渤海新近系高束縛水低阻油層飽和度計算方法

陸云龍，崔云江，張建升，齊 奕

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

低阻油氣藏廣泛分布于渤海新近系各大油田中，是渤海油藏的重要組成部分。低阻油層作為低阻油氣藏的核心，是測井評價的重點內(nèi)容之一。低阻油層的油層電阻率小于或接近于鄰近水層電阻率[1]，通常同一油藏油層與水層電阻率比值小于2[2]。由于低阻油層電性特征不明顯，基于電阻率模型的傳統(tǒng)電性飽和度評價方法難以獲取準(zhǔn)確的飽和度參數(shù)，成為儲量評價的一項難題，因此低阻油層飽和度評價是低阻油層測井解釋的重點和難點。

低阻油層成因類型多樣，不同地區(qū)差異明顯，不同類型低阻油層成因分析是低阻油層飽和度評價的前提。低阻油層成因分為外因與內(nèi)因兩種類型，外因主要包括鉆井、泥漿侵入、地層水性質(zhì)[3]等，可通過環(huán)境校正及儀器刻度確定低阻成因；內(nèi)因主要采用巖石物理實驗分析確定，通過開展巖心核磁共振、毛管壓力曲線、陽離子交換、覆壓巖電、鑄體薄片等[4–7]實驗手段分析儲層黏土附加導(dǎo)電特性[8]、孔隙結(jié)構(gòu)特性等。依據(jù)不同低阻油層成因，國內(nèi)外專家對低阻油層飽和度測井評價做了大量工作，取得了較好的應(yīng)用效果。Waxman等[9]以阿爾奇公式[10–11]為基礎(chǔ)，針對黏土附加導(dǎo)電機(jī)理提出基于礦物陽離子交換模型進(jìn)行飽和度計算，該方法需要確定陽離子交換量等參數(shù)，主要用于實驗分析。廖敬等[12]提出采用J函數(shù)思想，通過油柱高度與毛管壓力曲線進(jìn)行飽和度計算，該方法完全受油柱高度影響，對油氣過渡帶及儲層導(dǎo)電機(jī)理不能準(zhǔn)確反映。除此之外，針對泥漿侵入、高阻水層等引起的低阻油層通過電阻率校正、地層水礦化度分析[13–14]等技術(shù)進(jìn)行飽和度計算。近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、核磁共振測井等[15–16]非電性方法也應(yīng)用于低阻油層飽和度評價，但應(yīng)用條件較為苛刻。

本文通過核磁、壓汞、鑄體薄片等實驗資料，分析了渤海新近系低阻油層成因機(jī)理，通過分形維數(shù)（分維）計算，認(rèn)為小孔隙發(fā)育導(dǎo)致的高束縛水是低阻油層的重要成因，在此認(rèn)識基礎(chǔ)上，通過核磁共振與常規(guī)測井建立的核磁–雙孔隙介質(zhì)飽和度計算模型，可精細(xì)計算低阻油層飽和度，實現(xiàn)渤海新近系館陶組高束縛水低阻油層飽和度的定量評價。

1 低阻油層成因分析

渤海新近系低阻油層主要分布在明化鎮(zhèn)組和館陶組砂巖中，地層以河流相沉積為主，儲層呈現(xiàn)中–高孔、中–高滲特征，低阻油層埋藏較淺，一般為800～2 000 m。渤海新近系低阻油層成因復(fù)雜，其中孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜是造成低阻油層的主要內(nèi)在因素之一。由圖1可以看出，低阻油層核磁T2譜主要弛豫時間小于10 ms，儲層小孔隙發(fā)育，高阻油層核磁T2譜主要弛豫時間大于100 ms，儲層大孔隙發(fā)育；低阻油層毛管壓力曲線為細(xì)歪度，儲層孔喉較細(xì)，最大進(jìn)汞飽和度為52%，高阻油層毛管壓力曲線為粗歪度，儲層孔喉較粗，最大進(jìn)汞飽和度可達(dá)90%；鑄體薄片顯示低阻油層巖性較細(xì)，顆粒細(xì)小，小孔隙發(fā)育，而高阻油層巖性較粗，顆粒粗大，大孔隙發(fā)育。

圖1 低阻油層與高阻油層巖心實驗特征對比

由圖2可以看出，渤海新近系儲層孔隙結(jié)構(gòu)具有分形維數(shù)特征，孔隙呈現(xiàn)大孔隙與小孔隙并存的雙孔隙特征，且大小孔隙差異明顯。通過分維[17]計算發(fā)現(xiàn)，對于低阻油層，大孔隙分維值為3.19，小孔隙分維值為3.03；而高阻油層大孔隙分維值為4.07，小孔隙分維值為3.12。對比認(rèn)為低阻油層大孔隙分維值與高阻油層小孔隙分維值接近，即低阻油層小孔隙普遍發(fā)育，束縛水含量高。

圖2 低阻油層與高阻油層毛管壓力曲線分維處理效果對比

2 核磁–雙孔隙介質(zhì)高束縛水飽和度計算方法

儲層束縛流體主要為束縛水，集中在小孔隙與黏土當(dāng)中，包括黏土束縛水與毛管束縛水兩部分。黏土束縛水與巖石的陽離子交換量及溶液礦化度有關(guān)，計算公式如下：

式中：φcbw為黏土束縛流體孔隙度，小數(shù)；wP為黏土水礦化度，mmol/cm3；CEC為巖石的陽離子交換能力，mmol/g；Gρ為巖石的平均顆粒密度，g/cm3；tφ為巖石的總孔隙度，小數(shù)；ρcbw為黏土水密度，g/cm3。

毛管束縛水分布于小孔隙內(nèi)，與孔隙半徑及毛管水厚度有關(guān)，計算公式如下：

式中：φmbw為毛管束縛流體孔隙度，小數(shù)；Xd為毛管水厚度，m；R為毛管半徑，m。

黏土束縛流體孔隙度與毛管束縛流體孔隙度之和即為束縛流體孔隙度，即：

式中：φbw為束縛流體孔隙度，小數(shù)。

式（1）–式（3）為傳統(tǒng)常規(guī)測井束縛流體孔隙度計算方法，該方法嚴(yán)重依賴巖心實驗數(shù)據(jù)與理論模型，計算精度有限，難以滿足現(xiàn)場資料解釋精度。

通過巖心實驗可知，渤海新近系低阻油層存在雙孔隙結(jié)構(gòu)特征，該類低阻油層因孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)骨架、孔隙并聯(lián)導(dǎo)電模型難以準(zhǔn)確反映小孔隙對應(yīng)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此通過對儲層孔隙進(jìn)一步劃分，得到大孔隙與小孔隙兩部分體積（圖3）。對于雙孔隙組分模型[18]，根據(jù)并聯(lián)導(dǎo)電機(jī)理，儲層飽含水時電阻大小為：

圖3 雙孔隙介質(zhì)導(dǎo)電機(jī)理示意圖

式中：rma、rf0、rb0分別為巖石中骨架、大孔隙水和小孔隙水的電阻，Ω；0r為巖石總的電阻，Ω。

由于骨架不導(dǎo)電，結(jié)合歐姆定律、地層因素及巖石物理體積模型，式（4）可改寫成：

式中：F為地層因素，無量綱；0R為飽含水時巖石電阻率，Ω·m；wR為地層水電阻率，Ω·m；bφ、fφ分別為小孔隙孔隙度、大孔隙孔隙度，小數(shù)；mb、mf分別為小孔隙膠結(jié)指數(shù)、大孔隙膠結(jié)指數(shù)，無量綱。

當(dāng)孔隙中含有油氣時，大孔隙中的自由水與小孔隙中的束縛水并聯(lián)導(dǎo)電，則有：

式中：tR為地層電阻率，Ω·m；Rft為大孔隙自由水地層電阻率，Ω·m；Rbt為小孔隙束縛水地層電阻率，Ω·m；n為飽和度指數(shù)，無量綱；Swf為自由水飽和度，小數(shù)。

將式（5）帶入式（6），可得到雙孔隙介質(zhì)飽和度模型：

式中：I為電阻增大系數(shù)，無量綱。

此時油層含水飽和度為：

式中：Sw為油層含水飽和度，小數(shù)；φ為有效孔隙度，小數(shù)。

式（7）適用于渤海新近系雙孔隙導(dǎo)致的高束縛水低阻油層飽和度計算，由于模型中涉及大孔隙與小孔隙體積，因此將通過核磁共振測井確定的束縛水體積與自由水體積分別作為儲層大孔隙與小孔隙的體積。相比阿爾奇公式，式（7）中涉及n、mf、mb三項系數(shù)，難以采用I–Sw擬合回歸，通常利用實驗數(shù)據(jù)迭代計算，計算過程如下：

①選取三塊以上巖心開展核磁–巖電聯(lián)測實驗；②根據(jù)核磁共振實驗確定巖心自由流體孔隙度fφ與束縛流體孔隙度bφ；③根據(jù)巖電數(shù)據(jù)，將式（8）帶入式（7），通過迭代計算，確定最優(yōu)n、mf、mb。

圖4揭示了相同孔隙度條件下，不同孔隙結(jié)構(gòu)特征對巖電參數(shù)的影響，孔隙結(jié)構(gòu)特征如表1所示。從圖4可以看出，當(dāng)小孔隙為0時，I–Sw呈線性關(guān)系，表現(xiàn)為阿爾奇線性特征；當(dāng)巖石存在雙孔隙時，隨著小孔隙不斷增加，巖石導(dǎo)電性逐漸增強(qiáng)，I–Sw呈現(xiàn)非線性關(guān)系，并隨含水飽和度逐漸降低，I–Sw呈現(xiàn)“下翹”特征。

圖4 雙孔隙介質(zhì)巖石導(dǎo)電特征

表1 相同孔隙度不同孔隙結(jié)構(gòu)特征

雙孔隙介質(zhì)中巖石非線性導(dǎo)電特征使得傳統(tǒng)阿爾奇公式擬合結(jié)果存在一定誤差（圖5），傳統(tǒng)阿爾奇公式擬合結(jié)果（黑線）為線性特征，當(dāng)巖心含水飽和度較低時，電阻增大系數(shù)明顯偏離巖心測量值，而雙孔隙介質(zhì)擬合結(jié)果（紅線）能夠較好地反映巖石孔隙結(jié)構(gòu)特征，擬合精度明顯提升。

圖5 不同方法巖心導(dǎo)電擬合效果對比

3 應(yīng)用效果分析

CFD油田位于渤海西部海域，主要含油層系為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，以曲流河、辮狀河沉積為主，館陶組巖性為厚層砂巖、含礫砂巖，油藏頂部發(fā)育大量低阻油層，巖心分析顯示（圖1）低阻油層呈高束縛水飽和度的雙孔隙特征，因此適用于核磁–雙孔隙介質(zhì)飽和度模型計算油層飽和度。

由圖6可以看出，根據(jù)巖心核磁–巖電聯(lián)測實驗，采用式（7）對低阻油層巖心進(jìn)行參數(shù)反演，反演得到的I–Sw曲線（紅線）與巖心巖電實驗（黑色圓圈）結(jié)果吻合較好，n、mf、mb反演結(jié)果分別為1.8、1.5、1.7。相比阿爾奇公式線性擬合結(jié)果（黑線），雙孔隙介質(zhì)模型擬合效果更能反映儲層導(dǎo)電機(jī)理及導(dǎo)電性變化規(guī)律，從而確保飽和度模型參數(shù)計算的可靠性。由CFD油田4井飽和度計算效果對比圖（圖7）可以看出，4井頂部（1 344～1 368 m）自然伽馬、自然電位較低，中子、密度值也較低，電阻率較高，為油層，其中，1 344～1 360 m電阻率較低為低阻油層，1 360～1 368 m為高阻油層；底部（1 368～1 400 m）自然伽馬較低、自然電位較高，中子、密度較低，電阻率也較低，為水層。由傳統(tǒng)阿爾奇公式計算結(jié)果可以看出，對于低阻油層含水飽和度接近80%，而核磁–雙孔隙介質(zhì)飽和度模型計算含水飽和度為50%～60%。該井低阻油層段鉆井取心，壓汞實驗結(jié)果顯示進(jìn)汞飽和度為45%～50%，與測井解釋結(jié)果匹配較好，因此核磁–雙孔隙介質(zhì)飽和度模型計算的飽和度更為合理。

圖6 CFD油田雙孔隙介質(zhì)巖電參數(shù)擬合效果

圖7 CFD油田4井飽和度計算效果對比

4 結(jié)論

（1）通過分析渤海新近系館陶組低阻油層成因機(jī)理，明確了復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)中小孔隙導(dǎo)致的高束縛水飽和度是館陶組低阻油層形成的主要因素之一。

（2）通過核磁–雙孔隙介質(zhì)飽和度模型計算結(jié)果與常規(guī)測井曲線飽和度計算結(jié)果對比，核磁–雙孔隙介質(zhì)飽和度模型更適用于孔隙結(jié)構(gòu)成因?qū)е碌牡妥栌蛯语柡投扔嬎恪?/p>

（3）核磁–雙孔隙介質(zhì)高束縛水飽和度計算方法提高了渤海新近系館陶組高束縛水低阻油層飽和度計算精度，為類似油田低阻油層飽和度評價提供了一種新的、有效的方法。