準噶爾盆地瑪湖凹陷風南4井區百口泉組礫巖致密油藏地質“甜點”測井評價

焦晨雪，王民，高陽，黃文彪，盧雙舫，關瑩，錢根葆，覃建華，周能武，田偉超，汪志璇，徐建鵬

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島，266580；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依，834000；3.中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依，834000)

繼頁巖油氣之后，美國致密油氣開發取得的巨大成功，為我國非常規油氣提供了新的勘探方向[1-2]。實踐證實，較頁巖油氣而言，致密油氣已成為我國最為現實的一種非常規油氣資源[3-4]。全國四次資評表明，鄂爾多斯、松遼、三塘湖、準噶爾、渤海灣、柴達木等盆地致密油地質資源量極為豐富[5-7]，可采資源量達(20～25)×108t[8]。繼吉木薩爾之后，準噶爾盆地瑪湖凹陷礫巖致密油藏的發現，將新疆油田致密油勘探開發工作推向新高潮[8-9]。礫巖致密油藏的發現不僅拓寬了非常規油氣儲層的巖性類別，同時也為準噶爾盆地致密油的增儲上產提供保障。瑪湖地區三疊系百口泉組礫巖致密油總資源預計超過10×108t，目前已落實三級儲量1.94×108t[9]。眾所周知，探尋“甜點”是油田實現非常規油藏降本提效開發的重要手段之一[10-11]。然而，礫巖致密油藏成分/結構成熟度低、孔滲分布范圍廣、含油性差異大，油水分布規律復雜[12-14]，“甜點”評價成為礫巖致密油藏勘探開發過程中亟需解決的問題[10]。因此，如何采用簡潔有效、成本低廉的手段提高“甜點”評價的準確性對致密礫巖油藏至關重要。現今定義的“甜點”可簡要概括為地質“甜點”及工程“甜點”(包括脆性“甜點”、地應力“甜點”)。本文作者主要研究地質“甜點”的精細評價，旨在為后期井部署及體積壓裂開發層段提供參考。李岳桐等[15-18]采用測井、井震結合、疊前反演等手段，通過研究儲層物理性質、評價物性參數預測巖性、物性、厚度等方式刻畫致密油地質“甜點”。其中致密油“甜點”測井評價技術主要分為2類：一是基于常規測井、ΔlgR技術(利用測井資料識別和計算總有機碳含量(TOC)的方法)結合常規測井[19]以及鈾曲線結合ΔlgR這3 種方法建立的烴源巖TOC 參數測井評價技術；二是通過諸多測井方法建立表征儲量豐度參數評價模型的技術[20]。事實上，油藏地質“甜點”是儲層物性、含油飽和度等地質參數宏觀非均質性的綜合體現，含油性是“甜點”實際供油能力的重要因素。故此，開展地質“甜點”的評價和預測，關鍵在于如何有效地刻畫儲層含油性(本文中的儲層含油性是指單位體積巖石的含油量，為孔隙度(Φ)和含油飽和度(So)的綜合體現)。目前，主要對儲層孔喉結構等微觀非均質性進行研究[21-25]，雖然其能夠從機理上闡釋儲層物性差異的根本原因，但無法體現儲層含油性的差異，也無法直觀地評價“甜點”在宏觀上的分布特征。此外，儲層微觀非均質性研究多基于巖芯樣品的室內實驗，而樣品數量的限制卻制約了儲層宏觀非均質性的刻畫和表征。因此，以室內實驗結果為基礎，建立儲層物性及含油性測井評價模型，不僅可有效刻畫儲層物性和含油性的垂向非均質性，同時還服務于后期的地質“甜點”地震預測工作。值得注意的是，測井響應差異的根源在于地層中巖石骨架、孔隙、流體性質等不同，巖芯地表檢測的相關參數由于溫度和壓力改變等因素導致與地層條件下參數存在誤差，礫巖致密儲層Φ和So測井評價模型精度較低[26-28]，故而基于地層條件下的相關參數(如地層條件下的孔隙度、地層原始含油飽和度等)可一定程度上改善此問題，提高“甜點”評價精度。為了定量評價礫巖致密油藏含油性，并刻畫地質“甜點”在剖面及平面上的分布，本文作者選取準噶爾盆地風南4井區百口泉組16 塊致密礫巖樣品開展常壓氣測及覆壓孔隙度實驗，并進行20 塊密閉樣品的含油飽和度檢測以及48 塊樣品的巖電實驗工作。基于實驗結果，優化并建立研究區礫巖致密儲層的孔隙度和含油飽和度測井評價模型，構建體現儲層含油性的評價參數，即含油孔隙度(Φ×So)，精細刻畫礫巖致密儲層垂向上宏觀含油非均質性，并結合礫巖致密油藏地質“甜點”劃分方案，揭示研究區地質“甜點”的分布特征，為后期的開發部署提供指導。

1 地質概況

風南4 井區位于準噶爾盆地瑪湖凹陷東北緣，北鄰烏夏斷裂帶，東接夏鹽凸起[29]，為2組溝通深層源巖的北東向逆斷層(FN4井北斷裂、M131井北斷裂)及北西向斷層(FN1井西斷裂)控制的東南傾的平緩單斜，局部發育低幅度鼻狀構造(圖1)。研究區百口泉組整體為一套扇三角洲平原及前緣亞相的近源沉積，沉積厚度為100～200 m，儲層巖性以前緣近岸水下河道礫巖及前緣砂質碎屑流礫巖為主[28-29]。近源混雜堆積導致礫巖儲層成分及結構成熟度低、分選性較差、礫石呈次棱角/次圓狀，孔隙形態及連通性復雜[30-32]。在孔滲參數上表現為孔滲分布范圍廣(孔隙度Φ=5%～13%；滲透率K=(0.04～40.00)×10-3μm2)，二者無典型的相關性。

從目前勘探現狀來看，研究區百口泉組主要產油層段為T1b2；T1b3段局部發育油層，但橫向連續性差；而T1b1層段油層不甚發育。錄井資料揭示，研究區礫巖儲層主要發育在T1b2段上部和T1b3段中部，油氣顯示從熒光至油浸不等，體現了礫巖儲層垂向上明顯的含油性差異。試油試采結果也證實，單井不同層段的產能(如FN401 井T1b2產量為1.42 t/(d?m)；T1b3產量為0.24 t/(d?m))以及不同井同一層段的產能差異較大(如FN12井T1b2)產量為0.57 t/(d?m)；FN15 井T1b2產量為1.5 t/(d?m))，進一步揭示該地區礫巖致密儲層含油非均質性強。

圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷風南4井區構造簡圖Fig.1 Tectonic diagram of Fengnan 4 play in Mahu Sag,Junggar Basin

2 實驗及結果

分別選取16塊、20塊和48塊研究區百口泉組致密礫巖樣品進行氣測/覆壓孔隙度實驗、油水飽和度檢測、巖電實驗，檢測結果見表1～3。所選樣品的井位在平面上均勻分布在研究區內(圖1)；垂向上，樣品均取自不同沉積相帶且測井解釋結果為儲層的層段。研究區孔隙度為4.6%～15.6%，滲透率為(0.046～41.200)×10-3μm2，覆壓孔隙度實驗及含油飽和度檢測實驗樣品的孔、滲均分布在風南4 井區孔、滲范圍內(圖2)；巖電實驗樣品孔隙度為6.15%～16.95%，也在研究區孔隙度分布范圍內。

表1 致密礫巖樣品覆壓孔隙度檢測結果簡表Table 1 Under-pressure porosity test results of tight conglomerate samples

常壓及覆壓孔隙度分別采用DQKY-2 型全直徑巖心孔隙度測定儀和美國Core Lab公司的CMS-300型計算機自動控制巖心覆壓孔滲測試系統進行檢測。覆壓孔隙度檢測通過高純氦氣施加上覆巖壓，設計6，12，18，24 和30 MPa 共5 個壓力點(穩定后壓力略有變化)，分別測定不同上覆巖壓下16塊巖樣孔隙度，實驗結果如表1所示。常壓氣測孔隙度為7.24%～18.19%，平均值為11.70%；覆壓氣測孔隙度為6.48%～15.18%，平均值為10.59%。

油水飽和度實驗采用扎克斯飽和度測定儀通過蒸餾抽提法測定。首先稱量20 塊密閉取芯樣品的原始質量；通過蒸餾、冷凝收集巖石內水體積；采用溶劑汽油抽提原油；結束后烘干稱質量。實驗結果如表2所示。由表2可見：油飽和度為11.40%～52.40%，平均值為30.01%；水飽和度為28.30%～77.10%，平均值為60.25%。檢測的含油含水飽和度之和均小于100%，說明巖樣取至地表后存在流體損失，需進行含油飽和度恢復。

巖電實驗采用HP4284A 型號智能LCR 測量儀，按照SY/T 5385—2007“巖石電阻率參數實驗室測量及計算方法”在溫度為16 ℃，濕度為40%～50%的環境下進行測試，配置鹽水質量濃度為7.7 g/L，地層水電阻率(Rw)為0.705 Ω?m。實驗結果如表3所示。由表3可見：孔隙度Ф為6.15%～16.95%，平均值為11.09%；地層因素F為26.41～138.33，平均值為63.83；b為0.95～1.33，平均值為1.11；n為1.52～2.27，平均值為1.83。

3 實驗結果處理

3.1 地層孔隙度校正

受到應力敏感性的影響，儲層在地表檢測的物性與實際地層中存在較大的差異，相比于常規儲層，致密儲層對應力效應更為敏感[33]。由于研究區礫石成分多含火山碎屑物質，且泥質填隙物含量高，致使儲層表現為偏塑性，應力對儲層孔、滲的影響尤為強烈，最為直觀的表現在研究區礫巖樣品鏡下多觀察到粒緣縫的存在，這些粒緣縫寬度可達1 μm 左右(圖3)。圖3(a)～(c)所示分別為FN401井2 558.51 m深處灰色油跡砂礫巖同一視域下的掃描電鏡照片(放大倍數分別為150倍、600倍和2 500倍)，巖石較致密，環顆粒邊緣可見明顯粒緣縫，縫寬達0.88 μm。圖3(d)所示為FN12 井2 626.94 m 深處致密礫巖鑄體薄片照片(放大倍數為50倍)，可見粒內溶孔及較明顯的粒緣縫。

表2 致密礫巖樣品含油飽和度檢測結果簡表Table 2 Oil saturation test results of tight conglomerate samples

表3 致密礫巖樣品巖電實驗結果簡表Table 3 Results of rock electrical experiments on tight conglomerate samples

圖2 準噶爾盆地瑪湖凹陷風南4井區孔、滲分布圖Fig.2 Porosity and permeability distribution of Fengnan 4 well in Mahu Sag,Junggar Basin

基于覆壓孔隙度實驗結果，并結合樣品在實際地層中所受的有效應力，即可獲知該樣品在實際地層下的孔隙度。以S12為例，該樣品地表氣測孔隙度為8.41%，增加覆壓后孔隙度隨覆壓的增大呈典型的冪函數降低，孔隙度衰減的冪指數體現了孔隙的應力敏感度(圖4(a))。該樣品在地層條件下所受的垂向應力為37.92 MPa(根據上覆地層壓力和孔隙壓力即可獲得)，代入孔隙度與覆壓的冪函數公式，即可得到該樣品的地層孔隙度為7.80%(表4)。研究區16塊樣品孔隙度衰減指數存在差異(介于0.057～0.012)，說明了不同樣品孔隙度受應力的敏感程度不同，其結果造成當應力釋放后，增孔比例也存在顯著差異，孔隙度增幅最低為4.42%，最高增幅可達25.45%，平均孔隙度增加約12.5%(表4)。實驗樣品的地表孔隙度與地層孔隙度關系展現出良好的線性相關(圖4(b))，據此可對其他僅檢測地表氣測孔隙度的樣品進行校正，為孔隙度測井評價模型的建立奠定基礎。

圖3 風南4井區礫巖致密樣品氬離子拋光掃描電鏡及鑄體薄片Fig.3 Argon ion polished scanning electron microscope and cast thin slice of conglomerate tight samples in Fengnan 4 play

3.2 地層原始含油飽和度恢復

理論上，巖芯樣品的含油和含水飽和度之和為100%，然而在實際的巖芯樣品含油飽和度檢測中，油水飽和度之和總是小于100%，這主要是受到溫壓的改變以及油水揮發的影響。因此，基于實測含油飽和度數據標定油飽和度測井評價模型時，需要對地層原始含油飽和度進行恢復。

令αo和αw分別為巖芯樣品中油、水的剩余率，則：

式中：S'o和S'w分別為巖芯樣品檢測的油、水飽和度，%；So和Sw分別為地層原始含油、水飽和度，%。由于So+Sw=1，那么，巖芯檢測的油、水飽和度具有如下關系：

令流體總損失率為αl=(1-αo)+(1-αw)，則油和水的損失量占總流體損失量的比例分別為

故此，地層原始飽和度恢復公式為：

圖4 研究區致密礫巖樣品的地層條件下孔隙度校正模型Fig.4 Porosity correction model for tight conglomerate samples in this study area under formation conditions

表4 研究區致密礫巖樣品地層條件下孔隙度校正結果Table 4 Porosity correction results of tight conglomerate samples in this study area under formation conditions

根據實測巖芯樣品檢測的油水飽和度線性關系，可得式(2)中的油、水剩余率，從而根據式(3)～(5)獲取地層原始含油/水飽和度。雖然，實際檢測樣品的油水飽和度并未呈現出良好的線性關系，但通過對總流體飽和度(S'o+S'w)的劃分，將其劃分為80～85，85～90，90～95和95～100這4個流體飽和度單元，各單元內樣品的實測油、水飽和度呈顯著的線性相關，如圖5(a)所示。從20 塊樣品的恢復結果來看，油飽和度損失量為5.9%～14.5%，平均值為9.3%(圖5(b))。樣品油飽和度恢復前后也呈良好的線性關系(圖5(c))，據此關系可用于該地區后期含油飽和度檢測樣品的初步恢復。

3.3 巖電參數獲得

阿爾奇(Archie)公式描述了純凈砂巖的電學性質，廣泛被應用于符合達西定律的常規儲層含油飽和度評價，然而致密儲層具非達西流特性，使得Archie 公式對非常規儲層的適用性受到質疑[34]。荊萬學等[35]闡明Archie公式不是經驗公式而是理論模型，公式中的a，b，m和n參數不能作為固定常數來使用，它們隨儲層性質變化而變化。因此，區域內測定的巖電參數可以用來表征儲層自身特有的巖電特性，證明了Archie 公式的合理性以及對致密儲層的適用性[36]。Archie公式如下：

式中：a，b，m和n為巖電參數；Rw為地層水電阻率，Ω?m；Rt為地層電阻率，Ω?m；F為地層因素；I為電阻增大率。

根據48 塊樣品的巖電實驗結果揭示地層因素F與孔隙度Φ呈良好的冪函數關系(圖6(a))，從而獲得該地區a=3.212，m=1.326。經典Archie 公式反映的是純凈無泥質且具有較高孔、滲砂巖的特征，且孔隙的分布形態穩定，孔隙尺寸的平均值與孔隙度成正比，平均孔隙與平均孔喉有固定的關系[37]。然而與純砂巖相比，致密礫巖孔隙結構差，其物性參數遠比純砂巖的低。Archie公式中a為巖性系數、m為膠結指數，二者與巖石本身的成分、含量及其分布形式密切相關，且隨儲層巖性、物性、裂縫、非均質性等特征的變化而改變[38-39]，在復雜地質情況下，a和m很可能會超出常規值[40]。前人研究表明，隨著孔隙結構由好變差、物性參數由高變低，地層因素與孔隙度的相關性變差，巖電參數a逐漸增大，m則逐漸變小[41]。故而，致密礫巖中a應大于常規Archie公式中a的取值。且在實際工作中，在巖電實驗準確可靠的前提下，a和m的選取應該優先采用實驗獲得的結果，因此，來自巖電實驗的研究區內復雜致密礫巖a和m存在其合理性。此外，由于每塊樣品b和n存在自身獨特性，不能采用某一單一樣品代表整個區域b和n，眾多樣品平均值更能體現區域上致密礫巖的電學特性。本文根據單個樣品I與Sw呈良好的冪函數關系，將48塊樣品的巖電參數b和n平均值代表研究區b和n計算含油飽和度。b為0.95～1.33，平均值為1.11(圖6(b))；n為1.52～2.27，平均值為1.83(圖6(c))。

圖6 研究區致密礫巖樣品巖電參數Fig.6 Rock electrical parameters of tight conglomerate samples in this study area

4 礫巖儲層含油非均質性評價

儲層含油性優劣是儲層內孔隙大小和含油飽和度高低的綜合體現。因此，評價礫巖儲層含油非均質性，須開展儲層孔隙度及含油飽和度測井評價。

4.1 孔隙度測井評價模型

本文收集研究區內7口單井的巖芯孔隙度室內檢測數據，并進行地層條件下孔隙度校正。其中5口井校正的地層孔隙度數據用于測井建模，2口井數據用于模型驗證。從單一測井響應與孔隙度關系來看，研究區聲波時差(AC)與孔隙度具有顯著的正相關性，其次為地層密度(DEN)，補償中子(CNL)與地層孔隙度相關性最差(圖7和表5)。事實上，AC，DEN和CNL測井響應不僅體現了孔隙內流體性質和數量(據此可推算出孔隙度)，巖石骨架的物理性質(密度、聲波傳播速度等)也會造成不同層段這些測井響應的差異。因此，采用單一測井響應建立的孔隙度評價模型往往效果并不理想。為了消除孔隙度評價模型中巖石骨架對測井響應的影響，諸多學者往往采取多測井響應回歸建立評價模型，以提高孔隙度測井評價精度。通常三孔隙度測井(AC，DEN 和CNL)在孔隙度測井評價中應用廣泛。誤差分析也證明，三孔隙度多元回歸模型的計算結果比單一測井響應評價結果更準確，絕對誤差和相對誤差更小(表5)。基于多元回歸建立的孔隙度評價模型，對未參入建模的2口井孔隙度進行評價，預測結果與實際地層條件下的孔隙度相關度R2達到0.75(圖8)，證實該模型的適用性和可靠性，可在研究區推廣應用。

4.2 含油飽和度測井評價模型

在應用Archie 公式評價So過程中，通常將某一地區的地層水電阻率Rw設定為一常數。然而，事實上Rw受控于地層水類型及礦化度，區域上地層水類型及礦化度的改變使Rw在平面及垂向上均存在差異。尤其對于研究區致密礫巖油藏而言，由于泥巖隔夾層及物性隔夾層較發育、砂礫連通性較差，不同砂體間地層水礦化度變化更為明顯。實踐也證實，風南4井區百口泉組地層水電阻率分布范圍較廣(0.02～0.48 Ω·m)，如圖9(a)所示。因此，Rw采用恒定常數評價不同區域及不同層段的含油飽和度顯然不合適。

張京津等[42]根據自然電位測井原理和“四性關系”分析得知Rw與Rt存在一定相關性，本文通過分析Rw與Rt測井響應關系，也證實Rt與Rw呈良好的指數關系(圖9(a))。故本文采用Rt與Rw的相關性推算出不同區域及層位Rw特征，相比于常數Rw，采用動態參數評價Rw更為精確。

圖7 地層條件下孔隙度與常規測井響應的關系Fig.7 Relationship between porosity and conventional log response under formation conditions

表5 一元及多元回歸孔隙度測井評價模型Table 5 One-dimensional regression and multiple regression of porosity log evaluation model

圖8 模型驗證井的多元回歸計算孔隙度與常壓氣測孔隙度關系Fig.8 Relationship between multiple regression porosity and atmospheric pressure porosity of verification well

據此，含油飽和度計算公式可更改為

式中：k1=0.032 1；k2=0.044 7。

圖9(b)所示為風南16 井含油飽和度實際應用的結果，可見預測So與實測So較吻合。

4.3 礫巖儲層含油非均質性刻畫及“甜點”識別

礫巖致密油藏物性及含油非均質性強，致使不同地區單井及層段產能差異較大。構建含油孔隙度Φo(校正后的地層條件下孔隙度Φ與恢復后的原始含油飽和度So乘積)這一核心參數可以有效判定儲層含油非均質性。參數中Φ體現油藏儲集空間，So不僅反映含油性高低，同時也蘊含成藏時的流體滲流特征。因此，Φo是儲集能力、滲流能力、及含油性的綜合體現，同時Φo也是礫巖儲層含油性“甜點”最直觀、且易于獲得的參數。

李映艷等[36]針對準噶爾盆地瑪湖凹陷建立了礫巖致密油藏地質“甜點”分級標準，即Φo≥5%為I類“甜點”；3%≤Φo<5%為II 類“甜點”；2%≤Φo<3%為“低效油層”；Φo<2%為“非油層”。基于孔隙度、含油飽和度測井評價結果計算含油孔隙度，實現單井含油非均質性的垂向刻畫，并依據上述“甜點”評價標準刻畫目的層段不同類型“甜點”的空間展布。

圖9 研究區含油飽和度測井評價Fig.9 Oil saturation log evaluation in the study area

圖10 風南4井區礫巖致密油藏“甜點”分布聯井剖面Fig.10 “Sweet spot”distribution of conglomerate tight reservoirs in the Fengnan 4 play

聯井剖面揭示，“甜點”在單井上不同層位分布差異顯著，從I 類“甜點”到非儲層均有分布；在橫向上同一層位不同井的“甜點”級別及厚度也存在差異，各級別“甜點”均有分布，且厚度從幾米的薄層到十幾米的厚層發育不等(圖10)。整體上看，“甜點”主要發育在T1b21和T1b3段，以II類“甜點”為主，其次為I類“甜點”；T1b1段主要發育低效油層和非儲層，部分井發育薄層II類“甜點”。從實際的勘探結果來看，目前研究區直徑的射孔層段基本都位于評價的“甜點”層段。統計分析13口井14個試采段的采油強度和含油性(含油孔隙度)關系發現，二者呈良好的正相關(圖11)。這進一步說明基于含油孔隙度評價礫巖儲層的含油非均質性及識別“甜點”的方法和手段具有較高的實用性和可靠性。

平面上，礫巖儲層含油非均質性及“甜點”的厚度分布差異同樣顯著。品質最好的I 類“甜點”主要分布在T1b2層段的FN401-FN4-FN15-FN405一帶，呈環形條帶狀分布，而T1b3僅局部發育薄層I 類“甜點”(圖12(a)和(c))。II 類“甜點”在T1b2和T1b3均廣泛發育，且厚度也明顯比I 類“甜點”的大。但是，2 個層位II 類“甜點”的分布范圍有所不同。T1b2層段II 類“甜點”厚度以FN15 井為中心向四周逐漸減薄，而T1b3層段II 類“甜點”自北向南發育程度逐漸降低(圖12(b)和(d))。因此，對于研究區來說，在廣泛發育II 類“甜點”且夾有I 類“甜點”的層段/區域，是礫巖致密油藏勘探開發的首選。當然，在僅發育II 類“甜點”的區域/層段，若“甜點”厚度較大且較為集中，也可作為勘探開發的重要目標。

圖11 風南4井區礫巖致密儲層含油孔隙度與采油強度的關系Fig.11 Relationship between oil porosity and oil production intensity of conglomerate tight reservoirs in Fengnan 4 play

圖12 風南4井區T1b2,T1b3I類及II類“甜點”厚度分布Fig.12 Thickness distribution of I and II"sweet spots"in T1b2 and T1b3 sections of Fengnan 4 play

5 結論

1)由于測井響應是地層中巖石骨架、流體性質的綜合體現，室內檢測的孔隙度和含油飽和度與地層條件下恢復結果相比誤差分別高達12.5%和9.3%。因此，建立測井評價模型與模型參數時，巖芯數據應進行地層條件下的校正和恢復。

2)在孔隙度測井建模過程中，發現風南4井區孔隙度與聲波相關性最好，其次為密度，與中子的相關性最差。測井評價結果揭示，多元回歸模型的評價精度高于一元回歸模型評價精度。此外，在含油飽和度測井評價過程中，考慮到地層水電阻率在空間上的差異，應用阿爾奇公式時采用動態Rw評價含油飽和度可提高預測精度。

3)礫巖致密油藏油水分布復雜、儲層含油非均質性強，基于測井資料開展儲層孔隙度和含油飽和度評價，是刻畫礫巖致密儲層垂向上含油非均質性以及識別地質“甜點”行之有效的手段。勘探實踐也證實本文評價結果的準確性，同時評價結果也揭示出研究區地質“甜點”在空間分布的差異性。此外，I類“甜點”以及大套連續發育的II類“甜點”層段是礫巖致密油藏勘探開發的首選目標。