潜江凹陷潜江组盐间页岩油储层地震岩石物理特征分析

钟庆良,赵建国,肖增佳,石秀平,贺新蔚

(1.中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司物探研究院,湖北潜江434124;2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;3.赛吉纪技术服务(北京)有限公司,北京100020)

中国陆相页岩油资源储量丰富,是未来国内维持石油可持续供给的重要战略接替能源。虽然我国页岩油勘探开发起步较晚,相当一部分技术与理论还未成体系,但截至2019年,中石化和中石油均已取得页岩油勘探的局部性突破[1]。页岩油的勘探开发前景可观,正吸引众多科研院所、油气公司和高校等专家学者的重视。

潜江凹陷地处江汉盆地中部,为中、古生界形成的新生代内陆断陷湖盆,属次一级负向构造单元,周围有不同正向构造单元围绕。潜江组作为江汉盆地主要含油层系之一,纵向可划分为5个亚级单元,共包括193个含盐韵律,单岩韵律层厚度3～12m,其中盐间页岩油主要发育在盐湖沉积区[2],属淡化沉积产物。根据龙玉梅等[3]对潜34油组(E2q34)岩心含油性评价,确定了块状云岩相和纹层状泥质云岩相为有利岩相。潜江组的独特地质特征和岩石学特征使得盐间页岩油地层岩性变化快、矿物类型混杂,多为混合性细粒沉积[4]。导致源储界限易混淆,“甜点”纵向多呈薄互层。此外,受成岩作用和有机质成熟度的影响,储层孔隙发育类型和流体性质不同都会对地震响应造成不同程度的影响,进而对实际测井资料解释和地震“甜点”识别带来困难[5]。同时由于沉积作用导致的特殊岩相(纹层状层理或层间缝)特征,使得页岩可能存在一定程度的各向异性和非均质性,同样给储层预测带来一定的误差。

我国陆相页岩油的勘探实践表明,页岩油储层性质复杂,整体地球物理响应特征不明显,常规储层预测和“甜点”识别表征的地球物理勘探方法等难以适用于页岩油[6]。本文研究的江汉盆地潜江凹陷潜江组页岩油储层亦是如此,同时还存在其独特性。所以亟需进一步系统建立储层岩性、物性和弹性属性的规律性关系,寻找适用于页岩油储层预测的地球物理勘探方法。

地震岩石物理技术是研究储层物性和地震属性之间的桥梁。通过岩石物理弹性参数测试结合实际岩心孔隙度、渗透率、矿物组成、微观孔隙结构表征办法等,研究不同储层条件下(不同压力和不同饱和度)、不同岩性甚至是不同孔隙结构的岩石地震弹性响应特征,可为储层“甜点”识别提供依据[7-8]。国外对页岩油气储层岩石物理特征研究较早,如VERNIK等[9]通过岩石物理实验测试了Bakken页岩弹性波速度的各向异性特征,总结了岩石速度特征的影响因素。JOHNSTON等[10]通过测试速度随压力变化关系并结合X-射线衍射和电镜微观成像技术研究了页岩的地震各向异性以及波的传播过程。SONE等[11]对页岩气储层岩石力学性质进行了研究,探讨了岩心动静态下的弹性性质和各向异性。国内的地震岩石物理测试技术在碎屑岩和碳酸盐领域相对成熟,但在页岩油气的勘探开发中,缺少系统性的岩石物理测试成果,代表性的测试有邓继新等[12-13]在实验室超声波频率下测试龙马溪组页岩气储层岩石不同压力条件、干燥以及饱和流体条件下各向异性特征,并从地质角度分析各向异性特征的影响因素。ZHAO等[14]研究了有机质页岩不同成熟度时的岩石物理建模方法,并根据模拟结果系统分析了有机页岩弹性性质和各向异性的影响因素及变化规律。目前针对页岩油岩石物理多聚焦于研究各向异性和微观孔隙结构表征以及与测井结合的岩石物理建模方面,缺少直接对页岩油岩心的弹性测试,本文主要通过对潜江组盐间页岩油储层岩心进行系统的声学测试,结合矿物分析等方法,分析各向异性特征,确定岩性、物性和地震弹性参数间的变化关系,寻找储层识别的有利参数。

1 盐间页岩油样品岩石物理参数测试

1.1 实验样品制备和测试方法

为明确潜江凹陷盐间页岩油不同岩性的地震岩石物理特征,选取研究区不同韵律层不同岩性岩心。所有岩心均来自研究区F井,总计取心47块,主要包括潜3～4油组10韵律,潜40中油组3韵律,潜四下段6韵律、15韵律、18韵律、23韵律、32韵律,其中包括不同方向(平行层理方向(90°)和垂直层理方向(0))钻取的岩心共有13组。岩性主要包括盐岩、钙芒硝岩/泥质钙芒硝岩、泥质白云岩和云质泥岩4类,其矿物组成和含量见表1。

表1 矿物组成及含量测试结果

实验样品制备过程如下。岩心钻取成直径为25mm或38mm的柱塞状,初始高度大于60mm,并进一步用线切割的方式切制成高度为40～55mm,然后将端面磨平处理,保证端面斜度小于0.05mm,以保证后续声学性质的测试准确。切掉的片状体用于矿物分析(XRD)和CT扫描以及电镜分析。切割后的原状地层的岩心样品需进行洗油等操作,以方便后续干燥和饱和条件的声学测试。洗油采用独特的索氏抽提器分馏洗油法,以二氯甲烷(沸点39.75℃)作为萃取剂,洗油温度控制在40℃,周期为20d,洗油后的样品在40℃恒温干燥箱中干燥24h后取出并记录岩心直径和长度。最后则用多层保鲜膜封存,放置干燥剂,将样品置于-1℃冰箱中保存备用。

岩心样品密度的测试采用常规的称重法进行多次测试取平均值。孔隙度的测试采用HDQK-气体孔隙度测定仪,多次测试取平均值得到比较准确的孔隙度结果。弹性参数的测试采用目前国际上较为先进的超声实验测试设备——AutoLab 1000系统,可实现变围压和变温度测试。其原理即超声脉冲穿透法,装置配套的纵、横波PZT换能器主频为1MHz。超声实验测试设置初始压力为5MPa,终止压力为40MPa,压力间隔为5MPa,共计8个压力测试点。为避免岩心样品受损同时保证样品的围压平衡设置每个压力点间的升压过程维持15min,使得测试结果更为准确可信。此次纵、横波速度的测试误差分别为±1.25%和±2.00%。

1.2 密度孔隙度参数变化规律

图1是用不同岩性岩心的密度和孔隙度进行交会的结果,结果表明,盐岩呈现低密度和低孔隙度,密度和孔隙度范围分别为2.06～2.20g/cm3和0.86%～3.02%,并且通过密度参数可与盐间页岩完全区分。盐间页岩中密度-孔隙度的相关性较好,其中白云岩、钙芒硝岩、云质泥岩的密度和孔隙度的分布范围分别是2.45～2.74g/cm3,0.29%～6.29%;2.48～2.67g/cm3,0.91%～8.24%;2.31～2.64g/cm3,4.81%～12.39%。

孔隙度的整体趋势表现为云质泥岩最大,其次钙芒硝岩,而泥质白云岩相对最小。其中粘土和粉砂矿物(石英和长石)以机械沉积的方式形成了粒间孔和黏土孔,决定了泥岩具有相对较高的孔隙度和较低的密度。相反,白云石和钙芒硝占比的增高会增加密度降低孔隙度。图1中钙芒硝岩和白云岩的交会存在较多重叠,从矿物分析的结果可以对其进行解释,首先白云石和钙芒硝都属于化学沉积,孔隙主要以晶间孔和溶蚀孔为主。由表1可知,白云岩和钙芒硝岩基本都存在钙芒硝和白云石矿物的混合,所以两者在密度和孔隙度值上相接近,同时也是弹性性质可能接近的因素之一。此外值得注意的是,本数据中泥质白云岩整体密度较高而孔隙度相对较低,均来自深层,主要是受埋深影响,白云石结晶孔欠发育,孔隙度普遍低于5%。

图1 不同岩性密度与孔隙度交会结果

1.3 弹性波速度变化规律及各向异性分析

采用脉冲穿透法测试了岩心样品在干燥和完全饱和白油时的速度变化规律,测试压力如前所述为0～40MPa,共计8个压力点;饱和流体为工业白油,密度为0.89g/cm3,40℃的运动粘度为13.5～16.5mm2/s。测试饱和状态分别为干燥和完全饱和。本次超声(1MHz)实验测试的目的是观察不同岩性、不同孔隙度、不同流体饱和状态下岩心弹性参数的变化规律,为储层预测提供合适的地震岩石物理参数,此外更重要的是为后续岩石物理建模预测岩心弹性性质和孔隙结构参数提供可靠数据依据。这里侧重于超声实验测试的弹性波速度的基础分析。我们选取5组岩心样品,对应4种岩性和一组裂缝型岩心,详细参数见表2,每组岩样中的两块样品都是从同一母样中按照平行地层和垂直地层取心的方式得到。

表2 测试样品的基本参数

图3是干燥和完全饱和白油条件下这几种岩石样品各向异性参数ε、γ随压力变化曲线,ε表示纵波各向异性程度,γ表示横波各向异性程度,样品的密度取两块平均值,并通过如下公式计算各向异性参数:

图2 不同岩性岩心干燥和完全饱和白油条件下纵、横波速度随压力变化

(1)

(2)

式中:C11,C33,C44,C66为横向各向同性介质弹性刚度系数[15]。图3中各岩性的纵、横波各向异性特征如下。①纵、横波各向异性均随着压力增大有不同程度的降低,纵波各向异性对压力更为敏感。这是由于当地震波垂直裂缝面传播时,速度衰减较大,而高压力时,平行层理的裂缝较容易闭合,此时相当于没有裂缝,速度提升较大。而地震波沿着裂缝面传播(也就是垂直层理缝)时本身速度的衰减较小,与裂缝闭合时的速度差异不大。因此,平行层理缝样品具有较高的速度压力相关性。②盐岩和云质泥岩以及泥质白云岩的各向异性很小,0.01<ε<0.15,0.01<γ<0.1;存在矿物定向排列的钙芒硝岩和层间裂缝型的泥质白云岩各向异性程度相对较高,前者范围为0.1<ε<0.25,0.025<γ<0.15;后者为0.32<ε<0.93,0.15<γ<0.75。③遇饱和流体后纵、横波各向异性均有明显降低,由于流体填充后增加了岩石整体刚性,减弱了孔隙的闭合速率,使得速度的变化率降低。

图3 不同岩性岩心各向异性参数随压力变化

2 地震岩石物理特征分析

2.1 不同岩性弹性参数变化规律

依据地震属性寻找有利岩相是储层“甜点”识别的重要手段之一,然而对于盐间页岩油储层,其独特的成岩过程导致矿物组成具有混积性,岩性复杂,且纵向变化快,使得地震属性识别有利岩性存在不确定性。因此,借助岩石物理手段直接测试岩石动态弹性参数的变化规律,可为地震“甜点”识别提供依据。图4 给出了不同岩性30MPa压力下完全饱和白油时的纵、横波速度、杨氏模量与泊松比、纵波阻抗与纵、横波比速度比以及杨氏模量与体积模量的交会图。交会结果显示泥质白云岩和泥质钙芒硝岩以及云质泥岩的弹性参数交会都出现重叠,这与岩石的混积性密切相关。表3中根据矿物分析结果挑选出具有单一矿物岩石(单一矿物含量高于90%的岩心)的弹性参数统计,可以发现4种岩性的纵、横波速度、杨氏模量、体积模量以及纵波阻抗在数值上分别存在差异,可用于地震上的岩性识别。而4种岩性的纵、横波速度比和泊松比数值相近,故不适用于岩性区分。

图5显示了矿物含量与弹性参数的变化关系,所有矿物种类中,以石英含量与弹性参数的关系最为敏感。如图5中所示,除不含石英矿物的岩石外,其它岩石无论是纵波速度还是纵波阻抗,均呈现出随石英含量增加而先增加后减少的趋势,特征石英含量点为15.1%。依据成岩理论的观点,当石英含量少于15.1%时,碳酸盐岩矿物和钙芒硝作为岩石骨架主体,石英作为硬颗粒增加岩石整体的刚性,因此速度明显增加,当石英含量高于15.1%时,同时一定量的粘土矿物存在使得石英的刚性效应低于粘土含量增加导致的孔隙度变大对速度的减弱作用,因此速度降低。这里石英含量的提高增强了骨架硬度,使得沉积过程中粒间孔隙不易被压缩,保留了一定的孔隙度,因此孔隙度较高。可见,石英含量与弹性参数较为敏感,可用于有利岩性的识别。

2.2 有利储层敏感参数识别

在测井解释和地震储层预测寻找有利储层时,首先区分盐岩层和盐间页岩油层(简称盐间层),再从盐间层寻找有利储层(孔、渗、含油性较好的储层)。按照该思路,应用岩石物理声学测试数据对有利储层进行识别,寻找储层敏感参数,并与测井解释结果相互对比验证。图6a和图6b分别给出了利用岩石物理测试数据区分盐岩层的密度与纵波速度交会和测井数据的密度与声波时差交会结果。交会结果显示密度可以有效区分盐岩和盐间页岩,盐岩密度一般小于2.2g/cm3,与测井解释给出的密度结果相一致。而纵波速度难以区分盐岩和盐间页岩。图7对比了杨氏模量和泊松比交会分析的岩石物理测试结果与测井解释结果,结果表明杨氏模量可以区分部分盐间页岩层,其杨氏模量大于44.38GPa,而泊松比难以区分,与测井解释结果相近。图8为纵波阻抗和纵、横波速度比交会结果,纵波阻抗可以区分部分盐间页岩,其值IP>11.06g/cm3·km/s,其中纵、横波速度比难以区分,与测井解释结果相符。综上,区分盐岩和盐间层的最有效参数依次为密度、杨氏模量和纵波阻抗,详细参数见表4。

表3 不同岩性典型岩心弹性参数分布

图9显示了利用常规的地震岩石物理参数寻找盐间页岩层的有利储层,将目的层(潜34油组10韵律,潜40中油组,潜四下15韵律)的岩心作为有利储层,其余岩心作为不利储层。此做法并非按有利岩性进行有利储层的识别,原因在于地震识别储层时的精度与一个韵律层的厚度相当(几米到十米左右),而一种岩性层的厚度可能很小,不足以代表目的层的整体性质,无法与地震解释结果相匹配,所以这里以目的层的整体弹性范围区分有利储层。对比结果发现,纵波阻抗与纵、横波速度比、杨氏模量与泊松比联合只能区分部分有利储层,叠置现象严重。然后我们通过试验其他参数组合的方式,最终得到λρ(含流体效应的整体刚度)与μρ(岩石骨架的剪切刚度)交会结果(图10) 其区分效果良好。其中有利储层满足38.02GPa·g/cm3<λρ<67.38GPa·g/cm3以及39.51GPa·g/cm3<μρ<53.84GPa·g/cm3的范围,并且在测井解释数据上得到了相似的结果。两者虽存有误差,但参数的选择相一致,由此可见此岩石物理的测试结果验证了测井解释结果的可靠性。以上统计参数见表5。

图7 杨氏模量E与泊松比σ交会分析

图8 纵波阻抗与纵、横波速度比交会分析

表4 识别盐岩层与盐间层的有效参数

图9 超声数据(左)与测井数据(右)弹性参数识别有利储层与不利储层

图10 超声数据与测井数据弹性参数识别有利储层与不利储层

表5 识别有利储层和不利储层的有效参数

3 结论

通过对潜江凹陷潜江组盐间页岩油储层不同岩性的47块岩心基本物性测试、不同储层条件下的岩石物理声学测试,以及岩性、物性、弹性参数间的变化规律和特征关系分析,得出以下结论。

1) 盐岩具有低密度、低孔隙度特征,云质泥岩由于石英和粘土含量占比高,其孔隙度高于泥质钙芒硝岩和泥质白云岩,密度低于后两者。泥质钙芒硝岩和泥质白云岩因矿物组成为白云石和钙芒硝共存所以孔隙度和密度分布存在重叠。作为优质岩相的泥质白云岩的孔隙度分布范围为0.29%～6.29%。

2) 盐岩和大部分的盐间页岩样品表现为各向同性,岩石物理建模时可考虑各向同性岩石物理模型。而对于具有矿物成层排列或微裂缝成层发育的岩石,各向异性特征显著,无论岩石物理建模还是地震反演和预测都应考虑各向异性的影响。此外,纵、横波各向异性程度的大小,受压力和孔隙流体的影响较为明显,高压力和流体饱和都会降低速度的各向异性。

3) 纵、横波速度、纵波阻抗、杨氏模量和体积模量可用于地震岩性识别。而纵、横波速度比和泊松比等参数不适用于岩性区分。此外,纵波速度和纵波阻抗随石英含量增加呈现先增加后减小的变化,峰值处的石英含量为15.1%,石英含量可用于岩性识别。

4) 区分盐岩层和盐间层的最有效参数为密度,其次杨氏模量和纵波阻抗也可区分部分盐间层。密度大于2.2g/cm3、杨氏模量大于44.38GPa、纵波阻抗大于11.06g/cm3·km/s可视为盐间页岩层。纵波阻抗与纵、横波速度比、杨氏模量与泊松比交会可识别部分有利储层,而最终确定了λρ和μρ能够得到相对最好的区分效果,其中38.02GPa·g/cm3<λρ<67.38GPa·g/cm3,39.51GPa·g/cm3<μρ<53.85GPa·g/cm3的范围可认为是有利储层。以上结果与测井解释结果具有一定的相似度,从岩石物理角度验证了测井解释结果的可靠性。同时在后续岩石物理建模时可根据上述结果标定岩石物理模型。