基于連續變地層膠結指數m值的含水飽和度計算方法
——以渤海油田復雜砂巖儲層為例*

王培春 張琳琳 馬 超 齊 奕

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

基于連續變地層膠結指數m值的含水飽和度計算方法
——以渤海油田復雜砂巖儲層為例*

王培春 張琳琳 馬 超 齊 奕

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

近年來，在渤海油田發現了許多復雜砂巖儲層，巖石類型多樣化和分選性差，導致孔喉結構多變、物性差異大、地層非均質性強和巖電參數不確定性大，難以準確計算地層飽和度。提出了適合本區的基于連續變m值的飽和度計算方法，即在高分辨率能譜測井計算出地層巖石密度骨架值的前提下，先利用地層聲波時差與密度交會的方法反推地層巖石聲波骨架值，然后根據J. P. Martin等提出的聲波地層因素公式計算出反映地層孔喉結構幾何特征的聲波迂曲度系數，并建立巖心分析得到的地層膠結指數m與聲波迂曲度系數之間的關系，最后將得到的連續變m值代入阿爾奇公式計算出地層飽和度。實例分析表明，本文方法可以較準確地計算出地層原始含水飽和度，從而實現了對復雜砂巖儲層飽和度的定量解釋，可以為今后其它復雜砂巖油氣田的定量解釋提供思路。

復雜砂巖儲層；含水飽和度；連續變地層膠結指數m值；聲波迂曲度系數；渤海油田

近年來，隨著渤海油田勘探開發程度日益加深，越來越多的復雜砂巖儲層出現在石油工作者面前。對于復雜砂巖儲層，巖石類型多樣化和分選性差，導致孔喉結構多變、物性差異大、地層非均質性強和巖電參數不確定性大，因此傳統采用固定巖電參數(如阿爾奇公式、Waxman-Smits方程、印度尼西亞公式)計算飽和度的方法已難以滿足需要[1]。而儲層飽和度計算是制約油氣藏儲量準確評價的關鍵參數之一，且嚴重影響后期的開發部署工作。

圖1為渤海油田A井目的層段常規測井曲線，該井取心段巖心照片顯示地層上下巖性變化快，既存在砂巖，又有含礫砂巖、砂礫巖。該井巖性的復雜性導致測井響應差異化：砂巖(963.7～965.7 m)表現為低密度、高中子、高聲波時差特征；含礫砂巖(965.7～967.5 m)表現為中低密度、中低中子、中高聲波時差特征；砂礫巖(986.0～998.5 m)表現為高密度、低中子、低聲波時差特征。由于電阻率測井受巖性、含油性雙重影響，所以基于阿爾奇公式及其延伸的其他飽和度公式計算的該井飽和度SWE數據難以反映地層的真實情況(圖1)。目前，針對復雜巖性儲層飽和度計算，陸地油田建立了大量分析方法和計算公式[2]，這些都是以大量實驗分析數據為前提。海上油氣田受作業條件限制和成本控制，巖心數據資料較少，因此如何針對當前資料開展飽和度準確評價成為主要難點。

圖1 渤海油田A井目的層段常規測井曲線

本文以渤海油田A、B井新近系目的層段為例，提出了連續變地層膠結指數m值計算復雜砂巖儲層飽和度的方法。首先，根據高分辨率能譜測井[3]準確測量地層的元素含量，并依此計算出地層巖石密度骨架值，再利用聲波時差-密度交會分析反推地層巖石聲波骨架值；然后，在聲波地層因素公式[4-5]的基礎上計算反映地層孔喉結構幾何特征的聲波迂曲度系數；最后，針對油田復雜儲層具體地質特征，根據本油田以及類似油田15塊巖電實驗分析數據，建立巖心分析得到地層膠結指數m與地層聲波迂曲度系數x的關系求取連續可變m值，再將連續可變m值引入阿爾奇公式計算出地層飽和度。該方法成功解決了渤海油田飽和度計算的難題，為今后其他地區復雜砂巖油氣田的定量解釋提供了思路。

1 計算方法

1.1 地層巖石密度骨架值計算

由于實驗室無法確定地層巖石聲波骨架值，所以要先根據高分辨率能譜測井(Litho Scanner)[3]準確測量地層的元素含量，再依此計算出地層巖石密度骨架值。高分辨率能譜測井是斯倫貝謝公司最新推出的新一代地球化學測井儀，較上一代元素俘獲能譜測井(ECS)有了明顯改善，中子輸出通量高達每秒3億個，比當前測井使用的化學放射源高8倍以上。清晰的、分離的非彈性散射和俘獲能譜數據使Litho Scanner可以比上一代工具測量更多的元素(包括碳元素)，通過剝譜、氧化物閉合原理等過程可以分析沉積巖、變質巖和火成巖地層的組分，繼而更好地了解其他性質、礦物成分、成巖作用和含油氣潛力等方面的信息[6-9]。因此，利用高分辨率能譜測井建立了研究區復雜砂巖地層巖石骨架參數(如巖石骨架密度、巖石骨架中子、巖石光電吸收截面等)計算關系式，其中地層巖石密度骨架值計算公式為

ρma=2.62+0.049WSi+0.227 4WCa+

1.993WFe+1.193WSu

(1)

式(1)中：ρma為地層巖石密度骨架值，g/cm3；WSi為高分辨率能譜測井得到的Si的質量分數，%；WCa為高分辨率能譜測井得到的Ca的質量分數，%；WFe為高分辨率能譜測井得到的Fe的質量分數，%；WSu為高分辨率能譜測井得到的Su的質量分數，%。

利用式(1)可得到地層巖石密度骨架值。圖2為渤海油田B井Litho Scanner測井圖，可以看出，雖然該井目的層段地層巖性多變，但是礦物元素及組分含量在儲層段沒有太大變化，由式(1)計算的地層巖石密度骨架值(圖2第13列ZDEN)在儲層段為2.62～2.68 g/cm3，與實驗室井壁取心分析(圖2第13列ZDEN_G)得到的地層巖石密度骨架值一致。

圖2 渤海油田B井目的層段Litho Scanner測井確定地層巖石密度骨架值

1.2 地層巖石聲波骨架值求取

因為巖石骨架不存在孔隙，所以當巖石密度值趨于骨架密度值時，對應的聲波時差就為該巖性地層巖石聲波骨架值，采用聲波時差和密度交會分析可以建立地層巖石密度骨架值與地層巖石聲波骨架值的關系。圖3為渤海油田A井不同巖性地層的聲波時差-密度交會圖，所建立的回歸關系式為

Δt=405.3-132ρ(R2=0.98)

(2)

式(2)中：ρ為測量的地層密度，g/cm3；Δt為測量的地層聲波時差，μs/ft。

將利用式(1)求取的地層巖石密度骨架值ρma代入式(2)中，便可確定該地層巖石密度骨架值對應的地層巖石聲波骨架值Δtma。當圖2所示井段的地層巖石密度骨架值為2.62～2.68 g/cm3時，計算的地層巖石聲波骨架值為51.5～59.5 μs/ft。

圖3 渤海油田A井不同巖性地層聲波時差與密度交會圖

1.3 聲波迂曲度系數計算

目前，測井飽和度的計算主要基于電法測井，計算飽和度模型最終應用在電阻率曲線上。一般情況下，一個油田同一套地層采用固定m、n值。而在復雜砂巖地層中，巖石類型多變，孔喉結構復雜，地層膠結指數m是隨地層的變化而改變的。J. P. Martin等[4-5]在Raymer工作基礎上，提出了聲波地層因素公式

(3)

式(3)中：Δt為地層聲波時差(直接測量得到)，μs/ft；φ為地層有效孔隙度(在渤海油田，常采用中子與密度交會方法計算)，f；Δtma為地層巖石聲波骨架值，μs/ft；x為反映巖石孔喉結構幾何特征的聲波迂曲度系數(又稱骨架巖性系數)，無量綱。

聲波地層因素公式與電阻率地層因素公式類似，縱波沿地層骨架傳播的路徑也是彎曲的，其彎曲程度只與巖石孔隙結構的幾何特征有關。將Δt、φ以及利用式(2)求得的Δtma代入式(3)中，便可得到隨深度變化的x值。

1.4 連續可變m值求取與含水飽和度計算

飽和度計算公式中的地層因素是反映地層巖性變化、孔隙結構特征的重要指標，準確的地層因素值是飽和度準確計算的前提[10-11]。聲波迂曲度系數x能夠有效反映地層孔隙結構特征，為此將渤海油田以及類似油田實驗室巖心分析得到的15塊樣品(砂巖樣品10塊、含礫砂巖樣品5塊)的膠結指數m與式(3)計算出的聲波迂曲度系數x建立關系式(4)。由于復雜砂巖地層因砂礫成分變化導致地層孔隙結構復雜多變，采用固定膠結指數難以反映這種變化，因此在建立適合目標區塊的m值計算方法后，應用GEOLOG平臺編制程序便可產生連續可變m值，再將連續可變m值引入阿爾奇公式中，即可得到利用連續可變m值計算的含水飽和度。

m=0.391 4e0.806 6x(R2=0.85)

(4)

2 實例分析

如圖4、5所示，渤海油田A、B井巖屑錄井有細砂巖、中砂巖、泥質粉砂巖、含礫砂巖、砂礫巖等復雜砂巖，常規測井曲線中子、密度形態圖顯示地層非均質性強、巖性變化快、復雜砂巖呈薄互狀存在，電阻率受巖性影響明顯。在圖4、5中，SWE為利用經典阿爾奇公式計算的含水飽和度(m=1.66，n=1.89)，SWE0為利用連續可變m值計算的含水飽和度，So為壓汞計算的飽和度，SWC為井壁取心。

圖4 渤海油田A井飽和度計算結果

圖5 渤海油田B井飽和度計算結果

從圖4可以看出，式(4)計算的m值MM與實驗室分析值M一致性較好。例如，在該井含礫成分復雜的層段(953～955 m)，巖性變化等因素的影響導致儲層儲集空間結構復雜，利用公式(4)計算的m值明顯高于砂巖段的地層因素值[12]，更加符合地層情況。

從圖4還可以看出，SWE與電阻率曲線形態類似，與So誤差較大；而SWE0與So一致性較好。在該井961～963 m井段，SWE普遍高于60%，屬于水層；SWE0的變化更加突出，頂部砂礫巖段SWE0雖然高于80%，但結合錄井、氣測、測井和巖心等資料綜合確定為無效儲層，而底部砂巖段由于受圍巖影響電阻率偏低，但變m值明顯較低，SWE0為50%～60%，符合油層范圍，最終與950～960 m油層合試獲日產油30.72 m3，試油結果為油層。

從圖5可以看出，在該井955～957 m井段，SWE低于55%，屬于油層，但SWE0為43%～100%，落在水層范圍內。該井段最終測試日產水42.5 m3，試油結果為水層。

渤海油田A、B兩口井的測試結果驗證了本文利用連續變m值計算含水飽和度的方法的可靠性，從而證實利用連續變m值計算的飽和度與壁心(SWC)的含油性吻合度更高。

3 結論

1) 基于高分辨率能譜測井可以在巖心資料較少的情況下準確計算出地層巖石密度骨架值，先利用地層聲波時差與密度交會分析反推地層巖石聲波骨架值，然后根據J.P.Martin等人提出的聲波地層因素公式計算出反映地層孔喉結構幾何特征的聲波迂曲度系數，并建立巖心分析得到的地層膠結指數m與聲波迂曲度系數之間的關系，最后將得到的連續變m值代入阿爾奇公式即可較準確地計算出地層原始含水飽和度，從而實現了對復雜砂巖儲層飽和度的定量解釋。

2) 實例分析表明，本文提出的基于連續變m值的含水飽和度計算方法解決了渤海油田飽和度計算的難題，可以為其他地區復雜油氣田的定量解釋提供思路。

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(編輯：馮 娜)

Water saturation calculation method based on continuous variable cementation exponentm: a case study of complex sandstone reservoir in Bohai oilfield

Wang Peichun Zhang Linlin Ma Chao Qi Yi

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

In recent years, many complex sandstone reservoirs have been discovered in Bohai oilfield with wide various rock types and poor sorting which cause complicated pore throat structure, large difference on physical properties, strong heterogeneity, rock-electro parameters uncertainty and low accuracy of water saturation calculation. A saturation calculation with continuous variablemis presented for the study area. Firstly, formation matrix acoustic value is inversed with acoustic-density intersection based on the matrix density value calculated with Litho Scanner. Then, the acoustic tortuosity coefficient reflecting the formation pore throat structure is calculated according to the acoustic formation factor formula published by J. P. Martin, and the relationship between cementation index and the acoustic tortuosity coefficient with core analysis is established. Finally, the continuous variable cementation exponentmis substituted into Archie equation to calculate formation water saturation. The practical analysis shows that the method can calculate original formation water saturation accurately and provide a way for quantitative interpretation in complex sandstone reservoir.

complex sandstone reservoir; water saturation; continuous variable cementation exponentm; acoustic tortuosity coefficient; Bohai oilfield

王培春，男，工程師，2008年畢業于西南石油大學地球探測與信息工程專業，獲碩士學位，現主要從事測井解釋與儲量評價工作。地址：天津市塘沽區閘北路609信箱(郵編：300452)。E-mail：wangpch@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)04-0042-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.007

TE122.2+3

A

2015-09-15 改回日期：2016-01-08

*“十二五”國家科技重大專項“渤海海域大中型油氣田地質特征(編號：2011ZX05023-006-002)”部分研究成果。

王培春,張琳琳,馬超，等.基于連續變地層膠結指數m值的含水飽和度計算方法——以渤海油田復雜砂巖儲層為例[J].中國海上油氣，2016,28(4)：42-47.

Wang Peichun,Zhang Linlin,Ma Chao,et al.Water saturation calculation method based on continuous variable cementation exponentm:a case study of complex sandstone reservoir in Bohai oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):42-47.