高泥質(zhì)低阻碎屑巖儲層含油飽和度評價方法

陳 靜,郭 濤,朱龍權(quán)

(1.中國石油新疆油田分公司 石西油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；2.四川海盾石油新技術(shù)開發(fā)有限公司，成都 610041)

低阻油層是指油層電阻率和相鄰水層的電阻率差別不大的油層，其主要特征是油層的電阻率與鄰近水層的電阻率之比<2[1-3]。在實際生產(chǎn)中，油井不含水或低含水，試油解釋結(jié)論一般為“油層”。

大量勘探開發(fā)實踐證明，低阻油層廣泛存在于復(fù)雜砂巖油藏中。大慶、冀東、大港、華北、遼河和新疆油田等都發(fā)現(xiàn)有低阻油藏[4]。低阻油藏的成因，概括起來主要有[4]：高不動水含量的影響[5-6]；儲層潤濕性的影響[6]；裂縫型中低孔油藏受泥漿濾液侵入的影響[7]；高泥質(zhì)含量(黏土含量)油層因陽離子交換引起的附加導電性的影響[8]；油層束縛水與水層礦化度差異的影響[8]；砂泥巖薄互層中，油層受圍巖的影響[9]。

自1997年以來，中國石油天然氣公司組織專家對低阻油藏測井解釋評價進行研究，總結(jié)了一套低阻油層識別和評價技術(shù)。該技術(shù)主要在理念和方法上給出了思路，但在實際應(yīng)用中對技術(shù)人員要求高，現(xiàn)場可操作性受到限制，難以推廣應(yīng)用。針對老油田現(xiàn)有資料，建立一套有針對性的、應(yīng)用常規(guī)測井技術(shù)的、操作性強的測井解釋評價方法，對老油田低阻油藏評價具有重要意義。

石南31井區(qū)白堊系清水河組油藏是一個巖性控制的邊水油藏，投入開發(fā)后，油井實際生產(chǎn)動態(tài)與測井解釋結(jié)論存在矛盾：①部分油層電阻率較低，與鄰近水層電阻率接近，常規(guī)測井解釋無油層，但射孔投產(chǎn)后能較長時間保持無水生產(chǎn)，常規(guī)解釋容易漏掉一些油層。②常規(guī)飽和度解釋模型解釋的含油飽和度普遍偏低，特別是油藏砂體邊界和砂體沉積相變帶的油井，測井解釋含油飽和度50%左右，但油井長期保持無水生產(chǎn)，與本區(qū)相滲規(guī)律存在矛盾。③邊水油藏的油水過渡帶油水關(guān)系復(fù)雜，應(yīng)用常規(guī)飽和度解釋模型，導致部分水層解釋含油飽和度高于油層，還有部分水層電阻率高于油層電阻率，常規(guī)測井解釋難以有效區(qū)分這部分油水層(圖1)。

因常規(guī)測井解釋對這類油層解釋的局限性，導致油藏開發(fā)中容易誤射、漏射，影響油藏開發(fā)效果；并且儲量計算不準確，影響開發(fā)決策。

1 石南31井區(qū)低阻油層成因

1.1 微孔隙發(fā)育的影響

石南31井區(qū)儲層孔喉統(tǒng)計直方圖存在雙峰特征， 孔喉半徑主要在0.1～2.5 μm， >4 μm的喉道所占比例<20%，儲層孔喉分選性較差，存在較強非均質(zhì)性(圖2)。儲層中微孔隙發(fā)育，<0.16 μm的孔隙所占比例達到20%；巖心分析束縛水飽和度為47.3%～73%，平均為60%；油層電阻率為10 Ω·m，鄰近水層電阻率與油層接近：屬于典型的微孔隙型高束縛水低阻油層。

1.1.1 微孔隙發(fā)育成因

準噶爾盆地各油田儲層沉積以沖積扇、扇三角洲為主，儲層巖性主要為砂礫巖和礫巖，粒度分布范圍大，導致儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微孔隙發(fā)育。

儲層微孔隙發(fā)育程度受巖性顆粒大小、粉砂質(zhì)含量影響。針對石南31井區(qū)，當儲層粉砂質(zhì)(粒度0.003 9～0.063 mm)體積分數(shù)>10%時，儲層中值孔喉半徑為0.66 μm；當粉砂質(zhì)的體積分數(shù)>15%時，儲層中值孔喉半徑為0.09 μm?？缀碇形⒓毧姿急壤龈?，儲層滲透率明顯降低：粒徑>0.063 mm的顆粒體積分數(shù)≥90%時，滲透率平均值為117.54×10-3μm2；>0.063 mm的顆粒體積分數(shù)<90%時，67%的樣品滲透率只有(0～5)×10-3μm2，平均為19.3×10-3μm2(圖3)。

1.1.2 微孔隙對電阻率的影響

從機理上講，微孔隙發(fā)育對油氣層電阻率的影響主要表現(xiàn)在2個方面。

a.受微孔隙強大的毛管力影響，束縛水飽和度增加，油層電阻率偏低[6]。統(tǒng)計準噶爾盆地6個微孔隙較發(fā)育區(qū)塊的巖心束縛水飽和度，平均為33%～60%， 表明并不是所有微孔隙發(fā)育儲層均有較高的束縛水飽和度，還有其他因素影響微孔隙發(fā)育油層的電阻率。

b.微孔隙引起的儲層膠結(jié)指數(shù)變化。假設(shè)有2塊巖心樣品(圖4)，地層水礦化度、孔隙彎曲度、電流傳導路徑均一致，A樣品孔隙度為q1，B樣品的孔隙直徑是A樣品的x倍，樣品A的膠結(jié)指數(shù)為m1，樣品B的膠結(jié)指數(shù)為m2，巖石電導率分別為σ1和σ2，根據(jù)導電機理有

(1)

式中：σ1和σ2為樣品電導率;q1為樣品總孔隙度；m1和m2為巖石膠結(jié)指數(shù)；x為樣品B相對于樣品A的孔隙度倍數(shù)。

圖1 新疆油田某區(qū)塊W02井試油結(jié)論與綜合解釋成果Fig.1 Formation testing and comprehensive interpretation for drilling well W02 in a block of Xinjiang Oilfield

圖2 某區(qū)塊孔隙半徑分布直方圖Fig.2 Histogram showing the distribution of porosity diameter in certain blocks

分析表明，當儲層中微孔隙較發(fā)育時，儲層巖石膠結(jié)指數(shù)會減小。

又假設(shè)儲層由純凈砂巖組成，泥質(zhì)含量為0，用阿爾奇公式計算，不同的膠結(jié)指數(shù)對含油飽和度計算結(jié)果影響大，膠結(jié)指數(shù)從1.5增大到1.8，含油飽和度降低約10%(表1)。

1.2 泥質(zhì)含量的影響

a.黏土礦物的附加導電作用引起油氣層電阻率偏低。

關(guān)于黏土礦物的陽離子交換能力及其對電阻率的影響，雍世和等[10]做了系統(tǒng)的討論；M.H.Waxman等提出了著名的泥質(zhì)砂巖電導率模型，一般被稱為Waxman-Smits模型[11]，該模型認為泥質(zhì)砂巖中，由于黏土的吸附作用引起黏土礦物附近大量聚集陽離子，又由于陽離子交換作用，產(chǎn)生明顯的附加導電性， 致使泥質(zhì)砂巖油氣層電阻率顯著降低。 之后， 更多的人做了相關(guān)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)儲層中伊利石質(zhì)量分數(shù)>4%，就能將油層電阻率降至10 Ω·m以下，形成低阻油層。

圖3 粉砂質(zhì)粒徑的顆粒含量對儲層滲透率的影響Fig.3 Influence of grain content of silty particle size on reservoir permeability (A)粒徑>0.063 mm的砂質(zhì)體積分數(shù)≥90%; (B)粒徑>0.063 mm的砂質(zhì)體積分數(shù)<90%

圖4 樣品A和樣品B剖面示意圖Fig.4 Profile illustrating sample A and sample B

表1 理論計算膠結(jié)指數(shù)與含油飽和度的關(guān)系Table 1 Correlation of theoretical cementation exponent and oil saturation

b.黏土礦物的陽離子吸附作用，會導致黏土孔隙空間中的黏土水礦化度與自由水的礦化度有一定差異。黏土附近雙電層吸附陽離子，容易造成這部分水膜中具有較高的離子濃度，而自由水中的離子濃度低于原生自由水離子濃度，最終導致自由水的礦化度比黏土水更低。

需要注意的是，盡管泥質(zhì)含量會對儲層電阻率有重要影響，但并非所有泥質(zhì)砂巖都具有較高的陽離子交換能力，這與黏土礦物的成分有較大的關(guān)系。表2統(tǒng)計了常見黏土礦物的陽離子交換能力，可以看到，高嶺石的陽離子交換能力相對較低，因此，以高嶺石為主的黏土礦物，若油氣層電阻率偏低，其原因更大的可能是由于微孔隙發(fā)育或砂泥薄互層等因素影響。

表2 不同黏土礦物的陽離子交換容量Table 2 Cation exchange capacity of different clay minerals

2 石南31井區(qū)低阻油層的系統(tǒng)解決方案

根據(jù)因素分析表明，石南31井區(qū)低阻的成因主要是泥質(zhì)含量高、微孔隙發(fā)育，針對這種地質(zhì)特征，在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上，認為采用雙水模型是一個較好的解決方案。

2.1 雙水模型

根據(jù)C.Clavier等的研究結(jié)果[12]，雙水模型表示為

(2)

其中

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

公式中各參數(shù)的含義如下：σt為地層真電導率；σw為地層孔隙中自由水的電導率；σbw為黏土束縛水電導率；σNa為黏土水中補償離子Na+的等效電導率；a為孔隙迂曲度指數(shù)；qt為總孔隙度(體積比)；m*為經(jīng)過校正的巖石膠結(jié)指數(shù)；n為飽和度指數(shù)；Swt為總含水飽和度(體積比)；Swb為黏土束縛水飽和度(體積比)；α為Na+離子擴散層擴展因子；Pw為地層水礦化度；Pwc為常數(shù)(=0.35 mol/L)；Vq表示Qv=1 mol/L時，黏土水占據(jù)的孔隙體積；φbw為孔隙中黏土束縛水的體積分數(shù)；Qv為陽離子交換容量，表示單位孔隙體積中的可交換陽離子摩爾數(shù)；φci為第i種黏土礦物的體積分數(shù)；ρci為第i種黏土礦物的骨架密度；t為地層溫度；Cci為第i種黏土礦物的陽離子交換容量；nc為黏土礦物種類總數(shù)。

上述公式中，α根據(jù)礦化度求取，Vq和β通過地層溫度求取。

從形式上看，雙水模型等同于將自由水電導率和黏土束縛水電導率按照各自所占百分比加權(quán)求取了一個綜合電導率，然后，按照阿爾奇公式計算含水飽和度。

盡管雙水模型在以往的應(yīng)用中有不少成功的經(jīng)驗，使之成為目前廣泛認可的泥質(zhì)砂巖飽和度電導(阻)率模型；但也有學者研究認為，雙水模型仍然存在一些不足之處。曾文沖等指出，在低礦化度地層水的儲層中，比起阿爾奇公式，泥質(zhì)砂巖電導率模型能更好地評價儲層含油飽和度[6-7]；而黃布宙等通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，在低礦化度地層水儲層中，若泥質(zhì)含量較高，使用雙水模型計算的儲層含油飽和度仍然偏低[13]：因此，需要對其進行參數(shù)校正。

從雙水模型的參數(shù)和前文分析低阻油氣層的成因看，使用雙水模型評價儲層飽和度，還有3個重要問題需要分析：泥質(zhì)含量、粉砂質(zhì)含量和模型參數(shù)的適應(yīng)性。

2.2 泥質(zhì)和粉砂質(zhì)含量的求取

石南31井區(qū)白堊系清水河組(K1q)儲層主要以砂礫巖和礫巖為主，巖石薄片鑒定表明，在沉積碎屑物中，火山巖碎屑含量高，對GR測井值影響較大，部分泥質(zhì)含量低的儲層段，GR值卻較高。其中泥質(zhì)含量低的K1q11-2層GR值比泥質(zhì)含量高的K1q11-3層高，因此本區(qū)不能用GR曲線計算泥質(zhì)含量；電阻率曲線因受含油性影響，求取泥質(zhì)含量準確性相對較低；SP曲線通常存在泥巖基線漂移的問題。使用SP曲線計算泥質(zhì)含量，在準確性要求不高的情況下，可以采納；但對于需要使用泥質(zhì)含量對飽和度進行精確校正的情況下，這種方法的處理結(jié)果往往不盡人意，存在很大誤差。

經(jīng)過大量實踐，筆者認為，采用巖性體積含量反演的方法求取泥質(zhì)含量，能極大地提高泥質(zhì)含量的準確性，進而更加精確地評價含油飽和度。

傳統(tǒng)的多礦物聯(lián)合最優(yōu)化解釋方法，是以組成巖石的礦物成分為基礎(chǔ)，以礦物成分的固有物理性質(zhì)作為骨架參數(shù)，其側(cè)重點在于準確評價孔隙度和含油飽和度，但并不強調(diào)計算結(jié)果中泥質(zhì)含量的準確性。這是因為，“泥質(zhì)”是一個綜合概念，它并不代表某一種單一的黏土礦物，而是由多種礦物共同組成。通常，“泥質(zhì)”中不僅有高嶺石，也有綠泥石、伊利石、蒙脫石等各種黏土礦物，因此，使用雙礦物模型或多礦物模型，并不能有效地解決泥質(zhì)含量計算準確性的問題。

研究發(fā)現(xiàn)，對于同樣的沉積環(huán)境，“泥質(zhì)”的組成成分，往往具有較高的一致性，即同一油藏中“泥質(zhì)”的主要成分保持穩(wěn)定。以石南31井區(qū)為例，其主要組成礦物為伊蒙混層(約67%)，且在不同的樣品中，這個比例基本保持穩(wěn)定。這就為巖性體積含量反演提供了基本依據(jù)。

本文提出“巖性體積含量反演方法”，不同于以往研究中的雙礦物或多礦物最優(yōu)化解釋方法。它以巖心粒度分析和巖石薄片分析為依據(jù)，以“依靠沉積粒度分類”、并且具有相似礦物組成的巖石(巖性)為基礎(chǔ)，通過研究不同巖性的骨架參數(shù)，利用最優(yōu)化測井反演方法，求取不同巖性的體積分數(shù)。其優(yōu)勢在于：①可以準確地求取泥質(zhì)含量，而不是單一的某一種黏土礦物含量；②可以準確地求取粉砂質(zhì)成分的含量，為含油飽和度評價提供依據(jù)。

巖性體積含量反演的基本公式如下

(8)

其中：φi為第i種成分的體積分數(shù)；φw為水(包括所有束縛水、可動水等所有類型的地層水)的體積分數(shù)；φo為烴類的體積分數(shù)；Pi為第i種成分的巖石骨架參數(shù)；ci為第i條測井曲線；Constraints表示其他約束條件。

φi即為需要求取的某種成分的體積分數(shù)。根據(jù)公式(8)，使用密度(DEN或RHOB)、中子(CNL或NPHI)、聲波(AC或DT)、伽馬(GR)、地層真電阻率(RT)和沖洗帶電阻率(RXO)共6條互相獨立的測井曲線，可以求取7種不同成分的體積分數(shù)。

依據(jù)沉積和儲層特征，將石南31井區(qū)儲層分解為泥質(zhì)、粉砂質(zhì)、細砂質(zhì)、中砂質(zhì)、粗砂質(zhì)、礫質(zhì)和鈣質(zhì)7種成分。在研究組成巖石的礦物成分的穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，通過反復(fù)試驗，取粒度分析中每種粒度成分最純凈(單一粒度成分的占比超過80%)的樣本深度段，讀出它們在測井曲線上的典型測井響應(yīng)特征，聯(lián)合巖心分析的孔隙度和含油飽和度值，計算其骨架參數(shù)Pi，然后建立起公式(8)所示的方程組，求解各種成分的相對體積分數(shù)。

為使反演結(jié)果更加準確可靠，統(tǒng)計巖心粒度分析數(shù)據(jù)，建立以下約束方程

φ礫=-1.0098×φ砂+泥+0.8709，R2=0.9853

(9)

φ中砂=-0.8619×φ細砂+粗砂+泥+0.7836，R2=0.9395

(10)

其中：φ礫為礫質(zhì)(粒徑>2 mm)成分的體積分數(shù)；φ砂+泥為粒徑<2 mm的所有成分的體積分數(shù)總和；φ中砂為中砂質(zhì)(0.25 mm<粒徑≤0.5 mm)成分的體積分數(shù)；φ細砂+粗砂+泥為粗砂質(zhì)(0.5 mm<粒徑≤2 mm)和粒徑<0.25mm的成分的體積分數(shù)總和。

應(yīng)用巖性體積含量反演方法可以較好地求出儲層泥質(zhì)和粉砂質(zhì)(粒徑<0.063 mm)含量，求解結(jié)果與巖心分析結(jié)果的對比如圖5(最后一道)所示。

2.3 雙水模型的參數(shù)求取

2.3.1 膠結(jié)指數(shù)的泥質(zhì)校正

對于高泥質(zhì)、火山碎屑為主的砂礫巖儲層，傳統(tǒng)的雙水模型并不能很好地求取含油飽和度，因此，雙水模型的參數(shù)需要進行校正。

朱學娟等[14]通過實驗分析，指出Waxman-Smits模型中難以得到真實地層因素(F*=1/qm*)；而雙水模型在高泥質(zhì)地層中，通過Qv值校正可以得到真實的地層因素，因而應(yīng)用效果更好。

在Elan程序中，通過大量實驗對雙水模型的巖石膠結(jié)指數(shù)也進行了泥質(zhì)校正，其基本公式是

m*=m+k[0.258Cy+0.22(1-e-16.4 Cy)]

(11)

(12)

式中：m為純凈砂巖的巖石膠結(jié)指數(shù)；Cy為單位干巖樣中的陽離子交換容量；k為經(jīng)驗系數(shù)，取值為1。

實際計算中，Cy值與泥質(zhì)含量直接相關(guān)，每一種泥質(zhì)(黏土)的Qv值均不一致，需要以其相對含量做權(quán)衡，求取Cy值的平均值。

2.3.2σNa值的改進方法

雙水模型中，定義σNa為陽離子等效電導率。σNa與Waxman-Smits模型中的B值具有相同的物理意義，Waxman-Smits模型中給出了求取B值的經(jīng)驗公式的基本數(shù)學形式[11]； Juhasz等人在大量實驗分析的基礎(chǔ)上，得到B值的計算模型[15]。不論哪種模型都表明，σNa本身并不僅僅只與溫度相關(guān)，還與地層水礦化度有一定關(guān)系。

黃布宙等[13]分析發(fā)現(xiàn)，雙水模型在高泥質(zhì)含量和低地層水礦化度的地層中適應(yīng)性相對較差，計算含油飽和度比真實含油飽和度仍然偏低。在實驗和理論分析的基礎(chǔ)上，黃布宙等提出了改進方法,其中σNa值與地層水礦化度的關(guān)系模型[13]為

圖5 W305井巖心分析粉砂質(zhì)含量與測井解釋結(jié)果對比Fig.5 Comparison of silty volume by core analysis and well logging interpretation

σNa=(0.0857t-0.143)(1-0.6 e-1.3σw)

(13)

其中：σNa為地層水電導率;t為攝氏溫度。

改進后的方法，一定程度上能更好地適應(yīng)不同的地層水礦化度，尤其是地層水礦化度較低時，符合率更高。

2.3.3 膠結(jié)指數(shù)的分類求取

從前面的分析中可知，儲層微孔隙發(fā)育程度影響巖石膠結(jié)指數(shù)，應(yīng)對微孔隙較發(fā)育的儲層進行巖石膠結(jié)指數(shù)校正。

經(jīng)過大量的實驗和試算，并與巖心分析結(jié)果對比，認為依據(jù)粉砂質(zhì)含量對儲層進行分類，在分類基礎(chǔ)上求取膠結(jié)指數(shù)，可提高飽和度解釋精度。不同粉砂質(zhì)含量巖石的m值如表3和圖6所示。

表3 不同粉砂質(zhì)含量的巖石膠結(jié)指數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of cementation exponent of different rocks with different silt volume

圖6 不同粉砂質(zhì)含量的巖石地層因素-孔隙度交匯圖Fig.6 F-q cross plot of different rocks with different silt volume

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用改進后的雙水模型計算石南31井區(qū)含油飽和度，統(tǒng)計計算含油飽和度與巖心分析飽和度之間的差異表明，雙水模型的計算結(jié)果與巖心分析結(jié)果更吻合，而阿爾奇公式計算結(jié)果誤差偏大(表4)。

阿爾奇計算結(jié)果比雙水模型平均低5.6%，在低泥質(zhì)含量井段K1q11-2層2種模型計算結(jié)果一致，在高泥質(zhì)含量井段K1q11-3層雙水模型計算結(jié)果更接近巖心分析結(jié)果(圖7)。

表4 雙水模型與阿爾奇公式應(yīng)用效果對比Table 4 Comparison of application effect of Dual-water Model with that of Archie’s Model

圖7 雙水模型解釋含油飽和度與阿爾奇公式解釋含油飽和度對比Fig.7 Comparison of oil saturation interpretation by Dual-water Model with that by Archie’s Model result

4 結(jié) 論

a.準確評價高泥質(zhì)含量儲層的含油飽和度，需要認真分析泥質(zhì)含量對含油飽和度的影響；對于高嶺石等附加導電性較弱的儲層，仍可以使用阿爾奇公式評價含油飽和度。

b.對于微孔隙較發(fā)育的儲層，不能簡單地使用阿爾奇公式評價含油飽和度；在資料最不利的情況下，也應(yīng)當考慮對儲層進行分類評價。

c.石南31井區(qū)油層低電阻率的主要原因是微孔隙發(fā)育和泥質(zhì)含量高。

d.粉砂質(zhì)碎屑含量高，是儲層微孔隙發(fā)育的主要原因之一。

e.新疆油田大部分區(qū)塊沉積地層都以火山巖碎屑為主，由于火山巖碎屑具有較高的伽馬值，泥質(zhì)含量的計算方法不能簡單地使用伽馬等單條測井曲線計算，應(yīng)認真研究泥質(zhì)含量的計算方法。

f.本文提出使用粒度分析數(shù)據(jù)控制的巖性體積含量反演方法求取泥質(zhì)含量和粉砂質(zhì)含量，具有較高的準確度。

g.雙水模型中的膠結(jié)指數(shù)m可以通過Qv值進行泥質(zhì)校正，σNa值按照黃布宙等的研究成果進行校正，校正后，使用雙水模型計算儲層含油飽和度，與巖心分析的含油飽和度符合率較高。

h.對微孔隙引起的膠結(jié)指數(shù)變化，可以通過粉砂質(zhì)含量對儲層進行分類，然后再按照分類求取膠結(jié)指數(shù)，并逐類使用雙水模型計算含油飽和度。