袁 龍 章海寧 李國(guó)利 韓 闖 張 文 王 謙

(①中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井應(yīng)用研究院，陜西西安710201； ②中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆庫(kù)爾勒 841000； ③中國(guó)石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300)

1 引言

庫(kù)車前陸盆地地層壓力體系復(fù)雜，白堊系砂巖儲(chǔ)層處于高溫高壓環(huán)境。在強(qiáng)構(gòu)造擠壓應(yīng)力和重力壓實(shí)作用下，致密儲(chǔ)層呈現(xiàn)特低孔、特低滲特征；同時(shí)，受強(qiáng)擠壓應(yīng)力作用，影響地層電阻率測(cè)井響應(yīng)的因素較多，常有水層被誤判為“高阻氣層”，無(wú)法準(zhǔn)確有效地識(shí)別流體性質(zhì)[1]。

評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的含油性、含油飽和度及劃分油水界面的重要指標(biāo)主要以巖石電阻率為依據(jù)[2]。20 世紀(jì)初，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)巖石電阻率開(kāi)展大量研究，Brace 等[3,4]分析并研究了在不同恒壓和裂隙水壓力等條件下發(fā)生形變的巖石電阻率變化特征，發(fā)現(xiàn)巖石電阻率受飽和度影響很大。Marcela等[5]研究發(fā)現(xiàn)未飽和巖石的電阻率隨壓力和溫度升高而呈對(duì)數(shù)下降，其主要原因是壓力的增加改變了巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征及其大小，出現(xiàn)壓電效應(yīng)，使導(dǎo)電性能加強(qiáng)、巖石的電阻率下降。這些研究成果均體現(xiàn)巖石電阻率在實(shí)驗(yàn)室理想條件下隨壓力、溫度及飽和度等參數(shù)的變化規(guī)律，不能反映實(shí)際地層受多因素影響的巖石電阻率特性。

通過(guò)大量室內(nèi)外承載介質(zhì)電阻率變化模擬實(shí)驗(yàn)研究，取得了許多成果[6-10]，認(rèn)為：隨著施加在巖石上的應(yīng)力增加，在不同應(yīng)力階段巖石電阻率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，電阻率曲線先上升，隨之保持平穩(wěn)，然后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，并最終在接近巖石主破裂處，電阻率下降至最小值。曲斌等[11]通過(guò)模擬不同地層溫度與壓力條件下不同飽和流體的巖石電阻率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨地層壓力的增加巖石電阻率值呈指數(shù)增大。關(guān)于巖石電阻率受地應(yīng)力影響，姜文龍等[12]研究了不同單軸應(yīng)力條件下砂巖和石灰?guī)r的電阻率在低應(yīng)力和高應(yīng)力段的變化情況。郝錦綺等[13]研究認(rèn)為,在巖石發(fā)生破裂前，巖石中存在的裂隙和不同性質(zhì)的流體是影響巖石電阻率變化的主要因素。這些研究成果主要依靠大量巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但對(duì)于實(shí)際地層環(huán)境下受應(yīng)力影響的巖石電阻率的變化規(guī)律研究較少，對(duì)其定量評(píng)價(jià)研究就更少。

本文基于測(cè)井資料、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬和理論機(jī)理分析，對(duì)強(qiáng)擠壓應(yīng)力條件下的電阻率校正方法進(jìn)行了探索性研究，提出了庫(kù)車前陸盆地白堊系的電阻率校正方法，最后對(duì)比了基于毛管分析J函數(shù)求取的飽和度與基于校正后電阻率計(jì)算的飽和度，驗(yàn)證了校正電阻率的可行性，形成一套基于地應(yīng)力的電阻率校正方法。

2 地應(yīng)力影響下的地層電阻率特征

庫(kù)車前陸盆地構(gòu)造帶白堊系致密儲(chǔ)層的巖性主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖，平均孔隙度約為5.0%，平均滲透率約為0.05mD，為特低孔、特低滲致密砂巖儲(chǔ)層，難以形成優(yōu)質(zhì)油氣層[14]。諸多學(xué)者研究表明[15-20]，庫(kù)車前陸沖斷帶受南天山構(gòu)造擠壓應(yīng)力、上覆鹽層誘導(dǎo)及均衡作用，下伏舒善河組巨厚泥巖的拱張作用，形成具有垂向應(yīng)力差異的背斜三層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為背斜垂向分層性，形成背斜中和面模式。該模式是在蘭姆賽褶皺中和面模式基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，表現(xiàn)為在背斜受力變形過(guò)程中頂部表現(xiàn)為張應(yīng)力，底部為壓應(yīng)力，中部則發(fā)育一個(gè)基本不發(fā)生形變的中和面(圖1)。

應(yīng)力中和面決定了白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)層的分層性。根據(jù)劃分應(yīng)力中和面的依據(jù)，結(jié)合測(cè)井曲線、儲(chǔ)層宏微觀特征、儲(chǔ)層類型、裂縫發(fā)育情況及應(yīng)力差變化等綜合因素，可劃分為垂向三層結(jié)構(gòu)：張性段、過(guò)渡段及壓扭段(表1)。

張性段：受張應(yīng)力控制，考慮到山前主要以擠壓為主，因此最大和最小應(yīng)力值較低。主要以孔隙型儲(chǔ)層為主，發(fā)育張性裂縫，物性最好?？v向上電阻率受裂縫影響，電阻率基線值約15Ω·m。孔隙型儲(chǔ)層的原生粒間孔、粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔普遍發(fā)育。

過(guò)渡段：應(yīng)力由張應(yīng)力向壓應(yīng)力過(guò)渡，應(yīng)力值升高，在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為階梯式升高?？紫遁^為發(fā)育，縱向上電阻率差異不大，電阻率基線值約為30Ω·m。儲(chǔ)層主要以裂縫孔隙型和孔隙型為主，孔隙度逐漸降低，但局部仍可能呈現(xiàn)較高孔隙度。

壓扭段：主要以壓應(yīng)力為主，應(yīng)力值較高，由于過(guò)渡段底部應(yīng)力接近壓扭段應(yīng)力狀態(tài)，因此在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為局部升高，而整體應(yīng)力值變化幅度不大。微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒受擠壓變形強(qiáng)烈、顆粒鑲嵌、膠結(jié)物擠壓變形，鮮見(jiàn)沿縫網(wǎng)的溶蝕作用。

從庫(kù)車前陸盆地構(gòu)造帶K井區(qū)的不同應(yīng)力類型特征綜合表(表1)可看出：隨著張性段、過(guò)渡段及壓扭段依次向下延伸，最大、最小水平主應(yīng)力值相應(yīng)增大，地層電阻率值呈現(xiàn)階梯式增大，其原因是隨著地層水平主應(yīng)力的增大，受主應(yīng)力差影響，地層孔隙度不斷降低，同時(shí)伴隨著孔隙流體沿著高應(yīng)力部位向低應(yīng)力部位滲流，地層電阻率值增大。研究區(qū)的構(gòu)造擠壓應(yīng)力強(qiáng)烈，隨最大與最小主應(yīng)力之差的增大而地層電阻率增大的趨勢(shì)具有一定規(guī)律性。

表1 不同應(yīng)力類型特征綜合表

3 實(shí)驗(yàn)及機(jī)理分析

3.1 實(shí)驗(yàn)

為了更好地研究分析儲(chǔ)層條件下的巖心電阻率，利用高溫、高壓、三軸儀近似模擬儲(chǔ)層的溫度和壓力環(huán)境。巖心經(jīng)過(guò)低溫干燥、表面清潔及磨光處理、加壓飽和鹽水后，放入高溫高壓三軸儀，采用交流二極法、LCR電阻測(cè)量?jī)x測(cè)量其電阻率(圖2)。電阻率計(jì)算公式為

(1)

式中：ρ為電阻率；η為測(cè)量電阻值；L為巖樣長(zhǎng)度；S為巖樣端面的面積。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)巖心制備

實(shí)驗(yàn)巖樣取自庫(kù)車河露頭剖面巴什基奇克組巖性段。其露頭儲(chǔ)集巖性主要為中粒巖屑砂巖，膠結(jié)類型多樣，以孔隙式膠結(jié)為主，孔隙類型以次生的雜基內(nèi)溶蝕微孔為主，平均孔喉半徑為1.028μm、最大孔喉半徑可達(dá)75μm，孔隙結(jié)構(gòu)類型以微孔小喉為主，其次為微孔中喉，巖石含有層理結(jié)構(gòu)。

圖2 電阻率測(cè)量裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)巖心的平均孔隙度、滲透率分別為10.04%、3.18mD。首先對(duì)巖樣按照層理走向進(jìn)行劃分，將巖心加工成5cm×5cm×5cm的立方體。為了保證巖心各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)的精度，使巖心樣品X、Y、Z三面的垂直度偏差小于±0.2°，其對(duì)應(yīng)端面的平整度誤差小于±0.1mm，邊長(zhǎng)誤差小于±0.3mm。

3.1.2 飽和鹽水配置及電阻率測(cè)量

由于研究區(qū)目的層埋藏深，上覆地層壓力大且溫度高，地層水礦化度高，配制與地層水相同礦化度的溶液，配用礦化度為180g/L的氯化鈉型鹽水，15°C時(shí)電阻率為0.059Ω·m，密度為1.1314g/cm3。用該溶液對(duì)所有巖心進(jìn)行加壓飽和，并對(duì)巖心抽真空5h以上，然后加壓飽和12h以上，待巖心充分吸水飽和后，加壓過(guò)程中依然要繼續(xù)抽真空，以確保巖心飽和100%地層水。

3.1.3 具體步驟

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈、為走滑型地應(yīng)力狀態(tài)(最大主應(yīng)力>上覆地應(yīng)力>最小地應(yīng)力)、存在明顯的構(gòu)造壓實(shí)作用，該作用受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和局部構(gòu)造作用的影響，非均質(zhì)性非常強(qiáng)，因此設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)方法。

(1)采用二極法測(cè)量方形巖心在受壓條件下的電阻率，巖心水平放置在電阻率夾持器內(nèi)，電極對(duì)稱布置在巖樣的兩個(gè)端面上，電阻率測(cè)量方向始終與軸壓方向保持一致，電阻率測(cè)量方向及軸壓、圍壓如圖3所示。

圖3 方形巖心測(cè)試方向及軸壓、圍壓示意圖

(2)設(shè)計(jì)軸壓(水平最大應(yīng)力)>圍壓(上覆地應(yīng)力、水平最小應(yīng)力)，在一定溫度(90°C)、圍壓分別為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa時(shí)，隨著軸壓遞增至70Mpa，分別測(cè)量x方向上不同壓力下的巖石電阻率值，得到巖石電阻率隨水平應(yīng)力差變化而變化的特征。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同圍壓實(shí)驗(yàn)條件下，施加軸壓前巖石的電阻率值為R0，加壓后巖石的電阻率值為Rt。Rt與R0的比值可以明顯地表征巖石電阻率值的變化特征，實(shí)驗(yàn)得到Rt/R0隨水平應(yīng)力差σ12(最大主應(yīng)力-最小主應(yīng)力)變化的曲線見(jiàn)圖4。

(2)

式中a、b為區(qū)域經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)因次。

圖5 不同致密砂巖樣品在不同圍壓下的與σ12的擬合關(guān)系

3.3 應(yīng)力對(duì)電阻率的影響機(jī)理

Dobrynin[22]和Chierici等[23]研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層巖石的孔隙度、滲透率、電阻率及密度等物理參數(shù)在很大程度上受地層壓力的影響。Dobrynin利用描述地層因素與孔隙度φ關(guān)系的Archie公式表示電阻率與壓力之間的關(guān)系

(3)

式中：F0表示地層因數(shù)；Rw表示地層水電阻率；m表示膠結(jié)指數(shù)，無(wú)因次。

當(dāng)施加壓力時(shí)，假設(shè)：①多孔巖石的電阻率變化主要取決于小孔隙喉道的收縮，且小孔隙中主要充滿束縛水；②在小孔隙或喉道中存在大量細(xì)微顆粒。則式(3)變?yōu)?/p>

(4)

假設(shè)Δm和Δφ都非常小，考慮Δφ趨于無(wú)窮小，以至(φ-Δφ)Δm≈φΔm，可得

(5)

(6)

通過(guò)大量致密砂巖樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到壓力函數(shù)D(Pp)為

(7)

式中：Pp為地層的孔隙壓力；Pm、PM分別為實(shí)驗(yàn)最小壓力和最大壓力。

假設(shè)巖石基質(zhì)壓縮系數(shù)不變，在一定壓力條件下的孔隙度相對(duì)變化為

(8)

綜合式(6)、式(7)，可得

(9)

式中cPM表示最大孔隙壓縮系數(shù)，單位為MPa-1。

圖6 上覆壓力對(duì)膠結(jié)指數(shù)的影響

圖7 膠結(jié)指數(shù)對(duì)電阻率增大系數(shù)的影響

4 電阻率校正方法

4.1 巖石力學(xué)參數(shù)

考慮庫(kù)車地區(qū)地層異常高壓、強(qiáng)應(yīng)力等實(shí)際情況，基于應(yīng)力分布的幾何空間三角函數(shù)關(guān)系，以地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和壓裂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為刻度基準(zhǔn)，引用σh-σH模型[24]計(jì)算最大主應(yīng)力σH、最小主應(yīng)力σh、垂向應(yīng)力σv， 主要采用密度測(cè)井曲線分段求和得到

(10)

式中：H0為無(wú)密度測(cè)井資料的地層垂直深度；ρ0為未測(cè)井段的地層密度平均值；ρi為測(cè)井密度值；Di為深度采樣間隔，i表示測(cè)井曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)；μ為泊松比；α為Biot系數(shù)；β1、β2分別為最小和最大水平主應(yīng)力方向上的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，與構(gòu)造形態(tài)有關(guān)；Po為上覆巖層壓力。

4.2 電阻率校正

通過(guò)上面分析得到應(yīng)力差—電阻率呈指數(shù)變化關(guān)系，為建立合理的基于地應(yīng)力校正電阻率的模型提供了可靠的依據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)可知，電阻率比值隨水平應(yīng)力差增加而增大，其變化范圍為1～1.4，隨著圍壓增加(10MPa、20MPa、30MPa、40MPa)，電阻率比值相對(duì)變小(圖5)；再根據(jù)實(shí)際地層電阻率與水平應(yīng)力差的相關(guān)特征分析，研究區(qū)目的層段的水平應(yīng)力差分別在張性段、過(guò)渡段、壓扭段不同程度地影響著地層的電阻率(圖8)，其中壓扭段地層電阻率受水平應(yīng)力差的影響最大。

圖8 地層電阻率與水平應(yīng)力差交會(huì)圖

經(jīng)典Archie實(shí)驗(yàn)的電阻率增大率為

式中：Sw為油氣層含水飽和度；n為飽和度指數(shù)，無(wú)因次；b為巖性系數(shù)，無(wú)因次。對(duì)于具有相同巖性、物性和孔隙結(jié)構(gòu)的巖石，含水飽和度的降低是導(dǎo)致電阻率增高的主要因素。結(jié)合實(shí)際情況分析，對(duì)于具有相同巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)及飽和度的巖石，地應(yīng)力的增大是電阻率增大的主要因素，為此引入一個(gè)應(yīng)力—電阻率增大率參數(shù)KI。在張性地層和壓性地層中，該參數(shù)為水平應(yīng)力差、有效應(yīng)力的函數(shù)，呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的特征，即

(11)

(12)

Pe=σv-Pp

(13)

式中：c、d、e、f為區(qū)域經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，無(wú)因次；Pe為有效應(yīng)力。

通過(guò)分析可知，在張性、壓性地層中，當(dāng)圍壓、水平應(yīng)力差均為45MPa時(shí)，應(yīng)力—電阻率增大系數(shù)隨水平應(yīng)力差、有效應(yīng)力的變化特征更符合實(shí)際地層情況。

對(duì)式(11)和式(12)兩邊分別取對(duì)數(shù)可得

(14)

(15)

(16)

將應(yīng)力—電阻率增大系數(shù)的倒數(shù)作為校正實(shí)測(cè)電阻率的系數(shù)，并引入工區(qū)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整系數(shù)k(無(wú)量綱)，就構(gòu)成了地應(yīng)力校正電阻率的模型，即

(17)

式中η′為電阻率校正值。

克深地區(qū)巴什基奇克組儲(chǔ)集層自上而下可分為張性段、過(guò)渡段、壓扭段，地層電阻率同時(shí)受構(gòu)造應(yīng)力、垂直應(yīng)力擠壓，導(dǎo)致地層電阻率增大。相較于有效應(yīng)力，目的層段的水平應(yīng)力差對(duì)地層電阻率的影響更大，通過(guò)該模型進(jìn)行地應(yīng)力校正能夠得到相對(duì)準(zhǔn)確的原狀地層電阻率。

5 結(jié)合壓汞資料計(jì)算飽和度

5.1 J函數(shù)法求取含水飽和度

目前儲(chǔ)層含水飽和度主要根據(jù)阿爾奇公式或其衍生的公式確定，且主要受電阻率和孔隙度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，含水飽和度與巖石的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要是巖石毛管壓力函數(shù)。由于研究區(qū)未進(jìn)行密閉取心，因此，本文主要采用J函數(shù)法并根據(jù)巖心資料確定研究區(qū)氣層段的含水飽和度。

對(duì)毛管壓力資料經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究和篩選，去掉非儲(chǔ)層樣品點(diǎn)后，再利用J函數(shù)對(duì)毛管壓力曲線上的毛管壓力值(Pc)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得各巖樣的資料點(diǎn)相對(duì)集中，進(jìn)而反映儲(chǔ)層的各項(xiàng)特征[17]。利用J函數(shù)對(duì)毛管壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其表達(dá)式為

(18)

根據(jù)油藏的毛管壓力與油水的重力差平衡原理[18]進(jìn)行計(jì)算，即

Pc=0.01(ρw-ρo)H

(19)

研究區(qū)束縛水飽和度求取公式為

(20)

將求得的J函數(shù)與實(shí)驗(yàn)條件下的Swn擬合，得出Swn與J函數(shù)的關(guān)系式，即

式(18)～式(23)中：σ為界面張力；θ為潤(rùn)濕角；A、B、C、D為區(qū)域經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；K為滲透率；Swn為標(biāo)準(zhǔn)化后的含水飽和度；Sg為標(biāo)準(zhǔn)化后的含氣飽和度；Swi為束縛水飽和度；ρw和ρo分別為水、油的密度；H為自由水面以上的油柱高度。

5.2 效果分析

為了分析基于應(yīng)力差校正電阻率的效果及適應(yīng)性，本文選擇KS5-1井作為標(biāo)準(zhǔn)參考井。結(jié)合地質(zhì)資料和巖心壓汞數(shù)據(jù)，對(duì)KS5-1井巴什基奇克組的第二巖性段進(jìn)行電阻率校正。通過(guò)不同應(yīng)力類型特征綜合表(表1)和KS5-1井應(yīng)力中和面劃分依據(jù)對(duì)比分析，可以看出KS5-1井6895～6925m段處于過(guò)渡段下部，其電阻率曲線較上部電阻率基線有所抬升，因此KS5-1井需要進(jìn)行電阻率校正。圖9為KS5-1井基于應(yīng)力差校正電阻率后的成果圖，最右道為原始含氣飽和度值(藍(lán)線)、校正后含氣飽和度值(紅線)及基于J函數(shù)計(jì)算的含氣飽和度值(黑色柱子)對(duì)比圖?？梢?jiàn)經(jīng)校正后的飽和度值更加接近于巖心壓汞資料分析得到的飽和度值。從圖10可以看到，基于校正后電阻率計(jì)算的含氣飽和度與基于J函數(shù)計(jì)算的含氣飽和度有著較好的相關(guān)性，平均相對(duì)誤差為4.8%，校正前飽和度與基于J函數(shù)計(jì)算的飽和度評(píng)價(jià)相對(duì)誤差為12.9%，說(shuō)明利用地應(yīng)力校正電阻率計(jì)算模型切實(shí)可行。

圖9 KS5-1井電阻率校正及巖心飽和度對(duì)比圖

圖10 基于校正前、后測(cè)井電阻率計(jì)算的飽和度與巖心J函數(shù)計(jì)算的飽和度交會(huì)圖

6 結(jié)論

庫(kù)車前陸盆地構(gòu)造帶白堊系目的層的巖性主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖，為特低孔、特低滲致密砂巖儲(chǔ)層。將目的層段的垂向三層結(jié)構(gòu)劃分為張性段、過(guò)渡段及壓扭段，隨著地應(yīng)力增大，地層電阻率值呈階梯式增大的趨勢(shì)，且具有一定的普遍規(guī)律性。

(1)基于走滑型地應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了近似模擬地層的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)擠壓條件下電阻率比值隨水平應(yīng)力差呈指數(shù)型函數(shù)增大關(guān)系。

(2)研究區(qū)儲(chǔ)層在張性段、過(guò)渡段、壓扭段對(duì)電阻率的影響呈指數(shù)變化規(guī)律，因而建立了適合研究區(qū)不同應(yīng)力段的電阻率校正模型。

(3)根據(jù)巖心壓汞資料，針對(duì)不同應(yīng)力段建立電阻率校正方法，通過(guò)典型井的處理分析，認(rèn)為利用校正后電阻率計(jì)算的含氣飽和度參數(shù)更加準(zhǔn)確。