水驅(qū)方式下不同開發(fā)階段水淹層巖石物理特征研究

張 敏 (浙江大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310027；大慶油田測井公司，黑龍江 大慶 163412)

劉衛(wèi)東 (中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

水驅(qū)方式下不同開發(fā)階段水淹層巖石物理特征研究

張 敏 (浙江大學(xué)理學(xué)院，浙江 杭州 310027；大慶油田測井公司，黑龍江 大慶 163412)

劉衛(wèi)東 (中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

針對我國大多數(shù)陸相非均質(zhì)老油田注水開發(fā)的特點及其在高含水期測井解釋所遇到的諸多問題，通過模擬開發(fā)過程的巖石物理實驗，研究了水驅(qū)過程中油藏性質(zhì)變化對巖石地球物理特征的影響及作用機理，在巖石物理實驗基礎(chǔ)上研究了水驅(qū)方式下不同開發(fā)階段水淹層的測井響應(yīng)特征，并提出了相應(yīng)的識別評價方法。研究結(jié)果表明：①水驅(qū)油方式下的I-Sw關(guān)系不再是一條直線，而呈現(xiàn)出與飽和度大小相關(guān)的兩段式,當(dāng)含水飽和度達到一定值(Swp)以后，電阻率對飽和度變化的反映不敏感。②在不同的濃度范圍內(nèi)，地層水礦化度對巖石表面雙電層厚度及平衡離子活動性的影響不同，導(dǎo)致膠結(jié)指數(shù)m和飽和度指數(shù)n的值以及Waxman-Smits模型中的B參數(shù)在不同的礦化度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的特征。③注入介質(zhì)在高滲透條帶中線性突破形成的電阻率宏觀各向異性使儲層在仍具有相當(dāng)產(chǎn)能的情況下電阻率顯著降低。④動電現(xiàn)象是特定油藏環(huán)境下的一種特殊巖石物理現(xiàn)象，開發(fā)過程導(dǎo)致的壓力異常是其產(chǎn)生的本質(zhì)原因，流動電位的大小與壓差、多相流動特征及地層水礦化度有關(guān)，流動電位的存在使自然電位曲線表現(xiàn)異常。

陸相非均質(zhì)油藏注水開發(fā)后，在注入介質(zhì)的作用下油藏內(nèi)部發(fā)生了一系列變化[1～5]，包括儲層含水率上升、地層壓力紊亂以及地層水礦化度復(fù)雜化等，這些變化導(dǎo)致油田開發(fā)中后期儲層及流體性質(zhì)的識別評價難度加大，油層、水層與不同級別水淹層間的識別評價標(biāo)準(zhǔn)變得模糊，測井解釋符合率大幅度降低[6]。筆者針對我國大多數(shù)陸相非均質(zhì)老油田注水開發(fā)的特點及其在高含水期測井解釋所遇到的諸多問題，通過模擬開發(fā)過程的巖石物理實驗，研究水驅(qū)過程中油藏性質(zhì)變化對巖石地球物理特征的影響及作用機理。

1 水淹層電阻率變化特征

1.1水驅(qū)過程中電阻增大率I與含水飽和度Sw的關(guān)系

圖1 水驅(qū)油條件下I-Sw關(guān)系

1)巖石物理試驗特征 為了研究注水過程中巖石電阻率隨飽和度的變化規(guī)律，用潤濕性不同的2類巖心進行驅(qū)油試驗，圖1是水驅(qū)過程中電阻增大率I與含水飽和度Sw的關(guān)系。

由圖1可以看出，在低含水飽和度期即水驅(qū)油初期，無論巖心親油還是親水，隨著含油飽和度的降低，巖石電阻迅速降低；當(dāng)巖心的含水飽和度達到某一特征值Swp時(親油巖心Swp=40%左右，親水巖心Swp=60%左右)，電阻增大率的變化趨勢變緩，I-Sw關(guān)系曲線上出現(xiàn)拐點，拐點2側(cè)飽和度指數(shù)n明顯不同，高含油飽和度段的飽和度指數(shù)n大于低含油飽和度段的n值，即水驅(qū)油末期，電阻率對含水飽和度的變化不再敏感，Swp所代表的就是注入水在巖石孔隙網(wǎng)絡(luò)中的波及范圍相對穩(wěn)定時的含水飽和度，但并非是水驅(qū)油所能達到的最大含水飽和度，因為雖然波及范圍不再發(fā)生變化，但是流動通道中的油滴、油脈還是能夠被采出的。

2)測井響應(yīng)特征 水驅(qū)過程中，油層含油飽和度降低，含水飽和度增大，電阻率隨含水飽和度的增加而顯著下降，這是開發(fā)初期絕大多數(shù)水淹層的顯著特征；油田開發(fā)到一定階段以后，電阻率的變化就變得很不明顯，也就是中強水淹階段電阻率對飽和度變化的反映不敏感。

1.2水驅(qū)過程中的電各向異性特征

沉積作用形成的儲層多層次非均質(zhì)性以及開發(fā)過程中優(yōu)勢滲流通道的形成是開發(fā)層段內(nèi)電各向異性產(chǎn)生的主要原因。儲層物性越好，水驅(qū)作用越強烈，在滲透率較高層段中由于注入水的長期沖刷會形成孔隙度較大、滲透率特別高的薄層條帶即大孔道。大孔道的識別非常重要，因為一旦大孔道形成，注入介質(zhì)的波及范圍將很難提高，注入水沿大孔道中的低效或無效循環(huán)使儲層中的其他部位很難受效，嚴(yán)重影響驅(qū)油效率。

圖2 不同厚度組合情況下的電阻率變化

1)數(shù)值模擬 高滲透層中的大孔道含水飽和度很高，其電阻率明顯低于未動用部位或動用程度比較低的部位。對于間互疊加在一起的電阻率不同的地質(zhì)體而言，常規(guī)電阻率測井儀器的分辨率存在一定的局限性，所測電阻率不能充分反映地層的真實情況。由于電阻率宏觀各向異性地層中電阻率值主要受低電阻率層段影響，因此即使只有極少部分的高滲透條帶存在，水淹層的電阻率也會受到較大影響。圖2是不同電阻率、不同厚度組合情況下電阻率宏觀各向異性模擬圖。由圖2可以看出，當(dāng)高阻層電阻率為100Ω·m，低阻層電阻率為1Ω·m，二者的厚度相差20倍時(相當(dāng)于10cm厚的高阻砂巖油層中有0.5cm厚的低阻高滲透條帶)，常規(guī)儀器所測得的視電阻率僅為17.5Ω·m，這說明地質(zhì)體的視電阻率受低阻層的影響非常大。

2)測井響應(yīng)特征 圖3所示的就是典型的優(yōu)勢通道水淹類型，即厚油層中部物性最好的部位強水淹，曲線在該處內(nèi)凹(陷)明顯，通過比較反映含油性的電阻率曲線與反映物性的三孔隙度或自然伽馬曲線之間的對應(yīng)關(guān)系，可以有效識別水驅(qū)形成的優(yōu)勢滲流通道。

圖3 油層水淹后電阻率的“內(nèi)凹”特征

1.3水驅(qū)過程中m、n值變化特征

不同水型、礦化度情況下的巖電試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、5可知，無論是膠結(jié)指數(shù)m還是飽和度指數(shù)n，在各種水型條件下都呈現(xiàn)出明顯的與礦化度的相關(guān)性，并且在不同的礦化度區(qū)間內(nèi)，m、n值的變化特征不同。

圖4 膠結(jié)指數(shù)m與礦化度關(guān)系 圖5 飽和度指數(shù)n與礦化度關(guān)系

在低礦化度(低于20g/L)區(qū)，隨著礦化度的升高，m、n值迅速增大，3種不同水型的試驗結(jié)果顯示的特征基本相同，說明低礦化度情況下，膠結(jié)指數(shù)m及飽和度指數(shù)n隨礦化度升高而增大的規(guī)律具有普遍性；但是，m、n值并不是隨著礦化度的增大而無限增大，當(dāng)?shù)V化度超過一定值(20g/L)以后，m、n值不再隨礦化度的變化而發(fā)生明顯變化，即m、n值在高礦化度區(qū)基本保持恒定。

圖6 雙電層厚度與礦化度關(guān)系圖

m、n的值在不同礦化度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)特征存在差異的原因在于，礦化度的變化使巖石顆粒表面雙電層的性質(zhì)隨之發(fā)生變化，作為巖石孔隙網(wǎng)絡(luò)中電流傳導(dǎo)路徑的組成部分，雙電層性質(zhì)的變化進一步導(dǎo)致反映巖石孔隙網(wǎng)絡(luò)中電流傳導(dǎo)迂曲度的m、n值發(fā)生變化。

巖石表面雙電層厚度與礦化度之間最簡單的關(guān)系如圖6。在礦化度低于20g/L的低濃度區(qū)，雙電層厚度隨礦化度的降低而顯著增大；隨著礦化度的降低，雙電層的厚度迅速增大，也就是巖石顆粒表面束縛水膜的厚度迅速增大，巖石孔隙網(wǎng)絡(luò)中電流傳導(dǎo)的路徑得以顯著改善，就出現(xiàn)了圖4和圖5中m、n值在低礦化度區(qū)隨礦化度的降低而顯著變小的現(xiàn)象。

在礦化度較高(高于20g/L)的情況下，隨著礦化度的升高，雙電層的厚度沒有明顯變化，也就是說當(dāng)溶液濃度超過某一特征值以后，礦化度的升高不再對雙電層的厚度產(chǎn)生影響，就出現(xiàn)了圖4和圖5中高礦化度情況下m、n值保持穩(wěn)定的情況。這種情況所代表的是較高的反離子濃度將雙電層厚度壓縮到極限值、擴散層消失后巖石的電學(xué)特征。

對于水驅(qū)開發(fā)油田而言，混合液的電阻率是一個動態(tài)變化過程，因此在測井解釋過程中應(yīng)根據(jù)具體情況適時調(diào)整巖電參數(shù)。

2 開發(fā)過程中流動電位的產(chǎn)生及測井響應(yīng)特征

2.1流動電位的產(chǎn)生機理

在勘探階段及開發(fā)初期，油氣藏中的壓力系統(tǒng)一般比較穩(wěn)定，鉆井液的密度容易控制，井筒與地層間的壓力維持在近平衡狀態(tài)，兩者之間一般不會發(fā)生嚴(yán)重的流體流動。但是當(dāng)油田開發(fā)到一定階段后，受斷層遮擋、注采井網(wǎng)對油層的控制程度、儲層非均質(zhì)性及注水強度等因素的影響，注入水在層間推進的速度產(chǎn)生差異，形成常壓層(注采平衡)、欠壓層(注少采多)、高壓層(注多采少)及憋壓層(只注不采)，油藏中的壓力分布極其復(fù)雜，油藏內(nèi)部原來靜態(tài)的壓力系統(tǒng)變成動態(tài)壓力系統(tǒng)，層內(nèi)、層間及平面上的壓力系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致泥漿密度難以控制，鉆井過程中井漏、井涌甚至井噴現(xiàn)象時有發(fā)生，這些現(xiàn)象背后都伴隨著壓差作用下的流體流動以及因流體在多孔介質(zhì)中流動而產(chǎn)生的流動電位，是井筒與地層之間嚴(yán)重的流體滲流過程。依據(jù)雙電層及動電理論，電解質(zhì)溶液流經(jīng)多孔介質(zhì)時，由于固液界面的雙電層結(jié)構(gòu)被擾動，孔道中會產(chǎn)生流動電位，即動電現(xiàn)象。

多孔介質(zhì)中，動電現(xiàn)象是注水開發(fā)過程中固體與液體接觸面上的雙電層結(jié)構(gòu)被擾動，壓力驅(qū)動下孔隙系統(tǒng)中離子分布不均勻造成的。流動電位的大小不僅與固體表面和溶液的性質(zhì)有關(guān)，還取決于作用在孔隙系統(tǒng)上控制雙電層擾動程度的壓力大小。流動電位產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為自然電位曲線的各種異常反應(yīng)。

2.2測井響應(yīng)特征

自然電位主要由擴散吸附電位及過濾電位2部分組成，因此水驅(qū)儲層自然電位曲線特征主要受2方面因素影響，首先是擴散吸附電位，由混合水性質(zhì)與原始地層水性質(zhì)的差異決定；其次是過濾電位也就是流動電位，由動用后地層壓力與鉆井液柱壓力之間的關(guān)系決定。由于注水開發(fā)過程中儲層的水性及壓力分布都極其復(fù)雜，對自然電位曲線形態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重影響(見圖7)。一般情況下，水淹層自然電位曲線主要有以下幾種特征：①負異常幅度降低。由于注入水是淡水或污水，油層水淹后地層混合液礦化度降低，從而導(dǎo)致自然電位負異常幅度降低。②曲線無幅度甚至正異常。主要發(fā)生在高壓層，是地層到井筒的流體流動所產(chǎn)生的流動電位造成的。③負異常幅度增大。主要原因是已動用層地層壓力降低，低壓層發(fā)生井筒到地層的流體流動所產(chǎn)生的流動電位造成的。④基線偏移。主要原因是層間非均質(zhì)性導(dǎo)致不同層段動用不均衡，水淹級別不同的層段其地層水礦化度不同造成的。

圖7 水淹層自然電位基線偏移、無幅度及正異?，F(xiàn)象

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[編輯] 洪云飛

雙電層

剩余油；水淹層；巖石物理；水驅(qū)；開發(fā)階段

TE357.6；TE321

A

1673-1409(2009)01-N048-04

2008-11-24

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2007CD209502)。

張敏(1969-)，男， 1991年大學(xué)畢業(yè)，高級工程師，碩士生，現(xiàn)主要從事地質(zhì)學(xué)方面的研究工作。