閆頂點(diǎn),潘保芝,李萬(wàn)才,張曉明

(1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春130026;2.中石化東北油氣分公司,吉林長(zhǎng)春130026)

0 引 言

潤(rùn)濕性反映油藏條件下油或水與巖石顆粒表面的親合展布能力。巖石通常分為水潤(rùn)濕、油潤(rùn)濕和中性潤(rùn)濕,大多數(shù)油藏是水潤(rùn)濕(巖石親水)。對(duì)于泥質(zhì)砂巖來(lái)說(shuō),所含的礦物成分影響潤(rùn)濕性,如綠泥石可能會(huì)使巖石變?yōu)橛蜐?rùn)濕。對(duì)于有機(jī)頁(yè)巖地層而言,有機(jī)有效孔隙度φEO和有機(jī)質(zhì)含量TOC密切相關(guān)。有研究提出φEO是在熱成熟過(guò)程中形成的,而油是有機(jī)物產(chǎn)生并排出的,新形成的有機(jī)質(zhì)孔隙一開(kāi)始就暴露在石油中,很可能導(dǎo)致頁(yè)巖成為油潤(rùn)濕[1]。潤(rùn)濕性是影響巖石孔隙中油水分布和流動(dòng)的主要因素,決定了油和水的相對(duì)滲透率、毛細(xì)管壓力和石油采收率等。有研究表明,潤(rùn)濕性與飽和度指數(shù)n密切相關(guān)[2],因此,潤(rùn)濕性的不確定性不僅影響油氣的產(chǎn)生,而且直接影響油氣層測(cè)井評(píng)價(jià)的可靠性。

獲取巖石潤(rùn)濕性的實(shí)驗(yàn)方法主要有接觸角法、Amott法和USBM法。雖然潤(rùn)濕性的實(shí)驗(yàn)方法相對(duì)準(zhǔn)確,但存在耗時(shí)大、費(fèi)用高、巖樣數(shù)量有限且不連續(xù),只能反映巖石地面環(huán)境下的特征等不足。近年來(lái),大量研究進(jìn)行了測(cè)井評(píng)價(jià)潤(rùn)濕性方面的探索。主要是基于電阻率模型和經(jīng)驗(yàn)方法,如Suman等[3]通過(guò)建立孔隙網(wǎng)絡(luò)模型研究潤(rùn)濕性和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)巖石電阻率的影響,發(fā)現(xiàn)潤(rùn)濕性對(duì)部分含水砂巖飽和度指數(shù)有顯著影響,相同孔隙結(jié)構(gòu)的油潤(rùn)濕巖石比水濕巖石的n高。劉堂宴等[4]根據(jù)A&M大學(xué)的巖電實(shí)驗(yàn),利用密閉巖心的飽和度分析和電測(cè)井綜合定性判別潤(rùn)濕性。Graham等[5]采用了電阻率測(cè)井、輔助RFT地層測(cè)試等定性識(shí)別油藏潤(rùn)濕性。Holmes等[6]采用三測(cè)井組合法,通過(guò)從Pickett圖確定飽和度指數(shù)n與膠結(jié)指數(shù)m的關(guān)系定性地進(jìn)行頁(yè)巖潤(rùn)濕性判斷,認(rèn)為,mn為水潤(rùn)濕,但沒(méi)有給出依據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)定量計(jì)算n的方法。Richard Merkel等[7]將NMR、介電測(cè)井和巖心數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)研究可變潤(rùn)濕性。Archana Jagadisan等[8]將干酪根作為熱成熟度的函數(shù),判斷了有機(jī)頁(yè)巖潤(rùn)濕性的變化。上述測(cè)井評(píng)價(jià)潤(rùn)濕性的方法,離不開(kāi)巖心分析的支撐,且僅限于定性分析。

本文基于Holmes三測(cè)井組合(自然伽馬、密度或中子、電阻率)方法,定性地判斷儲(chǔ)層潤(rùn)濕性,提出了一種用測(cè)井資料定量估算n的方法。并對(duì)龍鳳山地區(qū)致密砂泥巖儲(chǔ)層和彭水地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行了應(yīng)用。

1 潤(rùn)濕性對(duì)飽和度指數(shù)n的影響

含油飽和度通常由測(cè)井所獲得的儲(chǔ)層電阻率Rt評(píng)價(jià)含水飽和度Sw而獲得,其中的參數(shù)需要在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)巖電實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出。

(1)

式中,Sw為巖石的含水飽和度;Rt為在含水飽和度Sw下的巖石電阻率;R0為巖石完全含水時(shí)的電阻率;IR為地層電阻率指數(shù)或電阻率增大系數(shù);飽和度指數(shù)n可以由巖心分析求得,在logIR-logSw圖中的斜率即為n值。n值由孔隙結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性等特性決定,其中潤(rùn)濕性是極其重要的影響因素。

R0與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)

(2)

代入式(1)得到含水飽和度為

(3)

式中,Rw為地層水電阻率;a為巖性系數(shù),通常為1.0;m為膠結(jié)指數(shù),與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān);φ為孔隙度,小數(shù)。式(3)為阿爾奇公式[9]。

Mungan等[10]指出,阿爾奇公式有3個(gè)假設(shè):①飽和度和電阻率的關(guān)系是唯一的;②孔隙性巖石,n是常數(shù);③所有的鹽水都傳導(dǎo)電流。近年的研究也表明,僅當(dāng)巖石是強(qiáng)水潤(rùn)濕時(shí),這些假設(shè)是合理的。因?yàn)?n取決于巖石中導(dǎo)電相流體的分布,即取決于潤(rùn)濕性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以分析潤(rùn)濕性對(duì)飽和度指數(shù)n的影響。Keller[11]提出潤(rùn)濕性會(huì)影響巖石的導(dǎo)電性。隨著油潤(rùn)濕性增加,n值也增加。如果潤(rùn)濕性改變,流體在孔隙空間分布將改變導(dǎo)電路徑的長(zhǎng)度和橫截面積,因而改變巖石的電阻率。因此,當(dāng)同一巖樣潤(rùn)濕性改變時(shí),同一飽和度將測(cè)量到不同的電阻率。將同一塊巖心,清洗后(水濕)與原始狀態(tài)(油濕)測(cè)得的logIR-logSw曲線比較發(fā)現(xiàn),隨著潤(rùn)濕性的變化,斜率發(fā)生了明顯的變化,即n值變化。研究表明,水潤(rùn)濕巖心的飽和度指數(shù)n主要分布在小于2的范圍,中性潤(rùn)濕巖心主要分布在2左右,而油潤(rùn)濕巖心較大。據(jù)此,可以看出飽和度指數(shù)n對(duì)巖石的潤(rùn)濕性非常靈敏,二者之間存在很好的相關(guān)性,如果能從測(cè)井資料求出飽和度指數(shù)n,就可以預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性[12]。

2 利用三測(cè)井組合資料評(píng)價(jià)儲(chǔ)層潤(rùn)濕性

常見(jiàn)的碎屑巖油氣儲(chǔ)層分為泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層和有機(jī)頁(yè)巖(頁(yè)巖氣、油頁(yè)巖)儲(chǔ)層2類。雖然2類巖石在成分、孔隙結(jié)構(gòu)和油氣賦存狀態(tài)等方面存在差異,通常在測(cè)井評(píng)價(jià)方法上也是不同的,但在本文利用測(cè)井資料計(jì)算m、n值時(shí),使用的方法是一致的。

使用三組合測(cè)井方法確定儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性時(shí),需要用到中子—密度交會(huì)圖和孔隙度—電阻率交會(huì)圖(Pickett圖)。其中,Pickett圖用來(lái)解釋m和n值。

從上述式(1)、式(2)和式(3)推測(cè)出n、m值,需要事先確定出孔隙度φ。

2.1 泥質(zhì)含量Vsh與孔隙度φ的確定

泥質(zhì)砂巖所用體積模型包括骨架、泥質(zhì)和孔隙3部分。采用常規(guī)的測(cè)井方法,如中子—密度方法來(lái)計(jì)算有效孔隙度φ,并將泥質(zhì)含量Vsh計(jì)算出來(lái)。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層有效孔隙度分為無(wú)機(jī)有效孔隙度φE和有機(jī)有效孔隙度φEO。通常情況下,有機(jī)有效孔隙度φEO中多為油,φ=φE+φEO。

2.2 含水飽和度Sw和束縛水飽和度Swi的確定

含水飽和度Sw由式(3)確定。純砂巖地層的m、n數(shù)值與強(qiáng)水潤(rùn)濕系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)阿爾奇m、n值是一致的。但當(dāng)含有綠泥石等礦物時(shí),就可能成為油潤(rùn)濕,使得n值升高。為了在沒(méi)有巖心分析情況下確定n值,需要知道束縛水飽和度Swi和孔隙度φ的關(guān)系。

通過(guò)巖心分析,如相滲分析、壓汞分析以及離心核磁共振分析確定束縛水飽和度Swi。當(dāng)有密閉取心時(shí),作巖心孔隙度與含水飽和度交會(huì)圖,孔隙度對(duì)應(yīng)飽和度最小值作為束縛水飽和度,擬合得到束縛水飽和度和孔隙度的關(guān)系曲線,從而利用孔隙度值計(jì)算出束縛水飽和度Swi。

Buckles[13]得到了有效孔隙度φ和束縛水飽和度Swi的關(guān)系

φ·Swi=C

(4)

兩端取對(duì)數(shù)得

logφ+logSwi=logC

式中,φ·Swi是束縛水孔隙度;常數(shù)C的量級(jí)取決于巖石的巖性和巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。一般來(lái)說(shuō),砂巖C值為0.02～0.1;粒間碳酸鹽巖為0.01～0.06;孔洞碳酸鹽巖為0.005～0.06。

Holmes等[14]認(rèn)為Buckles關(guān)系式(4)為特解問(wèn)題,提出了更普遍的關(guān)系式

φQ·Swi=C

(5)

指數(shù)Q即為Buckles數(shù),在0.8～16變化,與巖石類型有關(guān),通常為1.0,即式(4)。

純地層孔隙度與含水飽和度的比較表明,有些純地層具有可變的Buckles數(shù),表明了巖石類型的變化。然而,頁(yè)巖地層有機(jī)有效孔隙不含自由水,且Q基本為常數(shù),大多表示單一的巖石類型[6]。

式(5)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下形式為

logSwi=-Qlogφ+C

(6)

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中畫(huà)出束縛水飽和度和孔隙度的交會(huì)圖,趨勢(shì)線的斜率等于-Q,與縱軸的交點(diǎn)為常數(shù)C,這樣利用式(6)可以計(jì)算出束縛水飽和度。

2.3 Pickett圖確定m、n值

Pickett圖[15]可以用來(lái)解釋m、n和Rw。根據(jù)式(3),兩端取對(duì)數(shù),

(7)

當(dāng)Sw=100%時(shí),得水線方程

(8)

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制Pickett圖,Z值為φQ·Swi。在Pickett圖上,畫(huà)出水線,由式(8)知,水線斜率為-1/m,即可得出m值。其他不同Sw等值線為平行于水線的直線(見(jiàn)圖1)。

圖1 利用Pickett圖確定潤(rùn)濕性的原理圖

根據(jù)相同顏色(Z值相同)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布趨勢(shì),畫(huà)出巖石的線性數(shù)據(jù)基準(zhǔn)線,即圖1中的綠線。由式(4)和式(7),當(dāng)Sw=Swi,Q=1時(shí),可以得到

(9)

由此可以看出在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,束縛水飽和時(shí),基準(zhǔn)線的斜率為1/(nm)。如果斜率為負(fù),則nm,說(shuō)明為油潤(rùn)濕。

在定性分析n與m的關(guān)系后,本文提出了一種基于測(cè)井曲線定量計(jì)算n值的方法。在Pickett圖上(見(jiàn)圖1),當(dāng)孔隙度φ一定,用式(6)確定Swi,在水線(Sw=100%)上通過(guò)A點(diǎn)得到Rw,由水線斜率得到m值,作出含水飽和度不等于100%時(shí)的其他趨勢(shì)線。通過(guò)B點(diǎn)讀出Rt值,選擇最小含水飽和度線(油氣層)。此時(shí)Sw=Swi,將這些值代入(1)式,便可以計(jì)算出n值,通過(guò)n的大小判斷儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性。即在沒(méi)有巖心分析數(shù)據(jù)的情況下,僅根據(jù)測(cè)井曲線確定m、n值,n值對(duì)潤(rùn)濕性的指示,為提高測(cè)井評(píng)價(jià)精度打下基礎(chǔ),為后續(xù)的油藏開(kāi)發(fā)提供有力指導(dǎo)。

3 實(shí)際資料處理與應(yīng)用效果

3.1 龍鳳山地區(qū)巖電參數(shù)特征及潤(rùn)濕性測(cè)井評(píng)價(jià)

龍鳳山地區(qū)營(yíng)城組地層主要受西南物源和南物源2個(gè)物源的影響,自南向北呈現(xiàn)出綠泥石包膜逐漸變厚、含量逐漸增加的變化。已有的資料表明,該區(qū)綠泥石是引起儲(chǔ)層油潤(rùn)濕的原因[16]。圖2為龍鳳山地區(qū)×1井和×2井巖石測(cè)量得到的n值直方圖,可以看出×1井巖樣的n值偏小,而×2井的n值明顯偏大。這是因?yàn)椤?井位于綠泥石包膜變厚的區(qū)域,綠泥石引起了潤(rùn)濕性的變化,導(dǎo)致了×2井n偏大。

圖2 龍鳳山地區(qū)×1、×2井n值直方圖

圖3為×1井中子—密度Z(GR)值圖,橫軸為中子孔隙度,縱軸為密度,Z值為自然伽馬,骨架點(diǎn)和水點(diǎn)連線得到純含水砂巖線,分析可得孔隙度。

圖3 ×1井中子—密度Z值圖

圖4為龍鳳山地區(qū)×1井的Pickett圖,圖4中用中子孔隙度CNL代表總孔隙度?？梢?jiàn)基準(zhǔn)線的趨勢(shì)斜向下,斜率為正,表明n

圖4 龍鳳山地區(qū)×1井Pickett圖

圖5 龍鳳山地區(qū)×2井Pickett圖

圖5為×2井的Pickett圖,可見(jiàn)基準(zhǔn)線的趨勢(shì)斜向上,斜率為負(fù),即n>m,n偏大,說(shuō)明為油潤(rùn)濕。通過(guò)×2井的孔隙度束縛水飽和度交會(huì)圖,得到Q=14,C=0.03。同樣用上述方法定量計(jì)算出m=13,n=4.812。該井段巖心實(shí)驗(yàn)獲得的m=1.192,n=5.203,說(shuō)明本文基于Pickett圖得到的m、n值以及潤(rùn)濕性的判斷是正確的。

3.2 彭水頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性測(cè)井評(píng)價(jià)

在彭水頁(yè)巖氣地區(qū),首先根據(jù)飽和度孔隙度交會(huì)圖中孔隙度對(duì)應(yīng)飽和度的最小值,作為束縛水飽和度Swi,根據(jù)孔隙度擬合計(jì)算出束縛水飽和度。

圖6為彭水地區(qū)×3井頁(yè)巖地層Pickett圖,由圖中可見(jiàn)基準(zhǔn)線的趨勢(shì)斜向上,斜率為正,表明n>m,說(shuō)明為油潤(rùn)濕。通過(guò)×3井的孔隙度束縛水飽和度交會(huì)圖,得到×3井Q=1.1,C=0.03。用本文所述方法定量計(jì)算得到m=2.0,n=2.514。該井段巖心實(shí)驗(yàn)獲得的m=1.892,n=2.521,說(shuō)明本文基于Pickett圖得到的判斷是正確的。

4 龍鳳山地區(qū)潤(rùn)濕性核磁證據(jù)

已有的研究說(shuō)明,潤(rùn)濕性影響到了核磁共振T2譜的分布特征。油潤(rùn)濕時(shí),隨著含水飽和度的減小,T2譜的峰值向T2值變大的方向移動(dòng);水潤(rùn)濕時(shí),隨著含水飽和度的減小,T2譜的譜峰向T2值變小的方向移動(dòng)[17]。本文基于核磁共振實(shí)驗(yàn),定量分析了龍鳳山地區(qū)砂泥巖儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性。

選取了龍鳳山地區(qū)的部分巖樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了核磁共振T2譜測(cè)量(見(jiàn)表1)。圖7為核磁共振T2譜示例圖。圖7(a)為水潤(rùn)濕巖樣,圖7(b)為油潤(rùn)濕巖樣,可以看到油潤(rùn)濕巖樣有T2主峰向右偏移的現(xiàn)象。表1中分別對(duì)比了T2=0.1 ms與T2=1 ms時(shí)離心前后孔隙度分量與n值大小的關(guān)系。定義離心前、后孔隙度分量分別為y1、y2,離心前后孔隙度分量變化率為yd。

為了定量說(shuō)明T2譜特征與潤(rùn)濕性的關(guān)系,本文建立了n-yd的交會(huì)圖(見(jiàn)圖8),橫軸為n,縱軸為離心前后T2=1 ms孔隙度分量變化率yd。

圖7 龍鳳山地區(qū)核磁共振T2譜示例

表1 龍鳳山地區(qū)核磁共振測(cè)量表

圖8 離心前后孔隙度分量變化率與n值關(guān)系圖(T2=1 ms)

由圖8可以看出,離心前后孔隙度分量的變化率yd隨著n的增大有減小的趨勢(shì)。水潤(rùn)濕巖樣,巖石表面容易吸附水分子,機(jī)械離心力很難克服化學(xué)分子間的吸引力,所以離心難以分離出去。而對(duì)于油潤(rùn)濕巖樣,由于水分子與巖石表面間的吸附力小,離心后容易將水排除。

5 結(jié) 論

(1)潤(rùn)濕性表征了油(水)與巖石表面的親合力,是影響油藏開(kāi)發(fā)的重要變量,利用測(cè)井資料評(píng)價(jià)潤(rùn)濕性參數(shù)對(duì)油田的勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。根據(jù)潤(rùn)濕性的衡量和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),找出了潤(rùn)濕性與巖電參數(shù),尤其是與阿爾奇公式中的飽和度指數(shù)n之間的關(guān)系:油潤(rùn)濕時(shí),n值大,水潤(rùn)濕時(shí),n值小。

(2)使用了三測(cè)井組合資料評(píng)價(jià)儲(chǔ)層潤(rùn)濕性的方法對(duì)龍鳳山泥質(zhì)砂巖儲(chǔ)層和彭水頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的測(cè)井資料進(jìn)行了處理分析,從中獲得飽和度指數(shù)n的大小,對(duì)于儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)飽和度至關(guān)重要。這種方法提供了關(guān)于儲(chǔ)層是水潤(rùn)濕或油潤(rùn)濕的定量數(shù)據(jù)。適用于任何三測(cè)井組合系列的井,所以該方法實(shí)用性廣泛,能夠更加全面地認(rèn)識(shí)油水的流動(dòng)特性,且該方法在初步判斷儲(chǔ)層潤(rùn)濕性方面具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果,為儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)提供支撐。

(3)對(duì)核磁共振技術(shù)研究?jī)?chǔ)層潤(rùn)濕性進(jìn)行了探索,從核磁共振對(duì)巖石潤(rùn)濕性響應(yīng)的基礎(chǔ)方法研究做起,分析了部分巖樣的核磁共振T2分布特征,設(shè)計(jì)相應(yīng)的巖石物理實(shí)驗(yàn),定量分析了巖石的潤(rùn)濕性。