潛江凹陷潛江組鹽間頁巖油儲層地震巖石物理特征分析

鐘慶良,趙建國,肖增佳,石秀平,賀新蔚

(1.中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司物探研究院,湖北潛江434124;2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;3.賽吉紀技術服務(北京)有限公司,北京100020)

中國陸相頁巖油資源儲量豐富,是未來國內維持石油可持續供給的重要戰略接替能源。雖然我國頁巖油勘探開發起步較晚,相當一部分技術與理論還未成體系,但截至2019年,中石化和中石油均已取得頁巖油勘探的局部性突破[1]。頁巖油的勘探開發前景可觀,正吸引眾多科研院所、油氣公司和高校等專家學者的重視。

潛江凹陷地處江漢盆地中部,為中、古生界形成的新生代內陸斷陷湖盆,屬次一級負向構造單元,周圍有不同正向構造單元圍繞。潛江組作為江漢盆地主要含油層系之一,縱向可劃分為5個亞級單元,共包括193個含鹽韻律,單巖韻律層厚度3～12m,其中鹽間頁巖油主要發育在鹽湖沉積區[2],屬淡化沉積產物。根據龍玉梅等[3]對潛34油組(E2q34)巖心含油性評價,確定了塊狀云巖相和紋層狀泥質云巖相為有利巖相。潛江組的獨特地質特征和巖石學特征使得鹽間頁巖油地層巖性變化快、礦物類型混雜,多為混合性細粒沉積[4]。導致源儲界限易混淆,“甜點”縱向多呈薄互層。此外,受成巖作用和有機質成熟度的影響,儲層孔隙發育類型和流體性質不同都會對地震響應造成不同程度的影響,進而對實際測井資料解釋和地震“甜點”識別帶來困難[5]。同時由于沉積作用導致的特殊巖相(紋層狀層理或層間縫)特征,使得頁巖可能存在一定程度的各向異性和非均質性,同樣給儲層預測帶來一定的誤差。

我國陸相頁巖油的勘探實踐表明,頁巖油儲層性質復雜,整體地球物理響應特征不明顯,常規儲層預測和“甜點”識別表征的地球物理勘探方法等難以適用于頁巖油[6]。本文研究的江漢盆地潛江凹陷潛江組頁巖油儲層亦是如此,同時還存在其獨特性。所以亟需進一步系統建立儲層巖性、物性和彈性屬性的規律性關系,尋找適用于頁巖油儲層預測的地球物理勘探方法。

地震巖石物理技術是研究儲層物性和地震屬性之間的橋梁。通過巖石物理彈性參數測試結合實際巖心孔隙度、滲透率、礦物組成、微觀孔隙結構表征辦法等,研究不同儲層條件下(不同壓力和不同飽和度)、不同巖性甚至是不同孔隙結構的巖石地震彈性響應特征,可為儲層“甜點”識別提供依據[7-8]。國外對頁巖油氣儲層巖石物理特征研究較早,如VERNIK等[9]通過巖石物理實驗測試了Bakken頁巖彈性波速度的各向異性特征,總結了巖石速度特征的影響因素。JOHNSTON等[10]通過測試速度隨壓力變化關系并結合X-射線衍射和電鏡微觀成像技術研究了頁巖的地震各向異性以及波的傳播過程。SONE等[11]對頁巖氣儲層巖石力學性質進行了研究,探討了巖心動靜態下的彈性性質和各向異性。國內的地震巖石物理測試技術在碎屑巖和碳酸鹽領域相對成熟,但在頁巖油氣的勘探開發中,缺少系統性的巖石物理測試成果,代表性的測試有鄧繼新等[12-13]在實驗室超聲波頻率下測試龍馬溪組頁巖氣儲層巖石不同壓力條件、干燥以及飽和流體條件下各向異性特征,并從地質角度分析各向異性特征的影響因素。ZHAO等[14]研究了有機質頁巖不同成熟度時的巖石物理建模方法,并根據模擬結果系統分析了有機頁巖彈性性質和各向異性的影響因素及變化規律。目前針對頁巖油巖石物理多聚焦于研究各向異性和微觀孔隙結構表征以及與測井結合的巖石物理建模方面,缺少直接對頁巖油巖心的彈性測試,本文主要通過對潛江組鹽間頁巖油儲層巖心進行系統的聲學測試,結合礦物分析等方法,分析各向異性特征,確定巖性、物性和地震彈性參數間的變化關系,尋找儲層識別的有利參數。

1 鹽間頁巖油樣品巖石物理參數測試

1.1 實驗樣品制備和測試方法

為明確潛江凹陷鹽間頁巖油不同巖性的地震巖石物理特征,選取研究區不同韻律層不同巖性巖心。所有巖心均來自研究區F井,總計取心47塊,主要包括潛3～4油組10韻律,潛40中油組3韻律,潛四下段6韻律、15韻律、18韻律、23韻律、32韻律,其中包括不同方向(平行層理方向(90°)和垂直層理方向(0))鉆取的巖心共有13組。巖性主要包括鹽巖、鈣芒硝巖/泥質鈣芒硝巖、泥質白云巖和云質泥巖4類,其礦物組成和含量見表1。

表1 礦物組成及含量測試結果

實驗樣品制備過程如下。巖心鉆取成直徑為25mm或38mm的柱塞狀,初始高度大于60mm,并進一步用線切割的方式切制成高度為40～55mm,然后將端面磨平處理,保證端面斜度小于0.05mm,以保證后續聲學性質的測試準確。切掉的片狀體用于礦物分析(XRD)和CT掃描以及電鏡分析。切割后的原狀地層的巖心樣品需進行洗油等操作,以方便后續干燥和飽和條件的聲學測試。洗油采用獨特的索氏抽提器分餾洗油法,以二氯甲烷(沸點39.75℃)作為萃取劑,洗油溫度控制在40℃,周期為20d,洗油后的樣品在40℃恒溫干燥箱中干燥24h后取出并記錄巖心直徑和長度。最后則用多層保鮮膜封存,放置干燥劑,將樣品置于-1℃冰箱中保存備用。

巖心樣品密度的測試采用常規的稱重法進行多次測試取平均值。孔隙度的測試采用HDQK-氣體孔隙度測定儀,多次測試取平均值得到比較準確的孔隙度結果。彈性參數的測試采用目前國際上較為先進的超聲實驗測試設備——AutoLab 1000系統,可實現變圍壓和變溫度測試。其原理即超聲脈沖穿透法,裝置配套的縱、橫波PZT換能器主頻為1MHz。超聲實驗測試設置初始壓力為5MPa,終止壓力為40MPa,壓力間隔為5MPa,共計8個壓力測試點。為避免巖心樣品受損同時保證樣品的圍壓平衡設置每個壓力點間的升壓過程維持15min,使得測試結果更為準確可信。此次縱、橫波速度的測試誤差分別為±1.25%和±2.00%。

1.2 密度孔隙度參數變化規律

圖1是用不同巖性巖心的密度和孔隙度進行交會的結果,結果表明,鹽巖呈現低密度和低孔隙度,密度和孔隙度范圍分別為2.06～2.20g/cm3和0.86%～3.02%,并且通過密度參數可與鹽間頁巖完全區分。鹽間頁巖中密度-孔隙度的相關性較好,其中白云巖、鈣芒硝巖、云質泥巖的密度和孔隙度的分布范圍分別是2.45～2.74g/cm3,0.29%～6.29%;2.48～2.67g/cm3,0.91%～8.24%;2.31～2.64g/cm3,4.81%～12.39%。

孔隙度的整體趨勢表現為云質泥巖最大,其次鈣芒硝巖,而泥質白云巖相對最小。其中粘土和粉砂礦物(石英和長石)以機械沉積的方式形成了粒間孔和黏土孔,決定了泥巖具有相對較高的孔隙度和較低的密度。相反,白云石和鈣芒硝占比的增高會增加密度降低孔隙度。圖1中鈣芒硝巖和白云巖的交會存在較多重疊,從礦物分析的結果可以對其進行解釋,首先白云石和鈣芒硝都屬于化學沉積,孔隙主要以晶間孔和溶蝕孔為主。由表1可知,白云巖和鈣芒硝巖基本都存在鈣芒硝和白云石礦物的混合,所以兩者在密度和孔隙度值上相接近,同時也是彈性性質可能接近的因素之一。此外值得注意的是,本數據中泥質白云巖整體密度較高而孔隙度相對較低,均來自深層,主要是受埋深影響,白云石結晶孔欠發育,孔隙度普遍低于5%。

圖1 不同巖性密度與孔隙度交會結果

1.3 彈性波速度變化規律及各向異性分析

采用脈沖穿透法測試了巖心樣品在干燥和完全飽和白油時的速度變化規律,測試壓力如前所述為0～40MPa,共計8個壓力點;飽和流體為工業白油,密度為0.89g/cm3,40℃的運動粘度為13.5～16.5mm2/s。測試飽和狀態分別為干燥和完全飽和。本次超聲(1MHz)實驗測試的目的是觀察不同巖性、不同孔隙度、不同流體飽和狀態下巖心彈性參數的變化規律,為儲層預測提供合適的地震巖石物理參數,此外更重要的是為后續巖石物理建模預測巖心彈性性質和孔隙結構參數提供可靠數據依據。這里側重于超聲實驗測試的彈性波速度的基礎分析。我們選取5組巖心樣品,對應4種巖性和一組裂縫型巖心,詳細參數見表2,每組巖樣中的兩塊樣品都是從同一母樣中按照平行地層和垂直地層取心的方式得到。

表2 測試樣品的基本參數

圖3是干燥和完全飽和白油條件下這幾種巖石樣品各向異性參數ε、γ隨壓力變化曲線,ε表示縱波各向異性程度,γ表示橫波各向異性程度,樣品的密度取兩塊平均值,并通過如下公式計算各向異性參數:

圖2 不同巖性巖心干燥和完全飽和白油條件下縱、橫波速度隨壓力變化

(1)

(2)

式中:C11,C33,C44,C66為橫向各向同性介質彈性剛度系數[15]。圖3中各巖性的縱、橫波各向異性特征如下。①縱、橫波各向異性均隨著壓力增大有不同程度的降低,縱波各向異性對壓力更為敏感。這是由于當地震波垂直裂縫面傳播時,速度衰減較大,而高壓力時,平行層理的裂縫較容易閉合,此時相當于沒有裂縫,速度提升較大。而地震波沿著裂縫面傳播(也就是垂直層理縫)時本身速度的衰減較小,與裂縫閉合時的速度差異不大。因此,平行層理縫樣品具有較高的速度壓力相關性。②鹽巖和云質泥巖以及泥質白云巖的各向異性很小,0.01<ε<0.15,0.01<γ<0.1;存在礦物定向排列的鈣芒硝巖和層間裂縫型的泥質白云巖各向異性程度相對較高,前者范圍為0.1<ε<0.25,0.025<γ<0.15;后者為0.32<ε<0.93,0.15<γ<0.75。③遇飽和流體后縱、橫波各向異性均有明顯降低,由于流體填充后增加了巖石整體剛性,減弱了孔隙的閉合速率,使得速度的變化率降低。

圖3 不同巖性巖心各向異性參數隨壓力變化

2 地震巖石物理特征分析

2.1 不同巖性彈性參數變化規律

依據地震屬性尋找有利巖相是儲層“甜點”識別的重要手段之一,然而對于鹽間頁巖油儲層,其獨特的成巖過程導致礦物組成具有混積性,巖性復雜,且縱向變化快,使得地震屬性識別有利巖性存在不確定性。因此,借助巖石物理手段直接測試巖石動態彈性參數的變化規律,可為地震“甜點”識別提供依據。圖4 給出了不同巖性30MPa壓力下完全飽和白油時的縱、橫波速度、楊氏模量與泊松比、縱波阻抗與縱、橫波比速度比以及楊氏模量與體積模量的交會圖。交會結果顯示泥質白云巖和泥質鈣芒硝巖以及云質泥巖的彈性參數交會都出現重疊,這與巖石的混積性密切相關。表3中根據礦物分析結果挑選出具有單一礦物巖石(單一礦物含量高于90%的巖心)的彈性參數統計,可以發現4種巖性的縱、橫波速度、楊氏模量、體積模量以及縱波阻抗在數值上分別存在差異,可用于地震上的巖性識別。而4種巖性的縱、橫波速度比和泊松比數值相近,故不適用于巖性區分。

圖5顯示了礦物含量與彈性參數的變化關系,所有礦物種類中,以石英含量與彈性參數的關系最為敏感。如圖5中所示,除不含石英礦物的巖石外,其它巖石無論是縱波速度還是縱波阻抗,均呈現出隨石英含量增加而先增加后減少的趨勢,特征石英含量點為15.1%。依據成巖理論的觀點,當石英含量少于15.1%時,碳酸鹽巖礦物和鈣芒硝作為巖石骨架主體,石英作為硬顆粒增加巖石整體的剛性,因此速度明顯增加,當石英含量高于15.1%時,同時一定量的粘土礦物存在使得石英的剛性效應低于粘土含量增加導致的孔隙度變大對速度的減弱作用,因此速度降低。這里石英含量的提高增強了骨架硬度,使得沉積過程中粒間孔隙不易被壓縮,保留了一定的孔隙度,因此孔隙度較高。可見,石英含量與彈性參數較為敏感,可用于有利巖性的識別。

2.2 有利儲層敏感參數識別

在測井解釋和地震儲層預測尋找有利儲層時,首先區分鹽巖層和鹽間頁巖油層(簡稱鹽間層),再從鹽間層尋找有利儲層(孔、滲、含油性較好的儲層)。按照該思路,應用巖石物理聲學測試數據對有利儲層進行識別,尋找儲層敏感參數,并與測井解釋結果相互對比驗證。圖6a和圖6b分別給出了利用巖石物理測試數據區分鹽巖層的密度與縱波速度交會和測井數據的密度與聲波時差交會結果。交會結果顯示密度可以有效區分鹽巖和鹽間頁巖,鹽巖密度一般小于2.2g/cm3,與測井解釋給出的密度結果相一致。而縱波速度難以區分鹽巖和鹽間頁巖。圖7對比了楊氏模量和泊松比交會分析的巖石物理測試結果與測井解釋結果,結果表明楊氏模量可以區分部分鹽間頁巖層,其楊氏模量大于44.38GPa,而泊松比難以區分,與測井解釋結果相近。圖8為縱波阻抗和縱、橫波速度比交會結果,縱波阻抗可以區分部分鹽間頁巖,其值IP>11.06g/cm3·km/s,其中縱、橫波速度比難以區分,與測井解釋結果相符。綜上,區分鹽巖和鹽間層的最有效參數依次為密度、楊氏模量和縱波阻抗,詳細參數見表4。

表3 不同巖性典型巖心彈性參數分布

圖9顯示了利用常規的地震巖石物理參數尋找鹽間頁巖層的有利儲層,將目的層(潛34油組10韻律,潛40中油組,潛四下15韻律)的巖心作為有利儲層,其余巖心作為不利儲層。此做法并非按有利巖性進行有利儲層的識別,原因在于地震識別儲層時的精度與一個韻律層的厚度相當(幾米到十米左右),而一種巖性層的厚度可能很小,不足以代表目的層的整體性質,無法與地震解釋結果相匹配,所以這里以目的層的整體彈性范圍區分有利儲層。對比結果發現,縱波阻抗與縱、橫波速度比、楊氏模量與泊松比聯合只能區分部分有利儲層,疊置現象嚴重。然后我們通過試驗其他參數組合的方式,最終得到λρ(含流體效應的整體剛度)與μρ(巖石骨架的剪切剛度)交會結果(圖10) 其區分效果良好。其中有利儲層滿足38.02GPa·g/cm3<λρ<67.38GPa·g/cm3以及39.51GPa·g/cm3<μρ<53.84GPa·g/cm3的范圍,并且在測井解釋數據上得到了相似的結果。兩者雖存有誤差,但參數的選擇相一致,由此可見此巖石物理的測試結果驗證了測井解釋結果的可靠性。以上統計參數見表5。

圖7 楊氏模量E與泊松比σ交會分析

圖8 縱波阻抗與縱、橫波速度比交會分析

表4 識別鹽巖層與鹽間層的有效參數

圖9 超聲數據(左)與測井數據(右)彈性參數識別有利儲層與不利儲層

圖10 超聲數據與測井數據彈性參數識別有利儲層與不利儲層

表5 識別有利儲層和不利儲層的有效參數

3 結論

通過對潛江凹陷潛江組鹽間頁巖油儲層不同巖性的47塊巖心基本物性測試、不同儲層條件下的巖石物理聲學測試,以及巖性、物性、彈性參數間的變化規律和特征關系分析,得出以下結論。

1) 鹽巖具有低密度、低孔隙度特征,云質泥巖由于石英和粘土含量占比高,其孔隙度高于泥質鈣芒硝巖和泥質白云巖,密度低于后兩者。泥質鈣芒硝巖和泥質白云巖因礦物組成為白云石和鈣芒硝共存所以孔隙度和密度分布存在重疊。作為優質巖相的泥質白云巖的孔隙度分布范圍為0.29%～6.29%。

2) 鹽巖和大部分的鹽間頁巖樣品表現為各向同性,巖石物理建模時可考慮各向同性巖石物理模型。而對于具有礦物成層排列或微裂縫成層發育的巖石,各向異性特征顯著,無論巖石物理建模還是地震反演和預測都應考慮各向異性的影響。此外,縱、橫波各向異性程度的大小,受壓力和孔隙流體的影響較為明顯,高壓力和流體飽和都會降低速度的各向異性。

3) 縱、橫波速度、縱波阻抗、楊氏模量和體積模量可用于地震巖性識別。而縱、橫波速度比和泊松比等參數不適用于巖性區分。此外,縱波速度和縱波阻抗隨石英含量增加呈現先增加后減小的變化,峰值處的石英含量為15.1%,石英含量可用于巖性識別。

4) 區分鹽巖層和鹽間層的最有效參數為密度,其次楊氏模量和縱波阻抗也可區分部分鹽間層。密度大于2.2g/cm3、楊氏模量大于44.38GPa、縱波阻抗大于11.06g/cm3·km/s可視為鹽間頁巖層。縱波阻抗與縱、橫波速度比、楊氏模量與泊松比交會可識別部分有利儲層,而最終確定了λρ和μρ能夠得到相對最好的區分效果,其中38.02GPa·g/cm3<λρ<67.38GPa·g/cm3,39.51GPa·g/cm3<μρ<53.85GPa·g/cm3的范圍可認為是有利儲層。以上結果與測井解釋結果具有一定的相似度,從巖石物理角度驗證了測井解釋結果的可靠性。同時在后續巖石物理建模時可根據上述結果標定巖石物理模型。