碳酸盐岩含气储集层孔隙度渗透率岩石物理表征方法

孙盼科, 徐怀民, 黄娅, 姜贻伟

(1.中国石油大学地球科学学院, 北京 102249; 2.中国石油集团测井有限公司油气评价中心, 陕西 西安 710077;3.中国石化普光气田分公司, 四川 达州 635000)

0 引 言

地震岩石物理研究[1-3]通过描述岩石弹性参数与岩石固体基质、岩石骨架和孔隙流体这3种物理特征之间的关系建立储集层特征参数变化与地震响应特征(主要是速度)之间的定量解释关系。Wyllie时间平均方程、Gassmann方程、Biot理论和K-T模型是岩石物理研究中重要的理论模型,常被用于不同岩石物理条件下定量关系的研究。岩石物理模型的构建可简单归纳为3步:①岩石基质等效弹性模量的计算;②干岩石等效弹性模量计算;③饱和岩石的等效弹性模量的计算[4-6]。在这个过程中,干岩石等效弹性模量的求取一直是一个未完全解决的问题,虽然确定方法众多,但每种方法都有其局限性[7-8]。

碳酸盐岩储集层岩石物理表征是通过建立地震速度与碳酸盐岩储集层岩石结构、孔隙度和孔隙结构类型等地质参数之间关系进行储集层表征的一个过程。然而,碳酸盐岩储集层强的非均质性使得这一实现过程又面临各种挑战。由不同沉积环境和复杂成岩过程形成的多样孔隙类型及其对应的孔隙结构是导致碳酸盐岩储集层强非均质性的最主要原因,例如,对中东碳酸盐岩储集层的研究发现,在相同孔隙度(25%)情况下,由孔隙结构差异导致的渗透率差异可达到4个数量级。此外,由孔隙结构差异引起的地震纵波速度差异达到了2.5 km/s,甚至更多[9]。因此,孔隙结构是碳酸盐岩岩石物理研究的核心,有效表征这一参数的变化以更好地进行碳酸盐岩储集层孔隙度渗透率表征是国内外学者一直致力解决的问题[10]。另外,流体和岩性也是造成声波差异的原因之一,但相对而言,孔隙结构是不容忽视的重要因素。据此,本文综合岩心、测井和地震资料,充分考虑岩石物理表征过程中干岩石模量计算的复杂性和碳酸盐岩的特殊性,选用合适的岩石物理模型,对碳酸盐岩储集层的孔隙结构、孔隙度和渗透率进行表征。在此基础上,探讨了基于岩石物理的叠前地震储集层表征的可能性。

1 孔隙结构表征的方法原理

碳酸盐岩储集层岩石基质矿物主要由方解石、白云石及少量泥质组成;孔隙空间主要为孔洞(或称为硬孔隙或球形孔隙)、粒间孔隙和裂缝,并随机分布在岩石骨架中;孔隙流体由油、气、水组成(见图1)。以理论岩石物理模型为基础,通过三步法即可建立饱和岩石纵横波速度与岩石弹性参数及储集层参数的关系(见图1)。在这一过程中,孔隙结构类型的表征和干岩石弹性模量的计算仍是亟待解决的问题。

图1 飞仙关组碳酸盐岩储集层地震岩石物理建模流程

通过对Biot理论模型的延伸,Sun和Goldberg基于裂缝型多孔介质的动力学理论建立了岩石物理模型[11-12]。在这个模型中,反映裂缝型多孔介质内部构造特征的拓扑参数骨架柔韧性因子(γ)被引入模型,用来定量表征碳酸盐岩复杂孔隙结构类型及其复杂连通关系对岩石声波速度的影响。骨架柔韧性因子相对独立于孔隙度,主要与孔隙结构类型相关,还受孔隙连通性、岩石结构及矿物粒度大小的影响。此外,在骨架柔韧性因子的计算过程中并不需要考虑干岩石的弹性模量,求解过程也更为简便、可靠,因此被广泛应用于定量刻画碳酸盐岩储集层孔隙结构类型研究中[13-15]。

对于碳酸盐岩储集层孔隙结构类型通常采用孔隙纵横比进行表征(见图2)。球形孔隙相比粒间孔隙或者裂缝连通性差,在外界应力作用下,流体无法在三维空间内流动,基本是静止在原孔隙位置。因此,其产生强的反作用力,使岩石相对“硬”。在球形孔隙相对发育的储集层中,地震波更容易沿着岩石骨架基质传播,速度快。对于发育粒间孔隙或裂缝的储集层,孔隙之间的连通性要比球形孔隙高很多倍。在外界应力作用下,孔隙内的流体可在三维空间内流动,这样对外界应力的反作用力也小,使岩石表现为相对“软”。好的孔隙连通性使得这类储集层骨架基质的连通性要比球形孔隙发育的储集层差很多,所以,地震波在这类储集层中传播时必然要经过含有流体的孔隙,流体和岩石间的磨擦使地震波传播能量减弱,进而引起地震波传播速度的降低。物理上,骨架柔韧性因子与孔隙纵横比成负相关关系[12](见图2)。为此,同一孔隙度条件下,低骨架柔韧性因子的样品代表了具有高孔隙纵横比和声波传播速度的球形孔隙发育的储集层,而相对高骨架柔韧性因子的样品则代表了粒间孔隙或裂缝发育的储集层。

图2 碳酸盐岩孔隙结构类型示意图

基于岩石物理分析的骨架柔韧性因子计算公式为

γ=1+lnfln (1-φ)

(1)

其中f=1-KfKs+1-KfKsφFk(1-φ)1-KfKsFk

(2)

Fk=Ks-Kφ(Ks-Kf)

(3)

(4)

式中,vp、vs分别为纵、横波速度,km/s;ρ为体积密度,g/cm3;K为体积模量,GPa;Ks、Kf分别为岩石固体基质体积模量和流体体积模量,GPa;φ为孔隙度,%;Fk、f为中间变量。

为准确估算骨架柔韧性因子(γ),还必须准确计

算组成岩石矿物的含量、孔隙度、岩石固体基质和混合流体的体积模量。研究采用测井复杂岩性分析方法(CRA)确定组成岩石不同矿物的含量和孔隙度。利用Viogt-Reuss-Hill模型和Wood模型分别对岩石固体基质的体积模量和混合流体的体积模量进行计算,有

Ks=12∑NiKi+1∑NiKi

(5)

式中,Ni为组成岩石的第i中矿物的体积百分数;Ki为对应矿物的体积模量。

Kf=(So/Ko+Sg/Kg+Sw/Kw)-1

(6)

式中,Ko、Kg和Kw分别为油、气和水的体积模量;So、Sg和Sw分别为油、气和水的饱和度,并且So+Sg+Sw=1。

2 实例分析

普光气田位于川东北断褶带东北段的双石庙-普光构造带上,是一个北北东向的构造-岩性复合型气藏,形成于燕山期,定型于喜山期。下三叠统飞仙关组台地边缘相鲕粒滩储集层是普光气田最主要的产气位置,储集层岩性主要以颗粒白云岩和细-中晶白云岩为主,受早期沉积作用和后期同生成岩、浅-中埋藏、深埋藏和后期变形4个成岩阶段的影响,发育有粒内溶孔,铸模孔,粒间溶孔,晶间孔和裂缝等不同骨架柔韧性因子的储集空间。

2.1 基于岩石物理分析的速度—孔隙度关系

普光气田白云岩储集层白云石含量大部分在90%以上,方解石4%～8%,含极少量泥质;流体类型为高含H2S和CO2的天然气。表1是利用CRA方法进行计算时所用的参数值,图3为计算得到的A井取心段岩石不同矿物组成的含量和孔隙度值。对比岩心分析孔隙度和计算得到的孔隙度可以发现两者具有较高的一致性,说明了CRA方法的适用性。取心井段的岩心薄片资料展示了垂向上孔隙结构的变化,5 602.34 m和5 642.24 m处的粒内溶孔较其他位置的储集层具有较大的孔隙度和较高的速度。研究区裂缝主要发育于飞仙关组中上部的非有效灰岩储集层中,为此,研究中剔除了裂缝对骨架柔韧性因子的影响。

表1 矿物含量和孔隙度计算时所用的参数值

图3 A井取心段测井曲线组合及其岩石物理特征

图4 A井取心段密度孔隙度与纵波速度交会图

图4为A井取心段岩心对应密度孔隙度和纵波速度之间的交会图,色标指示了骨架柔韧性因子的变化。从图4中可以看到,纵波速度和孔隙度具有明显的负相关关系。在相同的孔隙度条件下,由于孔隙结构的差异,速度具有很强的发散性。当孔隙度等于12.5%时,速度差异可以达到1 000 m/s。根据骨架柔韧性因子的差别,可以将纵波速度—孔隙度关系划分为3个不同的趋势区域:橙色趋势区域的骨架柔韧性因子小于4,蓝色趋势区域的骨架柔韧性因子介于4和6之间,绿色趋势区域的骨架柔韧性因子大于6。高孔隙度低速度的样本点表现为低的骨架柔韧性因子,而低孔隙度高速度的样本点则对应于高的骨架柔韧性因子。

选取图4中10个铸体薄片对应的样本点,A1～A4、B1～B3、C1～C3分别位于不同趋势区域中,其中A3和B1、A4和B2、B3和C1分别对应于孔隙度5.5%、7%和14%。对比样本点B3和C1可以发现两者在相同孔隙度条件下,速度差异达到了400 m/s。进一步分析发现,B3和C1具有相同的岩性,但岩石结构差异明显。B3是结晶白云岩,而C1是颗粒白云岩。此外,B3具有晶间孔和部分粒内溶孔混合孔隙类型,C1则发育相对简单的粒内溶孔或铸模孔(见图4)。样本点A3、B1、A4和B2都是结晶灰岩,但是B1和B2具有更多的粒内溶孔。因此,在相同的孔隙度条件下,B1和B2具有相对强的岩石刚度和大的纵波传播速度。样本点A3和A4以晶间孔为主,相比其他孔隙结构类型的储集层而言,纵波在这类储集层中传播时,由于流体和岩石之间的作用会引起速度显著的降低(见图4)。

图5 B井飞仙关组密度孔隙度与纵波速度交会图

图5为B井飞仙关组全井段密度孔隙度与纵波速度的交会图。对比发现,图5和图4具有类似的趋势,发育粒内溶孔或铸模孔的样本点沿黑色趋势线分布,如图5中C1～C3,其骨架柔韧性因子小于5;发育粒内溶孔、晶间溶孔混合孔隙类型的样本点沿着红色趋势线分布,如图5中的B1～B3,其骨架柔韧性因子介于5～8之间;发育晶间溶孔和微孔隙的样本点沿着绿色的趋势线分布,如图5中的A1～A4,其骨架柔韧性因子大于8。骨架柔韧性因子将单一的速度—孔隙度关系划分为具有不同孔隙结构特征的3个区域,从而利用3个速度—孔隙度关系表征具有不同孔隙结构特征的储集层。该方法充分考虑了储集层孔隙结构变化对速度的影响,充分利用数据点,用3个高精度的速度—孔隙度关系表征储集层,提高储集层表征的精度。此外,该方法还能有效避免忽略掉储集层表征过程中高孔隙度低速度端铸模孔或粒内溶孔发育的有效储集层和低孔隙度高速度端晶间溶孔发育的有效储集层。

图6 普光气田飞仙关组储集层孔隙度与渗透率交会图*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

2.2 基于岩石物理分析的孔隙度—渗透率关系

图7 不同孔隙结构储集层压汞曲线特征

图8 骨架柔韧性因子与流动带指数交会图

利用普光气田取心段实测的覆压孔隙度渗透率资料,建立研究区孔隙度和渗透率之间的关系(见图6)。由复杂孔隙结构特征导致的碳酸盐岩储集层强的非均质性使得研究区渗透率离散分布。利用骨架柔韧性因子,可以将研究区离散的孔隙度和渗透率关系划分为3种不同的趋势(见图6)。橙色样本点为粒内溶孔或铸模孔发育的储集层(见图6中C1),其骨架柔韧性因子小于4。该类储集层孔隙结构以大孔微喉、中孔微喉为主,孔隙之间连通性差。图7中①、②毛细管压力曲线表现为细歪度,分选中等,储集性较好。蓝色样本点为晶间溶孔和粒内溶孔混合孔隙发育的储集层(见图6中B2、B3),其骨架柔韧性因子介于4～6之间。该类储集层孔隙结构以大孔中喉、中孔细喉为主,孔隙之间连通性相对较好,主要取决于晶间孔隙的发育程度。图7中③、④毛细管压力曲线表现为中-细歪度,双平台的特征,分选中等,储集性较好。绿色样本点为晶间溶孔发育的储集层(见图6中A4),其骨架柔韧性因子大于6。该类储集层孔隙结构以中孔中喉、中孔细喉为主,孔隙之间连通性最好。图7中⑤、⑥毛细管压力曲线表现为粗-中歪度,分选较好,储集性好。在相同孔隙度条件下,骨架柔韧性因子大于6的储集层由于孔喉连通性最好而使其渗透率要比其他两类储集层高几个数量级。据图6可知,研究区内渗透率最高的储集层是晶间溶孔最发育的储集层而不是孔隙度最大的储集层。根据骨架柔韧性因子,研究区存在3类孔隙度和渗透率关系,相比图6中红色曲线所示的单一孔隙度和渗透率关系,其相关系数明显提高,储集层渗透率的表征精度也随之得到显著提高。

2.3 流动带指数对比分析

岩石物理相为沉积、成岩和构造的综合效应,决定了碳酸盐岩储集层中孔隙、溶孔及裂缝的发育程度和共生关系。流动带指数是进行储集层岩石物理相划分的重要指标,是表征储集层微观孔隙结构、反映宏观渗流特征的重要参数[16]。在地震岩石物理研究过程中,骨架柔韧性因子是分析地震波在不同孔隙结构类型储集层中传播规律,建立岩性参数、物性参数和地震速度、密度等弹性参数之间关系的桥梁。基于骨架柔韧性因子的岩石物理表征和基于流动带指数的岩石物理相分类都体现了储集层岩性、物性和孔隙结构对储集层质量的控制作用,两者之间必然存在内在关系。图8为A井取心段骨架柔韧性因子和流动带指数的交会图,图8中可以看到两者之间具有很好的正相关关系。在碳酸盐岩储集层中,流动带指数高值区通常代表具有好的孔喉连通性、晶间溶孔相对发育的储集层,其对应于高γ值。流动带指数低值区代表了孔喉连通性差、粒内溶孔或铸模孔发育的储集层,其对应于低γ值,在这类储集层中,纵波以相对较快的速度沿骨架传播。混合孔隙发育的储集层,孔喉连通性介于以上2类储集层之间,故对应于中等的流动带指数和γ值。骨架柔韧性因子和流动带指标之间高的相关性从岩石物理相(沉积相、成岩相和裂缝相)的角度进一步验证了骨架柔韧性因子在具有强非均质性的碳酸盐岩含气储集层孔渗表征过程中的适用性。

图9 3种不同孔隙结构类型碳酸盐岩储集层反射系数随入射角变化图

2.4 成因机制简析

普光气田不同孔隙结构储集层的发育在宏观上受沉积相的控制,微观上受成岩作用的控制。台地边缘鲕粒滩亚相是有利储集层集中发育位置,其他相带储集条件差。粒内溶孔或铸模孔发育的储集层主要发育于鲕粒滩滩核的位置,同生成岩阶段的大气淡水选择性溶蚀、胶结和混合白云岩化作用一方面使储集层发育丰富的粒内溶孔、铸模孔;另一方面形成强烈的粒间白云石胶结使形成的孔隙得到很好的保存。后期成岩改造对该类储集层影响较弱,孔隙多呈孤立状,连通性较差,使该类储集层总体上表现为相对高孔隙度、低渗透率的特征。晶间溶孔发育的储集层主要发育于鲕粒滩滩缘的位置,早期成岩作用较弱,受后期埋藏白云岩化和重结晶作用的影响,储集层原始颗粒结构基本被破坏,重结晶成细-中晶白云岩,局部可见残余鲕粒结构。白云岩储集层受后期非选择性溶蚀作用的影响,晶间孔继续扩大形成孔喉连通较好的晶间溶孔,使该类储集层总体上表现为相对低孔隙度、高渗透率的特征。混合孔隙结构类型发育的储集层主要形成于滩核-滩缘的过渡位置,受整个成岩阶段的影响,储集层形成孔喉结构复杂的混合孔隙组合类型,孔隙度渗透率分布介于上述两类储集层之间[17-18]。

3 叠前地震储层表征的探讨

碳酸盐岩储集层的空间表征是在储集层测井评价的基础上,基于地震资料进行的。相比叠后地震资料,叠前地震数据在碳酸盐岩孔渗表征过程中可以提供更多、更准确的关于孔隙结构特征的信息,从而更好地预测碳酸盐岩储集层的非均质性[19-21]。大量理论研究表明,不同孔隙结构类型的碳酸盐岩储集层在给定孔隙度条件下具有不同的AVO响应特征。为此,研究中构建了以飞仙关组储盖组合为原型的双层介质模型,以探讨叠前地震储层表征的可行性。模型参数来自于A井中具有相似孔隙度、不同孔隙结构类型的3个样本点(见表2)。通过求解Zoeppritz方程可以得到具有不同孔隙结构类型的3类储集层纵、横波反射系数随入射角变化而变化情况。图9中,不同孔隙结构类型的储集层具有不同的临界角,并且从粒内溶孔到晶间溶孔储集层,纵波和转换横波的临界角角度逐渐增加。就纵波反射系数而言,不同孔隙结构类型储集层反射系数的差异随着入射角的增大而增大。例如,在入射角小于30°的情况下反射系数的差值近似等于0.05,当入射角大于30°时反射系数的差异迅速增大,不同孔隙结构类型储集层的地震响应特征差异越来越明显。对于转换横波的反射系数,其具有和纵波反射系数类似的特征,但反射系数发生明显变化对应的入射角要大于40°。上述AVO模拟结果表明,孔隙结构类型的变化的确对地震响应特征有重要的影响,相比小偏移距地震数据而言,大偏移距地震数据能更好地区分碳酸盐岩储集层中孔隙结构类型的变化以便更好地进行储集层孔渗表征。以上结果进一步印证了普光气田飞仙关组储集层叠前地震表征的可能性,利用叠前地震数据体,结合骨架柔韧性因子的分析,可以按不同孔隙结构类型进行井间孔隙度渗透率的表征。

表2 用于正演的不同孔隙结构类型碳酸盐岩储集层参数

4 结 论

(1) 骨架柔韧性因子是用来定量表征碳酸盐岩储集层复杂孔隙结构类型对岩石声波速度影响的一个参数。在相同孔隙度条件下,低骨架柔韧性因子代表了具有高孔隙纵横比和声波传播速度的球形孔隙发育的储集层,而相对高骨架柔韧性因子则代表了粒间孔隙或裂缝发育的储集层。在骨架柔韧性因子的计算过程中不需要考虑干岩石的弹性模量,求解过程更为简便、可靠。

(2) 骨架柔韧性因子可以量化不同的孔隙结构,从而建立骨架柔韧性因子约束下的多个速度—孔隙度—渗透率关系式表征具有不同孔隙结构特征储集层的孔隙度渗透率特征,提高储集层表征的精度。这一方法避免了单一关系模型未考虑储集层孔隙结构变化对速度影响和精度不足的问题。

(3) 沉积和成岩控制了碳酸盐岩储集层不同孔隙结构的发育,基于骨架柔韧性因子的岩石物理表征和基于流动带指标参数的岩石物理相分类之间高的相关性进一步证明了骨架柔韧性因子在具有强非均质性的碳酸盐岩含气储集层孔隙度渗透率表征过程中的适用性。

(4) 基于AVO正演模拟的结果表明,大偏移距的叠前地震数据具有评价研究区碳酸盐岩储集层复杂孔隙结构和进行井间孔隙度渗透率表征的可能性。

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