鹽池地區(qū)延長組長8段致密油儲層脆性指數(shù)測井評價

李坪東,蘇幽雅,邵曉巖,徐 寧,張 雁,楊國斌

(中國石油長慶油田分公司第三采油廠,寧夏銀川 750006)

隨著全球能源行業(yè)的日益發(fā)展,能源需求逐漸增加,非常規(guī)油氣資源逐漸成為新的接替能源。鄂爾多斯盆地三疊系延長組發(fā)育陸相致密油儲層,該類儲層非均質(zhì)性強,滲透率通常小于0.1×10-3μm2,孔隙度通常小于10%[1-2],在自然條件下無法獲得產(chǎn)能或工業(yè)產(chǎn)能,只能通過水力壓裂實現(xiàn)工業(yè)開發(fā)[3]。

脆性指數(shù)是地層可壓裂性評價的重要參數(shù),對儲層改造起到關(guān)鍵作用[4-5]。本文以鄂爾多斯盆地鹽池地區(qū)三疊系延長組長8段為實例,利用巖石礦物成分測試、陣列聲波測井、常規(guī)測井等資料,建立基于測井資料的致密砂巖儲層脆性指數(shù)計算模型,該方法可為該區(qū)及地質(zhì)特征相似區(qū)域的致密砂巖油藏勘探開發(fā)提供參考和借鑒。

1 地質(zhì)背景

1.1 勘探開發(fā)現(xiàn)狀

鹽池地區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)東部,北起古峰莊、南至馮地坑、西抵大水坑、東達(dá)馬坊。構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地西緣的天環(huán)坳陷,構(gòu)造相對簡單,每千米起伏約為10 m。該地區(qū)為一多套層系疊合的油氣富集區(qū)域,其中,中生界三疊系延長組致密砂巖油藏是近年來非常規(guī)資源產(chǎn)能建設(shè)的重點目標(biāo)[6]。但目前針對該區(qū)延長組致密砂巖油藏研究主要集中在儲層沉積演化規(guī)律、砂體構(gòu)型、孔隙結(jié)構(gòu)等方面。關(guān)于儲層脆性、可壓裂性評價等工作的開展相對滯后,一定程度上導(dǎo)致了產(chǎn)能建設(shè)“甜點區(qū)”優(yōu)選存在盲目性,在產(chǎn)能建設(shè)、開發(fā)管理的過程中,存在試采液量低、單井產(chǎn)量低等問題。本文圍繞該地區(qū)延長組長8段致密砂巖儲層,開展脆性指數(shù)的測井預(yù)測方法研究,旨在加快該地區(qū)勘探開發(fā)一體化整體推進。

1.2 基礎(chǔ)地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地鹽池地區(qū)三疊系延長組自下而上可劃分為長10至長1共十段,長8段的巖性主要為灰色長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖及黑色泥巖。陸相砂泥巖頻繁互層,多期砂體縱向疊置,沉積微相包括分流河道、分流間灣。目的層砂巖粒度細(xì),分選程度中等-差,膠結(jié)類型多為孔隙式膠結(jié)。長8段屬于三角洲平原沉積環(huán)境,分流河道沿北西至南東方向呈“條帶狀”展布,儲層平均厚度18.3 m,孔隙類型主要包括原生粒間孔、粒間溶孔,儲層平均孔隙度為7.1%、平均滲透率為0.212×10-3μm2。長7段暗色泥巖厚度大、分布范圍廣,含大量有機質(zhì),生烴潛量大,為優(yōu)質(zhì)烴源巖。烴類在剩余壓力及擴散作用下,以斷裂系統(tǒng)為運移通道,油氣自上而下運移至下伏長8段致密砂巖儲層中聚集[7]。

2 脆性指數(shù)定量計算

巖石脆性是指巖石發(fā)生破裂前的瞬間變化難易程度[8]。巖石脆性的評價指標(biāo)為脆性指數(shù),目前存在多種脆性指數(shù)計算方法,如基于礦物組分的評價方法、基于巖石力學(xué)性質(zhì)的評價方法等。

關(guān)于基于礦物組分的評價方法,主要是利用脆性礦物含量計算脆性指數(shù)。但是,針對不同類型的儲層,對脆性礦物的界定往往存在差異。對于頁巖,將石英、長石、碳酸鹽視為脆性礦物[5,9];而對于致密砂巖,多數(shù)情況下將石英、碳酸鹽視為脆性礦物[8-9]。此外,對于不同地區(qū)、不同層位的致密砂巖,由于成巖作用等條件的差異,脆性礦物的界定也并不完全一致[8-9]。相反,基于巖石力學(xué)性質(zhì)的脆性指數(shù)評價方法,對于不同類型的巖石,均采用同一套實驗標(biāo)準(zhǔn)和工作流程。

利用巖石力學(xué)實驗獲取相關(guān)參數(shù)計算脆性指數(shù)是目前最常用的巖石脆性定量評價方法[9-13],可直接測定致密儲層的力學(xué)參數(shù),如楊氏模量、泊松比等。楊氏模量是巖體剛性的度量,可表征巖石形變難易程度,與脆性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系;而泊松比為巖體橫向與縱向應(yīng)變的比值,常被用來表征巖體的脆性或塑性特征,與脆性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[12-13]。基于力學(xué)參數(shù)的脆性評價方法通常最能代表復(fù)雜礦物組合致密油儲層的的脆性特征[10-13]。

2.1 計算方法

當(dāng)聲波透過巖石介質(zhì)時,巖石的剪切及壓縮變形性質(zhì)可以通過物理方程進行定量表征,巖石可以傳播剪切波(橫波),也可以傳播壓縮波(縱波)[14-16]。對于不同的巖石而言,聲波在傳播時的速度、頻率、幅度、衰減等聲學(xué)特性存在差異。

聲波監(jiān)測技術(shù)常被用來探測巖石動態(tài)巖石力學(xué)屬性,通過陣列聲波測井、偶極聲波測井、巖石聲波特性室內(nèi)測試,可以獲得橫波時差;進而,根據(jù)縱波時差、橫波時差、巖石密度,計算楊氏模量為:

(1)

式中:E為楊氏模量,GPa;ρb為巖石密度,g/cm3;Δts、Δtc分別為橫波時差及縱波時差,μs/m。

目的層巖石泊松比的表達(dá)方程為:

(2)

式中:μ為泊松比,小數(shù)。

在以往針對致密砂巖、頁巖儲層的研究中,利用歸一化之后的楊氏模量和泊松比來計算致密儲層的脆性指數(shù):

(3)

式中:Enorm為歸一化的楊氏模量,%;Emax、Emin為楊氏模量最大值、最小值,GPa。

(4)

式中:μnorm為歸一化的泊松比,%;μmax、μmin為泊松比最大值、最小值,小數(shù)。

(5)

式中:BI為巖石脆性指數(shù),%。

2.2 計算結(jié)果

鹽池地區(qū)內(nèi)Y162井長8段巖石聲波特性測試數(shù)據(jù)如表1所示。Y162井位于鹽池地區(qū)中部,該井長8砂巖層段進行了鉆井取心,針對長8段的17塊巖心樣品,進行了巖石聲波特性室內(nèi)實驗測試(表1)。根據(jù)測試結(jié)果,橫波時差分布范圍為339.21～395.71 μs/m,平均值為354.65 μs/m;縱波時差分布范圍為181.25～214.56 μs/m,平均值為202.15 μs/m;巖石密度主要分布在2.55～2.66 g/cm3,平均值為2.60 g/cm3。最終,計算得出目的層的楊氏模量分布范圍為43.9～56.2 GPa,平均值為52.1 GPa;泊松比的分布范圍為0.205～0.314,平均值為0.257;脆性指數(shù)分布范圍為36.5%～57.2%,且平均值為 50.1%。

表1 Y162井長8段巖石聲波特性測試數(shù)據(jù)

F70井與Y162井相距約1.5 km,對該井進行了陣列聲波測井現(xiàn)場施工,針對該井的長8段,分別利用聲波時差及巖石密度測井資料及公式(1)、(2)對目的層段的楊氏模量和泊松比進行了精細(xì)測井解釋,解釋結(jié)果如圖1所示。該井長8段楊氏模量最大值為52.9 GPa,最小值為24.0 GPa,平均值為 38.8 GPa;對于巖石泊松比,最大值為0.340,最小值為0.187,平均值為0.269。最終,將目的層段的楊氏模量和泊松比的測井計算結(jié)果進行了歸一化處理,并利用公式(5)計算了脆性指數(shù)并建立了相應(yīng)的測井曲線(圖1)。計算結(jié)果顯示,該井長8段脆性指數(shù)最大值為64.1%,最小值為30.0%,平均值為46.5%。

圖1 F70井長8段脆性指數(shù)測井解釋成果

3 脆性指數(shù)測井評價

巖石的脆性指數(shù)可以通過上述方法進行計算,但問題在于這些方法需要在鉆井取心、巖樣采集或開展過陣列聲波測井、偶極聲波測井的基礎(chǔ)上應(yīng)用。因此,利用上述方法,只能針對計算巖心樣品或進行過陣列聲波、偶極聲波測井的井位進行計算,無法應(yīng)用于巖石脆性縱向連續(xù)評價和平面精細(xì)刻畫等地質(zhì)研究。

因此,充分利用常規(guī)測井資料,建立儲層脆性指數(shù)測井評價模型,對于致密砂巖油氣資源的精準(zhǔn)勘探和高效開發(fā)顯得尤為重要,而通過上述試驗方法計算的脆性指數(shù),則可以作為約束條件,用來標(biāo)定常規(guī)測井預(yù)測的脆性指數(shù),從而使得測井預(yù)測精度更為可靠。

3.1 構(gòu)建巖性指數(shù)預(yù)測脆性指數(shù)

陸相致密油儲層實質(zhì)上由多種復(fù)雜的微觀骨架礦物及基質(zhì)礦物組成,其中,對儲層脆性影響最直接的組分為脆性礦物,當(dāng)儲層中脆性礦物組分含量大于某個臨界值,則可以達(dá)到較好的壓裂改造效果,有利于提高初期單井產(chǎn)能。借鑒以往關(guān)于鄂爾多斯盆地三疊系致密砂巖儲層脆性評價的研究,將石英和碳酸鹽類視為脆性礦物。

自然伽馬測井屬于放射性測井的一種方法,自然伽馬曲線常被用來對儲層巖性進行判別。黏土巖類含有較高的放射性元素,且黏土礦物對陽離子的吸附能力較強,可吸附周邊放射性物質(zhì)。因此,當(dāng)儲層中表現(xiàn)為高泥質(zhì)含量時,自然伽馬值通常偏高;相反,當(dāng)儲層中含有大量石英、碳酸鹽類等非放射性物質(zhì)時,自然伽馬表現(xiàn)為低值特征。

當(dāng)?shù)湍芰抠ゑR射線與地層中的元素發(fā)生光電效應(yīng)時,伽馬射線會被原子吸收并釋放出光電子,因此,光電吸收截面可以表征地層中元素對伽馬射線吸收能力的強弱。地層中不同的巖石礦物成分對應(yīng)了不同的化學(xué)元素,這些元素組成的差異表現(xiàn)為光電吸收截面指數(shù)的差異。

本文利用常規(guī)測井資料來定義巖性指數(shù),即自然伽馬與光電吸收截面的乘積。巖性指數(shù)表示單位光電吸收截面指數(shù)條件下地層自然伽馬測井定量響應(yīng)特征。

LI=GR·PE

(6)

式中:LI為巖性指數(shù),API·b/e;GR為自然伽馬測井值,API;PE為光電吸收截面指數(shù)測井值,b/e。

該式為數(shù)據(jù)驅(qū)動模型,物理量的單位不參與運算。

針對F70井,繪制巖性指數(shù)與脆性指數(shù)之間對應(yīng)關(guān)系散點圖(圖2),兩者之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著巖性指數(shù)的增加,脆性指數(shù)也呈現(xiàn)出降低的趨勢。建立兩者之間回歸公式,得出了利用巖性指數(shù)計算巖石脆性指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

圖2 LI與BI對應(yīng)關(guān)系

BIa1=2 374.5LI-0.537 6

(7)

式中:BIa1為利用巖性指數(shù)計算的脆性指數(shù),%。

3.2 構(gòu)建物性指數(shù)預(yù)測脆性指數(shù)

一般情況下,縱波時差、密度均可通過常規(guī)測井資料獲得;受作業(yè)成本等因素的限制,僅少數(shù)井實施陣列聲波或偶極聲波測井,因此,橫波時差測井資料較為有限。

根據(jù)以往的研究結(jié)果,認(rèn)為脆性指數(shù)與儲層物性存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。脆性較高的巖石受到外界載荷作用,在應(yīng)變很小的情況下發(fā)生破裂;而脆性較低的巖石則會產(chǎn)生較大的應(yīng)變。孔隙度是巖石受力后產(chǎn)生應(yīng)變的一個重要控制因素,孔隙度大,巖石受力時產(chǎn)生的應(yīng)變則更為明顯;孔隙度小,應(yīng)變則不明顯。因此,孔隙度與巖石脆性指數(shù)負(fù)相關(guān)。

在常規(guī)測井資料解釋過程中,孔隙度由縱波時差、密度、補償中子等資料計算得出。孔隙度與上述測井?dāng)?shù)據(jù)之間存在明顯的對應(yīng)關(guān)系,即孔隙度與縱波時差、補償中子正相關(guān),與密度負(fù)相關(guān)。因此,縱波時差、補償中子與巖石脆性指數(shù)負(fù)相關(guān),密度與巖石脆性指數(shù)正相關(guān)。

利用常規(guī)測井資料,將縱波時差、補償中子的乘積與密度的比值定義為物性指數(shù),表示單位密度下地層縱波時差與補償中子乘積的定量測井響應(yīng)特征。

PI=AC·CNL/DEN

(8)

式中:PI為物性指數(shù),無量綱;AC為縱波時差測井值,μs/m;CNL為補償中子測井值,%;DEN為密度測井值,g/cm3。

針對F70井,繪制物性指數(shù)與脆性指數(shù)之間對應(yīng)關(guān)系散點圖(圖3),兩者之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著物性指數(shù)的增加,脆性指數(shù)呈現(xiàn)出減小的趨勢。建立兩者之間回歸公式,得出了利用物性指數(shù)計算巖石脆性指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

圖3 PI與BI對應(yīng)關(guān)系

BIa2=1 158.7PI-0.573 2

(9)

該式為數(shù)據(jù)驅(qū)動模型,物理量的單位不參與運算。

式中:BIa2為利用物性指數(shù)計算的脆性指數(shù),%。

3.3 脆性指數(shù)多元回歸預(yù)測模型

公式(7)、(9)分別通過巖石的巖性和物性進行脆性指數(shù)預(yù)測。根據(jù)相關(guān)性分析,巖性指數(shù)與脆性指數(shù)的擬合優(yōu)度為0.733,物性指數(shù)與脆性指數(shù)的擬合優(yōu)度為0.719。為了進一步提高脆性指數(shù)常規(guī)測井計算模型的精度,利用BI對LI、PI進行多元回歸,并得到相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,擬合優(yōu)度為0.789。通過多元回歸,實現(xiàn)了常規(guī)測井信息的全面提取,建立了脆性指數(shù)綜合測井預(yù)測模型,記為BIa。

BIa=-0.057 87LI-0.007 81PI+76.288 73

(10)

4 應(yīng)用實例

利用公式(10),針對Y162井長8段2 610.8～2 624.6 m計算巖石脆性指數(shù),并繪制脆性指數(shù)測井解釋成果圖(圖4)。連續(xù)的曲線為利用常規(guī)測井資料計算的脆性指數(shù)BIa,離散桿狀圖為通過巖石聲波特性室內(nèi)測試得到的脆性指數(shù)BI,兩者在趨勢上存在明顯的一致性。通過繪制兩者對應(yīng)關(guān)系散點圖(圖5),可以看出,散點數(shù)據(jù)存在明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.936。根據(jù)該實例,測井預(yù)測脆性指數(shù)與巖心測試結(jié)果匹配程度較高。

圖4 Y162井長8段測井解釋綜合成果

圖5 BIa與BI對應(yīng)關(guān)系

對于石油、天然氣勘探開發(fā)而言,當(dāng)脆性指數(shù)大于60%時,儲層壓裂改造過程中容易形成規(guī)模較大的縫網(wǎng)系統(tǒng),從而為石油、天然氣在儲層內(nèi)的滲流提供有利通道[5];相反,當(dāng)脆性指數(shù)小于40%時,地層難以在壓裂過程中形成復(fù)雜縫網(wǎng),不利于油氣田的高效勘探開發(fā)。針對Y162井,選取脆性指數(shù)較高的2 613～2 617 m進行射孔,采用體積壓裂的儲層改造方式,加陶粒40 m3、砂比12.6%、排量5 m3/min,試油日產(chǎn)純油12.60 t、試采初期日產(chǎn)油1.81 t。該井脆性指數(shù)、單井產(chǎn)能適中,生產(chǎn)效果與脆性指數(shù)評價結(jié)果相符合。

5 結(jié)論

1)在聲波振動作用下,機械振動使得巖石產(chǎn)生剪切變形和壓縮變形,進而形成了在巖石中傳播的剪切波和壓縮波即橫波和縱波。利用陣列聲波測井、偶極聲波測井、巖石聲波特性室內(nèi)測試,可獲取橫波時差、縱波時差等參數(shù),用以求取模量、泊松比等巖石彈性力學(xué)參數(shù),并進而計算巖石的性指數(shù)。

2)Y162井長8段的楊氏模量平均值為52.14 GPa;泊松比平均值為0.257;脆性指數(shù)平均值為50.13%, F70井長8段楊氏模量楊氏模量平均值為38.77 GPa,泊松比平均值為0.269,脆性指數(shù)平均值為46.46%。

3)針對F70井,構(gòu)建了巖性系數(shù),通過擬合回歸,建立了基于巖性指數(shù)的脆性指數(shù)測井預(yù)測模型,擬合優(yōu)度為0.733;根據(jù)孔隙度與脆性指數(shù)的負(fù)相關(guān)性,利用縱波時差、密度、補償中子,構(gòu)建了物性指數(shù),并擬合出基于物性指數(shù)的脆性指數(shù)測井預(yù)測模型,擬合優(yōu)度為0.719;利用脆性指數(shù)對新構(gòu)建的巖性、物性指數(shù)進行了多元回歸,并得到相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,擬合優(yōu)度為0.789。

4)計算了Y162井長8段脆性指數(shù),并利用該井巖石聲波特性室內(nèi)實驗測試數(shù)據(jù)對計算結(jié)果進行了驗證,預(yù)測值與測試值變化趨勢一致,存在明顯的對應(yīng)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.936。