高北斜坡中深層巖性油藏巖石電阻率實驗研究

楊銳祥，王向公，馮俊貴，崔式濤，劉欣欣

(1.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100； 2.長江大學 地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100； 3.中國石油集團測井有限公司 油氣評價中心，陜西 西安 710077； 4.中國石油集團測井有限公司 華北事業(yè)部，河北 任丘 062552)

引 言

眾所周知，含油性分析與評價對于油氣藏的勘探與開發(fā)都具有重要意義，根據(jù)Archie公式[1]可知，電阻率是最方便、有效地反映儲層含油性的測井參數(shù)。然而，經(jīng)典的Archie公式僅適用于純巖石地層，對于復雜地層，模型中的膠結(jié)指數(shù)m和飽和度指數(shù)n受很多因素的影響[2-6]，使測井得到的巖石電阻率變化規(guī)律十分復雜，給油氣勘探與開發(fā)帶來很大挑戰(zhàn)。

冀東油田南堡凹陷高北斜坡中深層巖性油氣藏是中石油“十二五”期間重要的勘探領(lǐng)域之一。由于高北斜坡中深層巖性油氣藏埋藏深，地質(zhì)特征復雜[7]，整體格局呈現(xiàn)四洼、五凸、一斜坡的構(gòu)造特點，從而導致電阻率測井響應復雜，儲層含油性評價困難。為了弄清復雜的電阻率測井響應特征，解決含油性評價的難題，本文模擬不同地層水礦化度條件下的油驅(qū)水過程，以不同類型典型巖心的巖電實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別研究地層水礦化度Cw、孔隙度Φ、儲層品質(zhì)因子RQI[8]和陽離子交換量Qv對膠結(jié)指數(shù)m和飽和度指數(shù)n的影響[9]，并建立動態(tài)巖電參數(shù)計算含水飽和度Sw的模型。

1 實驗樣品、方法和流程

本次實驗共選取高北斜坡中深層巖性油藏27塊典型巖心。巖心選取時兼顧巖性、物性和電性特征。所選巖心覆蓋全部儲層類型，所有巖心都是砂巖，膠結(jié)良好，無微裂縫。巖心的孔隙度主要分布于4%～20%，滲透率變化大，主要范圍是(0.02 ～1 000)×10-3μm2。

為了能夠更好地進行實驗結(jié)果對比、分析，設(shè)計了圖1所示的實驗流程。主要測量不同地層水礦化度條件下巖心樣品的完全含水電阻率、完全含油電阻率以及陽離子交換量，實驗結(jié)果如表1—表3所示。

2 影響膠結(jié)指數(shù)m的因素和巖電參數(shù)的變化規(guī)律

根據(jù)不同巖樣地層因素與孔隙度之間關(guān)系的實驗結(jié)果(表1)，在雙對數(shù)坐標中制作了研究區(qū)地層因素F與孔隙度Φ關(guān)系圖(圖2)，可見二者之間呈現(xiàn)明顯的非線性相關(guān)。說明Archie公式中的m在泥質(zhì)含量、成巖作用、溫度、壓力和Cw等的影響下，不再是一個定值。

圖1 實驗流程Fig.1 Experimental flow chart

圖2 地層因素與孔隙度的關(guān)系Fig.2 Relation between stratigraphic factor and porosity

根據(jù)表2實驗數(shù)據(jù)制作了研究區(qū)巖石在不同地層水礦化度下地層因素F與孔隙度Φ的交會圖(圖3)，圖中數(shù)據(jù)點分為3部分，從左下至右上，分別代表Cw為2 000×10-6、4 000×10-6和6 000×10-6時測得的數(shù)據(jù)點。從圖中可以看出，相同孔隙度條件下，礦化度越高，F(xiàn)越大，m也越大。這種現(xiàn)象的主要原因是黏土礦物的充填和富集改造了孔隙空間和結(jié)構(gòu)[10-11]，進而造成微小孔隙系統(tǒng)的發(fā)育，因此，在不同地層孔隙流體礦化度條件下，低孔隙度砂巖與中、高孔隙度砂巖的導電機理有所差異，巖電參數(shù)規(guī)律也隨之發(fā)生變化。

圖3 不同地層水礦化度下地層因素與孔隙度交會圖Fig.3 Stratigraphic factor-porosity cross-plots under different formation water salinity

巖樣編號深度/mFΦ/%巖樣編號深度/mFΦ/%574075．4023．7514．59604285．8041．888．09594077．0017．5416．61614285．7239．1610．72244521．1038．328．96623578．7714．5916．29274520．5633．6513．00633579．0413．8215．91304520．2527．4312．59643579．0621．0913．29314520．2327．6111．72663579．3510．6624．85324520．0528．9913．47683579．6610．4323．47424358．2026．0213．86693579．8010．3325．65464357．6629．6414．0513667．4712．2818．84494357．0025．2916．4223667．8813．7716．33514356．6627．4915．2953669．669．8118．12564285．3336．1611．88113673．9422．818．00584285．1535．5111．7743490．0011．7318．21

圖4為Archie公式中模型參數(shù)a=1時，不同Cw下m和Φ的交會圖(數(shù)據(jù)來源于表2)。從圖中可知，m隨著Φ的增大而增大，當Φ較大時，m無限逼近于2，說明在高孔隙度時，巖石的附加導電對巖電參數(shù)的影響較小，可近似為純巖石。

圖5為不同Cw下m與Qv交會圖(數(shù)據(jù)來源于表2)，由圖可知，m與Qv有很好的相關(guān)性，m隨著Qv的增大而減小。Qv較小時巖石的附加導電性較弱，m的變化也較??；在Qv較大時巖石的附加導電性較強，m受Qv的影響增大。

表2 不同地層水礦化度下地層因素、膠結(jié)指數(shù)、陽離子交換量測量值和儲層品質(zhì)因子值Tab.2 Stratigraphic factor,cementing indexe,cation exchange measurement value and reservoir quality factor of rock samples under different formation water salinity

注：Ⅰ為Cw=2 000×10-6，Ⅱ為Cw=4 000×10-6，Ⅲ為Cw=6 000×10-6。

圖4 不同地層水礦化度下膠結(jié)指數(shù)與孔隙度交會圖Fig.4 Cross-plots of cementing index and porosity under different formation water salinity

圖5 不同地層水礦化度下膠結(jié)指數(shù)與陽離子交換量交會圖Fig.5 Cross-plots of cementing index and cation exchange capacity under different formation water salinity

圖6為不同類型儲層m與RQI交會圖(數(shù)據(jù)來源于表2)，m隨RQI的增大而增大，有較好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較高。

圖6 膠結(jié)指數(shù)與儲層品質(zhì)因子交會圖Fig.6 Cross-plots of cementing index and reservoir quality factorof different types of reservoir

3 飽和度指數(shù)n值的影響因素和變化規(guī)律

飽和度指數(shù)n是用電阻率評價地層流體性質(zhì)的重要參數(shù)[12-13]，中深層巖性油氣藏因受Cw、RQI及潤濕性等因素的影響，其巖心電阻增大率I和含水飽與度Sw的關(guān)系復雜[14]。

圖7為不同Cw下I與Sw的交會圖(數(shù)據(jù)來源于表3)，從圖中可以看出，I隨著Cw的增加逐漸增大，其原因是巖石孔隙結(jié)構(gòu)的復雜性。在烴類驅(qū)替巖樣孔隙水的過程中， 烴類和水在孔隙中的分布是不均勻的，該不均勻性依Sw的不同而變化，且導致電流在巖石可連通孔隙結(jié)構(gòu)中流動的曲折性增加，從而在Cw增大的情況下，使Rt減小的速率比100%含水巖石電阻率Ro減小的速率慢，最終導致電阻增大率增加。

大量的巖電實驗表明：富含黏土樣品，特別是Qv較高的蒙脫石類黏土樣品的導電性大于純砂巖樣品，導致儲層電阻率降低[15]，在低地層水礦化度環(huán)境下，陽離子附加導電在巖石整個導電網(wǎng)絡(luò)中所占比重增大，導致這種影響更為突出。在南堡凹陷地層中，部分黏土礦物以蒙脫石為主，且Cw低，使得泥質(zhì)附加導電作用加強，進而造成油氣層電阻率的降低。

圖8為不同Cw下n與Qv交會圖(數(shù)據(jù)來源于表4)，從圖中可以看出，該層段的n變化隨不同油組呈現(xiàn)不同特征。n與Qv的關(guān)系十分復雜，在Qv較低時，n變化較?。辉赒v較高時，其n非常高且變化劇烈。對于大部分儲層，其n可直接選用實驗擬合值。

圖7 不同地層水礦化度下電阻增大率與含水飽和度交會圖Fig.7 Cross-plots of resistance increase rate and water saturation under different formation water salinity

Φ/%ISw/%Cw/10-6200040006000Cw/10-620004000600014．592．752．733．7957．1853．9250．1016．613．433．444．0554．6551．4649．188．964．064．745．5755．9749．5252．8413．003．226．285．7957．4139．6744．7212．594．213．884．8254．1254．1051．1411．723．332．533．4461．3767．1358．1313．472．674．787．1862．3047．9242．3613．863．073．755．8546．5742．1637．6714．055．436．538．6339．5439．3635．9816．425．895．658．0036．7339．2635．9715．293．857．059．4442．7133．7531．6911．883．534．514．8354．5647．8349．1411．773．483．544．5759．8357．0954．188．093．712．823．0567．3964．4466．4010．723．296．665．7053．4541．6145．8024．852．783．885．5737．8430．9727．4423．472．413．264．1441．4431．0830．33

圖8 不同地層水礦化度下飽和度指數(shù)與陽離子交換量交會圖Fig.8 Cross-plots of saturation index and cation exchange capacityunder different formation water salinity

巖石的導電能力取決于巖石孔隙中流體帶電離子的多少，即與孔隙流體礦化度有關(guān)，隨著地層水礦化度的增加，巖石電阻率降低。巖心中飽和不同Cw的流體時，相同巖心隨著Cw的增大，飽和度指數(shù)明顯增大，特別是在低Cw的情況下，飽和度指數(shù)增大更加明顯。當Cw達到數(shù)萬mg/L時，飽和度指數(shù)變化減小，隨著Cw的繼續(xù)增大，飽和度指數(shù)逐漸穩(wěn)定。

填隙物成分、含量的不同對n值的影響較大。通過對比近源型和遠源型儲層，填隙物中占主要部分的是泥微晶碳酸鹽巖和方解石。原生填隙物和交代作用生成的次生填隙物附著在顆粒表面或者填充在孔隙空間中，減小了儲層孔隙空間，使孔隙結(jié)構(gòu)的迂曲度增加，喉道變小且更加復雜，n值也隨之增大。該區(qū)儲層按孔隙結(jié)構(gòu)不同劃分為4類，見表5。

表4 不同地層水礦化度下陽離子交換量Qv和飽和度指數(shù)nTab.4 Cation exchange capacity Qv and saturation index n under different formation water salinity

表5 研究區(qū)儲層劃分標準Tab.5 Classification standard of reservoir in the study area

圖9為不同類型儲層n值分布區(qū)間，圖中Ⅰ類儲層的n值一般小于2，分布在0.8～1.8，Ⅱ類儲層n值一般在2附近，分布區(qū)間在1.5～2.4之間，Ⅲ類儲層n值分布區(qū)間在1.2～3.2，主要分布在1.8～2.6，Ⅳ類儲層n值分布區(qū)間大于3；I-Sw關(guān)系不僅與儲層孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與儲層的潤濕性密切相關(guān)。一般，中性潤濕時n約等于2，親油時n大于2，親水時n小于2。

圖9 不同類型儲層n值分布區(qū)間Fig.9 The n value distribution interval of different types of reservoir

4 動態(tài)巖電參數(shù)模型計算及檢驗

通過上述分析可知，研究區(qū)低孔滲儲層巖電關(guān)系呈現(xiàn)非Archie現(xiàn)象，Archie公式中各項參數(shù)對于不同類型儲層不再通用。同時，m、n與Φ、RQI具有較好的相關(guān)性，因此，下面對采用儲層品質(zhì)控制的動態(tài)巖電參數(shù)計算儲層含水飽和度進行研究。

F與Φ、I與Sw的關(guān)系為

(1)

(2)

式中：F為地層因素；a為模型參數(shù)；Φ為孔隙度，%；m為膠結(jié)指數(shù)；Ro為完全含水電阻率，Ω·m；Rw為地層水電阻率，Ω·m。I為電阻增大率；b為模型參數(shù)；Sw為含水飽和度，%；n為飽和度指數(shù)；Rt為儲層電阻率，Ω·m。

結(jié)合式(1)和式(2)，可得

(3)

從圖6可以看出，不同類型儲層m與RQI對數(shù)值具有很好的線性關(guān)系，因此，可以假設(shè)：

m=C1×lnRQI+C2，

(4)

式中：C1和C2為模型參數(shù)。

利用式(4)計算研究區(qū)不同類型儲層的m值，將計算結(jié)果與巖心分析結(jié)果進行對比，如圖10所示，數(shù)據(jù)點均分布在對角線附近，反映出模型的計算結(jié)果很好，相對誤差±2%。

基于不同類型儲層m與RQI的關(guān)系，可以同理假設(shè)不同類型儲層n與RQI也具有類似的關(guān)系

n=C3×lnRQI+C4，

(5)

式中：C3和C4為模型參數(shù)。

利用式(5)計算研究區(qū)不同類型儲層的n值，將計算結(jié)果與巖心分析結(jié)果進行對比，如圖11所示，數(shù)據(jù)點均分布在對角線附近，二者呈45°對角，反映出模型的計算結(jié)果很好，相對誤差±3%。

將式(4)、式(5)計算的m、n值代入式(3)計算含水飽和度，并將計算的Sw值與巖心分析結(jié)果進行對比，如圖12所示，二者具有較好的一致性，說明動態(tài)巖電參數(shù)模型計算含油飽和度是可靠的。在圖13中對實際井資料采用固定m、n值、動態(tài)巖電參數(shù)計算的含水飽和度及實驗結(jié)果進行了對比，可以看出，采用動態(tài)巖電參數(shù)計算的含水飽和度與實驗結(jié)果很接近，相對誤差在±10%以內(nèi)。

圖10 巖心分析與模型計算膠結(jié)指數(shù)對比Fig.10 Comparison of cementing index obtained by core analysis with model calculation

圖11 巖心分析與模型計算飽和度指數(shù)對比Fig.11 Comparison of saturation index obtained by core analysis with model calculation

圖12 巖心分析與模型計算飽和度對比Fig.12 Comparison of saturation obtained by core analysis with model calculation

圖13 固定巖電參數(shù)、動態(tài)巖電參數(shù)計算與實驗分析Sw對比Fig.13 Comparison among saturation obtained by static rock electrical parameters,dynamic rock electrical parameters and core analysis

5 結(jié) 論

高北斜坡中深層儲層的m值隨著Cw、Φ和RQI的增大而增大，而Qv的增大會使得m值減??；n值隨Cw和Qv的增大而增大，隨Φ和RQI的增大而減小。基于實驗數(shù)據(jù)的分析和研究，分別建立了利用RQI計算m、n值的模型，并建立了應用動態(tài)巖電參數(shù)計算Sw的模型，模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合很好。

[1] ARCHIE G E.The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics[J].Transactions of the AIME,1942,146:54-62.

[2] 宋延杰,姜艷嬌,宋楊,等.古龍南地區(qū)低阻油層膠結(jié)指數(shù)和飽和度指數(shù)影響因素實驗[J].吉林大學學報(地球科學版),2014,44(2):704-714.

SONG Y J，JIANG Y J，SONG Y,et al.Experiment on influence factors of cementation index and saturation index of low resistivity zone of Gulong south area[J].Journal of Jilin University,Earth Science Edition,2014,44(2):704-714.

[3] 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司.低阻油氣藏測井評價技術(shù)及應用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2009.

[4] 張明祿,石玉江.復雜孔隙結(jié)構(gòu)砂巖儲層巖電參數(shù)研究[J].石油物探,2005,44(1):21-23.

ZHANG Minglu,SHI Yujiang.Study on rock electrical parameters of sandstone reservoir with complex pore structure[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2005,44(1):21-23.

[5] 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].石油天然氣學報,2003,25(s1):24-25.

SHEN Aixin,WANG Li,CHEN Shoujun.Experimental study on rock electricity of Low resistivity of reservoir and parameters in Archie formula[J].Journal of Petroleum and Natural Gas,2003,25(s1):24-25.

[6] 馮程,毛志強,殷文,等.低滲透復雜潤濕性儲層電阻率實驗及導電機理研究[J].地球物理學報,2017,60(3):1211-1220.

FENG Cheng,MAO Zhiqiang,YIN Wen,et al.Resistivity experiment and conductive mechanism research of low permeability complex wettability reservoir[J].Chinese Journal of Geophysics,2017,60(3):1211-1220.

[7] 劉海青,許廷生,李艷梅,等.南堡凹陷中深層巖性油氣藏形成及分布[J].特種油氣藏,2014,21(5):34-36.

LIU Haiqing,XU Yansheng,LI Yanmei,et al.Formation and distribution of lithologic oil and gas reservoirs in middle deep layer of Nanpu sag[J].Special Oil and Gas Reservoirs,2014,21(5):34-36.

[8] 張程恩,潘保芝,劉倩茹.儲層品質(zhì)因子RQI結(jié)合聚類算法進行儲層分類評價研究[J].國外測井技術(shù),2012(4):11-13.

ZHANG Chengen,PAN Baozhi,LIU Qianru.Reservoir quality factor RQI combined with clustering algorithm for reservoir classification and evaluation[J].Foreign Logging Technology,2012(4):11-13.

[9] 程相志，周鳳鳴，彭銀輝，等.W-S模型在泥質(zhì)砂巖儲層含油性評價中的應用[J].石油與天然氣地質(zhì)，2000，21(4):313-317.

CHENG Xiangzhi,ZHOU Fengming,PENG Yinhui,et al.Application of W-S model in oil-bearing evaluation of shaly sand reservoir[J].Geology of Petroleum and Natural Gas,2000，21(4):313-317.

[10] 陳瑞君.我國某些地區(qū)的海綠石特征及其對相環(huán)境分析的意義[J].地質(zhì)科學，1980，12(1):65-74.

CHEN Ruijun.The characteristics of Glauconite in some areas of our country and its significance in analyzing the facies environment[J].Geological Science,1980，12(1):65-74.

[11] 耿燕飛，張春生，韓校鋒，等.安岳—合川地區(qū)低阻氣層形成機理研究[J].巖性油氣藏，2011，23(3):70-74.

GENG Yanfei,ZHANG Chunsheng,HAN Xiaofeng,et al.Formation mechanism of low resistivity gas reservoirs in Anyue Hechuan area[J].Lithologic Hydrocarbon Reservoir,2011，23(3):70-74.

[12] 王博，趙軍，王淼，等.斷塊低阻油層測井識別與評價[J].巖性油氣藏，2012，24(6):110-114.

WANG Bo,ZHAO Jun,WANG Miao,et al.Logging identification and evaluation of fault block low resistivity reservoir[J].Lithologic Reservoirs,2012，24(6):110-114.

[13] 雍世和，張超謨.測井數(shù)據(jù)處理與綜合解釋[M].東營:石油大學出版社，1996:112-124.

[14] 居字龍，唐輝，劉偉新，等.珠江口盆地高束縛水飽和度成因低阻油層地質(zhì)控制因素及分布規(guī)律差異[J].中國海上油氣，2016，28(1):60-68.

JU Zilong,TANG Hui,LIU Weixin,et al.Geological control factors and distribution law of low resistivity reservoir in the Pearl River Mouth Basin with high irreducible water saturation[J].Offshore Oil and Gas in China,2016，28(1):60-68.

[15] 歐陽健，毛志強，修立軍.測井低對比度油層成因機理與評價方法[M].北京:石油工業(yè)出版社，2009:229-269.