基于共生互層的頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定方法

李廣青 閻保雄 寧濤

摘 要 針對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層內(nèi)部存在黏土量過(guò)高、發(fā)育狀態(tài)較差、孔隙度較低和滲透率較小的問(wèn)題，基于共生互層提出一種頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定數(shù)值模擬方法。該方法根據(jù)理論計(jì)算公式分析共生互層的滲透壓，檢測(cè)離散裂縫，通過(guò)計(jì)算擴(kuò)散引起的鹽離子通量得到雙向流動(dòng)運(yùn)移通量，建立頁(yè)巖油儲(chǔ)層流體的控制方程，分析初始條件和邊界條件，實(shí)現(xiàn)雙層控制。選擇儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)量方法，確定頁(yè)巖分層狀態(tài)，通過(guò)穩(wěn)態(tài)電流連續(xù)性方程實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬，建立巖石三維圖像，利用X射線對(duì)目標(biāo)區(qū)域巖石構(gòu)建數(shù)字孔隙，并根據(jù)巖層電阻率和地層水導(dǎo)電率計(jì)算各飽和度參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法在測(cè)量過(guò)程中可同時(shí)分析壓差、毛管力和滲透壓3種驅(qū)動(dòng)機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)在15 d時(shí)對(duì)滲透量的吸收已經(jīng)達(dá)到80%，滲透壓平衡時(shí)間遠(yuǎn)大于壓力擴(kuò)散平衡時(shí)間，此時(shí)油儲(chǔ)層含油狀態(tài)達(dá)到飽和，會(huì)出現(xiàn)裂縫。

關(guān)鍵詞 含油飽和度 測(cè)定方法 滲透量 共生互層 頁(yè)巖油儲(chǔ)層 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào) TH83? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號(hào) 1000?3932（2024）01?0102?05

在物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展下，通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算后進(jìn)行勘探的石油資源能夠得到更加充分的開(kāi)發(fā)。含油飽和度是石油資源開(kāi)發(fā)方案中至關(guān)重要的一項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)含油飽和度能夠分析出巖石中石油層段的空間分布，以便于對(duì)巖石儲(chǔ)藏資源的潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，是實(shí)現(xiàn)共生互層頁(yè)巖油儲(chǔ)層勘探與開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略突破的關(guān)鍵所在。對(duì)共生互層的頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度進(jìn)行測(cè)定，能夠最大程度上實(shí)現(xiàn)資源的開(kāi)發(fā)與利用，減少人力物力以及資源浪費(fèi)。

文獻(xiàn)［1］通過(guò)對(duì)比不同類型頁(yè)巖油地質(zhì)特征，提取關(guān)鍵參數(shù)研究并總結(jié)了頁(yè)巖油儲(chǔ)層孔隙度、有機(jī)碳含量等參數(shù)與原油儲(chǔ)量的相關(guān)關(guān)系。但該方法屬于定性研究，難以針對(duì)具體頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)［2］通過(guò)掃描電鏡獲取圖像，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割處理，得到了巖層內(nèi)各部分的結(jié)構(gòu)信息，并通過(guò)隨機(jī)參數(shù)生長(zhǎng)法和二維分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建了三維數(shù)字巖心，得到了地層參數(shù)之間的關(guān)系。但是該方法對(duì)圖像處理技術(shù)要求較高，而掃描電鏡難以獲得超高分辨率的掃描圖像，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果誤差較大。

筆者針對(duì)以上方法的不足，研究了一種基于共生互層的頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定數(shù)值模擬新方法。選用高分辨率的微米CT掃描技術(shù)，通過(guò)有限元模型構(gòu)建三維數(shù)字巖心，對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層進(jìn)行數(shù)值模擬，從而精準(zhǔn)計(jì)算出滲透壓、鹽濃度等參數(shù)與含油飽和度間的關(guān)系，提高測(cè)定效率。

1 基于共生互層的頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定模型

1.1 滲透壓分析

為了避免巖石基質(zhì)和裂縫之間離散毛管力差異的影響，構(gòu)建測(cè)定模型時(shí)首先要考慮共生互層的滲透壓，以便對(duì)基質(zhì)和裂縫間的空間進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)巖層油水流動(dòng)模型的控制［3，4］。

因液體密度不同而形成的半透膜，其兩側(cè)存在化學(xué)勢(shì)差，從而形成滲透壓，其計(jì)算式為：

其中，p為滲透壓，V為共生互層中水的摩爾體積，ω為氣體常數(shù)，T為巖層溫度，a1、a2分別為低鹽水和高鹽度水的活度［5，6］。

共生互層中水油電解質(zhì)正、負(fù)離子的比例為1∶1，故滲透壓p′計(jì)算式可簡(jiǎn)化為：

p′=nTωC??????? （2）

其中，n為溶液中的離子總數(shù)，C為溶液所含有的鹽濃度。

1.2 頁(yè)巖油儲(chǔ)層流動(dòng)控制

由于滲透需要考慮水油的雙向流動(dòng)擴(kuò)散活動(dòng)，因此引入鹽離子擴(kuò)散通量的概念，即：

Fd=-（1-Ep）θ▽C????? （3）

其中，F(xiàn)d為擴(kuò)散引起的鹽離子通量；Ep為滲透膜的實(shí)際滲透效率，理想效率為1，即完全不滲透；▽為濃度梯度算子；θ為擴(kuò)散系數(shù)［7］。

雙向流動(dòng)中鹽離子運(yùn)移通量Fh為：

Fh=Fd▽U?????? （4）

其中，U為計(jì)算目標(biāo)的流動(dòng)速度。結(jié)合流體質(zhì)量和密度可以得到儲(chǔ)層中流體的質(zhì)量守恒方程：

其中，Q為儲(chǔ)層流體的源匯項(xiàng)，m為流體質(zhì)量，t為時(shí)間，μ為流體密度［8］?？紤]孔隙邊界的滲透系數(shù)，得到基質(zhì)和裂縫之間的流動(dòng)方程為：

Q′=s′γμo???????? （6）

其中，Q′為基質(zhì)和裂縫之間流體的源匯項(xiàng)，s′為流體的飽和度，γ為孔隙度，o為油體的密度?？紤]到滲透壓對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)合滲透壓公式得到在滲透壓力下頁(yè)巖油儲(chǔ)層流體的控制方程：

其中，F(xiàn)Q為油儲(chǔ)層流體控制量，k為儲(chǔ)層的滲透率，g為儲(chǔ)層流體的控制系數(shù)。借助飽和度計(jì)算公式即可得到共生互層頁(yè)巖油流體滲透控制結(jié)果。

1.3 初始條件和邊界條件

頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定模型擬定從0時(shí)刻開(kāi)始運(yùn)行，注入時(shí)間為t0，則模型處于原始地層含水飽和度的初始條件為：

sβ|t=0=sw0??????? （8）

cβ|t=0=c0???????? （9）

-NμU|ζ=0，t≥0?????? （10）

其中，sβ表示模型中儲(chǔ)層含水飽和度的初始條件，sw0表示基質(zhì)初始含水飽和度；cβ表示模型未運(yùn)行前，基質(zhì)儲(chǔ)層鹽濃度的初始條件，c0表示基質(zhì)初始鹽濃度；N表示邊界的垂直向量，ζ代表邊界，隨著恒定流體注入滲透，其滿足質(zhì)量守恒方程和立體雙向控制方程［9，10］。

2 頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定

2.1 數(shù)值模擬

從巖石物理?xiàng)l件角度選擇儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)量方法，主要考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層的電阻率、含水飽和度、孔隙度、泥沙含量、泥沙空間分布形態(tài)等因素的影響。頁(yè)巖的巖礦構(gòu)造主要為黏土質(zhì)長(zhǎng)英頁(yè)巖，土質(zhì)黏度較高，碳酸鹽含量較低，長(zhǎng)英質(zhì)礦物分布雜亂且含量較高，沉積巖層分層明顯［11，12］。針對(duì)這類巖石進(jìn)行數(shù)值模擬要考慮的參數(shù)主要包括實(shí)測(cè)地層電阻率、黏土電阻率、地層水電阻率、黏土體積參數(shù)、儲(chǔ)層含水飽和度及巖層孔隙度等。其中，最基本電阻率參數(shù)的一般表達(dá)式主要通過(guò)有限元模型對(duì)穩(wěn)態(tài)電流連續(xù)性方程進(jìn)行表達(dá)，即：

其中，J為目標(biāo)對(duì)象的電流密度，μh為巖層體電荷密度。再根據(jù)電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算電流的電導(dǎo)率c：

c=▽?duì)觪??????? （12）

其中，τ為電流電勢(shì)，q為電場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)式（12）計(jì)算得到電導(dǎo)率的數(shù)值為常數(shù)［13，14］。

選擇適當(dāng)?shù)目睖y(cè)期，采用高分辨率的探測(cè)裝置在探測(cè)井中對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，以保障初始模擬數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。目前，地質(zhì)研究應(yīng)用較為普遍且具有良好經(jīng)濟(jì)效用的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究手段為ANSYS有限元軟件，其操作過(guò)程為將巖石儲(chǔ)層初始參數(shù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬系統(tǒng)中，然后對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)層內(nèi)流體動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。該方法不僅可以節(jié)省資源消耗和勘測(cè)工作量，還可以對(duì)實(shí)際探測(cè)無(wú)法獲取的某些參數(shù)進(jìn)行模擬。

2.2 數(shù)字孔隙構(gòu)建

巖石探測(cè)設(shè)備通過(guò)X射線對(duì)目標(biāo)區(qū)域巖石進(jìn)行CT掃描，獲得巖石內(nèi)部?jī)?chǔ)層三維立體結(jié)構(gòu)圖像。根據(jù)孔隙密度調(diào)整圖像亮度，設(shè)定巖石骨架分辨率閾值，得到巖層二值化圖像，圖像中每個(gè)像素單元代表一定尺度范圍內(nèi)的巖石體元。提取圖像關(guān)鍵參數(shù)信息作為數(shù)值模擬的三維數(shù)字巖心，采用有限元模型構(gòu)建巖石數(shù)字孔隙參數(shù)。

選用納米級(jí)微孔掃描儀器對(duì)頁(yè)巖數(shù)字孔隙值進(jìn)行加工，進(jìn)一步切割樣本數(shù)據(jù)，使其像素分辨率達(dá)到1.05 μm。根據(jù)固定閾值提取數(shù)字孔隙，控制像素灰度值在50以下，從而確定巖石三維圖像，掃描結(jié)果如圖1所示。

此時(shí)巖層中仍存在難以掃描到的更細(xì)小的納米孔隙。因此需要利用聚焦離子束掃描儀對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)存納米孔隙進(jìn)行掃描處理，液態(tài)金屬離子束聚焦在巖石表面會(huì)產(chǎn)生二次電子信號(hào)，分單元掃描后可以獲得10 nm超高分辨率的巖層結(jié)構(gòu)圖像，進(jìn)而能夠針對(duì)巖石中的各種孔隙進(jìn)行參數(shù)提取和數(shù)值模擬。

2.3 飽和度模擬參數(shù)確定

在頁(yè)巖儲(chǔ)層三維巖心結(jié)構(gòu)模型和數(shù)字孔隙模擬的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元模型能夠得到各層次電阻率和導(dǎo)電特征的數(shù)據(jù)信息，再根據(jù)巖層電阻率和地層水導(dǎo)電率對(duì)各飽和度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定。頁(yè)巖層中方解石的等效電阻率Rkf計(jì)算式為：

其中，Rw為自由電解質(zhì)的等效電阻率，?kf為方解石的孔隙度。電阻率與該巖層的電導(dǎo)率互為倒數(shù)，由此可得到巖層的電導(dǎo)率Ckf。根據(jù)巖層孔隙中泥質(zhì)砂巖的分布情況，選用W?S模型計(jì)算巖石含水飽和度時(shí)儲(chǔ)層的電導(dǎo)率C0為：

C0=aCe+bCw?????? （14）

其中，Ce為儲(chǔ)層流體交換陽(yáng)離子所產(chǎn)生的電導(dǎo)率，Cw為地層水的電導(dǎo)率，a、b為隨機(jī)系數(shù)。地層水和可交換陽(yáng)離子的電導(dǎo)率能夠滿足任意常數(shù)計(jì)算［15］。

巖層有機(jī)質(zhì)的發(fā)育也會(huì)對(duì)巖層含油飽和度產(chǎn)生影響，根據(jù)Archie公式計(jì)算得到有機(jī)質(zhì)的等效電阻率與自由電解質(zhì)的等效電阻率關(guān)系如下：

其中，Rog為有機(jī)質(zhì)的等效電阻率，M為巖層礦物的膠結(jié)指數(shù)。

通過(guò)上述公式計(jì)算得到巖層飽和水的電阻率和電導(dǎo)率后，即可確定儲(chǔ)層含油飽和度值，進(jìn)而能夠利用有限元模型對(duì)各地層因素進(jìn)行模擬測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證筆者提出的頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定數(shù)值模擬方法，基于上述計(jì)算，采用ANSYS有限元軟件，通過(guò)水力壓裂技術(shù)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，水壓在短時(shí)間內(nèi)將大量水體通入儲(chǔ)層內(nèi)部，使儲(chǔ)層產(chǎn)生嚴(yán)重裂縫，然后關(guān)閉通井，等待一段時(shí)間后再進(jìn)行反排，根據(jù)預(yù)設(shè)的裂縫和巖層參數(shù)觀測(cè)模擬巖層的飽和度分布情況，得到在壓差、毛管力和滲透壓驅(qū)動(dòng)機(jī)制下的頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度剖面（圖2），可以看出，在壓差作用下儲(chǔ)層裂縫更加嚴(yán)重。

通過(guò)測(cè)定儲(chǔ)層間鹽濃度和飽和度隨時(shí)間的變化關(guān)系，并結(jié)合滲透壓參數(shù)，得到共生互層含油飽和度的變化規(guī)律（圖3）?？梢钥闯?，15 d時(shí)對(duì)滲透量的吸收已經(jīng)達(dá)到了80%，滲透壓平衡時(shí)間遠(yuǎn)大于壓力擴(kuò)散平衡時(shí)間。

注水初期滲透活動(dòng)較為活躍，共生互層鹽離子運(yùn)動(dòng)頻繁，鹽濃度變化較大，由于滲透壓的存在以及頁(yè)巖半透膜的作用，地層水會(huì)大量涌入巖層，導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)壓力升高，在明顯的濃度差下鹽離子由高濃度向低濃度擴(kuò)散。同時(shí)由于裂縫的分布差異，裂縫孔隙分布較多的區(qū)域滲透更明顯，水壓更大，可根據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)存中毛細(xì)管力和滲透壓的變化計(jì)算滲吸作用下儲(chǔ)層的含水飽和度，而頁(yè)巖儲(chǔ)層含油飽和度與含水飽和度呈負(fù)相關(guān)，根據(jù)裂縫含油儲(chǔ)層的擴(kuò)散壓力和鹽濃度即可計(jì)算出含油飽和度，結(jié)果如圖4所示。通過(guò)對(duì)注水初期滲透活動(dòng)的分析，可以利用具體的計(jì)算模型得出含油飽和度結(jié)果。這些結(jié)果可為研究人員和工程師提供參考，以指導(dǎo)注水作業(yè)和儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)，從而進(jìn)一步優(yōu)化油田生產(chǎn)。

綜上所述，注水后儲(chǔ)層裂縫內(nèi)含油飽和度下降，隨著水分的增加儲(chǔ)層含水量擴(kuò)散，當(dāng)滲透量的吸收達(dá)到80%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裂縫，油儲(chǔ)層含油狀態(tài)達(dá)到飽和，裂縫壓力擴(kuò)散導(dǎo)致巖層中部壓力增高，進(jìn)而造成儲(chǔ)層含油能力減弱。同時(shí)，鹽濃度也會(huì)影響滲透壓和含水飽和度的變化，鹽濃度差越大流體滲透效果越強(qiáng)，從而影響含水飽和度和含油飽和度的變化。

4 結(jié)論

4.1 針對(duì)共生互層內(nèi)的頁(yè)巖屬性特征，選用微米級(jí)CT掃描儀器對(duì)目標(biāo)區(qū)域巖層和礦物進(jìn)行掃描探測(cè)，獲取高精度的參數(shù)信息，從而構(gòu)建具有較高分辨率的三維數(shù)字巖心模型。

4.2 通過(guò)計(jì)算共生互層內(nèi)滲透壓和鹽離子雙向流動(dòng)情況，得到了儲(chǔ)層流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定奠定了運(yùn)算基礎(chǔ)。

4.3 利用掃描探測(cè)所獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，構(gòu)建數(shù)字孔隙模型，確定飽和度測(cè)定關(guān)鍵參數(shù)。測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了儲(chǔ)層內(nèi)含油飽和度主要受到滲透壓和鹽濃度的影響，提高了頁(yè)巖油儲(chǔ)層含油飽和度測(cè)定的精準(zhǔn)度。

參 考 文 獻(xiàn)

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