盧艷,楊清山,劉傳平

(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,黑龍江 大慶 163712)

0 引 言

測井定量解釋飽和度理論基礎(chǔ)的阿爾奇公式中有4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)a、b、m、n。在油層未注水之前,甚至注水開發(fā)以后的儲(chǔ)層,常規(guī)測井解釋中直接將m、n理論值或由常溫常壓條件下油驅(qū)水巖電實(shí)驗(yàn)所得出的實(shí)驗(yàn)值帶入不同形式的阿爾奇公式求取飽和度。但是,通過研究發(fā)現(xiàn),在不同的地層溫度、壓力、地層水礦化度、巖石物性條件下,m、n值都會(huì)有不同程度的變化[1-10]。

油層注水開發(fā)以后,隨著注入水與原始地層水逐漸混合,油層被水淹。由于注入水與原始地層水礦化度不同,造成混合液電阻率逐漸發(fā)生變化,由這種變化引起的儲(chǔ)層電阻率等均發(fā)生相應(yīng)的變化,阿爾奇公式中4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)m、n、a、b在水驅(qū)油過程中相應(yīng)變化。模擬油藏注水開發(fā)實(shí)際情況,開展了高溫高壓(實(shí)際地下情況)水驅(qū)油實(shí)驗(yàn),研究了水驅(qū)油過程中各參數(shù)的變化規(guī)律,與油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論進(jìn)行了對比,并從理論上對各參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)選取朝陽溝油田取心井巖樣,按區(qū)域水型配制礦化度10 000 mg/L、電阻率0.661 Ω·m的地層水,制備10塊完全飽和地層水的巖樣樣品。在模擬油藏條件下(儲(chǔ)層圍壓小于14 MPa、平均深度大于1 100 m、孔壓9 MPa、溫度60 ℃),先用模擬油對飽和地層水的巖樣進(jìn)行油驅(qū)水實(shí)驗(yàn),制備出束縛水飽和度的巖樣,分別測量飽含水及束縛水飽和度的巖樣電阻率;然后測量10塊不同孔隙度巖心樣品分別在3種礦化度(600、5 000、10 000 mg/L,對應(yīng)電阻率分別為9.484、1.269 3、0.661 Ω·m)水驅(qū)油條件下不同含水飽和度的電阻率,研究水驅(qū)條件下電阻率與含水飽和度之間的關(guān)系及各巖電參數(shù)的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的目前含水飽和度精度達(dá)到5.4%,滿足注水開發(fā)中水淹層測井解釋的需求。

圖1 水驅(qū)條件下混合液電阻率隨含水飽和度變化的理論曲線

1 水驅(qū)油過程中儲(chǔ)層參數(shù)變化規(guī)律

1.1 混合液電阻率變化規(guī)律

在原始油層成藏過程中,即油驅(qū)水的過程中,地層水電阻率Rw不變,而在油層采用注入水過程后,原始地層水與注入水不斷混合,并且逐漸被注入水驅(qū)替出來,最后達(dá)到注入水的礦化度(或電阻率)。該過程中地層水的電阻率一直處在變化的過程。即當(dāng)含水率為0時(shí),混合水電阻率表現(xiàn)為地層水電阻率。當(dāng)含水率為100%時(shí),混合水電阻率表現(xiàn)為注入水電阻率,根據(jù)注入水與原始水之間的離子交換作用,給出了求取混合水電阻率Rwz的方法

(1)

由產(chǎn)水率公式可知

(2)

(3)

(4)

式中,Sw為含水飽和度;Rwz為混合水電阻率;Rwi為原始水電阻率;Rwp為注入水電阻率;Swi為束縛水飽和度;Sor為殘余油飽和度;c1、c2、c3為系數(shù)。

圖1給出了水驅(qū)油條件下10塊巖樣利用式(4)計(jì)算的Rwz隨含水飽和度Sw變化的理論關(guān)系圖。從圖1中可看出,注入水礦化度不同,Rwz隨含水飽和度的變化程度也不同。但無論哪種注入水礦化度,在水驅(qū)初期,Rwz均隨含水飽和度Sw增大,Rwz變化較小;水驅(qū)后期,隨著含水飽和度增大,Rwz變化較大。從理論模擬可以看出,混合液電阻率的變化可分為3個(gè)階段。

(1) 在原始狀態(tài)下,儲(chǔ)層水完全表現(xiàn)為束縛水的特征。開發(fā)初期,隨著注入水逐漸進(jìn)入儲(chǔ)層,并與原始地層水混合形成了混合液,在該過程中由于注入水注入體積少,占次要作用,所以儲(chǔ)層水主要表現(xiàn)為原始束縛水的特征?；旌弦弘娮杪孰S含水飽和度的變化不是十分明顯。

(2) 在注水開發(fā)中期,注入水進(jìn)一步與原始束縛水混合,且對儲(chǔ)層的影響逐漸變大,混合液電阻率隨含水飽和度的變化較大。

(3) 在開發(fā)后期,儲(chǔ)層水基本上是注入水,表現(xiàn)為注入水的特征對儲(chǔ)層的影響占主導(dǎo)地位。

在油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)中,地層水電阻率是一個(gè)定值,而在水驅(qū)油過程中,阿爾奇公式中地層水電阻率Rw是一個(gè)時(shí)刻變化的參數(shù),在利用阿爾奇公式計(jì)算飽和度時(shí)也應(yīng)該采用變化的Rw,而不能采用原始的地層水電阻率。

1.2 地層電阻率變化規(guī)律

在注水開發(fā)過程中,油層電阻率的變化是以下2個(gè)過程的疊加。

(1) 注入水驅(qū)替出油層中的油,油層的含水飽和度增加,使油層的電阻率降低。

(2) 注入水與原始地層水混合,逐次被注入水驅(qū)出,混合液電阻率由原始水逐漸向注入水電阻率變化,且在生產(chǎn)井見水之前變化較慢,生產(chǎn)井見水之后變化較快。

在水驅(qū)過程中,若第1過程占主導(dǎo)地位,儲(chǔ)層的電阻率隨含水飽和度的增加而降低;反之,若第2過程占主導(dǎo)地位,儲(chǔ)層的電阻率根據(jù)R=Rwp/Rwi的大小隨含水飽和度的增加呈不同的變化規(guī)律。在開發(fā)初期(即生產(chǎn)井產(chǎn)水之前),過程(1)往往占主導(dǎo)地位,油層的電阻率隨著含水飽和度增加而降低。在開發(fā)中、后期(即生產(chǎn)井產(chǎn)水之后),過程(2)占主導(dǎo)地位,油層的電阻率隨著含水飽和度增加而出現(xiàn)降低或不變或增大。

圖2給出了水驅(qū)油條件下10塊巖樣在3種注入水礦化度情況下,Rt隨含水飽和度Sw變化的關(guān)系圖。從圖2可看出,當(dāng)R>2.5時(shí),Rt和Sw關(guān)系曲線呈非對稱的“U”型曲線,水驅(qū)結(jié)束時(shí)的儲(chǔ)層電阻率往往高于原始油層的電阻率,Rwp/Rwi比值越大,電阻率上升的越高。當(dāng)Rwp/Rwi≤2.5時(shí),水驅(qū)過程中儲(chǔ)層的電阻率始終呈直線下降趨勢,儲(chǔ)層的電阻率始終小于原始油層的電阻率,且Rwp/Rwi比值越小,電阻率下降的越快。這和油驅(qū)水過程電阻率單調(diào)變化規(guī)律不同。

圖2 水驅(qū)條件下地層電阻率隨含水飽和度變化的關(guān)系曲線

圖3 水驅(qū)條件下地層因素與孔隙度關(guān)系圖

1.3 巖電參數(shù)a、m的變化規(guī)律

1941年Archie先生在美國達(dá)拉斯石油工程與礦業(yè)學(xué)會(huì)上宣讀了關(guān)于利用電阻率測井確定儲(chǔ)集層參數(shù)的著名論文,1942年正式發(fā)表了對電法測井具有劃時(shí)代意義的Archie公式,他認(rèn)為地層因素的大小主要取決于地層孔隙度、巖石性質(zhì)、膠結(jié)程度和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān),而與地層水電阻率無關(guān)。經(jīng)典的阿爾奇公式表達(dá)式為[11-13]

(5)

式中,Sw為含水飽和度,f;Rw為地層水電阻率,Ω·m;Rt為地層電阻率,Ω·m;φ為孔隙度,f;m為孔隙度指數(shù),又稱為膠結(jié)指數(shù);n為飽和度指數(shù);a、b為地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù);I為電阻率增大系數(shù)。圖3給出了水驅(qū)油條件下10塊巖樣在3種注入水礦化度情況下,地層因素與孔隙度關(guān)系圖。從圖3中可看出,由于a是與巖性有關(guān)的比例系數(shù),m為膠結(jié)指數(shù),隨膠結(jié)程度而變化,a、m與注入水礦化度沒有關(guān)系,這與阿爾奇實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論是一致的。也就是說,注水開發(fā)過程中,a、m的取值可以選原始油層狀態(tài)下的a和m值。油驅(qū)水、水驅(qū)油過程巖電參數(shù)a、m是不變的。

1.4 R0的變化規(guī)律

在阿爾奇公式中,R0的定義為孔隙中完全充滿水的巖石電阻率值,它與所含水的電阻率Rw、孔隙度φ、巖性有關(guān)。由于注水開發(fā)過程中,地層水電阻率不斷發(fā)生著變化,根據(jù)阿爾奇公式可以得出

(6)

式中,Rwz為混合液電阻率,根據(jù)式(4)計(jì)算得出。

圖4給出了水驅(qū)油條件下10塊巖樣在3種注入水礦化度情況下,R0與含水飽和度關(guān)系圖。從理論模擬可以看出,水驅(qū)地層R0的變化可分為3個(gè)階段。

(1) 開發(fā)初期,隨著注入水逐漸進(jìn)入儲(chǔ)層,并與原始地層水混合形成了混合液,在該過程中由于注入水注入體積少,占次要作用,所以儲(chǔ)層水主要表現(xiàn)為原始束縛水的特征。R0隨含水飽和度的變化不是十分明顯。

圖4 水驅(qū)條件下R0隨含水飽和度變化的理論曲線

圖5 含水飽和度與電阻率增大系數(shù)關(guān)系圖

(2) 在注水開發(fā)中期,注入水進(jìn)一步與原始束縛水混合,且對儲(chǔ)層的影響逐漸變大,R0隨含水飽和度的變化較大。

(3) 在開發(fā)后期,儲(chǔ)層水基本上是注入水,表現(xiàn)為注入水的特征對儲(chǔ)層的影響占主導(dǎo)地位,R0接近100%含注入水時(shí)的地層電阻率。

油驅(qū)水過程R0是一個(gè)定值,而水驅(qū)油過程R0是一個(gè)不斷變化的參數(shù)。

1.5 電阻率增大系數(shù)變化規(guī)律

根據(jù)阿爾奇公式,圖5對比了采用變化的R0和不變的R0時(shí)對應(yīng)的電阻率增大系數(shù)I與含水飽和度的關(guān)系。從圖5可以看出。

(1) 注水初期,R0變化時(shí)的地層電阻率增大系數(shù)與R0不變時(shí)的地層電阻率增大系數(shù)是相同的,在雙對數(shù)坐標(biāo)下,隨含水飽和度的增加幾乎呈線性下降。

(2) 當(dāng)含水飽和度達(dá)到40%以后時(shí),隨著注水的增加,在雙對數(shù)坐標(biāo)下,R0不變時(shí)地層電阻率增大系數(shù)與R0變化時(shí)的地層電阻率增大系數(shù)與含水飽和度關(guān)系趨勢線分開,分開的程度和走勢與注入水電阻率與原始地層水電阻率比值有關(guān)系。

(3) 當(dāng)注入水電阻率與原始地層水電阻率差別不大時(shí),水驅(qū)油過程電阻率增大系數(shù)與油驅(qū)水過程電阻率增大系數(shù)近似為1條直線。

油驅(qū)水實(shí)驗(yàn)中電阻率增大系數(shù)與含水飽和度呈線性關(guān)系,而水驅(qū)油實(shí)驗(yàn)中電阻率增大系數(shù)與含水飽和度關(guān)系不再呈線性關(guān)系,由于水驅(qū)油過程R0是變化的,計(jì)算電阻率增大系數(shù)時(shí)也應(yīng)該采用變化的R0。

1.6 巖電參數(shù)b、n變化規(guī)律

由于在水驅(qū)油過程中,混合液電阻率不斷發(fā)生變化,導(dǎo)致電阻率增大系數(shù)是一個(gè)變化的參數(shù),這和油驅(qū)水過程地層水電阻率是定值情況不同。因此水驅(qū)油過程的b和n,應(yīng)根據(jù)水驅(qū)過程變化的電阻率增大系數(shù)與飽和度關(guān)系得到。另外,如果注入水礦化度與原始地層水礦化度不同,導(dǎo)致電阻率增大系數(shù)與含水飽和度曲線出現(xiàn)不同的形態(tài)(見圖6),注入水礦化度與原始地層水礦化度差異越大,曲線分區(qū)越明顯,如圖6(a)中,當(dāng)原始地層水礦化度為10 000 mg/L,注入水礦化度為600 mg/L時(shí),電阻率增大系數(shù)與含水飽和度關(guān)系圖出現(xiàn)明顯的3個(gè)分區(qū),對應(yīng)實(shí)際注水開發(fā)過程中弱未水洗、中水洗和高水洗3個(gè)過程。因此,計(jì)算b和n時(shí),應(yīng)該分成3個(gè)不同階段分別計(jì)算出不同階段的b和n值。圖6(b)和圖6(c)對比了變化的巖電參數(shù)情況下計(jì)算的飽和度與巖樣飽和度關(guān)系。從圖6(b)和圖6(c)可以看出,利用分段變化的R0計(jì)算的飽和度與巖樣飽和度是一致的,而不變的R0計(jì)算的飽和度誤差較大,不能模擬注水開發(fā)過程。

圖6 變化的巖電參數(shù)情況下計(jì)算的飽和度與巖樣飽和度關(guān)系

圖7 ×80井測井解釋成果圖*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

2 應(yīng)用分析

由于研究區(qū)儲(chǔ)層含泥重,泥質(zhì)附加導(dǎo)電性強(qiáng),采用了適用于研究區(qū)塊的Indonesia方程求取目前含水飽和度,其理論基礎(chǔ)是并聯(lián)導(dǎo)電理論和阿爾奇方程,公式為

(7)

式中,Vsh為黏土含量,小數(shù);φ為孔隙度,小數(shù);Rwz為混合地層水電阻率,Ω·m;a為泥質(zhì)砂巖附加導(dǎo)電校正系數(shù);Rt為地層真電阻率,Ω·m;m為膠結(jié)指數(shù);Rsh為泥巖電阻率,Ω·m;n為飽和度指數(shù)。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,計(jì)算出目前含水飽和度,經(jīng)2016—2017年新完鉆的4口密閉取心檢查井驗(yàn)證,平均絕對誤差為5.4%,滿足生產(chǎn)需求。圖7為研究區(qū)密閉取心檢查井×80井的測井解釋成果圖。從圖7可以看出,測井計(jì)算的目前含水飽和度與巖心分析一致性較好。

3 結(jié)果和結(jié)論

(1) 開發(fā)初期,混合液電阻率隨含水飽和度的變化不是十分明顯;在注水開發(fā)中期,混合液電阻率隨含水飽和度的變化較大;在開發(fā)后期,儲(chǔ)層水基本上是注入水。

(2) 在開發(fā)初期(即生產(chǎn)井產(chǎn)水之前),油層的電阻率隨著含水飽和度增加而降低。在開發(fā)中、后期(即生產(chǎn)井產(chǎn)水之后),油層的電阻率隨著含水飽和度增加而出現(xiàn)降低或不變或增大。

(3)a、m與注入水礦化度沒有關(guān)系,不隨注入水過程而改變。

(4) 開發(fā)初期,R0隨含水飽和度的變化不是十分明顯;在注水開發(fā)中期,R0隨含水飽和度的變化較大;在開發(fā)后期,R0接近百分百含注入水時(shí)的地層電阻率。

(5) 注水初期,地層電阻率增大系數(shù)隨含水飽和度的增加幾乎呈線性下降;當(dāng)含水飽和度達(dá)到40%以后時(shí),注入水礦化度不同,地層電阻率增大系數(shù)與含水飽和度關(guān)系不同,出現(xiàn)“L”型或直線型。

(6) 在注水開發(fā)過程中,應(yīng)根據(jù)注入水與原始地層水礦化度關(guān)系,選擇變化的R0時(shí)計(jì)算出的b和n值計(jì)算含水飽和度,在計(jì)算b和n時(shí)要根據(jù)注水不同階段給出不同的值,這與原始油層未經(jīng)注水時(shí)采用的b和n值不同。

(7) 應(yīng)用水驅(qū)油巖電得到的m和a值,分不同階段給出混合液電阻率和巖電參數(shù)b和n,采用Indonesia公式計(jì)算含水飽和度與密閉取心檢查井對比,精度較高,滿足了水淹層解釋的需要。

(8) 在油層注水開發(fā)過程中,混合液電阻率、地層電阻率、電阻率增大系數(shù)、阿爾奇公式中巖電參數(shù)b和n等均發(fā)生了相應(yīng)的變化,實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為注水開發(fā)過程中水淹層解釋提供了理論依據(jù)。