岩石机械参数在致密砂岩流体识别中的应用

曾静波, 万金彬, 程道解, 白松涛, 杨帆, 邢军

(中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077)

0 引 言

研究区块位于塔里木库车地区,目的层白垩系巴什基奇克组埋藏深,高温、高压,岩性复杂(主要以细砂、细～中砂为主,其次为中砂),储集类型多样(裂缝～微裂隙发育),物性差(孔隙度主要集中在1%～5%,比例在80%以上),非均质性强,孔隙结构复杂。在实际解释评价中单单使用常规测井资料难以进行油气水识别。许多专家与学者已通过实验和理论研究表明,利用阵列声波测井资料识别地层流体性质行之有效[1-4]。本文在前人的工作基础之上,针对研究工区特点,选取阵列声波测井资料提取纵、横波速度信息,与常规测井资料结合计算反映地层岩石机械特性的参数,由此建立的交会图版可以有效识别气水层。对低孔隙度低渗透率-特低孔隙度低渗透率储层的流体识别和勘探开发工作具有重要的指导意义。

1 阵列声波测井资料识别流体性质原理

含气地层中,地层的弹性性质会发生改变,直接结果导致纵波能量衰减明显,而横波能量变化不大,因为地层孔隙中水和气相在声学特性上有很大的差异(表1是油气水的理论声学参数值[5]),可以通过阵列声波测井资料提取出纵、横波速度计算出一系列的岩石机械参数(体积模量、压缩系数、波阻抗、泊松比、拉梅系数、剪切模量等),从中选择构建出对流体性质敏感性强的参数建立交会图版,从而达到识别流体性质的目的。

根据致密砂岩声波速度试验[6-7],随着含气饱和度的增加,纵波速度在一定范围内明显减小,随着物性(孔隙度、渗透率)的变好,纵波速度的变化也越大;横波速度几乎保持为一个常量或略有减小,这一结论与前面所述原理共同为识别研究工区的储层流体性质工作奠定了基础。

表1 油、气、水的声学参数

2 岩石机械参数求取及其交会图版

2.1 体积模量、剪切模量比值与地层压缩系数

在弹性波动理论中,体积模量与剪切模量比值及地层压缩系数为

(1)

(2)

式中,κ为体积模量,无量纲;μ为剪切模量,无量纲;CB地层压缩系数,G·Pa-1;ρ为体积密度,g·cm-3;vp、vs分别为纵、横波速度,m·s-1。

2.2 波阻抗与泊松比

波阻抗反映的是岩石中密度与声波速度在不同流体性质间的变化,表达式为密度与速度的乘积;泊松比反映了储层的横向应变对纵向应变的影响,对气体反映敏感。纵、横波阻抗以及泊松比表达式为

(3)

(4)

(5)

式中,Zp、Zs分别为纵、横波阻抗,无量纲;λ、μ分别为拉梅系数、剪切模量,无量纲;ΔtR为饱和流体纵、横波速度比,无量纲。

研究工区由于岩性的复杂多样性与裂缝的存在,单一使用密度与纵波速度的乘积得到的波阻抗识别气层的效果不太理想,在此,用纵、横波阻抗构建组合参数识别气层。

由Biot理论,有

λ=λdry+β2M

(6)

式中,λdry为干燥岩石的体积参量;β为流体与岩石各自体积变化比值;M为与流体相关的参数。

构建组合表达式

(7)

通过选择合适的k1值使组合表达式最大化突显出流体的影响,也最大化地减小固体基质部分的影响。结合式(3)至式(5)得到

ρ[(λdry+β2M+2μ)-kμ]=ρβ2M

(8)

从而

(9)

式中,vpdry、vsdry分别为干燥岩石的纵、横波速度。

参考1997年Han的实验[8],其中给出了几种不同岩石的vp/vs特征(见图1),取砂岩vp/vs的截止值1.46,得到k1值为2.15。

图1 不同岩石的vP/vS特征

图2 泊松比与波阻抗交会图

2.3 拉梅系数与剪切模量

拉梅系数表征岩石不可压缩性的度量,不仅与岩石成分有关,还与岩石内的流体性质密切相关;剪切模量表征岩石的刚性强度,只受岩石成分的影响,与岩石中的流体性质基本无关。其表达式分别为

(10)

(11)

利用二者之间的差异可用来寻找气层。与波阻抗识别气层方法类似,构建拉梅系数与剪切模量的组合参数进行气层识别,组合参数为λ-k2μ,类似地得到k2值为0.15。

图2至图4是用研究区域的8口试油井数据结合上述岩石机械参数建立的交会图版。从图中看到气层与纯水层可以明显的区分开来,气层、气水同层、含气水层的波阻抗组合参数、泊松比、 拉梅系数与剪切模量组合参数数值明显小于水层的数值,而在体积模量、剪切模量比值与地层压缩系数交会图版中,水层的数值较气层、气水同层、含气水层数值大,除此之外气层与气水同层、气层与含气水层、气水同层与含气水层区分效果不好。表2是根据交会图版得到的不同流体性质的判别标准。

图3 拉梅系数差值与比值交会图

图4 κ/μ与地层压缩系数CB交会图

表2 研究工区不同流体性质判别标准

图5 A井岩石机械参数识别气层效果图(5 800～5 840 m)*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

3 应用实例分析

图5是A井识别岩石物理参数识别气层效果图。从常规测井曲线上可以看到井径曲线较为规则,自然伽马测井曲线在储层段反映出了非均质性(储层段高值,非储层段低值),自然电位测井曲线反映储层段异常变化不明显,井段底部32～33号层电阻率曲线呈现明显的负向差异,深电阻率均值为4 Ω·m,呈现出明显的水层特征;密度均值为2.53 g/cm3,声波均值为60.36 μs/ft*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,反映出储层物性较好,解释为水层。20、23、26、28、30号层深电阻率均值在9 Ω·m左右,密度曲线明显变大,均值为2.596 g/cm3,声波与中子曲线相对有效储层变小,均值分别为58.66 μs/ft、2.49%,物性明显变差,解释为干层。在井段的上部21、22、24号层电阻率呈低侵,均值为13 Ω·m,声波变大,中子的挖掘效应较为明显,密度值明显减小,其均值分别为63.5 μs/ft、6.35%、2.51 g·cm-3,解释为气层。25、27、29、31号层三孔隙度曲线变化趋势与气层相一致,均值分别62.6 μs/ft、5.87%、2.5 g/cm3,电阻率曲线基本重合或呈现高侵现象,平均值为6.5 Ω·m,解释为气水同层。第9～14道是计算出的用来识别流体的岩石机械参数,可以看到在气层段泊松比、波阻抗、拉梅系数与剪切模量差/比值、弹性参数都变小,压缩系数变大,显示出了明显的相应特征,而水层段与之相反,区分效果明显。该井在5 800～5 840 m试油,日产气178 339 m3,日产水103 m3,结论为气水同层,试油结论与解释结论基本一致。

4 结 论

(1) 当岩石所处的温度和压力一定时,随着含气饱和度的增大,纵波速度在一定范围内减小明显,横波速度几乎不变。

(2) 研究工区往往由于孔隙结构、岩石组分胶结物等因素的影响,会导致计算的压缩系数值偏低,因此在用压缩系数识别流体时要参考水层的值。

(3) 由于阵列声波测井信息对含气地层响应明显,再加上易受岩性、物性的影响,导致研究区块内的气水同层、含气水层与气层无法区分,如何将其区分需在后续工作中进一步研究。以实验为基础,结合现场阵列声波测井信息,采用弹性模量、压缩系数、构建波阻抗、拉梅系数与剪切模量差/比值方法能够有效地识别气层,在实际应用中取得了较好的效果。

(4) 阵列声波测井受岩性、物性影响较大,但在低孔隙度低渗透率、孔隙结构复杂的情况下,识别气层方法仍然适用,只是准确度有所降低。

参考文献:

[1] 章成广, 江万哲, 肖承文, 等. 声波全波资料识别气层方法研究 [J]. 测井技术, 2004, 28(5): 397-401.

[2] 胡学红, 李长文, 李新, 等. 低孔隙度低渗透率砂岩的声波特性实验研究 [J]. 测井技术, 2004, 28(4): 273-276.

[3] 赵立新, 刘学锋, 孙建孟, 等. 应用声学岩石物理模型进行储层流体性质识别 [J]. 测井技术, 2009, 33(5): 444-448.

[4] 张永军, 顾定娜, 马肃滨, 等. 阵列声波测井资料在吐哈油田致密砂岩气层识别中的应用 [J]. 测井技术, 2012, 36(2): 175-178.

[5] 曾文冲, 邱细斌, 刘学锋. 识别复杂储层流体性质的新途径 [J]. 测井技术, 2014, 38(1): 11-21.

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[7] 张银海, 李长文. 纵波特性与岩石含水饱和度关系的试验研究 [J]. 测井技术, 1995, 19(1): 6-10.

[8] 孙兴刚, 魏文, 李红梅. 岩石物理参数的流体敏感性分析 [J]. 油气藏评价与开发, 2012, 2(1): 37-40.