庫車前陸盆地強擠壓應(yīng)力條件下的測井電阻率校正方法

袁 龍 章海寧 李國利 韓 闖 張 文 王 謙

(①中國石油集團(tuán)測井有限公司測井應(yīng)用研究院，陜西西安710201； ②中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒 841000； ③中國石油西南油氣田分公司工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300)

1 引言

庫車前陸盆地地層壓力體系復(fù)雜，白堊系砂巖儲層處于高溫高壓環(huán)境。在強構(gòu)造擠壓應(yīng)力和重力壓實作用下，致密儲層呈現(xiàn)特低孔、特低滲特征；同時，受強擠壓應(yīng)力作用，影響地層電阻率測井響應(yīng)的因素較多，常有水層被誤判為“高阻氣層”，無法準(zhǔn)確有效地識別流體性質(zhì)[1]。

評價儲層的含油性、含油飽和度及劃分油水界面的重要指標(biāo)主要以巖石電阻率為依據(jù)[2]。20 世紀(jì)初，國外學(xué)者開始對巖石電阻率開展大量研究，Brace 等[3,4]分析并研究了在不同恒壓和裂隙水壓力等條件下發(fā)生形變的巖石電阻率變化特征，發(fā)現(xiàn)巖石電阻率受飽和度影響很大。Marcela等[5]研究發(fā)現(xiàn)未飽和巖石的電阻率隨壓力和溫度升高而呈對數(shù)下降，其主要原因是壓力的增加改變了巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征及其大小，出現(xiàn)壓電效應(yīng)，使導(dǎo)電性能加強、巖石的電阻率下降。這些研究成果均體現(xiàn)巖石電阻率在實驗室理想條件下隨壓力、溫度及飽和度等參數(shù)的變化規(guī)律，不能反映實際地層受多因素影響的巖石電阻率特性。

通過大量室內(nèi)外承載介質(zhì)電阻率變化模擬實驗研究，取得了許多成果[6-10]，認(rèn)為：隨著施加在巖石上的應(yīng)力增加，在不同應(yīng)力階段巖石電阻率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，電阻率曲線先上升，隨之保持平穩(wěn)，然后呈現(xiàn)下降的趨勢，并最終在接近巖石主破裂處，電阻率下降至最小值。曲斌等[11]通過模擬不同地層溫度與壓力條件下不同飽和流體的巖石電阻率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨地層壓力的增加巖石電阻率值呈指數(shù)增大。關(guān)于巖石電阻率受地應(yīng)力影響，姜文龍等[12]研究了不同單軸應(yīng)力條件下砂巖和石灰?guī)r的電阻率在低應(yīng)力和高應(yīng)力段的變化情況。郝錦綺等[13]研究認(rèn)為,在巖石發(fā)生破裂前，巖石中存在的裂隙和不同性質(zhì)的流體是影響巖石電阻率變化的主要因素。這些研究成果主要依靠大量巖心實驗數(shù)據(jù)，但對于實際地層環(huán)境下受應(yīng)力影響的巖石電阻率的變化規(guī)律研究較少，對其定量評價研究就更少。

本文基于測井資料、實驗數(shù)據(jù)模擬和理論機(jī)理分析，對強擠壓應(yīng)力條件下的電阻率校正方法進(jìn)行了探索性研究，提出了庫車前陸盆地白堊系的電阻率校正方法，最后對比了基于毛管分析J函數(shù)求取的飽和度與基于校正后電阻率計算的飽和度，驗證了校正電阻率的可行性，形成一套基于地應(yīng)力的電阻率校正方法。

2 地應(yīng)力影響下的地層電阻率特征

庫車前陸盆地構(gòu)造帶白堊系致密儲層的巖性主要為巖屑長石砂巖，平均孔隙度約為5.0%，平均滲透率約為0.05mD，為特低孔、特低滲致密砂巖儲層，難以形成優(yōu)質(zhì)油氣層[14]。諸多學(xué)者研究表明[15-20]，庫車前陸沖斷帶受南天山構(gòu)造擠壓應(yīng)力、上覆鹽層誘導(dǎo)及均衡作用，下伏舒善河組巨厚泥巖的拱張作用，形成具有垂向應(yīng)力差異的背斜三層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為背斜垂向分層性，形成背斜中和面模式。該模式是在蘭姆賽褶皺中和面模式基礎(chǔ)上發(fā)展而來，表現(xiàn)為在背斜受力變形過程中頂部表現(xiàn)為張應(yīng)力，底部為壓應(yīng)力，中部則發(fā)育一個基本不發(fā)生形變的中和面(圖1)。

應(yīng)力中和面決定了白堊系巴什基奇克組儲層的分層性。根據(jù)劃分應(yīng)力中和面的依據(jù)，結(jié)合測井曲線、儲層宏微觀特征、儲層類型、裂縫發(fā)育情況及應(yīng)力差變化等綜合因素，可劃分為垂向三層結(jié)構(gòu)：張性段、過渡段及壓扭段(表1)。

張性段：受張應(yīng)力控制，考慮到山前主要以擠壓為主，因此最大和最小應(yīng)力值較低。主要以孔隙型儲層為主，發(fā)育張性裂縫，物性最好?？v向上電阻率受裂縫影響，電阻率基線值約15Ω·m。孔隙型儲層的原生粒間孔、粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔普遍發(fā)育。

過渡段：應(yīng)力由張應(yīng)力向壓應(yīng)力過渡，應(yīng)力值升高，在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為階梯式升高。孔隙較為發(fā)育，縱向上電阻率差異不大，電阻率基線值約為30Ω·m。儲層主要以裂縫孔隙型和孔隙型為主，孔隙度逐漸降低，但局部仍可能呈現(xiàn)較高孔隙度。

壓扭段：主要以壓應(yīng)力為主，應(yīng)力值較高，由于過渡段底部應(yīng)力接近壓扭段應(yīng)力狀態(tài)，因此在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為局部升高，而整體應(yīng)力值變化幅度不大。微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒受擠壓變形強烈、顆粒鑲嵌、膠結(jié)物擠壓變形，鮮見沿縫網(wǎng)的溶蝕作用。

從庫車前陸盆地構(gòu)造帶K井區(qū)的不同應(yīng)力類型特征綜合表(表1)可看出：隨著張性段、過渡段及壓扭段依次向下延伸，最大、最小水平主應(yīng)力值相應(yīng)增大，地層電阻率值呈現(xiàn)階梯式增大，其原因是隨著地層水平主應(yīng)力的增大，受主應(yīng)力差影響，地層孔隙度不斷降低，同時伴隨著孔隙流體沿著高應(yīng)力部位向低應(yīng)力部位滲流，地層電阻率值增大。研究區(qū)的構(gòu)造擠壓應(yīng)力強烈，隨最大與最小主應(yīng)力之差的增大而地層電阻率增大的趨勢具有一定規(guī)律性。

表1 不同應(yīng)力類型特征綜合表

3 實驗及機(jī)理分析

3.1 實驗

為了更好地研究分析儲層條件下的巖心電阻率，利用高溫、高壓、三軸儀近似模擬儲層的溫度和壓力環(huán)境。巖心經(jīng)過低溫干燥、表面清潔及磨光處理、加壓飽和鹽水后，放入高溫高壓三軸儀，采用交流二極法、LCR電阻測量儀測量其電阻率(圖2)。電阻率計算公式為

(1)

式中：ρ為電阻率；η為測量電阻值；L為巖樣長度；S為巖樣端面的面積。

3.1.1 實驗巖心制備

實驗巖樣取自庫車河露頭剖面巴什基奇克組巖性段。其露頭儲集巖性主要為中粒巖屑砂巖，膠結(jié)類型多樣，以孔隙式膠結(jié)為主，孔隙類型以次生的雜基內(nèi)溶蝕微孔為主，平均孔喉半徑為1.028μm、最大孔喉半徑可達(dá)75μm，孔隙結(jié)構(gòu)類型以微孔小喉為主，其次為微孔中喉，巖石含有層理結(jié)構(gòu)。

圖2 電阻率測量裝置示意圖

實驗巖心的平均孔隙度、滲透率分別為10.04%、3.18mD。首先對巖樣按照層理走向進(jìn)行劃分，將巖心加工成5cm×5cm×5cm的立方體。為了保證巖心各項測量參數(shù)的精度，使巖心樣品X、Y、Z三面的垂直度偏差小于±0.2°，其對應(yīng)端面的平整度誤差小于±0.1mm，邊長誤差小于±0.3mm。

3.1.2 飽和鹽水配置及電阻率測量

由于研究區(qū)目的層埋藏深，上覆地層壓力大且溫度高，地層水礦化度高，配制與地層水相同礦化度的溶液，配用礦化度為180g/L的氯化鈉型鹽水，15°C時電阻率為0.059Ω·m，密度為1.1314g/cm3。用該溶液對所有巖心進(jìn)行加壓飽和，并對巖心抽真空5h以上，然后加壓飽和12h以上，待巖心充分吸水飽和后，加壓過程中依然要繼續(xù)抽真空，以確保巖心飽和100%地層水。

3.1.3 具體步驟

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力強烈、為走滑型地應(yīng)力狀態(tài)(最大主應(yīng)力>上覆地應(yīng)力>最小地應(yīng)力)、存在明顯的構(gòu)造壓實作用，該作用受構(gòu)造應(yīng)力場和局部構(gòu)造作用的影響，非均質(zhì)性非常強，因此設(shè)計了對應(yīng)的物理實驗方法。

(1)采用二極法測量方形巖心在受壓條件下的電阻率，巖心水平放置在電阻率夾持器內(nèi)，電極對稱布置在巖樣的兩個端面上，電阻率測量方向始終與軸壓方向保持一致，電阻率測量方向及軸壓、圍壓如圖3所示。

圖3 方形巖心測試方向及軸壓、圍壓示意圖

(2)設(shè)計軸壓(水平最大應(yīng)力)>圍壓(上覆地應(yīng)力、水平最小應(yīng)力)，在一定溫度(90°C)、圍壓分別為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa時，隨著軸壓遞增至70Mpa，分別測量x方向上不同壓力下的巖石電阻率值，得到巖石電阻率隨水平應(yīng)力差變化而變化的特征。

3.2 實驗結(jié)果

不同圍壓實驗條件下，施加軸壓前巖石的電阻率值為R0，加壓后巖石的電阻率值為Rt。Rt與R0的比值可以明顯地表征巖石電阻率值的變化特征，實驗得到Rt/R0隨水平應(yīng)力差σ12(最大主應(yīng)力-最小主應(yīng)力)變化的曲線見圖4。

(2)

式中a、b為區(qū)域經(jīng)驗系數(shù)，無因次。

圖5 不同致密砂巖樣品在不同圍壓下的與σ12的擬合關(guān)系

3.3 應(yīng)力對電阻率的影響機(jī)理

Dobrynin[22]和Chierici等[23]研究發(fā)現(xiàn)，儲層巖石的孔隙度、滲透率、電阻率及密度等物理參數(shù)在很大程度上受地層壓力的影響。Dobrynin利用描述地層因素與孔隙度φ關(guān)系的Archie公式表示電阻率與壓力之間的關(guān)系

(3)

式中：F0表示地層因數(shù)；Rw表示地層水電阻率；m表示膠結(jié)指數(shù)，無因次。

當(dāng)施加壓力時，假設(shè)：①多孔巖石的電阻率變化主要取決于小孔隙喉道的收縮，且小孔隙中主要充滿束縛水；②在小孔隙或喉道中存在大量細(xì)微顆粒。則式(3)變?yōu)?/p>

(4)

假設(shè)Δm和Δφ都非常小，考慮Δφ趨于無窮小，以至(φ-Δφ)Δm≈φΔm，可得

(5)

(6)

通過大量致密砂巖樣品的實驗數(shù)據(jù)分析得到壓力函數(shù)D(Pp)為

(7)

式中：Pp為地層的孔隙壓力；Pm、PM分別為實驗最小壓力和最大壓力。

假設(shè)巖石基質(zhì)壓縮系數(shù)不變，在一定壓力條件下的孔隙度相對變化為

(8)

綜合式(6)、式(7)，可得

(9)

式中cPM表示最大孔隙壓縮系數(shù)，單位為MPa-1。

圖6 上覆壓力對膠結(jié)指數(shù)的影響

圖7 膠結(jié)指數(shù)對電阻率增大系數(shù)的影響

4 電阻率校正方法

4.1 巖石力學(xué)參數(shù)

考慮庫車地區(qū)地層異常高壓、強應(yīng)力等實際情況，基于應(yīng)力分布的幾何空間三角函數(shù)關(guān)系，以地應(yīng)力實驗和壓裂實測數(shù)據(jù)為刻度基準(zhǔn)，引用σh-σH模型[24]計算最大主應(yīng)力σH、最小主應(yīng)力σh、垂向應(yīng)力σv， 主要采用密度測井曲線分段求和得到

(10)

式中：H0為無密度測井資料的地層垂直深度；ρ0為未測井段的地層密度平均值；ρi為測井密度值；Di為深度采樣間隔，i表示測井曲線的數(shù)據(jù)點序號；μ為泊松比；α為Biot系數(shù)；β1、β2分別為最小和最大水平主應(yīng)力方向上的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，與構(gòu)造形態(tài)有關(guān)；Po為上覆巖層壓力。

4.2 電阻率校正

通過上面分析得到應(yīng)力差—電阻率呈指數(shù)變化關(guān)系，為建立合理的基于地應(yīng)力校正電阻率的模型提供了可靠的依據(jù)。根據(jù)實驗結(jié)果(圖4)可知，電阻率比值隨水平應(yīng)力差增加而增大，其變化范圍為1～1.4，隨著圍壓增加(10MPa、20MPa、30MPa、40MPa)，電阻率比值相對變小(圖5)；再根據(jù)實際地層電阻率與水平應(yīng)力差的相關(guān)特征分析，研究區(qū)目的層段的水平應(yīng)力差分別在張性段、過渡段、壓扭段不同程度地影響著地層的電阻率(圖8)，其中壓扭段地層電阻率受水平應(yīng)力差的影響最大。

圖8 地層電阻率與水平應(yīng)力差交會圖

經(jīng)典Archie實驗的電阻率增大率為

式中：Sw為油氣層含水飽和度；n為飽和度指數(shù)，無因次；b為巖性系數(shù)，無因次。對于具有相同巖性、物性和孔隙結(jié)構(gòu)的巖石，含水飽和度的降低是導(dǎo)致電阻率增高的主要因素。結(jié)合實際情況分析，對于具有相同巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)及飽和度的巖石，地應(yīng)力的增大是電阻率增大的主要因素，為此引入一個應(yīng)力—電阻率增大率參數(shù)KI。在張性地層和壓性地層中，該參數(shù)為水平應(yīng)力差、有效應(yīng)力的函數(shù)，呈現(xiàn)指數(shù)增長的特征，即

(11)

(12)

Pe=σv-Pp

(13)

式中：c、d、e、f為區(qū)域經(jīng)驗系數(shù)，無因次；Pe為有效應(yīng)力。

通過分析可知，在張性、壓性地層中，當(dāng)圍壓、水平應(yīng)力差均為45MPa時，應(yīng)力—電阻率增大系數(shù)隨水平應(yīng)力差、有效應(yīng)力的變化特征更符合實際地層情況。

對式(11)和式(12)兩邊分別取對數(shù)可得

(14)

(15)

(16)

將應(yīng)力—電阻率增大系數(shù)的倒數(shù)作為校正實測電阻率的系數(shù)，并引入工區(qū)經(jīng)驗調(diào)整系數(shù)k(無量綱)，就構(gòu)成了地應(yīng)力校正電阻率的模型，即

(17)

式中η′為電阻率校正值。

克深地區(qū)巴什基奇克組儲集層自上而下可分為張性段、過渡段、壓扭段，地層電阻率同時受構(gòu)造應(yīng)力、垂直應(yīng)力擠壓，導(dǎo)致地層電阻率增大。相較于有效應(yīng)力，目的層段的水平應(yīng)力差對地層電阻率的影響更大，通過該模型進(jìn)行地應(yīng)力校正能夠得到相對準(zhǔn)確的原狀地層電阻率。

5 結(jié)合壓汞資料計算飽和度

5.1 J函數(shù)法求取含水飽和度

目前儲層含水飽和度主要根據(jù)阿爾奇公式或其衍生的公式確定，且主要受電阻率和孔隙度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，含水飽和度與巖石的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要是巖石毛管壓力函數(shù)。由于研究區(qū)未進(jìn)行密閉取心，因此，本文主要采用J函數(shù)法并根據(jù)巖心資料確定研究區(qū)氣層段的含水飽和度。

對毛管壓力資料經(jīng)過認(rèn)真研究和篩選，去掉非儲層樣品點后，再利用J函數(shù)對毛管壓力曲線上的毛管壓力值(Pc)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得各巖樣的資料點相對集中，進(jìn)而反映儲層的各項特征[17]。利用J函數(shù)對毛管壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其表達(dá)式為

(18)

根據(jù)油藏的毛管壓力與油水的重力差平衡原理[18]進(jìn)行計算，即

Pc=0.01(ρw-ρo)H

(19)

研究區(qū)束縛水飽和度求取公式為

(20)

將求得的J函數(shù)與實驗條件下的Swn擬合，得出Swn與J函數(shù)的關(guān)系式，即

式(18)～式(23)中：σ為界面張力；θ為潤濕角；A、B、C、D為區(qū)域經(jīng)驗系數(shù)；K為滲透率；Swn為標(biāo)準(zhǔn)化后的含水飽和度；Sg為標(biāo)準(zhǔn)化后的含氣飽和度；Swi為束縛水飽和度；ρw和ρo分別為水、油的密度；H為自由水面以上的油柱高度。

5.2 效果分析

為了分析基于應(yīng)力差校正電阻率的效果及適應(yīng)性，本文選擇KS5-1井作為標(biāo)準(zhǔn)參考井。結(jié)合地質(zhì)資料和巖心壓汞數(shù)據(jù)，對KS5-1井巴什基奇克組的第二巖性段進(jìn)行電阻率校正。通過不同應(yīng)力類型特征綜合表(表1)和KS5-1井應(yīng)力中和面劃分依據(jù)對比分析，可以看出KS5-1井6895～6925m段處于過渡段下部，其電阻率曲線較上部電阻率基線有所抬升，因此KS5-1井需要進(jìn)行電阻率校正。圖9為KS5-1井基于應(yīng)力差校正電阻率后的成果圖，最右道為原始含氣飽和度值(藍(lán)線)、校正后含氣飽和度值(紅線)及基于J函數(shù)計算的含氣飽和度值(黑色柱子)對比圖?？梢娊?jīng)校正后的飽和度值更加接近于巖心壓汞資料分析得到的飽和度值。從圖10可以看到，基于校正后電阻率計算的含氣飽和度與基于J函數(shù)計算的含氣飽和度有著較好的相關(guān)性，平均相對誤差為4.8%，校正前飽和度與基于J函數(shù)計算的飽和度評價相對誤差為12.9%，說明利用地應(yīng)力校正電阻率計算模型切實可行。

圖9 KS5-1井電阻率校正及巖心飽和度對比圖

圖10 基于校正前、后測井電阻率計算的飽和度與巖心J函數(shù)計算的飽和度交會圖

6 結(jié)論

庫車前陸盆地構(gòu)造帶白堊系目的層的巖性主要為巖屑長石砂巖，為特低孔、特低滲致密砂巖儲層。將目的層段的垂向三層結(jié)構(gòu)劃分為張性段、過渡段及壓扭段，隨著地應(yīng)力增大，地層電阻率值呈階梯式增大的趨勢，且具有一定的普遍規(guī)律性。

(1)基于走滑型地應(yīng)力狀態(tài)的實際情況設(shè)計了近似模擬地層的實驗方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)強擠壓條件下電阻率比值隨水平應(yīng)力差呈指數(shù)型函數(shù)增大關(guān)系。

(2)研究區(qū)儲層在張性段、過渡段、壓扭段對電阻率的影響呈指數(shù)變化規(guī)律，因而建立了適合研究區(qū)不同應(yīng)力段的電阻率校正模型。

(3)根據(jù)巖心壓汞資料，針對不同應(yīng)力段建立電阻率校正方法，通過典型井的處理分析，認(rèn)為利用校正后電阻率計算的含氣飽和度參數(shù)更加準(zhǔn)確。