閆頂點,潘保芝,李萬才,張曉明

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130026;2.中石化東北油氣分公司,吉林長春130026)

0 引 言

潤濕性反映油藏條件下油或水與巖石顆粒表面的親合展布能力。巖石通常分為水潤濕、油潤濕和中性潤濕,大多數(shù)油藏是水潤濕(巖石親水)。對于泥質(zhì)砂巖來說,所含的礦物成分影響潤濕性,如綠泥石可能會使巖石變?yōu)橛蜐櫇?。對于有機頁巖地層而言,有機有效孔隙度φEO和有機質(zhì)含量TOC密切相關(guān)。有研究提出φEO是在熱成熟過程中形成的,而油是有機物產(chǎn)生并排出的,新形成的有機質(zhì)孔隙一開始就暴露在石油中,很可能導(dǎo)致頁巖成為油潤濕[1]。潤濕性是影響巖石孔隙中油水分布和流動的主要因素,決定了油和水的相對滲透率、毛細管壓力和石油采收率等。有研究表明,潤濕性與飽和度指數(shù)n密切相關(guān)[2],因此,潤濕性的不確定性不僅影響油氣的產(chǎn)生,而且直接影響油氣層測井評價的可靠性。

獲取巖石潤濕性的實驗方法主要有接觸角法、Amott法和USBM法。雖然潤濕性的實驗方法相對準確,但存在耗時大、費用高、巖樣數(shù)量有限且不連續(xù),只能反映巖石地面環(huán)境下的特征等不足。近年來,大量研究進行了測井評價潤濕性方面的探索。主要是基于電阻率模型和經(jīng)驗方法,如Suman等[3]通過建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型研究潤濕性和孔隙結(jié)構(gòu)對巖石電阻率的影響,發(fā)現(xiàn)潤濕性對部分含水砂巖飽和度指數(shù)有顯著影響,相同孔隙結(jié)構(gòu)的油潤濕巖石比水濕巖石的n高。劉堂宴等[4]根據(jù)A&M大學(xué)的巖電實驗,利用密閉巖心的飽和度分析和電測井綜合定性判別潤濕性。Graham等[5]采用了電阻率測井、輔助RFT地層測試等定性識別油藏潤濕性。Holmes等[6]采用三測井組合法,通過從Pickett圖確定飽和度指數(shù)n與膠結(jié)指數(shù)m的關(guān)系定性地進行頁巖潤濕性判斷,認為,mn為水潤濕,但沒有給出依據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)定量計算n的方法。Richard Merkel等[7]將NMR、介電測井和巖心數(shù)據(jù)結(jié)合起來研究可變潤濕性。Archana Jagadisan等[8]將干酪根作為熱成熟度的函數(shù),判斷了有機頁巖潤濕性的變化。上述測井評價潤濕性的方法,離不開巖心分析的支撐,且僅限于定性分析。

本文基于Holmes三測井組合(自然伽馬、密度或中子、電阻率)方法,定性地判斷儲層潤濕性,提出了一種用測井資料定量估算n的方法。并對龍鳳山地區(qū)致密砂泥巖儲層和彭水地區(qū)頁巖氣儲層進行了應(yīng)用。

1 潤濕性對飽和度指數(shù)n的影響

含油飽和度通常由測井所獲得的儲層電阻率Rt評價含水飽和度Sw而獲得,其中的參數(shù)需要在實驗室中通過巖電實驗統(tǒng)計得出。

(1)

式中,Sw為巖石的含水飽和度;Rt為在含水飽和度Sw下的巖石電阻率;R0為巖石完全含水時的電阻率;IR為地層電阻率指數(shù)或電阻率增大系數(shù);飽和度指數(shù)n可以由巖心分析求得,在logIR-logSw圖中的斜率即為n值。n值由孔隙結(jié)構(gòu)、潤濕性等特性決定,其中潤濕性是極其重要的影響因素。

R0與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)

(2)

代入式(1)得到含水飽和度為

(3)

式中,Rw為地層水電阻率;a為巖性系數(shù),通常為1.0;m為膠結(jié)指數(shù),與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān);φ為孔隙度,小數(shù)。式(3)為阿爾奇公式[9]。

Mungan等[10]指出,阿爾奇公式有3個假設(shè):①飽和度和電阻率的關(guān)系是唯一的;②孔隙性巖石,n是常數(shù);③所有的鹽水都傳導(dǎo)電流。近年的研究也表明,僅當(dāng)巖石是強水潤濕時,這些假設(shè)是合理的。因為,n取決于巖石中導(dǎo)電相流體的分布,即取決于潤濕性。

通過實驗可以分析潤濕性對飽和度指數(shù)n的影響。Keller[11]提出潤濕性會影響巖石的導(dǎo)電性。隨著油潤濕性增加,n值也增加。如果潤濕性改變,流體在孔隙空間分布將改變導(dǎo)電路徑的長度和橫截面積,因而改變巖石的電阻率。因此,當(dāng)同一巖樣潤濕性改變時,同一飽和度將測量到不同的電阻率。將同一塊巖心,清洗后(水濕)與原始狀態(tài)(油濕)測得的logIR-logSw曲線比較發(fā)現(xiàn),隨著潤濕性的變化,斜率發(fā)生了明顯的變化,即n值變化。研究表明,水潤濕巖心的飽和度指數(shù)n主要分布在小于2的范圍,中性潤濕巖心主要分布在2左右,而油潤濕巖心較大。據(jù)此,可以看出飽和度指數(shù)n對巖石的潤濕性非常靈敏,二者之間存在很好的相關(guān)性,如果能從測井資料求出飽和度指數(shù)n,就可以預(yù)測儲層的潤濕性[12]。

2 利用三測井組合資料評價儲層潤濕性

常見的碎屑巖油氣儲層分為泥質(zhì)砂巖儲層和有機頁巖(頁巖氣、油頁巖)儲層2類。雖然2類巖石在成分、孔隙結(jié)構(gòu)和油氣賦存狀態(tài)等方面存在差異,通常在測井評價方法上也是不同的,但在本文利用測井資料計算m、n值時,使用的方法是一致的。

使用三組合測井方法確定儲層的潤濕性時,需要用到中子—密度交會圖和孔隙度—電阻率交會圖(Pickett圖)。其中,Pickett圖用來解釋m和n值。

從上述式(1)、式(2)和式(3)推測出n、m值,需要事先確定出孔隙度φ。

2.1 泥質(zhì)含量Vsh與孔隙度φ的確定

泥質(zhì)砂巖所用體積模型包括骨架、泥質(zhì)和孔隙3部分。采用常規(guī)的測井方法,如中子—密度方法來計算有效孔隙度φ,并將泥質(zhì)含量Vsh計算出來。

頁巖氣儲層有效孔隙度分為無機有效孔隙度φE和有機有效孔隙度φEO。通常情況下,有機有效孔隙度φEO中多為油,φ=φE+φEO。

2.2 含水飽和度Sw和束縛水飽和度Swi的確定

含水飽和度Sw由式(3)確定。純砂巖地層的m、n數(shù)值與強水潤濕系統(tǒng)的標準阿爾奇m、n值是一致的。但當(dāng)含有綠泥石等礦物時,就可能成為油潤濕,使得n值升高。為了在沒有巖心分析情況下確定n值,需要知道束縛水飽和度Swi和孔隙度φ的關(guān)系。

通過巖心分析,如相滲分析、壓汞分析以及離心核磁共振分析確定束縛水飽和度Swi。當(dāng)有密閉取心時,作巖心孔隙度與含水飽和度交會圖,孔隙度對應(yīng)飽和度最小值作為束縛水飽和度,擬合得到束縛水飽和度和孔隙度的關(guān)系曲線,從而利用孔隙度值計算出束縛水飽和度Swi。

Buckles[13]得到了有效孔隙度φ和束縛水飽和度Swi的關(guān)系

φ·Swi=C

(4)

兩端取對數(shù)得

logφ+logSwi=logC

式中,φ·Swi是束縛水孔隙度;常數(shù)C的量級取決于巖石的巖性和巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。一般來說,砂巖C值為0.02～0.1;粒間碳酸鹽巖為0.01～0.06;孔洞碳酸鹽巖為0.005～0.06。

Holmes等[14]認為Buckles關(guān)系式(4)為特解問題,提出了更普遍的關(guān)系式

φQ·Swi=C

(5)

指數(shù)Q即為Buckles數(shù),在0.8～16變化,與巖石類型有關(guān),通常為1.0,即式(4)。

純地層孔隙度與含水飽和度的比較表明,有些純地層具有可變的Buckles數(shù),表明了巖石類型的變化。然而,頁巖地層有機有效孔隙不含自由水,且Q基本為常數(shù),大多表示單一的巖石類型[6]。

式(5)在雙對數(shù)坐標系下形式為

logSwi=-Qlogφ+C

(6)

在雙對數(shù)坐標系中畫出束縛水飽和度和孔隙度的交會圖,趨勢線的斜率等于-Q,與縱軸的交點為常數(shù)C,這樣利用式(6)可以計算出束縛水飽和度。

2.3 Pickett圖確定m、n值

Pickett圖[15]可以用來解釋m、n和Rw。根據(jù)式(3),兩端取對數(shù),

(7)

當(dāng)Sw=100%時,得水線方程

(8)

在雙對數(shù)坐標系中繪制Pickett圖,Z值為φQ·Swi。在Pickett圖上,畫出水線,由式(8)知,水線斜率為-1/m,即可得出m值。其他不同Sw等值線為平行于水線的直線(見圖1)。

圖1 利用Pickett圖確定潤濕性的原理圖

根據(jù)相同顏色(Z值相同)的數(shù)據(jù)點的分布趨勢,畫出巖石的線性數(shù)據(jù)基準線,即圖1中的綠線。由式(4)和式(7),當(dāng)Sw=Swi,Q=1時,可以得到

(9)

由此可以看出在雙對數(shù)坐標系下,束縛水飽和時,基準線的斜率為1/(nm)。如果斜率為負,則nm,說明為油潤濕。

在定性分析n與m的關(guān)系后,本文提出了一種基于測井曲線定量計算n值的方法。在Pickett圖上(見圖1),當(dāng)孔隙度φ一定,用式(6)確定Swi,在水線(Sw=100%)上通過A點得到Rw,由水線斜率得到m值,作出含水飽和度不等于100%時的其他趨勢線。通過B點讀出Rt值,選擇最小含水飽和度線(油氣層)。此時Sw=Swi,將這些值代入(1)式,便可以計算出n值,通過n的大小判斷儲層的潤濕性。即在沒有巖心分析數(shù)據(jù)的情況下,僅根據(jù)測井曲線確定m、n值,n值對潤濕性的指示,為提高測井評價精度打下基礎(chǔ),為后續(xù)的油藏開發(fā)提供有力指導(dǎo)。

3 實際資料處理與應(yīng)用效果

3.1 龍鳳山地區(qū)巖電參數(shù)特征及潤濕性測井評價

龍鳳山地區(qū)營城組地層主要受西南物源和南物源2個物源的影響,自南向北呈現(xiàn)出綠泥石包膜逐漸變厚、含量逐漸增加的變化。已有的資料表明,該區(qū)綠泥石是引起儲層油潤濕的原因[16]。圖2為龍鳳山地區(qū)×1井和×2井巖石測量得到的n值直方圖,可以看出×1井巖樣的n值偏小,而×2井的n值明顯偏大。這是因為×2井位于綠泥石包膜變厚的區(qū)域,綠泥石引起了潤濕性的變化,導(dǎo)致了×2井n偏大。

圖2 龍鳳山地區(qū)×1、×2井n值直方圖

圖3為×1井中子—密度Z(GR)值圖,橫軸為中子孔隙度,縱軸為密度,Z值為自然伽馬,骨架點和水點連線得到純含水砂巖線,分析可得孔隙度。

圖3 ×1井中子—密度Z值圖

圖4為龍鳳山地區(qū)×1井的Pickett圖,圖4中用中子孔隙度CNL代表總孔隙度?？梢娀鶞示€的趨勢斜向下,斜率為正,表明n

圖4 龍鳳山地區(qū)×1井Pickett圖

圖5 龍鳳山地區(qū)×2井Pickett圖

圖5為×2井的Pickett圖,可見基準線的趨勢斜向上,斜率為負,即n>m,n偏大,說明為油潤濕。通過×2井的孔隙度束縛水飽和度交會圖,得到Q=14,C=0.03。同樣用上述方法定量計算出m=13,n=4.812。該井段巖心實驗獲得的m=1.192,n=5.203,說明本文基于Pickett圖得到的m、n值以及潤濕性的判斷是正確的。

3.2 彭水頁巖氣儲層的潤濕性測井評價

在彭水頁巖氣地區(qū),首先根據(jù)飽和度孔隙度交會圖中孔隙度對應(yīng)飽和度的最小值,作為束縛水飽和度Swi,根據(jù)孔隙度擬合計算出束縛水飽和度。

圖6為彭水地區(qū)×3井頁巖地層Pickett圖,由圖中可見基準線的趨勢斜向上,斜率為正,表明n>m,說明為油潤濕。通過×3井的孔隙度束縛水飽和度交會圖,得到×3井Q=1.1,C=0.03。用本文所述方法定量計算得到m=2.0,n=2.514。該井段巖心實驗獲得的m=1.892,n=2.521,說明本文基于Pickett圖得到的判斷是正確的。

4 龍鳳山地區(qū)潤濕性核磁證據(jù)

已有的研究說明,潤濕性影響到了核磁共振T2譜的分布特征。油潤濕時,隨著含水飽和度的減小,T2譜的峰值向T2值變大的方向移動;水潤濕時,隨著含水飽和度的減小,T2譜的譜峰向T2值變小的方向移動[17]。本文基于核磁共振實驗,定量分析了龍鳳山地區(qū)砂泥巖儲層的潤濕性。

選取了龍鳳山地區(qū)的部分巖樣在實驗室進行了核磁共振T2譜測量(見表1)。圖7為核磁共振T2譜示例圖。圖7(a)為水潤濕巖樣,圖7(b)為油潤濕巖樣,可以看到油潤濕巖樣有T2主峰向右偏移的現(xiàn)象。表1中分別對比了T2=0.1 ms與T2=1 ms時離心前后孔隙度分量與n值大小的關(guān)系。定義離心前、后孔隙度分量分別為y1、y2,離心前后孔隙度分量變化率為yd。

為了定量說明T2譜特征與潤濕性的關(guān)系,本文建立了n-yd的交會圖(見圖8),橫軸為n,縱軸為離心前后T2=1 ms孔隙度分量變化率yd。

圖7 龍鳳山地區(qū)核磁共振T2譜示例

表1 龍鳳山地區(qū)核磁共振測量表

圖8 離心前后孔隙度分量變化率與n值關(guān)系圖(T2=1 ms)

由圖8可以看出,離心前后孔隙度分量的變化率yd隨著n的增大有減小的趨勢。水潤濕巖樣,巖石表面容易吸附水分子,機械離心力很難克服化學(xué)分子間的吸引力,所以離心難以分離出去。而對于油潤濕巖樣,由于水分子與巖石表面間的吸附力小,離心后容易將水排除。

5 結(jié) 論

(1)潤濕性表征了油(水)與巖石表面的親合力,是影響油藏開發(fā)的重要變量,利用測井資料評價潤濕性參數(shù)對油田的勘探開發(fā)具有重要意義。根據(jù)潤濕性的衡量和評價標準,找出了潤濕性與巖電參數(shù),尤其是與阿爾奇公式中的飽和度指數(shù)n之間的關(guān)系:油潤濕時,n值大,水潤濕時,n值小。

(2)使用了三測井組合資料評價儲層潤濕性的方法對龍鳳山泥質(zhì)砂巖儲層和彭水頁巖氣儲層的測井資料進行了處理分析,從中獲得飽和度指數(shù)n的大小,對于儲層定量評價飽和度至關(guān)重要。這種方法提供了關(guān)于儲層是水潤濕或油潤濕的定量數(shù)據(jù)。適用于任何三測井組合系列的井,所以該方法實用性廣泛,能夠更加全面地認識油水的流動特性,且該方法在初步判斷儲層潤濕性方面具有良好的實際應(yīng)用效果,為儲層開發(fā)提供支撐。

(3)對核磁共振技術(shù)研究儲層潤濕性進行了探索,從核磁共振對巖石潤濕性響應(yīng)的基礎(chǔ)方法研究做起,分析了部分巖樣的核磁共振T2分布特征,設(shè)計相應(yīng)的巖石物理實驗,定量分析了巖石的潤濕性。