普光气田长兴组— 飞仙关组有利储集相带主要为台地边缘礁和滩台地边缘礁。原始沉积环境及后期成岩作用决定了储集层岩石类型及相应的孔隙类型(任利剑等, 2008; 王恕一等, 2010; 潘立银等, 2012; 王小敏和樊太亮, 2012), 飞仙关组储集层岩性主要为鲕粒白云岩、晶粒白云岩、砂屑白云岩等, 长兴组主要为海绵礁白云岩、晶粒白云岩和砾屑白云岩等。通过压汞和薄片等资料分析认为, 气田储集层储集空间类型以孔隙为主, 裂缝仅局部发育(靳秀菊等, 2011)。孔隙成因类型多样, 但按照形态大致可以分为3种:粒间孔隙(包括晶间孔隙)、粒内孔隙(包括铸模孔隙)和混合孔隙。

渗透率的变化主要由孔隙形状、孔候半径和孔隙连通性等因素决定, 不同孔隙结构储集层对应的孔隙度— 渗透率关系各不相同, 只有在孔隙结构约束下的渗透率模型才能更为精确地表征储集层物性。

普光地区由于储集层孔隙结构的多样化, 孔隙度— 渗透率关系复杂, 通过样品分析大致可以分为3类:以粒内孔(包括铸模孔)为主的储集层, 由于孔隙连通性差, 主要表现为高孔低渗特征; 以粒间孔(包括晶间孔和晶间溶蚀孔)为主的储集层, 由于孔隙连通性好, 渗透率较高; 而包含上述含2种孔隙类型的储集层, 渗透率变化趋势则处于两者之间(图 2)。

图2

Fig.2

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	图2 岩心测量孔隙度与渗透率交会图Fig.2 Crossplot of core porosity and core permeability

岩心样品压汞分析结果进一步证明:孔隙度(孔隙大小)仅是渗透率的控制因素之一, 孔喉半径(吼道大小及形状)才是渗透率的绝对控制因素, 因为它控制了孔隙间的连通程度, 这很好地解释了在低孔隙度层段存在较高渗透率的现象(图 3)。

图3

Fig.3

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	图3 不同孔隙类型储集层渗透率的差异对比(普光302-1井)Fig.3 Difference comparison of permeability of reservoirs with various pore types(Well Puguang 302-1)

测井曲线的响应特征是地下油气藏岩性、物性以及流体的综合反映。选取普光2井储集层中具有相似孔隙度而孔隙结构不同的2段(图 4), 其矿物组成以白云石为主, 孔隙度均值在10%左右(下段的孔隙度稍大于上段1~2个百分点), 分析不同孔隙结构类型储集层的测井响应特征。薄片分析表明, 2段最大的区别就是孔隙结构的差异, 下段以粒内(铸模)孔为主, 上段以粒间(晶间)孔为主, 上下2段储集层渗透率却存在较大差异。

对比2段储集层的常规测井曲线响应特征有以下特点:(1)自然伽马和光电吸收截面仅与地层中的泥质和一些特殊矿物含量有关, 密度曲线基本上反映的是储集层总孔隙度的大小, 上下2段差异不大。(2)下段储集层的孔隙度略大于上段, 而声波时差值略小于上段。分析认为应是受孔隙结构变化的影响, 因为声波可以在粒内孔储集层中沿骨架传播, 而在粒间孔储集层中必须经过扁、长的孔隙空间, 造成传播速度的降低, 表现为相对高的声波时差值。(3)相对于晶间孔储集层, 补偿中子在粒内孔储集层段表现为低值, 这可能与粒内孔高的束缚水和相对高的灰质含量有关。(4)对比深浅侧向电阻率, 粒间孔储集层表现出比粒内孔储集层较大的幅度差, 这主要是粒间孔储集层的连通性高于粒内孔, 引起钻井液的侵入半径大。但由于受测井质量的影响, 这一特征不具普遍性。

图4

Fig.4

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	图4 普光2井不同孔隙类型储集层在常规测井和偶极声波测井曲线上的响应特征分析Fig.4 Characteristics of conventional and dipole acoustic logging response of reservoirs with various pore types in Well Puguang 2

可以看出, 尽管不同孔隙类型储集层在常规测井曲线上响应特征有所不同, 但很难定量表征其差异大小。

通过取心— 测井的对应分析发现, 在高孔隙层段, 横波和纵波速度都大幅度衰减, 但衰减幅度因储集层孔隙类型不同而有差异。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同孔隙类型储集层在常规测井和偶极声波测井上的响应特征 Table 1 Response characteristics of reservoirs of various pore types in conventional and dipole acoustic logging 孔隙类型 定性特征 半定量特征 自然伽马 光电吸收截面 密度 声波 补偿中子 横波 斯通利波 纵波阻抗 横波阻抗 纵横波速比 泊松比 粒间孔 对比分析参考 大于1.85 大于0.25 粒内孔 无区别 无区别 无响应 升高 降低 速率增大 速度增大 升高幅度很小 升高幅度很大 小于1.85 小于0.25

表1 不同孔隙类型储集层在常规测井和偶极声波测井上的响应特征 Table 1 Response characteristics of reservoirs of various pore types in conventional and dipole acoustic logging

仍以普光2井为例, 研究不同孔隙类型在横波、纵波、斯通利波的变化特征。受孔隙度控制, 高孔高渗的粒间孔储集层和高孔低渗的粒内孔储集层都具有较低的波速, 但粒间孔储集层相对于相同孔隙度下的粒内孔储集层具有较高的纵横波波速比和较低的斯通利波。这是由于粒间孔储集层相对于粒内孔储集层具有较大的孔喉半径及较高的孔隙连接性, 对斯通利波和横波的衰减影响更大。

因此, 孔隙结构的变化在地震反演参数— 纵波阻抗、横波阻抗以及泊松比上均应有一定响应, 这是进一步定量评价的基础和叠前反演可行性的证明。表1总结了孔隙类型的变化在常规测井和偶极声波测井上的响应特征。

孔隙类型在常规和偶极声波测井上的电测响应, 基本都是定性和半定量地解释了两者之间的复杂关系, 但物理意义有限。为定量描述礁滩相储集层渗透率的变化, Sun和 Goldberg(1997)及Sun(2004)通过对BIOT模型进行延伸, 在裂缝型多孔介质中引入表征储集层内部构造特征的孔构参数γ 与γ _u, 以达到定量分析解释礁滩相碳酸盐岩复杂的孔隙结构特征及其复杂的连通关系对岩石声波速度的影响作用。模型简化如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

其中, V_p、V_s分别为纵、横波波速, m/s; ρ 、ρ _s、ρ _f分别为体积密度、岩石骨架密度、流体密度, g/cm³; K、K_s、K_f分别为体积模量、岩石骨架体积模量、流体体积模量, Pa; μ 、μ _s分别为剪切模量、岩石骨架剪切模量, Pa; φ 、φ _k分别为总孔隙度、有效孔隙度, %; F_k为有效孔隙比例系数, 无量纲; f, f_μ 为骨架柔韧性参数, 无量纲; γ 、 γ _μ 为孔构参数; C为系数, 无量纲。

孔构参数γ 、γ _μ 是独立于岩石孔隙度、但反映孔隙形态和连通性的参数(γ 主要表征岩石的体积变化, γ _μ 主要表征岩石的形态变化)(Dou et al., 2011; Padhy and Abdul, 2012; Rachael et al., 2014), 在物理上可以理解为高宽比(aspect ratio)的倒数, 低“ γ 、 γ _μ ” 值对应高的高宽比, 孔隙更圆化(图 5)。当储集层孔隙度较大且孔隙类型相对单一时, γ 近似于γ _μ , 即C≈ 1。

图5

Fig.5

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	图5 孔构参数变化与孔隙形态及连通性关系示意图Fig.5 Schematic diagram of pore shape and connectivity varying with the frame flexibility factor

孔构参数的计算由岩石弹性参数(纵波波速、横波波速、密度等)推导, 简化计算公式如下:

γ=1+ln(f)ln(1-ϕ)11f=1-(KfKs+(1-KfKs)ϕ)Fk(1-ϕ)(1-KfKsFk)12Fk=Ks-Kϕ(Ks-Kf)13K=(Vp2-43Vs2)ρ14

图6

Fig.6

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	图6 普光2井孔构参数与孔喉半径关系分析Fig.6 Analysis of relationship between frame flexibility factor and pore throat radius(Well Puguang 2)

通过测井和岩心分析, 证明了孔构参数在普光气田指示孔隙结构上的可行性(张汉荣等, 2012)(图 6)。粒间孔因晶体的特殊形状和排列而具有较低的高宽比和较高的孔构参数, 而粒内孔由于大多保留了鲕粒特有的磨圆度而具有较高的高宽比和较低的孔构参数。综合分析结果, 孔隙类型与孔构参数γ _μ 的对应关系如下:

粒内孔隙:γ _μ < 4.0

混合孔隙:4.0< γ _μ < 8.0

粒间孔隙:γ _μ > 8.0

图7

Fig.7

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	图7 普光气田渗透率解释图板Fig.7 Permeability Interpretation chart of Puguang Gasfield

上述分析表明, 孔构参数可以作为一个独立于孔隙之外的表征储集层渗透率非均质性的重要参数。因此, 针对礁滩相储集层具有复杂孔隙结构特征, 研究提出分孔隙结构类型建立渗透率解释模型(图 7)。通过取心段孔隙度、渗透率解释精度检验, 渗透率计算误差在一个数量级以内。

利用取心与测井资料, 计算波速、阻抗、弹性模量等参数, 分析其与孔构参数的关系(图 8), 论证孔构参数反演的可行性, 即建立起储集层微观孔隙特征与宏观地震之间“ 桥梁” , 这是开展渗透率地震预测的前提(Shedid and Almehaideb, 2003; Moyosore et al., 2007; Ramamoorthy et al., 2008; Zhu et al., 2013)。

图8

Fig.8

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	图8 普光2井密度孔隙度— 纵波速度交汇图版Fig.8 Crossplot chart of density porosity and P-wave velocity(Well Puguang 2)

研究表明, 在相同孔隙度下, 波速度变化较大。除流体和矿物的影响外, 这些变化主要是由于不同的孔隙结构类型具有不同的弹性性质造成的, 应用孔构参数γ 、 γ _μ 可以较好地将不同孔隙结构储集层的传播特征加以区分。在孔隙度相同的情况下, 粒内孔隙纵、横波速度大于粒间孔隙, 横波速度相对于纵波速度来说区分效果更好一些。

研究同时表明, 孔隙结构参数不仅能反映相似孔隙类型储集层的弹性参数随孔隙度的变化趋势, 也能反映相同孔隙度下, 不同孔隙类型储集层的抗压、抗剪切能力等, 主要是由于在相同孔隙度下, 孔隙排列相对均匀的粒内孔储集层的岩石抗压、抗剪切能力较强, 因而具有较大的体积模量和弹性模量。

综上所述, 孔构参数不仅能反映复杂孔隙类型储集层的孔隙形状和有效连通程度, 也具有利用地震开展反演的岩石物理基础。