致密砂巖氣藏中的綜合巖石物理模型

1、致密砂巖氣藏中的綜合巖石模型Richard Merkel，SI埃克森國際石油公司(now with EnCana Oil & Gas)2006年版權(quán)，由巖石物理學(xué)會、職業(yè)測井分析家協(xié)會(SPWLA)、以及提名的作家聯(lián)合承辦。本文即為6月4 - 7,2006在墨西哥舉辦第47屆年度職業(yè)測井資料分析測井研討會。-摘 要致密砂巖氣藏通常在落基山脈中，在儲層巖石有復(fù)雜的礦物形式、以云母、長石類,及碳酸鹽組成。而且頁巖通常是一些黏土、伊利石、綠泥石、高嶺土、蒙脫石組合物。大多數(shù)測井工具實測的信號源于巖石基質(zhì)，在某種情況下致密砂巖氣藏往往是復(fù)雜且難以定義的。由核磁共振實測的信號主要來自于流體的主要

2、成分伴隨有最小的基質(zhì)效應(yīng)。穩(wěn)健的石油物理模型可由核磁共振方法（針對流體組分）和其他開孔測量結(jié)果（針對基質(zhì)組分）相結(jié)合來發(fā)展以獲得一個可靠的內(nèi)部模型。為計算含水飽和度，大多數(shù)石油物理模型需要已知Rw（孔隙水電阻率）, m（巖石膠結(jié)指數(shù)）, 和n（飽和度指數(shù)）值（相當(dāng)于PHIT,VCLAY, and CEC）。膠結(jié)指數(shù)(m)和飽和指數(shù)(n)的核心測定是非常困難的,在致密砂巖氣藏中測定很耗費時間。測定結(jié)果如下：1）在不損壞巖石基質(zhì)的情況下無力清潔和干燥巖心塞。2)滲透率很低,避免了一個分析測量飽和度的過大差距。因為間隔的100%的水在這個儲層不常見，Pickett交會圖分析得到m和Rw的值往往造成誤

3、導(dǎo)。此外,還有相當(dāng)多的證據(jù)顯示,地層水礦化度在假定的致密砂巖地層中可以有不同值。利用油田采出水來定義Rw是有問題的,因為產(chǎn)生的氣體縮合而形成的低礦化度水使原有的水受到污染。用一個包括核磁共振測井的完整的測井套，m和n指數(shù)(在某些情況下,往往可以估計Rw)在儲層條件下估計到。例子所示為所需分析的MNR測量結(jié)果以及如何使這些結(jié)果結(jié)合其他鉆孔資料來確定空隙飽和度模型相一致。如同任何模型、核磁共振核心數(shù)據(jù)結(jié)果可用于檢驗和/或增強(qiáng)石油物理模型。引 言為了確定原始天然氣地質(zhì)儲量采用以飽和度比例為基礎(chǔ)的電阻率法，需要眾多石油物理儲層物性參數(shù)。在模擬油藏的壓力恢復(fù)原態(tài)的巖心時，低孔隙度(< 12%)和滲

4、透率 (小于100 微達(dá)西)的巖石、阿爾奇的膠結(jié)指數(shù)m,飽和度指數(shù)n的獲取都是困難而耗時的。在這些泥質(zhì)砂巖中，清潔、干燥、resaturating巖心與模擬油藏鹽水會常常改變m和/或n。大多數(shù)致密砂巖氣藏要不沒有，要不是很貧瘠的潛水面(Sw = 100%).因此,利用油田采出水或使用Pickett交會圖決定Rw的值是有問題的。由開采的氣井中獲得的水樣本包括來自于產(chǎn)生氣中水化的低礦化度水的污染，造成測量水礦化度時的低異常。有關(guān)地層水Rw的確定問題被多重因素影響，地層水礦化度在儲層的多行地質(zhì)建造中可以隨地層砂巖層而變化。在西部科羅拉多州(Piceance盆地)和西懷俄明州(綠河盆地)的致密砂巖氣藏

5、有其礦學(xué)復(fù)雜性。儲層巖石的礦物組合通常包括不同量的長石、云母、方解石、白云巖(尼爾森,2002年)。這種復(fù)雜性增加因為這四種主要粘土礦物的存在:蒙皂石粘土、伊利石、綠泥石、高嶺石(Pitman et al., 1989)。在這一復(fù)雜的環(huán)境中開發(fā)石油物理模型是非常困難的。利用一個核磁共振測井（用于測量流體特性和成熟的鉆孔測井（用于測定骨架性質(zhì)）相結(jié)合，可為儲層開發(fā)一個完整的模型。另外,此測井組合使人們有可能在某些情況下, 在原位油藏條件確定m（巖石膠結(jié)指數(shù)）,n（飽和指數(shù)）,Rw（孔隙水電阻率）,BVWI(束縛水總體積)。礦物學(xué)和測井響應(yīng)在威廉姆斯的Piceance盆地中的儲層砂巖在河流環(huán)境中沉

6、積。儲層的主要組分是石英。然而,有相當(dāng)數(shù)量的附屬礦物如長石、云母、方解石和白云巖。因而，一個簡單的致密石油孔隙度模型,僅是一個一級近似值，因為其顆粒密度是高度可變的。黏土礦物成分也是復(fù)雜的,包括所有四個主要的土類型。巖相學(xué)核心統(tǒng)計數(shù)據(jù)(Pitman et al., 1989)指出，黏土的體積分?jǐn)?shù)由伊利石、蒙脫石、綠泥石、高嶺石組合而成(最大最小豐富)。測井?dāng)?shù)據(jù)所繪的交會圖表明綠泥石含量可能比核心數(shù)據(jù)所顯示的更豐富。對于其中一個井的中子-密度-伽馬測井和PE-密度-伽馬測井的交會圖的研究如圖1所示。圖1：中子-密度-伽馬能譜-伽馬在威廉姆斯700英尺處四者空間關(guān)系儲層性砂巖中的綠泥石存在是有問題

7、的。因為綠泥石的晶體結(jié)構(gòu)中沒有鉀，它的放射性由相伴生的放射性核素引起，相關(guān)的輻射與它的體積有關(guān)，也可能不相關(guān)。結(jié)果,用伽馬測井來確定它的體積通常是不可靠的。由于綠泥石是高密度物質(zhì)、它在儲層中的存在將給密度巖石骨架孔隙度計算帶來困難,除非有一個基于其體積的可變骨架密度。海綠石也具有其固有的陽離子交換能力，但很弱，比存在砂巖中的電阻率還弱，最重要的是，綠泥石可以在完井作業(yè)的流體或是裂縫中和酸發(fā)生反應(yīng)成細(xì)屑從而堵塞孔隙降低滲透率?？傊G泥石難以量化計算,當(dāng)接觸酸時，它使計算的孔隙水飽和度減少、增加了計算的含水飽和度，減少了滲透率。圖1還表明,儲層砂巖為較低的伽馬值但巖石骨架密度大于2.65克/立方

8、厘米,完全是可變的。氣體分析系統(tǒng)效果上可以看到最純的含油砂巖地層孔隙度在8 - 13間。包含兩個含氣砂巖層且超過一個間隔的原始側(cè)井圖記錄如圖2所示。三組合數(shù)據(jù)在圖2中顯示生產(chǎn)層段可由自然伽馬電阻率、自然電位、電阻率法以及密度中子交會法(在砂巖層骨架中)相結(jié)合來判定識別。從這個將在以后的分析中用測井法中可以看到的特點之一，是在儲層中未被侵入。這并非總是如此,特別是在多沙、多孔/滲透率的砂層，或者部分貧化砂被分割是它將被侵入。圖2：三組合數(shù)據(jù)在威廉姆斯氣體砂巖層中測井圖這次研究中分析的井包括the MRIL-C+ NMR tool（核磁共振成像測井）由哈里波頓提供。由于這個方法調(diào)查的淺度（3英寸）

9、，測量受井壁沖刷影響很大。在圖2b中，這些可以在深度5632英尺到5700英尺處被辨認(rèn)識別出。因為這個淺層調(diào)查可以從電阻率測井中識別間隔極少甚至不受到侵入影響，這在測井分析中很重要，如圖2a所示。圖2b所示在第3道測井曲線記錄是T2的各個分布，稍后將會被詳細(xì)檢測。每個儲藏段號碼（no）可以通過式子：T2 = 2(No+1).轉(zhuǎn)化為代表T2時間(ms)。檢查儲層組合允許從化學(xué)束縛水和氣體飽和的體積的有效孔隙度中測定流體組分。圖2b的第四測井曲線記錄道從總體的孔隙體積上給出了流體分布，很明顯在這個圖上5690英尺為純砂巖層，并已接近恒束縛水體積(MBVI)。圖2b:在圖2a識別出的含氣砂巖中的核磁

10、共振測井圖讀數(shù)(MRIL-C+)結(jié)合測井曲線確定m和Rw在致密砂巖氣藏的落基山脈地區(qū)的環(huán)境中，100%含水的區(qū)域是非常罕見的。結(jié)果，使用Pickett交會圖或者孔隙水視電祖率分析法來確定地層水礦化度計算量偏低（或是Rw偏高）。同樣的，產(chǎn)氣井中的采出水也被水化在氣中的低礦化度水所污染。這也使得產(chǎn)出水的礦化度低于地層水。在所有的這些例子中，計算的（或是測量的）Rw的高異常轉(zhuǎn)換為含水飽和度模型計算的Sw高值。對于原始天然氣地質(zhì)儲量的氣藏估計這無疑是個悲觀的結(jié)論。在這次研究中，上面所提及的核磁共振成像測井在儲層斷面測量深度大約為3-4英尺。這個深度包括了含油氣砂巖地層，一般未被沖洗到（見圖2a，2b的

11、井徑議測量值）。因為電阻率測井法在測量巖石骨架體積上無法與核磁共振成像測井相比，通過檢查電阻測量剖面以及核磁共振成像測井儲層分析無法確定泥漿濾液的侵入間隔。后者被證實使用注鹽水巖心的T2分布的測量結(jié)果。使用高于間隙的深電阻率測量，很少或根本沒有明顯的侵入，隨著僅用充滿儲層分區(qū)的束縛水進(jìn)行核磁孔隙度計算，可以用Pickett交會圖分析Ro（100%水）線。這樣可以得出Rw和阿爾奇膠結(jié)指數(shù)m。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于選取4口井的眾多區(qū)域，這次研究中被選的井是建立了最小的過濾效果,當(dāng)電阻率測井被過濾到與MRIL有同樣的垂直分辨率。這個方法的一個例子就如圖3所示。在正常的Pickett交會圖分析中，Ro線

12、是PHIT _ Rt數(shù)據(jù)的下界。然而,如圖3所示,使用這種技術(shù)，數(shù)據(jù)的上界被用來定義Ro線,因為NMR孔隙是PHIE而不是PHIT而且大部分的巖石是非拱形的。圖3：修正的Pickett交會圖使用深電阻率和核磁共振孔隙度法定義Ro線建立Rw和m在應(yīng)用了此技術(shù)的四井中的大量含油氣砂巖中，發(fā)現(xiàn)水電阻率在垂向和側(cè)向上有差異。這對于m來說是不真實的（曲線的幅值顛倒），其值保持在常數(shù)1.85。因為圖3 使用的僅是充滿水的孔隙，飽和線除了100%值之外都是沒有意義的。然而一旦Ro線建立，由密度中子測井分析得到的總孔隙度（PHIT）可被Y方向值代替而給出含水飽和度曲線，這是由飽和度指數(shù)n所控制。用聯(lián)合測井法確

13、定n值從致密砂巖氣藏中測量阿爾奇飽和度指數(shù)n是相當(dāng)困難而且很容易出錯。因為巖石滲透率在毫達(dá)西范圍內(nèi)，在模擬儲層壓力下建立一個平衡飽和度剖面是花費昂貴且很耗時的。而且，另外,在油藏鹵水再飽和之前清洗和干燥這些巖心堵塞，經(jīng)常會改變粘土形態(tài)電學(xué)性能。許多致密砂巖氣藏?fù)碛惺`水飽和率。在Buckles(1965)的出版物中指出，在許多地方儲層砂巖中，其礦物學(xué)和/或孔隙類型不改變它的束縛水飽和度而它的孔隙度是一個常數(shù)。PHI*Swi = BVWI （束縛水總體積）=常數(shù)等式1重組阿爾方程,利用這種關(guān)系顯示:BVWIn = Rw/ Rt*PHI(m-n) = C等式2因此：log(PHI) = 1/(n-

14、m)*log (Rt) + C等式33式表明在Pickett交會圖數(shù)據(jù)中束縛水飽和均應(yīng)在版圖東北角，在一條直線上。這些數(shù)據(jù)的基本形態(tài)顯示在Doveton (1994)。3式也顯示這些數(shù)據(jù)的斜率是1/(n-m)，當(dāng)n=m是為無窮大（或是垂直），如果n<m則為負(fù)斜率，n>m為正斜率。此外，如果這條線迫近Ro線（100%含水飽和度），他們的交點就是束縛水總體積（BVWI）。圖4所示即為有關(guān)束縛水的Pickett交會圖數(shù)據(jù)。負(fù)斜率表明n<m,如果m=1.85可計算出為1.72。需要注意的是，與Ro線相交得到一個BVWI=5.1。這提供了一種用核磁共振測井或者半飽和巖心計算BVWI的半

15、獨立交會檢查法。圖4：飽和度指數(shù)n的確定和Pickett交會圖上的束縛水總體積這項技術(shù)的應(yīng)用顯示，正如Buckles（1965年）提出的，束縛水總體積可隨著管道類型或是礦物成分的改變而改變。這可能導(dǎo)致一系列的平行線與Ro線有許多不同的交點。然而，不管是改變管道類型或是改變礦物成分，都可導(dǎo)致n的改變，最終改變曲線的斜率。由于內(nèi)部構(gòu)造的復(fù)雜性以及在致密氣藏巖心中n值測量的不準(zhǔn)確性，該技術(shù)有很多優(yōu)點。1：它可以在眾多的樣品深度中測量n值，而不僅僅在單一的巖心中（或者是一定數(shù)量巖心的平均值中）。2：它可以在實際儲層的溫度壓力條件下測量n值，而不是在實驗儲存狀況下。3：緊接著測井后可以馬上進(jìn)行分析工作而

16、不用先花數(shù)月做巖心分析。4：n的計算有測井曲線的垂向分辨率，它可以被利用到。本次分析的四口井表明，被計算的m值相當(dāng)一致，其值圍繞常數(shù)1.85。對n的分析也發(fā)現(xiàn)其值圍繞常數(shù)1.71。儲集層的核心數(shù)據(jù)主要顯示n的高測量值。使用高的n值對于經(jīng)濟(jì)有非常消極的影響，因為它減少了原始天然氣儲量。T2儲層分區(qū)如圖2b所示，對儲層更精細(xì)的劃分研究應(yīng)該做到：1）幫助確定何處數(shù)據(jù)受到泥漿濾液侵入；2）在巖心處用測井譜比較每個核磁共振譜。雖然巖心T2譜沒有顯示，但它們與實測井?dāng)?shù)據(jù)是相似的，無侵入，測井?dāng)?shù)據(jù)的侵入間隔是足夠的。圖5：T2儲層的累計分布在未被侵入的儲油砂巖中超過4英尺如圖5的累計譜圖顯示在較大孔徑時的迅

17、速跌落表明是少侵入除了非常大的孔徑（#9），就像打鉆到充滿氣藏的儲集層。相比之下，圖6所示為測井曲線T2儲層分區(qū)泥漿濾液侵入砂巖。雖然大孔徑表明入侵,但仍然有氣藏在砂巖體中，因為所有儲層分區(qū)的總和比由石油物理模型計算而得的孔隙度要小。兩個值的比例是Sxo為區(qū)間。圖6：在被侵入砂巖中T2儲層的累計分布超過3.5英尺石油物理模型完整的石油物理模型研發(fā)的第一個例子是在圖2a和2b中的原始測井記錄間隔。礦物成分的第一近似是如圖7所示在密度中子伽馬能譜測井法得到的數(shù)據(jù)中檢測而來。圖7：圖2a所示的數(shù)據(jù)做出的密度-中子-伽馬能譜交會圖空間得到礦物成分的第一逼近值這些交會圖顯示含氣砂巖集中在12pu，白云巖

18、固井，伊利石-海綠石粘土和一個明顯的巖石骨架密度為2.66g / cc和2.70g / cc之間的儲層。在淺部砂巖層（5675-5695英尺）核磁共振-電阻率法修正了交會圖法的數(shù)據(jù)得到m和Rw值如圖8所示。這張圖與圖3有相同的格式，設(shè)定一個相似的m，但不同的Rw值。垂向的孔隙度較高而使曲線在Ro線之上，因為少量的侵入被核磁共振方法識別而深電阻率法未能識別。圖8：電阻率-核磁共振孔隙度交會圖來定義Ro線和膠結(jié)指數(shù)m超過這個間隔的n值束縛水飽和度的分析圖4中有顯示。基于礦物學(xué)知識和參數(shù)（見圖7），一種概率性的石油物理模型可被開發(fā)。不是采用一個確定性模型，它是一個基于最小誤差（概率性的）礦物的模型。

19、來自于巖相學(xué)工作和X射線衍射分析（Pitman et al.,1989）的不好消息，認(rèn)為儲集巖層中含有更多的礦物成分而不是測井油氣量。這就為反演創(chuàng)建了一個欠定矩陣。為了解決這個問題,由核磁共振得到的兩條曲線(MPHI 和MBVI)作為輸入，講云母化組作為長石類。在分析范圍之內(nèi)的僅有的粘土質(zhì)礦物為狹小的伊利石和海綠石因為它們能引起明顯的測井響應(yīng)（見圖1和圖7）。一旦建立了測井礦物矩陣點，矩陣應(yīng)有反演解，地質(zhì)記錄數(shù)據(jù)與人工理論合成數(shù)據(jù)殘差需達(dá)到最小化。利用概率而非確定性模型的另一優(yōu)點,就是前者提供誤差分析，可以記錄任何模型的不穩(wěn)定性。利用這些不同的輸入?yún)?shù)，在威廉斯區(qū)針對這個間隔的石油物理模型形成

20、了，如圖9所示。在這個圖中，記錄道1顯示的是礦物成分，記錄道3顯示的是孔隙度和流體體積，記錄道4所示為含水飽和度。圖9：在威廉姆斯區(qū)以上的石油物理模型，合成了圖2a, 2b, 4, 7,和 8的數(shù)據(jù)帶巖心的石油物理模型模型開發(fā)的第二個例子在Piceance盆地包括在標(biāo)準(zhǔn)形式下由孔隙度和磁導(dǎo)率分析而得的巖心數(shù)據(jù)，還包括完全飽和束縛水條件下核磁共振譜巖心數(shù)據(jù)。雖然核磁共振巖心數(shù)據(jù)未發(fā)表，但他們建立的T2切斷了束縛水的制約也為束縛水總體積的確定創(chuàng)造條件。這個例子取自于威廉姆斯區(qū)低部的白堊紀(jì)地層，輸入裸眼井中數(shù)據(jù)如圖10所示。圖10：威廉姆斯區(qū)低部超過一個含氣砂巖層的裸眼測井圖在間隔區(qū)的密度、中子PE

21、、自然伽馬測井交會圖，如圖11所示，有一個與第一例相似的礦物共生組合，但絕非煤的附加物。圖11：圖10中數(shù)據(jù)的密度中子-伽馬能譜分區(qū)圖在含氣砂巖中使用修正的尖樁版圖確定Rw，m，n值，,如前所述,在圖12。值得注意的是,大部分的數(shù)據(jù)在這個區(qū)間要么是沒有束縛水飽和度、或在這個區(qū)間有礦物學(xué)/儲層孔隙類型變化。如圖10測井曲線所示以上情況都是可能的。然而,可以通過在版圖的東北角選擇數(shù)據(jù)來確定n值。圖12：電阻率-NMR和電阻率-PHIT交會圖確定Rw, m, n, 和BVWI這段儲層的概率石油物理模型如圖13顯示。圖中還包括巖心孔隙度（黑點）以及巖心油樣（藍(lán)點）的水飽和度。圖12表明要么含油砂巖束縛

22、水不飽和，或者Buckles數(shù)隨著礦物學(xué)變更或孔隙類型的變化而改變。圖13的飽和度數(shù)據(jù)表明,測井曲線記錄道1的礦物成分改變，可能變化的原因與Buckles數(shù)量有關(guān)，而砂巖很有可能受束縛。圖13：氣藏砂巖的石油物理模型在威廉姆斯區(qū)低部，顯示有巖心孔隙度和束縛水飽和度圖12所示的版圖給出了一個在5到6 pu間的外推束縛水總體積。作為一個模型交叉檢驗或說冗余檢驗，由核磁共振測井計算而得的束縛水體積直方圖如圖14所示。盡管有散落在低端孔隙度的點,可以看出,在這一數(shù)字中,大量的數(shù)據(jù)是介于5和6 pu的。圖14：在含氣砂巖中計算束縛水體積的核磁共振直方圖分 析核磁共振技術(shù)的眾多應(yīng)用之一是對滲透率的估測。各

23、種核磁共振模型利用的是孔徑大小分布和/或測量束縛水飽和度。為論證在威廉姆斯區(qū)地層水這一技術(shù)是如何有效，圖15顯示巖心實測滲透率和束縛水飽和度之間的關(guān)系。當(dāng)核磁共振孔徑分布是作為第二獨立變量時這些類型的關(guān)系通常變得更精確。當(dāng)前主要的核磁共振成像測井工具在T2域激活了3個低于3ms的時窗，在粘土束縛水區(qū)域。這提供了一種直接測量粘土束縛水體積方法，可在這個石油物理模型中作為約束條件對粘土計算(或直接計算CEC)。在綠河盆地的Lance地層中的最近的研究證實了這個使用價值,且進(jìn)一步增強(qiáng)其在致密砂巖氣藏中的石油物理模型使用。圖15：威廉姆斯區(qū)巖心滲透率-束縛水飽和度關(guān)系羅伯特阿奎萊拉(1990)寫了一篇

24、論文討論核測井資料與電阻率數(shù)據(jù)相結(jié)合的可能性，因為其都是僅受純儲層孔隙流體的影響。不幸的是,他的工作完成于井下核磁共振技術(shù)發(fā)展之前,由NUMAR采用于各種服務(wù)的公司。因此,在今天已經(jīng)為常規(guī)的各種精密的核磁共振譜測量至今也沒提供給他。然而,從歷史發(fā)展的角度看,他的工作是需要被重視的。結(jié) 論 將核磁共振與其他裸眼井測量相結(jié)合可以在致密砂巖氣藏中確定Rw, m, n, 和BVWI，一些(或所有的)這些參數(shù)在巖屑、核心或是井測試的儲藏條件下很難定義。 許多石油物理模型參數(shù)相互關(guān)聯(lián),在整體模型中可以用于交互檢測。 巖心數(shù)據(jù)極大幫助確定模型參數(shù)以及計算的可靠性。 概率石油物理模型允許包含的核磁共振數(shù)據(jù)反演

25、解，給出誤差分析,同時鑒定模型的穩(wěn)定性致 謝特別感謝威廉姆斯提供的測井資料數(shù)據(jù)，以及國際單位組織提供時間予以做充分的分析和研究。參考文獻(xiàn)Aguilera, R., 1990, A New Approach for Analysis of the Nuclear Magnetic Log Resistivity LogCombination: The Journal of Canadian Petroleum Technology, January-February 1990, Vol 29, No 1, pp67-71Buckles, R.S., 1965, Correlating and Averaging Connate Water Saturation Data: The Journal of Canadian Petroleum Tech