黃友 章成廣 蔡明 蔡德洋

摘 ?????要：克深地區(qū)儲(chǔ)層主要為低孔低滲砂巖儲(chǔ)層，埋藏深，地層條件復(fù)雜，受巖性、高陡構(gòu)造傾角與強(qiáng)應(yīng)力擠壓等情況的影響，導(dǎo)致利用電法測(cè)井資料難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)油氣飽和度?；趯?shí)驗(yàn)與測(cè)井的資料，通過(guò)對(duì)地層傾角和強(qiáng)擠壓應(yīng)力作用的地層電阻率校正，考慮巖性、孔隙結(jié)構(gòu)等因素影響，建立了變巖電參數(shù)阿爾奇飽和度模型;同時(shí)還采用束縛水飽和度來(lái)驗(yàn)證含水飽和度計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：劃分巖性得到的孔隙度與ECS變骨架參數(shù)計(jì)算的孔隙度吻合的很好，說(shuō)明分巖性孔滲模型適用于該地區(qū);結(jié)合試油資料，各向異性和地應(yīng)力校正后的飽和度與原始飽和度相比，與束縛水飽和度吻合更好，更符合實(shí)際。該方法在克深地區(qū)多口井均取得了良好的應(yīng)用效果。

關(guān) ?鍵 ?詞：致密砂巖;巖性;各向異性;地應(yīng)力;束縛水飽和度

中圖分類號(hào)：TE122.2⁺4 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）01-0107-06

Saturation Evaluation Method of Low Porosity and

Low Permeability Sandstone and Its Application

HUANG You¹， ZHANG Cheng-guang¹， CAI Ming¹， CAI De-yang²

（1. Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration Technology?of?Ministry of Education， Yangtze University，

Hubei Wuhan 430100， China;

2. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Tarim Oilfield Branch， Xinjiang Korla 841000， China）

Abstract： The reservoirs in Keshan area are mainly low-porosity and low-permeability sandstone reservoirs with deep burial and complex stratigraphic conditions. Due to the influence of lithology， high and steep structural dip angle and strong stress extrusion， it is difficult to accurately evaluate oil and gas saturation with electric logging data. Based on the experimental and well logging data， through correcting?the formation resistivity under the action of formation dip angle and strong compressive stress， and considering?the influence of lithology， pore structure and other factors，?archie saturation model of variable rock electrical parameters?was established. At the same time， irreducible water saturation was?used to verify the accuracy of water saturation calculation. The results showed?that the porosity obtained by lithology classification was?in good agreement with the porosity calculated by ECS variable skeleton parameters， which indicates that the pore permeability model of lithology classification is applicable to this area. According to the oil test data， the saturation after anisotropy and ground stress correction is better consistent with the irreducible water saturation than the original one. The method has been applied in several wells in Keshen area.

Key words：?Tight sandstone; Lithology; Anisotropy;In-situ stress; Irreducible water saturation

克深地區(qū)是塔里木盆地天然氣勘探開(kāi)發(fā)的主力區(qū)塊，由于目的層白堊系巴什基奇克組為致密低孔低滲砂巖儲(chǔ)層，且存在巖性復(fù)雜、高陡構(gòu)造傾角與強(qiáng)應(yīng)力擠壓等情況，造成該區(qū)利用電法測(cè)井資料難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)油氣飽和度^[1]。

Archie在1942年以巖電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了阿爾奇公式^[2]。但阿爾奇公式在某些條件下不太適用^[3，4]，很多學(xué)者對(duì)阿爾奇公式進(jìn)行改進(jìn)。2003年，Maria在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的致密砂巖儲(chǔ)層飽和度評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證^[5]。1962年，Towel在第三屆測(cè)井分析家年會(huì)上指出，利用阿爾奇公式定量計(jì)算飽和度中的孔隙度指數(shù)m可以從2.67一直達(dá)到7.3以上，從而引起地質(zhì)學(xué)家、巖石物理學(xué)家們深入研究孔隙幾何分布與m值之間的關(guān)系。李雄炎在2014年提出不同地層條件對(duì)巖電參數(shù)的影響和膠結(jié)指數(shù)m的計(jì)算公式^[6]，并通過(guò)準(zhǔn)確得到巖電參數(shù)來(lái)提高計(jì)算飽和度的精度^[7]。

由于克深地區(qū)屬于裂縫性致密砂巖，地層傾角大，地應(yīng)力強(qiáng)，裂縫發(fā)育程度一方面增加油氣產(chǎn)能，另一方面使孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時(shí)泥漿侵入、高地層傾角、強(qiáng)擠壓應(yīng)力對(duì)電阻率影響也須考慮，這增加了油氣飽和度評(píng)價(jià)困難。泥質(zhì)的存在也影響了孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響到孔隙空間中油氣飽和度分布。因此油氣飽和度研究，除了物性影響外，還要考慮裂縫、高地層傾角、強(qiáng)擠壓應(yīng)力、泥質(zhì)等因素的影響。但通過(guò)雙重孔隙模型的裂縫發(fā)育段含氣飽和度與總含水飽和度對(duì)比，可以看出，裂縫發(fā)育段裂縫飽和度對(duì)總飽和度貢獻(xiàn)很小，可忽略。因此對(duì)于克深地區(qū)，飽和度計(jì)算時(shí)可忽略裂縫的影響。

基于實(shí)驗(yàn)與測(cè)井的資料，在研究分析得出主控因素的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的飽和度評(píng)價(jià)模型;同時(shí)還采用束縛水飽和度來(lái)驗(yàn)證含水飽和度計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 ?低孔低滲砂巖飽和度的主控因素

1.1 ?物性和巖性

從阿爾奇公式中可以看出，孔隙度是影響飽和度的重要因素之一。因此，精確地建立孔滲模型是求準(zhǔn)飽和度的重要一步。考慮到巖性的影響，分不同巖性由測(cè)井密度建立砂巖的孔滲模型。根據(jù)克深A(yù)井區(qū)四口井取芯資料的巖性分類，主要為細(xì)砂巖和中砂巖，少量可見(jiàn)含礫砂巖。分巖性建立孔隙度模型如圖1-3，含礫砂巖樣品數(shù)少，巖心孔隙度和測(cè)井密度的關(guān)系差一些。圖4-6是根據(jù)克深A(yù)井區(qū)四口井分巖性所建立孔隙度-滲透率關(guān)系圖版。

綜上所述，建立孔滲模型，如表1。

圖7為克深A(yù)井區(qū)a井常規(guī)測(cè)井計(jì)算孔隙度與ECS變骨架計(jì)算孔隙度對(duì)比圖，其中最后一道中PORD為根據(jù)上述孔滲參數(shù)模型利用常規(guī)密度測(cè)井資料計(jì)算的孔隙度，PORH為ECS變骨架參數(shù)計(jì)算的孔隙度;由圖可以看出，利用分巖性孔滲模型計(jì)算的孔隙度與ECS變骨架參數(shù)計(jì)算的孔隙度吻合的很好，證實(shí)了分巖性孔滲模型的適用性。

1.2 ?地層傾角

塔里木油田克深地區(qū)處于山前構(gòu)造帶，由于構(gòu)造應(yīng)力的擠壓作用，該地區(qū)地層電阻率的各向異性明顯，且地層傾角較大，對(duì)陣列感應(yīng)測(cè)井儀的視電阻率產(chǎn)生了較大的影響，造成陣列感應(yīng)測(cè)儀器不能直接測(cè)量地層橫向電阻率，因而視電阻率不直接反映儲(chǔ)層中流體性質(zhì)的影響，導(dǎo)致含水飽和度計(jì)算不準(zhǔn)確。且?guī)r石物理實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，電阻率隨地層傾角的增大而增大（圖8所示），克深地區(qū)實(shí)測(cè)資料也表明，地層電阻率受地層傾角影響明顯。因此在飽和度計(jì)算前需要進(jìn)行地層傾角電阻率校正。

前人利用Gizmo提出的理想電位電極系視電阻率公式（下文稱斯倫貝謝公式）^[8]對(duì)電阻率資料進(jìn)行各向異性校正^[9，10]。然而，電位電極系測(cè)井儀的測(cè)量原理與陣列感應(yīng)測(cè)井儀有較大的區(qū)別，電阻率各向異性對(duì)兩者響應(yīng)值的影響不同，尤其在高傾角地層中該方法應(yīng)用效果不佳。

為了建立陣列感應(yīng)視電阻率的各向異性校正方法，論文利用數(shù)值模擬方法研究無(wú)限大電阻率各向異性地層中AIT陣列感應(yīng)測(cè)井儀視電阻率的響應(yīng)值。論文首先用電磁場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法計(jì)算了儀器線圈中的感應(yīng)電流，并研究了該儀器的電阻率聚焦原理，求出了探測(cè)深度為90英寸時(shí)各三線圈系視電阻率的權(quán)系數(shù)，然后計(jì)算了不同地層傾角和地層電阻率各向異性系數(shù)條件下的90英寸陣列感應(yīng)視電阻率，并提出了電阻率的各向異性校正方法，并應(yīng)用于塔里木油田克深地區(qū)致密砂巖地層的電阻率各向異性校正及含水飽和度計(jì)算，獲得了良好的效果。

實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合推導(dǎo)出地層視電阻率：

式中：?—各向異性地層的平均電阻率;

?—地層傾角。

1.3 ?地應(yīng)力

實(shí)際測(cè)井資料表明，該地區(qū)的地層電阻率隨水平方向最大地應(yīng)力與最小地應(yīng)力之差（簡(jiǎn)稱水平地應(yīng)力差）增大而顯著升高，造成電阻率測(cè)井值不能準(zhǔn)確反映儲(chǔ)層中的流體對(duì)電阻率測(cè)量的影響，進(jìn)而導(dǎo)致利用阿爾奇公式計(jì)算的含水飽和度不準(zhǔn)確。

國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者曾對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研究。研究方法主要可分為兩類。一類是直接將同一層段的不同應(yīng)力環(huán)境下的電阻率測(cè)井曲線值進(jìn)行對(duì)比分析^[11-13]，從而總結(jié)出應(yīng)力與儀器視電阻率的關(guān)系。然而，該方法需要準(zhǔn)確掌握區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力分布狀況以及儀器本身的測(cè)量原理，因此在地質(zhì)結(jié)構(gòu)或者巖性比較復(fù)雜的環(huán)境中，該方法的應(yīng)用效果不佳。另一類是用巖石電阻率實(shí)驗(yàn)測(cè)量巖心樣品在不同應(yīng)力條件下的電阻率^[14]，從而總結(jié)應(yīng)力與巖石電阻率的關(guān)系并建立相應(yīng)的理論模型，該方法較第一類方法有所進(jìn)步，其結(jié)論更加可靠。然而，在實(shí)驗(yàn)室條件下，過(guò)大的應(yīng)力會(huì)使巖石破碎，因而無(wú)法模擬克深地區(qū)的實(shí)際應(yīng)力環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論難以應(yīng)用于生產(chǎn)。這兩種研究方法的局限性在于均未深入研究水平地應(yīng)力差對(duì)巖石電阻率的影響。實(shí)際上，塔里木盆地克深地區(qū)的測(cè)井資料和取心資料的對(duì)比表明，該地區(qū)不僅存在水層的測(cè)井電阻率遠(yuǎn)高于同深度點(diǎn)采集的巖心在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得的電阻率的現(xiàn)象，而且測(cè)井電阻率與水平地應(yīng)力差有較好的相關(guān)性，且與水平最大地應(yīng)力和最小地應(yīng)力沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

先應(yīng)用巖土結(jié)構(gòu)力學(xué)中的巖石本構(gòu)關(guān)系計(jì)算方法分析裂縫結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)隨水平方向應(yīng)力的變化，然后通過(guò)電場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算出不同水平地應(yīng)力差下的巖石電阻率，從而得出巖石電阻率與水平地應(yīng)力差之間的關(guān)系，最后將這種關(guān)系應(yīng)用于克深地區(qū)電阻率測(cè)井資料的地應(yīng)力校正，獲得了良好的應(yīng)用效果。

圖9是克深A(yù)井區(qū)電阻率與水平地應(yīng)力差的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合可以得到實(shí)測(cè)電阻率校正到實(shí)驗(yàn)電阻率的關(guān)系式，并通過(guò)誤差分析，說(shuō)明該關(guān)系式基本滿足生產(chǎn)上的精度要求。

2 ?基于電阻率校正和孔滲精細(xì)計(jì)算的變巖電參數(shù)飽和度模型建立

儲(chǔ)層油氣飽和度評(píng)價(jià)是測(cè)井解釋關(guān)鍵工作之一。由于克深地區(qū)屬于致密低孔低滲砂巖，且地層傾角和地應(yīng)力較大，因此電法類油氣飽和度計(jì)算模型研究，除了物性影響外，還要考慮地層傾角、地應(yīng)力等因素的影響。

含氣飽和度采用阿爾奇公式求?。?/p>

????????????（2）

式中： a、b?—巖性系數(shù);

m?—孔隙度指數(shù);

n?—飽和度指數(shù);

?—地層水電阻率，Ω·m;

Φ?—巖石孔隙度，?m³·m^-3;

?—地層電阻率，Ω·m;

?—地層含水飽和度。

為了提高阿爾奇飽和度計(jì)算的精度，需要根據(jù)不同井區(qū)選擇合適的參數(shù)，表1給出了克深A(yù)井區(qū)巖心分析得到的孔滲參數(shù)計(jì)算模型?？紤]到巖性孔隙結(jié)構(gòu)的影響，巖電參數(shù)m可按儲(chǔ)層類型（或孔隙度）分類得到，或采用變巖電參數(shù)公式獲得。地層水電阻率一般根據(jù)水分析礦化度資料換算得到?；趯?shí)驗(yàn)資料，A井區(qū)的飽和度參數(shù)：a=1、m=1.712?7、b=1.016?3、n=1.825?6、=0.016?Ω·m。

在克深B井區(qū)，由于高陡構(gòu)造傾角的影響，導(dǎo)致測(cè)井電阻率測(cè)量偏大，因此在B井區(qū)電阻率要進(jìn)行地層傾角校正。圖10是克深B井區(qū)b井6 570～

6 620 m深度段電阻率校正成果圖，地層傾角45°，各向異性系數(shù)為井中實(shí)際測(cè)量。實(shí)驗(yàn)與測(cè)量電阻率差值在4.5～42 Ω·m之間，平均10.12 Ω·m，由校正前后電阻率計(jì)算的飽和度差值達(dá)10%。

在克深C井區(qū)，受地應(yīng)力的影響大，而地層傾角的影響小，由于強(qiáng)應(yīng)力擠壓的影響，導(dǎo)致測(cè)井電阻率測(cè)量偏大，因此在C井區(qū)電阻率要進(jìn)行地應(yīng)力校正。圖11是克深C井區(qū)c井電阻率曲線校正成果圖。第3道是水平應(yīng)力曲線，第2道中有2條曲線，其中，紅色充填線是原始深電阻率曲線，藍(lán)色虛線是壓力差電阻率校正后的結(jié)果，由圖可以看出，壓扭段原始電阻率明顯偏大，應(yīng)力差校正后恢復(fù)到正常水平。

3 ?束縛水飽和度與實(shí)例分析

3.1 ?束縛水飽和度的確定

對(duì)于低孔低滲氣藏而言，束縛水飽和度是識(shí)別流體性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一，同時(shí)它也是儲(chǔ)層物性進(jìn)行表征以及儲(chǔ)量計(jì)算和產(chǎn)能預(yù)測(cè)的重要參數(shù)，然而由于致密砂巖氣藏孔喉細(xì)微、毛管力和束縛水飽和度較高^[15-18]，現(xiàn)場(chǎng)很難獲得準(zhǔn)確的束縛水飽和度，有必要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究。

通常在低孔低滲致密砂巖儲(chǔ)層中，地層水賦存類型主要有三種：束縛水、毛細(xì)管水、自由水。束縛水指驅(qū)動(dòng)力充足，殘存在巖石顆粒接觸處角隅、微細(xì)孔隙中或吸附在巖石骨架顆粒表面上那部分水，在油氣層的壓力梯度下不能移動(dòng)，所以稱為束縛水、不可動(dòng)水、殘余水或者吸附水，相應(yīng)的飽和度稱為束縛水飽和度，試氣顯示為氣層。毛細(xì)管水指驅(qū)動(dòng)力不足，一部分水保留在毛細(xì)管孔隙-裂縫中，試氣時(shí)往往氣水同出。自由水指可自由流動(dòng)水，試氣時(shí)顯示為水層。通過(guò)相滲實(shí)驗(yàn)資料，可以確定臨界水飽和度，當(dāng)通過(guò)測(cè)井解釋得到的含水飽和度值大于臨界水飽和度時(shí)，此部分地層水為可自由流動(dòng)水。而對(duì)于小于臨界水飽和度的地層水，則可以判斷為束縛水。因此，準(zhǔn)確有效的束縛水飽和度模型對(duì)于判別儲(chǔ)層氣水層有著非常重要的意義。

目前，測(cè)量束縛水飽和度的方法主要有壓汞法、離心法、相滲法、半滲透隔板法、稱重法及核磁共振法等。這里主要采用壓汞的束縛水飽和度確定方法。

壓汞法確定束縛水飽和度步驟首先是確定孔吼半徑下限值，可確定孔吼半徑下限值為0.025 mm，與最小流動(dòng)孔喉半徑法確定的結(jié)果一致。下限值確定后就可以方便地利用壓汞法確定束縛水飽和度。

通過(guò)束縛水飽和度與毛管壓力參數(shù)作關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)束縛水飽和度中值孔喉半徑關(guān)系密切，束縛水隨毛管均值和中值孔喉半徑而減小，并且中值孔喉半徑與孔隙度關(guān)系較密切，如圖12、13。它們的關(guān)系有：

?????（3）

?????（4）

式中： ?—束縛水飽和度;

?—中值孔喉半徑;

Φ—孔隙度;

r?—相關(guān)系數(shù)。

3.2 ?應(yīng)用實(shí)例

這里用壓汞法束縛水飽和度公式應(yīng)用到研究區(qū)克深地區(qū)，來(lái)驗(yàn)證含水飽和度計(jì)算的精確度?？松畹貐^(qū)儲(chǔ)層段巖性主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖，以中砂巖、細(xì)砂巖、含泥礫細(xì)砂巖為主，有效儲(chǔ)層孔隙度分布于4.0%～8.0%，平均孔隙度為6.0%，大于8.0%的占約8.7%;滲透率主峰范圍為0.001～0.1，平均為0.048，為特低孔特低滲儲(chǔ)層。

圖14為克深d井解釋成果圖，由圖可以看出克深241井各向異性和地應(yīng)力校正后得到的含水飽和度與壓汞法計(jì)算得到的束縛水飽和度基本一致，所以可以說(shuō)明這些層段產(chǎn)氣;綜上所述，可以判斷該井6 580～6 633 m層段為氣層。試氣井段6 496～6 690 m，5 mm油嘴，日產(chǎn)氣246 519 m³，是氣層。說(shuō)明測(cè)井解釋與試油結(jié)論一致。

4 ?結(jié)論

（1）在致密低孔低滲砂巖儲(chǔ)層，飽和度受巖性、高陡構(gòu)造傾角與高應(yīng)力擠壓等影響，導(dǎo)致計(jì)算的精度不高。

（2）劃分巖性得到的孔隙度與ECS變骨架參數(shù)計(jì)算的孔隙度吻合的很好，說(shuō)明分巖性孔滲模型適用于該地區(qū)。

（3）結(jié)合試油資料，通過(guò)各向異性和地應(yīng)力校正后的飽和度與原始飽和度相比，更符合實(shí)際。

（4）在氣井中，校正后的含水飽和度與束縛水飽和度基本一致。

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