蔣阿明，李秋政

(中國(guó)石化 江蘇油田分公司 勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

對(duì)于純砂巖來說，傳統(tǒng)的阿爾奇公式是測(cè)井資料求取含油或含水飽和度的有效手段[1-5]，其定量評(píng)價(jià)效果已在準(zhǔn)確判斷油氣層和合理計(jì)算儲(chǔ)量等方面得到廣泛體現(xiàn)。但泥質(zhì)砂巖因其所含黏土礦物的附加導(dǎo)電性，其含油飽和度測(cè)井評(píng)價(jià)帶有很大的不確定性[6]，因此，一直以來也是石油工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。前人對(duì)于泥質(zhì)砂巖飽和度的解釋提出了包含有泥質(zhì)附加導(dǎo)電的多種解釋模型[7-13]，Waxman-Smits模型(也即W-S模型)就是其中的一種[14]。根據(jù)沙埝—花莊—瓦莊(簡(jiǎn)稱沙花瓦)地區(qū)阜寧組三段(E1f3)儲(chǔ)層實(shí)際資料，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)W-S模型中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了修正，較好地解決了該區(qū)含油飽和度的解釋難點(diǎn)，并在油田勘探開發(fā)中取得了明顯的效果。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

高郵凹陷是蘇北盆地最富油氣的凹陷，北斜坡是該凹陷3個(gè)勘探開發(fā)油氣區(qū)帶之一[15-16]；沙花瓦地區(qū)油藏富集群位于北斜坡中東部，與西部韋碼地區(qū)油藏富集群相遙望。沙花瓦地區(qū)含油層系以古近系阜寧組二段、一段(E1f2+1)和阜寧組三段(E1f3)為主；韋碼地區(qū)E1f3無(wú)儲(chǔ)層和油層[17]。

蘇北盆地E1f2+1油層巖性主要是較純凈的細(xì)砂巖，利用電阻增大率法容易識(shí)別出油層、油水同層和水層，常規(guī)阿爾奇公式也能準(zhǔn)確獲得含油飽和度參數(shù)。高郵凹陷北斜坡E1f3巖相屬于蘇北盆地大型三角洲前緣亞相的殘留部分[18]，儲(chǔ)油巖石以粉砂巖為主，次為含泥質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖；油層深感應(yīng)電阻率在3～12 Ω·m之間，電阻率分布跨度較大，尤其出現(xiàn)了許多3 Ω·m左右的低阻油層，與該區(qū)非典型的水層電阻率(3～5 Ω·m)比較相似，利用以往的電阻增大率法解釋油層和含油飽和度難度極大。

根據(jù)該地區(qū)E1f3巖心238塊砂巖樣品的X衍射化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，砂巖黏土含量在0.4%～40.1%之間，平均值為11%，黏土含量普遍較高。通過黏土附加導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)分析(圖1)可以看出：當(dāng)黏土含量為25%、陽(yáng)離子交換濃度(Qv)為1.68 meq/cm3、含水飽和度(Sw)(包含束縛水飽和度)在40%～60%之間時(shí)，電阻增大率(I)小于3，表現(xiàn)出油層與水層之間差異不明顯；而當(dāng)黏土含量為10%、Qv為0.51 meq/cm3、Sw為40%時(shí)，I=4，表現(xiàn)為常規(guī)油層電阻率。由此可見，儲(chǔ)層黏土含量的增加(即附加導(dǎo)電性的增加)會(huì)導(dǎo)致含油飽和度為60%的油層電阻增大率由原來的4降到3，即油層深感應(yīng)電阻率降低了25%，明顯降低了利用電阻增大率法識(shí)別油層的可信度。由此可見，沙花瓦地區(qū)儲(chǔ)層中由于含有較高的泥質(zhì)含量，造成了低阻油層的大量存在。這點(diǎn)從沙花瓦地區(qū)取心巖石的含油級(jí)別與黏土含量之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系得到印證(圖2)。該區(qū)含油性較好的儲(chǔ)層黏土含量一般小于10%，但至少有20%的油層，其黏土含量介于10%～20%之間，展示出這類含泥及泥質(zhì)粉砂巖具有良好的油氣發(fā)現(xiàn)前景。

圖1 蘇北盆地高郵凹陷沙68區(qū)塊 E1f3油藏電阻增大率與含水飽和度的關(guān)系Fig.1 Relationship between I and Sw in E1f3 reservoir of Sha 68 block, Northern Jiangsu Basin

圖2 蘇北盆地高郵凹陷沙花瓦地區(qū)E1f3含油儲(chǔ)層黏土含量頻率Fig.2 Frequency of clay content in E1f3 oil reservoir,SHW area, North Jiangsu Basin

2 W-S模型關(guān)鍵參數(shù)修正

2.1 模型描述

W-S模型是基于泥質(zhì)砂巖的陽(yáng)離子交換作用而建立的電導(dǎo)率解釋模型。其基本原理是：在含水為100%的儲(chǔ)集層巖石中，電導(dǎo)率是由黏土陽(yáng)離子交換分量和自由電解質(zhì)溶液并聯(lián)電導(dǎo)組成，同時(shí)采用相同的集合電導(dǎo)率常數(shù)，來表征自由電解質(zhì)及黏土陽(yáng)離子交換電導(dǎo)對(duì)砂巖電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)大小。因此，泥質(zhì)砂巖導(dǎo)電模型可以用如下公式表述[19]：

(1)

(2)

式中：Ct、Co、Cw分別是含油儲(chǔ)層巖石、100%含水巖石及地層水的電導(dǎo)率；B是交換陽(yáng)離子的當(dāng)量電導(dǎo)率，也可以用溶液電導(dǎo)率和地層溫度的函數(shù)形式表示；Qv是泥質(zhì)砂巖單位孔隙體積中可交換陽(yáng)離子的濃度，其主要受黏土類型及其含量和儲(chǔ)層巖石自身的物理性質(zhì)影響；F*、n*分別是泥質(zhì)砂巖的地層因素、飽和度指數(shù)；Sw是儲(chǔ)層巖石的含水飽和度。

為了更好的與阿爾奇公式相對(duì)應(yīng)，公式(1)等式兩邊分別乘以Rw后求倒數(shù)、公式(2)等式兩邊分別乘以Ro后求倒數(shù)，泥質(zhì)砂巖的2個(gè)電導(dǎo)率公式可以寫成阿爾奇公式變換形式，即由公式(1)導(dǎo)出公式(3)，公式(2)導(dǎo)出公式(4)：

(3)

(4)

式中：Rt、Ro、Rw分別為含油儲(chǔ)層巖石、100%含水巖石及地層水的電阻率，分別為Ct、Co、Cw的倒數(shù)；Φ為儲(chǔ)層孔隙度；F、I分別為純砂巖的地層因素、電阻增大率；I*、m*分別為泥質(zhì)砂巖的電阻增大率和膠結(jié)指數(shù)；a、b為與巖性有關(guān)的系數(shù)。在泥質(zhì)砂巖電阻率性質(zhì)分析中，一般把上述4個(gè)帶*號(hào)的變量和參數(shù)等同于阿爾奇公式中相應(yīng)變量和參數(shù)。

于是，可以得到W-S模型的常用表達(dá)式為：

(5)

2.2 模型中關(guān)鍵參數(shù)的修正

2.2.1 陽(yáng)離子當(dāng)量電導(dǎo)值B的確定

陽(yáng)離子的電化學(xué)當(dāng)量電導(dǎo)值B是溶液電導(dǎo)率和溫度的函數(shù)，也可以表述為地層溫度和地層水礦化度具有極值的增量函數(shù)。在相同的地層溶液礦化度條件下，若地層溫度越高，則其平衡離子當(dāng)量電導(dǎo)值就越大，也就表明黏土的附加電導(dǎo)分量越大。同樣，當(dāng)?shù)貙訙囟纫恢聲r(shí)，其陽(yáng)離子當(dāng)量電導(dǎo)率隨地層溶液礦化度增加也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并逐漸接近某一極限值。并且，當(dāng)?shù)貙铀V化度達(dá)到約等于60 g/L以后，基本在所有的溫度條件下，其平衡離子當(dāng)量電導(dǎo)值也達(dá)到給定溫度下的極限值；地層溫度越高，其對(duì)應(yīng)的平衡離子當(dāng)量電導(dǎo)極限值也就越大。這也說明，在含高礦化度地層水的泥質(zhì)儲(chǔ)層中，黏土附加電導(dǎo)分量占有相當(dāng)高的比例，因而不容忽視。B值可以根據(jù)其與溶液電導(dǎo)率以及溫度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求取，公式如下[20]：

(6)

(7)

(8)

因此，根據(jù)沙花瓦地區(qū)E1f3油藏實(shí)際地層溫度，采用上述經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算求取B值。根據(jù)測(cè)井系列的不同，分2種情況：當(dāng)電阻率取值于側(cè)向電阻率時(shí)，使用公式(7)獲取的參數(shù)計(jì)算B值；當(dāng)電阻率取值于感應(yīng)電導(dǎo)率時(shí)，使用公式(8)獲得的參數(shù)計(jì)算B值。

2.2.2 陽(yáng)離子交換濃度Qv值的確定

陽(yáng)離子交換濃度Qv是依據(jù)其與黏土礦物的陽(yáng)離子交換容量(CEC)的關(guān)系式計(jì)算而得。CEC是指pH值等于 7時(shí)黏土礦物所能交換下來的陽(yáng)離子總量；其中，Qv與CEC之間的換算關(guān)系可以用如下公式表述：

(9)

式中：ρma為巖石顆粒密度；CEC為陽(yáng)離子交換容量。

當(dāng)儲(chǔ)層的黏土礦物類型穩(wěn)定不變時(shí)，陽(yáng)離子交換量常常與儲(chǔ)層的黏土含量有關(guān)，因此可以根據(jù)CEC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立陽(yáng)離子交換容量與黏土礦物含量(Vcl)之間的統(tǒng)計(jì)模型。在沒有CEC實(shí)驗(yàn)測(cè)量的情況下，可以通過X衍射實(shí)驗(yàn)分析得到的黏土礦物成分，利用公式(9)計(jì)算出Qv最大值和最小值，再進(jìn)行加權(quán)求取平均Qv值。

選取本區(qū)16塊油跡或油斑泥質(zhì)粉砂、細(xì)砂巖樣品，通過鹽基分量測(cè)量方法測(cè)得了儲(chǔ)層的實(shí)際CEC值。測(cè)量結(jié)果顯示，CEC值在(2.67～18.63)×10-2mmol/g之間，其中小于4×10-2mmol/g僅有一塊，其對(duì)應(yīng)深度樣品的X衍射黏土含量為3.8%，而CEC最大值對(duì)應(yīng)的黏土含量為31.5%(圖3a)。因樣品較少，且由于儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，因此即使是同一個(gè)巖心柱子，也會(huì)使得用于分析CEC值與做衍射分析的樣品位置不完全一致，從而造成二者相關(guān)性相對(duì)較小，但總體趨勢(shì)表現(xiàn)為正相關(guān)。而經(jīng)對(duì)比分析認(rèn)為，CEC實(shí)際測(cè)量值與泥質(zhì)含量(粒徑小于0.0156 mm)相關(guān)性較好(圖3b)。

根據(jù)Qv與CEC關(guān)系式，并參照主要黏土類型的陽(yáng)離子交換容量[蒙皂石為(80～150)×10-2mmol/g，伊利石為(10～40)×10-2mmol/g，高嶺石為(3～15)×10-2mmol/g，綠泥石為(10～40)×10-2mmol/g]，應(yīng)用X衍射黏土含量分析資料計(jì)算出的CEC最大值和最小值，經(jīng)與實(shí)際測(cè)量值比較可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值基本處于計(jì)算值附近(圖4)。因此，應(yīng)用黏土含量計(jì)算CEC加權(quán)平均值可以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的CEC值，由此計(jì)算獲得的Qv值與泥質(zhì)含量相關(guān)性也較高。通過以上研究分析認(rèn)為，在無(wú)巖心直接測(cè)量獲得黏土附加導(dǎo)電能力的時(shí)候，泥質(zhì)含量或黏土含量可以視為估算Qv的依據(jù)，也就是說可以通過建立Qv與黏土礦物含量之間的關(guān)系圖版求取Qv值(圖5)。實(shí)測(cè)的Qv值范圍在(0.51～1.68)meq/cm3之間，泥質(zhì)(含泥)粉砂巖Qv大于1 meq/cm3，粉砂巖在1 meq/cm3以下。

圖3 蘇北盆地高郵凹陷沙花瓦地區(qū)CEC實(shí)測(cè)值與黏土含量、泥質(zhì)含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between measured values of CEC and clay or shale contents in SHW area, North Jiangsu Basin

圖4 蘇北盆地高郵凹陷沙花瓦地區(qū)CEC實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較Fig.4 Comparison between measured and calculated CEC values in SHW area, North Jiangsu Basin

圖5 蘇北盆地高郵凹陷沙花瓦地區(qū)黏土含量實(shí)測(cè)值與Qv計(jì)算值的關(guān)系Fig.5 Relationship between measured clay content and calculated Qv in SHW area, North Jiangsu Basin

2.2.3m*和n*的確定

按照泥質(zhì)砂巖導(dǎo)電理論模型，m*和n*值與黏土附加電導(dǎo)無(wú)關(guān)(即與溶液礦化度及溫度無(wú)關(guān))，而僅僅與儲(chǔ)層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。m*值求取有2種方式：一是通過泥質(zhì)砂巖樣品Co-Cw實(shí)驗(yàn)關(guān)系式中的直線段斜率s(F=1/s)與對(duì)應(yīng)的孔隙度數(shù)據(jù)求得；二是用本地區(qū)巖電實(shí)驗(yàn)得到的a強(qiáng)制為1時(shí)的膠結(jié)指數(shù)m值代替。n*值是利用公式(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的電阻增大率I值經(jīng)黏土附加導(dǎo)電校正，求取I*值，再根據(jù)I*值與含水飽和度(Sw)的擬合關(guān)系得到n*值。

圖6 蘇北盆地高郵凹陷沙花瓦地區(qū)E1f3油藏I*和Sw的關(guān)系Fig.6 Relationship between I* and Swof E1f3 reservoir in SHW area, North Jiangsu Basin

根據(jù)沙花瓦地區(qū)37塊粉砂巖樣品巖電實(shí)驗(yàn)資料，m*值采用所有樣品m值的平均值為1.707 3，因?yàn)槊恳粔K樣品在測(cè)試的時(shí)候，a值都是等于1；n*值為巖電實(shí)驗(yàn)得到的n值經(jīng)過Qv校正后，重新擬合取值為2.358(圖6)。

3 應(yīng)用效果分析

利用本次實(shí)驗(yàn)修正的W-S模型，對(duì)沙花瓦地區(qū)E1f3泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了精細(xì)測(cè)井評(píng)價(jià)。以沙68和沙18-1斷塊評(píng)價(jià)為例，沙68井E1f3油層電阻率4.5～5 Ω·m，部分儲(chǔ)層取心為泥質(zhì)粉砂巖，分別利用常規(guī)阿爾奇公式與W-S模型進(jìn)行含油飽和度計(jì)算可以看出(圖7)：W-S解釋模型在泥質(zhì)含量高的層段計(jì)算含油飽和度明顯提高，其中2、4、6、7號(hào)層平均含油飽和度增加13%左右，與巖心壓汞分析確定的含油飽和度大致相當(dāng)，有效消除了泥質(zhì)含量的影響，提高了含油飽和度解釋精度。該井上述4個(gè)小層投產(chǎn)24個(gè)月累積生產(chǎn)原油3 200 t，含水穩(wěn)定在2%左右。同時(shí)，通過對(duì)上述2個(gè)斷塊共80個(gè)試油層進(jìn)行解釋驗(yàn)證，僅5層與結(jié)論不符，解釋符合率達(dá)到94%，取得了明顯的效果。

圖7 蘇北盆地沙埝油田沙68井E1f3“四性”關(guān)系Fig.7 Relationship among “four properties” of E1f3 reservoir in well Sha68, SN Oil Field, North Jiangsu Basin

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,沙花瓦地區(qū)中部帶E1f3儲(chǔ)層主要為泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)的附加導(dǎo)電性使得含油儲(chǔ)層的電阻率降低明顯，含油飽和度為60%的儲(chǔ)層，其泥質(zhì)含量由10%增加至25%，油層電阻率降低25%，影響了油水層的識(shí)別和儲(chǔ)量評(píng)價(jià)的精度。

(2)利用實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)W-S模型中陽(yáng)離子交換濃度等主要關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修正，建立了適用于泥質(zhì)粉砂巖儲(chǔ)層的解釋模型，并經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，含油飽和度解釋精度與常規(guī)阿爾奇公式相比效果明顯。

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