巖電實驗和數值模擬相結合精確評價致密氣儲層飽和度

張宏悅, 韓藝

摘 ?????要：致密儲層由于巖性?孔隙類型與孔隙結構復雜多樣及非均質性強等特征，使得驅替法巖石電性實驗達不到理想的驅替效果，難以得到中低含水飽和度實驗數據，導致飽和度測井評價遇到很大困難，測井符合率低?選擇以有效介質和逾滲理論為基礎的網絡模型，對致密巖樣進行數值模擬以求得含水飽和度全程段的電阻率指數變化趨勢，既利用了巖電實驗真實飽和度范圍的測量參數，又彌補物理實驗驅替不完全的缺陷;發現了所研究樣品的電阻率指數與含水飽和度呈現出指數關系，而不是乘冪關系，由此建立了新的飽和度評價模型，在鄂爾多斯盆地某區塊山西組致密氣儲層得到更為精確的飽和度。

關 ?鍵 ?詞：致密氣;飽和度;數值模擬;鄂爾多斯盆地

中圖分類號：TE 311 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）04-0795-05

Abstract： Due to its complicated and diverse lithology，pore types and pore structure， as well as its strong heterogeneity， displacement method rock electricity experiment on the cores from tight reservoir cannot obtain ideal displacement effect， which often leads to difficulties of getting experimental data of mid and low water saturation， the difficulty of saturation logging evaluation and low logging coincidence rate. The network model， based on effective medium and percolation theory， was selected to conduct numerical simulation of tight cores to get their changing trend of resistivity indices， covering full range of water saturation. This method can utilize saturation measurements from rock electricity experiment and can also remedy the defect of incomplete displacement during physical experiment. It's found that resistivity indices and water saturation of core samples have exponential relation instead of exponentiation relation. Based on the research result above， a new saturation evaluation model was established to realize more precise evaluation of saturation of tight gas reservoir in Shanxi formation in a block of Erdos.

Key words： Tight gas; Saturation; Numerical simulation; Erdos

目前低滲透油氣藏的儲層評價與試油測試效果并不令人滿意， 測井解釋符合率低， 致密砂巖油氣藏更是如此[1]?造成這些問題的根本原因是低滲透油氣藏的儲層特征比較復雜， 且對電阻率的影響大[2，3]?研究其導電規律，得到準確的飽和度值則可以大大提高測井解釋符合率?

物理實驗和理論數值模擬是進行巖石物理基礎研究的兩種基本方法[4]?物理實驗由于需要考慮技術或設備?實驗周期等諸多因素，實驗結果可能達不到預期的效果;當對一些介質的物理實驗測量或對某些參數的物理觀測難以實現時，理論數值模擬研究則可以發揮其優越性，彌補物理實驗或物理觀測的不足?巖電實驗是研究巖石導電規律的基本方法，常用測量方法為驅替法，但是由于致密儲層的復雜性導致驅替法很難獲取中低含水飽和度下的巖石電阻率數據，為研究導電規律帶來了困難，因而可以采用數值模擬方法，延伸物理實驗的趨勢，彌補致密儲層巖電實驗缺少中低含水飽和度的缺陷，得到全程段含水飽和度的電阻率指數變化趨勢?

針對鄂爾多斯盆地某區塊山西組致密氣儲層的飽和度測井評價問題，本文基于巖電實驗資料并結合數值模擬結果，研究其導電規律，最終建立指數關系的新飽和度模型?

1 ?巖電實驗

鄂爾多斯盆地某區塊二疊系山西組儲層的巖電實驗采用驅替法，實驗儀器為PLS-200巖石電性測定儀，在5 MPa的圍壓和25 ℃的室溫條件下，配制的地層水礦化度為50 000 mg/L?共選取了研究區山西組儲層21塊巖樣作為實驗樣品，孔隙度范圍為2%～10%;滲透率范圍為0.065×10-3～0.76×10-3 μm2?

圖1為地層因素（F）與孔隙度（φ）關系圖和電阻率指數（I）與含水飽和度（Sw）關系圖，由圖可知F-φ和I-Sw均有很好的相關性?但進一步研究發現，電阻率指數與含水飽和度的實驗結果中含水飽和度沒有低于45%的，沒有中低含水飽和度的實驗數據，這給研究導電規律帶來了困難，但是可以發現在含水飽和度小于60%時，電阻率指數開始偏離直線，偏向飽和度軸，具有減小的趨勢?

結合鑄體薄片實驗分析，研究區巖性主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖（圖2），其中巖屑以火山巖與火山碎屑巖為主，其次有沉積巖和變質巖?不穩定的成分含量較高，沉積?成巖作用較強，最終導致研究區孔隙類型多樣，次生孔隙比較發育，孔徑極差大，結構復雜，非均質性強等?依據對致密氣孔喉下限50 nm的標準[5]，換算為對應的毛管壓力， 即克服的最大毛管壓力為2.88 MPa，但是現行巖電實驗的最大突破壓力大多為1.5 MPa，滿足不了致密巖樣的實驗要求?采用氣驅水的驅替法巖電實驗時，驅替過程很難將巖石樣品里的水完全驅替出去，達不到理想的驅替效果，得不到中低含水飽和度實驗數據?

2 ?數值模擬

對于致密儲層導電規律中非Archie現象的出現，國內外眾多學者進行了大量的研究[6-14]，但是絕大多數學者的研究都是基于巖電實驗，而宏觀的巖電實驗不能直接觀察和定量計算巖石樣品的微觀特征，如孔隙結構?礦物組分及滲透性對流體分布狀態的影響岳文正和陶果考慮孔隙結構?流體特性等因素對電傳輸特性的影響，對低孔低滲復雜儲層進行導電特性數值模擬，結果表明對于水潤濕的模型一般將出現凸形非Archie現象，即電阻率指數逐漸偏向飽和度軸[15]?在研究區致密砂巖儲層流體性質為氣水系統，天然氣潤濕性較石油差很多，因而氣層中地層水更容易附著在巖石表面，表現為中等偏強的親水特征?

獲取精確的飽和度值，建立正確電阻率指數與含水飽和度關系是關鍵，但是由于致密氣儲層的復雜性，導致巖石樣品實驗難以得到全程段含水飽和度的電阻率指數變化趨勢，因而可以采用數值模擬方法，延伸物理實驗的趨勢，彌補致密儲層巖電實驗缺少中低含水飽和度的缺陷?為了能夠正確描述電阻率指數（I）與含水飽和度（Sw）的關系，選擇建立在有效介質和逾滲理論基礎上的網絡模型對其進行數值模擬，網絡模型由孔隙體以及孔隙體之間起連接作用的喉道組成[16，17]（圖3-4），具體數值模擬過程采用了Wang等人的模型，該模型主要由巖石微觀孔隙結構模型?網絡基本單元理論電阻率模型和驅替及有效介質電導模型三部分組成，模擬采用親水巖石模型?

孔隙體半徑，吼道半徑和吼道長度反映儲層孔隙幾何形態;配位數表征孔隙的拓撲特征，數值越大，連通性越好;當巖石親水時，氣驅水會在巖石表面形成水膜，導電部分由水膜和孔隙中未被驅替的水組成;偏態用來描述孔隙尺寸的統計變化情況?模擬參數的選取原則：由壓汞實驗的毛管壓力曲線獲得孔隙幾何形態相關參數，例如孔喉半徑均值和孔喉半徑比等;配位數和水膜厚度等模擬參數采用經驗值?

選取了有代表性的不同孔隙度與滲透率的巖樣進行數值模擬，具體模擬參數見表1，并將數值模擬結果與巖心實驗測量結果進行對比（圖5）? 由圖5可以看出，一方面數值模擬的I-Sw曲線與實驗數據在中高含水時吻合，證明了該數值模擬的可靠性，另一方面也表明I-Sw在中低含水的情況下呈現非Archie現象的指數關系?

綜合上述研究，結合巖電實驗和數值模擬結果得到含水飽和度全程段的電阻率指數變化趨勢，確立了研究區具有I-Sw凸形非Archie現象，呈現指數關系?圖6為兩種趨勢的電阻率指數與含水飽和度的關系圖，可以明顯看出，僅具有中高含水實驗數據時，不論I-Sw是乘冪關系（式（1））還是指數關系（式（2））都具有很好的相關性，但是在中低含水飽和度的情況下，兩者相同電阻率指數所對應含水飽和度卻相差很大?

根據上述建立的飽和度解釋模型，分不同孔隙條件下，模擬含水飽和度隨地層電阻率的變化關系，模擬參數見表2，其中地層水電阻率來自研究區地層水分析結果?圖7為模擬結果，從圖中可以發現，含水飽和度大于60%時，乘冪關系和指數關系計算的Sw值近乎相等;含水飽和度小于60%時，兩者計算的Sw值有很大差別，乘冪關系計算的Sw值大于指數關系計算的Sw值?

3.2 ?實例應用

將新飽和度模型?Archie模型應用于鄂爾多斯盆地某區塊二疊系山西組儲層的飽和度求取?圖8是X-8井的部分層段處理結果，圖中Por為計算孔隙度， CPor為巖心物性實驗得到的孔隙度; Sw_exp?Sw_Archie分別為新飽和度模型?Archie模型計算飽和度， CSw為巖心分析得到的飽和度?由圖中可以看出， 新飽和度模型計算的飽和度值優于Archie模型， 與巖心分析飽和度值吻合的很好?將研究區山西組5口井共13塊巖心分析飽和度值與計算得到的飽和度值進行比較， 通過對比發現， 研究區的含水飽和度均小于50%， 新飽和度模型計算的飽和度值相較于Archie模型計算的飽和度值，精度有了很大的提升?

4 ?結 論

（1）由于致密儲層巖性和孔隙結構復雜?非均質性強等， 導致采用驅替法的巖電實驗， 達不到很好的驅替效果， 而得不到中低含水飽和度的實驗數據。物理實驗和理論數值模擬兩種方法可以互補， 也可以互相驗證?采用在有效介質和逾滲理論基礎上建立的網絡模型對巖石電性進行數值模擬， 彌補了巖電物理實驗的不足?

（2）巖電實驗和數值模擬相結合，建立了指數關系的新飽和度模型?在高含水飽和度時（>60%），新飽和度模型和Archie模型計算的飽和度值差別不大， 均與巖心分析飽和度吻合; 在中低含水飽和度（<60%）， 新飽和度模型計算的飽和度值明顯優于Archie模型?

參考文獻：

[1]歐陽健. 加強目標區塊巖石物理研究提高測井識別評價油層能力[J].中國石油勘探， 2001， 6（1）： 24-30.

[2]張明祿， 石玉江. 復雜孔隙結構砂巖儲層巖電參數研究 [J]. 測井技術，2005， 29（5）： 446-448.

[3]周改英， 劉向君. 致密砂巖儲層巖電參數實驗研究[J]. 科技導報， 2011， 29（18）： 38-41.

[4]毛志強， 高楚橋. 孔隙結構與含油巖石電阻率性質理論模擬研究[J]. 石油勘探與開發， 2000， 27（2）： 87-90.

[5]Nelson P H. Pore-throat sizes in sandstones， tight sandstones， and shales[J]. Aapg Bulletin， 2009， 93（3）：329-340.

[6]Jing X D， Gillespie A， Trewin B M. Resistivity index from non-equilibrium measurements using detailed in-situ saturation monitoring[C]. SPE Offshore European Conference， Aberdeen， 1993： 456-464.

[7]Al-kaabi A U. Effects of hysteresis on them Archie saturation exponent. SPE Middle East Oil Conference and Exhibition[C]. Manama， 1997： 497-503

[8]Li Z B， Mo X W. Study on the electric property of Shaly sand and its interpretation method[J]. JGeosci Res Northeast Asia， 1999， 2 （1）： 110-1141.

[9]謝然紅， 高國忠， 馮啟寧， 等. 用測井資料預測儲層的潤濕性[J]. 測井技術， 2002， 26（4）： 265-268.

[10]Suman R J， Knight R J. Effects of pore structure and wettability on the electrical resistivity of partially saturated rocks-A network study[J]. Geophysics， 1997， 62（4）： 1151-1162.

[11]Stalheim S O， Eidesmo T， Rueslatten H. Jnfluence of wettability on water saturation modeling[J]. JPetrol SciEng， 1999， 24： 243-253.

[12]Man H N， Jing X D. Network modeling of strong and intermediate wettability on electrical resistivity and capillary pressure[J]. Adv Water Res， 2001， 24： 345-363.

[13]Man H N， Jing X D. Network modeling of mixed- wettability on electrical resistivity， capillary pressure and wettability indices[J]. J Petrol Sci Eng， 2002， 33： 101-122.

[14]吳兆徽，劉西雷，梁金萍，李偉忠，徐守余，牛麗娟，吳穎昊，吳穎欣.巖心油水飽和度誤差形成主要原因及投影校正法[J].當代化工，2015，44（12）：2866-2869.

[15]岳文正， 陶果. 飽和多相流體巖石導電規律的數值實驗[J]. 中國科學（D 輯：地球科學）， 2008（S1）， 39（1）： 154-160.

[16]Dullien F A L. 現代滲流物理學[M]. 范玉平， 趙東偉， 等譯. 北京：石油工業出版社， 2001： 109-131.

[17]Wang Y M ， Sharma M M. A Network Model for the Resistivity Behavior of Partially Saturated Rocks[C]. The Society of Petrophysicists and Well Log Analysts 29th Annual Logging Symposium Transactions， San Antonio， Germany， 5-8， June， 1988.