地層條件下灰?guī)r儲(chǔ)層復(fù)電阻率特征

郭 琦,嚴(yán)良俊, 向 葵, 童小龍

(長(zhǎng)江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430100)

1 引 言

灰?guī)r作為常見(jiàn)碳酸鹽巖，在大港油田有較為豐富的儲(chǔ)層空間。近年來(lái)頁(yè)巖氣等能源被大力開(kāi)發(fā)，成為新興能源，但對(duì)于碳酸鹽巖油藏還處于初期階段。

在巖石儲(chǔ)層測(cè)量中，復(fù)電阻率法(CR)可以在超低頻段做多頻復(fù)電阻率測(cè)量，依據(jù)頻散特性研究激電效應(yīng)，是一種有效的油氣勘探與評(píng)價(jià)方法[1]。巖石內(nèi)部極化會(huì)導(dǎo)致電阻率存在頻散現(xiàn)象[2]。不同頻率內(nèi)存在不同的頻散機(jī)理，在頻率較小的情況下，激發(fā)極化效應(yīng)是引起巖石頻散的主要因素[3]。為了更好地反映這一現(xiàn)象，不同學(xué)者在高溫高壓條件下，通過(guò)泥質(zhì)砂巖、頁(yè)巖等巖性觀測(cè)其復(fù)電阻率特性[4-8]。

在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，巖石的孔隙度、滲透率、礦物成分、含油飽和度等儲(chǔ)層參數(shù)是優(yōu)選儲(chǔ)藏油氣的地質(zhì)依據(jù)。飽和度評(píng)價(jià)是油氣儲(chǔ)集層定量評(píng)價(jià)的核心，以電阻率為基礎(chǔ)的飽和度評(píng)價(jià)能更好地反映地層信息。童茂松等[9]進(jìn)行了模擬地層條件下含水巖石的復(fù)電阻率試驗(yàn)研究，表明復(fù)電阻率的頻散特性與含水飽和度的關(guān)系與頻散定義有關(guān)。楊春梅等[10]研究了水驅(qū)油方式下電阻率與含水飽和度之間的關(guān)系。肖占山等[11]測(cè)量了不同含水飽和度的含油巖心的電阻率, 利用冪指數(shù)回歸的方法, 給出了阿爾奇公式中的膠結(jié)指數(shù)m、巖性系數(shù)a、飽和度指數(shù)n、系數(shù)b的頻散特性曲線。池美瑤等[12]通過(guò)Archie公式和Waxman-Smith公式對(duì)含油飽和度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

傳統(tǒng)的阿爾奇公式建立在常溫常壓條件下，高溫高壓復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)大多針對(duì)頁(yè)巖、砂巖等巖性，關(guān)于對(duì)灰?guī)r的系統(tǒng)研究較少。為了提高儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，本次研究對(duì)灰?guī)r進(jìn)行了地層條件和含油飽和度測(cè)試，分析了灰?guī)r儲(chǔ)層復(fù)電阻率特征，探討了阿爾奇公式對(duì)灰?guī)r的適用性。

2 復(fù)電阻率理論

激電效應(yīng)(IP)引起的激發(fā)極化使電阻率隨著頻率的變化而變化，通常用復(fù)電阻率描述這一現(xiàn)象。

對(duì)于巖石復(fù)雜的礦物組分和結(jié)構(gòu)，復(fù)電阻率頻散特征及其極化機(jī)制不能有效地進(jìn)行理論研究，不同學(xué)者通過(guò)復(fù)電阻率模型和公式進(jìn)行解釋。K.S.Cole和R.H.Cole[13]在模擬介質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)研究中提出了Cole-Cole模型。Pelton等[14]為了描述激電特性提出了單Cole-Cole模型。將多個(gè)Cole-Cole模型以相加減及相乘的形式可演變出不同類(lèi)型的模型。隨后Dias[15]對(duì)頻譜大量研究，提出了Dias模型。J Xiang等[16]提出了使用多重最小二乘估計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行視頻譜的反演。柯式鎮(zhèn)等[17]利用模型參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層參數(shù)評(píng)價(jià)。李鵬飛等[18，19]、陳恒等[20]采用最小二乘方法進(jìn)行反演，通過(guò)模型反演極化率、時(shí)間常數(shù)等參數(shù)，對(duì)頻譜參數(shù)初值進(jìn)行選取。李勇等[21]、袁龍等[22]、符超等[23]利用儲(chǔ)層參數(shù)反演進(jìn)行巖性識(shí)別。隨著頻譜參數(shù)的不斷研究，這些模型都反映出電阻率隨頻率變化的特性，為巖石復(fù)電阻率模型研究方法提供了選擇性。

本次研究采用雙Cole-Cole模型進(jìn)行反演，包含激發(fā)極化和介電極化兩種模式，將不同狀態(tài)下的巖石數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲取零頻電阻率(ρ0)，極化率(m)、時(shí)間常數(shù)(τ)和頻率相關(guān)系數(shù)(c)，能更好地刻畫(huà)巖石和礦物由激電效應(yīng)引起的復(fù)電阻率隨頻率的變化，反映巖石頻散特性。雙Cole-Cole模型表示：

(1)

式中：ρ(ω)為復(fù)電阻率，單位為Ω·m；ρ0為零頻電阻率，單位為Ω·m；m、m1、m2為極限極化率；τ、τ1、τ2為時(shí)間常數(shù)，單位為s；c、c1、c2為頻率相關(guān)系數(shù)[0，1]。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本次實(shí)驗(yàn)選取的儀器是美國(guó)NER公司針對(duì)油藏物性研究開(kāi)發(fā)的AutoLab1000高溫高壓巖石物理設(shè)備，能夠模擬一定地層深度范圍的溫度和壓力(圖1)。

圖1 AutoLab 1000實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及巖心夾持器Fig.1 AutoLab1000 experimental system and core holder

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

9塊巖心(W1,2,…，9)樣品清水飽和，烘干(達(dá)到去油去鹽的效果)，放入1 %(10 000 ppm)鹽水溶液，直至完全飽和，通過(guò)巖心夾持器固定巖石，采用銀膜電極片，測(cè)量方式選用對(duì)稱四極測(cè)量裝置，模擬原始地層環(huán)境溫度和壓力，觀測(cè)不同深度下巖石復(fù)電阻率隨頻率變化的關(guān)系。地層條件實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將巖石放入原鹽水溶液中，直至完全飽和，模擬溫度和壓力環(huán)境，通過(guò)油水驅(qū)替方式(為了更真實(shí)地反映動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要選擇耐高溫耐高壓的高阻煤油)計(jì)算含油飽和度以及在不同含油飽和度下電阻率的變化。溫度、圍壓、孔壓模擬公式：

Pp=0.015H

其中，T為溫度，單位為℃；H為地層深度，單位為m；Pc為圍壓，單位為MPa；Pp為孔壓，單位為MPa。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 灰?guī)r礦物成分分析

研究區(qū)為天津大港油田。大港地處天津市東南，東臨渤海灣、塘沽；南與河北省黃驊市接壤；西與靜海區(qū)為鄰；北與津南、西青兩區(qū)交界，屬于華北平原濱海沉積區(qū)，地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，橫向比較均勻，地質(zhì)上屬黃驊凹陷的一部分。

本次實(shí)驗(yàn)所取的巖心為天津大港油田奧陶系，9塊巖心孔隙度為0.33 %～8.19 %,滲透率為0.042 0～1.017 0 mD,屬于致密灰?guī)r，巖樣基本物性參數(shù)如表1所示，通過(guò)X射線衍射實(shí)驗(yàn)分析礦物成分析結(jié)果，如圖2所示。

表1 巖樣基本物性參數(shù)

圖2 灰?guī)r巖樣礦物組分Fig.2 Mineral composition diagram of limestone rock samples

灰?guī)r巖樣主要成分為黏土礦物、石英、方解石、白云石，其中黏土、石英較少，以方解石和白云石為主。通過(guò)礦物組成及巖相分類(lèi)，灰?guī)r可分為黏土、硅質(zhì)(石英)、鈣質(zhì)(方解石、白云石)三種類(lèi)型。硅質(zhì)含量越高，孔隙度越高；而鈣質(zhì)含量越高，孔隙度越低，由此可以看出硅質(zhì)和鈣質(zhì)對(duì)灰?guī)r作用明顯(圖3)。

圖3 硅質(zhì)含量與孔隙度的關(guān)系和鈣質(zhì)含量與孔隙度的關(guān)系Fig.3 The relationship between silica content and porosity and the relationship between calcium content and porosity

4.2 孔滲結(jié)構(gòu)分析

在巖石儲(chǔ)層中，孔隙度決定流體的大小，滲透率與地層深度密切相關(guān)，研究孔滲結(jié)構(gòu)與電阻率的關(guān)系可以有效地預(yù)測(cè)地層下灰?guī)r的變化規(guī)律。本次巖樣孔隙度與滲透率數(shù)值不高，通過(guò)巖性分析，推測(cè)是灰?guī)r巖石孔隙顆粒較大，部分孔隙不連通導(dǎo)致。為了更直接地判斷兩者關(guān)系，選取模擬深度為3 000 m的環(huán)境進(jìn)行分析。從圖4可以看出：電阻率與孔隙度、滲透率擬合度較高，具有良好的一致性。實(shí)驗(yàn)表明：在實(shí)際儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中，結(jié)合電阻率對(duì)灰?guī)r孔滲結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析將更加準(zhǔn)確。

4.3 地層實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

9塊巖樣通過(guò)雙Cole-Cole模型反演出零頻復(fù)電阻率，觀測(cè)其頻散特性。以巖樣W5為例，測(cè)量結(jié)果顯示：由于地層下溫度和壓力相互作用，電阻率幅值隨深度增加而減小，且幅值差異較小；電阻率幅值隨頻率的增加而減??；相位幅值隨著頻率增加變化較大，呈先增加后減小趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明灰?guī)r具有激發(fā)極化效應(yīng)，頻散特性較強(qiáng)(圖5)。

圖4 孔隙度與電阻率之間的關(guān)系和滲透率與電阻率之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between porosity and resistivity and the relationship between permeability and resistivity

圖5 地層條件下電阻率及相位幅值變化曲線Fig.5 Variation curve of resistivity and phase amplitude under formation conditions

模擬該儲(chǔ)層的壓力及地層溫度條件,在不同深度下，對(duì)膠結(jié)因子與孔隙度、地層因素與孔隙度進(jìn)行測(cè)試, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。觀測(cè)膠結(jié)因子與地層深度的關(guān)系，對(duì)測(cè)試的地層因素和孔隙度做雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖(圖6)。

圖6 膠結(jié)因子與深度變化曲線和地層因素與孔隙度變化曲線Fig.6 Cementation factor and depth change curve and formation factor and porosity change curve

表2 地層因素測(cè)試數(shù)據(jù)

隨著深度的增加，膠結(jié)因子增大，說(shuō)明孔隙流體性逐漸降低，其膠結(jié)因子范圍為[1.8,2.4]。地層因素與孔隙度存在良好的線性關(guān)系,證明地層因素與孔隙度兩者存在如下關(guān)系：

(2)

式中:F,地層因素;R0,巖石電阻率(飽和水),單位為Ω·m;Rw,地層水電阻率,單位為Ω·m;a,與巖性有關(guān)的巖性系數(shù);m,膠結(jié)指數(shù);φ,孔隙度,單位為%。

4.4 飽和度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了確保實(shí)驗(yàn)的正確性，選擇高孔隙度、高滲透率的巖樣W4和W5進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。通過(guò)不同含油飽和度條件下對(duì)電阻率變化進(jìn)行測(cè)量，以巖樣W5為例，結(jié)果顯示：電阻率明顯提高；電阻率幅值隨著含油飽和度的增加而增加，由于孔隙減小，離子通道降低，相位幅值變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定(圖7)。

圖7 不同含油飽和度條件下電阻率及相位幅值變化曲線Fig.7 Variation curve of resistivity and phase amplitude under different oil saturation conditions

通過(guò)雙Cole-Cole模型反演的復(fù)電阻率，對(duì)飽和度指數(shù)與含水飽和度以及電阻增大系數(shù)與含水飽和度進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，研究飽和度指數(shù)變化，對(duì)電阻增大系數(shù)(I)和含水飽和度(Sw)做雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖(圖8)。

表3 含水飽和度測(cè)試數(shù)據(jù)

圖8 飽和度指數(shù)示意圖及電阻率增大系數(shù)與含水飽和度的關(guān)系Fig.8 Schematic diagram of saturation index and The relationship between resistivity increase coefficient and water saturation

由圖可以看出：飽和度指數(shù)較低，范圍為[1,1.4]。電阻增大系數(shù)與含水飽和度存在一定的線性關(guān)系，證明其存在如下關(guān)系：

(3)

式中:I,電阻率增大系數(shù);Rt,巖層電阻率,單位為Ω·m;Ro,飽和水的巖石電阻率，單位為Ω·m;b,與巖性有關(guān)的巖性系數(shù);n,飽和度指數(shù);Sw,含水飽和度，單位為%。

5 結(jié) 論

模擬了地層深度和不同含油飽和度條件下的復(fù)電阻率實(shí)驗(yàn)測(cè)量,對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)論如下:

1)通過(guò)礦物組分的對(duì)比分析，有效預(yù)測(cè)了灰?guī)r孔隙度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)含量高有利于灰?guī)r孔隙發(fā)育，鈣質(zhì)則相反。

2)基于Cole-Cole模型，在不同溫度、壓力條件下，灰?guī)r電阻率幅值隨頻率增加而減小，隨含油飽和度增加而增加，相位變化較大，為基于復(fù)電阻率的電磁勘探解釋提供了巖石物理基礎(chǔ)。

3)結(jié)合參數(shù)分析和數(shù)據(jù)擬合，建立了灰?guī)r儲(chǔ)層隨深度與飽和度變化的關(guān)系，為深部勘探碳酸鹽巖油藏進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供了參考依據(jù)。