低阻砂巖氣藏測井飽和度計算方法——以準噶爾盆地瑪河氣田為例

宋明星, 楊 川，郭巧珍，賈開富，閆利恒，江祖強，彭海軍

(中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，克拉瑪依 834000)

隨著天然氣資源需求的不斷增長以及勘探開發的不斷深入，在已經發現的多個砂巖氣藏中[1-4]，低阻砂巖氣藏已經成為一種常見現象，并逐漸成為油氣勘探評價的重點研究對象之一。近些年來，隨著準噶爾盆地勘探開發的不斷深入，在盆地南緣地區重點勘探層位紫泥泉子組地層中存在大量電阻率較低的氣層[5]。由于砂巖油氣層由于存在低電阻率現象，常常導致基于常規的Archie飽和度模型計算出的飽和度數值不準確，進而對儲層的評價和儲量的計算均造成很大影響。目前中外研究學者在油氣藏含水飽和度計算方面做出了大量研究，如朱林奇等[6]針對壓汞實驗與測井資料計算致密砂巖儲層束縛水飽和度精度不高問題，提出了基于流動孔喉下限確定束縛水飽和度的方法，通過利用核磁共振測井資料構建偽毛管壓力曲線，求取儲層束縛水飽和度，建立測井新模型，提高了壓汞實驗與測井資料計算致密砂巖儲層束縛水飽和度的精度。張彬彬等[7]根據核磁共振實驗資料，采用T2譜面積比值法和T2譜系數法分別計算束縛水飽和度，建立了兩類束縛水飽和度模型，大大提高了模型準確度，為流體識別、測井解釋提供了依據。池美瑤等[8]通過巖石物理實驗獲取儲層巖石的彈性及電性參數，并研究分析了地層的孔隙度、滲透率、飽和度等儲層參數的轉換關系，得到關于Waxman-Smits(W-S)公式膠結系數取值的最佳范圍，為儲層參數的確定及儲層預測與評價提供可靠依據。韓學輝等[9]從Archie公式和Waxman-Smits方程計算的含水飽和度的相對誤差出發，分析地層水電導率、陽離子交換容量、含水飽和度、飽和度指數的影響，利用指數“三步法”及判別圖版定量判斷低阻油氣層的成因并為飽和度模型的選取提供技術依據。駱玉虎等[10]提出了等效巖石組分模型(equivalent rock elements model)，采油數值模擬及巖電實驗資料確定了模型參數變化規律，解決了烏石M油田流沙港組低阻砂礫巖油層復雜孔隙結構低阻砂礫巖儲層的含水飽和度計算方法。

由于瑪河氣田紫泥泉子組儲層巖性主要為細砂巖和粉砂巖，富含假基質狀褐紅色富鐵質泥巖類巖屑，儲層孔隙喉道主要為細喉道，黏土礦物對喉道影響很大。在研究區前期儲層評價中，采用傳統的Archie公式[11]進行飽和度計算過程中，并未考慮該飽和度模型是否適用于低阻油氣層，從而造成計算出的飽和度數值與實際生產數據仍存在較大偏差。因此，從儲層低阻的微觀成因出發，通過分析儲層孔隙結構、黏土含量、溫度等變化對Archie公式與Waxman-Smits方程中參數的影響，找出相關關系，修改兩種飽和度計算模型，以決常用飽和度模型無法準確計算低阻砂巖油氣層飽和度問題，從而提高飽和度計算準確性，建立適用于準噶爾盆地南緣低阻氣藏飽和度計算模型。

1 地質背景

瑪河氣田位于準噶爾盆地南緣沖斷帶瑪納斯背斜[12-13](圖1)，目的層紫泥泉子組紫三段地層埋藏深度為2 400～2 700 m，厚度220～260 m，巖性以褐紅色、紫色、紫紅色泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖及細砂巖不等厚互層為主，主要發育辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積[5,14]。儲層在測井上響應特征表現為自然電位正異常，自然伽馬低值，聲波時差高值以及補償密度低值，補償中子值與泥巖對應值差別小，氣層電阻率呈低值，與水層電阻率值接近。儲層巖性主要為細砂巖、粉砂巖，孔隙度分布為1.8%～34%，平均值為16.99%，滲透率為0.003～1 000 mD，平均148.64 mD，屬中孔中滲-中孔高滲儲層。儲層內發育大量伊利石和伊蒙混層等黏土礦物附著在石英、長石等顆粒表面，黏土礦物的含量范圍在17.4～52.9%，處于較高水平，黏土礦物類型以伊利石(42%)為主，其次為伊蒙混層(34%)、綠泥石(24%)，伊利石可以粒間橋狀或彎曲片狀分布于巖石孔隙中，導致微孔隙增加，伊蒙混層可形成蜂窩狀微孔隙，呈網狀分布于巖石孔隙中或包裹在巖石顆粒表面(圖2)。

圖1 瑪河氣田地理位置

圖2 儲層孔隙空間與黏土特征

2 測井飽和度新模型

2.1 變參數Archie模型飽和度模型

圖3 膠結指數與孔隙結構、黏土含量、模型計算值相關分析

(1)

(2)

式中：a、b為巖性系數，常數；m、n為膠結指數、飽和度指數；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Rt為地層電阻率，Ω·m；K為儲層滲透率，mD；φ為儲層孔隙度，%；Vsh為儲層黏土礦物含量，%。

圖3(c)中，模型計算m與巖電實驗分析m具有較好的相關性，因此模型可靠。但對于泥質砂巖，n值隨著地層水礦化度的增大而增大，隨陽離子交換容量的增大而減小，隨實驗測量溫度升高而減小，隨壓力的增大而增大。研究區目的層中絕大部分儲層樣品泥質含量較大，黏土礦物含量以伊利石和伊蒙混層為主，使得n整體較低，但差異不算太大。因此，在變參數阿爾奇模型中，將所有巖樣n的均值作為研究區的n，通過巖樣分析計算得到n=1.268。

2.2 變參數的W-S模型飽和度模型

由于研究區儲層中黏土含量較高，黏土類型以伊利石和伊蒙混層為主，高黏土含量導致較高的陽離子交換量，因此使用考慮到陽離子交換量的Waxman-Smits模型[16-17](W-S飽和度模型)進行研究區飽和度計算。在應用W-S模型時，需要準確確定平衡陽離子電化學當量電導B、陽離子交換容量QV、膠結指數m*、飽和度指數n*等模型參數是飽和度準確計算的關鍵。計算公式為

(3)

φm*(BQV+Cw)

(4)

2.2.1 模型參數的求取

1)陽離子當量電導B

Waxman等[18]根據2組泥質砂巖實驗數據，提出了25 ℃時平衡陽離子的電化學當量電導B與地層水電阻率Rw的關系[式(5)]。然而，B不僅受平衡溶液電阻率的影響，同時也受到溫度的影響。為了實現W-S模型在實際泥質砂巖儲層的飽和度評價，Waxman等[19-20]對不同溫度、不同電阻率溶液條件下的B變化規律進行實驗研究，得到7種溫度條件下的B的實驗圖版[圖4(a)]。

(5)

在實驗圖版中，溶液電阻率一定時，溫度越高，B越大；當溫度一定時，隨著地層水溶液電阻率的降低，B隨之增大并最終趨于極大值Bmax。除了25 ℃時，B可用式(5)計算外，其他溫度條件下的B并未提出明確的預測公式，需要對B與溫度關系的進行確定。通過B與溫度關系分析，將圖版中不同溫度對應的數據提取為散點數據形式，即曲線數值化，使用非線性擬合的方式得到各溫度條件下計算B的經驗公式[式(6)]，利用B經驗公式計算出的結果與B圖版吻合性較好[圖4(b)]。

圖4 Waxman、Thomas的B實驗圖版與研究區B預測結果

(6)

2)陽離子交換容量QV

由于研究區儲層黏土類型以伊利石和伊蒙混層為主，伊利石和伊蒙混層在黏土礦物所約76%，黏土礦物類型分布相對穩定，因此陽離子交換容量主要受黏土含量的影響。由于黏土含量與泥質含量密切相關，可以通過泥質含量來求取陽離子交換容量。通過單相關分析可知，QV與計算黏土含量、測量孔隙度φ和密度ρ測井值具有較好的相關性[圖5(a)～圖5(c)]，其中密度曲線相關性最差，這是由于密度測井方式是貼井壁測量，受巖性和泥漿影響遠大于黏土礦物的影響，并且在泥巖段容易出現擴徑現象導致測量結果失真。可以根據式(7)形式定義參數q，且與QV相關性良好[圖5(d)]，可作為QV的計算模型。根據實驗測試陽離子交換容量與泥質含量，將數值進行回歸建立計算公式[式(8)]。

圖5 QV計算模型

(7)

(8)

3)膠結指數m*與飽和度指數n*

根據W-S模型，低阻泥質砂巖中地層水的等效電導率Cwe結合常規阿爾奇公式中地層因素F表示為公式，可得到W-S模型中的泥質砂巖地層因素F*可以表示為

F*=F(1+BQvRw)

(9)

(10)

2.2.2 模型求解方法

由于W-S模型是關于Sw的非線性方程[式(11)]，無法直接求出解析解，現采用逐次搜索法求解Sw的近似解。通過構造出Sw的求解方程，該函數為一單調遞減的函數，且f(Sw)與Sw的關系曲線與直線f(Sw)=0有且僅有一個交點，對f(Sw)求絕對值，并構建|f(Sw)|與Sw的函數關系，實現Sw自動計算，當|f(Sw)|取最小值時，Sw對應的即為所求解的近似解。

(11)

式(11)中：Sw為飽和度，%；Ct為泥質砂巖電導率，mS/mL。

2.3 束縛水飽和度計算

飽和度計算模型一般適用于可動水的飽和度計算，而求取束縛水飽和度還需要通過巖石實驗測量分析，建立束縛水飽和度(Swi)與孔隙度、粒度中值的關系。研究區巖心分析數據表明，束縛水飽和度主要與黏土含量和孔隙結構有關，且實驗測量束縛水飽和度與測井計算黏土含量和氣測孔隙度具有較好的相關性，因此利用孔隙度、泥質含量相結合通過多元線性回歸建立研究區的束縛水飽和度模型為

Swi=78.91+0.577 6Vsh-1.963φ

(12)

3 應用實例

低阻氣層的含氣飽和度變化通常很大，但可以使用可動水法進行評價，可利用地層含水飽和度Sw和地層束縛水飽和度Swi結合判斷地層流體性質：一般情況下，當Sw=Swi時，儲層以產氣為主；當Sw>Swi，地層產氣的同時也會產水，解釋為氣水同層；當Sw?Swi，并且Sw≈1時，地層只產生水，解釋結論為水層。因此，在飽和度定量解釋分別使用了經典Archie模型、變參數Archie模型、W-S模型以及束縛水飽和度模型，進行儲層流體識別效果驗證與流體判別。

在A1井紫泥泉子組段測井解釋成果圖中[圖6(a)]，2 557～2 593.5 m井段被細分為6個產層，合試油結論為氣水同層，日產水6.85 m3，日產氣16.782萬m3，電阻率值為4～6 Ω·m，變化范圍較小。根據自然電位曲線將目的層分為上下兩個主力產層，三種模型解釋出段1層、2層的可動水含量較小，接近氣層，段3層可動水含量變參數Archie模型計算結果最高，為6.3%，解釋為氣層。下部變參數Archie模型和W-S模型均解釋段6層可動水含量最高，變參數Archie模型為20%，W-S模型為13%，大于解釋段4層的10%和6.7%。而Archie模型計算段4層可動水含量為9.3%，低于解釋段4層的12%，通常認為同一段儲層中，水應滿足下部多于上部的特征，因此變參數Archie模型和W-S模型解釋結果更符合實際。A2井上部2 557～2 561 m 試油結論為含氣水層，日產氣500 m3，日產水24.88 m3，解釋段深側向電阻率為3.35 Ω·m，三種模型解釋可動水含量結果均在35%以上，變參數Archie模型最高，W-S模型其次，經典Archie模型最低。而下部2 571～2 586 m試油結論為水層，日產水48.2 m3。深側向電阻率值范圍為3.4～4 Ω·m，三種模型解釋結論相似，大部分解釋段含水飽和度接近100%，并且遠大于束縛水飽和度，可動水含量均大于20%，最高為50%[圖6(b)]。

圖6 瑪河氣田紫泥泉子組測井解釋成果

從實例分析結果顯示，與變參數Archie與W-S模型相比，經典Archie模型使用較小的定參數m、n在純產氣或電阻率較低的水層時具有較好的適用性，但在氣水同層時解釋效果較差，當儲層以產氣為主時，兩者計算結果相似。當儲層含水量增大時，變參數Archie計算出的含水飽和度偏大。通過對所有試油井段進行計算和數據統計得到氣層、氣水同層、水層的含水飽和度，可動水含量范圍，確定不同流體在不同模型下的飽和度分布范圍如表1所示。Archie模型不能良好的區分流體性質，變參數Archie模型和W-S模型適用性較好，可以給出一個較好的范圍值，但變參數Archie模型計算含水飽和度結果相對較大，因此使用可動水分析法可以較好地對流體性質進行判別。

表1 不同流體在不同模型下的飽和度分布范圍

4 結論

(1)在瑪河氣田低阻砂巖氣層含水飽和度計算模型中，變參數Archie模型中膠結指數m隨著孔隙結構的增大，而增大，隨黏土含量的增大而減小；而W-S飽和度模型中陽離子當量電導B隨溫度變化而變化，Qv值與黏土含量、測量孔隙度和密度呈良好相關性。

(2)實例應用結果表明，經典的Archie模型、變參數Archie模型、W-S模型均可適用用于孔隙結構復雜、黏土含量較高的低阻油氣層飽和度計算。但對于低阻氣水層、水層來說，變參數Archie模型與W-S模型其含水飽和度計算結果較準確，分布在10%～20%，而經典的Archie模型計算出結果在偏小。不同的低阻砂巖氣藏飽和度計算，還需要根據實際情況選取合適的含水飽和度計算模型進行模型參數的確定。