關(guān)于疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)的探討

馬立濤，李洋冰，陳 鑫，柳雪青，胡維強(qiáng)，劉 成，鄧 挺

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

隨著常規(guī)油氣可采儲(chǔ)量逐漸減少，非常規(guī)油氣資源逐漸成為油氣勘探的重要領(lǐng)域[1-4]。重油資源在非常規(guī)油氣資源中占有較大的比重，我國(guó)重油可采儲(chǔ)量為19.1×108t，是未來(lái)常規(guī)原油生產(chǎn)的重要接替戰(zhàn)場(chǎng)[5]。在渤海海域發(fā)現(xiàn)的重油油藏儲(chǔ)層埋藏淺(900～1 800 m)，屬于典型疏松的砂巖[6-7]。疏松砂巖等松軟介質(zhì)在壓實(shí)和卸載過(guò)程中存在彈性和塑性兩種變形方式[8-9]，鉆井取心時(shí)將巖心提升到地面，由于上覆壓力卸載和流體積膨脹，會(huì)造成疏松砂巖體積膨脹，甚至導(dǎo)致礦物顆粒呈游離狀態(tài)[10]。地面測(cè)得的孔隙度值一般較地層孔隙度大2%～10%[11-15]，相同的地層覆蓋壓力下，膠結(jié)程度越差，巖石地面孔隙度與地層孔隙度差值越大[16]。巖石孔隙膨脹同時(shí)影響到地層含水飽和度數(shù)值[17-18]，因此需要將地面孔隙度校正到地層條件下的孔隙度，否則可造成計(jì)算的油氣地質(zhì)儲(chǔ)量偏高5%～7%[19-21]。Teeuw D、袁興柏分析了油藏巖石孔隙體積、孔隙度、壓縮系數(shù)隨壓力的變化關(guān)系，并在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了地層條件下巖石孔隙度的計(jì)算方法[22-23]。耿斌等[24]在巖石孔隙壓縮理論研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了三種孔隙度地下壓縮校正方法。郝建中等[25]避開(kāi)轉(zhuǎn)換關(guān)系式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖心在不同覆壓下單軸孔隙度和三軸孔隙度的變化規(guī)律，確定與地層有效覆壓等效的靜水壓力。在等效地層有效覆壓下，測(cè)定巖心的三軸孔隙度，該孔隙度即為巖心在有效地層覆壓下的單軸孔隙度。

上述孔隙度校正理論和試驗(yàn)研究，都是基于美國(guó)巖心公司提出的地層孔隙度校正公式，其中孔隙度校正系數(shù)對(duì)地層孔隙度的影響最大。Teeuw D認(rèn)為常見(jiàn)儲(chǔ)集巖孔隙度校正系數(shù)在0.56～0.69之間，通常取經(jīng)驗(yàn)值0.619。中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)計(jì)中國(guó)12個(gè)油田儲(chǔ)集層的117塊巖樣的孔隙度校正系數(shù)，其范圍在0.47～0.65之間，平均值為0.57。研究認(rèn)為孔隙度校正系數(shù)采用0.57或0.619對(duì)固結(jié)巖石地層孔隙度的精度沒(méi)有影響，固結(jié)巖石和疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)仍然選用經(jīng)驗(yàn)值0.619[26]。由于巖石泊松與膠結(jié)程度有關(guān)，導(dǎo)致疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)與固結(jié)砂巖差異較大，但目前關(guān)于疏松砂巖的孔隙度校正系數(shù)研究的資料卻有限。本文選取明華鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組三個(gè)層位的疏松砂巖作為研究目標(biāo)，采用聲波試驗(yàn)測(cè)試獲取不同層位疏松砂巖的泊松比和孔隙度校正系數(shù)，并結(jié)合粒度分析資料、地面孔隙度測(cè)試試驗(yàn)、三軸孔隙度測(cè)試試驗(yàn)來(lái)研究疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)影響因素以及孔隙度校正系數(shù)對(duì)地層孔隙度校正的影響，這對(duì)于建立精確的疏松砂巖孔隙度校圖版，提高容積法儲(chǔ)量計(jì)算精度具有重要意義。

1 孔隙度校正方法概述

根據(jù)美國(guó)巖心公司的研究結(jié)果，地面孔隙度、三軸等壓孔隙度和地層孔隙度有如下關(guān)系[20]：

Φr=Φ0-γ(Φ0-Φ3)

(1)

式中Φr——儲(chǔ)層孔隙度，%；

Φ0——地面條件下測(cè)定的巖心孔隙度稱為地面孔隙度，%；

Φ3——三軸等壓孔隙度，%；

γ——孔隙度校正系數(shù)，無(wú)量綱。

Teeuw D[11]通過(guò)對(duì)人造巖心模型理論的計(jì)算和實(shí)際巖心測(cè)試，得出校正系數(shù)γ與泊松比ν之間存在下列關(guān)系：

(2)

式中ν——巖石泊松比，無(wú)量綱。

從公式(1)可知，孔隙度校正系數(shù)γ對(duì)于地層孔隙度Φr的影響較大；由(2)式可以看出，孔隙度校正系數(shù)的大小只與泊松比有關(guān)。

2 樣品巖石學(xué)特征

巖石薄片分析資料表明：明化鎮(zhèn)疏松砂巖以中—細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖及粉砂巖為主，孔隙類型為原生粒間孔，填隙物含量為14%，以游離—點(diǎn)接觸及點(diǎn)接觸為主，分選中等—差。館陶組巖性以中細(xì)砂巖、含礫中—粗砂巖及砂礫巖為主，孔隙類型為原生粒間孔，填隙物含量為9%，以點(diǎn)接觸為主，分選差。東營(yíng)組疏松砂巖以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，孔隙類型以原生粒間孔為主，偶見(jiàn)粒間溶蝕孔隙，填隙物含量在4%～8%之間，以線—點(diǎn)式接觸為主，分選好—中等?？梢钥闯?，隨著深度增加，礦物顆粒接觸關(guān)系從游離—點(diǎn)接觸向線—點(diǎn)式接觸過(guò)渡；孔隙類型逐漸出現(xiàn)粒間溶蝕孔隙，如圖1所示。

3 試驗(yàn)方法

疏松砂巖樣品取自Q井、P井、S井的明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組3個(gè)層位，固結(jié)砂巖樣品取自QHD井的沙河街組。在-196 ℃條件下冷凍鉆取疏松砂巖柱塞樣品，并用錫套和金屬網(wǎng)進(jìn)行包封保護(hù)處理；清洗、干燥后，測(cè)量地面孔隙度、巖石視密度、泊松比、三軸孔隙度等參數(shù)。另外取50 g與柱塞樣品同深度的樣品進(jìn)行巖石粒度測(cè)試試驗(yàn)。

圖1 疏松砂巖鑄體薄片特征Fig.1 Characteristic of unconsolidated sand stone cast sectiona.P井，明化鎮(zhèn)上段，長(zhǎng)石砂巖，游離接觸；b. Q井，明化鎮(zhèn)下段；c. P井，館陶組，點(diǎn)接觸為主；d. S井，東營(yíng)組，線—點(diǎn)式接觸。

地面孔隙度測(cè)試試驗(yàn)是在美國(guó)巖心公司生產(chǎn)的Ultrapore300型氦孔隙度儀上完成的。用三氯甲烷試劑對(duì)柱塞樣品抽提法除油；在105 ℃條件下干燥8 h后，稱重、丈量柱塞尺寸并計(jì)算柱塞樣品外觀體積；然后用Ultrapore300型氦孔隙度儀測(cè)試柱塞樣品顆粒體積，根據(jù)重量、外觀體積計(jì)算柱塞巖樣視密度、地面孔隙度。

泊松比測(cè)試試驗(yàn)是在超聲分析儀上完成的。將柱塞巖樣抽真空飽和后，放入超聲分析儀巖心夾持器。由超聲分析儀發(fā)射換能器發(fā)出聲波。聲波在巖心樣品內(nèi)傳播后，送入示波器。計(jì)算機(jī)采集示波器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理獲得聲波在巖心樣品內(nèi)的傳播時(shí)間。再通過(guò)測(cè)量巖心樣品的長(zhǎng)度，便可以得到巖心樣品的縱橫波聲速，然后根據(jù)縱橫波聲速計(jì)算出巖石泊松比。

三軸孔隙度測(cè)試試驗(yàn)是在美國(guó)巖心公司生產(chǎn)的CMS-300覆壓孔滲儀上完成的。將測(cè)試完泊松比的柱塞巖樣干燥后，放入CMS-300覆壓孔滲儀。根據(jù)樣品的凈上覆地層壓力設(shè)定試驗(yàn)壓力，測(cè)試柱塞樣品三軸孔隙度。

巖石粒度測(cè)試試驗(yàn)是在MS2000型激光粒度分析儀上完成的。稱取50 g巖樣置于研缽中，破碎成粒徑小于5 mm碎塊；用三氯甲烷試劑抽提法除油后，將樣品置于陶瓷碗中，用15%的稀鹽酸除去巖樣中的碳酸鹽。在105 ℃條件下烘干4 h后，用激光粒度儀測(cè)試巖石粒度。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 包封材料對(duì)泊松比測(cè)量結(jié)果的影響研究

由于制備疏松砂巖柱塞樣品時(shí)需要使用錫套、不銹鋼網(wǎng)等包封材料，因此需要研究包封材料對(duì)泊松比測(cè)試結(jié)果的影響。沙河街組12塊固結(jié)砂巖聲波試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表中可以看出，不帶錫套包封的柱塞樣品的泊松比介于0.23～0.41之間，平均值為0.34；帶錫套包封材料的柱塞樣品的泊松比介于0.25～0.42之間，平均值為0.34。圖2顯示了由兩種狀態(tài)下測(cè)試的泊松比計(jì)算的孔隙度校正系數(shù)之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)帶包封材料泊松比計(jì)算的孔隙度校正系數(shù)與不帶包封材料泊松比計(jì)算的孔隙度校正系數(shù)有較好的冪函數(shù)正相關(guān)性；表1數(shù)據(jù)也顯示由不帶包封材料砂巖泊松比和帶包封材料砂巖泊松比計(jì)算的校正系數(shù)平均值分別為0.67和0.68，說(shuō)明錫套、不銹鋼網(wǎng)等包封材料對(duì)巖心泊松比測(cè)試的影響可以忽略。

圖2 帶包封材料孔隙度校正系數(shù)與不帶包封材料孔隙度校正系數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between porosity correction coefficient of encapsulation material and porosity correction coefficient of unencapsulation material

4.2 疏松砂巖泊松比和孔隙度校正系數(shù)影響因素

14塊疏松砂巖聲波試驗(yàn)參數(shù)包括泊松比、巖縱橫波聲速和楊氏模量，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表中可以看出明化鎮(zhèn)組泊松比介于0.36～0.41之間，平均值為0.40；館陶組泊松比介于0.32～0.42之間，平均值為0.36；東營(yíng)組泊松比介于0.27～0.43之間，平均值為0.35。

表1 沙河街組固結(jié)砂巖包封前后泊松比、孔隙度校正系數(shù)Table 1 Poisson’s ratio and porosity correction coefficient of Shahejie formation before and after the coating of consolidated sandstone

表2 疏松砂巖聲波試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Acoustic experiment parameters of loose sand

由圖3中可以看出，孔隙度校正系數(shù)隨疏松砂巖密度的增大呈減小趨勢(shì)，二者呈現(xiàn)出較好的指函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.79。這是由于泊松比受壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、巖石礦物成分、粒度等因素的綜合影響，導(dǎo)致孔隙度校正系數(shù)減小，這與前人的研究結(jié)果[27]基本相吻合。

圖3 疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)與巖石密度的關(guān)系Fig.3 Relationship between porosity correction coefficient and bulk density of unconsolidated sand stone

圖4 疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)與粒度中值關(guān)系Fig.4 Relationship between porosity correction coefficient and median size of unconsolidated sand stone

孔隙度校正系數(shù)與巖石粒度中值之間的關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出孔隙度校正系數(shù)與巖石粒度中值呈一定的負(fù)相關(guān)性。關(guān)成堯、漆家福[28]等研究認(rèn)為巖石礦物顆粒直徑越大，顆粒的彈性模量越大，泊松比越小。礦物顆粒直徑對(duì)巖石泊松比的影響大于礦物固有彈性模量的影響。在沉積時(shí)，水動(dòng)力條件的變化使組成疏松砂巖的礦物顆粒的粒徑發(fā)生變化，因此在膠結(jié)物含量極少的情況下，疏松碎屑巖孔隙度校正系數(shù)受控于沉積相；這也是4-062C號(hào)水下分流河道砂礫巖孔隙度校正系數(shù)小于疏松細(xì)砂巖泥泊松比的重要因素。

4.3 疏松砂巖孔隙度校正系數(shù)及其對(duì)孔隙度校正的影響

根據(jù)巖石泊松比試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組3個(gè)層位的泊松比平均值以及相對(duì)應(yīng)的校正系數(shù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表中可以看出，隨著地層年代變老，孔隙度校正系數(shù)呈逐漸減小的趨勢(shì)。

表3 不同層位孔隙度校正系數(shù)Table 3 Correction coefficient of porosity in different formation

將表3確定的不同層位的孔隙度校正系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)值0.619分別帶入式(1)中，計(jì)算地層條件下的孔隙度，采用經(jīng)驗(yàn)值0.61計(jì)算的地層孔隙度誤差在1.5%～4.7%之間；以試驗(yàn)測(cè)試孔隙度校正系數(shù)計(jì)算的地層孔隙度為標(biāo)準(zhǔn)，明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組的平均校正誤差分別為4.0%、2.1%、3.1%，這與巖心分析方法標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的孔隙度校正誤差小于0.5%相沖突，這說(shuō)明孔隙度校正系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值0.619不適用于疏松砂巖。

5 結(jié)論

(1)由于錫套、不銹鋼網(wǎng)等包封材料對(duì)巖石聲波試驗(yàn)沒(méi)有影響，因此聲波試驗(yàn)測(cè)試的包封疏松砂巖的泊松比可以直接用于計(jì)算孔隙度校正系數(shù)。

(2)疏松砂巖的孔隙度校正系數(shù)與巖石視密度、粒度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。疏松砂巖孔隙度校正量與巖樣孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系。

(3)疏松砂巖的孔隙度校正系數(shù)一般介于0.58～0.84之間，多數(shù)大于0.71；明華鎮(zhèn)組、館陶組、東營(yíng)組疏松砂巖地面孔隙度校正系數(shù)分別為0.77、0.72、0.71；將經(jīng)驗(yàn)值與實(shí)測(cè)值孔隙度校正系數(shù)計(jì)算地層孔隙度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)值0.619不適用于疏松砂巖。