低孔低渗砂岩饱和度评价方法及应用

    黄友 章成广 蔡明 蔡德洋

    

    

    

    

摘 ?????要:克深地區储层主要为低孔低渗砂岩储层,埋藏深,地层条件复杂,受岩性、高陡构造倾角与强应力挤压等情况的影响,导致利用电法测井资料难以准确评价油气饱和度。基于实验与测井的资料,通过对地层倾角和强挤压应力作用的地层电阻率校正,考虑岩性、孔隙结构等因素影响,建立了变岩电参数阿尔奇饱和度模型;同时还采用束缚水饱和度来验证含水饱和度计算的准确性。结果表明:划分岩性得到的孔隙度与ECS变骨架参数计算的孔隙度吻合的很好,说明分岩性孔渗模型适用于该地区;结合试油资料,各向异性和地应力校正后的饱和度与原始饱和度相比,与束缚水饱和度吻合更好,更符合实际。该方法在克深地区多口井均取得了良好的应用效果。

关 ?键 ?词:致密砂岩;岩性;各向异性;地应力;束缚水饱和度

中图分类号:TE122.2+4 ??????文献标识码:?A ??????文章编号: 1671-0460(2020)01-0107-06

    Saturation Evaluation Method of Low Porosity and

    Low Permeability Sandstone and Its Application

    HUANG You1, ZHANG Cheng-guang1, CAI Ming1, CAI De-yang2

    (1. Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration Technology?of?Ministry of Education, Yangtze University,

    Hubei Wuhan 430100, China;

    2. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Tarim Oilfield Branch, Xinjiang Korla 841000, China)

Abstract: The reservoirs in Keshan area are mainly low-porosity and low-permeability sandstone reservoirs with deep burial and complex stratigraphic conditions. Due to the influence of lithology, high and steep structural dip angle and strong stress extrusion, it is difficult to accurately evaluate oil and gas saturation with electric logging data. Based on the experimental and well logging data, through correcting?the formation resistivity under the action of formation dip angle and strong compressive stress, and considering?the influence of lithology, pore structure and other factors,?archie saturation model of variable rock electrical parameters?was established. At the same time, irreducible water saturation was?used to verify the accuracy of water saturation calculation. The results showed?that the porosity obtained by lithology classification was?in good agreement with the porosity calculated by ECS variable skeleton parameters, which indicates that the pore permeability model of lithology classification is applicable to this area. According to the oil test data, the saturation after anisotropy and ground stress correction is better consistent with the irreducible water saturation than the original one. The method has been applied in several wells in Keshen area.

    

Key words:?Tight sandstone; Lithology; Anisotropy;In-situ stress; Irreducible water saturation

    克深地区是塔里木盆地天然气勘探开发的主力区块,由于目的层白垩系巴什基奇克组为致密低孔低渗砂岩储层,且存在岩性复杂、高陡构造倾角与强应力挤压等情况,造成该区利用电法测井资料难以准确评价油气饱和度[1]。

    Archie在1942年以岩电实验数据为基础,提出了阿尔奇公式[2]。但阿尔奇公式在某些条件下不太适用[3,4],很多学者对阿尔奇公式进行改进。2003年,Maria在总结前人研究工作的基础上,提出了一种改进型的致密砂岩储层饱和度评价方法,并结合实验数据加以验证[5]。1962年,Towel在第三届测井分析家年会上指出,利用阿尔奇公式定量计算饱和度中的孔隙度指数m可以从2.67一直达到7.3以上,从而引起地质学家、岩石物理学家们深入研究孔隙几何分布与m值之间的关系。李雄炎在2014年提出不同地层条件对岩电参数的影响和胶结指数m的计算公式[6],并通过准确得到岩电参数来提高计算饱和度的精度[7]。

    由于克深地区属于裂缝性致密砂岩,地层倾角大,地应力强,裂缝发育程度一方面增加油气产能,另一方面使孔隙结构变得复杂,同时泥浆侵入、高地层倾角、强挤压应力对电阻率影响也须考虑,这增加了油气饱和度评价困难。泥质的存在也影响了孔隙结构,从而影响到孔隙空间中油气饱和度分布。因此油气饱和度研究,除了物性影响外,还要考虑裂缝、高地层倾角、强挤压应力、泥质等因素的影响。但通过双重孔隙模型的裂缝发育段含气饱和度与总含水饱和度对比,可以看出,裂缝发育段裂缝饱和度对总饱和度贡献很小,可忽略。因此对于克深地区,饱和度计算时可忽略裂缝的影响。

    基于实验与测井的资料,在研究分析得出主控因素的基础上建立相应的饱和度评价模型;同时还采用束缚水饱和度来验证含水饱和度计算的准确性。

    1 ?低孔低渗砂岩饱和度的主控因素

1.1 ?物性和岩性

    从阿尔奇公式中可以看出,孔隙度是影响饱和度的重要因素之一。因此,精确地建立孔渗模型是求准饱和度的重要一步。考虑到岩性的影响,分不同岩性由测井密度建立砂岩的孔渗模型。根据克深A井区四口井取芯资料的岩性分类,主要为细砂岩和中砂岩,少量可见含砾砂岩。分岩性建立孔隙度模型如图1-3,含砾砂岩样品数少,岩心孔隙度和测井密度的关系差一些。图4-6是根据克深A井区四口井分岩性所建立孔隙度-渗透率关系图版。

    综上所述,建立孔渗模型,如表1。

    图7为克深A井区a井常规测井计算孔隙度与ECS变骨架计算孔隙度对比图,其中最后一道中PORD为根据上述孔渗参数模型利用常规密度测井资料计算的孔隙度,PORH为ECS变骨架参数计算的孔隙度;由图可以看出,利用分岩性孔渗模型计算的孔隙度与ECS变骨架参数计算的孔隙度吻合的很好,证实了分岩性孔渗模型的适用性。

1.2 ?地层倾角

    塔里木油田克深地区处于山前构造带,由于构造应力的挤压作用,该地区地层电阻率的各向异性明显,且地层倾角较大,对阵列感应测井仪的视电阻率产生了较大的影响,造成阵列感应测仪器不能直接测量地层横向电阻率,因而视电阻率不直接反映储层中流体性质的影响,导致含水饱和度计算不准确。且岩石物理实验研究结果表明,电阻率随地层倾角的增大而增大(图8所示),克深地区实测资料也表明,地层电阻率受地层倾角影响明显。因此在饱和度计算前需要进行地层倾角电阻率校正。

    前人利用Gizmo提出的理想电位电极系视电阻率公式(下文称斯伦贝谢公式)[8]对电阻率资料进行各向异性校正[9,10]。然而,电位电极系测井仪的测量原理与阵列感应测井仪有较大的区别,电阻率各向异性对两者响应值的影响不同,尤其在高倾角地层中该方法应用效果不佳。

    为了建立阵列感应视电阻率的各向異性校正方法,论文利用数值模拟方法研究无限大电阻率各向异性地层中AIT阵列感应测井仪视电阻率的响应值。论文首先用电磁场有限元数值模拟法计算了仪器线圈中的感应电流,并研究了该仪器的电阻率聚焦原理,求出了探测深度为90英寸时各三线圈系视电阻率的权系数,然后计算了不同地层倾角和地层电阻率各向异性系数条件下的90英寸阵列感应视电阻率,并提出了电阻率的各向异性校正方法,并应用于塔里木油田克深地区致密砂岩地层的电阻率各向异性校正及含水饱和度计算,获得了良好的效果。

    实验与数值模拟结合推导出地层视电阻率:

    

    式中:
?—各向异性地层的平均电阻率;

    


?—地层倾角。

1.3 ?地应力

    实际测井资料表明,该地区的地层电阻率随水平方向最大地应力与最小地应力之差(简称水平地应力差)增大而显著升高,造成电阻率测井值不能准确反映储层中的流体对电阻率测量的影响,进而导致利用阿尔奇公式计算的含水饱和度不准确。

    国内外的一些学者曾对相关问题进行过研究。研究方法主要可分为两类。一类是直接将同一层段的不同应力环境下的电阻率测井曲线值进行对比分析[11-13],从而总结出应力与仪器视电阻率的关系。然而,该方法需要准确掌握区域的地质结构、地应力分布状况以及仪器本身的测量原理,因此在地质结构或者岩性比较复杂的环境中,该方法的应用效果不佳。另一类是用岩石电阻率实验测量岩心样品在不同应力条件下的电阻率[14],从而总结应力与岩石电阻率的关系并建立相应的理论模型,该方法较第一类方法有所进步,其结论更加可靠。然而,在实验室条件下,过大的应力会使岩石破碎,因而无法模拟克深地区的实际应力环境,使得实验结论难以应用于生产。这两种研究方法的局限性在于均未深入研究水平地应力差对岩石电阻率的影响。实际上,塔里木盆地克深地区的测井资料和取心资料的对比表明,该地区不仅存在水层的测井电阻率远高于同深度点采集的岩心在实验室中测得的电阻率的现象,而且测井电阻率与水平地应力差有较好的相关性,且与水平最大地应力和最小地应力没有明显的相关性。

    先应用岩土结构力学中的岩石本构关系计算方法分析裂缝结构、孔隙结构随水平方向应力的变化,然后通过电场数值模拟计算出不同水平地应力差下的岩石电阻率,从而得出岩石电阻率与水平地应力差之间的关系,最后将这种关系应用于克深地区电阻率测井资料的地应力校正,获得了良好的应用效果。

    图9是克深A井区电阻率与水平地应力差的关系,通过实验与数值模拟结合可以得到实测电阻率校正到实验电阻率的关系式,并通过误差分析,说明该关系式基本满足生产上的精度要求。

2 ?基于电阻率校正和孔渗精细计算的变岩电参数饱和度模型建立

    儲层油气饱和度评价是测井解释关键工作之一。由于克深地区属于致密低孔低渗砂岩,且地层倾角和地应力较大,因此电法类油气饱和度计算模型研究,除了物性影响外,还要考虑地层倾角、地应力等因素的影响。

    含气饱和度采用阿尔奇公式求取:

    
????????????(2)

    式中: ab?—岩性系数;

m?—孔隙度指数;

n?—饱和度指数;


?—地层水电阻率,Ω·m;

Φ?—岩石孔隙度,?m3·m-3;


?—地层电阻率,Ω·m;


?—地层含水饱和度。

    为了提高阿尔奇饱和度计算的精度,需要根据不同井区选择合适的参数,表1给出了克深A井区岩心分析得到的孔渗参数计算模型。考虑到岩性孔隙结构的影响,岩电参数m可按储层类型(或孔隙度)分类得到,或采用变岩电参数公式获得。地层水电阻率一般根据水分析矿化度资料换算得到。基于实验资料,A井区的饱和度参数:a=1、m=1.712?7、b=1.016?3、n=1.825?6、
=0.016?Ω·m。

    在克深B井区,由于高陡构造倾角的影响,导致测井电阻率测量偏大,因此在B井区电阻率要进行地层倾角校正。图10是克深B井区b井6 570~

    6 620 m深度段电阻率校正成果图,地层倾角45°,各向异性系数为井中实际测量。实验与测量电阻率差值在4.5~42 Ω·m之间,平均10.12 Ω·m,由校正前后电阻率计算的饱和度差值达10%。

    在克深C井区,受地应力的影响大,而地层倾角的影响小,由于强应力挤压的影响,导致测井电阻率测量偏大,因此在C井区电阻率要进行地应力校正。图11是克深C井区c井电阻率曲线校正成果图。第3道是水平应力曲线,第2道中有2条曲线,其中,红色充填线是原始深电阻率曲线,蓝色虚线是压力差电阻率校正后的结果,由图可以看出,压扭段原始电阻率明显偏大,应力差校正后恢复到正常水平。

    3 ?束缚水饱和度与实例分析

3.1 ?束缚水饱和度的确定

    对于低孔低渗气藏而言,束缚水饱和度是识别流体性质的关键参数之一,同时它也是储层物性进行表征以及储量计算和产能预测的重要参数,然而由于致密砂岩气藏孔喉细微、毛管力和束缚水饱和度较高[15-18],现场很难获得准确的束缚水饱和度,有必要对其进行重点研究。

    通常在低孔低渗致密砂岩储层中,地层水赋存类型主要有三種:束缚水、毛细管水、自由水。束缚水指驱动力充足,残存在岩石颗粒接触处角隅、微细孔隙中或吸附在岩石骨架颗粒表面上那部分水,在油气层的压力梯度下不能移动,所以称为束缚水、不可动水、残余水或者吸附水,相应的饱和度称为束缚水饱和度,试气显示为气层。毛细管水指驱动力不足,一部分水保留在毛细管孔隙-裂缝中,试气时往往气水同出。自由水指可自由流动水,试气时显示为水层。通过相渗实验资料,可以确定临界水饱和度,当通过测井解释得到的含水饱和度值大于临界水饱和度时,此部分地层水为可自由流动水。而对于小于临界水饱和度的地层水,则可以判断为束缚水。因此,准确有效的束缚水饱和度模型对于判别储层气水层有着非常重要的意义。

    目前,测量束缚水饱和度的方法主要有压汞法、离心法、相渗法、半渗透隔板法、称重法及核磁共振法等。这里主要采用压汞的束缚水饱和度确定方法。

    压汞法确定束缚水饱和度步骤首先是确定孔吼半径下限值,可确定孔吼半径下限值为0.025 mm,与最小流动孔喉半径法确定的结果一致。下限值确定后就可以方便地利用压汞法确定束缚水饱和度。

    通过束缚水饱和度与毛管压力参数作关系图,发现束缚水饱和度中值孔喉半径关系密切,束缚水随毛管均值和中值孔喉半径而减小,并且中值孔喉半径与孔隙度关系较密切,如图12、13。它们的关系有:

    
?????(3)

    
?????(4)

    式中:
?—束缚水饱和度;


?—中值孔喉半径;

Φ—孔隙度;

r?—相关系数。

    

3.2 ?应用实例

    这里用压汞法束缚水饱和度公式应用到研究区克深地区,来验证含水饱和度计算的精确度。克深地区储层段岩性主要为岩屑长石砂岩,以中砂岩、细砂岩、含泥砾细砂岩为主,有效储层孔隙度分布于4.0%~8.0%,平均孔隙度为6.0%,大于8.0%的占约8.7%;渗透率主峰范围为0.001~0.1
,平均为0.048
,为特低孔特低渗储层。

    图14为克深d井解释成果图,由图可以看出克深241井各向异性和地应力校正后得到的含水饱和度与压汞法计算得到的束缚水饱和度基本一致,所以可以说明这些层段产气;综上所述,可以判断该井6 580~6 633 m层段为气层。试气井段6 496~6 690 m,5 mm油嘴,日产气246 519 m3,是气层。说明测井解释与试油结论一致。

    4 ?结论

    (1)在致密低孔低渗砂岩储层,饱和度受岩性、高陡构造倾角与高应力挤压等影响,导致计算的精度不高。

    (2)划分岩性得到的孔隙度与ECS变骨架参数计算的孔隙度吻合的很好,说明分岩性孔渗模型适用于该地区。

    (3)结合试油资料,通过各向异性和地应力校正后的饱和度与原始饱和度相比,更符合实际。

    (4)在气井中,校正后的含水饱和度与束缚水饱和度基本一致。

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