沧东凹陷陆相页岩油电性各向异性分析及计算

丁娱娇,李嘉宁,肖斐,邵阳,刘爱平,侯璐

(1.大港油田分公司勘探开发研究院,天津300280;2.石油大学(北京)理学院,北京102200;3.中国石油集团测井有限公司天津分公司,天津300280)

0 引 言

沧东凹陷Ek2段既是常规油气成藏的主要油源,也是形成页岩油气的有利层段。近年来,Ek2段陆相页岩油规模开采取得重大进展,水平井钻完井技术和分段分簇大型体积压裂技术为实现规模开发Ek2段陆相页岩油提供了重要技术手段,并取得了很好的应用效果。但在测井甜点评价和措施井段优选方面也面临许多新问题。以往的页岩油测井“七性”参数计算与甜点评价均是以垂直井为基础。通过对目标区页岩油C1甜点段4个亚段在直井与水平井中电阻率数值分布范围对比发现:同一套甜点层中,直井中不同径向探测深度电阻率数值基本重合,反映储层渗透性差;水平井中深、浅电阻率数值出现明显分离现象,且深电阻率数值明显高于浅电阻率数值。由深电阻率数值分布范围来看,垂直井中深电阻率数值分布在3～200 Ω·m,水平井中深电阻率数值分布在5～2 000 Ω·m,其数值为垂直井的1.67～10.00倍。由于水平井与垂直井的测井响应特征差异巨大,以往基于垂直井测井资料建立的页岩油“七性”参数和甜点评价方法在水平井中的应用受到明显制约。目前,技术人员对于页岩油水平井电阻率校正还是借用典型砂岩储层的水平井电阻率校正的方法,缺乏有针对性的页岩油水平井电阻率校正技术手段。为寻找适合水平井页岩油测井七性参数和甜点的评价方法,该研究从实验室岩心测量入手,设计了一套实验室页岩油电性各向异性及影响因素测量方案。开展实验室岩心不同方向电阻率以及岩性、物性、烃源岩、含油性等相关参数测量,分析Ek2段陆相页岩油电性各向异性[1]特征以及影响因素。梳理了沧东凹陷Ek2段页岩油电性各向异性主控因素,提出了基于岩性、物性、含油性加权融合的电性各向异性系数计算方法,为页岩油水平井电阻率的校正提供技术手段。

1 页岩油电性各向异性测量方案设计

为准确分析水平井与垂直井电阻率差异原因,提取水平井电阻率校正方法,开展页岩油岩心各方向电阻率及配套储层参数测量实验。

具体实验测量方案有6个步骤。

(1)参考电阻率、自然伽马等测井曲线形态特征选取不同测井响应层段密闭取心全直径岩心,将其切割为高度(垂直Z方向)为10～15 cm、宽度(水平Y方向)为6.5～7 cm、长度(水平X方向)为7～8 cm的方岩样8块。

(2)应用CMS-300岩心自动测量系统,依据波义尔定律测量方岩样孔隙度,选择脉冲衰减的非稳态技术测量方岩样的渗透率;将方岩样饱和地层水使其处于饱和状态,使用地层条件电性-毛细管压力联测仪分别测量水平X方向、水平Y方向、垂直Z方向这3个方向电阻率。

(3)分别从8块方岩样的0°(水平方向)、30°、60°、90°(垂直方向)等4个角度钻取直径2.5 cm、长度为4～5.5 cm的柱塞样32块。

(4)对32块柱塞样进行岩心成像图像扫描,得到其扫描图像;采取与方岩样同样方法测量32块不同角度柱塞样的孔隙度、渗透率;采用与方岩样同样设备测量柱塞样长度方向电阻率。

(5)将32块柱塞样样品在温度低于60 ℃时烘干并粉碎至粒径小于40 μm,将样品粉末置于样品载片的凹槽中,使样品的测面保持粗糙,利用X衍射测量全岩矿物类型及含量;将8块钻塞取样后的样品按X衍射测量要求粉碎,并将已经粉碎的32块柱塞样粉末返回到原方岩样粉末中并搅拌均匀,测量8块方岩样的全岩矿物类型以及含量。

(6)将8块方岩样粉末均分为2份。其中1份利用岩石热解分析仪,采用程序升温的方法,将8块方岩样粉末中的烃类在不同的温度下热解或热蒸发成气态烃、液态烃和热解烃,得到可溶烃(游离烃)、裂解烃等热解参数。另1份用稀盐酸去除样品中的无机碳,然后在高温氧化的气流中燃烧,使总有机碳完全转化成二氧化碳,再用红外检测器检测总有机碳含量。

通过全套实验测量可以得到方岩样和柱塞样的岩性、物性、电性、含油性、烃源岩等相关信息,为页岩油电性各向异性特征以及主控因素分析提供基础数据。

2 页岩油电性各向异性特征

表1为8块方岩样和0°(水平方向)、30°、60°、90°(垂直方向)等4种不同角度32块柱塞样的各方向电阻率、电性各向异性系数,其中电性各向异性数值[2-3]通过式(1)计算得到。

(1)

式中,λ为电性各向异性系数;Rv为垂直电阻率,Ω·m,分别选取方岩样垂直Z方向电阻率以及柱塞样90°岩样电阻率作为垂直电阻率;Rh为水平电阻率,Ω·m,分别选取方岩样水平X、Y方向电阻率以及柱塞样0°岩样电阻率作为水平电阻率。

表1 Ek2段页岩油方岩样以及柱塞样电阻率及电性各向异性系数统计表

对表1的数据进行分析可以得到以下4点认识。①从方岩样水平X方向和Y方向电阻率数值对比来看,除个别岩样外,二者电阻率数值差别不大,说明Ek2陆相页岩油水平层内电性各向异性不明显。②无论是方岩样还是柱塞岩样均可以看出,垂直方向电阻率远大于水平方向电阻率,说明Ek2段陆相页岩油垂直层间电性各向异性特征明显,且不同岩样电性各向异性系数数值差异明显,其电性各向异性系数在1.06～1.83内变化,说明电性各向异性非均质性强,不能简单地用一个区域平均值直接表征页岩油电性各向异性,应综合分析电性各向异性控制因素,提取合适的电性各向异性表征方法。③从电阻率数值大小与电性各向异性强弱相关性来看,二者没有明显的对应关系,电阻率高不代表电性各向异性一定强,电阻率低不代表电性各向异性一定就弱。④从大尺度方岩样与小尺度柱塞样水平、垂直电阻率以及各向异性系数对比来看,在排除因黄铁矿(C6T4岩样)、裂缝(C5T3岩样)等因素使得方岩样与柱塞样各向异性差异较大之外,正常情况下,方岩样测量的电阻率数值稍微高于柱塞样,其各向异性数值稍微低于柱塞样,二者一致性关系非常好。出现这种现象的主要原因是Ek2段陆相页岩油的岩性、物性等分布不均。综合分析认为,大尺度方岩样测量数值相比小尺度柱塞样测量数值,能够更为客观地反映页岩油电性各向异性。

3 页岩油电性各向异性控制因素分析

3.1 电性各向异性与测量角度关系

图1展示了由8块方岩样在0°(水平方向)、30°、60°、90°(垂直方向)4个角度钻取的32块柱塞岩样电阻率、电性各向异性系数与地层角度正弦值的关系图。

图1 岩样电性各向异性与测量角度关系图

图1横坐标为岩样钻取角度正弦值,正弦值增大代表测量角度增大,纵坐标分别为不同角度岩样电阻率值以及不同角度电性各向异性系数。由图1可知,排除铁磁性矿物以及物性突变的情况,同一块方岩样获得的不同角度柱塞样,随着钻取角度增加,电性各向异性以及电阻率均呈现增大趋势,电性各向异性与角度正弦值呈正向线性关系,电阻率与角度正弦值呈正向指数关系。不同方岩样之间,柱塞样电阻率以及电性各向异性系数与角度正弦值整体关系趋势一致,但具体斜率以及截距数值存在明显差异。反映了页岩油储层电性各向异性系数不仅仅与测量角度相关,还受其他因素制约。

3.2 电性各向异性与纹层发育程度关系

沧东凹陷Ek2段陆相页岩油发育4类岩性、岩相组合[4-5],不同岩性、岩相组合富有机质纹层发育程度存在明显差异:纹层长英质组构相富有机质纹层占比在45%～60%;纹层混合质组构相富有机质纹层占比在30%～45%;薄层状灰云岩组构相富有机质纹层占比小于30%;厚层状灰云岩组构相富有机质纹层占比小于20%。图2展示了2块纹层发育程度不同的页岩油岩样图像扫描照片对比,由图2可见,C2T1岩样纹层非常发育,纹层纵向厚度非常薄,C3T6岩样为几套薄层交互沉积,每套薄层厚度明显要大于C2T1岩样的纹层,可见C2T1岩样纹层发育程度明显优于C3T6岩样。从二者孔隙度渗透率关系对比来看,C2T1岩样孔隙度3.2%、渗透率0.027 mD(1)非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,C3T6岩样孔隙度1.15%、渗透率0.012 mD,C2T1岩样物性要优于C3T6岩样。从表1中2块岩样电阻率数值大小对比来看,C3T6岩样的各个方向电阻率均高于C2T1岩样;但从二者电性各向异性系数对比发现,C2T1岩样的电性各向异性明显比C3T6岩样的电性各向异性强。说明页岩油纹层发育程度对电性各向异性影响明显,纹层发育程度越高,电性各向异性越强。

图2 不同发育程度纹层页岩油岩样图像扫描照片对比

3.3 电性各向异性与岩性特征关系

图3(a)展示了8块方岩样以及32块柱塞样XRD全岩矿物得到的长英质(石英+长石)、碳酸质(方解石+白云石)、泥质(黏土)、铁磁矿物(黄铁矿+菱铁矿)含量统计图。按三端元矿物命名对8块方岩样进行岩性分类,C2T1岩样为长英质页岩,C3T6岩样为混合质页岩,其他均可归类为碳酸质页岩。由图3大尺度方岩样与不同角度小尺度柱塞样的矿物含量对比可以发现,同一种矿物在大尺度方岩样以及不同角度小尺度柱塞样中含量差别明显,说明岩性分布非均质性明显;特别是C2T1岩样,其碳酸质含量差异最大达到34%,长英质含量差异最大达到41%,说明储层矿物分布非均质性极强,与此同时铁磁矿物在地层中呈现非均质分布。图3(b)、(c)为8块方岩样水平方向电阻率与碳酸质、长英质、泥质、铁磁矿物含量关系图。由图3(b)、(c)可见,电阻率与碳酸质矿物含量相关性比较复杂,在物性条件一致的情况下,随着碳酸质含量增加,储层电阻率越高,物性越好;由于C2T1岩样岩性非均质性极强,纹层非常发育,将C2T1岩样剔除的情况下,随着长英质含量的增加,储层电阻率增高;随着泥质和铁磁性矿物含量的增加,储层电阻率呈现降低趋势。

图3 页岩油岩性特征及与电性关系图

图3(d)～图3(f)为8块方岩样电性各向异性系数与长英质、泥质、铁磁矿物含量关系图,可见其变化趋势与电阻率完全相反。在物性、纹层发育程度等其他条件基本一致情况下,电性各向异性随着碳酸质含量增加变弱,随着长英质含量增加呈现先减弱后变强的抛物线趋势,随着泥质含量、铁磁矿物含量的增加呈现变强的趋势。分析其主要原因为随着碳酸质含量增加,薄层状灰云岩组构相和厚层状灰云岩组构相发育可能性增加,纹层发育程度变弱,使得电性各向异性降低。随着泥质含量的增加,纹层发育程度加强,导致电性各向异性加强。而铁磁矿物主要成低角度层状分布在储层中,降低水平方向电阻率,从而使得电性各向异性变大。电性各向异性随砂质含量增加先变弱后增强的主要原因是,当长英质含量小于50%时,其岩性组合主要为混合质页岩和碳酸质页岩,纹层发育程度相对较弱,电性各向异性变弱;当长英质含量大于50%时,其岩性组合主要为长英质页岩,纹层非常发育,电性各向异性增强。

3.4 电性各向异性与物性关系

3.4.1电性各向异性与裂缝关系

为分析电性各向异性是否受裂缝发育程度影响,开展了32块不同角度柱塞样岩样图像扫描测量,图4为8块90°角度柱塞样图像扫描成果。

图4中C3T4、C5T3岩样以块状沉积为主,纹层不发育,沉积厚度接近,孔隙度基本一致;其中C3T4岩样层内发育1条低角度裂缝,C5T3岩样层内发育2条低角度裂缝,C5T3岩样电性各向异性系数为1.75,明显高于C3T4岩样的1.36。图4中C3T6、C4T6岩样以纹层沉积为主,均发育层间微裂缝,但C4T6岩样微裂缝更发育一些,其电性各向异性相对更强一些。图4中8块岩样均不同程度发育层间微裂缝,8块岩样均存在明显电性各向异性。综合分析认为,沧东凹陷Ek2段陆相页岩油层间微裂缝和层内低角度水平裂缝发育是电性各向异性明显的一个主要控制因素。

图4 页岩油裂缝与电性各向异性关系图

3.4.2电性各向异性与孔隙度渗透率关系

为分析孔隙度、渗透率对电性各向异性的影响,开展了孔隙度、渗透率与电阻率、电性各向异性相关性分析。通过对页岩油8块方岩样与32块柱塞样的孔隙度、渗透率对比发现,沧东凹陷Ek2段陆相页岩油整体表现为特低孔隙度特低渗透率特征,孔隙度基本在10%以内,渗透率绝大部分在1 mD以内。方岩样以及不同角度柱塞样之间孔隙度基本一致,但渗透率差异明显,方岩样渗透性明显优于柱塞样,方岩样孔隙度渗透率关系明显好于柱塞样,且不同角度柱塞样的渗透率差异也非常明显,说明页岩油物性非均质性和电性各向异性变强。图5(a)～图5(c)为方岩样电阻率与孔隙度、渗透率对数、孔隙度渗透率综合指数关系图,其中孔隙度渗透率综合指数为孔隙度、渗透率加权函数,具体计算公式见式(2)。无论是水平电阻率还是垂直电阻率,随着孔隙度、渗透率对数、孔隙度渗透率综合指数的增加,电阻率数值呈现指数降低的趋势;其中电阻率与孔隙度的相关性最好,水平方向电阻率与孔隙度的一致性要优于垂直方向。图5(d)～图5(f)展示了方岩样电性各向异性系数与孔隙度、渗透率对数、孔隙度渗透率综合指数关系图。由于C1T3、C2T1、C6T4方岩样不同程度含有铁磁矿物,为剔除铁磁矿物对电性各向异性影响干扰,在进行物性与电性各向异性相关性分析时,将C1T3、C2T1、C6T4岩样数据剔除。与此同时,虽然C6T4方岩样铁磁矿物含量最高,但其0°、90°柱塞样不含铁磁矿物,为丰富分析数据,将该方岩样对应的柱塞样放到各向异性关系图中(数据编号C6T4-4)。在剔除铁磁矿物影响情况下,电性各向异性随着孔隙度、渗透率对数、孔隙度渗透率综合指数的增加,电性各向异性呈现线性降低的趋势,其中电性各向异性强弱与孔隙度渗透率综合指数相关性最好。

图5 页岩油孔渗特征及与电性关系图

孔隙度渗透率综合指数PK的计算公式为

(2)

式中,φ为孔隙度,%;K为渗透率,mD。

3.5 电性各向异性与烃源岩以及含油性关系

为分析页岩油烃源岩以及含油性[6]对电性的影响,开展了页岩油岩石热解实验和有机碳分析,并优选总有机碳含量TOC、可溶烃含量S1,以及由S1、TOC得到反映含油性参数的可动效率OME来分析电性与烃源岩及含油性关系。OME越大,可动烃含量越大,页岩油高产概率也越大。

OME=100S1/TOC

(3)

式中,TOC为总有机碳含量,%;S1为可溶烃含量,mg/g。

图6为方岩样TOC、S1、OME与电阻率及电性各向异性关系。图6(a)为电阻率与TOC的关系,可见当TOC小于6%时,电阻率随着TOC的增加而增大;当TOC大于6%时,电阻率随着TOC的增加呈现降低趋势。图6(b)、图6(c)为电阻率与S1及OME的关系,随着S1、OME的增大,电阻率呈现增大趋势,但相关性较差,说明沧东凹陷Ek2段陆相页岩油电性不仅仅受含油性控制,还受其他很多因素制约。图6(d)～图6(f)为电性各向异性与TOC、S1、OME的关系。在剔除掉由于铁磁矿物引起的C1T3、C2T1、C6T4岩样各向异性异常增大数据之后,可见电性各向异性与TOC、S1呈二次多项式变化,当TOC小于6%时,电性各向异性随着TOC的增加而加强,当TOC大于6%时,电性各向异性随着TOC的增加呈现变弱趋势;当S1小于3 mg/g时,电性各向异性随着S1的增加而加强,当S1大于3 mg/g时,电性各向异性随着TOC的增加呈现变弱趋势;电性各向异性随OME的增大呈现线性增大曲线,也就是储层含油性增加,电性各向异性变强。

图6 页岩油电性与烃源岩、含油性关系图

4 电性各向异性系数计算

由前文分析可知,Ek2段陆相页岩油具有非常强的电性各向异性。页岩油电性各向异性受测量角度、页岩油纹层发育程度、裂缝发育程度、矿物类型及含量、储层物性、烃源岩以及含油性等因素共同制约。由于Ek2段陆相页岩油层纹层以及层间微裂缝均非常发育,在统一的纹层以及层间微裂缝影响的基础上,提出了考虑岩性、物性、烃源岩、含油性的水平井电性各向异性系数计算方法。具体思路如下:在岩性控制因素中,优选出泥质含量、铁磁矿物含量,利用图3中的计算公式得到基于岩性方法的电性各向异性系数;在物性控制因素中,优选出孔隙度渗透率综合指数利用图5中计算公式得到基于物性方法的电性各向异性系数;在烃源岩、含油性控制因素中,优选出可动效率,利用图6中计算公式得到基于烃源岩、含油性方法的电性各向异性系数;最后利用多元线性回归得到多因素加权组合的电性各向异性系数。具体表达式为

λz=a1λ1+a2λ2+a3λ3

(4)

式中,λz为最终电性各向异性系数;λ1,λ2,λ3分别为岩性、物性、含油性方法得到的电性各向异性系数;a1、a2、a3分别为岩性、物性、含油性方法权系数。

通过大尺度8块方岩样岩心数据确定式(4)的权系数,并将该方法应用小尺度柱塞样中去,计算小尺度柱塞样的电性各向异性系数并与实验测量得到的电性各向异性系数进行对比。图7为小尺度柱塞样计算电性各向异性系数与实测电性各向异性系数对比,可见二者均匀分布在45°对角线附近,二者的一致性非常好,每块岩样相对误差均在5%之内,说明该方法可行。

图7 柱塞样计算与实测电性各向异性系数对比图

5 结论及认识

(1)沧东凹陷Ek2段陆相页岩油沉积纹层、低角度、水平层间微裂缝发育,矿物成分及含量复杂,储层纵向非均质性强,电性各向异性明显。

(2)纹层和低角度、水平层间微裂缝发育是Ek2段陆相页岩油整体呈现强电性各向异性的主控因素,在此基础上,随着泥质、铁磁矿物含量、可动效率增加,储层电性各向异性增强;随着孔隙度渗透率综合指数增加,储层电性各向异性变弱。

(3)在统一考虑纹层以及层间微裂缝影响基础上,基于岩性、物性、烃源岩、含油性加权组合的水平井电性各向异性系数计算方法能够得到准确的电性各向异性系数,从而为页岩油水平井电阻率校正、测井“七性”参数评价、甜点识别方法完善提供技术手段。