馬立濤，李洋冰，陳 鑫，柳雪青，胡維強，劉 成，鄧 挺

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

隨著常規(guī)油氣可采儲量逐漸減少，非常規(guī)油氣資源逐漸成為油氣勘探的重要領域[1-4]。重油資源在非常規(guī)油氣資源中占有較大的比重，我國重油可采儲量為19.1×108t，是未來常規(guī)原油生產(chǎn)的重要接替戰(zhàn)場[5]。在渤海海域發(fā)現(xiàn)的重油油藏儲層埋藏淺(900～1 800 m)，屬于典型疏松的砂巖[6-7]。疏松砂巖等松軟介質(zhì)在壓實和卸載過程中存在彈性和塑性兩種變形方式[8-9]，鉆井取心時將巖心提升到地面，由于上覆壓力卸載和流體積膨脹，會造成疏松砂巖體積膨脹，甚至導致礦物顆粒呈游離狀態(tài)[10]。地面測得的孔隙度值一般較地層孔隙度大2%～10%[11-15]，相同的地層覆蓋壓力下，膠結(jié)程度越差，巖石地面孔隙度與地層孔隙度差值越大[16]。巖石孔隙膨脹同時影響到地層含水飽和度數(shù)值[17-18]，因此需要將地面孔隙度校正到地層條件下的孔隙度，否則可造成計算的油氣地質(zhì)儲量偏高5%～7%[19-21]。Teeuw D、袁興柏分析了油藏巖石孔隙體積、孔隙度、壓縮系數(shù)隨壓力的變化關系，并在試驗數(shù)據(jù)的基礎上提出了地層條件下巖石孔隙度的計算方法[22-23]。耿斌等[24]在巖石孔隙壓縮理論研究的基礎上，推導出了三種孔隙度地下壓縮校正方法。郝建中等[25]避開轉(zhuǎn)換關系式，通過實驗室測定巖心在不同覆壓下單軸孔隙度和三軸孔隙度的變化規(guī)律，確定與地層有效覆壓等效的靜水壓力。在等效地層有效覆壓下，測定巖心的三軸孔隙度，該孔隙度即為巖心在有效地層覆壓下的單軸孔隙度。

上述孔隙度校正理論和試驗研究，都是基于美國巖心公司提出的地層孔隙度校正公式，其中孔隙度校正系數(shù)對地層孔隙度的影響最大。Teeuw D認為常見儲集巖孔隙度校正系數(shù)在0.56～0.69之間，通常取經(jīng)驗值0.619。中石油勘探開發(fā)研究院巖石力學實驗室統(tǒng)計中國12個油田儲集層的117塊巖樣的孔隙度校正系數(shù)，其范圍在0.47～0.65之間，平均值為0.57。研究認為孔隙度校正系數(shù)采用0.57或0.619對固結(jié)巖石地層孔隙度的精度沒有影響，固結(jié)巖石和疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)仍然選用經(jīng)驗值0.619[26]。由于巖石泊松與膠結(jié)程度有關，導致疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)與固結(jié)砂巖差異較大，但目前關于疏松砂巖的孔隙度校正系數(shù)研究的資料卻有限。本文選取明華鎮(zhèn)組、館陶組、東營組三個層位的疏松砂巖作為研究目標，采用聲波試驗測試獲取不同層位疏松砂巖的泊松比和孔隙度校正系數(shù)，并結(jié)合粒度分析資料、地面孔隙度測試試驗、三軸孔隙度測試試驗來研究疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)影響因素以及孔隙度校正系數(shù)對地層孔隙度校正的影響，這對于建立精確的疏松砂巖孔隙度校圖版，提高容積法儲量計算精度具有重要意義。

1 孔隙度校正方法概述

根據(jù)美國巖心公司的研究結(jié)果，地面孔隙度、三軸等壓孔隙度和地層孔隙度有如下關系[20]：

Φr=Φ0-γ(Φ0-Φ3)

(1)

式中Φr——儲層孔隙度，%；

Φ0——地面條件下測定的巖心孔隙度稱為地面孔隙度，%；

Φ3——三軸等壓孔隙度，%；

γ——孔隙度校正系數(shù)，無量綱。

Teeuw D[11]通過對人造巖心模型理論的計算和實際巖心測試，得出校正系數(shù)γ與泊松比ν之間存在下列關系：

(2)

式中ν——巖石泊松比，無量綱。

從公式(1)可知，孔隙度校正系數(shù)γ對于地層孔隙度Φr的影響較大；由(2)式可以看出，孔隙度校正系數(shù)的大小只與泊松比有關。

2 樣品巖石學特征

巖石薄片分析資料表明：明化鎮(zhèn)疏松砂巖以中—細粒長石砂巖及粉砂巖為主，孔隙類型為原生粒間孔，填隙物含量為14%，以游離—點接觸及點接觸為主，分選中等—差。館陶組巖性以中細砂巖、含礫中—粗砂巖及砂礫巖為主，孔隙類型為原生粒間孔，填隙物含量為9%，以點接觸為主，分選差。東營組疏松砂巖以巖屑長石砂巖為主，孔隙類型以原生粒間孔為主，偶見粒間溶蝕孔隙，填隙物含量在4%～8%之間，以線—點式接觸為主，分選好—中等。可以看出，隨著深度增加，礦物顆粒接觸關系從游離—點接觸向線—點式接觸過渡；孔隙類型逐漸出現(xiàn)粒間溶蝕孔隙，如圖1所示。

3 試驗方法

疏松砂巖樣品取自Q井、P井、S井的明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組3個層位，固結(jié)砂巖樣品取自QHD井的沙河街組。在-196 ℃條件下冷凍鉆取疏松砂巖柱塞樣品，并用錫套和金屬網(wǎng)進行包封保護處理；清洗、干燥后，測量地面孔隙度、巖石視密度、泊松比、三軸孔隙度等參數(shù)。另外取50 g與柱塞樣品同深度的樣品進行巖石粒度測試試驗。

圖1 疏松砂巖鑄體薄片特征Fig.1 Characteristic of unconsolidated sand stone cast sectiona.P井，明化鎮(zhèn)上段，長石砂巖，游離接觸；b. Q井，明化鎮(zhèn)下段；c. P井，館陶組，點接觸為主；d. S井，東營組，線—點式接觸。

地面孔隙度測試試驗是在美國巖心公司生產(chǎn)的Ultrapore300型氦孔隙度儀上完成的。用三氯甲烷試劑對柱塞樣品抽提法除油；在105 ℃條件下干燥8 h后，稱重、丈量柱塞尺寸并計算柱塞樣品外觀體積；然后用Ultrapore300型氦孔隙度儀測試柱塞樣品顆粒體積，根據(jù)重量、外觀體積計算柱塞巖樣視密度、地面孔隙度。

泊松比測試試驗是在超聲分析儀上完成的。將柱塞巖樣抽真空飽和后，放入超聲分析儀巖心夾持器。由超聲分析儀發(fā)射換能器發(fā)出聲波。聲波在巖心樣品內(nèi)傳播后，送入示波器。計算機采集示波器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算處理獲得聲波在巖心樣品內(nèi)的傳播時間。再通過測量巖心樣品的長度，便可以得到巖心樣品的縱橫波聲速，然后根據(jù)縱橫波聲速計算出巖石泊松比。

三軸孔隙度測試試驗是在美國巖心公司生產(chǎn)的CMS-300覆壓孔滲儀上完成的。將測試完泊松比的柱塞巖樣干燥后，放入CMS-300覆壓孔滲儀。根據(jù)樣品的凈上覆地層壓力設定試驗壓力，測試柱塞樣品三軸孔隙度。

巖石粒度測試試驗是在MS2000型激光粒度分析儀上完成的。稱取50 g巖樣置于研缽中，破碎成粒徑小于5 mm碎塊；用三氯甲烷試劑抽提法除油后，將樣品置于陶瓷碗中，用15%的稀鹽酸除去巖樣中的碳酸鹽。在105 ℃條件下烘干4 h后，用激光粒度儀測試巖石粒度。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 包封材料對泊松比測量結(jié)果的影響研究

由于制備疏松砂巖柱塞樣品時需要使用錫套、不銹鋼網(wǎng)等包封材料，因此需要研究包封材料對泊松比測試結(jié)果的影響。沙河街組12塊固結(jié)砂巖聲波試驗數(shù)據(jù)見表1。從表中可以看出，不帶錫套包封的柱塞樣品的泊松比介于0.23～0.41之間，平均值為0.34；帶錫套包封材料的柱塞樣品的泊松比介于0.25～0.42之間，平均值為0.34。圖2顯示了由兩種狀態(tài)下測試的泊松比計算的孔隙度校正系數(shù)之間的關系，研究發(fā)現(xiàn)帶包封材料泊松比計算的孔隙度校正系數(shù)與不帶包封材料泊松比計算的孔隙度校正系數(shù)有較好的冪函數(shù)正相關性；表1數(shù)據(jù)也顯示由不帶包封材料砂巖泊松比和帶包封材料砂巖泊松比計算的校正系數(shù)平均值分別為0.67和0.68，說明錫套、不銹鋼網(wǎng)等包封材料對巖心泊松比測試的影響可以忽略。

圖2 帶包封材料孔隙度校正系數(shù)與不帶包封材料孔隙度校正系數(shù)的關系Fig.2 Relationship between porosity correction coefficient of encapsulation material and porosity correction coefficient of unencapsulation material

4.2 疏松砂巖泊松比和孔隙度校正系數(shù)影響因素

14塊疏松砂巖聲波試驗參數(shù)包括泊松比、巖縱橫波聲速和楊氏模量，具體數(shù)據(jù)見表2。從表中可以看出明化鎮(zhèn)組泊松比介于0.36～0.41之間，平均值為0.40；館陶組泊松比介于0.32～0.42之間，平均值為0.36；東營組泊松比介于0.27～0.43之間，平均值為0.35。

表1 沙河街組固結(jié)砂巖包封前后泊松比、孔隙度校正系數(shù)Table 1 Poisson’s ratio and porosity correction coefficient of Shahejie formation before and after the coating of consolidated sandstone

表2 疏松砂巖聲波試驗參數(shù)Table 2 Acoustic experiment parameters of loose sand

由圖3中可以看出，孔隙度校正系數(shù)隨疏松砂巖密度的增大呈減小趨勢，二者呈現(xiàn)出較好的指函數(shù)負相關關系，相關系數(shù)為0.79。這是由于泊松比受壓實作用、膠結(jié)作用、巖石礦物成分、粒度等因素的綜合影響，導致孔隙度校正系數(shù)減小，這與前人的研究結(jié)果[27]基本相吻合。

圖3 疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)與巖石密度的關系Fig.3 Relationship between porosity correction coefficient and bulk density of unconsolidated sand stone

圖4 疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)與粒度中值關系Fig.4 Relationship between porosity correction coefficient and median size of unconsolidated sand stone

孔隙度校正系數(shù)與巖石粒度中值之間的關系如圖4所示，從圖中可以看出孔隙度校正系數(shù)與巖石粒度中值呈一定的負相關性。關成堯、漆家福[28]等研究認為巖石礦物顆粒直徑越大，顆粒的彈性模量越大，泊松比越小。礦物顆粒直徑對巖石泊松比的影響大于礦物固有彈性模量的影響。在沉積時，水動力條件的變化使組成疏松砂巖的礦物顆粒的粒徑發(fā)生變化，因此在膠結(jié)物含量極少的情況下，疏松碎屑巖孔隙度校正系數(shù)受控于沉積相；這也是4-062C號水下分流河道砂礫巖孔隙度校正系數(shù)小于疏松細砂巖泥泊松比的重要因素。

4.3 疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)及其對孔隙度校正的影響

根據(jù)巖石泊松比試驗數(shù)據(jù)計算明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組3個層位的泊松比平均值以及相對應的校正系數(shù)，詳細數(shù)據(jù)見表3。從表中可以看出，隨著地層年代變老，孔隙度校正系數(shù)呈逐漸減小的趨勢。

表3 不同層位孔隙度校正系數(shù)Table 3 Correction coefficient of porosity in different formation

將表3確定的不同層位的孔隙度校正系數(shù)和經(jīng)驗值0.619分別帶入式(1)中，計算地層條件下的孔隙度，采用經(jīng)驗值0.61計算的地層孔隙度誤差在1.5%～4.7%之間；以試驗測試孔隙度校正系數(shù)計算的地層孔隙度為標準，明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組的平均校正誤差分別為4.0%、2.1%、3.1%，這與巖心分析方法標準所規(guī)定的孔隙度校正誤差小于0.5%相沖突，這說明孔隙度校正系數(shù)經(jīng)驗值0.619不適用于疏松砂巖。

5 結(jié)論

(1)由于錫套、不銹鋼網(wǎng)等包封材料對巖石聲波試驗沒有影響，因此聲波試驗測試的包封疏松砂巖的泊松比可以直接用于計算孔隙度校正系數(shù)。

(2)疏松砂巖的孔隙度校正系數(shù)與巖石視密度、粒度呈明顯的負相關關系。疏松砂巖孔隙度校正量與巖樣孔隙度呈正相關關系。

(3)疏松砂巖的孔隙度校正系數(shù)一般介于0.58～0.84之間，多數(shù)大于0.71；明華鎮(zhèn)組、館陶組、東營組疏松砂巖地面孔隙度校正系數(shù)分別為0.77、0.72、0.71；將經(jīng)驗值與實測值孔隙度校正系數(shù)計算地層孔隙度進行對比，結(jié)果說明經(jīng)驗值0.619不適用于疏松砂巖。