2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 西安 710018
2. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields, Xi'an 710018, China
作为非常规天然气资源的重要组成部分,致密砂岩气已经成为我国天然气产量增长的重要贡献力量.致密砂岩气藏储层具有低孔渗、裂缝发育、高束缚水饱和度和高毛管压力等特征.致密砂岩气藏储层非均质性强,存在局部超低含水饱和度现象(康毅力和罗平亚,2007).电法测井是获取致密油气储层信息的重要手段,其理论基础就是著名的阿尔奇公式(Archie,1942),见式1、2.通常胶结良好的纯净砂岩的胶结指数m和饱和度指数n的值一般均为2,岩性系数a、b均为1.
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其中,F为地层因素;Ro为完全饱和水岩石的电阻率;Rw为地层水电阻率;ф为有效孔隙度,小数;a是与岩石性质有关的系数;m为胶结指数,与岩石的胶结情况和孔隙结构有关;RI为电阻率增大系数;Rt为含油气岩石电阻率;Sw为含水饱和度;b是与岩性相关的系数;n为饱和度指数,与油、气、水在孔隙中的分布情况有关.
阿尔奇公式主要描述了纯净砂岩等常规储层的电学性质.非常规储层尤其是致密砂岩油气储层的电学参数与纯净砂岩的电学参数差异较大.国内外学者针对致密砂岩储层电学参数的变化规律和影响因素开展了大量研究.致密砂岩的胶结指数m一般低于2,饱和度指数n由小于2到大于20,变化范围较大(孙建国,2007;王宪刚等,2010).在低矿化度条件下,岩石的黏土矿物含量和类型对其导电性有较大的影响,黏土矿物附加导电模型、双水模型、三水模型等不同的导电模型也先后被提出(Waxman and Smits, 1968;Clavier et al., 1984;Silva and Bassiouni, 1985;黄布宙等,2009;宋延杰等,2010).岩石的润湿性、微观孔隙结构等能够影响地层水的微观分布,可能导致在对数坐标系中,岩石的电阻率增大系数与含水饱和度的关系曲线偏离阿尔奇公式表示的线性关系(Diederix,1982;刘堂宴等,2003).
岩样有效应力增加,胶结指数m减小,岩性系数a增加(向丹等,2005;陈明君等,2014).自吸增水法岩电实验表明,致密砂岩的饱和度指数n和岩性系数b值比气驱降水法的变化范围小(周改英,2006).与未经洗盐处理的岩样相比,采用抽真空加压饱和甲醇法进行洗盐处理后,致密砂岩的岩性系数b降低,饱和度指数n增加(车宇,2015).因此,岩电实验应尽量模拟原地条件.
本文以鄂尔多斯盆地上古生界二叠系某致密砂岩气藏为研究对象,选取不同渗透率级别的岩样,开展了原地有效应力(25 MPa)条件下的电学实验,分析了致密砂岩电学参数的变化行为和影响因素.
1 实验岩样及实验方法 1.1 实验样品本文选取鄂尔多斯盆地上古生界二叠系致密砂岩气藏储层岩样,包含三种渗透率级别(包洪平等,2005):Ⅰ类岩样渗透率大于0.3 mD,Ⅱ类岩样渗透率介于(0.1~0.3) mD和Ⅲ类岩样渗透率小于0.1 mD.该储层岩石类型主要为灰白色、浅灰色岩屑砂岩和岩屑石英砂岩,以粗-中砂岩和中砂岩为主;孔隙类型主要有原生残余粒间孔、粒间溶孔、晶间孔等;黏土矿物以高岭石、绿泥石、伊/蒙间层矿物为主,井下油基密闭取心资料显示岩心的含水饱和度可低至10%.3 MPa围压条件下18块实验岩样的孔隙度为3.29%~14.29%,渗透率为(0.049~2.72) mD (图 1).
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图 1 实验岩样孔渗交汇图 Figure 1 Samples' permeability vs. porosity |
岩电参数主要是通过测量变含水饱和度下岩石电阻率获取的.考虑到致密砂岩存在超低含水饱和度现象,文中的岩电实验采用自吸增水法建立含水饱和度(游利军, 2005).开展岩电实验前,采用抽真空加压饱和甲醇的方法(车宇,2015)对岩样进行洗盐处理.实验过程保持室温以消除温度变化对岩电参数的干扰.岩石电阻测量装置为SCMS-J型声电测试仪,主要包括TH2810B型LCR数字电桥仪(频率1 kHz)和配套的电阻采集系统.数据采集间隔时间为30 sec,电阻值变化精度达到±1%,记录岩样的电阻值并计算电阻率.实验流体采用矿化度为66166 mg/L的模拟地层水,电阻率为0.232 Ω·m.
具体实验步骤:(1)钻取直径为2.5 cm,长度约为4~6 cm的岩样,将岩样洗盐处理后烘干;(2)准确测量岩样的长度直径、孔渗参数及干重等;(3)将岩样抽真空(-0.098 MPa以上)4 h后,饱和地层水并加压至25 MPa,保持48 h;(4)将岩样取出放入夹持器,测量25 MPa围压下的电阻并计算电阻率;(5)将岩心再次洗盐,以60 ℃烘干48 h;(6)采用自吸增水法逐级建立含水饱和度,将岩样放入夹持器并保持25 MPa围压,测量各含水饱和度下岩样的电阻,并计算电阻率.
2 实验结果 2.1 不同渗透率级别致密砂岩电学参数根据阿尔奇公式处理实验数据,得到原地应力条件下实验岩样的胶结指数m为1.146,岩性系数a为6.540,二者的相关系数为0.619.实验岩样的岩性系数b均小于1,其变化范围为0.545~0.955,平均值为0.8.随着渗透率的增加,岩性系数b在一定程度上呈现出增长的趋势(图 2).饱和度指数n的最大值为2.057,最小值为0.891,平均为1.4.渗透率小于1 mD时,n在0.891~2.057范围内变化;渗透率大于1 mD,n值变化范围缩小为1.184~1.343(图 3).
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图 2 岩性系数b与渗透率K3 MPa Figure 2 Rock index b vs. permeability K3 MPa |
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图 3 饱和度指数n与渗透率K3 MPa Figure 3 Saturation index n vs. permeability K3 MPa |
根据阿尔奇经验公式,含水岩石的电阻率增大系数RI与含水饱和度Sw在对数坐标系中呈一条直线.实验结果显示,低含水饱和度的范围内(小于20%),RI-Sw关系曲线出现了偏离直线的非阿尔奇现象,有2块岩样的曲线出现了向上弯曲的趋势,如岩样46-58;有3块岩样的曲线则表现出向横坐标轴弯曲的趋势,如岩样37-40(图 4).而15块岩样的电阻率增大系数与含水饱和度的关系曲线在高含水饱和度阶段也出现了折线部分,RI-Sw关系曲线在较高的含水饱和度范围(70%~90%)出现了转折点.三种渗透率级别的致密砂岩的RI-Sw关系曲线在较高的含水饱和度下均出现了分段现象(图 5).以岩样9-48为例,含水饱和度Sw由零逐渐增加到80%左右,岩心电阻率迅速降低,双对数坐标中的RI-Sw曲线的基本为一直线;当Sw由80%左右继续增加时,RI-Sw关系曲线出现斜率降低且近乎水平的折线部分,此阶段的饱和度指数n值远低于纯净砂岩的饱和度指数2(图 5).
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图 4 低含水饱和度时的RI-Sw曲线 Figure 4 RI-Sw curves with low water saturation |
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图 5 高含水饱和度时的RI-Sw曲线 Figure 5 RI-Sw curves with high water saturation |
原地有效应力条件下,岩性系数a远大于1,胶结指数m明显小于2,与不少学者的实验数据一致(向丹等,2005;王宪刚等,2010).高建(2012)则指出a值是岩石骨架的附加导电性作用的量度,a值越大,说明岩石的导电性越弱.岩样铸体薄片显示,岩石的孔隙多为晶间孔,部分含有微裂缝.原地条件下的电学参数与纯净胶结砂岩的电学参数的差异反映了致密砂岩的片状或弯片状孔喉特征(陈明君等,2014).
实验岩样的岩性系数b在0.8~0.955的范围内变化.随着岩样的渗透率增加,岩性系数b呈现出缓慢增加的趋势(图 2).15块岩样的饱和度指数n值小于2,且有2/3的岩样的饱和度指数在1.0~1.5之间变化(图 3).致密砂岩的饱和度指数n小于2,这与致密砂岩油气储层水湿特性密切相关(罗少成等,2014).超过半数岩样的n值接近1也是储层岩石微裂缝发育、片状或弯片状孔喉特征明显、孔喉分选好的结果(张明禄和石玉江,2005).
3.2 低含水饱和度阶段的非阿尔奇现象低含水饱和度范围内,部分岩样的电阻率增大系数与含水饱和度的关系曲线出现了向上或向下弯曲的非阿尔奇现象(图 4).润湿性和微观孔隙结构是影响饱和度指数的重要因素(高楚桥等,1998;王宪刚等,2010).Montaron (2009)结合多孔介质的导电理论和逾渗网络模型推导出新的多孔介质导电模型,公式为
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其中,χw为水的连续性系数,一般在±0.02之内;ф为孔隙度,小数;μ为导电性系数.
Montaron和Han (2009)论证了当岩石为水润湿,χw < 0,岩石电阻率较小,RI-Sw曲线在低含水饱和度阶段向下弯曲;若岩石为油润湿,则有χw > 0,低含水饱和阶段岩石的电阻率较大,RI-Sw曲线向上弯曲.水润湿岩石的RI-Sw曲线易出现向下弯曲的现象,χw本质上是对水的连续性的量度(刘堂宴等,2003).利用油气藏地质及开发工程国家重点实验室的DSA100润湿角测定仪,测得所有岩样与地层水的接触角在15°~28°,岩石表面为水润湿.低含水饱和度范围内,岩样37-40的RI-Sw曲线表现出向下弯曲的趋势(图 4).岩石的含水饱和度降低,地层水逐渐变成非连续状.而部分地层水附着在强水湿、不规则的颗粒表面,依然可以形成水膜状的导电通路,使得岩石的电阻率偏低.Diederix (1982)通过扫描电镜观测和岩电实验证实了具有粗糙颗粒表面的岩石的RI-Sw曲线的类似现象.润湿性对岩石导电性的作用还受到孔喉连通性的影响(王克文等,2006).连通性差、非均质性强的水湿岩石,RI-Sw曲线也可能向上弯曲,水湿岩样46-58的曲线即向上弯曲(图 4).
3.3 高含水饱和度阶段的非阿尔奇现象岩石的孔隙尺寸分布是影响饱和度指数的重要因素,尤其在高含水饱和度阶段,饱和度指数的大小可能严重偏离纯净砂岩的饱和度指数2(图 5).多孔介质若具有两类不同尺寸的孔隙系统,岩石内部的较大孔隙和较小孔隙所占比例不同,地层水在岩石内分布不均匀,会导致不同含水饱和度阶段饱和度指数n值的显著差异(Ballay and Suarez, 2012).假设岩样的孔隙空间仅包括粒间孔和晶间孔两种类型,总孔隙度为ф=0.10,其中粒间孔的孔隙度为фmacro=0.02,晶间孔的孔隙度为фmicro=0.08.岩样的压汞曲线见图 6,进汞压力达到7 MPa,较大孔隙中润湿相的饱和度减至20%,非润湿相开始进入较小的孔隙.这对应于粒间孔隙系统的含水饱和度S′w=20%,而晶间孔隙系统中的含水饱和度仍为100%,岩样的总含水饱和度Sw=84%.假设将岩石内部的孔隙等效为不同半径的毛细管束(罗蛰潭和王允诚,1986;刘向君等,2007),各毛细管束均为并联的导电通路;各种类型的孔隙系统电学特性与纯净胶结砂岩一致,即a、b值为1,m、n值为2.
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图 6 压汞曲线示意图(Ballay and Suarez, 2012) Figure 6 Sketch of one rock with two pore systems (Ballay and Suarez, 2012) |
对于较大的孔隙系统,完全饱和水的电阻率为
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含水饱和度为20%的电阻率为
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对于较小的孔隙系统,完全饱和水的电阻率为
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由于小孔隙系统仍处于完全饱和水状态,故Rt(micro)=Ro(micro)=36.25
岩样完全含水的总电阻率为
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在前述条件下,岩样的总含水饱和度为
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该含水饱和度下岩样的总电阻率为
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岩石整体的饱和度指数为
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尽管每种孔隙系统的饱和度指数n为2,但是由于岩石的孔隙空间主要由较小的微观孔隙和少量较大的孔隙组成,在含水饱和度较高的条件下(大于84%),电阻率增大系数RI-Sw曲线会出现斜率较小的折线部分(图 5).表明在高含水饱和度阶段,岩石的饱和度指数n将远小于2.
采用poremaster60全自动压汞仪,获取并分析该层位的35块致密砂岩的压汞曲线.除渗透率最大为20.68 mD的岩样(圆形标记)外,34块致密砂岩的进汞曲线中值压力均大于1 MPa,致密砂岩的孔隙空间主要由纳米级孔喉组成;24块岩样的排驱压力超过1 MPa,三种渗透率级别的致密砂岩的压汞曲线均出现了不同程度的分段现象(图 7),表明岩样还具有一定比例的较大孔隙,岩样具有两种及以上的不同大小的孔隙系统.在较高的含水饱和度条件下,由于地层水在岩样内部不同大小的孔隙系统中分布不均,导致了岩石整体的饱和度指数小于纯净砂岩的饱和度指数2,RI-Sw曲线出现斜率降低的现象(图 5).
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图 7 致密砂岩进汞曲线 Figure 7 The mercury penetration curves of tight sandstone samples |
原地有效应力条件下致密砂岩的岩性系数a大于1,b小于1,胶结指数m、饱和度指数n均小于2,主要介于1.0~1.5之间,反映了致密砂岩片状或弯片状孔喉特征.
4.2在低含水饱和度阶段,致密砂岩的电阻率增大系数与含水饱和度的关系曲线可能发生弯曲.岩石润湿性、孔喉连通性、非均质性是出现此类非阿尔奇现象的重要影响因素.
4.3致密砂岩电阻率增大系数与含水饱和度的关系曲线在含水饱和度约为70%~90%出现转折点.孔喉非均匀性是诱发此类非阿尔奇现象的主因.
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