论储层评价中的五性关系
赵良孝, 陈明江
中国石油川庆钻探公司工程公司地质勘探开发研究院

作者简介:赵良孝,1940年生,教授级高级工程师;一直从事石油地质与测井研究工作。地址:(610051)四川省成都市建设北路一段83号。电话:(028)86015420。E-mail:19092249@qq.com

摘要

储层空隙空间结构(孔隙、裂缝和溶洞)十分复杂,完全破坏了传统的储层四性关系,在储层评价中暴露出越来越多的矛盾,严重地阻碍了该技术的发展。为此,从展示这些矛盾的根源入手,进行了大量的实例研究,并提出了解决方案。研究表明,复杂空隙结构储层中常见孔隙度与渗透率、孔隙度与含水饱和度、绝对渗透率与有效渗透率、电性与含油气性的矛盾,其孔隙的类型、孔喉大小、裂缝产状等因素是造成这些矛盾的主要原因。在此基础上提出了储层空隙空间几何特性的概念,并分别探讨了定量或定性描述孔隙、裂缝、溶洞几何特性的方法:①孔隙。孔、喉大小与岩石结构和物性、含流体性质的关系;孔隙类型与含流体性质及测井响应特性的关系。②裂缝。产状与孔隙结构指数( m)的关系;径向延伸与深浅探测电阻率的关系;张开度与裂缝渗透率的关系;产状与储层基质岩块含水饱和度的关系;发育指数与岩性的关系。③溶洞。大小、连通状况与 m值和3种测井(中子、密度、声波)孔隙度的关系;充填程度与测井响应特性的关系。所建立的储层空隙空间几何特性与岩性、物性、含流体性和电性的五性关系,从根本上提高了复杂储层(如碳酸盐岩等)评价的水平。

关键词: 储集层(岩石); 孔隙; 裂缝; 溶洞; 空隙空间结构; 评价; 空间几何特性; 岩性; 物性; 含流体性; 电性
A discussion on the relationships between five properties in reservoir evaluation
Zhao Liangxiao, Chen Mingjiang
Geological Exploration Research Institute of Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., CNPC, Chengdu, Sichuan 610051, China
Abstract

Reservoir pore spaces (pores, fractures and vugs) are too complex to be predicted by use of the traditional relationships between the four properties of reservoirs, thus more and more contradictions occur in reservoir evaluation. A great number of case studies were performed to reveal the causes of these contradictions and the corresponding solutions were also proposed. For the reservoirs with complex pore spaces, we found four common types of contradictions between porosity and permeability, porosity and water saturation, absolute permeability and effective permeability, and electric property and hydrocarbon-bearing property Those contradictions are mainly caused by pore types, pore throat size and fracture occurrence. On this basis, the concept of reservoir pore space geometry feature was presented and methods were discussed for qualitatively or quantitatively describing the geometrical features of pores, fractures and vugs. The following findings were concluded. (1) For pores, two relationships were established between pores & throat sizes and rock textures, physical properties & fluid-bearing properties, and between pore types and fluid-bearing properties & logging responses. (2) For fractures, five relationships were established between occurrence and pore texture index ( m), radial extension and deep/shallow borehole resistivity, openness and fracture permeability, occurrence with matrix water saturation, and between development index and lithology. (3) For vugs, two relationships were established between size & connectivity and m value & three types of logging porosities (neutron, density and sonic), and filling degree and logging responses. These five relationships of reservoir pore space geometrical features with lithology, physical property, fluid-bearing property and electrical property can significantly improve the evaluation of complex reservoirs such as carbonates.

Keyword: reservoir (rock); Pore; Fracture; Vug; Pore space texture; Evaluation; Space geometrical features; Lithology; Physical property; Fluid-bearing property; Electrical property

储层四性关系是指岩性、物性、含油性和电性两两之间的相互关系[1]。我国各大油气田将四性关系研究列为储层评价最基础、最重要的内容, 已广泛应用了几十年, 取得了显著的成效。然而随着油气勘探开发的深入, 所面临的储层日益复杂, 四性关系遭遇严峻挑战[2]。通常的孔隙度与渗透率的关系、绝对渗透率与有效渗透率的关系、孔隙度与含水饱和度的关系、含油性与油柱高度的关系、油层、水层与电阻率的关系等等变得更加复杂, 极大地阻碍了对储层的准确评价[3, 4, 5]。究其原因, 是储层空隙空间几何特性的复杂性, 导致了传统四性关系的破坏[6, 7]。为此笔者在全面分析储层四性关系矛盾原因基础上, 引入了储层评价的“ 第五性” — — 空隙空间几何特性, 不仅圆满解释了四性关系中的矛盾, 而且为正确评价复杂储层提供了一条可行途径。

1 四性关系在储层评价中暴露的问题

储层的四性是指岩性、物性、含油性和电性, 其中岩性包括了岩石成分、颜色、岩石结构和岩石构造[8]; 物性主要包括岩石的孔隙度、渗透率、有效渗透率、相对渗透率等; 含油性是指油气饱和度、油气在岩石中的分布及赋存状态; 电性实质上是指各种测井信息的响应特性, 如电阻率、介电常数、声学特性、核学特性等[9]

储层的这四种性质相互联系, 彼此制约, 共同控制着储层性质, 故称为储层四性关系。传统的四性关系是建立在均匀、各向同性、相互连通的粒间孔隙型储层基础之上, 其孔隙度与渗透率, 绝对渗透率与有效渗透率, 孔隙度与束缚水饱和度, 孔隙度及含水饱和度与各种测井响应等都存在着较为单一和稳定的对应关系, 因此利用测井信息就可求得可信度较高的孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数, 从而对储层做出较准确的评价[10, 11]

然而, 地层中大量储层的空隙空间并非仅有孔隙, 各种裂缝和溶洞的发育, 形成了裂缝型、缝洞型、孔洞型等多种储层类型, 完全改变了孔隙型储层的性质; 而且就对孔隙本身而言, 尤其是碳酸盐岩中的孔隙, 也因孔隙的类型、几何形态的不同而使储层性质发生很大的变化。这就必然导致建立在均匀、各向同性的粒间孔隙储层基础上的四性关系遭到破坏。

1.1 孔隙度与渗透率的关系

由于孔隙类型的变化及裂缝、溶洞的发育, 使储层孔隙度与渗透率在半对数坐标系中的交会关系变得极为分散, 相同的孔隙度所对应的渗透率值可以相差好几个数量级。如图1-a所示, 伊拉克AHDEB油田某井 2 617~2 656 m井段, 孔隙度基本在21%~28%之间, 变化范围较小, 而渗透率则表现为从上向下明显降低的特征, 其变化范围从0.2~1 042.0 mD。从图1-b中的孔— 渗交会也可以看出, 其相关性极差, 即使相同的岩相, 其孔— 渗的相关性也非常差, 无法建立单一的孔— 渗回归模型。岩心观察及薄片鉴定结果表明, 造成这一现象的原因不仅与溶洞的发育有关, 基质孔隙类型及大小的变化才是最重要的影响因素。

图1 伊拉克AHDEB油田碳酸盐岩储层的孔— 渗关系图(1 in=25.4 mm, 1 ft=0.304 8 m, 下同)

1.2 孔隙度与含水饱和度的关系

储层含水体积是孔隙度与含水饱和度的乘积(φ × Sw)。对于具有相似孔隙类型及孔隙几何形态的储层来说, 储层含水体积是油柱高度的函数, 在过渡带之上的纯油气层区, 该值为常数, 因此在孔隙度与含水饱和度交会图上则表现为双曲线关系(图2-a)。当储层孔隙类型发生改变或发育裂缝或溶洞时, 孔隙度与含水饱和度的交会点则不满足双曲线关系, 呈现杂乱分布(图2-b)。这也正是在复杂空隙结构储层中无法应用该方法来判别储层是否含有可动水的原因。

图2 伊拉克AHDEB油田碳酸盐岩储层的孔— 饱交会图

1.3 绝对渗透率与有效渗透率的关系

当储层孔径与喉径较大且孔喉比也较大时, 就会出现绝对渗透率高, 而相对渗透率、有效渗透率低的矛盾; 反之则出现绝对渗透率不高, 而相对渗透率、有效渗透率较高的矛盾。这些矛盾现象反映在油气层开采中就会出现岩心分析和测井解释为高孔、高渗的储层反而低产, 甚至为干层的矛盾。如哈萨克斯坦中区块某井的石灰岩储层, 其平均孔隙度8%, 渗透率10~20 mD, 孔隙度与电阻率交会特征表明为水层(图3-a), 孔隙度与含水饱和度交会呈双曲线特征, 表明储层无可动水, 为油层特征(图3-b), 但毛细管压力曲线反映退汞效率很低(图3-c)。该层中测无产量, 大型酸压后仅产微气, 因此综合分析认为该层为高束缚水饱和度、孔喉比很大、有效渗透率很低的干层。

图3 哈萨克斯坦中区块石炭系碳酸盐岩储层的测井特征及压汞曲线特征图

1.4 储层电性与含油气性的关系

在孔隙型储层中, 当其孔径小而均匀, 且孔喉比也较小时, 束缚水饱和度会很高, 电阻率可能会降得很低, 但仍然可产纯油气。由于其电阻率极低, 根据常规的测井分析方法很容易将其误判为水层。如图4-a所示的新疆巴麦地区某井石炭系白云岩储层(井深4 308~4 310 m), 其深侧向电阻率低至3 Ω · m, 与下部水层电阻率接近, P1/2曲线幅度低且较为平直, 线性关系较好, 表现为典型的水层特征(图4-b), 然而该层测试产纯气11.5× 104 m3/d。从薄片鉴定可以看出(图4-c), 白云石晶体细小, 晶间孔小而均匀, 表现为小孔小喉的孔隙结构特征, 从而造成其束缚水饱和度较高, 测井电阻率较低的特征。

图4 新疆巴麦地区石炭系白云岩储层测井特征与薄片特征图

在裂缝型储层中, 当发育单组系的低角度裂缝或高角度裂缝时, 将造成电阻率畸变。图5为四川盆地某井的测井曲线特征, 上部4 331~4 344 m井段为相对低电阻率、负差异特征(RLLD< RLLS), 下部4 360~4 370 m井段为相对高电阻率, 正差异(RLLD> RLLS)。按常规测井解释理论, 水层为负差异, 油气层为正差异。因此很容易将上部储层解释为水层, 下部解释为油气层, 但这显然与地质规律相违背。从裂缝识别测井可以看出储层上部发育低角度缝, 而下部发育高角度缝, 故使电阻率上低下高。因此如果不做裂缝产状对电阻率影响的校正, 必然导致错误的储层流体类型判别。

图5 四川盆地某井石炭系测井特征图

与上述问题类似的例子还很多, 不胜枚举。但仅这些就足以说明复杂、多变的空隙空间结构是造成传统四性关系复杂多变, 不能完全反映储层性质的主要原因, 如仍继续限于此传统关系的约束中, 必然阻碍储层测井评价的深入和发展。为此, 在储层评价, 特别是复杂储层评价中, 必须引入能反映储层空隙空间结构的第五种性质— — 空隙空间几何特性, 从而建立与其他四种性质的关系, 这就是储层的五性关系。

2 建立储层的五性关系

储层空隙空间包括孔隙、裂缝和溶洞, 它们各自独有的几何特性以不同的方式和程度影响着储层的性质, 因此需分别建立储层的五性关系。

2.1 裂缝几何特性与储层四性的关系

2.1.1 裂缝产状与孔隙结构指数(m)的关系

阿尔奇公式中的胶结指数(m)实质上反映了孔隙结构的变化, 其物理意义为导电路径截面积的变化率, 因此可以将m值理解为孔隙结构指数。裂缝的产状及组合特性可归结为低角度裂缝、高角度裂缝和网状裂缝3类。它们对储层孔隙结构指数m值有较大影响, 理论研究和实际应用结果表明, 裂缝型储层的m值在1.1~1.5范围内变化, 低角度裂缝趋向于1.1, 高角度裂缝趋向于1.5, 网状裂缝近似为1.3。

2.1.2 裂缝径向延伸与深浅探测电阻率的关系

裂缝的径向延伸度是指裂缝从井壁向地层延伸的距离, 它是评价裂缝对储层产能贡献大小的重要参数。根据深、浅双侧向的探测深度, 可将裂缝径向延伸分为4个等级:深延伸大于2 m, 中等延伸为0.5~2.0 m, 浅延伸为0.3~0.5 m, 极浅延伸小于0.3 m。不同的径向延伸等级对应了不同的深侧向电阻率(RD)和深浅电阻率比值(RD/RS)。图6所示为塔里木盆地奥陶系的裂缝识别图版, 利用该图版可大致识别裂缝的径向延伸深度。图中交会点所指示的裂缝延伸为中— 浅, 即0.3~2.0 m。

图6 塔里木盆地奥陶系裂缝径向延伸深度识别图版

2.1.3 裂缝张开度与裂缝渗透率的关系

对于不同产状裂缝的渗透率分别满足以下关系。

1)单组系裂缝型:

Kf=8.5× 10-4Rd2 φfm(1)

2)多组系垂直裂缝型:

Kf=4.24× 10-4Rd2 φfm(2)

3)网状裂缝型:

Kf=5.66× 10-4Rd2 φfm(3)

式中R为裂缝径向延伸系数, 当延伸大于2~3 m时R=1, 延伸为0.5~2.0 m时R=0.8, 延伸为0.3~0.5 m时R=0.4, 当延伸小于0.3 m时R=0; d为裂缝张开度, μ m; m裂缝孔隙度指数; φ f为裂缝孔隙度。

2.1.4 裂缝产状与储层基质岩块含水饱和度的关系

裂缝的产状、密度、孔隙度将影响被裂缝切割的基质岩块的含水饱和度, 进而影响电阻率, 它们之间存在以下的函数关系:

1RD= φbmbSwbnbRw+ φfmfRmK1(4)

1RS= φbmbSxnbRmix+ φfmfRm(5)

1Rmix= Sx-SwbRmfSx+ SwbRwSx(6)

Sx= Swb12(7)

式中φ b为基质孔隙度; SxSwb分别为冲洗带和基质岩块含水饱和度; K1为裂缝产状校正系数; RwRmRmfRmix分别为地层水、钻井液、滤液、混合液电阻率, Ω · m。

2.1.5 裂缝发育指数与岩性的关系

大量实际资料表明, 裂缝的发育程度与岩石矿物成分和颗粒的大小有明显关系。如图7-a所示, 石英的裂缝发育指数最高, 石灰岩的裂缝发育指数最低, 白云岩和钙质砂岩则介于其间; 从图7-b中的岩石颗粒大小与裂缝发育指数的关系可以看出, 石灰岩和白云岩都随着粒径的减小裂缝发育指数更高, 且白云岩相对石灰岩更容易发育裂缝。

图7 裂缝发育指数与岩石成分、岩石结构的关系图

2.2 溶洞几何特性与储层四性的关系

溶洞的几何特性主要是指溶洞的大小、溶洞间的连通状况和溶洞内的充填程度。

2.2.1 溶洞大小、连通状况与m值的关系

一般溶洞的m值比裂缝和孔隙都较大, 同时变化范围也较大, 可由2增大到5, 这主要取决于溶洞的大小及其连通性, 溶洞越大, 连通性越差, m值越大。通常, 对于连通性较好的小溶洞, 其m值一般在2~2.5之间, 连通性较差的溶洞m值在2.5~3.0之间, 孤立分散的溶洞m值一般大于3.0。

2.2.2 溶洞大小、连通状况与3种测井孔隙度的关系

对中、小溶蚀孔洞, 当其连通性较好时, 中子、密度、声波3种孔隙度十分接近, 声波孔隙度略低于密度孔隙度和中子孔隙度; 当连通性较差时, 声波孔隙度将明显低于中子、密度孔隙度, 且连通性越差, 差异越大。对大型溶洞, 3种孔隙度曲线都发生了不同程度的畸变, 均不能反映地层实际孔隙度, 只能用井径扩径段的长度来近似描述溶洞的大小。

2.2.3 溶洞充填程度与测井响应特性的关系

溶洞的有效性不仅与相互间的连通性有关还与其充填程度密切相关, 故有必要建立充填程度与测井响应特性的关系。

不导电矿物对溶洞的充填状况可用成像测井鉴别, 但对导电泥质充填的鉴别和评价, 成像测井已无能为力。需选用能识别泥质含量及其性质的测井信息, 既可鉴别正常沉积泥质与溶洞充填泥质, 又能评估溶洞中泥质所占的比例。利用自然伽马能谱的钍钾值与中子孔隙度或电阻率交会可基本解决这两方面的问题。正常沉积泥质受上覆岩层压力作用, 随着压实程度的增加, 中子孔隙度将逐渐降低、电阻率逐渐增大。在排除孔隙影响的情况下, 中子孔隙度和电阻率与地层的泥质含量具有较好的相关性, 即随着泥质含量的增加(无铀伽马增大), 中子孔隙度逐渐增大, 电阻率逐渐降低, 而这一趋势特征在同一区块来说是基本稳定的(图8中的红色趋势线)。对于溶洞充填泥质来说, 无铀伽马与中子孔隙度及电阻率的交会点将明显偏离该趋势线, 且偏离幅度越大, 充填程度越高。

图8 新疆玉北地区奥陶系溶洞充填泥质及充填程度识别图版

2.3 孔隙几何特性与储层四性的关系

孔隙几何特性主要包括孔、喉大小、形态和分布几个方面的特性。

2.3.1 孔、喉大小与岩石结构、物性的关系

毛细管压力曲线的形态反映了岩石喉道的大小及其分布, 利用形态特征参数对其进行分类, 并结合薄片鉴定、孔、渗特征来建立孔、喉大小与岩石结构、物性的关系。土库曼斯坦阿姆河右岸区块碳酸盐岩储层岩石类型多, 孔隙结构复杂, 非均质性极强[12, 13]。根据孔喉大小、分布和岩相特征将该区碳酸盐岩划分为5种岩石类型(图9):RT1以微晶灰岩为主, 少量含颗粒微晶灰岩, 孔喉分选性好, 但孔喉半径小, 渗透率低, 孔— 渗关系好; RT2为微晶灰岩为主, 孔喉分选差, 喉道半径小, 微裂缝发育, 孔— 渗关系差; RT3以微晶灰岩为主, 孔喉分选好, 微裂缝不发育, 孔— 渗相关性好; RT4以颗粒微晶为主, 其次为微晶颗粒灰岩, 发育少量裂缝及溶洞, 孔喉分选差, 孔— 渗关系差; RT5以颗粒灰岩为主, 尽管孔喉分选性相对较差, 但以粒间孔为主, 孔、喉半径较大, 因此其渗透率较高, 孔— 渗关系好。

图9 土库曼斯坦阿姆河右岸碳酸盐岩孔喉、孔— 渗及薄片特征图

2.3.2 孔、喉大小与含流体性质的关系

由毛细管压力曲线与相对渗透率曲线对比分析可知, 孔、喉半径越小, 岩石比表面越大, 束缚水饱和度越高, 孔喉比越大, 残余油气饱和度越高。

2.3.3 孔隙类型与含流体性质及测井响应特性的关系

前人从不同研究角度出发对碳酸盐岩储层的孔隙进行了分类[14, 15], 但从储层测井评价的角度出发, 为了更好地建立测井响应与储层孔隙类型的关系, 可将孔隙类型归结为孤立孔和连通孔两大类。粒内孔、铸模孔、体腔孔等属孤立孔; 粒间孔、晶间孔、架间孔、粒间溶孔等属连通孔。以连通孔隙为主的储层, 其含流体性质与测井响应有较好的相关性, 即油层电阻率随着含油饱和度的增大而增大, 随着孔隙度的降低而降低; 以孤立孔隙为主的储层, 其含流体性质与测井响应的关系差, 纯水层也可能表现为高电阻率、低的声波时差、较低的密度, 故容易误解释为油气层。

以上只是孔、洞、缝与岩性、物性、含油性、测井响应特性的部分关系, 而且还未涉及孔、洞、缝以不同方式组合情况下与上述四性的关系, 限于篇幅, 不再赘述。

3 结束语

碳酸盐岩储层评价已公认为世界性难题, 其根本原因就是复杂的空隙空间结构, 它们完全破坏了传统的储层四性关系。如仍然用传统的方法去评价这类储层, 势必造成主观认识与客观实际的矛盾, 陷于无所适从的尴尬境地。因此只能深入研究孔、洞、缝的特性, 进而建立它们与储层岩性、物性、含油性、测井响应特性的五性关系。否则就不能从根本上提高碳酸盐岩复杂储层评价的水平。

The authors have declared that no competing interests exist.

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