致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層電性參數(shù)及影響因素研究

何亞斌

（延長(zhǎng)油田股份有限公司開發(fā)部，陜西延安 716000）

目前，對(duì)于高孔滲巖樣，獲取含油氣飽和度相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于致密儲(chǔ)層，其復(fù)雜的巖石結(jié)構(gòu)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、較高的毛管壓力和較強(qiáng)的非均質(zhì)性等都使得致密儲(chǔ)層評(píng)價(jià)受到很大影響。碳酸鹽巖油氣藏分布廣泛、油氣資源潛力巨大，近年來油氣藏勘探和開發(fā)取得了一系列成果。但碳酸鹽巖儲(chǔ)層因其孔隙結(jié)構(gòu)和巖石成分復(fù)雜、儲(chǔ)集空間多樣、非均質(zhì)性強(qiáng)[1]，對(duì)其核磁共振的測(cè)井響應(yīng)一直缺乏系統(tǒng)的研究[2]。

近年來，Diedrex、Swanson、陳繼華、李功強(qiáng)、劉向君、游利軍、韓學(xué)輝等對(duì)致密儲(chǔ)層的電性參數(shù)進(jìn)行了大量研究，他們認(rèn)為，巖電參數(shù)是進(jìn)行儲(chǔ)層及含油氣飽和度評(píng)價(jià)的最重要的環(huán)節(jié)，且潤(rùn)濕性、黏土礦物分布、孔隙結(jié)構(gòu)及非均質(zhì)性等因素都可能對(duì)巖電參數(shù)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致難以準(zhǔn)確獲取含油氣飽和度。Fang T、Dai Q、周科平、趙杰、劉堂宴、運(yùn)華云等利用核磁共振技術(shù)對(duì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，確定了孔隙半徑大小及分布。

為了弄清楚該類儲(chǔ)層的巖電參數(shù)規(guī)律，隨時(shí)監(jiān)測(cè)不同含水飽和度下巖樣的孔喉分布變化，進(jìn)而分析孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)巖石電阻率及電性參數(shù)的影響。本文對(duì)大牛地致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖樣進(jìn)行巖石電性和核磁共振實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同含水飽和度下巖樣的電阻率和核磁共振T2譜，直觀地觀察不同含水飽和度下巖樣孔隙分布，并基于鑄體薄片和電鏡掃描實(shí)驗(yàn)探究了儲(chǔ)層微觀特征和影響因素等重要問題。

1 大牛地碳酸鹽巖地質(zhì)概況

大牛地氣田位于陜西榆林市和內(nèi)蒙古鄂爾多斯市交界地區(qū)[3]，處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，氣田內(nèi)上古生界為一套海相-海陸過渡相-陸相沉積，有良好的天然氣成藏條件。奧陶系馬家溝組經(jīng)歷了三次海退-海侵，構(gòu)成了六大地層巖性段。受沉積和喀斯特作用影響，奧陶系頂部形成了碳酸鹽巖喀斯特儲(chǔ)層，存在大量溶蝕孔、洞、縫，且奧陶系地層以馬家溝組頂面出露為特征，地層保存比較齊全，有優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的物質(zhì)條件[4]。本文研究區(qū)塊儲(chǔ)層巖樣屬于馬五層段，取心深度約2 900 m，屬于中深層儲(chǔ)層，為低孔低滲致密儲(chǔ)層。

2 理論基礎(chǔ)

巖石電性實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是著名的阿爾奇公式。利用風(fēng)干法[5]開展巖石電性實(shí)驗(yàn)研究，主要原理是自然風(fēng)干的方法逐漸風(fēng)干已飽和好的地層水，從高到低建立不同的含水飽和度，并測(cè)定不同含水飽和度下巖樣的電阻率。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制RI-Sw關(guān)系曲線，通過最小二乘法（線性回歸）擬合得到巖電參數(shù)。

核磁共振巖心測(cè)量技術(shù)主要是利用氫原子核（質(zhì)子1H）自身的磁性及其外加磁場(chǎng)相互作用的原理，通過測(cè)量地層巖石孔隙流體中氫核的核磁共振馳豫信號(hào)的幅度和弛豫速率來探測(cè)地層巖石孔隙結(jié)構(gòu)及地層流體分布的一種技術(shù)[6]。核磁共振T2譜信號(hào)的強(qiáng)弱取決于巖樣孔隙中流體的總量[7]，T2弛豫時(shí)間的大小取決于孔隙、礦物和流體等[8]，T2弛豫時(shí)間越短，對(duì)應(yīng)小孔或孔隙表面流體的弛豫特性，T2弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)大孔隙內(nèi)流體的弛豫特性。

本文結(jié)合風(fēng)干法和核磁共振技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)，測(cè)定不同含水飽和度下巖樣電阻率和T2譜，T2譜反映不同含水飽和度下巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而分析孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)電阻率的影響。

3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)研究區(qū)塊的儲(chǔ)層特征，選取了6 塊致密碳酸鹽巖大牛地儲(chǔ)層巖樣進(jìn)行巖電和核磁共振實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)度為4.4 cm 左右，直徑為2.5 cm 左右，孔隙度為4.0 %左右，滲透率為0.012 mD 左右，巖樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 巖樣基礎(chǔ)參數(shù)表Tab.1 The basic parameters of rock samples

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

本次實(shí)驗(yàn)中涉及到的主要實(shí)驗(yàn)裝置有：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、White-stone 孔滲測(cè)試儀、電子天平、秒表、鹽水配制系統(tǒng)、抽真空加壓系統(tǒng)、巖心夾持器、核磁共振儀、LCR 數(shù)字電橋設(shè)備等。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石電阻率參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量及計(jì)算方法》（SY/T 5385-2007）和《巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量規(guī)范》（SY/T 6490-2014）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)施步驟如下：

3.2.1 巖樣的選取 對(duì)已選巖樣進(jìn)行洗油、洗鹽、烘干后測(cè)量巖樣長(zhǎng)度，直徑，干重。

3.2.2 測(cè)量巖樣物性 利用White-stone 孔滲測(cè)試儀，測(cè)量巖心孔隙度，連接皂模流量計(jì)測(cè)定滲透率，并進(jìn)行克氏校正。

3.2.3 配制并飽和模擬地層水 根據(jù)大牛地地層水組分配制模擬地層水（地層水16 000 mg/L），對(duì)巖樣抽真空并加壓（20 MPa）飽和24 h，稱巖樣飽和重，用數(shù)字電橋設(shè)備測(cè)量26 ℃下的鹽水電阻率0.093 4 Ω·m，并用圖版法進(jìn)行對(duì)比和校正。

3.2.4 巖電實(shí)驗(yàn)和核磁共振實(shí)驗(yàn) 根據(jù)不同滲透率巖樣施加不同的圍壓和驅(qū)替壓力，記錄不同溫度下100 %飽和條件和不同含水飽和度下的巖心電阻率，并測(cè)量不同含水飽和度下的核磁共振T2譜。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論 根據(jù)已測(cè)數(shù)據(jù)繪制RISw關(guān)系，可得到巖電參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)分析與討論

4.1 巖樣電阻率指數(shù)和含水飽和度關(guān)系

對(duì)所選巖樣利用風(fēng)干法進(jìn)行巖電測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖1）。

通過對(duì)致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行巖電實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（見表2）。根據(jù)Archie 經(jīng)驗(yàn)公式，電阻率指數(shù)RI 與含水飽和度Sw在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈現(xiàn)直線關(guān)系，從巖樣D78-6、D30-17 和D30-10 可以看出在較高含水飽和度（80 %～90 %）時(shí)，巖石電阻率會(huì)出現(xiàn)向上彎曲的趨勢(shì)。巖樣D78-6 在低含水飽和度時(shí)會(huì)出現(xiàn)向下彎曲的趨勢(shì)。

圖1 巖樣電阻率指數(shù)-含水飽和度關(guān)系圖Fig.1 The RI-Swrelationships of rock samples

表2 巖樣巖電參數(shù)擬合數(shù)據(jù)Tab.2 The fitting data of electrica parameter of rock samples

這主要是因?yàn)閯傞_始驅(qū)替巖樣的時(shí)候，含水飽和度較高，儲(chǔ)層物性較好，孔隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，孔隙連通性好，地層水導(dǎo)電性較強(qiáng)，隨著含水飽和度的減小，巖樣中的水分布比較均勻，符合經(jīng)典的Archie 現(xiàn)象。對(duì)于高含水飽和度下，巖樣向上彎曲的趨勢(shì)，主要是因?yàn)榈貙铀植疾痪?。但隨著Sw的逐漸降低，大孔隙喉道被不導(dǎo)電物質(zhì)取代，孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，孔隙通道曲折度變大，連通性變差，地層水逐漸變成非連續(xù)狀，巖石導(dǎo)電性變差，電阻率增加速度變快，曲線向上彎曲。另外黏土礦物的含量影響電阻率的大小，黏土礦物含量越高，儲(chǔ)層的孔喉表面越粗糙，增大了比表面，導(dǎo)致分布在孔隙壁面上的束縛流體[9]含量變大，巖石電阻率減小，曲線向下彎曲。

4.2 巖樣核磁共振T2譜形態(tài)特征

不同類型的孔隙流體具有不同的核磁響應(yīng)。不同飽和度下巖樣的核磁T2譜分布也不同，孔隙內(nèi)水的弛豫特性受到巖石孔隙結(jié)構(gòu)，流體分布等因素的影響，表現(xiàn)出不同的弛豫特性。一般來說，巖樣橫向弛豫時(shí)間T2譜反映了流體在大小不同孔喉半徑中的分布狀態(tài)。短T2時(shí)間對(duì)應(yīng)巖樣細(xì)微孔喉中流體的弛豫特征，長(zhǎng)T2時(shí)間則對(duì)應(yīng)巖樣粗大孔喉中流體弛豫特征。分布反映了孔隙尺寸信息，T2越小，代表孔徑的孔隙越小。

通過測(cè)試六塊巖樣不同飽和度下的核磁共振T2譜，結(jié)果（見圖2），從形態(tài)上可以分為單峰、雙峰、單雙峰過渡和多峰形態(tài)。

當(dāng)巖心在100 %飽和狀態(tài)時(shí)，巖樣T2譜幅度最大，核磁共振T2譜能夠真實(shí)的反映巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)巖石的孔喉分選性好，分布集中時(shí)T2譜就會(huì)呈現(xiàn)單峰狀態(tài)；當(dāng)巖石的孔喉分選性差，孔喉的分布比較分散時(shí)T2譜就會(huì)呈現(xiàn)雙峰或者多峰狀態(tài)。而隨著含水飽和度的降低，巖樣的T2譜幅度也減小。

圖2 巖樣不同飽和度下核磁共振T2譜Fig.2 The NMR T2spectrum under different saturation of rock samples

4.2.1 單峰型 對(duì)于巖樣D30-17，單峰形態(tài)，此類巖樣孔隙結(jié)構(gòu)類型比較單一，滲透率較好，孔喉分散較均勻，分選性較好。

4.2.2 雙峰-多峰型 對(duì)于巖樣D93-8 和D77-13，隨著含水飽和度的不斷下降，T2譜呈現(xiàn)出雙峰形態(tài)，主峰為大孔隙，從峰為小孔隙，D93-8 降低到47.33 %時(shí)，出現(xiàn)了三峰形態(tài)，但三峰形態(tài)變化不大，幅度很小。此類巖樣滲透率較好，孔隙連通性較好，孔隙結(jié)構(gòu)類型較多，孔喉比較分散，分選性較差。此類孔隙中可能發(fā)育有微裂縫，含少量黏土，主峰遠(yuǎn)高于從峰，前者黏土礦物充填較少，發(fā)育有微裂縫，微小孔喉含量較低；隨著含水飽和度降低，后者多發(fā)育大量納米級(jí)孔喉，黏土礦物含量較高，從峰幅度變化很小，這說明巖樣孔喉連通性很差，巖樣中存在死孔隙，儲(chǔ)層物性差?？紫犊讖阶兓秶?，孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強(qiáng)。

4.2.3 過渡型 對(duì)于巖樣D65-3-25、D78-6 和D30-10，可以看出在完全飽和水時(shí)，巖樣呈現(xiàn)雙峰狀態(tài)，隨著含水飽和度的降低，會(huì)出現(xiàn)從雙峰到單峰的變化，此時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)較均一，孔徑變化范圍小，孔隙連通性較好。

綜上，巖樣不同飽和度下核磁T2譜有明顯的差異，可見研究區(qū)塊儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，微觀特征復(fù)雜，發(fā)育大量納米級(jí)孔喉，微裂縫增加了孔隙間連通性，存在死孔隙，孔喉連通性一般，儲(chǔ)層物性較差。

4.3 影響因素分析

4.3.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu) 通過鑄體薄片和掃描電鏡圖像，可研究微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖石電阻率的影響。大牛地致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層以云巖為主（見圖3-a、b），礦物成分主要含有白云石、方解石以及少量黏土礦物。巖心孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。巖心孔喉連通性較差（見圖3-c～f）。孔隙類型多樣，次生孔隙發(fā)育，包括溶孔、晶間孔、膏模孔、溶縫、張縫、縫合線以及復(fù)合孔隙等。巖心結(jié)構(gòu)致密，晶間微孔較發(fā)育（見圖3-g～i）。但孔隙分布不均勻，孔隙間連通性差，呈孤立狀，以點(diǎn)狀喉道為主，存在微小孔喉使得孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。

大牛地致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，孔喉較分散，雖發(fā)育有次生孔隙和裂縫，增大了儲(chǔ)集空間，但孔隙不連通，使得滲透率特別低，含水飽和度不能降到特別低，復(fù)雜孔喉系統(tǒng)使得巖樣核磁共振T2譜出現(xiàn)雙峰或多峰形態(tài)，且孔隙間連通性變差，地層水逐漸變成非連續(xù)狀，巖石導(dǎo)電性變差，電阻率增加速度變快。

4.3.2 儲(chǔ)層物性 通過對(duì)巖樣進(jìn)行孔滲參數(shù)測(cè)試并擬合，孔滲交會(huì)圖（見圖4）。

圖3 儲(chǔ)層巖樣鑄體薄片和掃描電鏡圖像Fig.3 SEM and cast thin section images of rock samples

圖4 儲(chǔ)層巖樣孔滲交會(huì)圖Fig.4 The relation chart between porosity and permeability of rock samples

從孔滲擬合關(guān)系圖可以看出致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖樣為低孔、低滲致密儲(chǔ)層，儲(chǔ)層滲透性極差，擬合系數(shù)僅0.015 4，可見研究區(qū)塊巖樣孔滲相關(guān)性較差，儲(chǔ)層非均質(zhì)性很強(qiáng)。

4.3.3 黏土礦物 大牛地致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層礦物成分多樣，主要存在白云石、斜長(zhǎng)石、石英、方解石和少量黏土等多種礦物類型，其中白云石含量最高，為90 %左右。黏土類礦物充填孔喉，導(dǎo)致孔隙連通性變差，使得油氣滲流受到嚴(yán)重阻礙。黏土礦物的含量也會(huì)影響儲(chǔ)層巖樣中可動(dòng)流體的飽和度和電阻率大小，黏土礦物含量越高，儲(chǔ)層孔喉表面越粗糙，增大了比表面積，導(dǎo)致分布孔隙壁面束縛流體含量變大，巖樣電阻率減小；此外黏土礦物隨流體運(yùn)移，堵塞儲(chǔ)層細(xì)微孔喉，使可動(dòng)流體含量降低，束縛水飽和度增加，含水飽和度不能降到很低。

5 結(jié)論

（1）大牛地致密碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖樣核磁共振T2譜可分為單峰、雙峰、單雙峰過渡和多峰四種形態(tài)，雙峰形態(tài)巖樣微觀孔喉復(fù)雜且分散，分選性較差，此類孔隙中發(fā)育有微裂縫，含少量黏土，主峰遠(yuǎn)高于從峰；單峰形態(tài)巖樣孔隙結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分選性較好。儲(chǔ)層巖樣孔滲相關(guān)性很差，少量裂縫增強(qiáng)了孔隙間連通性，但巖樣中仍存在死孔隙和微小孔喉使得儲(chǔ)層孔隙連通性變差，滲透率降低。而且不同巖樣及不同飽和度下每個(gè)巖樣核磁T2譜有明顯的差異，可見研究區(qū)塊儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，微觀孔喉特征復(fù)雜。

（2）通過薄片和電鏡資料研究?jī)?chǔ)層微觀特征對(duì)巖石電阻率的影響，結(jié)果表明，孔隙類型、形狀以及微裂縫的發(fā)育程度對(duì)可動(dòng)流體含量及分布都會(huì)產(chǎn)生影響；復(fù)雜微觀孔喉系統(tǒng)使得部分巖樣孔隙連通性變差，電阻率增大，表現(xiàn)出非阿爾奇現(xiàn)象；黏土礦物的含量會(huì)對(duì)儲(chǔ)層孔喉造成不同程度的破壞，影響孔隙間連通性，使得巖石電阻率減??；微裂縫的發(fā)育增強(qiáng)了孔隙連通性，提高了油氣滲流能力，使得巖心電阻率減小。

（3）儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，孔喉較分散，分布不均勻，雖發(fā)育有次生孔隙和微裂縫，增大了儲(chǔ)集空間，但孔隙呈孤立狀，不連通，存在微小或死孔隙使得孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，導(dǎo)致滲透率極低，使得風(fēng)干法測(cè)試巖樣電阻率時(shí)含水飽和度不能降到特別低，且復(fù)雜孔喉系統(tǒng)使得巖樣核磁共振T2譜出現(xiàn)雙峰或多峰形態(tài)。