低阻气层测井识别和评价新方法——以鄂尔多斯盆地东胜气田为例
赵永刚
中石化华北石油工程有限公司测井分公司

作者简介:赵永刚,1968年生,高级工程师,博士;现从事测井技术研究与管理工作。地址:(450042)河南省郑州市中原区西四环须贾路4号院。ORCID: 0000-0002-4941-2538。E-mail: zhao.y.g@163.com

摘要

随着鄂尔多斯盆地东胜气田天然气开发步入中后期,先后出现了一些低电阻率气层(以下简称低阻气层)井。这些低阻气层与水层的电性差异很小,由于缺乏足够的分析化验数据,并且对其成因机理的认识尚不清楚,因而给气层识别带来了困难、对储层产能评价和预测造成了不利的影响。为了给东胜气田后期天然气高效开发提供可靠的技术支撑,在总结该区低阻气层测井响应特征的基础上,从分析成因机理入手,开展了低阻气层常规测井识别方法研究,提出了测井曲线重叠法和四孔隙度差值/比值法等新方法。研究结果表明:①低阻气层成因除了受到泥质分布形式、黏土矿物阳离子附加导电性以及钻井液侵入因素的影响之外,主要还有下述两种影响类型;②一种是由于高孔隙度、高渗透率及高可动水饱和度引起的低阻气层;③另一种则是由于复杂孔隙结构引起的高束缚水(毛细管水)饱和度,束缚水中主要是毛细管水,毛细管水又形成了较好的导电网络,造成储层呈现低电阻率特征。结论认为,采用所提出的常规测井方法来识别低阻气层,解释符合率可以达到83%,识别效果较好。

关键词: 低电阻率气层; 成因机理; 测井; 曲线重叠法; 四孔隙度差值/比值法; 气层识别; 鄂尔多斯盆地; 东胜气田
A new method for logging identification and evaluation of low-resistivity gas layers: A case study of the Dongsheng Gasfield in the Ordos Basin
ZHAO Yonggang
Well Logging Company, Sinopec North China Petroleum Engineering Company, Zhengzhou, Henan 450006, China
Abstract

As the natural gas development in the Dongsheng Gasfield of the Ordos Basin steps into middle and late stages, some wells have successively drilled into low-resistivity gas layers, the electrical property of which is rarely different from that of water layers. There is not sufficient analysis and experiment data on low-resistivity gas layers and their genetic mechanisms have not been understood clearly, which brings about difficulties to their identification and results in adverse influences on their reservoir productivity evaluation and prediction. In order to provide reliable technical support for the efficient natural gas development in the late stage of Dongsheng Gasfield, this paper firstly summarized the logging response characteristics of low-resistivity gas layers in this area. Then, based on genetic mechanism analysis, conventional logging identification methods of low-resistivity gas layers were investigated and some new methods were put forward, including the log overlapping method and the four porosity difference/ratio method. And the following research results were obtained. Apart from the distribution form of shale, the cationic additional conductivity of clay mineral and the invasion of drilling fluid, the genesis of low-resistivity gas layers is influenced mainly by the following two types of factors. One is low-resistivity gas layers caused by high porosity, high permeability and high movable water saturation. The other is the product of high bound water (capillary water) saturation caused by complex pore structures. In other words, bound water is mainly capillary water, which forms a good conductive network, resulting in the occurrence of low resistivity characteristics in the reservoir. In conclusion, when the proposed conventional logging method is used to identify low-resistivity gas layers, the identification effect is better with an interpretation coincidence rate as high as 83%.

Keyword: Low-resistivity gas layer; Genetic mechanism; Logging; Log overlapping method; Four porosity difference/ratio method; Gas layer identification; Ordos Basin; Dongsheng Gasfield
0 引言

鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏, 总体呈现储层横向变化快、纵向多层发育的地质特征[1]。而东胜气田位于鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起区[2], 勘探面积9 805.11 km2。区内主要发育泊尔江海子断裂、乌兰吉林庙断裂和三眼井断裂, 构造平缓单斜, 倾向西南, 倾角小于1° , 坡降介于3~10 m/km, 单斜背景上发育多排北东— 南西走向的低缓鼻隆, 幅度介于10~20 m。

目前, 低阻气层井主要集中在东胜气田J58井区西部, 是近年来中国石化华北油气分公司天然气勘探开发的重点地区。J58井区内断裂不发育, 主要含气层位是下二叠统下石盒子组、山西组和太原组, 其中太原组和山1段石英含量高, 岩性主要为亚岩屑砂岩, 孔隙以剩余粒间孔为主。山2段和下石盒子组的长石和岩屑含量较高, 主要为岩屑砂岩、亚岩屑砂岩和长石质岩屑砂岩[3]

低电阻率气层主要集中在下石盒子组, 为辫状河道沉积环境[4], 岩性以粗— 中粒、岩屑砂岩和长石岩屑砂岩为主[5], 该类气层具有电性反映流体能力差的特点, 其形成机理尚不明确, 气层识别存在困难, 进而严重影响该区储层的产能评价[6]和预测。

笔者从低阻气层测井响应特征出发, 在研究和梳理低阻气层形成主控因素的基础上, 开展低阻气层常规测井识别方法研究, 以期为东胜气田后期高效开发提供可靠技术支撑、助力该地区的天然气增储上产。

1 低阻气层测井响应特征

低阻气层井在测井响应特征[7]上与常规储层明显不同, 从岩心分析孔隙度和渗透率交会图(图1)可以明显看到, 低阻气层的孔隙度、渗透率远远高于常规储层, 在测井响应特征上主要表现为声波时差高、深侧向电阻率低。

图1 岩心化验分析孔隙度与渗透率交会图

通过对研究区内19口低阻气层井进行归纳总结, 得到其测井响应特征如表1所示。

表1 东胜气田低阻气层井测井响应特征表
2 低阻气层成因分析

对低阻气层形成机理[8]主要从以下11个方面进行分析, 即岩石骨架粒度、泥质含量、导电矿物含量、砂泥岩薄互层、地层水矿化度、泥质分布形式、阳离子交换能力、高孔隙度高渗透率(高可动水含量)[9]、高束缚水饱和度(主要为毛细管水且储层孔隙结构复杂)[9, 10]、低幅度构造[11]以及钻井液侵入[12, 13, 14, 15]等。结果表明, 低阻气层的成因主要分为两种类型:一种是高孔隙度高渗透率(高可动水含量)储层; 另一种是高束缚水饱和度(主要为毛细管水且储层孔隙结构复杂)储层。泥质分布形式、阳离子交换能力和钻井液侵入都是次要影响因素, 其他因素则对研究区低阻气层形成没有影响。

2.1 高孔隙度、高渗透率(高可动水含量)

东胜气田属于低孔隙、特低渗透储层, 但是低阻气层井无论是从岩心分析数据上, 还是测井响应特征上, 都明显表现为异常高孔隙度特征。

通过对低阻气层井的化验分析孔隙度与深侧向电阻率交会图进行研究, 认为孔隙度越高, 电阻率越低, 最低低于5 Ω · m。另外, 从常规储层物性分析可知, J58井区下石盒子组储层孔隙度主要集中在5%~12%, 峰值在7%~9%, 渗透率主要集中在0.15~1.20 mD, 平均渗透率为0.6 mD。但是低阻气层的岩心化验分析数据显示, 其孔隙度主要集中在13%~25%。再利用图2可知, 当孔隙度为13%时, 对应的渗透率为1.5 mD, 明显高于常规储层渗透率。所以从统计结果显示, 该区高孔隙度、高渗透率是低阻气层的一个普遍特征。

图2 低阻气层化验分析孔隙度与渗透率交会图

从铸体薄片数据分析可知, 该类低阻气层孔隙结构以中— 大孔径、中等以上孔喉为主, 压汞数据显示, 排驱压力和中值压力都很小, 反映储层连通性较好, 所以储层曲折度小, 形成了较好的导电通路。这类储层从二维核磁共振测井上可以看到, 具有高可动水饱和度。所以在相对高孔隙度、高渗透率的储层中, 再含有较高含量的可动水, 必然导致储层电阻率降低, 形成低阻气层。

2.2 高束缚水饱和度(主要为毛细管水且储层孔隙结构复杂)

图3是JX2井核磁共振测井解释成果图, 第2(2)号层为低阻气层, 该层深侧向电阻率最低为4.0 Ω · m, 平均值为12.2 Ω · m。从核磁共振测井成果图上可以明显看到, 该层T2谱呈多峰分布, 且不连续, 束缚水饱和度在低阻层段超过60%。通过T2谱分析可知, 该层束缚水主要为毛细管束缚水。同时, 从铸体薄片及压汞数据分析可知, 小、中、大孔均有发育, 喉道有微喉、细喉和特粗喉, 说明该层孔隙结构复杂, 再从二维核磁成像图上也可以看出, 该层主要以毛细管束缚水为主, 且束缚水含量较高。该类储层由于毛细管水含量高, 虽然孔隙结构复杂, 但孔隙连通性相对较好, 储层可以形成较好导电网络, 导致电阻率降低, 形成低阻气层。

图3 JX2井核磁共振测井解释成果图

3 低阻气层流体性质识别方法

利用低阻气层区别于常规气层的测井响应特征, 在明确低阻气层成因机理的基础上, 运用常规测井资料开展低阻气层识别方法研究。

3.1 交会图版法

交会图版法主要利用测井数据, 结合测试结果, 对测井曲线进行交会, 建立识别图版, 是目前较流行的一种流体性质识别方法, 该方法具有直观、简单、便捷的特点。在J58井区, 交会图版法对常规气水层识别效果较好, 但是从含有低阻气层的交会图版(图4)上可以看到, 低阻气层的区域实际上是和水层区域有重叠的, 所以单靠交会图版并不能很好地识别低阻气层。

图4 J58井区气水识别交会图版

3.2 测井曲线重叠法

该方法主要是针对中子— 密度重叠法和声波时差— 自然电位重叠法进行了应用分析。

中子— 密度重叠法[16]是最普遍应用且可直观定性判别气水层的方法, 主要是利用了补偿中子孔隙度的“ 挖掘效应” , 对低阻气层识别亦有一定适用性。低阻气层识别的难点在于电阻率曲线对于低阻储层的气水差异判别效果差, 但是补偿中子孔隙度受到天然气挖掘效应作用显著, 因而利用中子— 密度曲线重叠的方式, 可以定性识别低阻气层。

另外, 根据低阻气层明显高声波时差的特征, 基于声波时差和自然电位曲线对储层特征反应的差异性, 提出了声波时差— 自然电位重叠[17]法识别气层。天然气的存在会使声波时差增大(含气性越好, 声波变化越明显, 甚至会造成声波曲线“ 跳跃” 现象), 而自然电位曲线主要反映储层渗透性, 负异常幅度越大, 说明储层渗透性越好。一个好的气层使得声波时差增大, 自然电位曲线有明显的负异常显示, 将两条曲线重叠(在泥岩段使得两条曲线基本重合), 会有明显的包络面积, 根据其包络面积大小, 再结合录井资料, 可以用于低阻气层的定性识别。

图5是JXPB井导眼段测井曲线成果图, 下部气层显示, 中子— 密度曲线以及声波时差— 自然电位曲线的包络面积均较大, 上部储层两个曲线包络面积则明显变小, 说明下部储层含气性明显好于上部, 故上部解释为含气层, 下部解释为气层, 该气层为水平段入靶层位, 该井水平段压裂测试, 获得日产气4.3× 104 m3, 无阻流量达13.9× 104 m3/d, 日产液1.1 m3, 证实了该层为典型气层。从研究区内19口低阻气层井的应用效果来看, 声波时差— 自然电位重叠法具有较好的适用性。

图5 JXPB井导眼段测井曲线重叠法识别气层成果图

3.3 四孔隙度差值/比值法

已有的研究表明, 三孔隙度测井资料对含气储层的响应特征[18]与饱含水地层的测井曲线特殊有差异, 典型气层的声波时差测井值大于饱和水储层的声波时差测井值, 中子和密度的测井值小于饱含水储层的测井值。用电阻率计算的气层含水孔隙度小于饱含水时的孔隙度。为提高低阻气层的测井识别, 要综合考虑电阻率和三孔隙度测井曲线特征[19], 从而提出四孔隙度差值/比值法进行低阻气层识别。

由泥质砂岩体积模型可以看出, 地层流体为淡水时的地层视密度孔隙度(φ da)、视中子孔隙度(φ na)、视声波孔隙度(φ sa)和含水孔隙度(φ w)计算公式为:

${\varphi}_{da}=\frac{{\rho}_{b}-{\rho}_{ma}}{1-{\rho}_{ma}}-{V}_{sh} \frac{{\rho}_{sh}-{\rho}_{ma}}{1-{\rho}_{ma}}$ (1)

${\varphi}_{na}=\frac{{H}_{b}-{H}_{ma}}{1-{H}_{ma}}-{V}_{sh} \frac{{H}_{sh}-{H}_{ma}}{1-{H}_{ma}}$ (2)

${\varphi}_{sa}=\frac{1}{{C}_{p}} \frac{\Delta {t}_{c}-\Delta {t}_{ma}}{189-\Delta {t}_{ma}}-{V}_{sh}\frac{\Delta {t}_{sh}-\Delta {t}_{ma}}{189-\Delta {t}_{ma}}$(3)

${\varphi}_{w}=\varphi\sqrt[n]{\frac{ab{R}_{w}}{{\varphi}^{m}{R}_{t}}}$(4)

式中ρ b表示密度测井值, g/cm3; ρ ma表示骨架密度, g/cm3; Vsh表示泥质含量; ρ sh表示纯泥岩密度, g/cm3; H表示中子测井值; Hma表示骨架含烃指数; Hsh表示纯泥岩含烃指数; Cp表示压实校正系数; Δ tc表示纵波时差测井值, μ s/ft; Δ tma表示骨架纵波时差, μ s/ft; Δ tsh表示纯泥岩纵波时差, μ s/ft; φ 表示地层有效孔隙度。

四孔隙度差值(C4)和四孔隙度比值(B4)分别定义为:

${C}_{4}={\varphi}_{da}+{\varphi}_{sa}-{\varphi}_{na}-{\varphi}_{w}$ (5)

${B}_{4}=\frac{{\varphi}_{da}{\varphi}_{sa}}{{\varphi}_{na}{\varphi}_{w}}-1$ (6)

为了反映孔隙流体性质, 对φ daφ naφ saφ w做泥质校正和岩性校正。储层为气层时, C4> 0、B4> 0, 且值越大, 说明储层含气性越好; 储层为水层时, C4=0、B4=0。两者反向刻度交会, 可识别气水层, 反向刻度包络面积越大, 储层含气性越好。该方法在研究区的应用效果也较好。

图6是JX5井盒1段四孔隙度法识别气层的成果图。从图可见, 在气层的地方显示C4> 0、B4> 0, 并且二者的包络面积较大, 而对比下部含气水层的位置, 虽然第4号层也显示C4> 0、B4> 0, 但二者的包络面积却很小, 说明该层的含气性整体比第3(2)号层差。第3(2)号层3 052.00~3 058.00 m处进行射孔测试, 日产气0.912× 104 m3, 日产液2.4 m3, 天然气无阻流量为0.924 7× 104 m3/d, 证实为典型的气层。

图6 JX5井盒1段四孔隙度差值/比值法成果图
(1 in=25.4 mm, 下同)

3.4 可动水饱和度识别法

可动水饱和度[20]是根据总含水饱和度(Sw)与束缚水饱和度(Swi)计算得到的, 其中Sw计算是利用阿尔奇公式, 岩性系数ab, 胶结指数(m)、饱和度指数(n)则是根据岩电实验得到; 而Swi的计算是依据气水相渗实验分析的岩心束缚水饱和度与岩心孔隙度建立的回归关系得出。通过分析东胜气田下石盒子组束缚水饱和度与岩样对应深度点孔隙度之间的相关性, 得到下石盒子组束缚水饱和度的经验公式为:

${S}_{wi}=83.09{\varphi}^{-0.168}$ (7)

利用所建立的经验公式带入测井计算的孔隙度, 可计算连续的束缚水饱和度曲线。根据计算的总含水饱和度和束缚水饱和度, 可以得到可动水饱和度(Swd), 进而对储层含气性进行判别。

气层:

Swd=SwSwi≈ 0 (8)

气水同层:

Swd=SwSwi< 20% (9)

水层:

Swd=SwSwi> 20% (10)

为了显示方便, 通常利用SwSwi重叠的方式来显示含有可动水的多少, 当重叠面积较大时, 显示可动水含量较高[17]; 反之, 说明储层含气性较好。

如图7是JX6井盒3段应用可动水饱和度法识别气层的测井成果图所示, SwSwi的重叠面积很小, 含水饱和度近45%, 以束缚水为主, 可动水很少, 说明该层气层特征明显, 解释该层为气层。该井在2 985.00~2 994.00 m处进行测试, 日产气1.272× 104 m3, 天然气无阻流量为1.413 3× 104 m3/d, 日产液2.4 m3

图7 JX6井可动水饱和度法识别气层成果图

4 结论

1)东胜气田低阻气层成因除了受到泥质分布形式、黏土矿物阳离子附加导电性及钻井液侵入的影响外, 主要还有两种类型的影响:一是由于高孔隙度、高渗透率及高可动水饱和度引起的低电阻率气层; 另一种是由于复杂孔隙结构引起的高束缚水(毛细管水)饱和度, 毛细管水形成较好导电网络, 造成储层呈现低阻特征。

2)利用测井曲线重叠法和四孔隙度差值/比值法对东胜气田低阻气层的识别具有较好的应用效果, 可动水饱和度识别法效果稍差, 交会图版法效果最差, 常规测井方法识别低阻气层, 其解释符合率达到83%, 该低阻气层的识别方法具有一定的推广应用价值。

编 辑 韩晓渝

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