耿斌, 蔡進功, 閆建平, 王端平, 王敏, 周德志, 梁強

(1.同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院, 上海 200092; 2.中石化勝利油田勘探開發(fā)研究院, 山東 東營 257015;3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500; 4.中石化勝利油田分公司, 山東 東營 257001)

0 引 言

東營凹陷南斜坡在古近紀(jì)時期,強烈的構(gòu)造活動導(dǎo)致南部構(gòu)造坡折規(guī)模大,形成了河流、三角洲、濁積扇、灘壩等沉積相[1]。期間物源充足,南斜坡在大型鼻狀構(gòu)造背景上經(jīng)成巖作用的改造形成了沙三段濁積、沙四段灘壩多套重要的低滲透油氣儲集體。關(guān)于緩坡帶低滲透砂巖成藏期次及其分布規(guī)律[2-3]、儲層物性演化及控制因素[4]等已有較明確的認識,但針對飽和度評價方面,測井計算與測試結(jié)果一直存在較大的差異,使得該區(qū)低滲透砂巖油藏飽和度評價成為測井研究亟需解決的難題。

飽和度評價是油氣儲集層定量評價的核心,基于測井資料獲取儲層油氣飽和度有多種方法,其中應(yīng)用最為廣泛的有2種,一是基于阿爾奇公式及其各種擴展模型;另一種是基于地區(qū)巖心分析建立相應(yīng)的經(jīng)驗統(tǒng)計公式。阿爾奇公式對大多數(shù)儲層飽和度計算都有比較好的適應(yīng)性[5],許多學(xué)者對低滲透砂巖儲層飽和度計算進行了較多研究[6-8],大多基于孔隙結(jié)構(gòu)的差異(不同油層)對阿爾奇公式中巖電參數(shù)的影響討論飽和度計算的相關(guān)問題,實際在油、水層地層水電阻率對飽和度計算的影響及原因分析方面研究較少。前人對于地層水電阻率Rw的相關(guān)研究[9-10]主要是關(guān)于取值方法,常用的有水分析資料測定法及典型水層反算法2種。當(dāng)存在地層水分析資料時,可以直接根據(jù)水分析資料測定換算;當(dāng)缺乏實際地層水分析資料時,通常是尋找同層位典型水層認為其Sw=100%,再基于Archie公式進行反算Rw,進而實現(xiàn)對其他儲層的飽和度解釋。典型水層反算法在儲層飽和度解釋中得到廣泛應(yīng)用,其前提是同一油水系統(tǒng)中的油層和水層在水性上一致,即Rw相等,但針對東營凹陷南斜坡沙三段(Es3)濁積、沙四段(Es4)灘壩低滲透砂巖油藏,在實際工作中,依據(jù)該方法進行的飽和度解釋常常面臨一些矛盾和爭議之處。本文以實際資料解釋為基礎(chǔ),分析飽和度解釋差異,初步探討了其造成差異的原因,以及今后進一步研究的方向。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東營凹陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷東南部,是一個從古新世發(fā)育起來的箕狀斷陷盆地。該區(qū)西靠青城凸起和濱縣凸起,北鄰陳家莊凸起,東臨青坨子凸起,南靠魯西隆起,勘探面積約5 700 km2,是中國東部最重要的富油凹陷之一[11]。東營凹陷沙三中-沙四上亞段是該區(qū)主要烴源巖層。其中沙四段純下地層以泥巖和石膏質(zhì)泥巖沉積為主,屬于間歇性咸水湖泊沉積。沙四段純上地層主要沉積了深灰色-灰黑色油頁巖,屬于常年閉流咸水湖泊性質(zhì)[12]。沙三下亞段地層沉積了黑色頁巖、油頁巖等巖石,屬于深湖相沉積。到沙三中亞段地層的巖石中包括了塊狀泥巖和粉砂巖,是湖盆水體變淺的結(jié)果。受當(dāng)時水體深淺變化、伴隨油氣充注等方面的影響,地層水的鹽度也存在差異,這是測井解釋選取地層水電阻率時需要關(guān)注的問題。

2 飽和度解釋中Rw值偏差的實例

2.1 典型水層反算法在油層含水飽和度解釋中導(dǎo)致Sw計算值偏高

研究區(qū)A井目的層位為沙三下亞段,儲層埋深約在3 200 m左右,屬于低-特低滲透砂巖儲層。

對該井目的層段的取心分析飽和度進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),含油飽和度和含水飽和度之和小于100%(見圖1),這在砂巖地層中較為常見。主流觀點認為在密閉取心條件下,若不考慮油氣散失,其飽和度之和應(yīng)為100%,即密閉取心分析的含水飽和度是準(zhǔn)確的,含油飽和度由于降壓脫氣、油氣散失等因素影響有所降低,通常將100%減去含水飽和度作為含油飽和度的準(zhǔn)確值[13]。

圖1 A井密閉取心層段So—Sw關(guān)系圖

圖5 B井測井曲線圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

根據(jù)測井確定油層油氣飽和度的可靠程度是通過對非滲濾油基泥漿鉆井所取巖心進行分析后加以檢驗的。非滲濾油基泥漿能保證巖樣處于天然飽和狀態(tài)[14]。對該井目的層段密閉取心分析含水飽和度,并進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),巖石中殘余水飽和度(即含水飽和度Sw)分布區(qū)間在30%～45%(見圖2),因此對應(yīng)得到該層段含油飽和度應(yīng)該為55%～70%,也在一定程度上說明了該井雖然物性差但距離油源較近,從而具有較高的含油飽和度。

圖2 A井密閉取心層段含水飽和度統(tǒng)計圖

圖3 A井巖電參數(shù)a—m關(guān)系圖

圖4 A井巖電參數(shù)b—n關(guān)系圖

巖電參數(shù)a、b、m、n是基于Archie公式求取含水飽和度必需的參數(shù)。為更好地對比含水飽和度計算結(jié)果,對該層段巖石進行了巖電實驗數(shù)據(jù)的測量,其中圖3和圖4顯示的分別是巖電參數(shù)a—m和b—n的取值。較高的相關(guān)系數(shù)表明了實測的巖電參數(shù)具有良好的統(tǒng)一性,可用于下一步含水飽和度的定量解釋。

對典型水層反算法獲得Rw的應(yīng)用效果展開分析。首先選取典型水層,B井和C井為A井同一層系的鄰井,通過綜合判別,B井44號層為典型的水層;再將44號層的含水飽和度假設(shè)為100%,基于Archie公式和前期確定的巖電參數(shù)進行反算,得到其地層水電阻率為0.06 Ω·m,典型水層的測井曲線參見圖5。

圖6 C井測井曲線圖

同理,對圖6中的典型水層進行反算得到其地層水電阻率約為0.07 Ω·m。從B井和C井反算的結(jié)果來看,二者差異不大。將該反算結(jié)果帶入A井中進行油層的飽和度解釋,解釋結(jié)果表明,當(dāng)?shù)貙铀娮杪嗜≈禐?.06 Ω·m時,計算的油層含水飽和度主要分布區(qū)間在45%～60%,即油層含油飽和度集中在40%～55%之間,這與前期密閉取心分析的55%～70%結(jié)論有所矛盾。因此,當(dāng)采用典型水層反算法時,將反算得到的地層水電阻率直接帶入油層飽和度計算,會導(dǎo)致油層的含水飽和度計算值偏高(含油飽和度計算偏低)(見表1)。

表1 A井油層飽和度計算結(jié)果對比

2.2 油層水資料測定法在水層Sw解釋中導(dǎo)致計算值偏低

表2為A井試油過程中來自目的層系油層壓裂后獲取的水樣。在正常情況下,賦存在低滲透砂巖油層中的水不可動,但由于壓裂的影響,使得儲層內(nèi)局部孔隙結(jié)構(gòu)部分程度上得到改善,從而導(dǎo)致一部分束縛水得以釋放。根據(jù)地層水資料測定得到2份水樣的地層水電阻率均為0.039 Ω·m,將該值帶入模型解釋,其油層計算結(jié)果與密閉取心分析值有著較好的對應(yīng)性,但是將其帶入上述B井和C井的典型水層時,2口井中明顯的水層其含油飽和度計算結(jié)果分別達到35%和22%。

分析表明,當(dāng)存在油層壓裂地層水分析資料時,將依據(jù)不同離子濃度折算的地層條件下的地層水電阻率帶入油層可以得到較為合理的結(jié)果。但將Rw帶入典型水層解釋時,解釋的Sw通常達不到80%,這種結(jié)果與水層的概念明顯不符。

同時,2種不同方法得到的地層水電阻率之間的較大差異也顯示了目前傳統(tǒng)Rw取值方法中,同一層系油層、水層取同一套值可能會帶來較大誤差。

3 地層水Rw值偏差原因探究

3.1 從Archie公式推導(dǎo)

阿爾奇公式[15-16]

(1)

表2 A井水分析資料一覽表

式中,Rw為地層水電阻率,Ω·m;φ為孔隙度,小數(shù);Sw為含水飽和度,小數(shù);a、b、m、n被稱為阿爾奇參數(shù),對于均質(zhì)砂巖,m、n默認取值為2。

假設(shè)對于油層和水層而言,二者均遵循阿爾奇公式,即

(2)

(3)

當(dāng)油層和水層均屬同一巖性,物性也相差不大時,若地層水電阻率取值一致,則上述算式可表述為

(4)

得到

(5)

即儲層飽和度僅與電阻率增大率有關(guān),從式(5)出發(fā),假設(shè)飽和度指數(shù)n=2,則電阻率增大率取值從1～10時,可分別得到一系列含水飽和度和含油飽和度值。表3為不同電阻率增大率條件下油水飽和度的相對關(guān)系。從表3中可以看出,只有當(dāng)油層的電阻率增大率大于5以上,含油飽和度才大于55%,而通常情況下,電阻率增大率大于2即可判定為油層,因此該推理結(jié)果明顯與實際情況不符。

表3 不同電阻率增大率下油水飽和度關(guān)系

上述分析表明,即使是同層位的儲層,油層中的束縛水和水層中地層水水性也是有差別的。油層中的束縛水礦化度要高于水層中的地層水,即油層中的Rw要小于水層中的Rw。這一認識對于目前基于阿爾奇公式的測井定量解釋意義重大,一方面它為前述在實際工作中普遍存在的矛盾提供了一個良好的解釋;另一方面也可以更好地輔助今后儲量計算工作,為以往采用典型水層反算法而低估的油氣儲量尋找到了理論依據(jù)。

3.2 從油氣成藏水來源及演化差異分析

地層中地層水的化學(xué)特性是地理、地質(zhì)環(huán)境變遷導(dǎo)致的地下水動力場和化學(xué)場經(jīng)漫長、復(fù)雜演化的結(jié)果[17]。油層中地層水的化學(xué)特性可能等同于臨近水層的化學(xué)特性,也可能與之完全不同,這取決于地層水與其宿主巖的形成時間[18]。

對陸相斷陷盆地,地層水中離子的運移、聚集過程比較復(fù)雜[19]。陸相斷陷盆地中的地層水是以原生水為主還是以外來水為主,取決于沉積后的地質(zhì)運動與油氣運移。在同一沉積體系的地質(zhì)剖面上,地層水的化學(xué)特征既受控于沉積環(huán)境又受控于沉積后的成巖作用及構(gòu)造運動,它與盆地中油氣的生、聚、運、散有著十分密切的關(guān)系[20-22]。筆者通過多方調(diào)研和反復(fù)論證,提出一種新的認識,即認為其差異主要來源于成藏期含烴流體的影響。

不同成藏時期的含烴流體特征模式可總結(jié)為3個階段。第1階段(成藏前),儲層巖石中飽含原始地層水,此時的地層水多為低礦化度;第2階段(成藏時),裹挾著油氣的流體逐漸充注到儲層中,高礦化度含烴流體逐步驅(qū)替原低礦化度地層水,由于含烴流體的高礦化度影響以及油、水的重力分異,導(dǎo)致儲層中垂向上礦化度自上而下顯示為高礦化度到低礦化度的變化;第3階段(成藏后),油水在重力作用下進一步分異,油氣進一步聚集,油層水均為高礦化度水賦存于巖石微孔隙中,含水量較低,且與水層或圍巖隔離,不易擴散或交換,因此得以繼續(xù)保持成藏流體礦化度特征。而組成水層的礦化度的鹽類物質(zhì)由于擴散或與圍巖交換,隨時間推移,礦化度會逐步降低,從而導(dǎo)致了油、水層不同的礦化度表現(xiàn)。該解釋可較好地詮釋目前東營凹陷南坡飽和度解釋所遇到的矛盾情況。

4 含油飽和度解釋研究展望

傳統(tǒng)的飽和度解釋立足于阿爾奇公式計算含水飽和度Sw和含油飽和度So,通常更多關(guān)注公式中的巖電參數(shù)a、b、m、n,而對實際的地質(zhì)情況考慮較少,在進行地層水電阻率Rw選值時,大都認為油層和水層數(shù)值相同。

但是針對東營凹陷南斜坡沙三段濁積、沙四段灘壩低滲透砂巖油藏,由于其與油源距離較近,就需要考慮油氣充注、運移以及成藏后期各種地質(zhì)作用對于地層水電阻率的影響。在油氣充注過程中,原始流體中水分子攜帶的各種離子受油氣運移影響較大,使得在該類油藏中油層水和地層水電阻率Rw差異較大。針對該類型的油氣藏,進行飽和度評價時,在準(zhǔn)確確定a、b、m、n巖電參數(shù)的基礎(chǔ)上,還應(yīng)重視Rw的合理選取。

需要在上述認識基礎(chǔ)上進一步通過實驗深入研究油層與水層離子類型、濃度及Rw之間的關(guān)系。在得到兩者之間較為準(zhǔn)確的計算方式或比例關(guān)系后,就能夠較為準(zhǔn)確地確定油層地層水電阻率值,從而提高研究區(qū)以及與之相似油藏的飽和度解釋的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論與認識

(1) 東營凹陷南斜坡低滲透砂巖油藏中飽和度評價對于儲量精確估算、油藏開發(fā)具有重要作用。但是通過對比測井計算和實際測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者存在較大差異,典型水層反算法在油層含水飽和度解釋中導(dǎo)致Sw計算值偏高,而油層水資料測定在水層含水飽和度解釋中又導(dǎo)致計算值偏低,獲得準(zhǔn)確的低滲透砂巖油藏飽和度成為測井研究的難題。

(2) 封閉體系中油氣成藏后,油層水通常為高礦化度水,含水量較低,與水層或圍巖隔離,不易擴散或交換,因此得以繼續(xù)保持成藏流體礦化度特征。而水層水中的鹽類物質(zhì)由于擴散或與圍巖交換,礦化度降低,從而導(dǎo)致了油、水層不同的礦化度表現(xiàn)。

(3) 為了使得測井計算飽和度結(jié)果更加準(zhǔn)確,在關(guān)注巖電參數(shù)a、b、m、n的基礎(chǔ)上,還應(yīng)重視Rw的合理選取,并深入研究油層和水層地層水電阻率之間的關(guān)系,從而為該類型的低滲透砂巖油藏的飽和度解釋工作提供可靠依據(jù)。

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