)圖(見(jiàn)圖5),選取混合骨架M(φma,ρma)和蝕變黏土點(diǎn)S(φsh,ρsh)得到中子和密度參數(shù)。

圖5 中子-變骨架密度交會(huì)圖

令地層總孔隙度為φ,中子測(cè)井值為φN,孔隙中流體的中子值為φf(shuō),密度測(cè)井值為ρ,流體密度值為ρf,再結(jié)合由圖5所得參數(shù)以及蝕變火山巖儲(chǔ)層巖石體積模型可以得到

(7)

解得

(8)

其中系數(shù)A1、B1、C1、A2、B2、C2的計(jì)算公式

(9)

(10)

利用式(7)～(10)即可求取蝕變火山巖儲(chǔ)層的孔隙度φ和蝕變黏土體積Vsh。

在研究區(qū)內(nèi)的X-3井中應(yīng)用體積模型,求取蝕變巖層的孔隙度和蝕變黏土體積,結(jié)合巖心孔隙度和巖心黏土含量進(jìn)行分析,截取巖心附近深度4 160～4 175 m層段繪制X-3井巖石體積模型應(yīng)用結(jié)果分析圖(見(jiàn)圖6)。本段巖層的火山巖巖性為玄武質(zhì)凝灰?guī)r,發(fā)生輕度和重度蝕變,測(cè)井曲線變化規(guī)律符合蝕變火山巖測(cè)井響應(yīng)特征的研究結(jié)果;用體積模型計(jì)算所得的蝕變黏土體積和孔隙度與實(shí)際巖心黏土含量以及巖心孔隙度比較符合,可靠性較高。

圖6 X-3井巖石體積模型應(yīng)用結(jié)果分析圖

3.2 蝕變火山巖儲(chǔ)層飽和度計(jì)算

根據(jù)上述結(jié)果,采用考慮蝕變黏土的Simandoux模型[10]計(jì)算蝕變火山巖儲(chǔ)層含水飽和度

(11)

式中,SW為含水飽和度,%;RW為地層水電阻率,Ω·m;Rt為地層電阻率,Ω·m;Rsh為黏土礦物電阻率,Ω·m;Vsh和φ分別為巖石體積模型計(jì)算得到的蝕變黏土體積和孔隙度。

束縛水飽和度Swi由巖心實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)擬合而得

(12)

在南堡地區(qū)X-1井中應(yīng)用Simandoux模型[10]和束縛水飽和度公式,計(jì)算蝕變火山巖儲(chǔ)層的飽和度并結(jié)合實(shí)際的試油結(jié)論進(jìn)行分析,對(duì)X-1井進(jìn)行綜合測(cè)井評(píng)價(jià),截取試油結(jié)論所在深度4 760～4 788 m層段,繪制南堡X-1井測(cè)井解釋結(jié)果圖(見(jiàn)圖7)。

由圖7可見(jiàn):研究區(qū)X-1井4 760～4 788 m深度段火山巖儲(chǔ)層巖性為玄武巖,發(fā)生輕度、中度和重度蝕變,巖層的測(cè)井響應(yīng)特征符合研究所得規(guī)律。Simandoux模型計(jì)算結(jié)果顯示本段儲(chǔ)層為氣層,該井日產(chǎn)氣1.07×104m3,與實(shí)際試油結(jié)論相符。在研究區(qū)域,此測(cè)井評(píng)價(jià)方法行之有效。

圖7 南堡X-1井測(cè)井解釋結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)對(duì)比分析的結(jié)果證明,黏土化蝕變會(huì)導(dǎo)致研究區(qū)域蝕變火山巖儲(chǔ)層的聲波時(shí)差、中子值升高,同時(shí)使電阻率和密度值降低。

(2)結(jié)合蝕變火山巖的測(cè)井響應(yīng)特征建立的巖性識(shí)別圖版可以有效識(shí)別研究區(qū)域的火山巖巖性,在區(qū)分蝕變火山巖層方面效果明顯,識(shí)別結(jié)果與薄片分析相符。

(3)本文定義蝕變指數(shù)Is和Ie,在研究區(qū)域中應(yīng)用效果較好,對(duì)火山巖儲(chǔ)層蝕變程度的評(píng)價(jià)比較準(zhǔn)確,比之前建立的蝕變指數(shù)更靈敏,普適性更高。

(4)本文基于南堡地區(qū)蝕變火山巖儲(chǔ)層特點(diǎn),建立蝕變火山巖巖石體積模型,求取的蝕變黏土體積和孔隙度與實(shí)際測(cè)量吻合度很高,考慮蝕變黏土礦物影響后的測(cè)井飽和度評(píng)價(jià)結(jié)果比較可靠。