“新三组合”测井技术在鄂尔多斯盆地致密砂岩储层评价中的应用

郭向东,崔宏俊,武延亮,孙亚隆,曹雄伟,高其宇

(陕西延长石油(集团)有限责任公司延长气田采气一厂,陕西延安716000)

0 引 言

从20世纪90年代开始,随着石油、天然气勘探与开发的不断深入,油气勘探的对象逐渐由构造油气藏向较为隐蔽的岩性及地层油气藏(风化剥蚀型、超覆不整合型、潜山型油气藏)转变[1-3]。据统计目前中国20%的天然气产量由致密砂岩气提供,就资源量及勘探开发技术水平而言,致密砂岩气是当下最具商业价值的非常规能源[4-6]。孔隙度小、孔隙结构复杂、束缚水饱和度高、黄铁矿及有机质的存在是致密砂岩储层的典型特征,该特征降低了常规测井曲线对致密砂岩储层岩性、孔隙度、含油气性的响应灵敏度[7-8]。因此,应用“常规三组合”测井资料对致密砂岩储层进行评价存在较大困难。国内外学者利用常规测井曲线的典型特征、交会图版、特征参数及复杂的数据挖掘和体积模型对致密砂岩储层评价做了大量的研究,但储层评价的效果并不理想[8-14]。

本文在利用元素俘获能谱测井、核磁共振测井、介电扫描测井获取丰富储层物理参数的基础上[15-20],应用ELANPlus测井解释模型解释地层的矿物或岩石组分、计算储层特征参数、识别储层流体性质,对致密砂岩储层进行综合评价。在鄂尔多斯盆地致密砂岩储层评价中的应用结果表明,“新三组合”测井技术能提供比常规测井更准确的储层参数及常规测井无法提供的特殊数据,提高了储层参数模型及流体识别的准确性,在研究区致密砂岩储层评价中的适用性良好。

1 “新三组合”测井仪器基本原理

1.1 元素俘获能谱测井仪

20世纪末,斯伦贝谢公司针对复杂岩性油气藏评价中出现的困难,研制了元素俘获能谱测井仪(Elemental Capture Spectroscopy,ECS),该仪器从岩石化学成分角度为非常规油气藏的评价开辟了一条新道路。ECS的探头主要由Am-Be中子源(标准的16 Ci同位素)和一个对γ射线具有较高探测效率的BGO晶体探测器构成。ECS测井时,通过Am-Be中子源产生能量幅度为0～8 MeV(平均4 MeV)的快中子,与井眼周围地层中C、O、Si、Ca、Fe、Mg等元素的原子核发生非弹性散射反应,产生非弹性散射γ射线;快中子经过碰撞、活化反应等过程,能量逐渐减小变成热中子,地层中的原子核通过俘获扩散过程中的热中子处于激发态从而变为激发核,激发核通过释放γ射线重新回到基态,被释放的γ射线称为俘获γ射线(见图1)。

图1 ECS测量原理示意图

1.2 核磁共振测井仪

核磁共振测井仪(Combinable Magnetic Resonance,CMR)的核磁共振信号来源于地层孔隙流体中的氢原子核,通过核磁共振技术测量地层中的氢原子核在外加的强磁场内受到射频脉冲的激发后恢复到平衡态这一弛豫过程(激发态氢原子核恢复到平衡态的快慢用弛豫时间表示),得到不受骨架影响的地层流体体积(即孔隙体积)及孔隙结构等信息,实现储层孔隙特征的定量评价。本文应用斯伦贝谢公司可组合式核磁共振测井仪CMR-Plus进行定量孔隙特征评价及流体识别,CMR-Plus采用能够对地层进行磁化的加长永久磁铁,通过预极化的方式,实现高速测井;采用现代脉冲回波测量技术及新的接收天线,提升对快速衰减信号的探测能力,使得CMR-Plus具备了分辨储层微小孔隙的能力;采用精度增强模式使仪器在测量束缚流体时具有更高的精度,在T2谱测量过程中,通过多次重复初始部分的测量(通常为10次),达到提高短T2谱测量精度的目的,从而改善孔隙度和渗透率的测量精度(见图2)。

图2 CMR-Plus仪器结构及测量模式示意图*非法定计量单位,1 in=25.4 mm,下同

1.3 介电扫描测井仪

斯伦贝谢公司的介电扫描测井仪(Array Dielectric Tool,ADT)能连续测量地层介电频散,通过ADT测井得到具有4种极化频率(频率范围20 MHz～1 GHz)和2种极化方向(横向与纵向)的高分辨率测量数据,及每种频率在不同源距时的介电常数和电导率。

阵列极板(长度短、多源距天线)是ADT的核心(见图3),每个交叉的偶极天线均配置了磁偶极,蓝色的偶极天线为纵向极化,红色的偶极天线为横向极化。发射器(TA和TB)位于中间,接收器(RA1～RA4和RB1～RB4)对称位于发射器两侧,它们的分布位置满足最优测量精度和井眼补偿需求。为了达到环境影响的最小化,通过水力加压使得具有较短长度的可活动天线极板紧贴井壁,这样即使在不规则井眼中也能使阵列极板与井壁紧贴。2个同轴电子探针(PA和PB)用于阵列极板的质量控制和确定特定频率下钻井液和泥饼的介电特性。发射器(TA和TB)发出的电磁波以4种不同频率、2种极化方向传入地层,能够探测井壁外4 in的储层特征。

图3 ADT极板结构示意图

2 解释模型

2.1 岩石体积物理模型

本文建立的岩石体积物理模型的骨架矿物组分为地层的主要成分,包括碳酸盐矿物、硅质矿物、黏土矿物、石膏、煤、黄铁矿等;流体组分主要为气和水(见图4)。骨架矿物组分的评价依赖于ECS测井成果,储层物性的评价依赖于三孔隙度曲线及CMR测井成果,含气性评价利用ADT测井成果及电阻率测井、录井气测等资料综合分析。

图4 “新三组合”测井储层评价的岩石体积物理模型

2.2 ECS测井评价复杂骨架成分

本文通过对BGO晶体记录的非弹性散射γ能谱和俘获γ能谱数据进行分析处理,获取元素的干重、岩性和基质参数。具体方法:将各元素的特征谱从总谱中分离出来,得到各元素的产额;利用氧化物闭合模型将不同元素的产额转换成元素干重分数;根据斯伦贝谢公司的岩心化学和矿物数据库建立的Spectrolith经验关系,利用元素干重分数计算基质参数及地层岩矿的干重。利用Techlog软件对ECS测井实测谱(非弹性散射γ能谱和俘获γ能谱)进行剥谱、解谱、氧闭合处理,得到的元素干重作为ELANPlus测井解释模型的输入参数,经解释模型计算矿物组分,具体处理流程如下。

(1)剥谱分析。ECS测量得到的实测谱是地层中不同核素发出的γ射线总和,从数学角度分析,实测谱可看作不同元素标准谱的线性拟合,通过与单元素的标准谱进行对比,获得不同元素的含量。

(2)解谱分析。测量谱(实测谱经环境、仪器因素校正后的谱)与单元素标准谱匹配,应用最小二乘法进行分析,使两者相关性最好,从而得到不同元素的相对产额,该产额反应单元素对测量谱的贡献。测量谱各道的计数率用式(1)表示[15]。

(1)

式中,Ci为实测谱的第i道计数;m为元素的总数;aij为根据标准谱得到的n×m阶响应矩阵的(i,j)单元;Yj为第j种元素的相对产额;ei为误差;n为总道数。

(3)氧化物闭合模型。假定地层中的矿物均由碳酸盐矿物或氧化物组成,其百分含量之和为1。元素的相对产额经氧化物闭合模型可换算成元素的绝对含量,其表达式见式(2),第j种元素的绝对含量见式(3)[16]。

(2)

(3)

式中,F为闭合刻度因子;Xj为第j种元素的氧化物指数;Wj为第j个元素的灵敏度因子;Vj为第j种元素的体积含量。

(4)矿物组分计算。采用因子分析法,在X衍射实验分析的基础上,建立元素含量与矿物含量之间的关系式。

(4)

式中,Mk为第k种矿物体积含量;Djk为元素转换系数(第k种矿物中第j种元素的百分含量)。

2.3 CMR测井计算储层物性参数

CMR测井采集的回波串通过Techlog软件处理得到T2分布谱,利用ELANPlus测井解释模型计算储层的总孔隙度[见式(5)]、可动流体孔隙度[见式(6)]、束缚流体孔隙度[见式(7)]。渗透率的计算可通过Timur-Coates方程式[见式(8)]或SDR模型[见式(9)]获得[17-18]。

(5)

(6)

(7)

KTIM=(φMRP/C)4(φFFV/φBFV)2

(8)

KSDR=C(φMRP)4(T2,gm)2

(9)

式中,φMRP为总孔隙度,%;φFFV为可动流体孔隙度,%;φBFV为束缚流体孔隙度,%;KTIM为Timur-Coates方程式计算的渗透率,mD(1)非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;KSDR为SDR模型计算的渗透率,mD;C为待定系数;T2,max为T2谱横向弛豫时间的最大值,ms;T2,min为T2谱横向弛豫时间的最小值,ms;T2,gm为T2谱横向弛豫时间的几何平均值,ms;A(T2)为T2谱的分布面积。

2.4 ADT测井计算储层饱和度

利用岩石体积物理模型计算ADT测井不同频率下的介电常数和电导率,通常采用ELANPlus测井解释模型下的CRIM单频解释模型来计算[20],见式(10)。

(10)

CRIM单频解释模型仅能计算ADT测井中1 GHz频率的相关参数,且不能反应岩石结构信息。引入通用表达式[见式(11)][20]处理多种频率下的测井数据并提取骨架信息参数,输出的参数包括含水孔隙度(在总孔隙度已知的情况下可提供含水饱和度)、地层水矿化度、碳酸盐岩石结构和砂泥岩中阳离子交换量,同时拟合介电常数和电导率频散去掉含水孔隙度计算过程中的地层水矿化度的影响,地层水矿化度也作为单独的输出曲线。

(11)

3 应用效果分析

“四性”关系研究是测井储层综合评价的主要任务之一。其中岩性的评价主要是基于ECS测井;各孔隙度及渗透率参数由CMR测井资料计算得到,并结合三孔隙度曲线对计算结果进行验证;ADT测井获取的储层含水孔隙度与CMR测井总孔隙度的差值,即为储层含气量。储层评价综合利用这3种测井技术手段结合常规测井资料、气测录井资料完成。

以长XX井本溪组为例,综合解释成果图5显示,14、15号层,自然伽马、补偿密度、声波时差为低值,地层电阻率为高值(200～650 Ω·m);ECS测井得到矿物组分以硅质矿物为主,岩性为砂岩;CMR测井有明显的长T2谱,表现出单峰或双峰紧靠的特征,总孔隙度7%～9%,自由流体孔隙度2%～3%,KTIM及KSDR为0.2～2.0 mD;ADT测井成果资料显示,介电常数为4～7 F/m,CMR测井总孔隙度与ADT测井含水孔隙度有明显差异,含气饱和度为60%～80%,气测显示好,解释为气层。16、17、18号层,自然伽马为低值,光电吸收截面指数为4～5 b/eV,电阻率500～2 500 Ω·m;ECS测井得到的矿物组分以钙质矿物为主,岩性为灰岩;CMR测井的T2谱无明显特征,总孔隙度1.5%～3.0%,自由流体孔隙度为2%～3%,渗透率处理成果显示KTIM及KSDR小于0.01 mD;ADT测井成果资料显示,介电常数在8～10 F/m,总孔隙度与含水孔隙度无明显差异,无气测显示,解释为干层。

图5 长XX井常规测井及“新三组合”测井成果图*非法定计量单位,1 b/eV=6.241 46×10-10 m2/J,下同

4 结 论

(1)ECS测井的目的为岩性识别,通过对比分析ECS测井成果、常规岩性曲线等资料,认为ECS测井的结果准确性较高,并提供不同岩性连续的骨架曲线,使得孔隙度的计算更加准确,在复杂储层的岩性识别及岩性段划分方面具有十分重要的作用。

(2)CMR测井为储层评价提供了高精度的总孔隙度、有效孔隙度、自由流体孔隙度和渗透率等。T2谱能够直观地反应储层孔喉大小的分布和非均质性,可用于储层的品质评价;不同流体具有不同的弛豫特性,以此识别储层流体。

(3)ADT测井在识别流体性质方面具有一定的优势,在电阻率对流体性质不敏感的情况下,基于ECS测井得到的骨架矿物含量、CMR测井得到的总孔隙度曲线可用于计算不依赖电阻率测井的含水饱和度。

(4)“新三组合”测井相较于“常规三组合”测井,能够提供更丰富、准确的储层特征参数,使得储层岩性识别、孔隙度计算、流体识别更准确、直观、可靠,用此方法评价储层准确性更高、适用性更好。