致密碳酸鹽巖儲層電性參數及影響因素研究

何亞斌

（延長油田股份有限公司開發部，陜西延安 716000）

目前，對于高孔滲巖樣，獲取含油氣飽和度相對簡單，但對于致密儲層，其復雜的巖石結構、微觀孔隙結構、較高的毛管壓力和較強的非均質性等都使得致密儲層評價受到很大影響。碳酸鹽巖油氣藏分布廣泛、油氣資源潛力巨大，近年來油氣藏勘探和開發取得了一系列成果。但碳酸鹽巖儲層因其孔隙結構和巖石成分復雜、儲集空間多樣、非均質性強[1]，對其核磁共振的測井響應一直缺乏系統的研究[2]。

近年來，Diedrex、Swanson、陳繼華、李功強、劉向君、游利軍、韓學輝等對致密儲層的電性參數進行了大量研究，他們認為，巖電參數是進行儲層及含油氣飽和度評價的最重要的環節，且潤濕性、黏土礦物分布、孔隙結構及非均質性等因素都可能對巖電參數產生影響，從而導致難以準確獲取含油氣飽和度。Fang T、Dai Q、周科平、趙杰、劉堂宴、運華云等利用核磁共振技術對巖石孔隙結構進行了研究，確定了孔隙半徑大小及分布。

為了弄清楚該類儲層的巖電參數規律，隨時監測不同含水飽和度下巖樣的孔喉分布變化，進而分析孔喉結構對巖石電阻率及電性參數的影響。本文對大牛地致密碳酸鹽巖儲層巖樣進行巖石電性和核磁共振實驗，測量不同含水飽和度下巖樣的電阻率和核磁共振T2譜，直觀地觀察不同含水飽和度下巖樣孔隙分布，并基于鑄體薄片和電鏡掃描實驗探究了儲層微觀特征和影響因素等重要問題。

1 大牛地碳酸鹽巖地質概況

大牛地氣田位于陜西榆林市和內蒙古鄂爾多斯市交界地區[3]，處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，氣田內上古生界為一套海相-海陸過渡相-陸相沉積，有良好的天然氣成藏條件。奧陶系馬家溝組經歷了三次海退-海侵，構成了六大地層巖性段。受沉積和喀斯特作用影響，奧陶系頂部形成了碳酸鹽巖喀斯特儲層，存在大量溶蝕孔、洞、縫，且奧陶系地層以馬家溝組頂面出露為特征，地層保存比較齊全，有優質儲層形成的物質條件[4]。本文研究區塊儲層巖樣屬于馬五層段，取心深度約2 900 m，屬于中深層儲層，為低孔低滲致密儲層。

2 理論基礎

巖石電性實驗的理論基礎是著名的阿爾奇公式。利用風干法[5]開展巖石電性實驗研究，主要原理是自然風干的方法逐漸風干已飽和好的地層水，從高到低建立不同的含水飽和度，并測定不同含水飽和度下巖樣的電阻率。最后，根據實驗數據繪制RI-Sw關系曲線，通過最小二乘法（線性回歸）擬合得到巖電參數。

核磁共振巖心測量技術主要是利用氫原子核（質子1H）自身的磁性及其外加磁場相互作用的原理，通過測量地層巖石孔隙流體中氫核的核磁共振馳豫信號的幅度和弛豫速率來探測地層巖石孔隙結構及地層流體分布的一種技術[6]。核磁共振T2譜信號的強弱取決于巖樣孔隙中流體的總量[7]，T2弛豫時間的大小取決于孔隙、礦物和流體等[8]，T2弛豫時間越短，對應小孔或孔隙表面流體的弛豫特性，T2弛豫時間越長，對應大孔隙內流體的弛豫特性。

本文結合風干法和核磁共振技術完成實驗，測定不同含水飽和度下巖樣電阻率和T2譜，T2譜反映不同含水飽和度下巖樣孔隙結構的變化，進而分析孔隙結構對電阻率的影響。

3 實驗方案

根據研究區塊的儲層特征，選取了6 塊致密碳酸鹽巖大牛地儲層巖樣進行巖電和核磁共振實驗，長度為4.4 cm 左右，直徑為2.5 cm 左右，孔隙度為4.0 %左右，滲透率為0.012 mD 左右，巖樣基礎數據（見表1）。

表1 巖樣基礎參數表Tab.1 The basic parameters of rock samples

3.1 實驗條件

本次實驗中涉及到的主要實驗裝置有：電熱恒溫鼓風干燥箱、White-stone 孔滲測試儀、電子天平、秒表、鹽水配制系統、抽真空加壓系統、巖心夾持器、核磁共振儀、LCR 數字電橋設備等。

3.2 實驗步驟

根據中華人民共和國石油天然氣行業標準《巖石電阻率參數實驗室測量及計算方法》（SY/T 5385-2007）和《巖樣核磁共振參數實驗室測量規范》（SY/T 6490-2014）設計實驗方案，實施步驟如下：

3.2.1 巖樣的選取 對已選巖樣進行洗油、洗鹽、烘干后測量巖樣長度，直徑，干重。

3.2.2 測量巖樣物性 利用White-stone 孔滲測試儀，測量巖心孔隙度，連接皂模流量計測定滲透率，并進行克氏校正。

3.2.3 配制并飽和模擬地層水 根據大牛地地層水組分配制模擬地層水（地層水16 000 mg/L），對巖樣抽真空并加壓（20 MPa）飽和24 h，稱巖樣飽和重，用數字電橋設備測量26 ℃下的鹽水電阻率0.093 4 Ω·m，并用圖版法進行對比和校正。

3.2.4 巖電實驗和核磁共振實驗 根據不同滲透率巖樣施加不同的圍壓和驅替壓力，記錄不同溫度下100 %飽和條件和不同含水飽和度下的巖心電阻率，并測量不同含水飽和度下的核磁共振T2譜。

3.2.5 實驗結果分析與討論 根據已測數據繪制RISw關系，可得到巖電參數。

4 實驗分析與討論

4.1 巖樣電阻率指數和含水飽和度關系

對所選巖樣利用風干法進行巖電測試，實驗結果（見圖1）。

通過對致密碳酸鹽巖儲層進行巖電實驗測試，將實驗數據進行擬合（見表2）。根據Archie 經驗公式，電阻率指數RI 與含水飽和度Sw在雙對數坐標下呈現直線關系，從巖樣D78-6、D30-17 和D30-10 可以看出在較高含水飽和度（80 %～90 %）時，巖石電阻率會出現向上彎曲的趨勢。巖樣D78-6 在低含水飽和度時會出現向下彎曲的趨勢。

圖1 巖樣電阻率指數-含水飽和度關系圖Fig.1 The RI-Swrelationships of rock samples

表2 巖樣巖電參數擬合數據Tab.2 The fitting data of electrica parameter of rock samples

這主要是因為剛開始驅替巖樣的時候，含水飽和度較高，儲層物性較好，孔隙結構簡單，孔隙連通性好，地層水導電性較強，隨著含水飽和度的減小，巖樣中的水分布比較均勻，符合經典的Archie 現象。對于高含水飽和度下，巖樣向上彎曲的趨勢，主要是因為地層水分布不均。但隨著Sw的逐漸降低，大孔隙喉道被不導電物質取代，孔隙結構變得復雜，孔隙通道曲折度變大，連通性變差，地層水逐漸變成非連續狀，巖石導電性變差，電阻率增加速度變快，曲線向上彎曲。另外黏土礦物的含量影響電阻率的大小，黏土礦物含量越高，儲層的孔喉表面越粗糙，增大了比表面，導致分布在孔隙壁面上的束縛流體[9]含量變大，巖石電阻率減小，曲線向下彎曲。

4.2 巖樣核磁共振T2譜形態特征

不同類型的孔隙流體具有不同的核磁響應。不同飽和度下巖樣的核磁T2譜分布也不同，孔隙內水的弛豫特性受到巖石孔隙結構，流體分布等因素的影響，表現出不同的弛豫特性。一般來說，巖樣橫向弛豫時間T2譜反映了流體在大小不同孔喉半徑中的分布狀態。短T2時間對應巖樣細微孔喉中流體的弛豫特征，長T2時間則對應巖樣粗大孔喉中流體弛豫特征。分布反映了孔隙尺寸信息，T2越小，代表孔徑的孔隙越小。

通過測試六塊巖樣不同飽和度下的核磁共振T2譜，結果（見圖2），從形態上可以分為單峰、雙峰、單雙峰過渡和多峰形態。

當巖心在100 %飽和狀態時，巖樣T2譜幅度最大，核磁共振T2譜能夠真實的反映巖石的孔隙結構，當巖石的孔喉分選性好，分布集中時T2譜就會呈現單峰狀態；當巖石的孔喉分選性差，孔喉的分布比較分散時T2譜就會呈現雙峰或者多峰狀態。而隨著含水飽和度的降低，巖樣的T2譜幅度也減小。

圖2 巖樣不同飽和度下核磁共振T2譜Fig.2 The NMR T2spectrum under different saturation of rock samples

4.2.1 單峰型 對于巖樣D30-17，單峰形態，此類巖樣孔隙結構類型比較單一，滲透率較好，孔喉分散較均勻，分選性較好。

4.2.2 雙峰-多峰型 對于巖樣D93-8 和D77-13，隨著含水飽和度的不斷下降，T2譜呈現出雙峰形態，主峰為大孔隙，從峰為小孔隙，D93-8 降低到47.33 %時，出現了三峰形態，但三峰形態變化不大，幅度很小。此類巖樣滲透率較好，孔隙連通性較好，孔隙結構類型較多，孔喉比較分散，分選性較差。此類孔隙中可能發育有微裂縫，含少量黏土，主峰遠高于從峰，前者黏土礦物充填較少，發育有微裂縫，微小孔喉含量較低；隨著含水飽和度降低，后者多發育大量納米級孔喉，黏土礦物含量較高，從峰幅度變化很小，這說明巖樣孔喉連通性很差，巖樣中存在死孔隙，儲層物性差?？紫犊讖阶兓秶?，孔隙結構非均質性較強。

4.2.3 過渡型 對于巖樣D65-3-25、D78-6 和D30-10，可以看出在完全飽和水時，巖樣呈現雙峰狀態，隨著含水飽和度的降低，會出現從雙峰到單峰的變化，此時孔隙結構較均一，孔徑變化范圍小，孔隙連通性較好。

綜上，巖樣不同飽和度下核磁T2譜有明顯的差異，可見研究區塊儲層非均質性強，微觀特征復雜，發育大量納米級孔喉，微裂縫增加了孔隙間連通性，存在死孔隙，孔喉連通性一般，儲層物性較差。

4.3 影響因素分析

4.3.1 微觀孔隙結構 通過鑄體薄片和掃描電鏡圖像，可研究微觀孔隙結構對巖石電阻率的影響。大牛地致密碳酸鹽巖儲層以云巖為主（見圖3-a、b），礦物成分主要含有白云石、方解石以及少量黏土礦物。巖心孔隙結構復雜多樣。巖心孔喉連通性較差（見圖3-c～f）?？紫额愋投鄻?，次生孔隙發育，包括溶孔、晶間孔、膏?？住⑷芸p、張縫、縫合線以及復合孔隙等。巖心結構致密，晶間微孔較發育（見圖3-g～i）。但孔隙分布不均勻，孔隙間連通性差，呈孤立狀，以點狀喉道為主，存在微小孔喉使得孔隙結構變得復雜。

大牛地致密碳酸鹽巖儲層非均質性強，孔喉較分散，雖發育有次生孔隙和裂縫，增大了儲集空間，但孔隙不連通，使得滲透率特別低，含水飽和度不能降到特別低，復雜孔喉系統使得巖樣核磁共振T2譜出現雙峰或多峰形態，且孔隙間連通性變差，地層水逐漸變成非連續狀，巖石導電性變差，電阻率增加速度變快。

4.3.2 儲層物性 通過對巖樣進行孔滲參數測試并擬合，孔滲交會圖（見圖4）。

圖3 儲層巖樣鑄體薄片和掃描電鏡圖像Fig.3 SEM and cast thin section images of rock samples

圖4 儲層巖樣孔滲交會圖Fig.4 The relation chart between porosity and permeability of rock samples

從孔滲擬合關系圖可以看出致密碳酸鹽巖儲層巖樣為低孔、低滲致密儲層，儲層滲透性極差，擬合系數僅0.015 4，可見研究區塊巖樣孔滲相關性較差，儲層非均質性很強。

4.3.3 黏土礦物 大牛地致密碳酸鹽巖儲層礦物成分多樣，主要存在白云石、斜長石、石英、方解石和少量黏土等多種礦物類型，其中白云石含量最高，為90 %左右。黏土類礦物充填孔喉，導致孔隙連通性變差，使得油氣滲流受到嚴重阻礙。黏土礦物的含量也會影響儲層巖樣中可動流體的飽和度和電阻率大小，黏土礦物含量越高，儲層孔喉表面越粗糙，增大了比表面積，導致分布孔隙壁面束縛流體含量變大，巖樣電阻率減??；此外黏土礦物隨流體運移，堵塞儲層細微孔喉，使可動流體含量降低，束縛水飽和度增加，含水飽和度不能降到很低。

5 結論

（1）大牛地致密碳酸鹽巖儲層巖樣核磁共振T2譜可分為單峰、雙峰、單雙峰過渡和多峰四種形態，雙峰形態巖樣微觀孔喉復雜且分散，分選性較差，此類孔隙中發育有微裂縫，含少量黏土，主峰遠高于從峰；單峰形態巖樣孔隙結構簡單，分選性較好。儲層巖樣孔滲相關性很差，少量裂縫增強了孔隙間連通性，但巖樣中仍存在死孔隙和微小孔喉使得儲層孔隙連通性變差，滲透率降低。而且不同巖樣及不同飽和度下每個巖樣核磁T2譜有明顯的差異，可見研究區塊儲層非均質性強，微觀孔喉特征復雜。

（2）通過薄片和電鏡資料研究儲層微觀特征對巖石電阻率的影響，結果表明，孔隙類型、形狀以及微裂縫的發育程度對可動流體含量及分布都會產生影響；復雜微觀孔喉系統使得部分巖樣孔隙連通性變差，電阻率增大，表現出非阿爾奇現象；黏土礦物的含量會對儲層孔喉造成不同程度的破壞，影響孔隙間連通性，使得巖石電阻率減小；微裂縫的發育增強了孔隙連通性，提高了油氣滲流能力，使得巖心電阻率減小。

（3）儲層非均質性強，孔喉較分散，分布不均勻，雖發育有次生孔隙和微裂縫，增大了儲集空間，但孔隙呈孤立狀，不連通，存在微小或死孔隙使得孔隙結構變得復雜，導致滲透率極低，使得風干法測試巖樣電阻率時含水飽和度不能降到特別低，且復雜孔喉系統使得巖樣核磁共振T2譜出現雙峰或多峰形態。