致密砂巖巖電參數(shù)實驗方法對比研究*

張 波 劉 成 柳雪青 李洋冰 馬立濤 劉再振 李 云 王 朵 楊江浩 陳建奇

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司非常規(guī)勘探開發(fā)重點實驗室 天津 300452)

致密砂巖氣藏作為中國非常規(guī)天然氣開發(fā)的重點領(lǐng)域，具有孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點，氣、水分布規(guī)律復(fù)雜，存在電法測井解釋結(jié)果誤差偏大的現(xiàn)象[1-5]。對此，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為巖電參數(shù)是電測井資料評價含水飽和度的重要參數(shù)[6-7]，而巖電參數(shù)的影響研究表明，獲取準(zhǔn)確的巖電參數(shù)的核心在于求解參數(shù)a、b、m、n值[8-9]，以評價儲層含水飽和度[10-12]。

周改英 等[13]研究表明氣驅(qū)法更適用于中高滲砂巖。李霞 等[14]使用高速離心、高分辨率CT掃描、MAPS和Qemscan等配套實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合建立了基于孔隙結(jié)構(gòu)的致密砂巖變巖電參數(shù)飽和度評價方法，但仍需要驅(qū)替等實驗手段進(jìn)行驗證。游利軍 等[15]認(rèn)為毛管自吸法能夠建立原地條件含水飽和度且能夠保證水在巖樣中均勻分布，克服了致密砂巖儲層原始含水飽和度低于束縛水飽和度所導(dǎo)致的建立儲層含水飽和度困難的難題，避免了氣驅(qū)法降含水飽和度使巖樣中地層水礦化度升高影響巖電參數(shù)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。韓學(xué)輝 等[16]采用離心法和隔板法對低滲透儲層巖電參數(shù)進(jìn)行測試，認(rèn)為隔板法更適用于低滲透儲層，但適應(yīng)性受隔板突破壓力影響，且實驗周期長。以上方法考慮了實驗因素對巖電參數(shù)測試結(jié)果的影響，包括巖樣含水飽和度大小、地層水礦化度值、巖樣含水飽和度建立方式，均與巖樣清洗、巖樣飽和程度、驅(qū)替實驗、滲吸實驗[17-18]有關(guān)，但沒有開展系統(tǒng)性實驗研究工作。

本文針對以上關(guān)鍵實驗環(huán)節(jié)開展了不同方法測定致密砂巖巖電參數(shù)對比研究，研究洗鹽前與洗鹽后、常規(guī)抽真空飽和與注CO2置換抽真空飽和、自吸增水法與氣驅(qū)法巖電參數(shù)之差異性，提出適用于致密砂巖儲層的巖電參數(shù)測試手段，并在致密砂巖儲層進(jìn)行應(yīng)用，為致密砂巖儲層含水飽和度測井刻畫提供精確手段和方法。

1 實驗部分

1.1 實驗巖樣

本次實驗選取了同一研究區(qū)、相同層位的14塊致密砂巖巖樣開展研究，經(jīng)檢測分析巖樣孔隙度為1.9%～11.4%，滲透率為0.025～2.53 mD(表1)。

表1 實驗巖樣基礎(chǔ)參數(shù)

1.2 實驗方法

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5385—2007《巖石電阻率參數(shù)實驗室測量及計算方法》[19]、GB/T 29172—2012《巖心分析方法》[20]操作。實驗用模擬地層水礦化度為30 000 mg/L，飽和介質(zhì)為氯化鈉。實驗設(shè)備包括：洗油儀、鼓風(fēng)干燥箱、抽真空飽和裝置、CO2置換抽真空飽和裝置、巖石電阻率測定儀等。

1.3 實驗步驟

1.3.1巖樣預(yù)處理

1)巖樣洗鹽。

將巖樣按梅花狀裝入索氏抽提器的樣品杯，裝樣高度不得超過虹吸管高度，巖樣上覆蓋濾紙或紗布，在底瓶中加入甲醇洗鹽試劑，通過蒸餾使試劑不斷沖洗巖樣，停蒸后，巖樣在樣品杯中浸泡8 h以上，樣品杯內(nèi)溶劑無色透明，則洗鹽完成。

2)飽和巖樣。

對于同一巖樣，先利用常規(guī)抽真空飽和手段飽和巖樣，測試巖石電阻率，之后將該巖樣進(jìn)行烘干、洗鹽，利用注CO2置換抽真空飽和手段飽和巖樣，測試巖石電阻率。

常規(guī)抽真空飽和。將洗鹽后巖樣烘至105 ℃，8 h，配置模擬地層水，把巖樣放入巖心室后，抽真空4 h，模擬地層水抽真空4 h，再將模擬地層水注入巖心室內(nèi)加壓至25 MPa，并保壓12 h，計算巖樣含水飽和度。

注CO2置換抽真空飽和。將洗鹽后巖樣烘至105 ℃，8 h，配置模擬地層水，把巖樣放入巖心室內(nèi)后，加熱至50 ℃，并往巖心室內(nèi)注入2 MPa的CO2氣體，保持30 min，之后卸壓-抽真空，反復(fù)置換2次；巖心室和模擬地層水各抽真空1 h，在將模擬地層水注入巖心室內(nèi)加壓至25 MPa，并保壓12 h，計算巖樣含水飽和度。

1.3.2巖樣巖電參數(shù)測試

1)自吸增水法。將洗鹽后的巖樣放置恒溫箱105 ℃條件下烘干8 h，巖樣通過自吸水建立不同含水飽和度，再將巖樣放入巖石電阻率測定儀夾持器中，測量(3 MPa圍壓下)不同飽和度的電阻，計算電阻率參數(shù)。

2)氣驅(qū)法。將洗鹽后的巖樣放入抽真空飽和裝置(注CO2置換抽真空飽和裝置)，抽真空、加壓飽和。將巖樣放入電阻測定儀，采用氮?dú)膺M(jìn)行驅(qū)替，驅(qū)替過程中計算巖心含水飽和度，并測量巖樣電阻，計算電阻率參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 洗鹽對巖電參數(shù)的影響

根據(jù)游利軍 等[21]研究，結(jié)晶鹽顆粒尺寸越接近致密砂巖孔徑分布時，鹽析越容易造成裂縫和孔喉堵塞，導(dǎo)致砂巖的孔滲性變差，而孔隙度大小、孔隙結(jié)構(gòu)是巖石電阻率分析的主要影響因素。因此，致密砂巖在進(jìn)行含有高礦化度地層水巖電測試前需進(jìn)行洗鹽處理。選取2塊致密砂巖進(jìn)行洗鹽處理。利用鹽類能溶于有機(jī)試劑的性質(zhì)，用甲醇反復(fù)萃取巖樣，提取巖樣中的鹽類，使用硝酸銀溶液滴抽提液判斷洗鹽效果，直至無白色不溶物產(chǎn)生。通過對洗鹽前與洗鹽后的巖樣進(jìn)行常規(guī)抽真空飽和，計算巖樣的含水飽和度，再利用氣驅(qū)法進(jìn)行巖石電阻率測試分析。

洗鹽前后實驗結(jié)果對比表明(表2)，平均孔隙度由4.0%提高到4.6%，平均滲透率由0.230 mD提高到0.280 mD，平均含水飽和度由86.58%提高到93.97%，平均飽和度指數(shù)n由1.882降低到1.551，平均飽和度指數(shù)b由1.049降低到0.993，說明洗鹽對實驗結(jié)果存在一定影響。

表2 洗鹽前與洗鹽后實驗結(jié)果對比

對比兩塊巖樣洗鹽前后巖樣電阻增大率與含水飽和度關(guān)系(圖1)，可以看出，洗鹽前巖樣的電阻增大率整體上大于洗鹽后巖樣的電阻增大率，并且隨著含水飽和度的降低，兩者的差距逐步擴(kuò)大。巖樣在洗鹽前的飽和度指數(shù)n、常數(shù)b以及I-Sw曲線相關(guān)性系數(shù)R2值整體高于洗鹽后條件。

圖1 洗鹽前后電阻增大率與含水飽和度關(guān)系對比

分析認(rèn)為，洗鹽前巖樣孔隙中存在不同化學(xué)成分的鹽類富集、結(jié)晶，導(dǎo)致孔隙被不同程度充填、喉道被不同程度堵塞，模擬地層水無法進(jìn)入細(xì)小孔隙。復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)造成水分布不均勻，導(dǎo)致巖電實驗結(jié)果出現(xiàn)偏離。而洗鹽后的巖樣孔隙空間變大，孔隙的連通性得到了保證，使飽和的地層水體積和分布空間增加，地層水賦存連續(xù)性增強(qiáng)，巖石的導(dǎo)電能力增強(qiáng)。因此，巖石電阻率測定前需要對巖心進(jìn)行清洗處理，提高飽和地層水效果，從而保證巖石電阻率參數(shù)的評價精度。

2.2 飽和方法對巖電參數(shù)的影響

致密砂巖進(jìn)行油氣藏狀態(tài)模擬實驗時，需要對巖樣進(jìn)行流體注入，飽和地層水的效果直接影響實驗精度。目前實驗室常用的飽和方法有常規(guī)抽真空飽和與注CO2置換抽真空飽和。為了研究飽和效果對巖電測試結(jié)果的影響，選取了4塊具有代表性的洗鹽后致密砂巖巖樣，分成2組，分別采用常規(guī)抽真空飽和及注CO2置換抽真空飽和，計算巖樣的含水飽和度，再利用氣驅(qū)法進(jìn)行巖石電阻率測試分析。

常規(guī)抽真空飽和與注CO2置換抽真空飽和實驗結(jié)果對比表明(表3)，平均含水飽和度由77.29%提升至84.64%，導(dǎo)致平均飽和度指數(shù)n由2.675降低至2.223，平均飽和度指數(shù)b由0.915降低至0.896，說明對于特低滲、超低滲致密巖心，注CO2置換抽真空飽和程度達(dá)標(biāo)率高，并且?guī)r樣飽和程度對巖電參數(shù)測試也存在一定影響。

表3 常規(guī)抽真空飽和與注CO2置換抽真空飽和實驗結(jié)果對比

對比巖樣電阻增大率與含水飽和度曲線可以看出(圖2)，常規(guī)抽真空飽和的巖樣電阻增大率整體高于注CO2置換抽真空飽和的巖樣電阻增大率，且后者R2值好于前者。當(dāng)巖樣滲透率<0.1 mD時，常規(guī)抽真空飽和所得巖樣電阻增大率曲線逐步擴(kuò)大，巖樣毛細(xì)管孔隙內(nèi)殘余氣體較多，飽和程度較差，直接影響巖電參數(shù)測量精度。當(dāng)巖樣滲透率>0.1 mD時，兩種方法建立的含水飽和度及測定的電阻率參數(shù)相差較小，電阻增大率與含水飽和度曲線較為接近。

圖2 常規(guī)抽真空飽和與注CO2置換抽真空飽和I-Sw圖

由此說明，對于孔隙連通性較好，孔喉分布相對均勻的巖樣，采用不同的飽和方式，其整體分布規(guī)律一致，當(dāng)巖樣滲透率<0.1 mD時，采用常規(guī)方式飽和地層水難以有效排驅(qū)毛管孔隙中的氣體或進(jìn)入毛細(xì)管孔隙中，不能使巖樣充分飽和，導(dǎo)致巖電實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差。而注CO2置換抽真空飽和可以通過氣體分子擴(kuò)散方式取代殘余空氣分子，更好地達(dá)到飽和效果，保證了巖石電阻率參數(shù)的評價精度。

2.3 測試方法對巖電參數(shù)的影響

為了研究不同方法對巖電測試結(jié)果的影響，選取了8塊具有代表性的洗鹽后致密砂巖巖心，分成4組，巖樣的孔隙度為4.7%～11.4%，滲透率為0.055～2.530 mD，分別采用自吸增水法與氣驅(qū)法進(jìn)行巖石電阻率分析。

氣驅(qū)法與自吸增水法實驗結(jié)果對比表明(表4)，氣驅(qū)法得到的n值在1.540～3.366，b值在0.532～2.336；自吸增水法得到的n值在1.443～1.957，b值在0.717～1.195。氣驅(qū)法得到的n值均高于自吸增水法，而自吸增水法得到的n、b值更加接近阿爾奇所給出的常規(guī)砂巖標(biāo)準(zhǔn)值n=2、b=1(圖3)。

表4 氣驅(qū)法與自吸增水法實驗結(jié)果對比

圖3 氣驅(qū)法與自吸增水法飽和度指數(shù)、巖性指數(shù)對比

電阻增大率與含水飽和度曲線表明(圖4)，巖樣為特低滲時，氣驅(qū)法和自吸增水法的線性關(guān)系整體一致，其測試參數(shù)比較接近。當(dāng)巖樣為超低滲時(巖樣27-1C、15-1B)，氣驅(qū)法曲線明顯高于自吸增水法曲線，但氣驅(qū)法的R2值低于自吸法。同時，氣驅(qū)法得到的巖樣含水飽和度測試點位不均勻，存在一定的局限性，導(dǎo)致測試的巖電參數(shù)較大，而自吸水法線性關(guān)系更好，測試點位分布均勻，更能反映真實的巖電參數(shù)。

圖4 氣驅(qū)法與自吸增水法I-Sw圖

分析認(rèn)為，氣驅(qū)法是氣體在驅(qū)替壓力下先進(jìn)入連續(xù)性較好的粗孔喉中，然后逐漸進(jìn)入其他較細(xì)小孔隙，地層水由較粗孔喉開始被驅(qū)出，電阻率反映的孔隙結(jié)構(gòu)也逐漸從較粗孔喉變成細(xì)微孔喉的孔隙結(jié)構(gòu)。隨著驅(qū)替時間的增加，當(dāng)氣體形成滲流通道后，含水飽和度的降低的作用機(jī)理從驅(qū)替轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)替與蒸發(fā)作用，隨后可能完全依靠蒸發(fā)作用。由于氣體流過造成水蒸發(fā)，使得孔隙內(nèi)水的礦化度上升，巖樣孔隙中水相已經(jīng)不是初始建立的地層水，因此氣驅(qū)后期已經(jīng)不能反映地層水條件下的巖石電阻率。自吸增水法建立含水飽和度時，模擬地層水在毛管力的作用下由較粗孔喉逐漸進(jìn)入細(xì)小孔喉，模擬地層水在巖樣孔隙中分布均勻。當(dāng)巖心越致密，建立的含水飽和度越高，最高可以達(dá)到80%～90%。在低含水飽和度時，水相主要分布在較粗孔喉，隨著含水飽和度增加，增加的水相才逐漸進(jìn)入較細(xì)小孔喉，含水飽和度較低時所測定的電阻主要反映滲透率較高的粗孔喉的貢獻(xiàn)。

3 應(yīng)用效果分析

為了驗證實驗方法的可靠性，采用S-6井區(qū)致密砂巖密閉取心段洗鹽后的巖樣，利用自吸增水法對巖樣進(jìn)行巖石電阻率測試實驗，得到阿爾奇公式關(guān)鍵參數(shù)b值為1.08，m值為1.81，n值為2.26，a值取1。

利用阿爾奇公式和對應(yīng)深度測井地層電阻率的10塊巖樣進(jìn)行含水飽和度計算，并與密閉取心巖樣室內(nèi)原始含水飽和度進(jìn)行對比。結(jié)果表明，巖石電阻率參數(shù)計算的含水飽和度平均值為52.3%，實測原始含水飽和度平均值為53.7%，絕對誤差基本在5%以內(nèi)(表5)。利用阿爾奇公式計算的含水飽和度值與實測原始含水飽和度值吻合性較好(圖5、6)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了87.9%(圖5)。

圖5 飽和度對比圖

綜合分析認(rèn)為，在孔隙度計算準(zhǔn)確的前提下，巖樣進(jìn)行洗鹽后，采用自吸增水法測試的巖電參數(shù)更準(zhǔn)確，并且?guī)r電參數(shù)計算含水飽和度數(shù)據(jù)與巖心實測含水飽和度數(shù)據(jù)吻合度更高，更適用于致密砂巖儲層，可為測井含水飽和度解釋提供精確的參數(shù)支持。

圖6 研究區(qū)S-6井處理成果

4 結(jié)論

1)當(dāng)巖樣未洗鹽時，得到的電阻率偏大、飽和度指數(shù)n增大、指數(shù)b增大，導(dǎo)致含水飽和度解釋偏低；采用注CO2抽真空飽和巖樣，實現(xiàn)了微納米孔隙高真空度狀態(tài)，飽和程度達(dá)標(biāo)率更高，更能反應(yīng)真實的電阻率值。

2)當(dāng)巖樣為特低滲時，孔隙的連通性較好，氣驅(qū)法和自吸增水法的線性關(guān)系整體一致，其測試參數(shù)較為接近；當(dāng)巖樣為超低滲時，兩者的差距逐步擴(kuò)大，應(yīng)采用自吸增水法進(jìn)行測定，才能更好地反應(yīng)真實的巖電參數(shù)。

3)通過S-6井巖電實驗結(jié)果和測井解釋資料分析，巖樣實測原始含水飽和度與測井計算含水飽和度絕對誤差在5%以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了87.9%，表明巖樣洗鹽后，采用自吸增水法測試的巖電參數(shù)更準(zhǔn)確，可為測井含水飽和度解釋結(jié)果提供校正依據(jù)，更適用于致密砂巖儲層。