2. 西北大学地质学系;
3. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院;
4. 中国石油集团测井有限公司长庆分公司
2. Department of Geology, Northwest University;
3. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company;
4. Changqing Branch, China Petroleum Logging Co. Ltd
高电阻率水层的电阻率比常规水层的电阻率高,与油层的电阻率相当,测井解释往往将其识别为油层,而试油结果证实储层内流体为水。由于这类储层具有较高的电阻率,测井识别困难,油层、油水同层判识率低,测井解释常常出现失误,严重影响了石油勘探和开发,因此需要分析高电阻率水层的成因,正确认识和识别这类水层。近年来,国内外在各含油盆地相继发现了高电阻率水层,例如印度尼西亚纳土纳盆地[1]、鄂尔多斯盆地[2-5]、松辽盆地[6-8]、塔里木盆地[9-10]、四川盆地[11]等。前人对高电阻率水层的成因机理进行了详细的研究,针对不同类型储层分析认为:低矿化度地层水[1]、孔隙内含有大量的粉末状物质[2]、孔隙内残余油[3, 5, 8]、岩性变化与泥质含量[6-7]、碳酸盐岩储层致密[11]等为高电阻率水层的成因,总结为两方面:①低矿化度地层水导致储层导电离子数降低,使得电阻率升高; ②孔隙内粉末状物质、孔隙内残余油、泥质含量、碳酸盐岩储层致密等均导致孔隙不发育或堵塞,影响导电能力,使电阻率升高,形成高电阻率水层。
鄂尔多斯盆地华庆地区长8段储层属于低孔、低渗储层,砂岩粒度细,成岩作用复杂,区域内绿泥石膜含量偏高,绿泥石膜吸附沥青质形成高电阻率的沥青质油膜,油膜的存在使储层电阻率增高而形成高电阻率水层,这给测井识别造成很大困难。目前,前人在高电阻率水层的识别方面已经取得了一定的成果[3-10, 12]。冯春珍等[3]利用围岩电阻率比值法判识油水层,由于邻近围岩电阻率存在差异,储层与围岩的电阻率比值存在多值现象,该方法应用中存在不确定性,不能准确识别高电阻率水层; 张庆国等[7]采用交会图法和曲线形态对应分析法识别高电阻率水层,两种方法解决了地层水矿化度变化和泥质含量影响造成的高电阻率水层识别问题,但对绿泥石膜吸附沥青质造成的高电阻率水层识别存在局限性,不能识别这类储层。本文基于储层的岩性、物性、润湿性等方面进行分析,搞清华庆地区长8段高电阻率水层的成因; 通过高电阻率水层的测井曲线响应特征、岩石物理特征和成因机理研究,建立高电阻率水层识别方法,以期解决流体识别难题; 使用完钻新井对各方法进行检验,验证其解释精度。
1 地质概况鄂尔多斯盆地是一个大型中生代内陆坳陷型盆地,油气资源丰富。中生界延长组为一套内陆湖盆沉积,油藏类型以岩性油藏为主,具有储集条件差、非均质程度高、油水关系复杂的特点[13-18]。华庆地区北起吴起,南至庆阳,西起白马,东抵南梁,面积约为7000km2,位于伊陕斜坡西部,总体为一西倾单斜构造(图 1)。长8段储层沉积微相主要为三角洲前缘水下分流河道和分流间湾,三角洲前缘水下分流河道为有利相带[19]。
华庆地区长8段储层以细砂岩储层为主,岩石类型主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩,岩屑主要为火山岩岩屑,沉积岩岩屑较少。填隙物含量较高为15.65%,主要由绿泥石、铁方解石、水云母等组成。孔隙类型主要为粒间孔和溶蚀孔,局部可见晶间孔和微裂隙。储层物性差,平均孔隙度为9.4%,平均渗透率为0.8mD,属于低孔、低渗储层[20-21]。长8段储层岩性细、物性差、填隙物含量高等因素决定了高电阻率水层的成因背景。
2 高电阻率水层成因分析 2.1 黏土矿物对高电阻率水层的影响华庆地区长8段储层岩性细、填隙物含量高,黏土矿物主要为绿泥石、铁方解石、水云母等,其中绿泥石含量(绿泥石填隙物含量与绿泥石膜含量之和)最高为8.27%(表 1),绿泥石膜含量也偏高,占绿泥石含量的33%,产状分布如图 2所示,绿泥石膜与早期充注的沥青质结合形成沥青质油膜,在润湿性上主要表现为偏亲油和中性(图 3)。沥青质油膜改变了储层的导电机理,如图 4所示,亲水状态下,原油位于孔隙中心位置,微孔隙水和岩石表面的薄膜水能形成连续导电路径; 而中性或偏亲油造成孔隙水导电路径的卡断或复杂化,形成“油包水”现象,从而增大储层电阻率,形成高电阻率水层。由于沥青质油膜存在使储层电阻率升高,当储层含油性差、含油饱和度低时,电阻率曲线形态不饱满,高电阻率水层测井电阻率曲线形态表现为“凹形”(图 5a); 当储层含油性好、含油饱和度高时,电阻率曲线形态饱满,油层测井电阻率曲线形态表现为“凸形”(图 5b)。
华庆地区长8段储层地层水矿化度变化较大,总矿化度主要分布于30.0~40.0g/L,平均为39.6g/L(图 6a),属于地层水矿化度较低储层。根据地层水矿化度与电阻率关系(图 6b)可知,常规水层主要存在于中低电阻率、高地层水矿化度储层,而高电阻率水层主要存在于高电阻率、低地层水矿化度储层; 地层水矿化度越低,则电解质的浓度越小,电阻率就越高,反之电阻率越低。因此,储层低矿化度地层水是形成高电阻率水层的主要因素之一。
绿泥石膜吸附沥青质和低矿化度地层水共同作用,使华庆地区长8段储层局部存在高电阻率水层,高电阻率水层与油层在测井曲线上表现为:水层电阻率绝对值呈高值,但曲线形态呈“凹形”(图 5a); 油层电阻率绝对值也为高值,但曲线形态呈“凸形” (图 5b)。根据测井曲线形态特征,建立区分曲线形态的声波时差—电阻率识别图版,并给出相应解释标准(图 7、表 2)。图 7a“凸形”图版上油层与油水同层界限不清晰,由于含油饱和度的差异导致部分油层试油后油水同出,但在测井曲线上均表现为高电阻率、“凸形”,目前不能有效区分。跟踪油井投产后效果,发现这部分油水同出的井投产后含水率均不高(小于30%),分析其原因为:试油压裂改造时由于抽汲不彻底,油层未能充分排液,导致试油时油水同出。区分曲线形态图版法给出对于电阻率曲线呈“凹形”的高电阻率水层,油层的电阻率下限为60Ω·m,较电阻率曲线呈“凸形”储层的油层电阻率下限高。应用该方法能有效识别油层和高电阻率水层,对华庆地区长8段储层2018—2019年新完钻72口探评井76个层段进行识别,测井解释符合率达到80%,应用效果良好。
华庆地区长8段高电阻率水层填隙物中绿泥石膜与沥青质结合形成沥青质油膜,导致储层高电阻率水层,因此可通过绿泥石膜含量与电阻率关系预测高电阻率水层。利用测井资料求取绿泥石含量,然后根据华庆地区长8段储层实验分析的绿泥石膜含量与绿泥石含量的百分比,计算储层的绿泥石膜含量,构建绿泥石膜含量—电阻率交会图识别高电阻率水层。由于自然伽马能谱测井中的铀、钍、钾能够反映黏土矿物类型和含量,因此选用自然伽马能谱测井建立其与绿泥石含量的关系。通过对华庆地区钻揭长8段储层的6口井32层绿泥石岩样进行分析,利用多元线性回归,建立自然伽马能谱测井与绿泥石含量的关系,计算公式为:
$ V_{\text {绿泥石 }}=-0.355 U+0.162 T h+0.133 G R-9.916 $ | (1) |
式中V绿泥石——绿泥石含量,%;
U——铀测井值,10-6;
Th——钍测井值,10-6;
GR——自然伽马测井值,API。
利用公式(1)计算的绿泥石含量与岩心分析绿泥石含量的相关系数为0.807(图 8a)。对于未测自然伽马能谱的井,利用多元线性回归,建立常规测井资料与绿泥石含量的关系,计算公式为:
$ \begin{aligned} V_{\text {绿泥石 }}=&-17.664 D E N+0.208 A C-0.045 G R \\ &+9.302 \end{aligned} $ | (2) |
式中DEN——密度测井值,g/cm3;
AC——声波时差测井值,μs/m。
利用公式(2)计算的绿泥石含量与岩心分析绿泥石含量的相关系数为0.812(图 8b)。应用基于测井资料建立的绿泥石含量公式,求取储层绿泥石含量,根据公式(3)得到研究区长8段绿泥石膜含量。
$V_{\text {绿泥石膜 }}=V_{\text {绿泥石 }} \times 33 \% $ | (3) |
式中V绿泥石膜——绿泥石膜含量,%。
构建绿泥石膜含量—电阻率交会图版识别高电阻率水层(图 9),并得出高电阻率水层识别标准,即绿泥石膜含量大于2.5%、电阻率小于60Ω·m; 同样得出油层识别标准,即绿泥石膜含量小于2.5%、电阻率大于60Ω·m。应用该方法进行识别,测井解释符合率达到87%,应用效果显著。
电阻率—孔隙度相关性分析法,是根据电阻率曲线与孔隙度曲线形态的相对变化定性识别流体性质的一种方法。冯程等[12]在陇东地区长81复杂润湿性油层识别中取得较好的应用效果。
3.3.1 分析法原理电阻率—孔隙度相关性分析以Archie公式[22]为理论基础:
$ R_{\mathrm{t}}=\frac{a b R_{\mathrm{w}}}{S_{\mathrm{w}}^{n} \phi^{m}} $ | (4) |
式中a、b——与岩性有关的系数;
m——胶结指数;
n——饱和度指数;
Sw——岩石含水饱和度;
Rw——地层水电阻率,Ω·m;
Rt——原状地层电阻率,Ω·m。
根据公式(4),可知电阻率测井响应与孔隙度测井响应具有相关性。对于纯水层,如图 10a所示,岩石孔隙100%饱含水,随孔隙度增大单位体积岩石中水的体积增大,导电路径增大、电阻率下降,电阻率—孔隙度呈现负相关关系; 对于纯油层,如图 10b所示,岩石的大孔隙中充满了原油,地层水仅以束缚水的形式存在,在单个砂体中孔隙结构不变、束缚水饱和度基本也不变的假设下,随孔隙度增大单位体积岩石中含油体积增大、导电路径下降,油层电阻率将变大,电阻率—孔隙度呈现正相关关系。这为利用电阻率—孔隙度相关性识别油、水层提供了岩石物理理论基础。
应用时选取测井电阻率曲线与计算的孔隙度曲线作为两组相互独立的、伴随井深变化的随机变量X(x1, x2, …, xn)和Y(y1, y2, …, yn)。根据概率论与数理统计的观点[23],两组随机变量X(x1, x2, …, xn)和Y(y1, y2, …, yn)之间的相关关系为:
$ R_{X Y}=\frac{n \sum\limits_{i=1}^{n}\left(x_{i} y_{i}\right)-\sum\limits_{i=1}^{n} x_{i} \sum\limits_{i=1}^{n} y_{i}}{\sqrt{n \sum\limits_{i=1}^{n} x_{i}^{2}-\left(\sum\limits_{i=1}^{n} x_{i}\right)^{2}} \times \sqrt{n \sum\limits_{i=1}^{n} y_{i}^{2}-\left(\sum\limits_{i=1}^{n} y_{i}\right)^{2}}} $ | (5) |
式中n——随机变量的长度,即每次计算的窗长;
RXY——每次计算的相关系数。
如公式(5)所示,RXY的计算结果在-1至1之间。如果随机变量X和Y的相对变化趋势大致一致,则RXY大于零,且相对变化趋势越一致,RXY越接近1,此时,X和Y为正相关,即该区间表现出油层的特征; 反之,如果随机变量X和Y的相对变化趋势大致相反,则RXY小于零,且相对变化趋势越相反,RXY越接近-1,此时,X和Y表现为负相关,即该区间表现出水层的特征。
华庆地区长8段高电阻率水层电阻率曲线呈现“凹形”,孔隙度增大,孔隙度曲线显示较好(密度低值、声波时差高值); 油层电阻率曲线呈现“凸形”,孔隙度曲线显示较差(密度高值、声波时差低值),如图 11、表 3。根据储层测井曲线形态,对深电阻率曲线采用对数归一化,而孔隙度曲线采用线性归一化,使两者取值范围一致,均为0~1,每次采用固定计算窗长,将归一化后的深电阻率和孔隙度曲线代入公式(5),进行相关系数计算。
应用实例:华庆地区钻揭长8段的两口评价井的判识结果表明,B506井(图 11a)储层电阻率—孔隙度相关系数大部分为负值(蓝色充填),局部受含钙质影响,密度升高,电阻率升高,电阻率—孔隙度为正相关(红色充填),最终判识为含油水层,试油为日产油花,日产水30.9m3,与试油结论相符; Y469井(图 11b)储层电阻率—孔隙度相关系数大部分为正值(红色充填),局部泥质含量增大,电阻率降低,电阻率—孔隙度为负相关(蓝色充填),最终判识为油层,试油为日产油26.2t、不产水的高产油井,与试油结论相符。
应用该方法对华庆地区长8段储层2018—2019年新完钻72口探评井76个层段进行识别,对比之前采用常规图版法,测井解释符合率从60%提高到85%,大幅提高了测井解释的符合率,满足油田勘探开发的需求。
3.4 识别方法优选通过研究高电阻率水层的测井曲线响应特征、岩石物理特征和成因机理,建立区分曲线形态图版法、电阻率—孔隙度相关性分析法和绿泥石膜含量—电阻率交会图版法3种高电阻率水层识别方法。对于研究区实际测井解释中遇到的具体井,优先使用区分曲线形态图版法,该方法快速直观,根据电阻率曲线形态和测井电阻率、声波时差数值进行识别。如果部分井电阻率曲线特征不明显或在图版的界限附近,则进一步使用电阻率—孔隙度相关性分析法和绿泥石膜含量—电阻率交会图版法联合判识确定是否为高电阻率水层,这两种方法能反映细微的曲线特征和成因机理,且精度也较高,最终综合各方法的判识结果确定测井解释结论。
4 结语华庆地区长8储层岩性细、填隙物含量高,填隙物中沥青质油膜和低地层水矿化度共同作用导致高电阻率水层,发展了该地区长8段高电阻率水层成因的认识。提出的区分曲线形态图版法、绿泥石膜含量—电阻率交会图版法、电阻率—孔隙度相关性分析法,将曲线特征与成因结合,丰富和发展了华庆地区长8段高电阻率水层识别方法,对同类高电阻率水层的识别具有较大借鉴意义。
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