基于共生互層的頁巖油儲層含油飽和度測定方法

李廣青 閻保雄 寧濤

摘 要 針對頁巖油儲層內部存在黏土量過高、發育狀態較差、孔隙度較低和滲透率較小的問題，基于共生互層提出一種頁巖油儲層含油飽和度測定數值模擬方法。該方法根據理論計算公式分析共生互層的滲透壓，檢測離散裂縫，通過計算擴散引起的鹽離子通量得到雙向流動運移通量，建立頁巖油儲層流體的控制方程，分析初始條件和邊界條件，實現雙層控制。選擇儲層含油飽和度測量方法，確定頁巖分層狀態，通過穩態電流連續性方程實現數值模擬，建立巖石三維圖像，利用X射線對目標區域巖石構建數字孔隙，并根據巖層電阻率和地層水導電率計算各飽和度參數。實驗結果表明：該方法在測量過程中可同時分析壓差、毛管力和滲透壓3種驅動機制的影響，發現在15 d時對滲透量的吸收已經達到80%，滲透壓平衡時間遠大于壓力擴散平衡時間，此時油儲層含油狀態達到飽和，會出現裂縫。

關鍵詞 含油飽和度 測定方法 滲透量 共生互層 頁巖油儲層 數值模擬

中圖分類號 TH83? ?文獻標志碼 A? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0102?05

在物聯網大數據等技術的迅猛發展下，通過精準計算后進行勘探的石油資源能夠得到更加充分的開發。含油飽和度是石油資源開發方案中至關重要的一項參數，根據含油飽和度能夠分析出巖石中石油層段的空間分布，以便于對巖石儲藏資源的潛力進行評價，是實現共生互層頁巖油儲層勘探與開發戰略突破的關鍵所在。對共生互層的頁巖油儲層含油飽和度進行測定，能夠最大程度上實現資源的開發與利用，減少人力物力以及資源浪費。

文獻［1］通過對比不同類型頁巖油地質特征，提取關鍵參數研究并總結了頁巖油儲層孔隙度、有機碳含量等參數與原油儲量的相關關系。但該方法屬于定性研究，難以針對具體頁巖油儲層含油飽和度進行計算。文獻［2］通過掃描電鏡獲取圖像，進行神經網絡分割處理，得到了巖層內各部分的結構信息，并通過隨機參數生長法和二維分數布朗運動模型構建了三維數字巖心，得到了地層參數之間的關系。但是該方法對圖像處理技術要求較高，而掃描電鏡難以獲得超高分辨率的掃描圖像，導致測定結果誤差較大。

筆者針對以上方法的不足，研究了一種基于共生互層的頁巖油儲層含油飽和度測定數值模擬新方法。選用高分辨率的微米CT掃描技術，通過有限元模型構建三維數字巖心，對頁巖油儲層進行數值模擬，從而精準計算出滲透壓、鹽濃度等參數與含油飽和度間的關系，提高測定效率。

1 基于共生互層的頁巖油儲層含油飽和度測定模型

1.1 滲透壓分析

為了避免巖石基質和裂縫之間離散毛管力差異的影響，構建測定模型時首先要考慮共生互層的滲透壓，以便對基質和裂縫間的空間進行計算，進而能夠更好地實現對巖層油水流動模型的控制［3，4］。

因液體密度不同而形成的半透膜，其兩側存在化學勢差，從而形成滲透壓，其計算式為：

其中，p為滲透壓，V為共生互層中水的摩爾體積，ω為氣體常數，T為巖層溫度，a1、a2分別為低鹽水和高鹽度水的活度［5，6］。

共生互層中水油電解質正、負離子的比例為1∶1，故滲透壓p′計算式可簡化為：

p′=nTωC??????? （2）

其中，n為溶液中的離子總數，C為溶液所含有的鹽濃度。

1.2 頁巖油儲層流動控制

由于滲透需要考慮水油的雙向流動擴散活動，因此引入鹽離子擴散通量的概念，即：

Fd=-（1-Ep）θ▽C????? （3）

其中，Fd為擴散引起的鹽離子通量；Ep為滲透膜的實際滲透效率，理想效率為1，即完全不滲透；▽為濃度梯度算子；θ為擴散系數［7］。

雙向流動中鹽離子運移通量Fh為：

Fh=Fd▽U?????? （4）

其中，U為計算目標的流動速度。結合流體質量和密度可以得到儲層中流體的質量守恒方程：

其中，Q為儲層流體的源匯項，m為流體質量，t為時間，μ為流體密度［8］。考慮孔隙邊界的滲透系數，得到基質和裂縫之間的流動方程為：

Q′=s′γμo???????? （6）

其中，Q′為基質和裂縫之間流體的源匯項，s′為流體的飽和度，γ為孔隙度，o為油體的密度。考慮到滲透壓對流體運動的影響，結合滲透壓公式得到在滲透壓力下頁巖油儲層流體的控制方程：

其中，FQ為油儲層流體控制量，k為儲層的滲透率，g為儲層流體的控制系數。借助飽和度計算公式即可得到共生互層頁巖油流體滲透控制結果。

1.3 初始條件和邊界條件

頁巖油儲層含油飽和度測定模型擬定從0時刻開始運行，注入時間為t0，則模型處于原始地層含水飽和度的初始條件為：

sβ|t=0=sw0??????? （8）

cβ|t=0=c0???????? （9）

-NμU|ζ=0，t≥0?????? （10）

其中，sβ表示模型中儲層含水飽和度的初始條件，sw0表示基質初始含水飽和度；cβ表示模型未運行前，基質儲層鹽濃度的初始條件，c0表示基質初始鹽濃度；N表示邊界的垂直向量，ζ代表邊界，隨著恒定流體注入滲透，其滿足質量守恒方程和立體雙向控制方程［9，10］。

2 頁巖油儲層含油飽和度測定

2.1 數值模擬

從巖石物理條件角度選擇儲層含油飽和度測量方法，主要考慮頁巖儲層的電阻率、含水飽和度、孔隙度、泥沙含量、泥沙空間分布形態等因素的影響。頁巖的巖礦構造主要為黏土質長英頁巖，土質黏度較高，碳酸鹽含量較低，長英質礦物分布雜亂且含量較高，沉積巖層分層明顯［11，12］。針對這類巖石進行數值模擬要考慮的參數主要包括實測地層電阻率、黏土電阻率、地層水電阻率、黏土體積參數、儲層含水飽和度及巖層孔隙度等。其中，最基本電阻率參數的一般表達式主要通過有限元模型對穩態電流連續性方程進行表達，即：

其中，J為目標對象的電流密度，μh為巖層體電荷密度。再根據電流密度和電場強度計算電流的電導率c：

c=▽τq??????? （12）

其中，τ為電流電勢，q為電場強度。通過式（12）計算得到電導率的數值為常數［13，14］。

選擇適當的勘測期，采用高分辨率的探測裝置在探測井中對頁巖油儲層各項參數進行探測，以保障初始模擬數據真實可靠。目前，地質研究應用較為普遍且具有良好經濟效用的計算機數值模擬研究手段為ANSYS有限元軟件，其操作過程為將巖石儲層初始參數導入計算機數值模擬系統中，然后對頁巖油儲層內流體動態數據進行模擬。該方法不僅可以節省資源消耗和勘測工作量，還可以對實際探測無法獲取的某些參數進行模擬。

2.2 數字孔隙構建

巖石探測設備通過X射線對目標區域巖石進行CT掃描，獲得巖石內部儲層三維立體結構圖像。根據孔隙密度調整圖像亮度，設定巖石骨架分辨率閾值，得到巖層二值化圖像，圖像中每個像素單元代表一定尺度范圍內的巖石體元。提取圖像關鍵參數信息作為數值模擬的三維數字巖心，采用有限元模型構建巖石數字孔隙參數。

選用納米級微孔掃描儀器對頁巖數字孔隙值進行加工，進一步切割樣本數據，使其像素分辨率達到1.05 μm。根據固定閾值提取數字孔隙，控制像素灰度值在50以下，從而確定巖石三維圖像，掃描結果如圖1所示。

此時巖層中仍存在難以掃描到的更細小的納米孔隙。因此需要利用聚焦離子束掃描儀對頁巖油儲存納米孔隙進行掃描處理，液態金屬離子束聚焦在巖石表面會產生二次電子信號，分單元掃描后可以獲得10 nm超高分辨率的巖層結構圖像，進而能夠針對巖石中的各種孔隙進行參數提取和數值模擬。

2.3 飽和度模擬參數確定

在頁巖儲層三維巖心結構模型和數字孔隙模擬的基礎上，通過有限元模型能夠得到各層次電阻率和導電特征的數據信息，再根據巖層電阻率和地層水導電率對各飽和度參數進行計算確定。頁巖層中方解石的等效電阻率Rkf計算式為：

其中，Rw為自由電解質的等效電阻率，?kf為方解石的孔隙度。電阻率與該巖層的電導率互為倒數，由此可得到巖層的電導率Ckf。根據巖層孔隙中泥質砂巖的分布情況，選用W?S模型計算巖石含水飽和度時儲層的電導率C0為：

C0=aCe+bCw?????? （14）

其中，Ce為儲層流體交換陽離子所產生的電導率，Cw為地層水的電導率，a、b為隨機系數。地層水和可交換陽離子的電導率能夠滿足任意常數計算［15］。

巖層有機質的發育也會對巖層含油飽和度產生影響，根據Archie公式計算得到有機質的等效電阻率與自由電解質的等效電阻率關系如下：

其中，Rog為有機質的等效電阻率，M為巖層礦物的膠結指數。

通過上述公式計算得到巖層飽和水的電阻率和電導率后，即可確定儲層含油飽和度值，進而能夠利用有限元模型對各地層因素進行模擬測定。

3 實驗與結果分析

為了驗證筆者提出的頁巖油儲層含油飽和度測定數值模擬方法，基于上述計算，采用ANSYS有限元軟件，通過水力壓裂技術對頁巖儲層流體運動進行數值模擬。測定實驗中，水壓在短時間內將大量水體通入儲層內部，使儲層產生嚴重裂縫，然后關閉通井，等待一段時間后再進行反排，根據預設的裂縫和巖層參數觀測模擬巖層的飽和度分布情況，得到在壓差、毛管力和滲透壓驅動機制下的頁巖油儲層含油飽和度剖面（圖2），可以看出，在壓差作用下儲層裂縫更加嚴重。

通過測定儲層間鹽濃度和飽和度隨時間的變化關系，并結合滲透壓參數，得到共生互層含油飽和度的變化規律（圖3）。可以看出，15 d時對滲透量的吸收已經達到了80%，滲透壓平衡時間遠大于壓力擴散平衡時間。

注水初期滲透活動較為活躍，共生互層鹽離子運動頻繁，鹽濃度變化較大，由于滲透壓的存在以及頁巖半透膜的作用，地層水會大量涌入巖層，導致儲層內壓力升高，在明顯的濃度差下鹽離子由高濃度向低濃度擴散。同時由于裂縫的分布差異，裂縫孔隙分布較多的區域滲透更明顯，水壓更大，可根據頁巖儲存中毛細管力和滲透壓的變化計算滲吸作用下儲層的含水飽和度，而頁巖儲層含油飽和度與含水飽和度呈負相關，根據裂縫含油儲層的擴散壓力和鹽濃度即可計算出含油飽和度，結果如圖4所示。通過對注水初期滲透活動的分析，可以利用具體的計算模型得出含油飽和度結果。這些結果可為研究人員和工程師提供參考，以指導注水作業和儲層開發，從而進一步優化油田生產。

綜上所述，注水后儲層裂縫內含油飽和度下降，隨著水分的增加儲層含水量擴散，當滲透量的吸收達到80%時，會出現裂縫，油儲層含油狀態達到飽和，裂縫壓力擴散導致巖層中部壓力增高，進而造成儲層含油能力減弱。同時，鹽濃度也會影響滲透壓和含水飽和度的變化，鹽濃度差越大流體滲透效果越強，從而影響含水飽和度和含油飽和度的變化。

4 結論

4.1 針對共生互層內的頁巖屬性特征，選用微米級CT掃描儀器對目標區域巖層和礦物進行掃描探測，獲取高精度的參數信息，從而構建具有較高分辨率的三維數字巖心模型。

4.2 通過計算共生互層內滲透壓和鹽離子雙向流動情況，得到了儲層流體運動規律，為儲層含油飽和度測定奠定了運算基礎。

4.3 利用掃描探測所獲得的實際數據進行數值模擬，構建數字孔隙模型，確定飽和度測定關鍵參數。測定實驗結果證明了儲層內含油飽和度主要受到滲透壓和鹽濃度的影響，提高了頁巖油儲層含油飽和度測定的精準度。

參 考 文 獻

［1］ 匡立春，侯連華，楊智，等.陸相頁巖油儲層評價關鍵參數及方法［J］.石油學報，2021，42（1）：1-14.

［2］ 趙巖龍，李星宇，方正魁，等.裂縫性頁巖油儲層三維數字巖心電阻率模擬［J］.西安石油大學學報（自然科學版），2022，37（1）：51-57.

［3］ 徐榮利，郭天魁，曲占慶，等.基于離散裂縫模型的頁巖油儲層壓裂滲吸數值模擬［J］.工程科學學報，2022，44（3）：451-463.

［4］ 呂照，劉葉軒，陳希，等.頁巖油儲層可壓性分析及指數預測［J］.斷塊油氣田，2021，28（6）：739-744.

［5］ 寧文祥，何柏，李鳳霞，等.陸相頁巖油儲層水力壓裂裂縫形態的試驗［J］.科學技術與工程，2021，21（18）：7505-7512.

［6］ 侯冰，武安安，常智，等.頁巖油儲層多甜點壓裂裂縫垂向擴展試驗研究［J］.巖土工程學報，2021，43（7）：1322-1330.

［7］ 王賢，毛海波，欽黎明，等.多礦物巖石物理建模在新疆吉木薩爾頁巖油儲層預測中的應用［J］.中國礦業，2022，31（6）：172-179.

［8］ 姚蘭蘭，楊正明，李海波，等.大港油田沙一下亞段頁巖油儲層高壓壓汞與氮氣吸附實驗［J］.大慶石油地質與開發，2021，40（4）：162-168.

［9］ 夏宏泉，賴俊，李高仁，等.基于測井資料的頁巖油儲層甜點預測［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2021，43（4）：199-207.

［10］ 楊柳，魯環宇，范鑫，等.鹽間頁巖油儲層基質孔隙內鹽賦存狀態［J］.科學技術與工程，2020，20（5）：1839-1845.

［11］ 李小林，吳朝明，趙殊勛，等.大港油田頁巖油儲層固井技術研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2020，37（2）：232-238.

［12］ 仉濤，郭智奇，劉財，等.鹽間頁巖油韻律層地震響應模擬及頁巖薄儲層厚度預測［J］.吉林大學學報（地球科學版），2022，52（1）：281-291.

［13］ 張建國，姜在興，劉鵬，等.陸相超細粒頁巖油儲層沉積機制與地質評價［J］.石油學報，2022，43（2）：234-249.

［14］ 曹小朋.頁巖油儲層微觀特征分析與流動模擬［J］.深圳大學學報（理工版），2021，38（6）：605-612.

［15］ 李兆敏，趙艷玲，王海濤，等.注入水礦化度對鹽間頁巖油儲層物性影響研究［J］.特種油氣藏，2020，27（2）：131-137.