巖電實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合精確評(píng)價(jià)致密氣儲(chǔ)層飽和度

張宏悅, 韓藝

摘 ?????要：致密儲(chǔ)層由于巖性?孔隙類型與孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣及非均質(zhì)性強(qiáng)等特征，使得驅(qū)替法巖石電性實(shí)驗(yàn)達(dá)不到理想的驅(qū)替效果，難以得到中低含水飽和度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致飽和度測井評(píng)價(jià)遇到很大困難，測井符合率低?選擇以有效介質(zhì)和逾滲理論為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)致密巖樣進(jìn)行數(shù)值模擬以求得含水飽和度全程段的電阻率指數(shù)變化趨勢(shì)，既利用了巖電實(shí)驗(yàn)真實(shí)飽和度范圍的測量參數(shù)，又彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)驅(qū)替不完全的缺陷;發(fā)現(xiàn)了所研究樣品的電阻率指數(shù)與含水飽和度呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系，而不是乘冪關(guān)系，由此建立了新的飽和度評(píng)價(jià)模型，在鄂爾多斯盆地某區(qū)塊山西組致密氣儲(chǔ)層得到更為精確的飽和度。

關(guān) ?鍵 ?詞：致密氣;飽和度;數(shù)值模擬;鄂爾多斯盆地

中圖分類號(hào)：TE 311 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）04-0795-05

Abstract： Due to its complicated and diverse lithology，pore types and pore structure， as well as its strong heterogeneity， displacement method rock electricity experiment on the cores from tight reservoir cannot obtain ideal displacement effect， which often leads to difficulties of getting experimental data of mid and low water saturation， the difficulty of saturation logging evaluation and low logging coincidence rate. The network model， based on effective medium and percolation theory， was selected to conduct numerical simulation of tight cores to get their changing trend of resistivity indices， covering full range of water saturation. This method can utilize saturation measurements from rock electricity experiment and can also remedy the defect of incomplete displacement during physical experiment. It's found that resistivity indices and water saturation of core samples have exponential relation instead of exponentiation relation. Based on the research result above， a new saturation evaluation model was established to realize more precise evaluation of saturation of tight gas reservoir in Shanxi formation in a block of Erdos.

Key words： Tight gas; Saturation; Numerical simulation; Erdos

目前低滲透油氣藏的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)與試油測試效果并不令人滿意， 測井解釋符合率低， 致密砂巖油氣藏更是如此[1]?造成這些問題的根本原因是低滲透油氣藏的儲(chǔ)層特征比較復(fù)雜， 且對(duì)電阻率的影響大[2，3]?研究其導(dǎo)電規(guī)律，得到準(zhǔn)確的飽和度值則可以大大提高測井解釋符合率?

物理實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)值模擬是進(jìn)行巖石物理基礎(chǔ)研究的兩種基本方法[4]?物理實(shí)驗(yàn)由于需要考慮技術(shù)或設(shè)備?實(shí)驗(yàn)周期等諸多因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能達(dá)不到預(yù)期的效果;當(dāng)對(duì)一些介質(zhì)的物理實(shí)驗(yàn)測量或?qū)δ承﹨?shù)的物理觀測難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，理論數(shù)值模擬研究則可以發(fā)揮其優(yōu)越性，彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)或物理觀測的不足?巖電實(shí)驗(yàn)是研究巖石導(dǎo)電規(guī)律的基本方法，常用測量方法為驅(qū)替法，但是由于致密儲(chǔ)層的復(fù)雜性導(dǎo)致驅(qū)替法很難獲取中低含水飽和度下的巖石電阻率數(shù)據(jù)，為研究導(dǎo)電規(guī)律帶來了困難，因而可以采用數(shù)值模擬方法，延伸物理實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)，彌補(bǔ)致密儲(chǔ)層巖電實(shí)驗(yàn)缺少中低含水飽和度的缺陷，得到全程段含水飽和度的電阻率指數(shù)變化趨勢(shì)?

針對(duì)鄂爾多斯盆地某區(qū)塊山西組致密氣儲(chǔ)層的飽和度測井評(píng)價(jià)問題，本文基于巖電實(shí)驗(yàn)資料并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，研究其導(dǎo)電規(guī)律，最終建立指數(shù)關(guān)系的新飽和度模型?

1 ?巖電實(shí)驗(yàn)

鄂爾多斯盆地某區(qū)塊二疊系山西組儲(chǔ)層的巖電實(shí)驗(yàn)采用驅(qū)替法，實(shí)驗(yàn)儀器為PLS-200巖石電性測定儀，在5 MPa的圍壓和25 ℃的室溫條件下，配制的地層水礦化度為50 000 mg/L?共選取了研究區(qū)山西組儲(chǔ)層21塊巖樣作為實(shí)驗(yàn)樣品，孔隙度范圍為2%～10%;滲透率范圍為0.065×10-3～0.76×10-3 μm2?

圖1為地層因素（F）與孔隙度（φ）關(guān)系圖和電阻率指數(shù)（I）與含水飽和度（Sw）關(guān)系圖，由圖可知F-φ和I-Sw均有很好的相關(guān)性?但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，電阻率指數(shù)與含水飽和度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中含水飽和度沒有低于45%的，沒有中低含水飽和度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這給研究導(dǎo)電規(guī)律帶來了困難，但是可以發(fā)現(xiàn)在含水飽和度小于60%時(shí)，電阻率指數(shù)開始偏離直線，偏向飽和度軸，具有減小的趨勢(shì)?

結(jié)合鑄體薄片實(shí)驗(yàn)分析，研究區(qū)巖性主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖（圖2），其中巖屑以火山巖與火山碎屑巖為主，其次有沉積巖和變質(zhì)巖?不穩(wěn)定的成分含量較高，沉積?成巖作用較強(qiáng)，最終導(dǎo)致研究區(qū)孔隙類型多樣，次生孔隙比較發(fā)育，孔徑極差大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)等?依據(jù)對(duì)致密氣孔喉下限50 nm的標(biāo)準(zhǔn)[5]，換算為對(duì)應(yīng)的毛管壓力， 即克服的最大毛管壓力為2.88 MPa，但是現(xiàn)行巖電實(shí)驗(yàn)的最大突破壓力大多為1.5 MPa，滿足不了致密巖樣的實(shí)驗(yàn)要求?采用氣驅(qū)水的驅(qū)替法巖電實(shí)驗(yàn)時(shí)，驅(qū)替過程很難將巖石樣品里的水完全驅(qū)替出去，達(dá)不到理想的驅(qū)替效果，得不到中低含水飽和度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?

2 ?數(shù)值模擬

對(duì)于致密儲(chǔ)層導(dǎo)電規(guī)律中非Archie現(xiàn)象的出現(xiàn)，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[6-14]，但是絕大多數(shù)學(xué)者的研究都是基于巖電實(shí)驗(yàn)，而宏觀的巖電實(shí)驗(yàn)不能直接觀察和定量計(jì)算巖石樣品的微觀特征，如孔隙結(jié)構(gòu)?礦物組分及滲透性對(duì)流體分布狀態(tài)的影響岳文正和陶果考慮孔隙結(jié)構(gòu)?流體特性等因素對(duì)電傳輸特性的影響，對(duì)低孔低滲復(fù)雜儲(chǔ)層進(jìn)行導(dǎo)電特性數(shù)值模擬，結(jié)果表明對(duì)于水潤濕的模型一般將出現(xiàn)凸形非Archie現(xiàn)象，即電阻率指數(shù)逐漸偏向飽和度軸[15]?在研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)為氣水系統(tǒng)，天然氣潤濕性較石油差很多，因而氣層中地層水更容易附著在巖石表面，表現(xiàn)為中等偏強(qiáng)的親水特征?

獲取精確的飽和度值，建立正確電阻率指數(shù)與含水飽和度關(guān)系是關(guān)鍵，但是由于致密氣儲(chǔ)層的復(fù)雜性，導(dǎo)致巖石樣品實(shí)驗(yàn)難以得到全程段含水飽和度的電阻率指數(shù)變化趨勢(shì)，因而可以采用數(shù)值模擬方法，延伸物理實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)，彌補(bǔ)致密儲(chǔ)層巖電實(shí)驗(yàn)缺少中低含水飽和度的缺陷?為了能夠正確描述電阻率指數(shù)（I）與含水飽和度（Sw）的關(guān)系，選擇建立在有效介質(zhì)和逾滲理論基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，網(wǎng)絡(luò)模型由孔隙體以及孔隙體之間起連接作用的喉道組成[16，17]（圖3-4），具體數(shù)值模擬過程采用了Wang等人的模型，該模型主要由巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)模型?網(wǎng)絡(luò)基本單元理論電阻率模型和驅(qū)替及有效介質(zhì)電導(dǎo)模型三部分組成，模擬采用親水巖石模型?

孔隙體半徑，吼道半徑和吼道長度反映儲(chǔ)層孔隙幾何形態(tài);配位數(shù)表征孔隙的拓?fù)涮卣?，?shù)值越大，連通性越好;當(dāng)巖石親水時(shí)，氣驅(qū)水會(huì)在巖石表面形成水膜，導(dǎo)電部分由水膜和孔隙中未被驅(qū)替的水組成;偏態(tài)用來描述孔隙尺寸的統(tǒng)計(jì)變化情況?模擬參數(shù)的選取原則：由壓汞實(shí)驗(yàn)的毛管壓力曲線獲得孔隙幾何形態(tài)相關(guān)參數(shù)，例如孔喉半徑均值和孔喉半徑比等;配位數(shù)和水膜厚度等模擬參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值?

選取了有代表性的不同孔隙度與滲透率的巖樣進(jìn)行數(shù)值模擬，具體模擬參數(shù)見表1，并將數(shù)值模擬結(jié)果與巖心實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖5）? 由圖5可以看出，一方面數(shù)值模擬的I-Sw曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在中高含水時(shí)吻合，證明了該數(shù)值模擬的可靠性，另一方面也表明I-Sw在中低含水的情況下呈現(xiàn)非Archie現(xiàn)象的指數(shù)關(guān)系?

綜合上述研究，結(jié)合巖電實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果得到含水飽和度全程段的電阻率指數(shù)變化趨勢(shì)，確立了研究區(qū)具有I-Sw凸形非Archie現(xiàn)象，呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系?圖6為兩種趨勢(shì)的電阻率指數(shù)與含水飽和度的關(guān)系圖，可以明顯看出，僅具有中高含水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，不論I-Sw是乘冪關(guān)系（式（1））還是指數(shù)關(guān)系（式（2））都具有很好的相關(guān)性，但是在中低含水飽和度的情況下，兩者相同電阻率指數(shù)所對(duì)應(yīng)含水飽和度卻相差很大?

根據(jù)上述建立的飽和度解釋模型，分不同孔隙條件下，模擬含水飽和度隨地層電阻率的變化關(guān)系，模擬參數(shù)見表2，其中地層水電阻率來自研究區(qū)地層水分析結(jié)果?圖7為模擬結(jié)果，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，含水飽和度大于60%時(shí)，乘冪關(guān)系和指數(shù)關(guān)系計(jì)算的Sw值近乎相等;含水飽和度小于60%時(shí)，兩者計(jì)算的Sw值有很大差別，乘冪關(guān)系計(jì)算的Sw值大于指數(shù)關(guān)系計(jì)算的Sw值?

3.2 ?實(shí)例應(yīng)用

將新飽和度模型?Archie模型應(yīng)用于鄂爾多斯盆地某區(qū)塊二疊系山西組儲(chǔ)層的飽和度求取?圖8是X-8井的部分層段處理結(jié)果，圖中Por為計(jì)算孔隙度， CPor為巖心物性實(shí)驗(yàn)得到的孔隙度; Sw_exp?Sw_Archie分別為新飽和度模型?Archie模型計(jì)算飽和度， CSw為巖心分析得到的飽和度?由圖中可以看出， 新飽和度模型計(jì)算的飽和度值優(yōu)于Archie模型， 與巖心分析飽和度值吻合的很好?將研究區(qū)山西組5口井共13塊巖心分析飽和度值與計(jì)算得到的飽和度值進(jìn)行比較， 通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 研究區(qū)的含水飽和度均小于50%， 新飽和度模型計(jì)算的飽和度值相較于Archie模型計(jì)算的飽和度值，精度有了很大的提升?

4 ?結(jié) 論

（1）由于致密儲(chǔ)層巖性和孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜?非均質(zhì)性強(qiáng)等， 導(dǎo)致采用驅(qū)替法的巖電實(shí)驗(yàn)， 達(dá)不到很好的驅(qū)替效果， 而得不到中低含水飽和度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。物理實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)值模擬兩種方法可以互補(bǔ)， 也可以互相驗(yàn)證?采用在有效介質(zhì)和逾滲理論基礎(chǔ)上建立的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)巖石電性進(jìn)行數(shù)值模擬， 彌補(bǔ)了巖電物理實(shí)驗(yàn)的不足?

（2）巖電實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，建立了指數(shù)關(guān)系的新飽和度模型?在高含水飽和度時(shí)（>60%），新飽和度模型和Archie模型計(jì)算的飽和度值差別不大， 均與巖心分析飽和度吻合; 在中低含水飽和度（<60%）， 新飽和度模型計(jì)算的飽和度值明顯優(yōu)于Archie模型?

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