基于孔隙結(jié)構(gòu)的酸性火山巖含氣飽和度計算方法

覃豪，李洪娟，張超謨

（1.大慶油田公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；2.長江大學(xué)地球物理與資源學(xué)院，湖北 荊州 434301）

0 引 言

測井解釋中飽和度評價使用最多的是以電阻率為基礎(chǔ)的飽和度評價方法［1－3］。應(yīng)用電阻率計算儲層含油氣飽和度常用的解釋模型包括經(jīng)典Archie公式［4］、考慮泥質(zhì)影響的飽和度解釋模型［5］及考慮骨架及多重孔隙影響的飽和度解釋模型等［6－7］。對于孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜火山巖儲層，不能滿足經(jīng)典Archie公式的應(yīng)用條件［8］，研究區(qū)酸性火山巖儲層泥質(zhì)含量低，對儲層導(dǎo)電性的貢獻有限［9］，骨架及多重孔隙影響的飽和度解釋模型的導(dǎo)電方式除了自由流體和黏土導(dǎo)電外還有骨架導(dǎo)電、微孔隙中的毛細管束縛水以及黏土束縛水導(dǎo)電等［10］。這些方法均存在不適應(yīng)性，有必要建立能夠滿足酸性火山巖儲層評價的飽和度解釋方法。

本文以恒速壓汞資料為基礎(chǔ)，對酸性火山巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)及其對巖電參數(shù)的影響開展研究，建立了基于孔隙結(jié)構(gòu)含氣飽和度解釋模型，并應(yīng)用巖電實驗確定了模型參數(shù)。該模型較好地解決了儲層的孔隙結(jié)構(gòu)對于火山巖儲層飽和度計算的影響，揭示了不同孔隙結(jié)構(gòu)條件下Rt與Sw之間的物理關(guān)系，解決了現(xiàn)有飽和度解釋模型在火山巖儲層評價中的不適應(yīng)性。應(yīng)用該模型對研究區(qū)35口井的酸性火山巖儲層含氣飽和度進行了數(shù)據(jù)處理，效果較好，能夠滿足儲層評價及儲量提交需求。該方法對于孔喉半徑比大、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非均質(zhì)性強的儲層飽和度研究具有較大的借鑒意義。

1 酸性火山巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究

1.1 酸性火山巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

恒速壓汞資料中儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征包括喉道發(fā)育特征、孔隙發(fā)育特征、孔喉半徑比發(fā)育特征、孔喉配套發(fā)育特征。應(yīng)用研究區(qū)19塊恒速壓汞分析資料研究孔隙結(jié)構(gòu)特征表明，酸性火山巖儲層喉道半徑、孔喉半徑比等表征孔隙結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)值變化范圍大；表征孔隙結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)與宏觀參數(shù)中儲層品質(zhì)指數(shù)相關(guān)性最好，儲層品質(zhì)指數(shù)越大，孔隙結(jié)構(gòu)變好。

1.2 酸性火山巖與砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)對比

應(yīng)用恒速壓汞資料，采用2種方法對比火山巖與砂巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)：①在儲層孔隙度和滲透率相當(dāng)?shù)臈l件下進行孔隙結(jié)構(gòu)對比；②2類儲層的孔隙結(jié)構(gòu)總體對比（見表1）?；鹕綆r儲層具有喉道半徑分布頻帶寬、半徑平均值小，孔隙半徑大，孔喉半徑比大的特征，孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜?；鹕綆r孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致了Rt與Sw的物理關(guān)系復(fù)雜，因而火山巖儲層應(yīng)建立與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的飽和度解釋模型。

2 孔隙結(jié)構(gòu)對巖電實驗參數(shù)的影響

2.1 火山巖等效電路模型

阿爾奇模型的等效電路為骨架及導(dǎo)電流體的并聯(lián)電路（見圖1），應(yīng)用歐姆定律可以進行不同飽和度條件下的電阻率推導(dǎo)［11－13］及飽和度模型推導(dǎo)。前人在研究儲層飽和度模型時考慮電阻率影響因素，在并聯(lián)電路中構(gòu)建了不同的導(dǎo)電支流，但是并未考慮主要導(dǎo)電路徑的導(dǎo)電形狀。阿爾奇模型等效導(dǎo)電流體支路為柱體圓，而且應(yīng)用阿爾奇實驗數(shù)據(jù)分析方法解決了常規(guī)砂巖儲層的飽和度計算［14－16］?；鹕綆r儲層由于其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖電實驗中驅(qū)替程度較小，直接應(yīng)用常規(guī)的實驗數(shù)據(jù)分析方法難以解決火山巖飽和度計算的問題?；鹕綆r儲層的孔喉半徑比為一般砂巖儲層的2～3倍［17］，在孔隙結(jié)構(gòu)研究及阿爾奇等效電路基礎(chǔ)上建立火山巖儲層等效電路，并假設(shè)火山巖儲層等效電路中導(dǎo)電流體的形狀近似為N對孔隙與喉道（見圖2）。圖2中Lw、Aw分別代表電流通過等效孔道的長度和截面積；L、A分別代表巖樣的長度和截面積。

表1 火山巖儲層與砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)對比表＊

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)對膠結(jié)指數(shù)m的影響

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和人造巖心實驗研究膠結(jié)指數(shù)m的變化規(guī)律。當(dāng)大多數(shù)毛細管的直徑接近于相同時，m值很低；當(dāng)毛細管的直徑互不相同且在很大范圍內(nèi)變化時，m值達到最大［11］?；鹕綆r孔隙結(jié)構(gòu)特征相差極大，m應(yīng)隨孔隙結(jié)構(gòu)的變化而變化。因此，在巖性系數(shù)a＝1的情況下建立了m與儲層品質(zhì)指數(shù)的關(guān)系函數(shù)（見圖3）。

圖3 膠結(jié)指數(shù)m與儲層品質(zhì)指數(shù)IRQ關(guān)系圖

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)對飽和度指數(shù)n的影響

2.3.1 孔隙結(jié)構(gòu)對飽和度指數(shù)n的影響分析

巖石顆粒的形狀對于儲層電流的影響也通過Maxwell導(dǎo)電方程得以證實，在導(dǎo)電路徑上為孔隙與喉道的對應(yīng)關(guān)系［18－19］。因此，在火山巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上研究孔喉半徑比對n的影響具有重要意義。

含水飽和度Sw受孔隙介質(zhì)中所含水的最大體積（孔隙）控制，而電阻率受孔隙介質(zhì)中導(dǎo)電路徑的最狹窄處（喉道）控制［20－22］。在 Archie公式中，應(yīng)用不同的n計算的Sw相差較大（見圖4）。圖4給出了電阻增大率I（I＝Rt／R0）與Sw的關(guān)系。從圖4可知，在Sw較低處，n對Sw的計算有最大的校正量。例如，當(dāng)R0／Rt＝0.2、n＝1時，計算Sw＝0.2；當(dāng)n＝2時，Sw＝0.447，與圓柱形導(dǎo)電路徑相比，控制電阻率的孔喉僅需20%的孔隙空間被地層水充滿，24.7%的孔隙水對電阻率影響不大。喉道半徑及導(dǎo)電路徑的復(fù)雜程度決定了n的大小。

圖4 Sw與I關(guān)系圖

圖5 孔喉半徑比對實際導(dǎo)電水體積的影響分析圖

2.3.2 孔隙結(jié)構(gòu)對飽和度指數(shù)n的影響大小

當(dāng)儲層全含水時，電阻率與孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙中導(dǎo)電規(guī)律等有關(guān)［23］；僅孔喉半徑變化時，儲層含水孔隙構(gòu)成的巖石比面無變化，這2個方面均為電阻率影響的主要因素，因此，僅孔喉半徑變化對電阻率的影響不大，這也是巖電實驗中Sw較大時電阻增大率變化較小的原因之一［23］。研究區(qū)水層在孔隙度相同而孔隙結(jié)構(gòu)相差較大的條件下電阻率相差也不大；在Sw較低時，儲層電阻率與孔隙結(jié)構(gòu)及小孔隙中導(dǎo)電規(guī)律等有關(guān)［23］。

在孔隙度與含水飽和度一定時，根據(jù)歐姆定律可知，當(dāng)儲層的孔喉半徑比增加1倍時，電阻率增加約為4倍。在2類儲層喉道大小不同，孔隙度與Sw（Sw＝0.447）相同條件下，對于大喉道儲層，在n＝2，R0／Rt＝0.2時，Sw＝0.447；對于小喉道儲層，當(dāng)喉道半徑減小1倍即孔喉半徑比增加1倍時，R0／Rt≈0.05；由圖4可知，在n＝4時，Sw＝0.447；孔喉半徑比增加1倍時，n增加1倍。

在孔隙度和滲透率相當(dāng)條件下，酸性火山巖儲層與砂巖儲層相比，①孔喉半徑比大，則n大；②火山巖儲層孔喉半徑比一般為砂巖儲層2倍或更大，砂巖儲層的n一般為1.5～3，則火山巖儲層n＞3；③孔喉半徑比變化范圍大，n應(yīng)隨孔喉半徑比的變化而改變。

3 基于孔隙結(jié)構(gòu)的含氣飽和度解釋模型研究

3.1 電阻增大率函數(shù)形式

3.2 飽和度解釋模型

通過酸性火山巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對巖電參數(shù)的影響研究，采用變化的巖電參數(shù)反映孔隙結(jié)構(gòu)變化的方法，即b、m、n和C為變量，建立的基于孔隙結(jié)構(gòu)的含氣飽和度解釋模型為

式中，F(xiàn)為地層因素，無量綱；I為電阻增大率函數(shù)，Ω·m；Sg為目的層含氣飽和度，小數(shù)；Sw為含水飽和度，小數(shù)；φe為儲層有效孔隙度，小數(shù)；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Rt為目的層電阻率，Ω·m；m、a分別為巖石膠結(jié)指數(shù)、系數(shù)，無量綱；n、b分別為飽和指數(shù)、系數(shù)，無量綱。

3.3 確定參數(shù)

研究區(qū)巖酸性火山巖巖電實驗條件與地層條件基本一致。應(yīng)用地層因素實驗數(shù)據(jù)，在a＝1的情況下采用統(tǒng)計回歸的方法確定m的計算模型。

表2 巖電參數(shù)匯總表

采用函數(shù)I＝b／＋C對單塊巖樣巖電實驗數(shù)據(jù)進行擬合（部分樣品擬合結(jié)果見圖8），得到了參數(shù)b、n、C的計算模型（見表2）。

根據(jù)巖電實驗數(shù)據(jù)分析參數(shù)m，b，n，C對Sw計算結(jié)果的影響：在變化量相同的情況下，m對Sw計算結(jié)果影響最大，b，n次之，C最??；在級差方面，n最大，b、C次之，m最小。

4 應(yīng)用效果分析

研究區(qū)酸性火山巖儲層孔隙類型主要為基質(zhì)孔隙，應(yīng)用該模型對35口井的酸性火山巖儲層進行處理。由于火山巖儲層無密閉取心資料，因此將計算的含氣飽和度采用下面的方法進行了驗證。該區(qū)壓裂規(guī)模均為大型壓裂，射孔段上部及下部的有效厚度對于產(chǎn)能均有貢獻。在放噴油嘴相近情況下，應(yīng)用射孔井段上部與下部壓開范圍內(nèi)的有效厚度計算采氣強度?？紫抖扰c飽和度的乘積代表了儲層單位體積內(nèi)的含氣量，因此，應(yīng)用該乘積與采氣強度的變化趨勢是否一致定性判別儲層含氣飽和度計算的準(zhǔn)確性（見圖9）。由圖9可知一致性較好，在孔隙度、試氣段有效厚度相當(dāng)?shù)膬又醒芯亢瑲怙柡投扰c儲層產(chǎn)能的匹配情況（見表3）。由表3可知匹配較好。2種驗證方法均表明該模型適用于該類火山巖儲層。

表3 測井計算飽和度與試氣情況統(tǒng)計

5 結(jié) 論

（1）酸性火山巖儲層具有喉道半徑分布頻帶寬、平均值小及單位體積內(nèi)發(fā)育喉道少，孔隙半徑分布集中、平均值大，孔喉半徑比大的特征，宏觀表現(xiàn)為孔隙滲流能力差，孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。微觀非均質(zhì)性主要由喉道控制。

（2）酸性火山巖儲層m較大，與儲層品質(zhì)指數(shù)相關(guān)性最好；n較大，由孔喉半徑比控制，一般大于3，與孔喉半徑比相關(guān)性最好；m和n的變化反映孔隙結(jié)構(gòu)的變化。

（3）針對孔喉半徑比大的儲層，提出了電阻增大率函數(shù)的新形式，指出n在儲層Sw較小時對計算結(jié)果影響較大，非均值常數(shù)C在儲層Sw較大時對計算結(jié)果影響較大。

（4）在微觀孔隙結(jié)構(gòu)對巖電參數(shù)影響研究基礎(chǔ)上，采用變模型參數(shù)的方法反映儲層孔隙結(jié)構(gòu)變化，建立了基于孔隙結(jié)構(gòu)儲層的飽和度解釋模型，并確定了參數(shù)的計算模型，將該飽和度計算方法應(yīng)用于研究區(qū)酸性火山巖儲層，取得了較好效果。

［1］張鳳敏，孫廣博，于俊文，等.根據(jù)油藏流體飽和度形成條件建立碎屑巖油層含油飽和度解釋模型 ［J］.石油勘探與開發(fā)，1996，23（5）：63-66.

［2］Archie G E.用電阻率測井曲線確定若干儲層特征參數(shù) ［J］.李寧，譯.地球物理測井，1991，15（5）：297-304.

［3］彭琥.電－核組合信息自洽飽和度測井求索 ［J］.測井技術(shù)，2011，35（1）：8-13.

［4］Archie G E.The Electrical Resistivity Log as an Aid in Determining Some Reservoir Characteristics ［J］.AIME，1942，146：54-61.

［5］Dewitte L.Relation Between Resisitivities and Fluid Content of Porous Rock［J］.J.Oil and Gas，1950，49（8）：120-132.

［6］Dewitte L.A Study of Electric Log Interpretation Methods in Shaly Formation［J］.AIME，1955，204：103-332.

［7］Alger R P，Raymer L L.Formation Density Log Application in Liquidfilled Holes ［J］.JPT，1963，15（4）：321-332.

［8］荊萬學(xué)，陳永吉.淺探阿爾奇公式的物理學(xué)原型 ［J］.測井技術(shù)，1997，21（4）：289-291.

［9］Poupon A，Loy M E，Tixer M P.A Contribution to Electric Log Interpretation in Shaly Sands［J］.AIME，1954，201：138-145.

［10］Givens W W.A Conductive Rock Matric Model（CRMM）for the Analysis of Low-Contrast Resistivity Formation［J］.The Log Analyst，1987，28（2）：138-151.

［11］孫建國.阿爾奇（Archie）公式：提出背景與早期爭論［J］.地球物理學(xué)進展，2007，22（2）：472-486.

［12］雍世和，張超謨.測井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋 ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2002：127-132.

［13］周榮安.阿爾奇公式在碎屑巖儲集層中的應(yīng)用 ［J］.石油勘探與開發(fā)，1998，25（5）：80-82.

［14］李秋實，周榮安，張金功，等.阿爾奇公式與儲層孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系 ［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2002，23（4）：364-367.

［15］沈愛新，王黎，陳守軍.油層低電阻率及阿爾奇公式中各參數(shù)的巖電實驗研究 ［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報，2001，23（5）：24-25.

［16］張振城，孫建孟，馬建海，等.阿爾奇公式中a，m值對飽和度計算結(jié)果的影響 ［J］.石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004，28（6）：27-34.

［17］龐彥明，章鳳奇，邱紅楓，等.酸性火山巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)特征 ［J］.石油學(xué)報，2007，28（6）：72-77.

［18］范宜人，胡慶東.國內(nèi)外巖石電子率實驗室測量 ［J］.國外測井技術(shù)，1992，7（6）：19-29.

［19］Longeron D G.Effect of Overbunden Pressure，Narure，and Microscopic Distribution of the Fluid on Electrical Properties of Rock Sample［C］∥SPE15383，1986.

［20］張超謨，張占松，李軍，等.基于港灣效應(yīng)的導(dǎo)電機理與飽和度方程研究 ［J］.石油天然氣學(xué)報，2009，31（6）：86-89

［21］閆偉林，覃豪，李洪娟.基于導(dǎo)電孔隙的中基性火山巖儲層原始含氣飽和度解釋模型研 ［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2011，41（3）：915-920.

［22］章海寧，張超謨.適用復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)地層消除背景導(dǎo)電飽和度模型 ［J］.測井技術(shù)，2011，35（1）：41-44.

［23］高楚橋，章成廣，朱登朝.油氣進入不同大小的孔隙時巖石電阻率與含水飽和度的關(guān)系 ［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報，1998，20（3）：46-49.