基于多參數(shù)變膠結(jié)指數(shù)的致密砂礫巖飽和度精細評價：以準噶爾盆地烏爾禾組為例

胡婷婷, 張奔, 毛晨飛, 陳國軍, 黨宛笛, 高明, 孫欣艷

(1.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院, 烏魯木齊 836413; 2.中國石油集團測井有限公司地質(zhì)研究院, 西安 710000; 3.中國石油測井有限公司新疆分公司, 克拉瑪依 834000)

由于致密砂礫巖儲層具有非均質(zhì)性強、成巖作用復雜等特點,使影響儲層參數(shù)的地質(zhì)因素難以確定,造成使用常規(guī)阿爾奇模型進行飽和度評價時膠結(jié)指數(shù)m與飽和度指數(shù)n偏離理論值,進而導致計算的儲層飽和度數(shù)值不準確[1-3]。

目前對于飽和度計算的研究主要分為：一是調(diào)整儲層因素方面的參數(shù)改進阿爾奇模型;二是建立關于孔隙結(jié)構(gòu)的導電模型從而實現(xiàn)含水飽和度[4-6]的表征。李軍等[7]針對庫車地區(qū)砂礫巖開展孔隙度大小、平均粒徑、膠結(jié)物含量、裂縫孔隙度等研究改善阿爾奇方程對致密砂巖的適用性,但未對孔隙結(jié)構(gòu)進行定量表征。張建升等[8]利用壓汞和核磁測井資料,建立結(jié)合喉道半徑、核磁孔隙度和滲透率的變膠結(jié)指數(shù)m模型,該研究需用核磁測井數(shù)據(jù)來實現(xiàn)毛管半徑的連續(xù)表征,在只有常規(guī)測井資料的井中無法使用。李永貴等[9]從成巖相測井識別對孔隙結(jié)構(gòu)進行分類,建立與孔隙度相關的膠結(jié)指數(shù)m計算模型,但對于未取心井段無法進行有效識別與表征。宋明星等[10]分析了陽離子交換量、陽離子當量電導、陽離子交換容量等參數(shù)的變化規(guī)律,建立適用于低阻砂巖氣層含水飽和度計算的Waxman-Smits模型(W-S飽和度模型),此模型考慮因素較復雜,在實際測井資料處理中有一定的局限性。

綜上可知,前人的研究成果多是將影響儲層參數(shù)的部分因素加以考慮,或是通過特殊測井資料建立變膠結(jié)指數(shù)m的計算模型,但將常規(guī)測井資料及巖心分析化驗數(shù)據(jù)綜合考慮的計算膠結(jié)指數(shù)m的方法缺少深入和系統(tǒng)的研究。為此,針對研究區(qū)烏爾禾組致密砂礫巖儲層飽和度評價計算精度較低的問題,在前人研究基礎上,基于巖電、孔滲、粒度、鑄體薄片等實驗數(shù)據(jù),綜合分析孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度、粒度中值及黏土含量與膠結(jié)指數(shù)m的關系,采用多元回歸擬合建立多參數(shù)綜合的變膠結(jié)指數(shù)計算模型,以期提高研究區(qū)致密砂礫巖儲層探井解釋評價的準確性。

1 研究區(qū)砂礫巖特征

準噶爾盆地烏爾禾組砂礫巖儲層巖石類型主要為低孔低滲(孔隙度2.2%～12%,平均為6.7%;滲透率0.01～260 mD,平均0.239 mD)的大中礫巖、砂礫巖、含砂礫巖、含礫砂巖、砂巖,以及少量泥巖[圖1(a)～圖1(c)]。儲層巖性較粗,礫石直徑變化較大,一般為2～20 mm,個別達到35 mm,顆粒支撐,分選較差。黏土礦物主要成分為伊與蒙混層和綠泥石,其次為伊利石、高嶺石和綠與蒙混層[圖1(d)]。這種儲層致密、孔隙結(jié)構(gòu)復雜、非均質(zhì)性強的特點造成采用統(tǒng)一巖電參數(shù)開展研究區(qū)飽和度評價時出現(xiàn)較大誤差。

圖1 研究區(qū)砂礫巖儲層巖性圖

2 膠結(jié)指數(shù)m影響因素分析

阿爾奇公式建立了巖石電阻率與孔隙度、含水飽和度之間的實驗關系,認為在100%含水的純石英砂巖中,巖性有關的系數(shù)a=b=1,m=n=2,該模型表達式為

(1)

(2)

式中：F為地層因素;I為電阻率增大系數(shù);Ro為飽含水下巖石電阻率,Ω·m;Rw為地層水電阻率,Ω·m;Rt為含油氣巖石電阻率,Ω·m;φe為有效孔隙度,小數(shù);a、b為巖性有關的系數(shù),無量綱;m為膠結(jié)指數(shù),無量綱;n為飽和度指數(shù),無量綱。

前人研究發(fā)現(xiàn)阿爾奇參數(shù)中m的變化對飽和度計算的影響遠大于a、b、n變化帶來的影響[11-12]。m的主要影響因素包括孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度、顆粒大小、泥質(zhì)含量等[13-14]?；诖?開展研究區(qū)膠結(jié)指數(shù)m影響因素分析,以建立適用于研究區(qū)砂礫巖的精確變膠結(jié)指數(shù)模型。

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)對m的影響

孔隙結(jié)構(gòu)指儲集層孔隙和吼道的幾何形狀、大小、分布及相互連通和配比關系,控制著巖石的滲流能力和電性特征[15],是飽和度評價的關鍵因素。對孔隙結(jié)構(gòu)微觀研究主要通過壓汞、掃描電鏡、鑄體薄片、CT(computed tomography)成像等實驗室分析以及核磁測井等新技術(shù)實現(xiàn)[16-17],但以上實驗存在周期長、測井成本高的問題。張濤等[18]以儲層品質(zhì)因子為紐帶將宏觀概念滲透率、孔隙度和微觀概念毛管半徑、孔隙形狀因子、毛管彎曲度結(jié)合,建立基于常規(guī)測井資料的儲層孔隙結(jié)構(gòu)評價方法。

(3)

式(3)中：RQI為儲層品質(zhì)因子;Fs為形狀因子,無量綱;r為毛管半徑;τ為毛管彎曲度,無量綱;K為滲透率,10-3μm2。

儲層品質(zhì)因子RQI能準確地反映孔隙結(jié)構(gòu)和巖石物理性質(zhì)的變化,當毛管半徑增大,孔隙結(jié)構(gòu)變好,因此選用RQI定量表征孔隙結(jié)構(gòu)。選取研究區(qū)有巖心測試數(shù)據(jù)的取心段RQI指數(shù)與m進行相關性分析,如圖2所示?？梢钥闯?隨著RQI的增大,孔隙結(jié)構(gòu)變好,膠結(jié)指數(shù)m也隨之增大,兩者具有很好的對數(shù)正相關關系(R2=0.786 8)。

圖2 膠結(jié)指數(shù)m與RQI相關分析

2.2 導電孔隙度對m的影響

有效孔隙度指具有儲集性質(zhì)的有效孔隙體積占巖石體積的百分數(shù),但并非所有的有效孔隙都參與離子的遷移或者流體的流動,其中參與離子遷移的那部分有效孔隙度定義為導電孔隙度[19]。研究表明,有效孔隙度和導電孔隙度差值與膠結(jié)指數(shù)m之間呈正線性相關,而導電孔隙度與有效孔隙度的關系比較復雜[20]。李雄炎等[11]從導電性能角度出發(fā),根據(jù)Maxwell方程發(fā)現(xiàn)地層因素與導電孔隙度φf之間的關系為

(4)

假定有效孔隙度與導電孔隙度之間存在線性關系,設置相應的邊界條件,可得

(5)

聯(lián)立式(4)和式(5)可得

(6)

以式(6)中A為橫坐標,φe為縱坐標,將研究區(qū)物性實驗測得有效孔隙度代入式(6),計算出線性方程的斜率G=0.540 4;將G代入式(4)便可求解對應取心點的導電孔隙度?；诖?分析有效孔隙度和導電孔隙度差值與膠結(jié)指數(shù)m之間的關系(圖3),發(fā)現(xiàn)隨有效孔隙度和導電孔隙度差值的增大膠結(jié)指數(shù)m也隨之增大,兩者具有較強的正線性相關性(R2=0.852 9)。

m為膠結(jié)指數(shù)

2.3 粒度大小對m的影響

粒度大小變化是儲層非均質(zhì)性的直觀表現(xiàn),研究區(qū)烏爾禾組儲層巖性主要以砂礫巖為主,具有粒級變化大非均質(zhì)性強的特點。粒度中值是指累積曲線上與累積百分含量為50%處相對應的粒徑[21],可以有效表示巖石粒徑變化。

MD=-log2d

(7)

式(7)中：MD為粒度中值,mm;d為粒徑,mm。

選取粒度中值MD來分析粒度對m的影響。對研究區(qū)有粒度實驗的樣品進行統(tǒng)計與m做相關性分析(圖4),發(fā)現(xiàn)隨著MD的減小膠結(jié)指數(shù)m隨之減小,兩者具有較好的指數(shù)相關性(R2=0.872 6)。

圖4 m與MD相關分析

2.4 黏土含量對m的影響

由于黏土礦物自身具有水敏性,會導致孔隙結(jié)構(gòu)復雜化,進而影響儲層孔滲性能[22],在飽和度評價中不能忽視黏土礦物的影響。大量的研究和實驗結(jié)果表明,泥質(zhì)含量與膠結(jié)指數(shù)m的關系基本呈三段式變化的規(guī)律[23-24]：①當泥質(zhì)含量較低在儲層中基本無連續(xù)分布時,泥質(zhì)主要以分散的形式存在與孔隙和吼道當中,使巖石孔隙度變小,孔隙結(jié)構(gòu)復雜,導電性變差,m一般隨著泥質(zhì)增加而增大;②當連續(xù)分布的泥質(zhì)增加時,一部分分散于孔隙和吼道中使巖石導電性變差,另一部分則形成連續(xù)分布構(gòu)成導電通路使得導電性變好,在某一范圍內(nèi)兩者對導電性的影響將相互抵消,使得m隨著泥質(zhì)含量的變化較小;③當泥質(zhì)增加到一定程度時,它將會對巖石的導電性起到主要影響,此時m將會隨著泥質(zhì)增加而減小。

研究區(qū)黏土礦物主要成分為伊與蒙混層和綠泥石且相對穩(wěn)定,泥質(zhì)含量較低(一般在10%以內(nèi))。選取全巖分析實驗數(shù)據(jù)和膠結(jié)指數(shù)m做相關性分析(圖5),結(jié)果表明：隨著黏土含量的增加膠結(jié)指數(shù)m隨之減小,兩者具有明顯的線性負相關關系(R2=0.859 6)。

圖5 m與Vsh相關分析

3 基于常規(guī)測井的影響因子參數(shù)求取

3.1 RQI的表征

儲層品質(zhì)因子RQI指數(shù)中的有效孔隙度可由密度測井曲線(DEN)表征,其表達式為

(8)

式(8)中：ρb為密度測井值,g/cm3;ρma為巖石骨架密度值,g/cm3,取2.65;ρf為孔隙流體密度,一般取1。

滲透率與有效孔隙度具有指數(shù)正相關關系(圖6),可用式(9)進行連續(xù)表征。

圖6 K與φe相關分析

K=0.369 8e0.357 1φe

(9)

3.2 導電孔隙度的表征

將通過式(4)計算的導電孔隙度與對應實驗數(shù)據(jù)的有效孔隙度做相關性分析(圖7),發(fā)現(xiàn)隨著有效孔隙度的增大導電孔隙度呈指數(shù)增大,兩者具有很好相關性。因此導電孔隙度可用式(10)表征。

圖7 φe與φf相關分析

φf=0.000 5e42.977φe

(10)

3.3 粒度中值的表征

一般來說自然伽馬曲線能夠反映巖石粒度變化的特征[25],曲線波動越強,顆粒越不均勻,儲層非均質(zhì)性越強。電阻率測井的影響因素包括礦物成分、含量、分布及孔隙幾何形態(tài),當巖石骨架變大時,電阻率隨之變大;聲波測井與骨架大小、顆粒大小有密切關系,隨著骨架與顆粒大小的增加而減大[26]?；诖诉x取目的層位粒度分析實驗的數(shù)據(jù)與常規(guī)曲線進行相關性分析,最終選取自然伽馬(GR)、電阻率測井(RT)、聲波時差測井(AC)三條曲線建立了基于常規(guī)曲線的粒度中值MD連續(xù)表征模型,如式(11)所示。

MD=-1.04lnGR-0.018RT+0.025AC+0.426

(11)

3.4 黏土含量的表征

自然伽馬曲線是指示地層泥質(zhì)含量最好的辦法,其異常值隨著泥巖含量增加而減小,選取測井曲線GR來對研究區(qū)泥質(zhì)含量連續(xù)表征,其表達式為

(12)

(13)

式中：SH為自然伽馬相對值;GR為目的層段自然伽馬測井值;GRmax為純泥巖地層自然伽馬測井值;GRmin為純巖性地層自然伽馬測井值;GUCG為與年代地層有關的經(jīng)驗系數(shù),研究區(qū)選用老地層系數(shù)2。

4 多參數(shù)變膠結(jié)指數(shù)建模

首先分析膠結(jié)指數(shù)m與孔隙結(jié)構(gòu)、有效孔隙度和導電孔隙度差值、粒度中值與黏土含量4個參數(shù)之間的關系,再基于常規(guī)測井資料對各影響因素的參數(shù)進行連續(xù)表征,分析結(jié)果表明：各因素均與m值具有較好的相關性且各因素的參數(shù)均易于表征。因此采用多元線性回歸擬合的方法建立多參數(shù)綜合考量的變膠結(jié)指數(shù)m建模。其模型表達式為

m=0.032 7lnRQI+2.329(φe-φf)+
0.461e0.050 2MD+0.022Vsh+0.768

(14)

5 實例應用

利用多參數(shù)變膠結(jié)指數(shù)模型來處理研究區(qū)探井D1井烏爾禾組低孔低滲砂礫巖儲層,處理結(jié)果如圖8所示。

圖8中,巖心分析孔隙度與利用密度曲線計算孔隙度絕對誤差為7.52%,巖心分析滲透率與測井解釋滲透率誤差小于一個數(shù)量級?？紫督Y(jié)構(gòu)取心與擬合孔隙結(jié)構(gòu)絕對誤差為5.89%,實驗粒度中值數(shù)據(jù)與擬合粒度中值絕對誤差為6.75%,多參數(shù)變膠結(jié)指數(shù)模型計算的m值與巖心分析m值的絕對誤差為5.09%,巖心分析含水飽和度與阿爾奇公式、多參數(shù)變膠結(jié)指數(shù)計算的含水飽和度絕對誤差分別為14.71%和5.48%。

分析可知,基于常規(guī)測井曲線表征的各參數(shù)均在較小誤差范圍內(nèi),可以很好地對各參數(shù)進行表征;基于多參數(shù)變膠結(jié)指數(shù)模型計算的飽和度與巖心分析飽和度之間誤差更小(明顯的優(yōu)與阿爾奇公式計算出的飽和度),顯著提高了研究區(qū)砂礫巖儲層的飽和度計算精度。結(jié)果表明：該模型可應用于研究區(qū)探井解釋與儲量計算工作中。

6 結(jié)論

(1)基于研究區(qū)巖石物理實驗數(shù)據(jù),分析了孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度、粒度中值、黏土含量與膠結(jié)指數(shù)m的關系。結(jié)果表明膠結(jié)指數(shù)m與孔隙結(jié)構(gòu)、有效孔隙度與導電孔隙度差值、粒度中值和黏土含量均具有較好的相關性。

(2)采用多元回歸擬合建立多參數(shù)綜合的變膠結(jié)指數(shù)計算模型,同時以常規(guī)測井資料為基礎,分別建立孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度、粒度中值、黏土含量的表征方法,提高了模型的適用性。

(3)多參數(shù)變膠結(jié)指數(shù)模型計算的m與巖電實驗確定的m絕對誤差為5.09%,模型計算效果較好。最終計算含水飽和度與巖心分析的含水飽和度誤差僅為5.48%,而常規(guī)阿爾奇公式計算誤差為14.71%,該模型很好的提高研究區(qū)砂礫巖儲層飽和度計算精度,在探井解釋與儲量計算中取得較好的應用效果。