基于數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的巖石電性影響因素分析＊——以珠江口盆地（東部地區(qū)）中淺層砂巖儲(chǔ)層為例

馮 進(jìn)

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司）

基于數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的巖石電性影響因素分析＊
——以珠江口盆地（東部地區(qū)）中淺層砂巖儲(chǔ)層為例

馮 進(jìn)

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司）

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)粘土含量、地層水礦化度、微孔隙含量等因素對(duì)巖石電性的定量影響規(guī)律，基于HZ21－1－2井944B巖心粒度資料和孔隙度約束建立了三維數(shù)字巖心，利用數(shù)值模擬法研究了各因素對(duì)巖石電性的影響規(guī)律，結(jié)果表明：在相同的地層水礦化度條件下，巖石電阻率隨粘土含量的增加而減小，且含水飽和度越低，粘土減阻效果越顯著；對(duì)于幾乎不含泥質(zhì)的砂巖，地層水礦化度對(duì)巖石電阻率指數(shù)無(wú)影響；對(duì)于含泥質(zhì)的砂巖，泥質(zhì)呈現(xiàn)增阻還是減阻主要與地層水礦化度有關(guān)；微孔隙發(fā)育導(dǎo)致束縛水含量增加，巖石電阻率降低。這些研究成果可以為珠江口盆地（東部地區(qū)）含油飽和度評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)作用。

珠江口盆地（東部地區(qū)） 數(shù)字巖心 巖石物理實(shí)驗(yàn) 巖石電性 粘土含量 地層水礦化度微孔隙含量

巖石電性資料在測(cè)井解釋、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)以及儲(chǔ)量預(yù)測(cè)中具有重要作用，但巖石電性不僅受孔隙空間中流體分布和性質(zhì)的影響，還取決于微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[1－2]。珠江口盆地（東部地區(qū)）大部分已開(kāi)發(fā)油藏屬于新近系中淺層（珠海組之上）中、高滲砂巖儲(chǔ)層[3－4]，雖然多年來(lái)對(duì)于這類儲(chǔ)層建立了比較成熟的測(cè)井評(píng)價(jià)體系，但是受限于海上取心成本較高、數(shù)量較少，且?guī)r石物理實(shí)驗(yàn)對(duì)巖心的微觀孔隙結(jié)構(gòu)、流體分布特性難以定量計(jì)算、控制和觀察，對(duì)于影響珠江口盆地（東部地區(qū)）儲(chǔ)層電性變化規(guī)律的各種因素（如粘土含量、地層水礦化度）的定量分析不夠，而近年來(lái)飛速發(fā)展的基于真實(shí)巖心的數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)可以較好地解決上述問(wèn)題[5]。為此，選取珠江口盆地（東部地區(qū)）HZ21－1－2井具有代表性的巖心構(gòu)建了數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)，分別探討了粘土含量、地層水礦化度和微孔隙含量等因素對(duì)巖石導(dǎo)電性的影響規(guī)律，從而為該地區(qū)含油飽和度評(píng)價(jià)提供了指導(dǎo)作用。

1 數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建

巖石屬于多孔介質(zhì)，巖石物理宏觀屬性受其復(fù)雜的微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響。因此，許多學(xué)者設(shè)計(jì)了多種孔隙結(jié)構(gòu)模型，如毛管模型、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、逾滲網(wǎng)絡(luò)模型等。上述巖石孔隙結(jié)構(gòu)模型對(duì)巖石孔隙空間進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化，巖石物理數(shù)值模擬結(jié)果難以準(zhǔn)確重復(fù)巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6－8]。目前，X射線CT為建立巖石三維微觀模型提供了一種新方法，即基于數(shù)字巖心的巖石物理數(shù)值模擬方法（也被稱之為數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)）。與傳統(tǒng)的巖石物理實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①速度快而且費(fèi)用低。②描述巖石微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字巖心一旦建立，數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)可計(jì)算多種巖石物理屬性，如電阻率、聲波速度、滲透率和核磁共振響應(yīng)等。由于所有的巖石物理屬性均來(lái)源于同一塊三維數(shù)字巖心，有利于建立多種物理屬性之間的內(nèi)在聯(lián)系。③通過(guò)調(diào)整數(shù)字巖心的微觀參數(shù)，利用數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)有利于認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)巖石物理屬性的影響。

1.1 三維數(shù)字巖心構(gòu)建過(guò)程

鑒于X－CT掃描建立數(shù)字巖心費(fèi)用昂貴，而且費(fèi)時(shí)，因此在巖心二維信息（鑄體薄片、掃描電鏡、粒度分析等）的基礎(chǔ)上構(gòu)建三維數(shù)字巖心（稱之為三維數(shù)字巖心的重建算法）具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本研究中，以 HZ21－1－2井944B巖心為例建立數(shù)字巖心。圖1為944B巖心巖石粒度分析結(jié)果，圖2為采用過(guò)程法構(gòu)建的944B三維數(shù)字巖心（圖中灰色區(qū)域代表巖石骨架，黑色區(qū)域代表巖石的孔隙空間）。

圖1 944B巖心巖石粒徑分布曲線

圖2 過(guò)程法構(gòu)建的944B三維數(shù)字巖心

對(duì)于單相流體飽和巖石，孔隙空間流體分布無(wú)須特別處理；對(duì)于雙相流體飽和巖石，巖石電學(xué)特性與巖石孔隙空間流體分布有關(guān)。不同含水飽和度下孔隙流體分布受到諸多微觀因素的影響，因此如何確定不同含水飽和度下流體分布是巖石電性數(shù)值模擬面臨的首要問(wèn)題[9]，需要在確定三維數(shù)字巖心孔隙流體分布后采用數(shù)值模擬方法計(jì)算巖石電阻率，進(jìn)而研究巖石電阻率指數(shù)的變化規(guī)律。

1.2 模型精確性評(píng)價(jià)

利用有限元方法計(jì)算飽和地層水時(shí)944B三維數(shù)字巖心巖石的電阻率，并得到巖石的地層因素和膠結(jié)指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。在模擬過(guò)程中，設(shè)地層水電阻率為0.238Ω·m，與巖石電阻率實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)使用的地層水電阻率相同。在三維數(shù)字巖心中，設(shè)孔隙空間完全飽和水，并設(shè)巖石中不包含導(dǎo)電礦物，為絕緣體。表1說(shuō)明，三維數(shù)字巖心的巖石電阻率、地層因素和膠結(jié)指數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，相對(duì)誤差均不超過(guò)5%。

表1 944B三維數(shù)字巖心巖石電阻率、地層因素和膠結(jié)指數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與944B巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

在模擬巖石電阻率指數(shù)過(guò)程中，由于孔隙空間存在油和水2種流體，所以首先要模擬不同含水飽和度下孔隙空間中的流體分布。本研究采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法確定了不同含水飽和度下的油水分布，模擬中設(shè)巖石為水濕儲(chǔ)層，油占據(jù)大孔隙空間，而水占據(jù)小孔隙和大孔隙的角隅。圖3分別為含水飽和度為70%和54%時(shí)944B三維數(shù)字巖心孔隙空間的流體分布情況，圖中藍(lán)色為巖石骨架，紅色和綠色分別代表孔隙空間的水和油。

圖3 含水飽和度為70%（左）和54%（右）時(shí)944B三維數(shù)字巖心巖石孔隙流體分布（藍(lán)色代表巖石骨架，紅色和綠色分別代表孔隙空間的水和油）

在確定了孔隙流體分布的基礎(chǔ)上，采用有限元方法計(jì)算了不同含水飽和度下944B三維數(shù)字巖心巖石電阻率（Rt），并計(jì)算了巖石電阻率指數(shù)（RI），數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。944B巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量的飽和度指數(shù)為1.85，其三維數(shù)字巖心數(shù)值模擬結(jié)果為1.82，二者之間的相對(duì)誤差僅為1.6%。

因此，利用過(guò)程法構(gòu)建三維數(shù)字巖心，采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法和有限元方法計(jì)算巖石電阻率是可行的，其結(jié)果較為準(zhǔn)確地重復(fù)了真實(shí)巖心巖石電阻率實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

圖4 944B三維數(shù)字巖心巖石電阻率指數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果

2 巖石導(dǎo)電性影響因素定量分析

影響巖石導(dǎo)電特性的因素有很多，如微孔隙、潤(rùn)濕性、粘土礦物、導(dǎo)電礦物、地層水礦化度等。巖石電阻率實(shí)驗(yàn)難以定量測(cè)量、表征和控制上述影響因素，而基于數(shù)字巖心的數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)是一種行之有效的方法。

2.1 粘土含量對(duì)巖石電性的影響

在測(cè)井評(píng)價(jià)中，泥質(zhì)通常指細(xì)粉砂、粘土礦物以及粘土所含水的混合物。泥質(zhì)含量的增加伴隨著沉積速度由高速轉(zhuǎn)為低速，巖石顆粒由粗變細(xì)，因此使得孔隙尺寸減小，孔隙表面粗糙程度增加，微孔隙發(fā)育，毛管束縛水增加，有降低電阻率的趨勢(shì)。

利用過(guò)程法建立泥質(zhì)含量為11%的三維數(shù)字巖心，并設(shè)定泥質(zhì)中粘土含量分別為0%、10%、30%、40%、60%時(shí)研究巖石電阻率的變化。數(shù)值模擬結(jié)果（圖5）表明，由于粘土的導(dǎo)電作用，在相同的地層水礦化度條件下，巖石電阻率隨粘土含量的增加而減小，且含水飽和度越低，粘土減阻效果越顯著；在低含水飽和度區(qū)域內(nèi)，粘土含量對(duì)巖石電阻率的影響最為顯著。

圖5 粘土含量對(duì)944B三維數(shù)字巖心巖石電阻率的影響

粘土含量對(duì)944B三維數(shù)字巖心巖石電阻率指數(shù)的影響如圖6所示。從圖6可以看出，隨著粘土含量的增加，由于粘土附加導(dǎo)電作用，在相同含水飽和度下巖石電阻率指數(shù)明顯降低，說(shuō)明在該地層水礦化度下，粘土呈現(xiàn)減阻作用；隨著含水飽和度的升高，粘土對(duì)巖石電阻率指數(shù)的影響明顯降低。

圖6 粘土含量對(duì)944B三維數(shù)字巖心巖石電阻率指數(shù)的影響

2.2 地層水礦化度對(duì)巖石電性的影響

本研究通過(guò)改變?nèi)S數(shù)字巖心中的地層水礦化度，計(jì)算不同飽和度下的巖石電阻率，進(jìn)而研究其對(duì)巖石電性的影響。地層水礦化度對(duì)巖石電阻率特性的影響規(guī)律較為復(fù)雜，且與巖心所含的泥質(zhì)密切相關(guān)，因此建立了2塊不同的三維數(shù)字巖心：1號(hào)三維數(shù)字巖心泥質(zhì)含量為14.59%，巖心孔隙度為22.2%，陽(yáng)離子交換能力6.824 mmol/100 g；而2號(hào)三維數(shù)字巖心泥質(zhì)含量為0.03%，巖心孔隙度為14.91%，陽(yáng)離子交換能力6.824 mmol/100 g。設(shè)定地層水礦化度依次為5000×10－6、10000×10－6、30000×10－6和60000×10－6。

圖7為1號(hào)三維數(shù)字巖心地層水礦化度對(duì)巖石電阻率的影響，可以看出，隨著含水飽和度降低，巖石電阻率增大；在相同含水飽和度下，隨著地層水礦化度增加，巖石電阻率降低，這是由于隨著地層水礦化度的增大，地層水的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，所以巖石電阻率降低。

圖7 1號(hào)三維數(shù)字巖心地層水礦化度對(duì)巖石電阻率的影響

圖8為三維數(shù)字巖心地層水礦化度對(duì)巖石電阻率指數(shù)的影響。對(duì)于2號(hào)三維數(shù)字巖心，地層水礦化度對(duì)巖石電阻率指數(shù)影響很小，在整個(gè)含水飽和度區(qū)間內(nèi)不同礦化度下的巖石電阻率指數(shù)基本相同，這是由于該巖心幾乎不含泥質(zhì)，巖石中的導(dǎo)電組分只有地層水，而巖石電阻率指數(shù)為不同含水飽和度下巖石電阻率與飽和地層水巖石電阻率的比值，從而消除了地層水礦化度（地層水電阻率）的影響。因此，對(duì)于幾乎不含泥質(zhì)的砂巖，地層水礦化度對(duì)巖石的電阻率指數(shù)沒(méi)有影響。

圖8 三維數(shù)字巖心地層水礦化度對(duì)巖石電阻率指數(shù)的影響

相反，對(duì)于1號(hào)三維數(shù)字巖心，巖石電阻率指數(shù)隨著地層水礦化度的增加而增大，且其差別隨含水飽和度的降低而變大，這主要是由于該巖心泥質(zhì)含量較高。低礦化度地層水的導(dǎo)電能力較弱，與泥質(zhì)附加導(dǎo)電能力相似或更小，使得泥質(zhì)表現(xiàn)為減阻作用，而高礦化度地層水導(dǎo)電能力強(qiáng)，明顯高于泥質(zhì)附加導(dǎo)電能力，泥質(zhì)主要表現(xiàn)為增阻作用，且泥質(zhì)的增阻或減阻作用隨著含水飽和度的降低而更為明顯。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，地層水礦化度對(duì)巖石電阻率的影響規(guī)律比較復(fù)雜，泥質(zhì)呈現(xiàn)增阻還是減阻主要與地層水礦化度有關(guān)，不能一概而論。對(duì)于具有不同儲(chǔ)層參數(shù)的巖石，地層水礦化度對(duì)巖石電阻率指數(shù)的影響也不相同。

2.3 微孔隙對(duì)巖石電性的影響

微孔隙是指孔隙半徑小于0.1μm的孔隙，也包括孔隙周圍的角隅。由于微孔隙中地層水具有較強(qiáng)的導(dǎo)電能力，微孔隙含量對(duì)巖石電阻率具有較大的影響。分別構(gòu)建微孔隙率為10%、60%和90%的三維數(shù)字巖心，模擬了微孔隙率對(duì)巖石電阻率的影響。數(shù)值模擬結(jié)果（圖9）表明，隨著微孔隙率增大，巖石電阻率降低，這是由于微孔隙尺寸小，油氣難以侵入，通常是被地層水完全占據(jù)，而隨著微孔隙率的增大，微孔隙中的地層水為電流提供了附加的導(dǎo)電路徑，使巖石電阻率減小。

圖9 微孔隙率對(duì)944B巖心巖石電阻率的影響

微孔隙率對(duì)巖石電阻率指數(shù)的影響如圖10所示。從圖10可以看出，在相同含水飽和度下，隨著微孔隙率的增大，巖石電阻率指數(shù)降低，這是由于微孔隙一般飽含地層水，構(gòu)成了附加導(dǎo)電路徑；隨著含水飽和度的降低，微孔隙的導(dǎo)電作用更為明顯，從而導(dǎo)致隨微孔隙率的增大，巖石電阻率指數(shù)下降，但在相同含水飽和度下巖石電阻率指數(shù)的差別會(huì)變小。

圖10 微孔隙對(duì)944B巖心巖石電阻率指數(shù)的影響

3 結(jié)論

（1）以珠江口盆地（東部地區(qū)）HZ21－1－2井的944B巖心為基礎(chǔ)，在粒度分析資料的基礎(chǔ)上，利用過(guò)程法構(gòu)建了該巖心的三維數(shù)字巖心。采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和有限元方法計(jì)算了巖石電阻率、地層因素、膠結(jié)指數(shù)和飽和度指數(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了巖石電性數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

（2）利用數(shù)值模擬方法研究了粘土含量、地層水礦化度、微孔隙等因素對(duì)巖石電性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)粘土和地層水礦化度對(duì)巖石電阻率的影響規(guī)律較為復(fù)雜。地層水礦化度越高，巖石電阻率越低；對(duì)于幾乎不含泥質(zhì)的砂巖，地層水礦化度對(duì)巖石電阻率指數(shù)和飽和度指數(shù)無(wú)影響，而對(duì)于含泥質(zhì)的砂巖則影響規(guī)律有所不同；微孔隙發(fā)育導(dǎo)致束縛水含量增加，巖石電阻率降低。

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An analysis of the factors to influence electrical properties of rocks based on a digital petrophysical experiment：a case of the middle－shallow sandstone reservoirs in Pearl River Mouth basin（the eastern area）

Feng Jin
（Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Guangdong，518067）

In order to further understand quantitative influrences of different factors，such as clay content，formation－water salinity and microporosity，on the electrical property of rocks，the data of grain size and porosity from Core 944B in Well HZ21－1－2 were used to establish a 3D digital core，and the numerical simulation was applied to analyze influnces of each factor.The results have indicated that rock resistivity will decrease with increasing clay content if water salinity is constant，and the lower the water saturation，the higher the degree of resistivity decrease by clay.For the sandstone containing almost no clay，water salinity may have no in flurence on its resistivity；and for the sandstone containing clay，it will depend on formation－water salinity whether its resistivity may decrease or increase.Furthermore，the development of micro porosity in sandstones will result in irreducible water increase and resistivity decrease.All these concepts may provide reference for the oil－saturation evaluation in Pearl River Mouth Basin（the eastern area）.

Pearl River Mouth Basin（the eastern area）；digital core；petrophysical experiment；electrical property of rock；clay content；water salinity；microporosity

＊國(guó)家儲(chǔ)委資源調(diào)查項(xiàng)目“南海東部海域儲(chǔ)層電性參數(shù)研究（編號(hào)：Z2010SLSZ－395）”部分研究成果。

馮進(jìn)，男，高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事測(cè)井綜合解釋及相關(guān)工作。地址：廣東省廣州市海珠區(qū)江南大道中168號(hào)海洋石油大廈1806室（郵編：510240）。

2012－02－25改回日期：2012－08－30

（編輯：周雯雯）