致密砂岩储层复杂的孔隙结构和油水关系导致了低阻油气层大量发育, 大大降低了常规测井对孔隙流体的敏感性, 增加了致密砂岩储层的解释和评价难度^[1]。低阻油层的成因十分复杂, 往往由一种或几种因素共同作用导致, 而不同地区或不同储层类型的岩石物理特征不同, 发育的低阻油层的成因机理也存在差异, 这也是测井识别和评价这一类储层比较困难的原因之一^[2-3]。

近年来, 学者们针对低阻油层的流体识别进行了大量探索, 比较典型的流体识别方法有重叠法、交会图法、核磁共振测井法、数理统计法等^[4-6]。在这些方法中, 重叠法和交会图法是最常用的方法, 其应用的关键是建立有效的流体识别参数并加以组合应用^[7-8]。例如, 李甘^[9]基于优选出的对油水层识别较好的几条常规测井曲线, 利用多元线性回归方法进行曲线重构, 重构出的数据包含更加丰富的地质信息, 通过对多组重构数据进行交会来进行流体识别, 取得了较好的应用效果。任培罡等^[10]基于双孔隙度重叠方法定义了流体指示因子, 通过构建流体识别因子-孔隙度交会图进行流体识别, 预测精度得到很大改善。由于造成低对比度油层的原因有很多, 不同测井曲线对流体的敏感性也会有一定的差别。SUN等^[11]基于Voigt-Reuss-Hill模型建立了致密砂岩双孔隙度模型, 并利用该模型预测得到的弹性参数构建了适用于低孔低渗储层的流体识别图版。侯振学等^[12]利用密度孔隙度和电阻率测井数据分别对不同流体进行回归分析, 并求取相关系数, 结果发现不同流体的相关系数存在差异, 提出了一种基于相关系数的流体判别方法, 在鄂尔多斯盆地临兴神府地区上古生界致密砂岩储层的流体识别中取得了较好的效果。然而, 对于成因相对复杂的低阻油层来说, 构建能够综合反映多种影响因素的流体敏感参数或关系相对困难, 利用单一的流体识别方法存在一定局限性^[13-14]。

为此, 针对鄂尔多斯盆地陇东西部地区长8致密砂岩储层低阻油层的成因机理和流体识别问题开展研究, 构建了双视地层水电阻率差异交会图版、物性指数与阵列感应电阻率差异交会图版以及全烃录井-测井联合交会图版, 并提出了一种基于图版符合率和投票策略的综合流体识别法, 有效提高了研究区低阻油层的识别精度。这一方法对其它类似地区的测井流体识别也具有一定的参考和借鉴意义。

低阻油层作为一种重要的隐蔽性强的油气储层, 因其产量高、分布范围广的特性近年来受到了越来越多的关注。造成低电阻率油层的因素很多且复杂^[15-16]。到目前为止, 人们认为低电阻率油层的形成有十多种因素, 如薄层效应、束缚水、导电矿物、粘土类型及其含量、孔隙结构、润湿性、地层水矿化度、钻井泥浆侵入等^[17-20]。一般来说, 低阻油层往往是多种因素综合影响的结果, 不同地区、不同储层类型的影响因素往往不同, 这导致不同油田和研究机构对低阻油藏成因的认识没有统一的标准。然而, 对于某一地区或某一类型的特定储层, 低电阻率油层是有规律可循的^[21]。图 1是研究区不同流体性质储层的电阻率和密度之间的关系, 可以看出, 低阻油层和水层的密度相对较低, 而高阻油层的密度较高, 说明研究区低阻油层与水层在物性差异上不明显, 需要在储层特征分析的基础上, 多方面研究低阻油层的主要影响因素, 从而开展有效的测井解释和评价^[22]。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区不同流体储层电阻率RT-密度ρ交会

扫描电镜分析结果表明, 绿泥石和伊利石的粘土矿物主要以薄膜和丝状填充孔隙, 易吸附形成束缚水(图 2)。同时, 微孔内充满束缚水, 易导致束缚水饱和度高。根据岩心的核磁共振计算和统计结果, 发现低阻油层束缚水饱和度主要分布范围为40%~70%, 平均值为64.2%。为了研究束缚水饱和度对地层电阻率的影响, 绘制了视电阻率增大率(I_R)与束缚水饱和度之间的关系(图 3)。其中, I_R是根据该处纯油层岩心的电阻率测井值除以此井邻层或相邻水井的电阻率测井值, 并且对于纯水层的导电性受束缚水饱和度的影响很小。因此, I_R的大小仅与该处纯油层岩心的束缚水饱和度有关。可以看出, 随着束缚水饱和度的增加, 地层电阻率增大率逐渐减小。当束缚水饱和度增加到45%左右时, I_R小于3, 说明束缚水引起的附加电导率是降低油层与水层电阻率差异的重要因素之一。此外, 粘土附加导电性也会降低储层的导电性, 尤其是对于含有伊蒙混层这种粘土附加导电性较高的储层, 极易造成电阻率测井值低, 而绿泥石和伊利石的阳离子交换量约为(10~40)×10^-2mol/kg, 储层附加导电性的影响并不强^[23]。并且, 本文并未进行储层粘土的附加导电性实验, 所以无法研究储层粘土矿物附加导电性对电阻率的影响, 而是将储层粘土矿物的含量都归结为束缚水饱和度的影响。

图 2(Fig. 2)

图 2 岩石主要粘土矿物扫描电镜图片 a薄膜状绿泥石充填孔隙; b丝缕状伊利石充填孔隙

图 3(Fig. 3)

图 3 视电阻率增大率(IR)与束缚水饱和度之间的关系

地层水作为岩石孔隙空间的主要导电介质, 其矿化度高低是影响地层电阻率的一个十分重要的因素。研究区低阻油层的地层水矿化度主要分布范围为45~55g/L, 平均为53.46g/L(图 4a)。由于纯油层井并没有地层水可供矿化度分析, 所以本文对低阻油层的地层水矿化度统计结果是根据邻层产水层或邻井产水层的矿化度分析结果得到的。从图 4b可以看出, 随着地层水矿化度的增高, 油水同层电阻率比水层降低更加明显, 当地层水矿化度升高至约45g/L时, 油水同层与水层的电阻率差异不明显, 说明地层水矿化度高是造成油层电阻率降低的一个重要因素。

图 4(Fig. 4)

图 4 低阻油层地层水矿化度分布直方图(a)和地层水矿化度与地层电阻率关系(b)

烃源岩的排烃能力除了受到烃源岩自身的有效厚度影响外, 还与其离下伏储层的距离有关。烃源岩的有效厚度大且距离储层越近, 其排烃能力越强, 原油越容易进入小孔隙, 从而形成高饱和度油层, 反之亦然^[24]。研究区长8储层的油源主要来自于上覆长7烃源岩, 为了研究烃源岩排烃能力差异对储层电阻率的宏观影响, 在研究区内绘制了连井剖面, 该地区勘探结果表明, 在陇东西部地区的西部发现了大批低阻油层, 而东部出油井的电阻率相对较高, 该地区长8储层的电阻率平面特征如图 5所示。选择3条连井剖面的位置, 3条粗实线分别代表低阻油层的连井剖面(B^'—B)、高阻油层的连井剖面(C^'—C)和从低阻油层到高阻油层的连井剖面(A^'—A)。绘制得到的3条连井剖面分别如图 6、图 7和图 8所示, 连井剖面中每口井的第1道是深度, 第2道是反映烃源岩的声波时差和电阻率测井曲线的叠加显示, 填充颜色是黑灰色, 第3道是地质分层, 第4道为测井解释结论, 第5道为自然伽马和渗透率。对比3个连井剖面可知, 低阻油层的烃源岩有效厚度较小, 且烃源岩距离储层远, 而高阻油层刚好相反。可见烃源岩的厚度以及其与储层之间的距离长短共同影响着烃源岩对储层的排烃能力, 从而影响着地层的电阻率。低阻油层较发育的地区烃源岩排烃能力差, 而高电阻率油层较发育的地区烃源岩排烃能力强, 说明储层宏观上烃源岩的排烃能力的差异也控制了低阻油层的分布。

图 5(Fig. 5)

图 5 陇东西部地区电阻率平面等值线

图 6(Fig. 6)

图 6 研究区A'—A连井剖面

图 7(Fig. 7)

图 7 研究区B'—B连井剖面

图 8(Fig. 8)

图 8 研究区C'—C连井剖面

在充分认识研究区低阻油层成因的基础上, 分别构建双视地层水电阻率差异交会图版、物性与阵列感应电阻率差异交会图版以及全烃录井-测井联合交会图版(图 9)。图 9a为双视地层水电阻率差异交会图版, 该方法是分别利用自然电位(SP)测井和阿尔奇公式计算视地层水电阻率, 其中利用自然电位计算的视地层水电阻率(R_WA-SP)的公式如下:

图 9(Fig. 9)

图 9 不同方法计算的流体识别图版 a双视地层水电阻率差异法; b物性与阵列感应电阻率差异法; c全烃录井-测井联合法

式中: R_mf为泥浆滤液电阻率; U_SSP为静自然电位幅度; K为与温度有关的系数。在泥浆滤液性质比较稳定条件下, 利用公式(1)计算的视地层水电阻率数值大小与地层水真电阻率比较接近。利用阿尔奇公式计算视地层水电阻率(R_WA-RT)的公式如下:

式中: R_T为地层电阻率; φ为地层孔隙度; m为孔隙度指数; a和b为与岩性有关的系数, b常取1。R_WA-RT包含了储层物性和含油性信息。对于地层水矿化度高引起的低电阻率油层, 计算的R_WA-SP较低, 分布在分界线上方; 含油饱和度越高, 地层电阻率也高, 计算的R_WA-SP大, 样本点落在图版中距离分界线越远。该方法总体上识别效果不错, 只是对一些含油饱和度较低的油水同层和干层识别效果不好。

图 9b为物性与阵列感应电阻率差异交会图, 为了体现储层综合物性的特征, 定义物性指数为(K_PERM/φ)^0.5, 其中K_PERM为渗透率, 可以利用岩心拟合公式计算得到; φ为孔隙度, 通过密度与中子测井多元回归模型计算得到。此外, 考虑到地层水矿化度差异的影响, 引入自然电位相对幅度ΔS_SP, 其计算公式如下:

式中: ΔS_SP为自然电位测井数值; S_SPshale为纯泥岩层段的自然电位值; S_SPsand为纯砂岩层段自然电位值。一般情况下, ΔS_SP的大小除了与孔隙流体的类型有关外, 还受到地层泥质含量、井温和井径等条件的影响。由于研究的目标层为延长组长8段致密砂岩储层, 其沉积条件基本相同, 储层的泥质含量和井眼大小变化不大, 因此本文主要考虑孔隙流体类型的影响。对于纯水层来说, 孔隙流体与泥浆滤液之间产生的扩散电动势更加明显, ΔS_SP数值大; 而随着含油饱和度的增加, ΔS_SP数值逐渐减小。同时, 由图 1可知研究区纯水层的密度较低, 物性较好, 而高阻油层的密度相对较高, 物性较差。因此, 通过两个因子相乘(K_PERM/φ)^0.5×ΔS_SP来进一步放大不同流体储层之间的差异。高分辨率阵列感应测井可以提供不同径向深度地层的电阻率, 不同储层的侵入特征不同, 不同探测深度阵列感应电阻率的差异也不同, 一般油层表现为正差异, 即探测深度越深的电阻率数值越高; 而水层则表现为负差异, 即探测深度越深电阻率越低。此外, 考虑到致密砂岩地层物性差, 侵入关系一般不太明显, 因此定义感应电阻率差异系数D_R, 其计算公式为:

式中: R_AT10, R_AT20, R_AT30, R_AT60和R_AT90分别为阵列感应电阻率测井探测深度为10, 20, 30、60, 90in(1in≈2.54cm)的电阻率。通过公式(4)计算的阵列感应电阻率差异系数D_R体现了不同储层的侵入特征差异, 油层时D_R大, 水层时D_R小。将D_R与地层电阻率相乘, 即D_R×R_AT90可以进一步放大不同流体之间的电性差异。可以看出, 物性指数与阵列感应电阻率差异交会图能够将油层和油水同层从水层和干层中识别出来, 但油层与油水同层的区分效果欠佳。

图 9c为全烃录井-测井联合交会图, 该方法是在物性指数与阵列感应电阻率差异交会图基础引入了全烃录井资料作为约束。全烃录井直接反映储层含油性的好差, 储层含油性越好, 全烃录井数值越大, 且受储层物性和含水性的影响较小, 结合全烃录井资料进行储层解释可以有效提高解释精度。本文将全烃录井数值(Q_T)与阵列感应电阻率差异系数、地层电阻率相乘, 即, D_R×R_AT90×Q_T, 该参数进一步放大了不同流体之间的电性差异。可以看出, 该图版油层和油水同层之间的界限更加明显, 对不同流体的识别效果更好。

为了对比上述3种流体识别图版在研究区的应用效果, 定义流体图版识别符合率为V, 即:

式中: n为图版中符合试油结果的样本点个数; N为图版中所有样本点的个数。为了保证图版流体识别的可靠性, 落在分界线上的样本点不作考虑。根据公式(5)计算3种方法的图版符合率分别为81.81%, 81.25%, 87.23%。

图 10为利用这3种识别图版综合判别流体用数字类型的方法流程。当对研究区新井进行流体识别时, 先用利用这3种图版对新井进行流体识别, 识别结果表示, “2”代表油层, “1”代表油水同层, “-2”代表水层, “-1”代表干层。判断储层最终流体类型时, 将这3种图版的判别结果通过投票机制来确定, 也就是当3个流体识别图版中有两个或全部的解释结果一致时, 选择大多数方法共同的判别结果作为最终解释结果; 当3种图版的识别结果各不相同时, 以符合率最高的识别图版的判别结果为准。

图 10(Fig. 10)

图 10 综合判别流体类型的方法流程

分别利用本文建立的单一流体识别图版和综合流体识别法对研究区一口典型低阻油井进行流体识别, 如图 11所示。图中第9、第10和第11道分别是双视地层水电阻率差异法、物性指数与阵列感应电阻率差异法和全烃录井-测井联合法3种方法的流体识别结果。其中第9道利用计算的两种视地层水电阻率重叠填充反映了储层含油性, R_WA-RT大于R_WA-SP的部分填充红色, 而R_WA-RT小于R_WA-SP的部分填充蓝色, 填充红色部分越饱满说明含油性越好, 油层可能性越大; 填充蓝色部分越饱满说明含油性越差, 越可能是水层。其余两种方法分别将流体识别曲线与“0”线(ITFC)进行重叠填充, 大于0值充填为红色, 小于0值充填蓝色, 不同数字大小与上面综合流体识别流程中代表的流体类型一致。考虑到不同深度测井值会对流体识别因子的计算有影响, 利用单一方法进行流体识别时采用该层段计算的最多的数字作为该方法流体识别结果。第12道为综合解释结果, 即最终解释的流体识别结果。在目的层段2590.0~2596.5m位置, 双视地层水电阻率差异法、物性指数与阵列感应电阻率差异法的解释结果均为油层, 而全烃录井-测井联合法在该层段解释为油水同层, 根据综合流体识别法, 最终解释该层段为油层, 后来在该层进行试油, 出油23.63t/d, 无水, 为高产油层, 验证了综合解释结果的准确性。

图 11(Fig. 11)

图 11 测井流体识别结果

利用综合流体判别法解释了研究区30口探井共30层, 其中试油结果为油层的有8口(均为低阻油层), 表 1对比了部分测井解释结果与试油结论。其中, 双视地层水电阻率差异法解释准确20层, 准确率为66.67%;物性指数与阵列感应电阻率差异法解释准确20层, 准确率为66.67%;全烃录井-测井联合法解释准确22层, 准确率为73.3%;综合流体判别方法流体识别准确25层, 准确率为83.3%。可以看出, 综合流体判别方法相比于单一流体识别方法有效地提高了流体识别精度, 表明这种流体识别方法在实际应用中值得推广和应用。

表 1

表 1 研究区部分探井综合流体判别法与试油结果对比 井名 顶深/m 底深/m 双视地层水电阻率差异法 物性与阵列感应电阻率差异法 全烃录井-测井联合法 综合流体判别法 试油结果 解释结论 符合情况 解释结论 符合情况 解释结论 符合情况 解释结论 符合情况 油/(t·d-1) 水(m3·d-1) L364 2700 2701 油层 × 油层 × 油层 × 油层 × 5.44 6.9 L365 2737 2740 油层 √ 油层 √ 油层 √ 油层 √ 33.32 0 L369 2737 2739 油层 √ 油层 √ 油层 √ 油层 √ 31.96 0 B49 2957 2958 油层 × 油层 × 油层 × 油层 × 0 9.0 B52 2887 2887 油层 × 油层 × 油层 × 油层 × 0 11.9 B54 2780 2782 油水同层 √ 油水同层 √ 油水同层 √ 油水同层 √ 4.34 10.7 B70 2703 2704 油层 √ 油层 √ 油层 √ 油层 √ 8.0 0 B72 2894 2895 水层 √ 油水同层 × 水层 √ 水层 √ 0 37.8 B96 2817 2818 水层 √ 油层 × 水层 √ 水层 √ 0 11.0 B100 2762 2763 油层 × 水层 √ 水层 √ 水层 √ 0 19.8 B107 2855 2856 水层 √ 水层 √ 油水同层 × 水层 √ 0 12.0 H30 2510 2517 油水同层 √ 油水同层 √ 油水同层 √ 油水同层 √ 4.68 2.5 H37 2706 2707 水层 × 水层 × 水层 × 水层 × 0.43 10.6 H42 2813 2815 油层 √ 油层 √ 油层 √ 油层 √ 27.12 0 H50 2571 2572 油水同层 √ 油层 × 油水同层 √ 油水同层 √ 1.56 57.6 H56 2689 2691 水层 √ 水层 √ 水层 √ 水层 √ 0 33.6 H57 2683 2683 水层 √ 水层 √ 水层 √ 水层 √ 0 12.2 M172 2745 2746 油水同层 × 油层 × 水层 √ 水层 √ 0 10.9 M173 2456 2457 油水同层 √ 油水同层 √ 油层 × 油水同层 √ 13.00 4.2 M186 2666 2669 水层 √ 水层 √ 水层 √ 水层 √ 0 14.1 M189 2416 2417 油水同层 √ 油水同层 √ 油水同层 √ 油水同层 √ 11.22 5.6 M268 2392 2395 油水同层 √ 油层 × 油水同层 √ 油水同层 √ 4.85 6.5 L74 2945 2948 油层 √ 油层 √ 油水同层 × 油层 √ 0.32 0 M45 2393 2396 水层 √ 水层 √ 水层 √ 水层 √ 0 31.7 M49 2331 2333 水层 √ 油层 √ 水层 √ 水层 √ 0 11.5 Y186 2758 2759 油水同层 × 水层 √ 水层 √ 水层 √ 0 18.1 … … … … … … … … … … …. … … 准确率 66.67%(20/30) 66.67%(20/30) 73.3%(22/30) 83.3%(25/30) / 注: “×”表示不符合; “√”表示符合。

表 1 研究区部分探井综合流体判别法与试油结果对比

1) 鄂尔多斯盆地陇东西部地区长8组致密砂岩储层低阻油层成因微观上主要受束缚水饱和度高和地层水矿化度高影响, 宏观上其分布受其上覆长7烃源岩的排烃能力差异控制, 在低阻油层的测井解释评价过程中要综合考虑储层微观和宏观因素的影响。

2) 针对致密砂岩储层低阻油层测井流体识别问题, 探索了双视地层水电阻率差异交会图版、物性指数与阵列感应电阻率差异交会图版和全烃录井-测井联合交会图版的流体识别效果, 并基于图版符合率和投票策略提出了一种综合流体识别方法。

3) 实例应用表明, 综合流体识别法的流体识别精度比单一图版法要高, 说明该方法在致密砂岩储层中低阻油层的识别是有效的, 值得推广应用。