基于擴(kuò)散雙電層理論的低對(duì)比度油層判別新方法

崔云江, 王培春, 李瑞娟, 陸云龍, 熊鐳

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459)

0　引　言

目前,研究人員根據(jù)不同地區(qū)規(guī)律總結(jié)的低電阻率成因機(jī)理達(dá)10多種,包括巖性細(xì)、泥質(zhì)含量高、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、復(fù)雜巖性等,流體性質(zhì)判別方法也多種多樣[1]。渤海油田已發(fā)現(xiàn)的新近系低對(duì)比度油層多存在于物性較差的地層,對(duì)于物性較好的中、高孔隙度滲透率儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)較少。毛志強(qiáng)等[2-3]通過對(duì)塔里木盆地塔北三疊系低對(duì)比度油層成因機(jī)理系統(tǒng)研究,證實(shí)黏土礦物強(qiáng)附加導(dǎo)電是中、高孔隙度滲透率低對(duì)比度油層的主要原因。渤海油田新發(fā)現(xiàn)的中、高孔隙度滲透率低對(duì)比度油層其成因與塔里木盆地實(shí)驗(yàn)分析一致,但對(duì)于該類儲(chǔ)層利用自然電位等曲線識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)尚存在較大的不確定性。

通過實(shí)測(cè)的陽離子交換能力,結(jié)合地層水實(shí)際礦化度和地層溫度,利用擴(kuò)散雙電層理論可以計(jì)算出地層的黏土水飽和度。對(duì)于分選和均質(zhì)性較好的中、高孔隙度滲透率儲(chǔ)層其毛細(xì)管吸附水含量為常數(shù),且與總孔隙體積相比,幾乎可以忽略不計(jì),起決定影響作用的是黏土水。Clavier、Hill等[4-5]提出地層水分為黏土水、自由水2部分,通過對(duì)比黏土水飽和度和電阻率方法計(jì)算含水飽和度變化,能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別。當(dāng)電阻率曲線計(jì)算的含水飽和度與黏土水飽和度一致時(shí),儲(chǔ)層流體性質(zhì)為油層;當(dāng)電阻率曲線計(jì)算的含水飽和度明顯高于黏土水飽和度時(shí),儲(chǔ)層表現(xiàn)含水特征,流體性質(zhì)為油水同層、含油水層等。

本文利用該方法,成功解決了墾利、旅大等油田的油水界面判別問題,將旅大某油田的油層下限從原先的6 Ω·m下降到4 Ω·m,直接釋放探明儲(chǔ)量約400萬t,有效支持了油田挖潛和后期調(diào)整開發(fā)。低油柱高度下中、高孔隙度滲透率地層流體性質(zhì)判別方法,突破了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),對(duì)今后其他類似儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)和研究具有一定的借鑒作用。

1　問題的提出

渤海油田已發(fā)現(xiàn)的新近系低對(duì)比度油層巖性細(xì)、泥質(zhì)含量高,存在于物性較差的地層,通過自然電位、微側(cè)向電阻率等測(cè)井技術(shù)組合能夠較好判別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。但是,對(duì)于中、高孔隙度滲透率地層的低對(duì)比度油層認(rèn)識(shí)較少,其成因與塔里木盆地實(shí)驗(yàn)分析一致,且油柱高度比較低,自然電位、微側(cè)向電阻率等測(cè)井曲線在油、水層響應(yīng)一致,油、水層特征不明顯,嚴(yán)重影響了油田的儲(chǔ)量評(píng)價(jià)和后期開發(fā)實(shí)施。

圖1　渤海A井常規(guī)測(cè)井曲線特征圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

在渤海A井(見圖1)中,頂部1 247～1 264 m段與底部1 270～1 276 m段電阻率、自然電位曲線存在明顯差異,測(cè)井響應(yīng)特征頂部為油層,底部為水層。而現(xiàn)場(chǎng)在1 249.5 m處進(jìn)行了取樣,獲得100 mL油、2 420 mL混合液,氯根從105 000 mg/L下降到30 000 mg/L,證實(shí)為油水混合樣。這一問題表明,直接利用受陽離子交換容量變化的自然電位曲線和電阻率曲線是不能反映油水界面的微觀變化,需要從其他方面著手,多角度分析低油柱高度下的低對(duì)比度儲(chǔ)層的流體性質(zhì)。

2　擴(kuò)散雙電層理論及流體性質(zhì)判別

2.1　擴(kuò)散雙電層理論

當(dāng)砂巖中含有黏土礦物,或黏土礦物以黏土膜的形式包裹在砂巖顆粒表面時(shí),由于黏土顆粒表面帶負(fù)電,為達(dá)到電性平衡,負(fù)電荷可從附近水溶液中吸附陽離子或吸附極性水分子,形成擴(kuò)散雙電層(見圖2)。在Stern模型中,把雙電層分為2部分:一部分為接近黏土礦物表面的緊密層,即Stern層;另一部分為Gouy-Chapman擴(kuò)散層[6-7]。

圖2　擴(kuò)散雙電層

Stern層的厚度用XH表示,即外Holmholtz平面距黏土顆粒表面的距離,XH=6.18×10-8cm。

擴(kuò)散層外邊界距黏土顆粒表面的距離稱擴(kuò)散層厚度Xd。當(dāng)遠(yuǎn)水礦化度超過0.35 mol/cm3,Xd=XH;當(dāng)遠(yuǎn)水礦化度小于0.35 mol/cm3時(shí)

Xd=αXH

(1)

式中,系數(shù)α為Na+離子擴(kuò)散層的擴(kuò)展因子,當(dāng)遠(yuǎn)水礦化度小于0.35 mol/cm3時(shí)

(2)

式中,Pwo為Xd=XH時(shí)的地層水礦化度,約為0.35 mol/cm3;Pw為地層水礦化度。

另外,根據(jù)由Diamond & Kinter實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得到的結(jié)果,高嶺石、蒙脫石和伊利石3種黏土礦物特征陽離子交換量CECsp(meq/g)和黏土特征表面積Asp(m2/g)之間存在良好的比例關(guān)系

Asp=v(CEC)sp

(3)

式中,v為比例系數(shù)。

據(jù)此,Clavier等將式(3)推廣到了單位孔隙體積黏土表面積AV與陽離子交換容量QV之間的關(guān)系

AV=ASP/φt=VQV

(4)

因此,單位孔隙體積中的黏土水的孔隙體積為

Vcw=αXHAV=αXHVQV=αVQQV

(5)

式中,φt是地層總孔隙度,小數(shù);QV是單位孔隙體積黏土可交換的陽離子量,meq/mL;VQ=VXH,在25 ℃時(shí),其數(shù)值為0.28 mL/meq。

2.2　計(jì)算黏土水飽和度

黏土顆粒表面吸附水的影響因素相對(duì)比較復(fù)雜。由于黏土晶體置換作用和破鍵作用,低價(jià)離子取代了晶格中的高價(jià)陽離子,使晶體出現(xiàn)了過剩的負(fù)電荷,故使黏土表面呈現(xiàn)負(fù)電特性。黏土表面的負(fù)電荷既可從附近水溶液中吸附陽離子而達(dá)到電平衡,也會(huì)吸附極性水分子或通過吸附水合離子間接吸附極性水分子,從而在黏土表面形成一層薄水膜。這種黏土束縛水含量不僅受到黏土礦物類型的影響,還會(huì)受到地層水礦化度的控制。根據(jù)擴(kuò)散雙電層理論,單位孔隙體積中的黏土水的孔隙體積即為黏土水飽和度

Swi=Vcw=αVQQV

(6)

QV=CEC(1-φt)ρG/φt

(7)

式中,VQ是QV=1 meq/mL時(shí)黏土水占據(jù)的孔隙體積,公式為

VQ=1/(2.853+0.019T)

(8)

式中,CEC是巖石陽離子交換能力,meq/g;ρG是巖石平均顆粒密度,g/cm3;T是地層溫度, ℃;φt是地層總孔隙度,小數(shù);Swi是地層黏土水飽和度。

根據(jù)式(6)至式(8),在地層孔隙度30%的情況下分別建立了不同陽離子交換能力、不同地層水礦化度與黏土水飽和度理論關(guān)系圖版(見圖3、圖4)。根據(jù)圖3、圖4,當(dāng)?shù)貙涌紫抖葹?0%、地層水礦化度20 000 mg/L、陽離子交換能力0.30 meq/g時(shí),黏土水飽和度可達(dá)到0.47。這表明,中、高孔隙度滲透率儲(chǔ)層,在高礦化度地層水情況下,因黏土礦物的高陽離子交換能力,仍可形成低對(duì)比度油層[3]。

圖3　　孔隙度30%條件下,不同陽離子交換能力下的地層水礦化度與黏土水飽和度理論關(guān)系圖版

圖4　孔隙度30%條件下,不同地層水礦化度下陽離子交換能力與黏土水飽和度理論關(guān)系圖版

2.3　流體性質(zhì)判別

根據(jù)Clavier、Hill等提出的雙水模型,地層中水分為黏土水、自由水2部分,而自由水包括可動(dòng)水和顆粒間毛細(xì)管作用所吸附的束縛水。在分選性好的中、高孔隙度滲透率低對(duì)比度油層,孔喉比較低,儲(chǔ)層均質(zhì)性較好,地層中顆粒間毛細(xì)管作用吸附的束縛水體積含量為常數(shù),且與總孔隙體積相比,幾乎可以忽略不計(jì),起決定影響作用的是黏土水。根據(jù)粒度分析資料,研究區(qū)粒度中值在170～450 μs之間,屬于中—粗粒巖屑長(zhǎng)石砂巖。從鑄體薄片和掃描電鏡照片,可以看出儲(chǔ)層孔隙比較發(fā)育,連通性較好。儲(chǔ)層巖心分析覆壓孔隙度分布在23.8～32.8%之間,平均28.7%;覆壓滲透率多大于50 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=0.987×10-3 μm2,下同,最高可達(dá)3 582.5 mD,平均466.5 mD。圖5是3塊物性相近的氣-水半滲透隔板與壓汞毛細(xì)管壓力曲線對(duì)比圖。壓汞條件下的毛細(xì)管壓力曲線與高礦化度情況下的氣-水半滲透隔板的毛細(xì)管壓力曲線相當(dāng)[1],溶液礦化度為6 000 mg/L條件下樣品的束縛水含量明顯高于壓汞毛細(xì)管壓力曲線;2塊氣-水半滲透隔板毛細(xì)管壓力曲線在地層水礦化度一致的情況下,其束縛水飽和度與黏土含量高低有直接關(guān)系。種種跡象表明研究區(qū)束縛水主要是由于黏土顆粒吸附水引起的,與非黏土顆粒表面吸附水、毛細(xì)細(xì)管滯留水并無太大關(guān)聯(lián)。

圖5　不同黏土含量氣-水半滲透隔板與壓汞毛管壓力測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖*非法定計(jì)量單位,1 psi=6 894.76 Pa,下同

圖7　渤海A井飽和度對(duì)比分析結(jié)果圖

根據(jù)擴(kuò)散雙電層理論,利用實(shí)測(cè)的陽離子交換能力,結(jié)合地層水實(shí)際礦化度和地層溫度,可以計(jì)算出地層的黏土水飽和度。在地層束縛水飽和度以黏土水飽和度為主時(shí),基于雙電層理論計(jì)算的單位孔隙體積中的黏土水的孔隙體積即為束縛水飽和度,與電阻率方法計(jì)算得到地層實(shí)際含水飽和度[8-12]進(jìn)行對(duì)比,能夠較好地識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。當(dāng)電阻率曲線計(jì)算的含水飽和度,與黏土水飽和度一致時(shí),地層中不存在可動(dòng)水,儲(chǔ)層流體性質(zhì)為油層;當(dāng)電阻率曲線計(jì)算的含水飽和度明顯高于黏土水飽和度時(shí),表明儲(chǔ)層中存在可動(dòng)水,流體性質(zhì)為油水同層、含油水層等。

圖6　渤海區(qū)域泥質(zhì)含量與陽離子交換能力關(guān)系圖

3　應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)擴(kuò)散雙電層理論,在渤海油田2口井進(jìn)行了驗(yàn)證分析。通過對(duì)渤海區(qū)域研究及巖心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,在研究目標(biāo)區(qū)館陶組和沙河街組地層,黏土礦物以伊蒙混層為主,陽離子交換能力主要集中在0.2～0.4 meq/g,偶見陽離子交換能力強(qiáng)的蒙脫石,實(shí)驗(yàn)分析表明,巖心分析陽離子交換能力與巖心分析泥質(zhì)含量存在較好的一致性關(guān)系(見圖6)[9-11]

CEC=0.5456Vsh+0.1778,R2=0.9713

(9)

利用該關(guān)系可以準(zhǔn)確計(jì)算出地層的陽離子交換能力CEC(見圖7第3道)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)巖心分析巖石顆粒的骨架密度值為2.63 g/cm3,結(jié)合測(cè)井計(jì)算的地層總孔隙度,利用式(7)計(jì)算得到地層的陽離子交換容量QV。渤海區(qū)域地溫梯度普遍為0.03 ℃/100 m,利用式(8)可以計(jì)算得到黏土水占據(jù)的孔隙體積VQ。根據(jù)該井該層位的取樣水分析結(jié)果,地層水礦化度等效氯化鈉濃度為38 045.03 mg/L,遠(yuǎn)高于20 475 mg/L,利用式(1)確定系數(shù)α為1。綜合α、QV、VQ,利用式(6)可以計(jì)算得到地層的黏土水飽和度(見圖7第4道)。根據(jù)油田實(shí)測(cè)地層水礦化度、巖電參數(shù)值,利用Waxman-Smits方程計(jì)算地層含水飽和度(見圖7)。

從圖7看出,利用擴(kuò)散雙電層理論計(jì)算的束縛水飽和度與陽離子交換能力關(guān)系密切,在泥質(zhì)含量較低的1 258～1 264 m段,Waxman-Smits方程計(jì)算的含水飽和度與擴(kuò)散雙電層計(jì)算的束縛水飽和度一致,說明地層不含可動(dòng)水,為油層。在含有泥質(zhì)的1 247～1 250 m、1 251～1 254 m段,雖然電阻率曲線較底部1 270～1 276 m段的水層明顯偏高,表現(xiàn)含油特征,但是利用擴(kuò)散雙電層計(jì)算的束縛水飽和度在1 247～1 250 m、1 251～1 254 m段相近,利用Waxman-Smits方程計(jì)算的束縛水飽和度分別在1 247～1 250 m、1 251～1 254 m段的底部明顯地降低,表現(xiàn)含水特征,在1 249.5 m取樣,獲得100 mL油、2 420 mL混合液,氯根從105 000 mg/L下降到30 000 mg/L,證實(shí)為油水混合樣,證實(shí)為油水同層。在泥質(zhì)含量較重的1 256～1 257 m段,雖然電阻率曲線較1 249.5 m有明顯降低特征,但是由于泥質(zhì)含量較高,陽離子交換能力達(dá)到了0.35 meq/g,計(jì)算的擴(kuò)散雙電層束縛水飽和度可達(dá)到50%,與Waxman-Smits方程計(jì)算的含水飽和度一致性較好。因此,分析該段的電阻率降低是由于黏土顆粒吸附水所造成,儲(chǔ)層流體性質(zhì)為油層。

渤海某油田B井在油水過渡段附近常伴泥質(zhì)含量較重的砂巖段,這給油水界面確定帶來一定不確定性。初期評(píng)價(jià)階段利用測(cè)試、取樣證實(shí)油層電阻率下限值在6 Ω·m,但是在后期開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)該類儲(chǔ)層的儲(chǔ)量較大,約有400萬t探明儲(chǔ)量,正確判斷油水界面對(duì)油田的挖潛和后期調(diào)整具有重要指導(dǎo)意義。

從高于6.0 Ω·m的2 109 m到典型水層的2 123 m有大約14 m的過渡帶,且在2 109～2 118 m伴有物性變化段。根據(jù)油田巖心黏土類型分析,該層位以伊蒙混層為主,符合區(qū)域規(guī)律認(rèn)識(shí),計(jì)算的陽離子交換能力在2 109～2 118 m段在0.3 meq/g左右(見圖8第3道藍(lán)線),利用擴(kuò)散雙電層計(jì)算的束縛水飽和度可達(dá)到50%(見圖8第4道藍(lán)線),與Waxman-Smits方程計(jì)算的含水飽和度(見圖8第4道紅線)進(jìn)行疊合。從圖8可以看到,在2 109～2 115.5 m段,2種方法計(jì)算的飽和度一致,表現(xiàn)地層以束縛水為主,儲(chǔ)層流體性質(zhì)為油層;2 115.5～2 118 m段,Waxman-Smits方程計(jì)算的含水飽和度明顯高于擴(kuò)散雙電層計(jì)算的束縛水飽和度,表現(xiàn)含水特征,測(cè)井解釋為水層。開發(fā)過程中,在2 102.6～2 111.5 m段進(jìn)行射孔生產(chǎn),并加測(cè)產(chǎn)液剖面測(cè)井,日產(chǎn)油37.1 m3,日產(chǎn)水0.7 m3,證實(shí)為油層,從而將該油田的油層電阻率下限從原有6.0 Ω·m降至現(xiàn)在4.0 Ω·m,直接釋放探明儲(chǔ)量約400萬t。

圖8　渤海B井飽和度對(duì)比分析結(jié)果圖

4　結(jié)　論

(1) 基于擴(kuò)散雙電層理論建立的不同陽離子交換能力、地層水礦化度與束縛水飽和度的關(guān)系圖版,進(jìn)一步表明在高礦化度地層水情況下,因黏土礦物的高陽離子交換能力,中、高孔隙度滲透率儲(chǔ)層可以形成低對(duì)比度油層。

(2) 利用電阻率曲線計(jì)算的地層含水飽和度與雙電層計(jì)算的束縛水飽和度疊合對(duì)油水界面的確定效果明顯。