牛东地区砂砾岩储层测井层内非均质性评价

周军,边会媛,陈文安,张迪,刘国良,王飞

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054; 2.青海油田勘探开发研究院,甘肃 敦煌 736202; 3.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710064)

0 引言

储层非均质性是指沉积环境、成岩作用和构造运动等活动在储层的形成过程中对其产生的影响,在空间和内部的不同性质上均存在变化,是影响地下油、气、水运移和油气运移的关键参数[1-2]。对于储层非均质性的分类,早在20世纪80年代就有研究。Pettijohn以及Weber分别提出了5类和7类划分方案[3];裘怿楠[4]根据油田开发情况,将储层非均质性划分为层间、平面、层内和孔隙非均质性四类。层间非均质性指层系的旋回性、砂砾层间的不均匀性、夹层分布等,其研究内容包括分层系数、垂直砂体密度、各砂层间渗透系数的不均匀程度、有效厚度系数及储层间非均质性评价方法。平面非均质性是指由于砂体中孔隙度、渗透率的平面变化所引起的储层规模和几何形态的不均匀性。层内非均质性主要表现为颗粒尺寸的规律性、层理构造序列及横纵向渗透率之比在岩性、物性和沉积相等方面都存在不同程度的差异,其形成具有内在的复杂性,与形成的地质过程及原因密切相关[5]。孔隙非均质性是指所含岩石的成分、包含的填隙物类型以及孔喉结构等方面存在不同[6]。

学者多采用岩心分析与测井解释结合评价储层非均质性,并利用渗透率变异系数、突进系数、极差等参数,从多个方面对储层非均质性进行表征[7]。边会媛等[8]通过孔渗、X衍射和薄片分析等方法得出柴达木盆地渐新统下干柴沟组储层有较强的非均质性,并通过广义神经网络实现全井段伪毛管压力曲线应用于储层类型预测;李海燕等[9]通过压汞测试、扫描电镜和铸体薄片等资料分析储层的微观孔隙结构,并应用聚类分析和Bayes判别分析方法确定研究区的优质储层;袁红旗等[10]利用洛伦兹曲线,提出综合定量表征储层非均质性的方法,比传统仅基于渗透率指标所构建的参数能更好地反映储层非均质性;杨少春[11]利用综合指数法对储层非均质性进行了定量刻划。相对于常规测井方法,电成像测井能够将采集到的数据转换成直观的图像,具有较高的垂直分辨率[12],可以较为准确地反映井周地层的岩性及物性变化[13]。Aghli等[14]利用电成像测井对孔隙度系统、渗透剖面和非均质性指数进行评价,认为电成像测井可用于评价储层非均质性;侯振学等[15]对井壁微电阻率数据进行统计,提出了电阻率谱技术和分选指数的计算方法并对储层非均质性进行定量评价;李昌等[16]利用岩心、成像测井资料,基于分形理论计算电成像测井图像的分形维数来定量描述储层非均质性;蔺敬旗等[17]利用电成像测井的孔隙度谱及电阻率谱计算方法,定量表征了砂砾岩储层非均质性。

牛东地区侏罗纪储层岩性复杂,矿物成分多样,孔隙结构复杂,砂砾岩储层非均质性强,单一的表征参数无法对储层的非均质性进行全面评价。针对这一问题,本文将洛伦兹系数运用到电成像测井中,并引入集中程度函数,根据综合概率模型计算均值、方差、洛伦兹系数和集中程度函数,结合层次分析法,得到各个评价参数的权重,对储层非均质性进行定量评价,获得一种较为准确全面的层内非均质性评价标准。

1 研究区地质概况及储层特征

柴达木盆地的西北为阿尔金山,南为昆仑山,北界为祁连山,地势自WN向ES缓倾。柴达木板块被塔里木板块、华北板块、扬子板块以及青藏板块所包围,古地理位置与周邻板块间的位置变动、分散和聚集等因素对柴达木盆地的发育演变起着主导作用[18]。研究区构造位置和岩性柱状图如图1所示,牛东地区在构造上是牛东鼻隆,属于三级构造[8]。研究区位于柴北缘阿尔金山前东段牛东地区侏罗系,勘探区带主要有阿尔金山前段阶带、盆地腹部背斜构造带、祁连山前冲段带等。牛东地区的侏罗系为中生代现今残留地层,是油气储集区的重要组成部分。

图1 柴达木盆地牛东地区侏罗系构造位置及岩性柱状图Fig.1 Structural location and lithologic histogram of Jurassic in Niudong Area, Qaidam Basin

牛东地区侏罗系储层岩石骨架为石英,岩屑成分复杂,主要为方解石和钠长石(图2a)。储层粒度分布不均匀,以粗砂岩和中砂岩为主(图2b)。由牛X井3 620～3 623 m区段的岩心铸体薄片可见,储层空间发育裂缝、贴粒缝和粒内溶蚀缝(图3)。储层物性发育中等,平均孔隙度为8.1%,平均渗透率为0.63×10-3μm2,属于低孔低渗储层(图4)。

图2 侏罗纪储层岩性特征Fig.2 Jurassic reservoir lithology

图3 侏罗纪储层孔隙类型特征Fig.3 Characteristics of pore types in Jurassic reservoir

图4 侏罗纪储层孔渗分布Fig.4 Jurassic reservoir porosity and permeability distribution

根据牛东地区毛管压力参数统计分析,砂砾岩储集层的排驱压力最低为0.042 MPa,最高为0.76 MPa;平均吼道半径最低为0.967 μm,最高为17.5 μm;最大进汞饱和度最低为58.9%,最高为80.1%;退汞效率最低为26.2%,最高为38.7%。毛管压力曲线参数变化较大,牛东地区砂砾岩储层孔隙结构非均质性强。

2 电成像测井孔隙度谱的计算方法

已有研究表明,电成像测井所测量的电阻率不是地层的真实电阻率。在电成像测井中,电流的流动方式、聚集以及探测深度与侧向测井相似,可选用浅侧向电阻率作为刻度标准[19]:

(1)

电成像测井测量的电阻率反映储层冲洗带的信息,利用阿尔奇公式进行标定[20]:

(2)

式中:a、b为与岩性有关的系数;m为胶结指数;n为饱和度指数;φ为孔隙度;Sxo为冲洗带含水饱和度;Rxo为冲洗带电阻率;Rmf为泥浆溶液电阻率。再把刻度后的电阻率Ri代入计算,得到的孔隙度记作为φi,用常规浅侧向电阻率RLLS得到的孔隙度记作φ0,代入式(2)并整理得

(3)

再把式(1)代入式(3):

(4)

通常选取一个图像窗口,利用式(4)依次计算每个窗口中成像测井点的孔隙度,得到对应地层的孔隙度谱。应用此方法处理研究区的电成像资料,得到3种典型的孔隙度谱分布类型(图5):I类储层,孔隙度谱以单峰窄谱为主,谱峰靠前,储层较均一,主要为基质孔,物性偏差,非均质性弱;Ⅱ类储层,孔隙度谱以双峰为主,谱分布范围较宽,主峰相对靠前,相比次生孔隙,基质孔隙更为发育,非均质性一般;Ⅲ类储层,孔隙度谱以多峰宽谱为主,主峰相对靠后,相比基质孔隙,次生孔隙更为发育,非均质性强。

图5 孔隙度谱形态结构Fig.5 Morphological structure of porosity spectrum

图6为牛东地区牛X井3 340～3 370 m井段储层孔隙度谱。牛X井孔隙度谱形态有单峰窄谱型、靠前的双峰宽谱型和靠后的多峰宽谱型。为了更精确评价砂砾岩复杂的孔隙结构和层内非均质性,对孔隙度谱做进一步分析。

图6 牛东地区牛X井3340～3370 m砂砾岩孔隙度谱Fig.6 Porosity spectrum of conglomerate 3340～3370 m from Niu X well in Niudong area

3 利用孔隙度谱评价储层层内非均质性

3.1 均值方差法评价储层层内非均质性

(5)

(6)

式中:φi是用电成像方法测量测井曲线的孔隙度;pi为其对应孔隙度的频数。

3.2 洛伦兹系数法评价层内非均质性

洛伦兹系数又叫基尼系数,最早是在经济学中使用,而后广泛用于评价储层的非均质性。洛伦兹系数法是利用储集层实测资料的真实孔隙度贡献曲线和理想储集层绝对均质曲线所围的区域,与储集层的绝对均质曲线和纵轴所围区域的面积之比来反映储集层的非均质性程度[22]。

将要计算的某深度段测井曲线的数值按一定顺序排列,得到y1,y2,…,yi,…,yn;它们的深度间隔为Δdi。令:

(7)

得到该深度段的洛伦兹曲线函数:

(8)

(9)

图7中,横轴x上的点代表测井值所在的深度间隔;纵坐标f(x)代表待求层段单条测井曲线上的测井值贡献;曲线BMC为洛伦兹曲线。洛伦兹曲线BMC和直线BC所围面积是反映储层非均质程度的重要指标,面积越大,非均质性也就越强。当曲线BMC与直线BC重合时,储层是完全均质的。洛伦兹系数值L可以表示为曲线BMC和直线BC的面积S1与三角形BCD的面积S2之比,即

(10)

图7 洛伦兹系数计算示意Fig.7 Schematic diagram of Lorentz coefficient calculation

3.3 集中程度函数法评价储层层内非均质性

集中程度函数最初是在气象中表征云朵的分布情况,反映数据在一定程度上对平均态的偏离程度[23]:

(11)

4 综合概率法评价储层层内非均质性

综合概率法是通过对某一目标的多种不同评价方法进行综合评判,得出一种综合概率指标,从而对该储层进行分类。相对于单独的非均质性评价方法,综合概率法是一种更加准确全面的评价方法[24]。选择综合概率的方法,其关键在于选择综合概率函数的形式。本文选择的综合概率函数为

K=axi+byi+mzi+nwi,

(12)

式中:K为综合概率指数;xi为孔隙度均值;yi为孔隙度的方差;zi为孔隙度的洛伦兹系数值;wi为孔隙度的集中程度函数值;a、b、m、n为各参数对应的权重。

4.1 利用层次分析法计算权重

层次分析法(AHP)最主要的就是构建参数判断矩阵,结合数学方法定性分析,再根据各个方案计算出的权重来解决问题。表1给出了参数比较的标度描述,表2为参数两两比较的结果。矩阵最大特征值为4.123 7,对应的特征向量为{0.072 5,0.141 4,0.837 4,0.522 9},4个参数对应的权重为{0.046 1,0.089 8,0.531 9,0.332 2}。对结果做一致性检验,得到一致性比例(CR)为0.045 8;CR<0.1,说明各个参数之间的比较是合理的。

表1 判断矩阵标度定义Table 1 Scale definition of judgment matrix

表2 参数权重的配对比较矩阵Table 2 Paired comparison matrix of parameter weights

根据研究区地质特征,选取以上4个参数来融合非均质综合指数,以此来定量表征储层层内非均质性。由于所选取的参数具有不同的尺度,需要将其进行归一化处理:

(13)

式中:fi为归一化后的值;Xi为待处理值;Xmin为待处理参数组的最小值;Xmax为待处理参数组的最大值;p、q为常数,也就是处理后所需要的范围,这里取p=1,q=0。

4.2 利用综合概率法进行储层分类

将储层孔隙度均值、方差、洛伦兹系数和集中程度函数归一化处理后,根据权重计算得到的综合概率K,当K≤0.07时为Ⅰ类储层,0.070.2时为Ⅲ类储层。对牛X井进行综合概率法层内非均质性评价,效果如图8所示。图中给出了均值、方差、洛伦兹系数和集中程度函数4种非均质性表征参数曲线,还给出了综合概率函数曲线、储层分类结果以及利用压汞实验的毛管压力曲线,用于对分类效果进行验证。根据解释结果,3 605.32 m为I类储层,排驱压力和中值压力均较小,毛管压力曲线较为平缓,非均质性弱;3 377.94 m为Ⅱ类储层,排驱压力较低,但中值压力缓升高,毛管压力曲线缓上升,非均质性一般;3 510.30 m为Ⅲ类储层,排驱压力和中值压力均偏高,毛管压力曲线平缓段变短,非均质性强。

图8 牛X井侏罗纪储层非均质性评价结果Fig.8 Results of Jurassic reservoir non-homogeneity evaluation in Niu X well

将牛X井的毛管压力曲线按照综合概率法解释结果进行分类(图9),并结合储层的粒度分析等资料对三类储层特征进行评价(表3)。I类储层综合概率值小于0.07,孔喉连通性较好,为粗歪度,分选性较好,孔喉半径较大,表明储层的孔隙结构和渗流能力好,是本地区最好的孔隙结构类型,非均质性弱;以长石岩屑砂岩为主,含少量砾石,填隙物为泥质和方解石,碎屑颗粒破碎,见少量贴粒缝和粒内溶蚀缝。Ⅱ类储层综合概率值在0.07～0.2之间,孔喉连通性一般,为中等歪度,分选性中等,表明储层的孔隙结构和渗流能力中等,是本地区主要的储层,非均质性一般;为泥质含砾不等粒长石岩屑砂岩,颗粒分选较差,填隙物为泥质和方解石,碎屑颗粒破碎,未见孔隙。Ⅲ类储层综合概率值大于0.2,孔喉连通性差,为细歪度,分选性较差,表明储层的孔隙结构和渗流能力差,非均质性强;以含泥砾质粗巨粒长石岩屑砂岩为主,填隙物为泥质和方解石,颗粒破碎剧烈,未见孔隙。

表3 综合概率值划分储层类型Table 3 Classification of reservoir types by comprehensive probability values

图9 牛X井岩心压汞毛管压力曲线Fig.9 Mercury capillary pressure curve of core injection in Niu X well

5 结论

1)研究区岩性复杂,矿物成分多样,储层孔隙发育裂缝、贴粒缝和粒内溶蚀缝等多种类型,物性发育中等,孔喉类型复杂,毛管压力曲线参数变化较大,均表现出强非均质性。

2)引入洛伦兹系数和集中程度函数,根据电成像测井资料得到孔隙度谱,结合层次分析法计算各指标权重,利用综合概率函数对储层进行分类。该方法在柴达木盆地牛X井侏罗系储层非均质性评价和综合定量表征中取得较好效果。

3)研究区储层按照非均质性程度可划分为3类:I类(K≤0.07),孔喉连通性较好,粗歪度,分选性较好,为弱非均质性储层;Ⅱ类(0.070.2),孔喉连通性差,细歪度,分选性较差,为强非均质性储层。研究区储层主要发育强非均质性类型和中等非均质性类型。