深層含瀝青白云巖儲層巖石物理特征與測井評價方法

王躍祥 謝 冰 賴 強 何緒全 楊 滿 趙艾琳 彭 驍 韓 冰 白 利

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 2.斯倫貝謝有限公司

0 引言

近年來四川盆地泥盆系觀霧山組發現大套白云巖儲層，多口井獲得工業氣流，展示出川西地區泥盆系觀霧山組存在巨大的勘探潛力[1-2]。觀霧山組巖性以白云巖為主，條帶狀和團塊狀黃鐵礦較發育，儲集空間復雜，溶蝕孔洞發育，孔洞充填瀝青嚴重。瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的混合物，在常溫下呈固體（焦瀝青）、半固體或黏稠液體狀態（軟瀝青）。瀝青充填在儲層中使孔隙度和滲透率降低，非均質性增強[3-7]。瀝青在儲層中屬于難以開發的不流動的“死油”，對儲層的影響主要為填充孔隙（減小有效孔隙度）、堵塞孔隙喉道（降低滲透率）、改變潤濕性和儲層儲集性能[8-12]。紀友亮等對東濮凹陷含瀝青井段研究發現，瀝青占據儲集層空間高達60%以上[13]。陳世加等以鄂爾多斯盆地華慶地區為例，通過含瀝青儲集層有機溶劑浸泡前后的物性對比實驗分析發現，瀝青類似于充填在儲集層孔隙中的膠結物及自生黏土，使儲集層孔隙度和滲透率急劇降低，非均質性增強[14]。瀝青充填導致孔隙度受影響，儲層參數定量計算及有效性評價難[15]。用常規實驗方法巖心瀝青很難完全溶解，無法準確測量瀝青含量。國內外很多學者對瀝青的研究主要集中在瀝青質砂巖儲集層方面[16-17]，但對于深層含瀝青白云巖儲層測井評價的適用性具有局限性。筆者采用瀝青溶解實驗新方法，即高溫循環瀝青溶解技術進行瀝青溶解實驗。選取川西地區觀霧山組15塊含瀝青白云巖巖心樣品，進行瀝青溶解前后物性、聲波時差、電阻率等實驗，分析含瀝青白云巖儲層的巖石物理特征，提出一種基于瀝青實驗的白云巖儲層測井評價方法，并應用于川西地區觀霧山組白云巖儲層評價[18]。

1 瀝青溶解實驗

1.1 樣品來源

為研究瀝青在碳酸鹽儲層中的充填狀態，定量評價瀝青對儲層物性、密度、電阻率、聲波時差等測井參數的影響，需建立瀝青測井識別圖版。主要采用青川何家梁剖面野外露頭軟瀝青樣品和S3井焦瀝青樣品。野外露頭觀霧山組碳酸鹽巖溶蝕孔洞發育，孔洞中見大量軟瀝青充填，采集大量含瀝青樣品，鉆取柱塞樣5塊，并對其進行編號G-1～G-5；S3井觀霧山組巖性主要以白云巖為主，溶孔發育，孔洞中見大量焦瀝青，選取瀝青含量較多樣品，對其進行鉆樣10個，并編號G-6～G-15。根據野外露頭樣品、井下樣品巖樣照片發現，川西北地區觀霧山組瀝青主要呈團塊狀、脈狀以及不規則狀充填于溶蝕孔洞和裂縫中。野外露頭觀霧山組溶蝕孔洞和裂縫發育，孔洞大小不一，瀝青演化程度較低，具有一定的可流動性，主要呈團塊狀充填于溶蝕孔洞（圖1-a）、浸染狀附于白云巖表面（圖1-b）以及脈狀充填于裂縫之中（圖1-c）。井下巖心觀察發現，瀝青主要呈團塊狀充填于形狀不一的溶蝕孔洞中（圖1-d，圖1-e）以及脈狀充填于裂縫中（圖1-f）。通過野外和井下樣品鏡下薄片分析也同樣可以看出，瀝青主要充填在溶蝕孔洞（圖1-g，圖1-h）和裂縫中（圖1-i）。

圖1 川西北地區觀霧山組瀝青充填組圖

1.2 實驗方法

關于固體瀝青的溶解技術，國內外大多數學者的研究主要集中于低演化瀝青，主要采用二硫化碳、三氯甲烷、苯以及環己烷等單一溶劑進行溶解，溶解效果較好。而有關高演化的焦瀝青溶解方面的研究相對較少， 采用超強混合溶劑（二硫化碳與N-甲基-2-吡咯烷酮）對高演化焦瀝青具有一定的溶解效果，但不能高溫循環溶解，且成本較高。針對高演化焦瀝青難以溶解，采用了N-甲基-2-吡咯烷酮和N.N-二甲基甲酰胺混合溶劑，用新型耐高溫循環溶解技術方法，在高溫條件下（200～500℃）對高演化瀝青進行循環溶解，溶解效果較好，并且安全性較高，極大地降低了實驗成本。

2 瀝青對儲層物性和測井參數的影響

固體瀝青屬于不可流動、富含瀝青質的碳氫化合物，固體瀝青充填在儲層中使孔隙度和滲透率降低，非均質性增強。瀝青不僅對儲層物性具有嚴重的影響，而且對測井參數也具有一定的影響，并且利用常規測井手段很難識別，嚴重影響有效試油（氣）層的選擇。為了定量評價瀝青對儲集層的物性、密度以及相關測井參數（聲波時差、電阻率）的影響，對研究區野外露頭和井下含瀝青樣品溶解前后對比實驗分析，評價瀝青對儲集層物性和測井參數的影響程度，建立定量關系式，為瀝青測井識別以及試油（氣）層的選擇提供理論依據。

2.1 瀝青對儲層物性的影響

基于瀝青溶解前后巖心樣品的物性實驗表明：瀝青會破壞儲集層的孔隙結構，導致儲集層孔隙度減小、滲透性減小（圖2）。

圖2 瀝青溶解前后巖心物性直方圖

2.2 瀝青對聲波時差的影響

聲波時差除了受沉積地層的巖性、物性以及孔隙中的流體性質等因素影響之外，還與瀝青在巖石孔隙中的充填狀態有關[7-9]。對樣品進行瀝青溶解前后的聲波時差進行測定，發現瀝青溶解后巖樣聲波時差均有增加，但是不同類型樣品、其縱、橫波的聲波時差變化均有不同，未找到統計學規律（圖3）。野外露頭軟瀝青演化程度較低，具有一定的可流動性，主要呈團塊狀充填于溶蝕孔洞以及脈狀充填于裂縫之中，氯仿瀝青“A”含量偏高，但族組成中飽和烴卻較少，瀝青等效鏡質體反射率為1.1%，處于成熟階段。井下巖心焦瀝青主要呈團塊狀充填于形狀不一的溶蝕孔洞中，可溶有機質含量較少，族組成中具有一定的飽和烴含量，等效鏡質體反射率為2.2%，處于過成熟階段。井下樣品焦瀝青（G-6—G-15）聲波時差增加值比野外樣品軟瀝青（G-1—G-5）大，同時橫波時差相對于縱波時差而言變化更加明顯。

圖3 瀝青溶解前后聲波波時差直方圖

通過野外剖面5塊軟瀝青樣品瀝青溶解前后實驗分析發現，瀝青溶解后聲波時差增加，并且橫波時差比縱波時差變化更加明顯（圖4，表1）。溶解前縱波時差介于46.5～50.7 μs/ft，平均48.6 μs/ft。瀝青溶解后縱波時差介于 47.9 ～ 54.2 μs/ft，平均50.9 μs/ft。瀝青溶解后，縱波時差平均增加2.3 μs/ft，增加比例4.7%。溶解前橫波時差介于84.6 ～ 89.0 μs/ft，平均 86.84 μs/ft。溶解后橫波時差介于 88.9 ～ 92.7 μs/ft，平均 91.24 μs/ft，平均增加 4.4 μs/ft，增加比例 5.1%。

圖4 瀝青溶解量與聲波時差變化值關系圖

表1 井下樣品瀝青溶解前后聲波時差統計表

通過井下10塊焦瀝青樣品溶解前后實驗分析發現，瀝青溶解后聲波時差同樣增加，橫波時差增加更大（圖4，表1）。溶解前井下樣品縱波時差介于 47.60 ～ 53.00 μs/ft，平均 50.01 μs/ft。溶解后縱波時差介于 51.40 ～ 55.50 μs/ft，平均 53.54 μs/ft。瀝青溶解后，縱波時差平均增加3.53 μs/ft，增加比例7.1%。溶解前橫波時差介于79.3～96.8 μs/ft，平均88.45 μs/ft，溶解后橫波時差介于95.3～107.6 μs/ft，平均99.79 μs/ft。瀝青溶解后，橫波時差平均增加11.34 μs/ft，增加比例12.8%。

2.3 瀝青對電阻率的影響

瀝青具有很高的電阻率，充填在巖心中使得測量的電阻率增大，用電阻率計算出的含油飽和度往往偏高，使得測井解釋符合率偏低。通過瀝青溶解量與電阻率變化值定量評價分析發現，電阻率減小值與瀝青溶解量呈指數相關（圖5）。野外剖面軟瀝青樣品瀝青溶解1個百分點，電阻率減小239.0 Ω·m，減少比例47.1%。井下焦瀝青樣品溶解1個百分點，電阻率減小19.2 Ω·m，減少比例30.7%。瀝青溶解量越多，電阻率變化值越明顯（表2）。

圖5 瀝青溶解量與電阻率變化值關系圖

表2 川西北地區觀霧山組瀝青溶解前后電阻率數據統計表

2.4 瀝青對各類參數的影響

通過以上實驗數據分析表明，軟瀝青與焦瀝青對各類參數的影響具有一定的差異（圖6）。在各類參數中，軟瀝青和焦瀝青對電阻率、巖心孔隙度和滲透率影響均較大；而低演化軟瀝青對核磁共振孔隙度影響明顯強于高演化焦瀝青對核磁共振孔隙度影響，這與不同演化程度瀝青在核磁共振上的響應強度息息相關；此外，無論是焦瀝青還是軟瀝青，對縱波時差影響較小，對橫波時差的影響卻較大，但在焦瀝青溶解量少于軟瀝青的情況下，焦瀝青對聲波時差的影響反而更大，因此，隨著瀝青演化程度的增加，對聲波時差影響可能越來越大。以上瀝青對各類參數的影響特點，對瀝青的定性識別和瀝青的定量計算具有重要參考價值。

圖6 瀝青對各類參數的影響示意圖

3 測井評價方法

3.1 瀝青定性識別

3.1.1 縱波時差—橫波時差交會圖

對研究區觀霧山組野外、井下碳酸鹽巖含瀝青儲層樣品溶解前后進行聲波時差實驗測定。研究結果表明，無論是野外低演化軟瀝青，還是井下演化程度較高的焦瀝青，瀝青導致縱波時差減小，瀝青溶解后縱波時差平均增加3.53 μs/ft，增加比例7.1%，瀝青導致橫波時差減小更明顯，溶解后橫波時差增大，增加11.34 μs/ft，增加比例12.8%（圖7）。

3.1.2 電阻率-聲波時差交會圖

綜合以上分析，瀝青的存在會對聲波時差產生一定影響[16-17]。巖樣中瀝青溶解的越多，聲波時差增加值越大，并且橫波時差變化更加明顯。同時，瀝青的電阻率非常大，屬于不導電的碳氫化合物，瀝青導致儲層電阻率增加，電阻率增加值與瀝青溶解量呈指數相關。溶解前后電阻率—聲波時差進行交會圖顯示，瀝青溶解前樣品主要分布在交會圖左上方，瀝青溶解后主要分布在交會圖的右下方（圖8）。結果表明利用電阻率—聲波時差交會圖可以識別瀝青層。

圖8 瀝青溶解前后電阻率—聲波時差交匯圖

3.2 瀝青含量定量計算

由于瀝青的存在會導致電阻率和聲波時差增加，并且瀝青在測井上表現為自然伽馬高值，瀝青含量與自然伽馬具有正相關關系[19]。基于測井參數多元回歸法建立了瀝青質量百分含量與自然伽馬、電阻率對數值及縱波時差的關系式：

式中Y1表示瀝青質量百分含量；X1表示自然伽馬，API；X2表示縱波時差，μs/ft；X3表示電阻率對數值；R表示相關系數。

通過該模型計算的瀝青含量與實測的瀝青含量符合程度較高。

4 應用實例

A1井為觀霧山組的一口探井，儲層中見大量焦瀝青充填在溶蝕孔洞和裂縫中。焦瀝青的存在，不僅使儲層物性降低，還導致電阻率偏大，使得測井解釋孔隙度和含氣飽和度偏高，圖9為A1井觀霧山組儲層瀝青校正后測井評價成果圖。從圖上可以看出，7 564.1～7 614.2 m層段利用聲波時差與電阻率交會判識為瀝青富集層段。經計算瀝青含量介于0.11%～4.20%，平均值為2.12%，瀝青校正前，孔隙度3.41%，儲層厚度29.3 m；瀝青校正后，孔隙度3.1%，儲層厚度15.6 m，校正后的孔隙度與巖心實驗孔隙度基本吻合，測井解釋2個氣層，1個差氣層。對層段7 569.1～7 602.5 m酸化壓裂測試，日產氣11.6×104m3，試氣結論為氣層。

圖9 A1井觀霧山組儲層瀝青校正后測井解釋成果圖

5 結論

1）川西北地區觀霧山組儲集層主要發育粒內溶孔、粒間溶孔、晶間溶孔和溶洞，瀝青主要呈團塊狀、脈狀以及不規則狀充填于溶蝕孔洞和裂縫中。瀝青占據著儲集層的部分儲集空間，不僅減小儲集層的孔隙度，還破壞儲集層孔隙結構，并大大降低儲集層的滲透性，嚴重影響了儲集層的物性及產能。

2）瀝青溶解后，電阻率顯著減小，聲波時差增加，且橫波時差變化更加明顯，瀝青量與電阻率減小值呈指數相關，與聲波時差增加值呈線性相關。

3）基于聲波時差—電阻率的測井參數多元回歸法可以有效地計算出儲層中瀝青的含量，在實際生產應用中，經巖心資料驗證，經瀝青校正后測井評價結果可靠，效果較好，可有效指導測井采集系列優化及試氣選層，為氣藏井位部署提供依據。