碳酸盐储层评价

碳酸盐岩储层测井评价新技术摘要：全球最大的20个油气藏中，碳酸盐岩油气藏占11个，如波斯湾盆地的Parssouth大气藏等。它们一般埋藏较浅，由大面积优质孔隙性储层构成，孔隙度多为10％～25％、渗透率达10～1000mD，因而发现与开采并不困难。近20年来，中国碳酸盐岩油气勘探不断获得重大突破，特别是随着塔里木的塔河、塔中和四川的普光、龙岗等一批大型油气田的探明和开发，碳酸盐岩油气藏已经成为中国油气增储上产的重大接替领域。与国外相比，中国碳酸盐岩烃源岩的有机质丰度较低、埋藏较深，而且大都经历了多旋回和多期次构造运动。这就决定了在塔里木、四川和长庆等油田广泛钻遇的、控制着中国碳酸盐岩油气储产量90％以上的都不是常规孔隙性储层，而是非均质性极强的礁滩、岩溶风化壳和低孔隙度致密灰岩白云岩等复杂碳酸盐岩储层[1][2][3]。多数情况下它们的孔隙度只有1%～5%、渗透率只有0.1～10mD，并且油气水关系错综复杂。正因如此，复杂碳酸盐岩储层测井解释符合率，尤其是具备工业产能储层的解释符合率一直不理想，本文以文献调研的方式，主要针对碳酸盐储层中孔隙的测井识别、物性分析等方面的研究现状进行总结。1.利用双侧向测井对岩溶储层中的溶洞进行识别杨孛（2014）[4]从溶洞处双侧向曲线的特征入手，研究洞穴的物理形态对双侧向测井曲线的影响，可建立假象模型分析。在有了定性的研究后，进一步通过数值模拟对双侧向曲线进行定量研究，1.1洞穴的物理形态与双侧向曲线间的关系研究模型1：假设在地层中存在一个未被充填的洞穴Q，井L刚好打在洞穴Q附近，如(图1A)所示，通过井L所测得的深、浅侧向曲线为RT和RS。在深度A以上由于只有原装地层，深浅侧向曲线没有差异，表现为重合状态，在AB段，由于洞穴的存在，特别是浅侧向曲线受洞穴的影响急剧下降（原因是已假设洞穴未充填，洞穴内部电阻率远低于原状地层电阻率，因此浅侧向测得的是空洞（区域Q）和井壁与洞穴边缘之间（区域P）的一段地层的电阻率）。C点为洞穴距离井壁最近的点，在深度AC段，随着深度的加深浅侧向受洞穴的影响越大，因此电阻率值也因降低的越多，而深侧向曲线值降低幅度低于浅侧向的原因应该理解为，深侧向探测范围要远大于浅侧向，洞穴只处于深侧向探测范围内，所以受到的影响相对浅侧向较小。深度段CB由于洞穴轮廓的因素与AC段轮廓边缘变化相反，双侧向曲线的变化也应该与AC段相反。另外还有一种情况就是钻井位置正好穿过洞穴（图1B）。模型2：假设地层中存在一个未被充填洞穴Q，井L正好穿过洞Q。在深度AB段与深度EF段同前一假设中的AC段与CB段相类似，这里就不重复。BC与DE段由于洞穴边缘被井壁破坏，所以浅侧向测得的电阻率在理论上认为应该是洞穴内部电阻率，而由于测井工程上的操作，通常这里浅侧向测得的电阻率为泥浆电阻率。CD深度段井壁完全穿过洞穴，因此浅侧向同样测得的应为泥浆电阻率。在深度A以上和深度F以下未受到洞穴影响，双侧向曲线应重合。最后还图1洞穴模型有一种情况是，洞穴横向延伸很大，已经超出深侧向探测范围，在这种情况下，深浅侧向理论上同时测得的都是洞穴内部电阻率，同为极低，浅侧向还可能受泥浆影响。但是在实际中这种大型洞穴在地下往往都是被充填，或者已经坍塌，很难找到这么大的未充填洞穴，所以就暂时不考虑此情况。从以上几种情况的理论模型上分析，可以发现一个特点，就是洞穴边缘距离井壁越近，电阻率值就应越低（原因就是原状地层与洞穴空间所占百分比不同使得电阻率值被影响的程度不同），进而就可以大致估计洞穴边缘的形态，在这里就把这种由洞穴所引起的双侧向变化的现象暂时叫做“洞穴边缘效应”。假设在一个完好均匀的地层中，一旦存在一个洞穴，双侧向曲线就会出现如模型1和2的边缘效应，因此我们可以借用这个特点找出洞穴的顶底位置。1.2双侧向测井有限元数值模拟利用有限元法求解的具体步骤[5][6]：首先，是要将函数的边值问题转换为极值；然后，把求解区域分为若干的小元素并把电位当作是坐标上的一个极值为零线性函数，电位值在每个节点上的微分都是一个线性方程，然后求解这些方程便可得到各节点的电位值。双侧向测井的解决办法是在区域Ω内找到一个适当的光滑连续的电位函数U（其边界称为C），这个函数满足以下方程：(1-1)这里的σ是介质的电导率，单位秒/米。AB在恒定电压电极的表面和无穷远处，势函数U满足完整的约束条件，即U等于一个已知的常数，这个已知的常数的极值等于零。表面上的恒定电流电极，势函数U满足不完全约束条件,即U等于一个未知常数。表面上的恒定电流：（1-2）这里的σm是泥浆电导率，电位秒/米：IA是一个恒定的电流，为系统输入电路是已知量A；n是边界C的外法线。在绝缘边界表面，（1-3）绝缘边界包括电极表面和对称平面上的绝缘环。这就解决了函数的极值问题，其函数为（1-4）其中（1-5）（1-6）求和式6便可得到所有电极。在获得了测量电极电势后，每个点的视电阻率值可以通过下式求得（1-7）这里的K是双侧向测井的电极系数，是监测电极的电势。1.3数值模拟球形洞穴地层模型如图4-3所示，建造的边界是在2050米和2020米，围岩电阻率是10Ω·m，而目标区的电阻率500Ω·m的洞穴并充满了泥浆，泥浆电阻率为0.3Ω·m。通过改变洞穴的半径，在测井曲线（RT，RS）的各种球形空洞模型反应(图2)。当没有洞穴的时候，双侧向测井响应表现出典型的“双轨”形态。而中间高电阻区域就代表的目标地层，高电阻区域的宽带就代表地层的厚度（图2A）。当存在洞穴的时候，双侧向测井反应异常的部位就为洞穴存在的位置。这个异常的宽度就是洞穴的直径，这个存在的洞穴越大，双侧向反应出来的异常区域就越大，其中异常区域电阻率降低就更多。如果洞穴半径小于0.5米，深与浅双侧向电阻率在存在洞穴的位置电阻率下降，但是幅度差不大（见图2B和图2C）。如果洞穴半径大于0.5米，深、浅双侧向电阻率下降，幅度差明显加大（见图图2D、2E、2F）。图3显示了不同大小的球形洞穴在目标区域的电阻率。双侧向电阻率伴随着洞穴的增大而降低。总的来说，哪里有洞穴，双侧向电阻率就会降低，并且深、浅双侧向呈不同程度降低。当洞穴半径小于0.5米的时候，深浅侧向电阻率差别不大。当洞穴半径在0.5米到0.75米之间,电阻率差异略有增加。当洞穴半径大于0.75米的时候双侧向电阻率开始降低，浅侧向急剧降低。当洞穴半径大于2米的时候，浅侧向测量到的主要是泥浆电阻率，并且近似为一个常数，深侧向依旧在降低。图2.各种大小的洞穴在目的侧位置对电阻率的影响.A.目的层无洞穴;B洞穴半径0.2米;C洞穴半径0.5米;D洞穴半径1米;E洞穴半径2米;F洞穴半径5米.ABCDEF图3洞穴大小对应双侧向电阻率值2.成像测井对礁滩相有效储层的识别礁滩和岩溶风化壳有效储层识别是碳酸盐岩测井评价面对的难题之一。钟广法等[7]从成像测井相分析方面开展了研究工作。与以往研究不同的是，在建立了碳酸盐岩储层沉积微相成像测井解释方法时，没有只停留在用测井图像划分出某个沉积地质模式的层面上，而是首先明确储层的沉积背景，进而将其成像特征与有试油结果的相同沉积储层的典型图像作精确对比，直接判断其是否为工业油气层方法原理根据礁滩储层水动力沉积模式[8]，可以进一步将其划分为礁丘亚相、灰泥丘亚相、粒屑滩亚相和滩间海亚相，各亚相在电成像测井图像上的反映有明显不同。通过对多口井岩心－电成像图像的归位、描述，系统地建立礁滩相储层沉积模式与电成像测井图像特征对应关系（图4）。风化壳白云岩储层测井沉积相带可以从纵向上进一步划分为风化壳残积层、垂直渗流带、带和基岩等４个相带，各相带在电成像测井图像上也明显的不同。通过对长庆油田、塔里木油田等地区的多口井进行岩心归位，并在1:1的比例下用取心数据刻度成像测井资料，明确了不同沉积相带与电成像测井图像特征的准确对应关系（图5）。电成像测井图像是图像对比的基础。即便用同一支仪器测量，在不同井中获得的电成像测井图像效果也存在各种差异。消除这种差异是确定礁滩、岩溶风化壳储层典型图像并对其进行比较分析的前提。研究并实现了基于岩石结构特征进行图像增强对比的技术方法[9][10]。已有常规电成像测井图像动态增强的原理：通过对局部成像测井数据进行幅度数值分布频率统计，按照特定的概率密度函数调整幅度数值的分布频率，得到满足特定概率分布规律的1组新图像数据。该过程虽然突出了电导率的局部变化特征，使微小的电导率反差能在图像上清楚地显示出来，但却失去了处理层段内电导率的整体变化特征，不利于突出显示所关注的地质特征。针对这一缺陷，提出了基于岩石结构特征的图像动态增强对比方法，即以标准礁滩和岩溶风化壳储层电成像测井图像上反映典型沉积特征为基础进行幅度数值分布频率统计，并据此拟合概率密度函数进行图像的动态增强。这样处理的优点是避免了常规动态增强的缺点，同时凸现了储层的结构信息，是重点突出地质目标意义上的增强。图4礁滩储层水动力沉积模式经过动态增强后的图像具有的优势是不同区块的电成像测井图像在反映同一个结构特征时具有了良好的一致性（见图３），保证了与典型图像对比识别过程中的唯一性，最大限度地减少多解性。图5风化壳白云岩储层测井沉积相塔里木油田大量现场观测资料表明，礁丘翼与高能滩是好储层，礁核是一般储层，低能滩是差储层，灰泥丘与滩间海是非储层。为此，在确定礁滩相储层沉积模式与电成像测井图像特征对应关系后，建立了系统的礁丘亚相、灰泥丘亚相、粒屑滩亚相和滩间海亚相标准电成像测井图片库。目前存储有来自中国各主要碳酸盐岩礁滩储层的电成像测井图片3328幅，其中最重要的8种类别1415幅来自试油层段，为有效储层的识别奠定了基础（图6）。图6标准礁滩相成像测井图版3碳酸盐储层参数测井表征方法在储层类型划分和缝洞识别的基础上建立储层参数解释模型，它是流体性质判别、储层评价和储量计算的主要依据。不同碳酸盐岩储层类型和储集空间具有不同的测井响应特征，应建立不同储层类型下的测井解释模型[11]。3.1孔隙度在三孔隙度测井中，声波时差用来反映基质孔隙度，密度和中子测井用来反映储层的总孔隙度。所以，可以用密度中子测井得到的总孔隙度φｃ和声波时差得到的基质孔隙度φｂ来解释缝洞孔隙度φｈ，φｈ＝φｃ－φｂ。王青等[12]认为声波测井反映孔隙型、垂直裂缝型和孔洞型储层基质孔隙度，而不反映复合型储层和水平裂缝储层的基质孔隙度。对于复合型储层和水平裂缝储层，可采用围岩基质孔隙度的方法解释。对于岩性变化较大的储层，李素杰等[13]依据心分析资料、光电吸收截面指数、中子密度测井资料建立多矿物模型，求取各矿物骨架时差，然后用地层因素公式计算碳酸盐岩基质孔隙度，即(3-1)式中：Δtma为矿物骨架声波时差；Δt为测井声波时差。将裂缝发育系数（Rwl／Rd）２乘以缝洞孔隙度，便得到裂缝孔隙度，孔洞孔隙度等于缝洞孔隙度减去裂缝孔隙度[14]，即(3-2)(3-3)式中：φf为裂缝孔隙度；φk为孔洞孔隙度；Ｒwl是含水层电阻率。通常用侧向电阻率求取裂缝的孔隙度，依据裂缝倾角的大小构建集合模型。集合模型分准垂直缝模型、中间角度缝模型和准水平缝模型等3种。根据导电机理又可将侧向测井评价裂缝的常规解释模型分为基本解释模型、平行板解释模型、线性简化解释方程和非线性简化解释方程等[15]。Sibbit等[16]提了双侧向测井电阻率反演的裂缝孔隙度模型[17]：(3-4)(3-5)式中：mf为裂缝孔隙结构指数；Rmf为泥浆滤液电阻率；Rw为地层水电阻率。当裂缝或溶洞被泥浆充填时，应将泥浆滤液电阻率换成泥浆电阻率。图２是利用上述方法计算的塔河地区裂缝孔隙度，可见裂缝孔隙度、孔隙度频谱分析与岩心孔隙度对应关系良好。Pezard等[18]在Swibbit等人研究的基础上，建立了裂缝地层电性各向异性的数值计算模型，进一步考察了不同角度裂缝的双侧向测井响应。水平裂缝（Rd＜Rs）模型裂缝孔隙度的计算公式为:(3-6)垂直裂缝（Rd＞Rs）模型裂缝孔隙度的计算公式为(3-7)式中：Cd，Cs，Cm分别为深、浅侧向电导率和充满裂缝的泥浆电导率。利用井