基于元素俘获谱测井的川东北致密碎屑岩储层参数计算

吴思仪,袁龙,肖华,鲁明羽,唐瑜,佘钰蔚

(1.中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710021;2.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院,陕西西安710021;3.中国石油集团测井有限公司塔里木分公司,新疆库尔勒841000;4.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院,四川成都610041;5.中国石油长庆油田分公司第二采气厂,陕西西安710021)

0 引 言

针对含油气致密砂岩储层越来越复杂,利用多种测井新技术相结合的方法进行储层综合评价对油田勘探开发起到非常重要的作用[1]。有国外学者通过对页岩元素俘获谱测井和X射线衍射实验案例分析进行比较[2]、也对元素俘获谱测井标准化并应用于页岩地层[3]等进行了较深入的研究;而中国学者主要研究使用元素俘获谱测井确定碳酸盐岩储层岩性和孔隙度[4]、元素测井方法在碳酸盐岩储层综合评价中的应用[5]、评价致密砂岩岩性及有效性[6]等方法。但对川东北地区须家河组致密砂岩复杂储层运用元素俘谱获测井进行评价方法研究较少。

研究工区岩性复杂,纵向发育多套储层,但由于储层厚度较薄,整体较致密,物性条件差、非均质性强等特点[7],常规测井解释评价技术在岩性识别、储层参数计算等方面受到限制。研究表明,川东北地区须家河组须三段钻遇良好的油气显示及测试获工业气流。本文通过对须家河组须三段储层的岩性类型、物性特征进行分析,结合元素俘获谱测井估算储层岩石骨架属性、孔隙度、渗透率及含气饱和度等参数,为川东北地区测井储层综合评价提供了丰富的内容。

1 储层基本特征及评价难点

1.1 岩性特征

川东北地区上三叠统须家河组须三段储层薄片鉴定表明,储集层岩性主要为钙屑砂岩、钙屑砂砾岩、岩屑砂岩和石英砂砾岩。钙屑砂岩以石英为主,长石、岩屑次之,钙质胶结物占25%,一般岩性较细,以细粒—粉粒为主,岩石碎屑颗粒多为次棱角状,分选为中等—较好,岩性较致密;钙屑砂砾岩主要岩性类型为中、粗钙屑砂砾岩、泥砾岩,在须三段也大量分布;岩屑砂岩主要成分为石英,石英含量大于50%,此外,有少量燧石和长石,燧石含量小于2%,长石含量小于10%,碎屑成分主要为砂屑,含少量碳酸盐岩岩屑,黏土含量5%～10%;石英砂砾岩的砾石含量约10%～15%;细砂成分以石英为主、岩屑次之,少量长石及暗色矿物,颗粒以细砂为主,少量中砂,次棱角状,分选差,泥质胶结致密。分析表明砂砾岩中岩屑成分主要为碳酸盐岩,将使储层岩石成分复杂化。

1.2 物性特征

须三段储集岩孔隙类型以残余粒间孔、粒间溶孔和粒内溶孔为主,次为杂基孔和微裂缝等;储层类型主要为孔隙型、裂缝-孔隙型。6口井85个岩样分析表明,孔隙度分布在1%～4%之间;渗透率主要分布在0.001～1 mD[注]非法定计量单位,1 mD=0.987×10-3 μm2,下同。说明须三段储层属低孔隙度低渗透率储层。分析表明川东北地区须家河组三段储层大规模的钙质胶结导致结构致密,物性条件差。

1.3 岩性复杂识别难度大

根据选取的物性分析、薄片资料且测井曲线特征具有代表性的井,筛选出2种有较好区分度的交会图。如图1所示,岩屑砂岩较容易区分,GR—Rt、CNL—Rt、AC—GR以及CNL—GR交会图能将岩屑砂岩从4种岩性中区分出来,但是钙屑砂岩和钙屑砂砾岩的电性特征电性特征较为相似,从交会图上不易区分,这给岩性识别带来困难,需要采用其他方法识别岩性。

1.4 储层参数计算困难

(1)孔隙度计算。根据岩心物性分析资料,分别建立川东北地区须家河组须三段钙屑砂岩、钙屑砂砾岩、石英砂砾岩和岩屑砂岩岩心孔隙度与常规三孔隙度曲线的关系。分析得到,采用常规模型方法计算的孔隙度与岩心孔隙度的相关性较差。因此,需要有更有效的模型计算孔隙度。

(2)渗透率计算。储层物性特征的研究中,通过分析储层孔隙度与渗透率的关系得出须三段储层孔隙度渗透率关系受孔隙和裂缝的共同影响,因此,采用常规的孔隙度渗透率拟合公式计算渗透率方法不够精确。

(3)饱和度计算。研究区须四、须三段存在储层物性、含气性相近的情况,储层电阻率存在较大差异,导致储层含气饱和度计算出现较大误差(见图2)。图2中15、16号储层储层孔隙度相近,但17号层的电阻率比15层的电阻率整体高一个数量级,这主要是岩性因素造成的,即16号层岩性更粗、含钙屑也可能更多。

2 ECS元素测井识别岩性

图1 研究区交会图版识别岩性*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2.1 测量原理

图2 Y7井须三段(15、16号层)测井曲线图

元素俘获谱测井ECS[8-11]测量到的各类元素含量,经过聚类分析,选择适应研究区的数学模型,确定储层矿物类型和含量。根据式(1)

(1)

式中,Yi为所测得的地层元素i的瞬发伽马射线份额,%;Si为地层元素i的相对质量百分含量探测灵敏度,计数率/(g·s);F为每个深度点待确定的归一化因子;Wi为矿物元素i的重量百分含量。利用式(1)可以得到矿物相对含量后再转换为百分含量。

利用常规测井资料很难求准地层的碳酸盐岩和各类矿物的含量,但元素测井可以解决这一问题,它能够准确得到地层岩性,进一步将其处理得到的矿物组分应用于其他方面,获得各项储层参数,进行储层综合评价。

图3 Y101井储层元素含量与矿物类型含量

图3是Y101井储层元素含量与矿物类型含量成果图。从图3中分析,结合常规薄片、录井资料,测量井段4 206～4 289 m,岩性为钙屑砂岩、砂砾岩、含砾砂岩及粉砂岩,泥质含量较低,普遍低于10%,碳酸盐岩含量30%～80%;4 289～4 557 m井段,上段岩性主要为砂岩、钙屑砂岩、砂砾岩及粉砂岩,下段主要为钙屑砂岩,夹薄层砾岩及泥岩、碳质泥岩,薄煤层,泥质含量5%～30%,碳酸盐岩含量30%～90%,薄煤层含量基本低于30%;4 557～4 609 m井段,岩性主要为细砂岩和粉砂岩,泥质含量20%～40%,碳酸盐岩含量普遍低于10%。储层段特征为成分成熟度较低、结构成熟度较低和成岩作用强等特点。

2.2 元素含量交会图识别岩性

分析Y101井在须家河组须三段的ECS元素测井资料,与测井曲线、岩屑录井、岩心描述资料等综合分析,根据不同岩性的ECS元素测井响应特征,利用岩心描述分析资料标定测井资料作综合交会分析。如图4所示,通过Ca—Si元素含量交会图能够大致将岩屑砂岩、钙屑砂岩与石英砂砾岩区分开来(岩屑砂岩Ca元素含量小于0.03 kgf/kgf,Si元素含量小于0.4 kgf/kgf;钙屑砂岩Ca元素含量大于0.1 kgf/kgf,Si元素含量小于0.22 kgf/kgf;石英砂砾岩Ca元素含量小于0.1 kgf/kgf,Si元素含量大于0.22 kgf/kgf),为了更好将含有大量灰质成分的钙屑砂砾岩(见图4)区分开来,需要结合常规曲线和成像测井等资料综合分析,最终达到有效识别岩性的目的。

图4 Y101井Ca—Si元素含量交会图

3 ECS在储层参数评价中的应用

3.1 岩石骨架模型及孔隙度模型

岩石骨架声波、密度受到绿泥石、黄铁矿、碳酸盐岩等的严重影响。常规测井解释计算的孔隙度是假定在纯岩性的基础上,岩石骨架密度数值不变,而其声波、密度值是根据矿物成分及含量计算,该值随着矿物成分及含量的不同而不同,这样计算的孔隙度值更为准确[12-17]。元素俘获谱测井可以获得Si、Ca、Fe、S等矿物特征指示元素,根据元素含量将其转化为矿物含量,而每种矿物都有其特定的声波、密度值,岩石骨架值是各种矿物密度值的线性组合,用式(2)、式(3)确定岩石声波、密度骨架值。

(2)

(3)

式中,ΔTma为岩石骨架声波值,μs/ft;ΔTi为第i种矿物声波值,μs/ft;ρma为岩石骨架密度值,g/cm3;ρi为第i种矿物密度值,g/cm3;Mi为第i种矿物含量,M1为黏土,M2为碳酸盐,M3为QFM(石英+长石+云母),M4为硬石膏/石膏,M5为黄铁矿,M6为煤。

元素俘获谱测井所用的骨架值根据矿物成分及含量计算,该值是随着矿物成分及含量的不同而不同。针对该区岩性复杂和影响因素较多的情况,主要采用ECS元素测井得到的矿物成分及含量来计算出岩石骨架值,结合常规测井解释技术,可以由计算出的骨架值算出岩石的孔隙度。

(4)

(5)

Vma=1-φ-Vsh

(6)

式中,φ为有效孔隙度,%;Vsh地层泥质的体积百分含量;Vma骨架矿物的体积百分含量;Δt、Δtf、Δtma、Δtsh分别为地层(测井值)、流体、骨架矿物及泥质的时差,μs/ft;ρb、ρf、ρma、ρsh分别为地层(测井值)、流体、骨架矿物及泥质的密度,g/cm3。

3.2 渗透率计算模型

地层基质渗透率取决于颗粒大小、分选度和孔隙度等参数,这些参数可通过元素俘获谱测井得出的各类黏土和矿物成分含量而间接求得。通常认为,基质岩石渗透率主要由岩块孔隙度及束缚水饱和度决定,同时受到岩石颗粒的影响,利用元素俘获谱测井提供的矿物含量类型,能够很好地估算地层的渗透率

(7)

图6 Y107井利用ECS资料进行储层综合评价解释实例

式中,Mi为固体岩石中每种矿物重量百分含量;φ为孔隙度,用矿物百分含量推导的地层岩石骨架值来确定;Bi为每种矿物的渗透率常数。

3.3 饱和度计算模型

针对孔隙型钙屑砂岩储层饱和度参数计算模型研究认为,阿尔奇计算饱和度模型仍然是一种相对最有优势的方法。因为由于钙屑砂岩地层泥质含量低,因而地层更加接近纯岩石地层条件,所以在某种程度上更有利于发挥Archie计算模型的优势。然而,在钙屑砂岩储层中,电阻率受岩性特别是钙屑的影响较大,因此,提出在进行含水饱和度计算之前对电阻率进行碳酸盐含量校正[13]。

(8)

图5 ECS测井计算的碳酸盐岩含量与交会图

通过式(8)再结合阿尔奇公式计算储层的含水饱和度

(9)

4 应用实例

由于ECS元素测井可提供直观的矿物类型及含量,因此,可通过上述的几种模型的建立应用于储层综合评价。为了验证ECS资料估算的孔隙度和渗透率模型的准确性,选择了取心井的资料作为验证。选择未测ECS资料的相邻井Y107井,在4 515～4 570 m取心段进行模型计算与岩心作对比(见图6)。第8道阴影反应的是ECS孔隙度与常规测井计算孔隙度的差异,而岩心分析孔隙度数值与ECS孔隙度基本一致;第9道是用矿物骨架计算的渗透率与岩心分析渗透率吻合度较好;第10道用经过碳酸盐岩含量校正的电阻率计算得到含气饱和度与岩心分析得到的含气饱和度相关性好。综上3个对比结果可知,该方法计算结果与岩心物性资料基本吻合。由此可知,用ECS资料建立参数模型来对该研究区致密储层进行综合评价准确有效。

5 结 论

(1)川东北地区须家河组须三段致密砂岩储层岩性类型为主要为钙屑砂岩、钙屑砂砾岩、岩屑砂岩和石英砂砾岩。储层段大规模的钙质胶结导致结构致密,使得物性条件差;砂砾岩中岩屑成分主要为碳酸盐岩,使储层岩石成分复杂化,非均质性强,孔隙是主要的储集空间,裂缝是主要的渗流通道。

(2)利用ECS元素测井测出地层元素含量和矿物成分含量来对岩性进行定性识别,最终形成元素含量交会图版进行定量识别岩性。

(3)结合川东北致密岩性储层的岩性矿物成分含量来估算储层的骨架值,利用变骨架模型计算得到孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数与岩心分析资料吻合度好,在储层综合评价中起到了重要的作用。