基于水氣比計(jì)算的低對(duì)比度儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別

趙 軍，韓 東，何勝林，湯 翟，張 濤

（1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司研究院，廣東湛江 524057）

0 引言

低對(duì)比度油氣層是指油氣層電阻率減小或水層電阻率增大，導(dǎo)致油氣層與水層的電阻率對(duì)比度降低，在測(cè)井上難以識(shí)別的油氣層［1-2］。在低對(duì)比度儲(chǔ)層流體識(shí)別方面，學(xué)者們已做了大量的研究，主要可分為3 類：第一類是基于儲(chǔ)層微觀特性的研究，利用巖石物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從低對(duì)比度成因出發(fā)，分析儲(chǔ)層變化對(duì)電阻率、含水飽和度等的影響［3-4］。第二類是基于敏感參數(shù)識(shí)別，通過對(duì)流體變化的敏感性，提取敏感參數(shù)，綜合識(shí)別流體性質(zhì)［5-7］。第三類是基于測(cè)井資料，采用測(cè)井及其衍生數(shù)據(jù)，進(jìn)一步弱化儲(chǔ)層的非均質(zhì)性對(duì)低對(duì)比度的影響，厘清流體劃分界限［8-11］。雖然通過現(xiàn)有的方法在一定程度上能夠提高低對(duì)比度流體識(shí)別的準(zhǔn)確率，但在研究思路上主要還是依托測(cè)井資料圍繞儲(chǔ)層電性特征展開，而在低對(duì)比度儲(chǔ)層中，其電性特征往往難以準(zhǔn)確的反映，且存在較高的區(qū)域經(jīng)驗(yàn)性，對(duì)不同的研究區(qū)應(yīng)用效果差異較大，難以大范圍推廣。

針對(duì)珠江口盆地文昌A 凹陷低對(duì)比度儲(chǔ)層，為了有效避免上述問題，從宏觀角度出發(fā)，以相滲資料、毛細(xì)管壓力等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過不同含水飽和度下的相滲模型及分流率方程，建立氣藏水氣比計(jì)算模型WGR和含水飽和度Sw的識(shí)別圖版，再用生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)劃分流體性質(zhì)的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，以期達(dá)到有效地確定儲(chǔ)層流體性質(zhì)的目的。

1 地質(zhì)概況

文昌A 凹陷位于珠江口盆地西部的珠三坳陷內(nèi)，其南北分別與神狐隆起和陽江低凸起相接，西鄰瓊海凸起、瓊海凹陷以及文昌B，C 凹陷（圖1）。在珠三南斷裂和六號(hào)斷裂帶的控制下，凹陷內(nèi)發(fā)育一個(gè)構(gòu)造隆升帶及2 個(gè)沉降中心［12］。根據(jù)前人的研究，文昌A 凹陷主要存在2 套儲(chǔ)層，分別為晚漸新世的珠海組以及早中新世的珠江組，其中珠海組為本次研究的目的層；存在2 期油氣充注，第一期石油注入珠海組三段儲(chǔ)層，第二期注入珠海組一段儲(chǔ)層，大量天然氣注入更晚。研究區(qū)氣田群為南海西部首個(gè)整體開發(fā)的低滲、特低滲凝析氣田群，其中含有大量低對(duì)比度儲(chǔ)層，識(shí)別難度較大。

圖1 珠江口盆地西部文昌A 凹陷地理位置圖Fig.1 Geographical location of Wenchang A sag in western Pearl River Mouth Basin

2 方法原理

在氣田的開發(fā)生產(chǎn)中，儲(chǔ)層產(chǎn)出流體的性質(zhì)可根據(jù)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料來反映，井口流體的產(chǎn)出狀況決定了井下產(chǎn)層的流體性質(zhì)。如果井口只有氣或水產(chǎn)出，則井下產(chǎn)層為氣層或水層；如果井口產(chǎn)出為氣水同出，則井下地層為氣水同層。因此，生產(chǎn)過程中的水氣量的大小可以反映地下流體的特征。以此為研究思路出發(fā)點(diǎn)，通過實(shí)際測(cè)試過程中井口產(chǎn)水量與產(chǎn)氣量體積的比值計(jì)算出實(shí)際水氣比，并由井口流體性質(zhì)劃分出不同流體性質(zhì)的水氣比與含水飽和度的綜合范圍，然后通過模型計(jì)算得出氣藏整體水氣比WGR和含水飽和度Sw，以該范圍為標(biāo)準(zhǔn)判別研究區(qū)氣藏流體性質(zhì)。

在油氣藏工程中，氣水兩相流體時(shí)，水相分流率fw可表示為氣井總產(chǎn)出水量Qw與總流體量Q總之比［13-14］，即

式中：WGR為水氣比，m3/104m3；Bw，Bg分別為地層水體積系數(shù)和天然氣體積系數(shù)，m3/m3。

在不考慮重力和毛細(xì)管力的影響下，由氣水兩相達(dá)西公式可將水相分流率表示為［15］

式中：Krg為氣相相對(duì)滲透率；Krw為水相相對(duì)滲透率；μw，μg分別為水相黏度和氣相黏度，mPa·s。

由式（1）、（2）可得水氣比計(jì)算模型

由式（3）可知，在已知Bw，Bg，μw和μg的情況下，通過對(duì)Krg和Krw的求取，可得出氣藏縱向水氣比的分布。

3 模型參數(shù)的計(jì)算

計(jì)算氣藏水氣比WGR時(shí)，需先對(duì)氣相相對(duì)滲透率Krg和水相相對(duì)滲透率Krw進(jìn)行求取。根據(jù)大量模擬實(shí)驗(yàn)，前人提出了多種氣水兩相相對(duì)滲透率模型，本文采用Willghte 經(jīng)驗(yàn)公式的冪函數(shù)形式作為不同含水飽和度下Krw和Krg模型［16］

式中：Krw(Sgr)為殘余氣飽和度下水相相對(duì)滲透率；Sgr，Sw和Swi分別為殘余氣飽和度、含水飽和度和束縛水飽和度，小數(shù)；nw為水相相對(duì)滲透率曲線常數(shù)；Krg(Swi)為束縛水飽和度下氣相相對(duì)滲透率；ng為氣相相對(duì)滲透率曲線常數(shù)。

由式（4），（5）可知，對(duì)不同含水飽和度下氣、水兩相相對(duì)滲透率模型的求取主要分為3 步：①求取Swi，Sgr和Sw；②求取相對(duì)滲透率端點(diǎn)Krw(Sgr)和Krg(Swi)；③求取水相相對(duì)滲透率曲線常數(shù)nw與氣相相對(duì)滲透率曲線常數(shù)ng。

3.1 “三飽和度”參數(shù)的計(jì)算

目前，計(jì)算三飽和度參數(shù)（Swi，Sgr和Sw）的方法較多，不同的方法計(jì)算得出的效果也不盡相同。在對(duì)珠江口盆地西部文昌A 凹陷氣藏三飽和度進(jìn)行求解時(shí)，根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)，選取符合其特征的方法。

3.1.1 束縛水飽和度Swi

半滲透隔板法和壓汞法為目前測(cè)量毛細(xì)管壓力曲線應(yīng)用最普遍的方法［17］，本文的實(shí)驗(yàn)研究中，毛細(xì)管壓力的測(cè)定采用半滲隔板法。半滲透隔板法與常用的壓汞法、離心法相比，能更準(zhǔn)確地描述實(shí)際氣藏原始含水飽和度的分布狀態(tài)。根據(jù)11 塊半滲透隔板實(shí)驗(yàn)測(cè)得的毛管壓力曲線資料確定巖樣的束縛水飽和度值（圖2），研究區(qū)各巖樣含水飽和度均隨毛細(xì)管壓力Pc的增大而降低，當(dāng)實(shí)驗(yàn)毛細(xì)管壓力達(dá)到最大值1.4 MPa 時(shí)，含水飽和度隨毛細(xì)管壓力的變化不再明顯，因此，可以將毛細(xì)管壓力為1.4 MPa 時(shí)所對(duì)應(yīng)的含水飽和度作為該巖樣的束縛水飽和度。

圖2 文昌A 凹陷珠海組毛細(xì)管壓力曲線Fig.2 Capillary pressure curves of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的束縛水飽和度與孔隙度、自然伽馬相對(duì)值、中子密度孔隙度差、泥質(zhì)含量及粒度中值作相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.54，0.45，0.44，0.38 和0.31，將相關(guān)性相對(duì)較好的孔隙度、自然伽馬相對(duì)值和中子密度孔隙度差值與束縛水飽和度作多元回歸分析，建立多元回歸模型

式中：φ為孔隙度，%；ΔGR為自然伽馬相對(duì)值，小數(shù)；φN，φD分別為中子孔隙度和密度孔隙度，%。

3.1.2 殘余氣飽和度Sgr

本文中氣水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)態(tài)法，這是目前測(cè)定相對(duì)滲透率曲線的標(biāo)準(zhǔn)方法。穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn)態(tài)法相比，測(cè)定的結(jié)果可靠性更強(qiáng)，且測(cè)定相對(duì)滲透率的飽和度范圍更寬，而非穩(wěn)態(tài)法測(cè)取的氣相相對(duì)滲透率及殘余氣飽和度存在明顯的偏差。如表1 所列本文研究中采用含水飽和度逐漸增大的滲吸過程，一共測(cè)得了14 組氣水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）。

表1 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)Table 1 Experimental statistics of relative permeability of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

將相滲實(shí)驗(yàn)資料確定的殘余氣飽和度Sgr與綜合物性指數(shù)作相關(guān)性分析（圖3）。

圖3 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層Sgr 與 關(guān)系曲線Fig.3 Relationship of Sgrwith of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

如圖3 所示，Sgr與滿足半對(duì)數(shù)直線關(guān)系

式中：K為滲透率，mD。

由上式可計(jì)算出不同物性條件下殘余氣飽和度Sgr的分布。

3.1.3 含水飽和度Sw

在砂泥巖儲(chǔ)層中，泥質(zhì)主要以層狀泥質(zhì)、分散泥質(zhì)以及結(jié)構(gòu)泥質(zhì)等形式存在。不同儲(chǔ)層中泥質(zhì)含量及其分布形式有所不同，其計(jì)算含水飽和度所選用的模型也不一樣。通過與研究區(qū)塊壓汞資料計(jì)算的含水飽和度進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)選出Total shale model 作為含水飽和度的計(jì)算模型，該模型由斯倫貝謝公司根據(jù)Simandoux［18］在1963 年的實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)提出，被認(rèn)為是高度實(shí)用且簡單的模型［19］。表達(dá)式如下

式中：Rw，Rt，Rsh分別為地為層水電阻率、地層深電阻率和泥巖段深電阻率平均值，Ω·m；Vsh為泥質(zhì)含量，小數(shù)；a為巖性系數(shù)。

由資料調(diào)查得知，研究區(qū)巖性系數(shù)a及地層水電阻率Rw的取值分別為1.047，0.075。

3.2 Krw(Sgr)和Krg(Swi)的求取

基于相滲實(shí)驗(yàn)資料，通過研究區(qū)氣水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)資料可得出Krw(Sgr)和Krg(Swi)。對(duì)Krw(Sgr)及Krw(Sgr)的相關(guān)性進(jìn)行分析認(rèn)為，Krw(Sgr)，Krg(Swi)與滲透率K均存在較好的冪指數(shù)關(guān)系（圖4）。

圖4 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層Krw（Sgr）（a），Krg（Swi）（b）與K 關(guān)系曲線圖Fig.4 Relationships of permeability with Krw（Sgr）（a）and Krg（Swi）（b）of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可知

3.3 nw和ng的確定

利用式（4），（5）分別對(duì)上述相滲實(shí)驗(yàn)的14 個(gè)樣品作回歸分析，得到各樣品的nw，ng值（表2）。

表2 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層常數(shù)nw，ngTable 2 Values of reservoir constants nw and ngof Zhuhai Formation in Wenchang A sag

圖5 為文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層nw，ng與的關(guān)系曲線圖。nw，ng數(shù)據(jù)點(diǎn)分布集中，分別分布于1.91 和1.98 左右，取nw=1.91，ng=1.98。由此，得出求解式（4），（5）所需的所有參數(shù)，將式（4），（5）得到的氣相相對(duì)滲透率Krg及水相相對(duì)滲透率Krw代入式（3），結(jié)合研究區(qū)原始地層下氣相黏度μg、水相黏度μw；氣相體積系數(shù)Bg、水相體積系數(shù)Bw即可計(jì)算得出研究區(qū)氣藏水氣比WGR。

圖5 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層nw（a），ng（b）與關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationships ofwith nw（a）and ng（b）of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

4 應(yīng)用與效果分析

為了將上述模型應(yīng)用到實(shí)際中，首先須要獲取2 個(gè)連續(xù)的測(cè)井常用參數(shù)：孔隙度與滲透率。通過巖心分析其孔隙度，并將之與測(cè)井曲線進(jìn)行交會(huì)［20］可知，巖心分析孔隙度與聲波時(shí)差之間有較好的相關(guān)性。因此，利用聲波時(shí)差測(cè)井曲線可以準(zhǔn)確地計(jì)算出儲(chǔ)層的孔隙度。本文滲透率的求取采用FZI流動(dòng)單元分類方法，該方法只需要巖心物性分析數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層的快速準(zhǔn)確分類，是目前較為方便的儲(chǔ)層滲透率求取方法［21］。在得到連續(xù)的氣藏孔滲參數(shù)后，便可以通過實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)展開水氣比流體識(shí)別的應(yīng)用。

收集了珠江口盆地文昌A 凹陷的27 組生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，與氣藏含水飽和度建立了研究區(qū)水氣比流體識(shí)別圖版（圖6），紅色分界線及其下部區(qū)域表示氣層，黃色分界線區(qū)域表示氣水同層，藍(lán)色分界線及其上部區(qū)域表示水層。所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在圖版標(biāo)定區(qū)域中，區(qū)域以外理論上不會(huì)有數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

圖6 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層水氣比流體識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)圖版Fig.6 Standard chart for identification of water-gas ratio fluid of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

由該圖版劃分出不同流體識(shí)別區(qū)域，確定氣層、氣水同層、水層判別標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

表3 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Recognition criteria for fluid properties of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

通過資料統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)原始地層下氣相、水相黏度取值分別為μg=0.029 mPa·s，μw=0.200 mPa·s；氣相、水相體積系數(shù)取值分別為Bg=0.004 m3/m3，Bw=1.036 m3/m3。利用式（3）計(jì)算得到研究區(qū)地層的水氣比WGR值，同時(shí)結(jié)合式（8）計(jì)算得到的地層含水飽和度Sw，即可通過圖版及判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地層的流體性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。

利用上述方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)14 口井共25 個(gè)層段的資料進(jìn)行了處理，得到了計(jì)算的水氣比值，并根據(jù)所建立的流體判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述層段進(jìn)行了流體性質(zhì)判別，并與實(shí)際的測(cè)試生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算水氣比WGR值與實(shí)際資料吻合較好（表4），解釋結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)到92%。

表4 文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層計(jì)算WGR 與實(shí)際WGR 對(duì)比Table 4 Comparison of calculated WGR and actual WGR of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

應(yīng)用文昌A 凹陷珠海組儲(chǔ)層水氣比流體識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)圖版，對(duì)研究區(qū)內(nèi)已投產(chǎn)油井的不同生產(chǎn)層段進(jìn)行測(cè)井解釋，為了避免干層段及泥巖隔層對(duì)解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，已經(jīng)對(duì)干層段及泥巖隔層的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，僅保留了生產(chǎn)層段的數(shù)據(jù)。圖7為文昌A 凹陷WC9-2-1 井珠海組二段儲(chǔ)層水氣比流體識(shí)別解釋圖，3 661～3 679 m，3 681～3 699 m井段的錄井資料均顯示油氣較好，氣測(cè)錄井全烴（Tg）為0.04%～1.32%，輕烴組分較齊全，電阻率為11.25～47.13 Ω·m，平均值為23.25 Ω·m，生產(chǎn)測(cè)試資料顯示：該層段日產(chǎn)油83.8 m3，日產(chǎn)氣2.622萬m3，日產(chǎn)水0 m3，測(cè)試結(jié)論為氣層，該段屬于正常氣層。通過上文中建立的水氣比計(jì)算模型計(jì)算得出該層段水氣比均小于2.50，含水飽和度為39.00%～62.00%，依據(jù)水氣比流體識(shí)別圖版，判別結(jié)果為氣層，與測(cè)試結(jié)論相符。

圖8 為文昌A 凹陷WC9-2-2 井珠海組二段儲(chǔ)層水氣比流體識(shí)別解釋圖，3 755～3 775 m井段錄井資料顯示油氣明顯，氣測(cè)錄井全烴（Tg）為0.97%～3.59%，輕烴組分齊全，該段電阻率為10.42～26.89 Ω·m，平均值為16.54 Ω·m，生產(chǎn)測(cè)試資料顯示：該層段日產(chǎn)油0 m3，日產(chǎn)氣0 m3，日產(chǎn)水1.4 m3，測(cè)試結(jié)論為水層。通過上文中建立的水氣比計(jì)算模型計(jì)算得出該層水氣比普遍大于15.00，含水飽和度為73.00%～96.00%，依據(jù)水氣比流體識(shí)別圖版判別結(jié)果為水層，與測(cè)試結(jié)論相符。

圖8 文昌A 凹陷WC9-2-2 井珠海組二段儲(chǔ)層水氣比流體識(shí)別解釋圖Fig.8 Recognition and interpretation of water-gas ratio fluid of the second member of Zhuhai Formation in well WC9-2-2 in Wenchang A sag

5 結(jié)論

（1）水氣比流體識(shí)別法以實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，技術(shù)思路可靠，同時(shí)模型原理簡單，有效地克服了單一利用測(cè)井資料識(shí)別低對(duì)比度氣層誤差加大的缺陷，計(jì)算水氣比與地層實(shí)際產(chǎn)出吻合，有效提高了流體識(shí)別精度，證明該方法能有效判別地層流體性質(zhì)，地區(qū)適用性強(qiáng)。

（2）僅靠含水飽和度判別流體性質(zhì)誤差較高，需結(jié)合水氣比WGR綜合解釋。