劉建新 胡文亮 高楚橋 趙 彬 付焱鑫 羅 健 何玉春 魏曉晗

(1. 中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335； 2. 長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院 湖北武漢 430100)

隨著海上低孔低滲儲層油氣資源量占油氣總資源量的比重越來越大，低孔低滲儲層的油氣勘探和開發(fā)得到了越來越多的關(guān)注，但目前海上低孔低滲油氣藏勘探開發(fā)技術(shù)相較于陸上同類型油氣藏稍顯滯后，特別是海上致密性砂巖、特低孔滲砂巖等儲層的測井評價(jià)技術(shù)和方法還處于探索階段。以東海地區(qū)X凹陷Y區(qū)低滲-致密砂巖儲層為例，孔隙度主要為6%～10%，滲透率主要為0.16～1.60 mD，孔滲關(guān)系差，屬于典型的低孔特低滲儲層。由于低滲-致密儲層的巖性、物性以及孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致儲層的導(dǎo)電機(jī)理不清，巖電特征復(fù)雜多樣，精確評價(jià)儲層的含水飽和度十分困難[1-2]。在解釋理論和解釋方法方面，多年來飽和度評價(jià)一直沿用經(jīng)典的阿爾奇公式，但阿爾奇公式僅適用于均勻介質(zhì)、儲層條件較理想的油藏，用它解決非均質(zhì)性嚴(yán)重的低滲透儲層、泥質(zhì)砂巖儲層或者復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)儲層時(shí)(比如低孔低滲儲層、致密砂巖儲層、縫洞性碳酸鹽巖儲層等)，巖電關(guān)系均呈現(xiàn)非阿爾奇現(xiàn)象[3-8]，飽和度解釋精度不能滿足儲量計(jì)算和開發(fā)的需求。

為提高飽和度計(jì)算精度，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多工作。針對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的非阿爾奇現(xiàn)象，張恒榮 等[9]、鄭慶林 等[10]基于復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)以及低孔低滲儲層特點(diǎn)提出了阿爾奇修正模型；考慮泥質(zhì)附加導(dǎo)電的影響，姚軍朋 等[11]探討了西門度公式和印度尼西亞公式在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用效果和影響因素，王迪 等[12]提出了改進(jìn)的西門度模型；由于固定巖電參數(shù)模型的不適用性，羅少成 等[13]、王培春 等[14]建立了可變巖電參數(shù)的飽和度模型；此外還有一些學(xué)者基于核磁共振技術(shù)，用核磁T2譜法評價(jià)飽和度[15-16]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及CT技術(shù)的進(jìn)步，劉學(xué)鋒 等[17]利用局部孔隙度理論和平均滲流理論等進(jìn)行了三維數(shù)字巖心的準(zhǔn)確性評價(jià)，劉學(xué)鋒[18]則利用有限元和數(shù)字巖心技術(shù)對巖石的電學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。

針對東海地區(qū)X凹陷Y區(qū)低滲-致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，本文提出了2種含水飽和度計(jì)算方法。第一種是從巖石物理意義角度，基于三維納米CT掃描的物理建模方法，構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，據(jù)此分析孔隙結(jié)構(gòu)對膠結(jié)指數(shù)m值的影響，并提出基于數(shù)字巖心實(shí)驗(yàn)的變m值計(jì)算方法，可據(jù)此使用變m值西門度飽和度模型；第二種是從孔隙結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，基于巖電分析和壓汞資料，利用地層因素與核磁偽毛管壓力轉(zhuǎn)換中值半徑的關(guān)系，提出地層因素F-RC50飽和度模型。

1 數(shù)字巖心變m值西門度飽和度模型

由于東海X凹陷Y區(qū)低滲-致密砂巖儲層非均質(zhì)性較強(qiáng)、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在部分泥質(zhì)含量較高的層位，經(jīng)典阿爾奇公式在該地區(qū)的適用情況并不理想，因此目前該地區(qū)主要使用考慮泥質(zhì)影響的飽和度計(jì)算模型，如西門度飽和度模型(式1)。但對比而言，變m值西門度飽和度模型在該地區(qū)的適用性更好。本文基于數(shù)字巖心三維納米CT掃描構(gòu)建的三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，分析孔隙度與膠結(jié)指數(shù)m的理論關(guān)系，并據(jù)此建立變m值西門度飽和度模型。

(1)

式(1)中：Sw為含水飽和度,小數(shù)；a為巖性系數(shù)；φ為地層有效孔隙度，小數(shù)；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Rt為地層真電阻率，Ω·m；Vsh為地層泥質(zhì)含量，小數(shù)；Rsh為泥巖電阻率，Ω·m；m為膠結(jié)指數(shù)；n為飽和度指數(shù)。

1.1 巖石膠結(jié)指數(shù)影響因素

建立同時(shí)反映巖石孔隙度和孔隙曲折度的巖石物理模型。設(shè)L表示巖石標(biāo)本的測量長度，l表示巖石的毛細(xì)管長度，T代表孔隙曲折度，則根據(jù)Wyllie和Rose關(guān)于孔隙曲折度T的定義式[19]，有

T=(l/L)2

(2)

根據(jù)宏觀歐姆定律[20]，可以得到地層因素F和曲折度T之間的關(guān)系，即

(3)

由此可得

(4)

(5)

可以看出，m與孔隙度和曲折度有關(guān)，孔隙度越大，m越大;曲折度越大，m越小。

1.2 基于數(shù)字巖心的變膠結(jié)指數(shù)計(jì)算方法

基于數(shù)字巖心的巖石物理數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谖⒂^尺度上定量考察各種因素對巖心宏觀物理參數(shù)的影響，彌補(bǔ)巖心巖石物理實(shí)驗(yàn)的不足。本文三維納米CT掃描實(shí)驗(yàn)使用Xradia公司的MicroXCT-200微米掃描儀，數(shù)據(jù)處理軟件是FEI公司的可視化軟件AVIZO。

圖1為樣品1納米CT掃描三維顯示圖。圖2為樣品1的灰度分布直方圖。由圖2可以看出，樣品1峰值對應(yīng)閾值為4 262.05，即0～4 262.05內(nèi)灰度總計(jì)數(shù)占總值的93%。

基于巖石導(dǎo)電性原理，從輸入端到輸出端，必然有導(dǎo)電通路，而在軟件中固態(tài)是被假設(shè)為不導(dǎo)電的。

為減少運(yùn)算程度以及避免出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤，首先要對樣品孔隙進(jìn)行連通處理(圖3)，然后針對連通處理后的連通孔隙利用有限體積法和歐姆定律計(jì)算出地層因素F，最后結(jié)合連通處理后的孔隙度，由阿爾奇公式計(jì)算膠結(jié)指數(shù)m。

圖2 樣品1的灰度分布直方圖Fig .2 Histogram of gray distribution of sample 1

圖3 巖心樣品1連通處理前后孔隙空間分布Fig .3 Pore space distribution before and after connectivity processing of core sample 1

經(jīng)過計(jì)算，巖心樣品1未連通前孔隙度為7.603%(該樣品巖心覆壓孔隙度為7.7%)，連通處理后的孔隙度為5.867%。對連通處理后的巖心再進(jìn)行地層因素的計(jì)算，得到F值為134.784 9?；诎柶婀?式(6))，求得m值為1.729。

(6)

為研究微觀孔隙對膠結(jié)指數(shù)m的影響，使用同一樣品，通過設(shè)置不同的閾值分割孔隙度，獲取真實(shí)巖樣一定孔隙度范圍內(nèi)膠結(jié)指數(shù)m的理論數(shù)值。表1為巖樣1在4種不同閾值下，孔隙度在5%～8%，連通孔隙度在1%～6%范圍內(nèi)地層因素和膠結(jié)指數(shù)m的理論數(shù)值。

表1 樣品1不同閾值下連通處理后孔隙度與地層因素、 膠結(jié)指數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Data of porosity,formation factors and cementation index after connectivity processing under different thresholds for sample 1

依據(jù)同一思路，通過調(diào)整閾值設(shè)置，計(jì)算獲取樣品1-①～1-④連通孔隙在1%～6%范圍內(nèi)的膠結(jié)指數(shù)m理論值。樣品1-①～1-④連通孔隙度與m理論值關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，數(shù)字巖心m理論值整體上隨孔隙度增大而增大，與式(4)所得膠結(jié)指數(shù)與孔隙度關(guān)系一致，也與該地區(qū)巖石物理實(shí)驗(yàn)分析膠結(jié)指數(shù)與孔隙度關(guān)系一致(圖5)。但圖4中也存在部分不符合以上規(guī)律的樣本點(diǎn)，如圖4b樣品2中連通孔隙度3.2%～3.5%區(qū)間部分樣本點(diǎn)、圖4c樣本3中連通孔隙度3.2%～4.2%區(qū)間部分樣本點(diǎn)，分析認(rèn)為主要和調(diào)整閾值設(shè)置有關(guān)，并不具有普遍性，在變m值分析中可剔除此類樣本點(diǎn)。

由式(6)變換得到m表達(dá)式為

(7)

由此可見，m值可以視為與地層因素和孔隙度相關(guān)的函數(shù)，將其變換為式(8)所示的簡化形式后，仍為與地層因素與孔隙度相關(guān)的函數(shù)。

圖4 樣品1連通孔隙度與膠結(jié)指數(shù)理論值的關(guān)系Fig .4 Relationship between connected porosity and cementation index m value of sample 1

圖5 X凹陷Y區(qū)低滲-致密砂巖儲層m值與孔隙度關(guān)系Fig .5 Relationship between porosity and cementation index of low permeability tight reservoirs in Y area of X sag

m=clnF+dlnφ

(8)

式(8)中：c、d為常數(shù)。

(9)

根據(jù)樣品1-①～1-④連通孔隙度與膠結(jié)指數(shù)理論值數(shù)據(jù)，回歸擬合出數(shù)字巖心變m值計(jì)算公式為

(10)

需要說明的是，以上僅是基于數(shù)字巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了膠結(jié)指數(shù)值變化規(guī)律對低滲-致密儲層含水飽和度計(jì)算的影響。而對于另一個(gè)重要巖電參數(shù)——飽和度指數(shù)n，其數(shù)值在低滲-致密儲層中受到巖性潤濕性的影響，因此該類型儲層含水飽和度計(jì)算中還應(yīng)重視n值變化規(guī)律。

2 地層因素F-中值半徑RC50飽和度模型

上述變m值的飽和度模型是基于孔隙度變化建立的。對于非均質(zhì)性更強(qiáng)的儲層，充分考慮儲層的孔隙結(jié)構(gòu)對于建立更準(zhǔn)確的飽和度模型與評價(jià)儲層含水飽和度具有重要意義。中值半徑是表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，而核磁共振測井提供了精確的儲層孔隙度和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)方面的信息，為中值半徑的計(jì)算提供了有效途徑[21-23]。

通過巖電分析和壓汞資料，可以建立研究區(qū)儲層中值半徑RC50和地層因素F的關(guān)系(圖6)。

(11)

圖6 研究區(qū)儲層中值半徑與地層因素之間的關(guān)系Fig .6 Relationship between the median of capillary radius and formation factors

從圖6可以看出，中值半徑和地層因素確實(shí)存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)巖石具有較小的中值半徑時(shí)，其地層因素F值較大，反之則地層因素F值變小。為得到飽和度結(jié)果，需建立含水飽和度和地層因素的關(guān)系式。由阿爾奇公式可知，飽和度的表達(dá)式為

(12)

式(12)中的地層水電阻率和地層電阻率分別可以從地層水分析資料和測井資料分析得到，因此只須確定地層因素F，基于式(12)即可計(jì)算出儲層的含水飽和度。由式(11)可知，確定了儲層的中值半徑即可得到儲層的地層因素F。

基于壓汞實(shí)驗(yàn)資料可以發(fā)現(xiàn)，滲透率與中值半徑具有較好的相關(guān)性(圖7)，因此可以利用滲透率計(jì)算中值半徑，進(jìn)一步計(jì)算儲層的地層因素F，從而達(dá)到計(jì)算儲層的含水飽和度的目的。

RC50=1.063 2K0.376 3

(13)

中值半徑參數(shù)還可以利用核磁測井資料轉(zhuǎn)換的偽毛管壓力pC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得,即通過建立核磁測井T2譜與實(shí)驗(yàn)毛管壓力曲線的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以將T2曲線轉(zhuǎn)換為偽毛管壓力曲線，并基于偽毛管壓力曲線獲得儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，具體過程如下。

圖7 研究區(qū)儲層滲透率與中值半徑的關(guān)系Fig .7 Relationship between permeability and the median of capillary radius

首先，利用微分相似原理確定每塊巖樣的核磁共振T2譜與壓汞曲線之間的橫向轉(zhuǎn)換系數(shù)C；然后，利用最大汞飽和度確定每塊巖樣核磁共振T2譜與壓汞曲線之間的縱向轉(zhuǎn)換系數(shù)D；最后，建立橫向轉(zhuǎn)換系數(shù)C、縱向轉(zhuǎn)換系數(shù)D與核磁共振T2譜提供的物性參數(shù)之間的關(guān)系，在核磁共振測井中利用得到的轉(zhuǎn)換系數(shù)關(guān)系式(式(14))定量計(jì)算偽毛管壓力曲線。

(14)

3 實(shí)例分析

利用本文提出的2種飽和度模型分別對東海地區(qū)X凹陷Y區(qū)Y1、Y2井進(jìn)行含水飽和度定量評價(jià)。圖8為Y1井A3層基于數(shù)字巖心的變m值西門度模型計(jì)算的含水飽和度測井綜合解釋成果圖，圖中第8道為含水飽和度道，其中紅色線為基于數(shù)字巖心的變m值西門度公式計(jì)算的含水飽和度，藍(lán)色線為巖電實(shí)驗(yàn)定m值西門度公式計(jì)算的含水飽和度；綠色桿狀線為巖心分析含水飽和度。從圖8可以看出，在孔隙結(jié)構(gòu)相對均質(zhì)的層位，變m值和定m值西門度模型計(jì)算的含水飽和度基本一致；但在泥質(zhì)含量較低的低滲-致密純砂巖儲層段，如4 336～4 340 m層段，由于孔隙結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，變m值西門度模型計(jì)算的含水飽和度與密閉取心含水飽和度吻合更好，計(jì)算精度更高,更加適用于研究區(qū)低滲-致密儲層。

圖8 X凹陷Y1井A3層利用變m值計(jì)算含水飽和度測井綜合解釋圖Fig .8 The variable m is used to calculate water saturation well logging interpretation results of A3 layer in Well Y1 in X sag

圖9為Y2井A3層利用F-RC50飽和度模型計(jì)算的含水飽和度測井綜合解釋成果圖,圖中第8道為含水飽和度道，其中紅色線SWF為基于滲透率利用F-RC50飽和度模型計(jì)算的含水飽和度；藍(lán)色線SWE_NMR_F為核磁測井偽毛管壓力曲線換算的中值半徑RC50，再利用F-RC50飽和度模型計(jì)算的含水飽和度；黑色線SWE為定m值利用西門度公式計(jì)算的含水飽和度;綠色桿狀線為密閉取心含水飽和度。從圖9可以看出，對于3 550 m以上氣層，3種方法計(jì)算的含水飽和度基本一致，且與巖心分析結(jié)果吻合較好。對于3 550 m以下層段，定m值西門度模型計(jì)算的含水飽和度約為65%，依據(jù)此結(jié)果判斷該層段為氣水同層；但該井3 553～3 572 m層段進(jìn)行DST測試，φ25.4 mm油嘴，日產(chǎn)氣少量，日產(chǎn)水441.8 m3，測試結(jié)論為水層，解釋結(jié)論與測試結(jié)論不符。但該層段利用F-RC50飽和度模型計(jì)算的含水飽和度超過80%，依據(jù)此結(jié)果判斷該層為水層，解釋結(jié)論與測試結(jié)論一致，說明F-RC50飽和度模型更加適用于該地區(qū)低滲-致密儲層。

圖9 X凹陷Y2井A3層利用F-RC50飽和度模型計(jì)算含水飽和度測井綜合解釋圖Fig .9 F-RC50 saturation model is used to calculate water saturation well logging interpretation results of A3 layer in Well Y2 in X sag

4 結(jié)論

1) 東海X凹陷低滲-致密儲層數(shù)字巖心連通孔隙度與膠結(jié)指數(shù)理論計(jì)算值呈正相關(guān)關(guān)系，即膠結(jié)指數(shù)隨孔隙度增大而增大。

2) 基于壓汞、巖電實(shí)驗(yàn)資料，有效建立地層因素與中子半徑的關(guān)系，利用核磁偽毛管中值半徑、滲透率計(jì)算中值半徑均能精確計(jì)算儲層含水飽和度。

3) 根據(jù)數(shù)字巖心樣品連通孔隙度與膠結(jié)指數(shù)理論值數(shù)據(jù)，回歸擬合出數(shù)字巖心變m值計(jì)算公式，基于此變m值的西門度飽和度模型在研究區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儲層中具有更好的適用性，含水飽和度計(jì)算精度更高。

4)F-RC50飽和度模型在研究區(qū)也具有較好的應(yīng)用效果，計(jì)算精度優(yōu)于定m值西門度模型。建議研究區(qū)在有核磁資料的情況下使用F-RC50飽和度模型，無核磁資料時(shí)使用基于數(shù)字巖心的變m值飽和度模型計(jì)算含水飽和度。