宋延杰，姜艷嬌，宋 楊，張依妮

1.東北石油大學地球科學學院，黑龍江 大慶 163318

2.非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江 大慶 163318

3.中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010

0 引言

阿爾奇公式是利用測井資料定量計算含油飽和度的基礎(chǔ)，適用于純巖石地層。由于低阻油層的巖性、物性及孔隙結(jié)構(gòu)復雜多變，經(jīng)典阿爾奇公式不能很好地對低阻油層的飽和度進行評價；然而，通過巖石物理實驗，研究膠結(jié)指數(shù)（m）和飽和度指數(shù)（n）的變化規(guī)律，建立變參數(shù)阿爾奇公式仍是目前定量評價低阻油層飽和度所采用的主要方法之一［1－2］。因此，研究低阻油層阿爾奇公式m和n的影響因素及變化規(guī)律是非常必要的。國內(nèi)外很多學者在巖電參數(shù)影響因素研究方面做了大量工作，并取得了較好的成果。對于純巖石地層，曾文沖、原海涵、Jackson等［3－13］從孔隙度、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)及巖石顆粒形狀等方面對m和n的影響進行研究后認為：阿爾奇公式中m值是對巖石中孔隙曲折度的度量，曲折度越高，m值越大，巖石顆粒形狀及孔隙形狀不同，m值不同，m值隨毛管孔徑和滲透率的增加而增加；n值反映了巖石的潤濕性和孔隙結(jié)構(gòu)特征，儲層孔喉比越大，n值越大，親油巖石的n值高于親水巖石的n值，且在純水潤濕砂巖地層中高含水飽和度砂巖的n值大于低含水飽和度砂巖的n值。高楚橋、鄧少貴、Hilmi等［14－21］對泥質(zhì)砂巖儲層的m和n的影響因素進行了研究。根據(jù)毛管理論分析認為，m值受毛管半徑、孔隙彎曲度影響，n值受儲層孔喉比、毛管半徑分布指數(shù)影響?；趲r石物理實驗認為，泥質(zhì)體積分數(shù)對m值影響相對較大，黏土礦物類型及含量不同，m值不同，并且m值和n值都隨地層水礦化度的增大而增大，隨地層陽離子交換容量的增大而減小，隨實驗測量溫度的增加而減小，隨壓力的增大而增大。近年來，對低孔低滲低阻儲層的m和n的影響因素研究越來越受到專家學者的重視。李軍、張超饃、李奎周等［1，22－27］主要從孔隙結(jié)構(gòu)、巖性、膠結(jié)物、地層水礦化度等方面分析探討了低孔低滲低阻儲層的m和n的影響因素。結(jié)果表明：泥質(zhì)粉砂巖m值較小，砂礫巖m值較大；隨著巖石平均粒度增大，m、n值增大；隨著鈣質(zhì)和膏質(zhì)膠結(jié)物含量增大，m、n值增大；隨地層水礦化度的增大，m、n值增大；隨地層泥質(zhì)體積分數(shù)和陽離子交換容量的增大，m、n值減小。低阻油層成因復雜，且不同地區(qū)低阻油層的成因不同，它可以為一種成因或多種成因的組合［28－32］，從而使得低阻油層m和n的影響因素隨地區(qū)不同而發(fā)生變化。

古龍南地區(qū)葡萄花油層的儲層物性差，屬低孔特低滲儲層。從電性特征看，古龍南地區(qū)既存在低阻油層又存在高阻水層，且低阻油層分布廣泛，儲層流體識別難度較大。已有研究表明：含泥重、黏土附加導電性強、微孔隙發(fā)育、束縛水飽和度高是產(chǎn)生古龍南地區(qū)葡萄花低電阻率油層的主要因素［33］。這種低孔低滲的儲層特點和復雜的低阻成因給儲層評價帶來了很大困難，因此，如何通過巖石物理實驗合理、正確地分析古龍南地區(qū)葡萄花低電阻率油層的m和n影響因素是非常必要的。為了全面準確地研究古龍南地區(qū)葡萄花低電阻率油層的m和n影響因素，筆者采用同一巖樣而不采用并行樣進行巖石物理實驗測量，以確保儲層特性研究的一致性。為此，對同一巖樣進行孔滲、核磁特性、巖電、粒度、陽離子交換量以及壓汞實驗測量，利用獲得的每一塊巖樣的物性參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、核磁特性參數(shù)、陽離子交換容量等，分析討論了低阻油層m和n的影響因素，為建立古龍南地區(qū)低阻油層改進的阿爾奇公式打下基礎(chǔ)。

1 巖石物理實驗設計

1.1 巖心樣品選取

低阻油氣層系指在同一油水系統(tǒng)內(nèi)油氣層與純水層的電阻率之比小于2，即油氣層的電阻增大率小于2的油氣層?；诠琵埬系貐^(qū)葡萄花油層的試油資料和測井響應研究，將古龍南地區(qū)電阻率小于15Ω·m的油層規(guī)定為本區(qū)的低阻油層，而將電阻率大于15Ω·m的油層規(guī)定為本區(qū)的常規(guī)油層［33］。按照低阻油層和常規(guī)油層劃分標準，在試油取心井段選取該區(qū)低阻油層和常規(guī)油層的巖心樣品。同時，為使利用實驗數(shù)據(jù)建立的規(guī)律具有一般性，選取的巖樣還必須滿足以下要求：①兼顧巖性，選取的樣品反映地區(qū)的主要巖性；②兼顧物性，選取的樣品泥質(zhì)體積分數(shù)、孔隙度、滲透率有一定的變化范圍；③兼顧電性，選取的樣品測井響應有一定的變化。按照上述標準選取低阻油層巖樣14塊，常規(guī)油層巖樣18塊。低阻油層和常規(guī)油層巖性均以粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主：低阻油層泥質(zhì)體積分數(shù)為23.7%～39.2%，孔隙度為5.5%～18.5%，滲透率為（0.01～4.02）×10－3μm2；常規(guī)油層泥質(zhì)體積分數(shù)為18.0%～26.3%，孔隙度為8.6%～17.4%，滲透率為（0.14～12.31）×10－3μm2。

1.2 巖樣實驗流程和步驟

為了確保用同一巖樣完成孔滲、核磁特性測量、巖電、粒度、陽離子交換量以及壓汞實驗測量，設計了巖樣的實驗流程，見圖1。實驗步驟如下：

圖1 巖心實驗流程圖Fig.1 Core experiment flow diagram

1）將巖樣洗油、洗鹽、烘干，對巖樣進行預處理。

2）在常溫條件下，應用氣測法測量巖樣孔隙度和滲透率。

3）按照該區(qū)地層水類型和礦化度，配置礦化度為16 000和10 000mg/L的NaHCO3水溶液。

4）在溫度（35℃）條件下，制備飽含水巖樣，測量飽含水巖樣的T2譜，然后對巖樣進行離心，測量離心后巖樣的T2譜，完成巖樣的核磁特性測量。

5）對巖樣進行預處理，制備飽含水巖樣。在地層溫度（75℃）和壓力（40MPa）下，用油驅(qū)水測量不同含水飽和度的巖樣電阻率，完成巖樣的巖電實驗測量。

6）對巖樣進行預處理，取一薄片巖樣，采用激光粒度分析法，進行巖樣顆粒粒度分析。

7）將切去一薄片的剩余巖樣平均分成兩份，取其中一份巖樣進行壓汞實驗，測定巖樣的毛管壓力曲線和孔喉大小分布。

8）取另一份巖樣，粉碎處理后，對巖樣依次進行絡合、洗銨鹽、蒸餾、滴定后，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算陽離子交換量，完成巖樣的陽離子交換容量測量。

2 膠結(jié)指數(shù)（m）影響因素

利用孔滲實驗，可得出巖樣的孔隙度和滲透率值。利用粒度實驗，可得出巖樣的泥質(zhì)體積分數(shù)值（本文采用粒徑小于7.8μm顆粒的體積分數(shù)）。利用核磁共振實驗，可得出巖樣的T2幾何平均值、微孔隙體積與可動流體孔隙體積之比等參數(shù)。利用圧汞實驗，可得出巖樣的孔喉中值半徑、平均半徑、分選系數(shù)等參數(shù)。利用陽離子交換容量實驗，可得出巖樣的陽離子交換容量。在阿爾奇方程中，令a＝1.0，可得

其中：a為巖性系數(shù)；Rw為地層水電阻率；Ro為飽含水巖石電阻率；φ為孔隙度。利用巖電實驗測量數(shù)據(jù)，由式（1），確定了14塊低阻油層和18塊常規(guī)油層巖樣的m值。將實驗確定的巖樣m值和反映巖樣的物性、孔隙結(jié)構(gòu)、黏土附加導電能力的特征參數(shù)進行交會，并對比分析低阻油層和常規(guī)油層的m值變化規(guī)律，可以得出影響低阻油層m的因素。

2.1 物性參數(shù)影響

m值與巖石類型和巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，而反映孔隙結(jié)構(gòu)特征的宏觀參數(shù)有孔隙度、滲透率等。圖2為古龍南地區(qū)葡萄花油層m與各物性參數(shù)（K為滲透率為孔滲綜合指數(shù)，Vsh為泥質(zhì)體積分數(shù)）的交會圖。從圖2中可以看出：低阻油層的m值比常規(guī)油層的m值低；在低阻油層中，m值隨滲透率、孔滲綜合指數(shù)的增大而增大，隨泥質(zhì)體積分數(shù)的增大而減小，但數(shù)據(jù)點分散，相關(guān)性不明顯。m值與孔隙度無關(guān)、與孔隙度和泥質(zhì)體積分數(shù)比值無關(guān)。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

由于古龍南地區(qū)葡萄花油層的低阻油層微孔隙發(fā)育，從而導致其孔隙結(jié)構(gòu)更加復雜，而巖樣的壓汞和核磁共振實驗可以給出反映儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)，故通過巖樣的壓汞和核磁共振實驗可研究儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對m的影響。在壓汞實驗給出的反映巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征的微觀參數(shù)中，反映孔喉大小的參數(shù)有最大孔喉半徑、孔喉半徑中值、平均孔喉半徑、孔喉半徑均值和主要喉道半徑平均值，反映孔喉分選程度的參數(shù)有喉道分選系數(shù)、相對分選系數(shù)、均質(zhì)系數(shù)、歪度等。基于壓汞實驗數(shù)據(jù)，繪制了m與孔喉半徑中值、平均半徑、最大半徑、半徑均值、分選系數(shù)和歪度的交會圖，見圖3。從圖3中可以看出：該區(qū)低阻油層的m隨孔喉中值半徑、平均半徑和半徑均值的增大而增大，但相關(guān)性不明顯；m與孔喉最大半徑、分選系數(shù)和歪度無關(guān)。

在核磁共振實驗測量的特性參數(shù)中，T2幾何平均值能夠反映巖樣孔隙結(jié)構(gòu)特征，而微孔隙體積與可動流體體積之比反映小孔隙與大孔隙的相對比例。因此，基于巖樣核磁共振實驗測量數(shù)據(jù)，分別繪制了m與T2幾何平均值、m與微孔隙體積與可動流體體積之比交會圖，見圖4。由圖4可知：該區(qū)低阻油層的m值隨T2幾何平均值的增大而增大，而且關(guān)系很好；m值隨微孔隙體積與可動流體體積之比增大而減小，并有比較好的線性關(guān)系。

2.3 黏土附加導電能力影響

由于古龍南地區(qū)葡萄花油層的低阻油層含泥重且伊利石及伊蒙混層相對含量高，從而導致其黏土附加導電能力強，而巖樣的陽離子交換能力實驗可以給出反映儲層黏土附加導電能力大小的參數(shù)，故通過巖樣的陽離子交換能力實驗可研究儲層黏土附加導電能力對m的影響?；陉栯x子交換容量實驗數(shù)據(jù)，繪制了m與陽離子交換容量（Qv）交會圖（圖5）。由圖5可知：低阻油層陽離子交換容量大于常規(guī)油層陽離子交換容量；低阻油層的m值隨陽離子交換容量的增大而減小，但相關(guān)性不明顯。

3 飽和度指數(shù)（n）影響因素

利用巖電實驗測量數(shù)據(jù)，在電阻增大系數(shù)（I）與含水飽和度（Sw）雙對數(shù)交會圖上，進行線性回歸，確定巖樣的n值。由于部分巖樣滲透率很低，在進行油驅(qū)水實驗時含水飽和度減少很小，最低含水飽和度在93%以上，從而造成測得的飽和度數(shù)據(jù)點太少，且變化范圍很小，依據(jù)公式回歸出的n值不準確。因此，對n的影響因素實驗研究中去掉了6塊低阻油層巖樣和1塊常規(guī)油層巖樣。將實驗確定的8塊低阻油層巖樣和17塊常規(guī)油層巖樣n值和反映巖樣的物性、孔隙結(jié)構(gòu)、黏土附加導電能力的特征參數(shù)進行交會，并對比分析低阻油層和常規(guī)油層的n值變化規(guī)律，得出影響低阻油層n的因素。

圖3 m與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)交會圖Fig.3 Pore structure parameters vs.m

圖4 m與核磁共振特性參數(shù)交會圖Fig.4 Nuclear magnetic resonance parameters vs.m

圖5 m與Qv交會圖Fig.5 Qvvs.m

3.1 物性參數(shù)影響

基于巖石物理實驗數(shù)據(jù)，圖6給出了古龍南地區(qū)葡萄花油層n與滲透率、孔隙度、孔滲綜合指數(shù)、泥質(zhì)體積分數(shù)、孔隙度與泥質(zhì)體積分數(shù)比值的交會圖。從圖6中可以看出：低阻油層的n值比常規(guī)油層的n值低；在低阻油層中，n值隨孔隙度、孔滲綜合指數(shù)、孔隙度和泥質(zhì)體積分數(shù)比值的增大而增大，并有比較好的相關(guān)性。n值與泥質(zhì)體積分數(shù)的相關(guān)性不明顯。n值與滲透率無關(guān)。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

基于壓汞實驗數(shù)據(jù)，圖7給出了古龍南地區(qū)葡萄花油層n與孔喉中值半徑、平均半徑、最大半徑、半徑均值、分選系數(shù)和歪度的交會圖。從圖7中可以看出：該區(qū)低阻油層的n值隨孔喉中值半徑、平均半徑、最大半徑和半徑均值的增大而增大，并且有很好的線性關(guān)系。n與孔喉分選系數(shù)和歪度無關(guān)系。

基于巖樣核磁共振實驗測量數(shù)據(jù)，圖8給出了古龍南地區(qū)葡萄花油層n與T2幾何平均值、n與微孔隙體積與可動流體體積之比交會圖。由圖8可知：該區(qū)低阻油層的n值隨微孔隙體積與可動流體體積之比增大而減小，而n值與T2幾何平均值之間沒有關(guān)系。

3.3 黏土附加導電能力影響

基于陽離子交換容量實驗數(shù)據(jù)，圖9給出了古龍南地區(qū)葡萄花油層的n與陽離子交換容量交會圖。由圖9可知：低阻油層的n值與陽離子交換容量沒有明顯關(guān)系。

4 膠結(jié)指數(shù)和飽和度指數(shù)規(guī)律

古龍南地區(qū)低阻油層膠結(jié)指數(shù)影響因素研究結(jié)果表明，古龍南地區(qū)低阻油層的m值變化規(guī)律為：隨滲透率、孔滲綜合指數(shù)、中值半徑、平均半徑、半徑均值、T2幾何平均值的增加，m值增大；而隨泥質(zhì)體積分數(shù)、陽離子交換容量、微孔隙體積與可動流體體積之比的增加，m值減小。該區(qū)低阻油層m值的這種變化規(guī)律受控于該區(qū)低阻油層的成因。通過對古龍南地區(qū)低阻油層和常規(guī)油層的巖性、物性、微孔隙體積、黏土礦物、地層水礦化度等特征的對比分析，得出巖性細、含泥重、黏土附加導電性強、微孔隙發(fā)育、束縛水飽和度高是產(chǎn)生古龍南地區(qū)低電阻率油層的主要因素［23］。巖石孔隙度變小與孔隙結(jié)構(gòu)變復雜的相對大小的不同對m值的影響不同［34］，對于純巖石，

圖6 n與各物性參數(shù)交會圖Fig.6 Petrophysical parameters vs.n

圖7 n與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)交會圖Fig.7 Pore structure parameters vs.n

圖8 n與核磁共振特性參數(shù)交會圖Fig.8 Nuclear magnetic resonance parameters vs.n

圖9 n與Qv交會圖Fig.9 Qvvs.n

其中，τ為孔隙曲折度。由式（2）可知，當孔隙度變小，孔隙結(jié)構(gòu)變復雜時，如果孔隙曲折度平方的變化速率小于孔隙度變化速率，即lg（τ2）/（－lg（φ））隨孔隙結(jié)構(gòu)變復雜而減小，則m值隨孔隙結(jié)構(gòu)變差而減小。對于該區(qū)微孔隙發(fā)育、高束縛水飽和度的低阻油層，當孔隙度變小、孔隙結(jié)構(gòu)變復雜時，孔隙曲折度平方的變化速率小于孔隙度變化速率，從而造成了阿爾奇公式中的m值隨孔隙結(jié)構(gòu)變差而減小，而孔隙結(jié)構(gòu)變差，反映孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)如滲透率、孔滲綜合指數(shù)、中值半徑、平均半徑、半徑均值、T2幾何平均值變小，微孔隙體積與可動流體體積之比變大，因此，該區(qū)低阻油層的m值隨滲透率、孔滲綜合指數(shù)、中值半徑、平均半徑、半徑均值、T2幾何平均值的增加而增大，隨微孔隙體積與可動流體體積之比的增加而減小。巖石泥質(zhì)體積分數(shù)增加一方面使巖石孔隙度變小、孔隙結(jié)構(gòu)變復雜、m值增大，另一方面使巖石導電性增強、m值降低［34］。該區(qū)低阻油層含泥重、黏土附加導電性強造成了阿爾奇公式中的m值受泥質(zhì)體積分數(shù)、陽離子交換容量增大使巖石導電性增強的影響大于使巖石孔隙結(jié)構(gòu)變復雜的影響，因此，造成了該區(qū)低阻油層的m值隨泥質(zhì)體積分數(shù)、陽離子交換容量的增加而降低。

古龍南地區(qū)低阻油層飽和度指數(shù)影響因素研究結(jié)果表明，古龍南地區(qū)低阻油層的n值變化規(guī)律為隨孔隙度、孔滲綜合指數(shù)、孔隙度和泥質(zhì)體積分數(shù)比值、中值半徑、平均半徑、最大半徑、半徑均值的增加，n值增大。由于巖石電阻增大系數(shù)為含油巖石電阻率與飽含水巖石電阻率之比，因此，阿爾奇公式中的n值取決于孔隙結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)體積分數(shù)變化對含油巖石電阻率與飽含水巖石電阻率影響的相對大小。巖石含水飽和度變小與導電路徑變復雜的相對大小不同對n值的影響不同：對于純巖石，

其中：Lw為飽含水巖石的等效導電路徑；L′w為含油巖石的等效導電路徑。由式（3）可知，當孔隙度變小、孔隙結(jié)構(gòu)變復雜時，如果的變化速率小于含水飽和度變化速率，即隨孔隙結(jié)構(gòu)變差而減小，則n值隨孔隙結(jié)構(gòu)變差而減?。?，34］。對于該區(qū)微孔隙發(fā)育、高束縛水飽和度的低阻油層，當孔隙度變小、孔隙結(jié)構(gòu)變復雜時，含水飽和度變化對L′w的影響變小，的變化速率變小，從而造成了阿爾奇公式中的n值隨孔隙結(jié)構(gòu)變差而減小，而孔隙結(jié)構(gòu)變差，反映孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)如孔隙度、孔滲綜合指數(shù)、孔隙度和泥質(zhì)體積分數(shù)比值、中值半徑、平均半徑、最大半徑、半徑均值變小，因此，該區(qū)低阻油層的n值隨孔隙度、孔滲綜合指數(shù)、孔隙度和泥質(zhì)體積分數(shù)比值、中值半徑、平均半徑、最大半徑、半徑均值的增加而增大。巖石泥質(zhì)體積分數(shù)增加一方面使巖石孔隙度變小、孔隙結(jié)構(gòu)變復雜，如果孔隙結(jié)構(gòu)變化引起含油巖石等效導電路徑與含水巖石等效導電路徑比值平方的變化速率大于含水飽和度變化速率，則n值隨孔隙結(jié)構(gòu)變差而增大；另一方面使巖石導電性增強，n值降低［34］。對于該區(qū)含泥重、黏土附加導電性強的低阻油層，泥質(zhì)體積分數(shù)增加對阿爾奇公式中的n值產(chǎn)生的相反影響幾乎相當，從而造成了該區(qū)低阻油層的n值隨泥質(zhì)體積分數(shù)、陽離子交換容量的增加變化不大。

通過對m和n的影響因素及規(guī)律分析可知：該區(qū)低阻油層的m受孔隙結(jié)構(gòu)和泥的影響較大，且與T2幾何平均值、微孔隙體積與可動流體體積之比關(guān)系較好；而該區(qū)低阻油層的n受孔隙結(jié)構(gòu)影響較大，且與孔滲綜合指數(shù)、平均半徑、最大半徑、半徑均值的關(guān)系非常好。由此說明該區(qū)低阻油層的m值與n值之間不會存在明顯的關(guān)系。

5 結(jié)論

1）在研究孔隙結(jié)構(gòu)復雜的“三低”儲層的m和n影響因素及變化規(guī)律中，必須采用同一巖樣而不采用并行樣進行巖石物理實驗測量，以確保儲層特性研究的一致性。其巖石物理實驗順序為孔滲實驗、核磁共振實驗、巖電實驗、激光粒度實驗（取一薄片）、陽離子交換量實驗（剩余巖樣一半）以及壓汞實驗（剩余巖樣另一半）。

2）古龍南地區(qū)低阻油層的m值小于常規(guī)油層的m值。古龍南地區(qū)低阻油層的m值隨滲透率、孔滲綜合指數(shù)、中值半徑、平均半徑、半徑均值、T2幾何平均值的增加而增大，隨泥質(zhì)體積分數(shù)、陽離子交換容量、微孔隙體積與可動流體體積之比的增加而減小，且低阻油層的m值與T2幾何平均值、微孔隙體積與可動流體體積之比關(guān)系較好，可用T2幾何平均值或微孔隙體積與可動流體體積之比確定低阻油層的m值。古龍南地區(qū)低阻油層的m值受孔隙結(jié)構(gòu)和泥的影響較大。

3）古龍南地區(qū)低阻油層的n值小于常規(guī)油層的n值。古龍南地區(qū)低阻油層的n值隨孔隙度、孔滲綜合指數(shù)、孔隙度和泥質(zhì)體積分數(shù)比值、中值半徑、平均半徑、最大半徑、半徑均值的增加而增大，并呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，尤其，n值與孔滲綜合指數(shù)、平均半徑、最大半徑、半徑均值的相關(guān)性非常好，可用孔滲綜合指數(shù)、平均半徑、最大半徑、半徑均值確定低阻油層的n值。古龍南地區(qū)低阻油層的n值受孔隙結(jié)構(gòu)影響較大。

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