基于物理模擬實驗的超壓碳酸鹽巖電性特征與應用

鮑一遙, 朱奕龍, 王曉龍,2*, 劉宇坤,2, 萬澤鑫, 趙森,張佳麗, 周文軒, 虞華標, 謝鴻翔

(1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室, 武漢 430100; 2.長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心, 武漢 430100)

地層超壓作為油氣成藏過程時流體運移的主要驅動力,不僅影響非常規油氣“甜點”預測,也是油氣田開發中所面臨的重要地質問題[1-2]。地層超壓預測最早基于速度異常[1],此后學者們提出了一系列基于彈性參數的地層超壓預測方法:等效深度法[2]、Eberhart-Phillips法[3]和Bowers法[4]是基于Terzaghi有效應用定理提出的經驗性方法,Eaton法[5]和DC指數法[6]根據超壓層段測井-鉆井響應特征差異擬合壓力趨勢線得到經驗性公式,Fillippone法[7]則使用地震縱波速度計算地層壓力。隨著油氣勘探領域對超壓預測深度和精度的不斷提高,基于有效應力定理的預測方法不斷完善并得到廣泛應用[8-9]。碳酸鹽巖地層超壓預測是目前中外尚未得到解決的基礎性難題。碎屑巖地層具有明顯的超壓地球物理響應關系,由此展開地層壓力預測建立經驗性公式[10],但這些經驗性方法在具有致密巖石骨架的碳酸鹽巖地層超壓預測中應用效果較差。在碳酸鹽巖地層沉積過程中后生改造強烈,使其原始孔隙結構特征改變顯著,碳酸鹽巖巖石成分和巖性是多重化學反應疊加的結果[11],這種巖性和物性的多重非均質性使得碳酸鹽巖地層超壓預測仍然是中外尚未解決的研究難題。針對碳酸鹽巖超壓預測,基于彈性參數對超壓的響應特征利用含流體巖石多孔介質彈性理論(Boit理論)和廣義胡克定律,建立的基于孔隙壓力與巖石彈性參數定量關系的超壓預測理論模型[12]預測效果顯著。在進行超壓碳酸鹽巖彈性參數響應特征研究中,發現除了彈性參數對超壓具有明顯響應特征以外,電性參數同樣對超壓具有響應特征。而在中外針對超壓地層壓力預測模型中[13-16],電性參數極少被用到。

現避開對Boit系數獲取手段苛刻的Boit理論,從碳酸鹽巖超壓巖石物理模擬實驗著手,探明不同圍壓與孔隙壓力作用下巖石電性參數的變化規律,探索不同孔隙壓力情況下碳酸鹽巖電性參數的變化規律,探討碳酸鹽巖超壓與電性參數的響應關系,建立參數獲取相對簡單的,基于超壓碳酸鹽巖電性參數的地層超壓預測理論模型。以川東北地區典型碳酸鹽巖超壓鉆井為例,利用測井資料結合物理模擬實驗結果,定量預測碳酸鹽巖地層的超壓,為進一步實現利用三維地球物理資料進行超壓預測奠定基礎。

1 物理模擬實驗設計與結果

1.1 樣品信息

選取普光毛壩地區超壓發育區典型深層碳酸鹽巖樣品若干,如表1所示;開展不同壓力條件下碳酸鹽巖樣品的電性參數和孔隙度變化特征測試如表2所示。通過HQ-Ⅱ型全直徑巖心切片機和HZM-Ⅱ型精密巖心磨平設備對巖心鉆取機鉆取的約為25 mm 和38 mm 小柱進行加工處理,使其高徑比為1.5～2.0。巖樣制備和測試流程嚴格按照《巖石電阻率參數實驗室測量及計算方法》(SY/T 5385-2007)和《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》(SY/T 6385-2016)標準進行。

表1 碳酸鹽巖樣品基本參數表(選取5個樣品)Table 1 Basic parameters of carbonate rock samples (5 samples selected)

表2 碳酸鹽巖樣品實驗過程和實驗條件Table 2 Carbonate rock sample experimental process and experimental conditions

1.2 實驗設備及測量過程

電性參數的測量主要用復電阻率參數,復電阻率法(complex resistivity method,CR)是石油和天然氣勘探中的重要手段,對油氣勘探領域研究具有十分重要的現實意義和實用價值。復電阻率測量采用1260阻抗/增益-相位頻響分析儀,該設備具有10 μHz～32 MHz極寬的頻率范圍,在任何流體及固體上施加一個交變電壓均可有電流通過,從而測得阻抗值。基于流體或者固體內在結構等差異性,測得的阻抗值隨施加電壓頻率的變化而發生變化。AutoLab1000系統與1260阻抗分析儀相結合,可實現從低頻到高頻極寬范圍內對樣品激發極化特性的觀測。

此次碳酸鹽巖巖石物理模擬實驗采用多功能巖心分析系統,是專門針對石油領域油藏地球物理研究而研發的設備,在模擬地層溫度和上覆巖層壓力條件下測試樣品的電性參數。模擬地層最大孔隙壓力可達65 MPa,圍壓最大可達70 MPa,溫度最高可達120 ℃,孔隙壓力加壓器可與不同的流體和氣體(如礦化水、油和氣等)相接,實現不同流體成因的加壓。

測試孔隙度主要運用CMS-300孔滲聯測儀,該設備是在模擬地層覆壓條件下對樣品的孔隙度進行測試。除了測量不同覆壓條件下孔隙度外,通過對比不同覆壓下孔隙度值,可以計算出巖石孔隙體積壓縮系數,最高覆蓋壓力可達100 MPa以上,最大溫度達200 ℃。

實驗開始前,將樣品置于100 ℃ 真空恒溫烘箱中烘干48 h,以使樣品達到干燥條件;將烘干后的樣品放置于室內環境 24 h以上,消除水對巖石骨架的化學軟化作用[17]。將巖樣放入巖心夾持器中,通過增壓系統不斷改變孔壓和圍壓,記錄不同通電頻率下巖樣各項電性參數的變化。同時通過不斷改變上覆地層壓力變化來測量孔隙度隨壓力的變化特征,如圖1所示。

圖1 物理模擬實驗流程圖Fig.1 Flow chart of physical simulation experiment

復電阻率測量條件為:固定圍壓為60 MPa,分別測量孔隙壓力為10、20、30、40、45、50 MPa時的電性參數值;固定孔壓為10 MPa,分別測量圍壓為20、30、40、50、60 MPa時的電性參數值。覆壓孔隙度測量條件為:固定圍壓為25 MPa時,分別測量孔壓為5、10、15、20 MPa時的孔隙度,如表2所示。

1.3 實驗結果分析

本次研究結果是若干碳酸鹽巖樣品的實驗數據的一致結果,選取其中5塊樣品實驗數據做圖,如圖2～圖4所示,揭示物理模擬實驗數據結果,具體如下。

圖2 不同壓力條件下碳酸鹽巖樣品電性參數頻散特性曲線Fig.2 Dispersion characteristic curves of electrical parameters of carbonate rock samples under different pressures

在較寬頻帶范圍內(0.1～10 000 Hz)樣品電性參數的測量結果表明:在不同孔隙壓力(圍壓保持60 MPa,孔壓從10 MPa增大至50 MPa。即PC60PP10～PC60PP50共5種壓力條件)條件下,復電阻率模值、電阻率(實部)、電抗率(虛部)、相位等表現出相似的變化特征,即復電阻率模值隨頻率的增大呈現減小趨勢,減小的幅度逐漸降低;電阻率(實部)隨頻率增大也呈現減小趨勢,減小幅度逐漸降低;隨著頻率的不斷增大,相位呈現先減小后增加的趨勢;電抗率(虛部)隨著頻率的增大呈現先增大后減小的趨勢,如圖2所示。同時,在圍壓60 MPa時,孔壓從10 MPa增大至50 MPa,電阻率呈現不斷減小趨勢,如圖3所示。

圖3 巖樣在不同孔隙壓力(圍壓 60 MPa)條件下電阻率變化特征Fig.3 Characteristics of resistivity variation of rock samples under different pore pressures (confining pressure 60 MPa)

孔隙度對孔壓和圍壓響應關系實驗結果表明:在圍壓保持不變的條件下,孔隙度隨著孔隙壓力增加而增大;在孔壓保持不變的條件下,孔隙度隨著圍壓的增加而減小,如圖4所示。

圖4 碳酸鹽巖樣品在不同孔壓、圍壓條件下孔隙度變化特征Fig.4 Porosity variation characteristics of carbonate rock samples under different pore pressure and confining pressure

在模擬碳酸鹽巖地層的條件下,當孔隙流體發育超壓時,孔隙流體發生膨脹,巖石骨架受到壓縮,孔隙體積增加,巖石孔隙度增大,導致在圍壓不變情況下測得的孔隙度增大;同時孔隙度的增大導致巖石導電性變好,電阻率變小,如圖4所示。當具有致密巖石骨架結構的碳酸鹽巖發育超壓時,孔隙流體膨脹引起的巖石骨架壓縮是碳酸鹽巖樣品孔隙體積(孔隙度)的增大和電性特征發生變化的根本原因,孔隙體積(孔隙度)的增大和巖樣電性參數變化與孔隙流體膨脹程度(孔隙壓力)之間存在一定的相關性。因此,孔隙體積(孔隙度)的變化量和巖樣電性參數可以作為孔隙流體壓力的響應參數。

2 電性參數對超壓響應特征的超壓預測模型

基于物理模擬實驗分析結果,從理論層面分析碳酸鹽巖超壓發育與電阻率的響應關系,并建立電性參數相關的碳酸鹽巖超壓預測模型。

將碳酸鹽巖地層等效為水平層狀介質,假設巖石孔隙被地層水飽和充填,巖層骨架均勻分布并且與電流的流向方向一致,可將常壓條件下巖石的導電模型等效為巖石骨架(Rma)和常壓條件下孔隙流體(Rφ0)2個電阻的并聯電路模型,如圖5所示,常壓條件下巖石的總電阻用并聯電阻的計算公式為

圖5 超壓發育與電阻率變化的關系模型Fig.5 Relationship model between overpressure development and resistivity variation

(1)

式(1)中:RP0為常壓巖心總電阻;Rma為骨架電阻;Rφ0為孔隙流體電阻。

巖石骨架幾乎不導電,所以骨架電阻Rma→∞,進一步推得

RP0=Rφ0

(2)

當碳酸鹽巖地層從常壓狀態發育超壓時,孔隙流體膨脹導致孔隙度增大,孔隙度從常壓條件下的φ0增加,即

φp=φ0+Δφ

(3)

式(3)中:φ0為常壓條件下孔隙度;φp為超壓條件下孔隙度;Δφ為孔隙度增大值。

流體中的導電離子運動通道變大,導電離子更容易產生運移,巖石的導電性變強,總電阻變小。此時,超壓條件下巖石的導電模型等效為巖石骨架(R′ma)、常壓條件下孔隙流體(Rφ0)和超壓條件下相對于常壓時孔隙增量中的流體(RΔφ)3個電阻的并聯電路模型,如圖5所示,即超壓條件下巖石的總電阻用并聯電阻的計算公式為

(4)

式(4)中:RP為超壓條件下巖石總電阻;R′ma為骨架電阻;Rφ0為常壓孔隙流體電阻;RΔφ為超壓條件下相對于常壓時孔隙增量中的流體電阻。

由于骨架電阻R′ma→∞,進一步化簡式(4)得到超壓條件下巖石的總電阻RP為

(5)

從常壓條件到發育超壓,孔隙度從常壓條件下的φ0增加到了φp=φ0+Δφ,流體導電離子通道增大,巖石導電性變好,總電阻變小。由于電阻大小與導電橫截面積成反比,因此總電阻變小的幅度與導電離子通道改變量呈相關性,而超壓巖石導電離子通道改變量與孔隙度的增量Δφ成正比。由廣義胡克定律可知,超壓條件下相對于常壓時孔隙的增量與孔隙流體壓力的增量呈正相關性,因此可用超壓條件下電性參數偏離常壓條件下電性參數的程度來預測超壓的強度。結合式(2)和式(5)從常壓條件到超壓發育時巖石總電阻的減小量ΔR為

(6)

式(6)中:Rφ0為常壓孔隙流體電阻;RΔφ為常壓條件到發育超壓時孔隙增量中的流體電阻。

隨著巖石孔隙度的增加,巖石導電性會變好,巖石電阻不斷下降,當孔隙度增加到一定程度時,巖石電阻將會突然快速下降到與地層水的電阻相同[18],定義電阻快速下降時的孔隙度為孔隙度閾值[19]。在巖石孔隙度小于孔隙度閥值時,孔隙度改變量與巖石電阻改變量之間存在線性關系[20]。由于本次研究為孔隙型碳酸鹽巖地層,孔隙度普遍小于孔隙度閾值。因此,本次研究中巖石電阻的減小量與孔隙度的增加量呈線性關系,即

RΔφ=aΔφ+b

(7)

式(7)中:Δφ為超壓發育時相關對于常壓條件下孔隙度的增加量;a和b為巖石性質相關的系數。

將式(7)代入式(6),得到巖石從常壓條件到超壓發育時,總電阻的減小量ΔR與巖石孔隙度增加量的關系,即

(8)

根據廣義胡克定律,孔隙流體體積模量與孔隙度增加量的關系[21]為

(9)

式(9)中:Kf為孔隙流體的體積模量;ΔP為超壓條件下相對于常壓時流體壓力的增加量。

ΔP=PP-P0

(10)

將式(9)代入式(8),得

(11)

式(10)代入式(11)中,考慮地應力的影響,得基于電性參數的碳酸鹽巖超壓預測模型為

(12)

式(12)中:Kf為孔隙流體體積模量;Rφ0常壓狀態孔隙流體電阻;ΔR為常壓條件到發育超壓時巖石電阻的減小量;P0為常壓條件下孔隙流體壓力;PP為超壓發育時孔隙流體壓力;M為與地質應力相關的校正項。

碳酸鹽巖超壓預測模型[式(12)]包括的主要參數有常壓條件下地層電阻Rφ0,發育超壓時相對于常壓地層巖石電阻的減小量ΔR,常壓條件下地層壓力ΔR,巖石性質相關的系數a與b,孔隙流體體積模量Kf,地質應力相關的校正項M。

在進行單井地層壓力預測時,常壓條件下地層電阻Rφ0可通過常壓地層的電阻率測井曲線計算得到;發育超壓時相對于常壓地層巖石電阻的減小量ΔR可通過超壓地層電阻率測井曲線相對于常壓地層電阻率測井曲線的偏離程度計算得到;常壓條件下地層壓力P0可通過地層水密度和深度計算獲得;孔隙流體體積模量Kf與孔隙流體成分相關,一般為定值;巖石性質相關的系數a與b和地質應力相關的校正項M可通過實測地層壓力和實驗數據求取獲得。

利用碳酸鹽巖超壓與電性參數明顯的響應關系,建立了基于電性參數超壓響應特征的地層超壓預測模型。

3 碳酸鹽巖超壓預測模型應用實例

優選川東北普光-毛壩地區超壓碳酸鹽巖地層為試驗區,運用上述超壓預測模型開展實例研究。川東北地區位于四川盆地上揚子地臺,為多構造疊合部位,現已發現普光氣田和毛壩含氣構造帶。鉆井鉆桿實測壓力數據顯示研究區西北部和南部嘉陵江組、飛仙關組、長興組、龍潭組、茅口組、梁山組等都發育超壓,壓力系數分布在1.2～2.0。研究區東部和東南部壓力系數在0.9～1.1,為常壓區或者弱超壓區,如圖6所示。

圖6 鉆井實測單井壓力系數與超壓分布預測圖Fig.6 Well measured single well pressure coefficient and overpressure distribution prediction diagram

優選典型發育超壓的毛壩1井,利用式(12)對單井流體孔隙壓力進行預測。單井壓力預測結果表明雷口坡組頂部碳酸鹽巖發育弱超壓,壓力主要分布在30～40 MPa,壓力系數在1.2～1.4。嘉陵江組碳酸鹽巖發育3個壓力封存箱,3 500 m左右時,壓力主要分布在30～50 MPa,壓力系數在1.2～1.4,屬于弱超壓;在4 200 m左右時,壓力主要分布在40～60 MPa,壓力系數在1.2～1.4;嘉陵江組底部發育超壓,壓力主要分布在50～70 MPa,壓力系數主要分布在1.6～2.0,屬于強超壓;飛仙關組碳酸鹽巖普遍發育超壓,壓力主要分布在40～80 MPa,壓力系數在1.2～2.0。基于碳酸鹽巖超壓預測模型計算的壓力預測結果與鉆井泥漿密度和實測壓力吻合較好,如圖7所示。

圖7 毛壩1井碳酸鹽巖層段利用超壓預測模型計算單井壓力結果Fig.7 Single well pressure results calculated by overpressure prediction model for carbonate intervals in well Maoba 1

4 結論

通過巖石物理模擬實驗,利用碳酸鹽巖超壓與電性參數明顯的響應關系,建立了基于電性參數超壓響應特征的地層超壓預測模型。并在川東北典型地區對碳酸鹽巖超壓預測模型進行了驗證,取得較好應用效果,得到如下結論。

電性參數對碳酸鹽巖超壓具有明顯響應特征。圍壓不變時,隨著孔隙壓力的增加,巖樣孔隙流體發生膨脹致使巖石骨架受到壓縮,孔隙體積增加,巖石孔隙度增大;導致導電離子通過巖石的通道增大,導電離子更易通過巖石,導電性變好,電阻率變小;孔隙流體壓力增量、孔隙度增量和電性參數變化量存在明顯相關性,這是電性參數對超壓具有明顯響應特征的關鍵,為建立超壓與電性參數關系模型奠定基礎。

建立了基于電性參數的碳酸鹽巖超壓預測模型并在川東北典型地區的實例應用表明預測壓力結果與實測壓力一致。該超壓預測模型可以應用類似地區碳酸鹽巖地層的超壓預測工作,具有一定的推廣性。未來可進一步研究利用地震資料與電性參數的相關性,實現三維區域碳酸鹽巖地層鉆前超壓預測。