馮 程， 樊海濤， 石玉江， 陳雪昆， 李高仁， 毛志強(qiáng)

[1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū) 石油學(xué)院,新疆 克拉瑪依 834000; 2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院,新疆 克拉瑪依 834000; 3.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司,陜西 西安 710018; 4.中國(guó)石油 新疆油田分公司 采油一廠,新疆 克拉瑪依 834000; 5.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理學(xué)院,北京 102249]

Archie公式表明，地層水礦化度(電阻率)是決定儲(chǔ)層電阻率大小的重要因素[1]。而不同儲(chǔ)層地層水由于原始沉積相類(lèi)型、水體埋深溫度和壓力條件，成巖作用階段儲(chǔ)層與大氣水、地表水相互作用以及油氣成藏機(jī)制差別等因素影響[2]，其礦化度可能相差很大。因此，準(zhǔn)確地獲取地層水礦化度對(duì)于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重要意義。

目前，通常用于確定地層水礦化度的方法有：地層水分析法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)法、自然電位法以及電阻率～孔隙度組合法等。其中，地層水分析法是最直接、精度最高的方法，但會(huì)往往受限于分析資料數(shù)量。地區(qū)經(jīng)驗(yàn)法是假設(shè)同一地區(qū)地層水礦化度變化很小，將已經(jīng)確定的地層水礦化度直接應(yīng)用于該區(qū)其他未知地層水礦化度井，該方法依賴(lài)研究人員對(duì)地區(qū)的了解程度，并在地層水礦化度變化大的地區(qū)很難應(yīng)用。自然電位法[3-6]和電阻率～孔隙度組合法[7-10]均是以測(cè)井資料為基礎(chǔ)的間接計(jì)算方法。前者基于自然電位異常幅度大小取決于地層水和泥漿濾液礦化度的差異，有很好的巖石物理基礎(chǔ)，但計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，且不適用于油層。后者基礎(chǔ)為Archie公式[1]，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，但仍然不適用于油層。此外，研究人員利用核磁測(cè)井也實(shí)現(xiàn)了地層水礦化度預(yù)測(cè)[11,12]。除了上述利用儲(chǔ)層段測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層水礦化度的方法，研究人員還發(fā)展了通過(guò)儲(chǔ)層鄰近泥巖信息預(yù)測(cè)地層水礦化度的方法[13-15]。

如圖1所示，隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，研究區(qū)北起環(huán)縣，南至孟壩，西達(dá)吳城子鄉(xiāng)，東到馬嶺，區(qū)域構(gòu)造橫跨陜北斜坡和天環(huán)坳陷(圖1)。該區(qū)三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)81段深度大于2 000 m，屬于典型低滲透儲(chǔ)層，是延長(zhǎng)組主力含油層系，油層大量發(fā)育。然而，測(cè)試資料表明，長(zhǎng)81段地層水礦化度變化很大，相對(duì)于鉆井?dāng)?shù)量，地層水分析資料很有限。同時(shí)，由于長(zhǎng)81段還受到復(fù)雜潤(rùn)濕性影響[16,17]，導(dǎo)致常用于確定地層水礦化度的方法基本失效。因此，在假設(shè)儲(chǔ)層地層水礦化度近似等于鄰近泥巖層束縛水礦化度的前提下，通過(guò)電阻率和校正后聲波時(shí)差交會(huì)圖，提出一種利用鄰近泥巖信息確定儲(chǔ)層地層水礦化度的方法，以期為潤(rùn)濕性影響下低滲透儲(chǔ)層地層水礦化度預(yù)測(cè)提供一種可行的解決辦法。

1 地層水礦化度變化大

通過(guò)對(duì)隴東地區(qū)69口井長(zhǎng)81儲(chǔ)層地層水分析資料的統(tǒng)計(jì)和直方圖分析，如表1和圖2所示，長(zhǎng)81儲(chǔ)層地層水礦化度變化范圍大，普遍介于10～70 g/L，部分儲(chǔ)層可低于10 g/L或高于80 g/L，導(dǎo)致儲(chǔ)層含油飽和度預(yù)測(cè)困難。由于地層水分析資料相對(duì)有限，且地區(qū)經(jīng)驗(yàn)法無(wú)法適用，故需要利用測(cè)井資料計(jì)算，以豐富長(zhǎng)81儲(chǔ)層地層水礦化度資料。

圖1 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)(圖中方框范圍)地理及構(gòu)造位置示意圖Fig.1 The schematic map displaying the geographic location(see the black wireframe) and tectonic setting of Longdong area,Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)81段地層水礦化度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of formation water salinity in the Chang 81 member,Longdong area，Ordos Basin

圖2 隴東地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層地層水礦化度分布直方圖Fig.2 The histogram of formation water salinity in the Chang 81 member,Longdong area，Ordos Basin

2 地層水礦化度預(yù)測(cè)困難

目前，自然電位法以及儲(chǔ)層電阻率-孔隙度組合法均是利用測(cè)井資料計(jì)算地層水礦化度的常用方法。然而，在復(fù)雜潤(rùn)濕性影響下，部分產(chǎn)水層電阻率異常高，使得電阻率-孔隙度組合法無(wú)法取得好效果。此外，高阻產(chǎn)水層自然電位幅度差明顯偏小，也不能反映地層水礦化度和泥漿礦化度的差異。

如圖3所示，該圖為研究區(qū)A井長(zhǎng)81段測(cè)井解釋成果圖，該井段表現(xiàn)為異常高電阻率，其試油層段為2 185～2 188 m，試油結(jié)果為產(chǎn)水6.2 m3/d，無(wú)油花。圖中第1道為電阻率測(cè)井曲線道，紅色實(shí)線為深電阻率曲線，選取試油層段電阻率值為50 Ω·m，孔隙度取值為11%，Archie公式[1]中地區(qū)系數(shù)、膠結(jié)指數(shù)和飽和度指數(shù)分別取值為1、1、2和2，計(jì)算得到長(zhǎng)81段地層水礦化度為4.5 g/L。圖中第3道為巖性測(cè)井曲線道，藍(lán)色虛線為自然電位曲線，試油層段自然電位幅度差小于10 mV，按照利用自然電位計(jì)算地層水礦化度的流程[5]，計(jì)算得到長(zhǎng)81段地層水礦化度為3.6 g/L。然而，實(shí)際地層水分析總礦化度為47.70 g/L，以上兩種計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果均相差十幾倍。因此，對(duì)于復(fù)雜潤(rùn)濕性影響的儲(chǔ)層，基于自然電位和儲(chǔ)層電阻率～孔隙度組合預(yù)測(cè)地層水礦化度的常用方法均無(wú)法適用。

3 利用鄰近泥巖信息預(yù)測(cè)地層水礦化度

1986年和1995年， Dusenbery和Osoba、 Cannon分別基于Archie公式、Waxman-smits公式提出了利用鄰近泥巖信息預(yù)測(cè)地層水礦化度的方法[13-14]。其認(rèn)為在沉積過(guò)程中，經(jīng)過(guò)壓實(shí)作用以后，砂巖和鄰近泥巖段水達(dá)到基本平衡，兩者礦化度近似相等。因此，在儲(chǔ)層沒(méi)有被水淹的前提下，可以假設(shè)鄰近泥巖層粘土顆粒表面吸附水以及微毛細(xì)管水礦化度與儲(chǔ)層地層水礦化度近似相等。如果能夠獲取鄰近泥巖層中束縛水礦化度信息，就可以確定儲(chǔ)層地層水礦化度。

圖3 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)A井長(zhǎng)81段測(cè)井解釋成果圖Fig.3 Log interpretation results of the Chang 81 member in Well A,Longdong area，Ordos Basin

3.1 鄰近泥巖層聲波時(shí)差壓實(shí)校正

在泥巖成巖過(guò)程中，壓實(shí)作用是最主要的成巖作用。在壓實(shí)作用過(guò)程中泥巖體積大量減小，即泥巖的孔隙度大量變小。因此，隨著埋藏深度增加，需要對(duì)泥巖層中聲波時(shí)差進(jìn)行壓實(shí)校正。采用的壓實(shí)校正方法基于壓實(shí)作用前后巖石骨架體積不變?cè)韀18]，認(rèn)為在泥巖壓實(shí)作用過(guò)程中，隨著埋藏深度增加，泥巖孔隙度減小，而骨架體積不變。在壓實(shí)作用下，泥巖孔隙度的變化隨著埋藏深度增加呈指數(shù)減小[19]，如式(1)所示。

ΦH=Φ0e-CH

(1)

式中：ΦH為埋藏深度為H處泥巖孔隙度，%；Φ0為地表沉積泥巖孔隙度，%；C為常數(shù)，其大小根據(jù)實(shí)際測(cè)井資料來(lái)確定；H為泥巖埋藏深度，m。

選擇2 400 m為標(biāo)準(zhǔn)深度H標(biāo)，將埋藏深度為H處泥巖孔隙度校正為標(biāo)準(zhǔn)深度H標(biāo)下的值。得到下式：

(2)

式中：Φ標(biāo)為埋藏深度為2 400 m處泥巖孔隙度，%。

泥巖孔隙度很難確定，在實(shí)際應(yīng)用中通常將孔隙度轉(zhuǎn)換為聲波時(shí)差。根據(jù)巖石體積模型，可用聲波時(shí)差將泥巖孔隙度φ表示為：

(3)

式中：Δt為泥巖聲波時(shí)差，μs/m；Δtma為泥巖骨架聲波時(shí)差，利用研究層段泥質(zhì)含量最高部分所對(duì)應(yīng)聲波時(shí)差值代替，μs/m；Δtf為孔隙流體聲波時(shí)差，μs/m。

將式(3)代入式(2)，得到下式：

(4)

式中：Δt標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)深度泥巖聲波時(shí)差，μs/m；ΔtH為埋藏深度泥巖聲波時(shí)差，μs/m。

通過(guò)式(4)可以將不同深度泥巖聲波時(shí)差校正至2 400 m時(shí)對(duì)應(yīng)結(jié)果，以完成泥巖層中聲波時(shí)差壓實(shí)校正。

3.2 地層水礦化度預(yù)測(cè)圖版

目前，還沒(méi)有定量的理論公式描述泥巖中電阻率、孔隙度與束縛水礦化度的關(guān)系，故利用Archie公式近似反映其關(guān)系。如式(5)所示，當(dāng)a、b、m、n、Sw和Rw均固定時(shí)，Rt和Φ之間呈現(xiàn)冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)?shù)貙铀娮杪蔙w(礦化度Cw)變化時(shí)，Rt和Φ之間呈現(xiàn)不同冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系。故可以利用不同地層水礦化度Cw下Rt和Φ之間呈現(xiàn)的特定冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，預(yù)測(cè)地層水礦化度Cw分布區(qū)間。

(5)

式中：a和b為地區(qū)系數(shù)；m為膠結(jié)指數(shù)；n為飽和度指數(shù)；Φ為孔隙度，%；Sw為含水飽和度，%；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Rt為原狀地層電阻率，Ω·m。

然而，泥巖層孔隙度很難通過(guò)測(cè)井資料計(jì)算，故通過(guò)校正后的聲波時(shí)差變化來(lái)反映孔隙度的變化。進(jìn)而利用泥巖層電阻率和聲波時(shí)差的變化趨勢(shì)來(lái)反映泥巖中束縛水礦化度的變化，即反映相鄰儲(chǔ)層中地層水礦化度的變化。因此，建立鄰近泥巖層電阻率與校正后聲波時(shí)差交會(huì)圖版來(lái)確定儲(chǔ)層地層水礦化度。具體流程如下：

1) 基于隴東地區(qū)長(zhǎng)81段具有地層水分析資料井，選取鄰近泥巖層中穩(wěn)定部分(高自然伽馬、未擴(kuò)徑和低電阻率)，讀取電阻率和聲波時(shí)差數(shù)據(jù)。

2) 利用上述方法對(duì)選取泥巖段聲波時(shí)差值進(jìn)行壓實(shí)校正。

3) 將研究區(qū)地層水礦化度按“0～20,20～40,40～60以及大于60 g/L”分為4類(lèi)。

4) 利用電阻率和校正后聲波時(shí)差建立隴東地區(qū)長(zhǎng)81段地層水礦化度預(yù)測(cè)圖版(圖4)。

如圖4所示，地層水礦化度小于20 g/L的數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中右上角，如圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。20～40,40～60 g/L的數(shù)據(jù)點(diǎn)位于中間，分別如正方形、三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)所示。地層水礦化度大于60 g/L 的數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中最靠近坐標(biāo)軸的左下角，如菱形數(shù)據(jù)所示。同時(shí)，這4類(lèi)不同地層水礦化度層段的電阻率和聲波時(shí)差變化趨勢(shì)區(qū)分比較明顯，根據(jù)其變化趨勢(shì)，通過(guò)三段式畫(huà)出不同礦化度區(qū)間的分界線(圖4)，該分界線與冪函數(shù)曲線形態(tài)相似，符合Archie公式中電阻率和孔隙度的關(guān)系，具有理論依據(jù)。因此，根據(jù)該圖版可確定隴東地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層地層水礦化度。

3.3 地層水礦化度預(yù)測(cè)圖版檢驗(yàn)

基于上述分析，研究區(qū)A井長(zhǎng)81段無(wú)法通過(guò)自然電位和儲(chǔ)層電阻率～孔隙度組合預(yù)測(cè)地層水礦化度，為了檢驗(yàn)建立的地層水礦化度預(yù)測(cè)圖版(圖4)的可靠性，選取圖3中2 191～2 194 m泥巖段，按照上述流程，得到如圖5a所示結(jié)果。結(jié)果顯示，A井長(zhǎng)81段鄰近泥巖段大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)分布在圖版中兩條虛線之間，另有少部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)分布在點(diǎn)虛線左下。因此，預(yù)測(cè)A井長(zhǎng)81段地層水礦化度位于40～60 g/L，且更靠近60 g/L，實(shí)際地層水分析總礦化度為47.70 g/L，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相近。此外，選取研究區(qū)B井和C井長(zhǎng)81段鄰近泥巖段數(shù)據(jù)，利用上述流程計(jì)算得到結(jié)果分別如圖5b和5c所示，預(yù)測(cè)地層水礦化度分別為大于60 g/L和小于20 g/L，實(shí)驗(yàn)分析地層水礦化度分別為64.62 g/L和18.6 g/L，兩者相符。因此，上述對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了利用電阻率和校正后聲波時(shí)差交會(huì)圖預(yù)測(cè)地層水礦化度的可靠性。

圖4 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)81段不同礦化度下電阻率～校正后聲波時(shí)差交會(huì)圖Fig.4 The resistivity vs.corrected interval transit time under various salinity in the Chang 81 member,Longdong area，Ordos Basin(for modeling)

3.4 地層水礦化度平面分布

利用上述圖版預(yù)測(cè)了隴東地區(qū)另外106口井長(zhǎng)81儲(chǔ)層地層水礦化度，并結(jié)合69口井地層水分析資料，繪制了地層水礦化度平面分布等值線圖(圖6)。圖中，四種不同顏色區(qū)域分別代表四種不同地層水礦化度，其中，淺色部分代表地層水礦化度小于20 g/L的區(qū)域，在研究區(qū)礦化度最低，主要分布在西北部，其他區(qū)域呈零星分布。次淺色部分代表地層水礦化度為20～40 g/L的區(qū)域，這部分是研究區(qū)最主要礦化度分布區(qū)域，分布面積最大。次深色部分代表地層水礦化度為40～60 g/L的區(qū)域，主要分布在研究區(qū)中部、西部以及南部。深色部分代表地層水礦化度大于60 g/L的區(qū)域，這是研究區(qū)地層水礦化度最大的井所在位置，與40～60 g/L的區(qū)域分布特征相似，呈不連續(xù)分布狀態(tài)。

圖5 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)81段不同礦化度下電阻率～校正后聲波時(shí)差交會(huì)圖Fig.5 The resistivity vs.corrected interval transit time under various salinity in the Chang 81 member,Longdong area，Ordos Basin(for testing)

圖6 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)81段地層水礦化度平面分布Fig.6 The contour map of formation water salinity in the Chang 81 member,Longdong area，Ordos Basin

現(xiàn)有資料分析結(jié)果表明，隴東地區(qū)長(zhǎng)81段整體地層水礦化度變化大，平面上呈現(xiàn)區(qū)域性分布，具有一定規(guī)律。這樣的規(guī)律可能受控于多種因素共同作用[20-24]，只有結(jié)合現(xiàn)今儲(chǔ)層特征以及地質(zhì)背景研究，才能對(duì)此有更為深入的認(rèn)識(shí)。因此，隴東地區(qū)長(zhǎng)81段地層水礦化度平面分布的具體分布規(guī)律和成因機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

通過(guò)獲取鄰近泥巖層中穩(wěn)定部分(高自然伽馬、未擴(kuò)徑和低電阻率)電阻率和聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，并基于壓實(shí)作用前后巖石骨架體積不變?cè)韺?duì)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行壓實(shí)校正，建立了隴東地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層不同礦化度下電阻率～校正后聲波時(shí)差交會(huì)圖版，進(jìn)而提出了一種利用鄰近泥巖信息確定儲(chǔ)層地層水礦化度的方法。解決了復(fù)雜潤(rùn)濕性影響下自然電位法以及儲(chǔ)層電阻率～孔隙度組合法等常用方法失效帶來(lái)的困難，為潤(rùn)濕性影響下低滲透儲(chǔ)層地層水礦化度的預(yù)測(cè)提供了一種可行的解決辦法，并具有普遍適用性。同時(shí)，利用預(yù)測(cè)的地層水礦化度和地層水分析數(shù)據(jù)繪制了隴東地區(qū)長(zhǎng)81段地層水礦化度平面分布等值線圖，有助于地層水礦化度的準(zhǔn)確選擇和平面分布規(guī)律研究。