油基泥漿密閉取心飽和度校正方法

王謙，蘇波，宋帆，于華，李震，姚亞彬

（1.中國石油集團(tuán)測井有限公司，陜西 西安710077；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒841000）

0 引 言

密閉取心飽和度由于受測量環(huán)境、揮發(fā)脫氣等因素的影響，使得實(shí)際測量值與地層原始值之間存在較大的差異，影響密閉取心的實(shí)際應(yīng)用效果。因此，密閉取心飽和度校正方法的研究是人們長期關(guān)注的重點(diǎn)。劉麗、胡學(xué)軍等［1－2］通過室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)，建立了降壓脫氣前后含水飽和度關(guān)系，以模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)密閉取心飽和度進(jìn)行校正；楊克兵、陳新等［3－4］根據(jù)密閉取心油水飽和度數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系，對(duì)巖心測量數(shù)據(jù)進(jìn)行物性分類與多元回歸，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法形成了一套密閉取心飽和度校正方法；孔祥禮、王藝景等［5－6］在密閉取心油水飽和度擬合線的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)方法對(duì)擬合線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行平移校正與旋轉(zhuǎn)校正，得到歸一化處理的校正飽和度。模擬實(shí)驗(yàn)建立的密閉取心飽和度校正法其精度受所選樣品及樣品數(shù)的影響較大，而且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在高溫高壓下進(jìn)行，周期長費(fèi)用高；其余方法都是在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上直接對(duì)飽和度進(jìn)行校正，均未考慮測量環(huán)境對(duì)飽和度變化的影響，使飽和度的校正量大于實(shí)際變化值，而且沒有轉(zhuǎn)換成地層條件下的原始油水飽和度。當(dāng)巖心到達(dá)地面時(shí)由于壓力減小，巖石孔隙體積會(huì)變大，所以在計(jì)算地層條件下孔隙度時(shí)經(jīng)常進(jìn)行覆壓校正。即使密閉取心的密閉率為100%（巖心中飽和的流體沒有任何揮發(fā)與損耗），但由于在地面條件下巖心的孔隙度變大，孔隙中流體的體積也發(fā)生了變化，并且與孔隙度的變化率不同，這樣就導(dǎo)致測量的油水飽和度之和不等于100%。本文在進(jìn)行密閉取心飽和度校正時(shí)分2步進(jìn)行，首先通過巖石物理實(shí)驗(yàn)校正孔隙度變化引起的飽和度變化；其次通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行降壓脫氣校正，從而求得地層條件下的原始飽和度。

1 密閉取心飽和度的覆壓孔隙度校正

在實(shí)驗(yàn)室條件下通過各種測試方法，其計(jì)算含水飽和度的公式為

式中，Sw測為地面測量的密閉取心含水飽和度，%；So測為地面測量的密閉取心含油飽和度，%；Vw地面為地面測量的孔隙中含水體積，cm3；Vo地面為地面測量的孔隙中含油體積，cm3；Vφ地面為地面條件下巖石的孔隙體積，cm3。

假設(shè)同一塊巖樣飽含相同的流體且沒有任何損耗，孔隙體積與流體體積在不同的測量環(huán)境中數(shù)值不同。因此，在不考慮降壓脫氣損耗的情況下，地層條件下含水飽和度計(jì)算公式為

式中，Sw實(shí)為地層條件下密閉取心含水飽和度，%；So實(shí)為地層條件下密閉取心含油飽和度，%；Vw地層為地層條件下孔隙中的含水體積，cm3；Vo地層為地層條件下孔隙中的含油體積，cm3；Vφ地層為地層條件下巖石的孔隙體積，cm3。

其中

式中，Cw為地層水體積系數(shù)；Co為原油體積系數(shù)。

聯(lián)立式（1）、式（2）與式（3），可得

式中，φ為常溫常壓下測量的巖石孔隙度，%；V地面為常溫常壓下測量的巖石體積，cm3；φ覆壓為地層溫度壓力下測量的巖石孔隙度，%；V地層為地層溫度壓力下測量的巖石體積，cm3。

2 密閉取心飽和度的降壓脫氣校正

在取心筒起鉆和巖心封裝過程中，巖心流體系統(tǒng)的壓力逐漸下降，這就使得溶解在油水中的氣體不斷膨脹，從而推動(dòng)油水向孔隙外移動(dòng)，造成油水飽和度嚴(yán)重?fù)p失。在地層條件下如果巖樣孔隙僅由油和水充滿，那么含油飽和度與含水飽和度之和應(yīng)為100%。本文利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行降壓脫氣飽和度損失校正，假設(shè)油的剩余率為ηo，水的剩余率為ηw，則

式中，Soc為校正后的含油飽和度，%；Swc為校正后的含水飽和度，%。

由密閉取心的原始油水飽和度之和為100%，可得

由式（10）可知降壓脫氣校正前的油水飽和度存在線性關(guān)系，即

其中

式中，A、B可以由密閉取心飽和度測量數(shù)據(jù)通過線性擬合得到，這樣就可以求出ηo、ηw，完成密閉取心飽和度的脫氣校正。

圖1是××1井油基泥漿密閉取心井測井解釋成果圖。該井連續(xù)密集取心多于160m，穿過了油水界面，在油層與水層中進(jìn)行了系統(tǒng)的取心分析。在以往的研究中取心數(shù)量較少，目的層沒有足夠的油藏高度，取心未穿過穩(wěn)定的油水界面，水基泥漿鉆井對(duì)取心筒內(nèi)巖心有一定的侵入影響等多方面存在局限性。本文在取心資料豐富的情況下，討論油層、水層中式（11）中的A、B系數(shù)是否相同。長久以來人們認(rèn)為在親水性巖石中，油層中的油占據(jù)著有利孔隙通道，水以薄膜束縛水和毛細(xì)管滯留水形式存在，在降壓脫氣的過程中油的損耗大于水的損耗；而在水層中，水占據(jù)著有利孔隙通道，油以殘余油的形式在一些孔隙聯(lián)通性較差的地方富集，導(dǎo)致在降壓脫氣過程中水的損耗大于油的損耗。如果這種假設(shè)成立，分別建立油層、水層的校正公式，油層中油的剩余率為ηo1、水的剩余率為ηw1，水層中油的剩余率為ηo2、水的剩余率為ηw2，則

油層

水層

如果校正后的含水飽和度與含油飽和度之和不等于100%，需要進(jìn)一步對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，校正因子必須換算成油水損耗總百分比，歸一化校正公式為

式中，So為經(jīng)過歸一化校正地層條件下的含油飽和度，%；Sw為經(jīng)過歸一化校正地層條件下的含水飽和度，%；δ為飽和度損耗總值中油所占的百分比，（1－δ）為水所占的百分比，其中δ的表達(dá)式為

通過式（1）到式（17）建立了油基泥漿密閉取心飽和度的校正方法，在覆壓孔隙度實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合密閉取心分析資料，可對(duì)該井的密閉取心飽和度進(jìn)行合理校正。

圖1 ××1井測井解釋成果圖

3 ××1井密閉取心飽和度校正

在對(duì)××1井進(jìn)行密閉取心飽和度校正時(shí)，應(yīng)該首先進(jìn)行密閉取心飽和度的覆壓孔隙度校正，在確定取心井段凈上覆壓力的基礎(chǔ)上，利用該井段覆壓孔隙度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立覆壓孔隙度校正公式，其中，凈上覆壓力通過式（18）進(jìn)行確定

式中，pe為凈上覆壓力，MPa；pgs為上覆地層壓力，MPa；pf為流體壓力，MPa；D為樣品埋藏深度，m；ρ為上覆巖層平均密度，一般取為2.3g／cm3。

根據(jù)研究區(qū)石炭系目的層系地層測試器確定的原始地層壓力（即流體壓力）為42.33MPa，由式（18）、式（19）確定該井石炭系取心井段的凈上覆壓力為40.47MPa。利用目的層系21塊覆壓孔隙度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定在凈上覆壓力下的三軸孔隙度，但地層條件下為單軸孔隙度，因此必須將實(shí)驗(yàn)室測量的三軸孔隙度轉(zhuǎn)化為單軸孔隙度。美國巖心公司提供的CMS300巖心自動(dòng)分析儀三軸孔隙度轉(zhuǎn)化為地層孔隙度的公式［7－8］為

式中，φ3為凈上覆壓力下測量的三軸孔隙度；ε為轉(zhuǎn)換因子，一般取0.61。

利用式（20）可以確定地層孔隙度，然后回歸建立地面孔隙度轉(zhuǎn)化為地層孔隙度的校正公式（見圖2），即

利用式（21）將石炭系密閉取心巖樣的地面孔隙度轉(zhuǎn)化為地層孔隙度。

圖2 覆壓孔隙度與地層孔隙度關(guān)系

由于巖石顆粒骨架彈性形變引起的體積變化比巖石孔隙體積變化小，因此，假定巖石顆粒骨架的體積變化可以忽略不計(jì)，式（5）、式（6）簡化為

由該地區(qū)流體分析實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)測井資料確定該地區(qū)石炭系取心井段的Cw為1.04，Co為1.40。在覆壓孔隙度校正的基礎(chǔ)上，利用式（22）、式（23）對(duì)密閉取心測量的飽和度進(jìn)行覆壓孔隙度校正，消除由于孔隙體積變化和流體體積變化對(duì)測量飽和度的影響，然后在此次校正的基礎(chǔ)上進(jìn)行降壓脫氣校正。

在數(shù)據(jù)的整理分析過程中發(fā)現(xiàn)巖心測量飽和度損失較大，許多巖心油水飽和度之和遠(yuǎn)小于50%，為了消除環(huán)境及測試因素的影響，使建立的脫氣校正公式更符合實(shí)際情況，應(yīng)該選取剩余率較高的巖心數(shù)據(jù)。本文選取經(jīng)過飽和度覆壓孔隙度校正后油水飽和度之和大于70%的巖心數(shù)據(jù)。圖3為分油層、水層分別建立油水層剩余率計(jì)算公式。圖4為未區(qū)分油層、水層建立的剩余率計(jì)算公式。對(duì)比分析圖3、圖4發(fā)現(xiàn)未區(qū)分油層、水層建立的剩余率計(jì)算公式相關(guān)性更高，而且油層、水層的含水飽和度與含油飽和度線性變化，變化趨勢未出現(xiàn)明顯的分異。因此，對(duì)該井石炭系進(jìn)行飽和度校正時(shí)應(yīng)將式（13）、式（14）統(tǒng)一為式（12），由圖4線性回歸的數(shù)據(jù)可得

圖3 ××1井區(qū)石炭系密閉取心油水層飽和度關(guān)系圖

圖4 ××1井區(qū)石炭系密閉取心飽和度關(guān)系圖

結(jié)合式（11）、式（12）、式（24）確定密閉取心的油水剩余率為

在密閉取心測量的飽和度進(jìn)行覆壓孔隙度校正的基礎(chǔ)上，利用式（7）、式（8）、式（26）對(duì)密閉取心飽和度進(jìn)行降壓脫氣校正，最后利用式（15）、式（16）、式（17）對(duì)校正后的飽和度進(jìn)行歸一化處理，使油水飽和度之和為100%。

表1為××1井密閉取心飽和度校正前后對(duì)比數(shù)據(jù)。從表1中可見校正后的含油飽和度與含水飽和度之和不等于100%，需要進(jìn)行歸一化處理。因?yàn)樵谶M(jìn)行密閉取心飽和度降壓脫氣校正時(shí)采用線性回歸的方法確定油水的剩余率，它是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，因此不可能使校正后的結(jié)果完全符合地層實(shí)際情況（油水飽和度之和為100%），只能是逼近地層的實(shí)際情況，所以需要進(jìn)行歸一化校正，使校正結(jié)果更符合實(shí)際情況。

表1 ××1井飽和度校正前后對(duì)比數(shù)據(jù)

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）密閉取心飽和度損失的主要因素：①取心筒上提及巖心封裝過程中，巖心流體系統(tǒng)壓力逐漸下降，溶解在油水中的氣體逐漸膨脹驅(qū)替孔隙中的流體造成取心飽和度損失；②由于地層與地面環(huán)境的溫度壓力不同，當(dāng)巖心到達(dá)地面后，孔隙體積變大，流體體積變小，引起實(shí)驗(yàn)室測量飽和度偏小。

（2）實(shí)驗(yàn)室覆壓孔隙度實(shí)驗(yàn)測量的是凈水壓力下的三軸孔隙度，在進(jìn)行覆壓孔隙度校正時(shí)首先確定凈上覆壓力下的三軸孔隙度，然后通過經(jīng)驗(yàn)公式將三軸孔隙度轉(zhuǎn)化為地層條件下的單軸孔隙度。

（3）地層水的體積系數(shù)變化較小，但原油的體積系數(shù)變化較大，并且與原油組分、地層溫度壓力等參數(shù)密切相關(guān)，該井原油體積系數(shù)比孔隙體積變化對(duì)取心含油飽和度的校正影響更大。

（4）在密閉取心飽和度覆壓校正的過程中引入油、水體積系數(shù)，通過分析發(fā)現(xiàn)該井石炭系均質(zhì)細(xì)砂巖儲(chǔ)層在降壓脫氣過程中油、水剩余率差異較小，同時(shí)論證了在該地區(qū)石炭系東河砂巖不需要區(qū)分油層、水層分別建立剩余率計(jì)算公式。

（5）密閉取心飽和度校正是建立在覆壓孔隙度實(shí)驗(yàn)與取心分析飽和度的基礎(chǔ)上，與模擬地層條件下飽和度降壓脫氣實(shí)驗(yàn)相比，本文的校正方法節(jié)約成本、安全快速。

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