低孔渗储层饱和度模型应用效果对比

宋延杰,　苏思远,　王　楠,　王晓勇

(1.东北石油大学 地球科学学院, 黑龙江 大庆 163318; 2.非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室培育基地, 黑龙江 大庆 163318; 3.中石油长城钻探地质研究院, 辽宁 盘锦 124010;4.中石油长城钻探测井公司辽河项目部, 辽宁 盘锦 124010)



低孔渗储层饱和度模型应用效果对比

宋延杰1,2,苏思远1,2,王楠3,王晓勇4

(1.东北石油大学 地球科学学院, 黑龙江 大庆 163318; 2.非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室培育基地, 黑龙江 大庆 163318; 3.中石油长城钻探地质研究院, 辽宁 盘锦 124010;4.中石油长城钻探测井公司辽河项目部, 辽宁 盘锦 124010)

低孔渗储层岩石孔隙结构复杂,其饱和度评价一直是测井领域亟待解决的难点问题。研究大庆朝-长地区F油层组储层物性、泥质体积分数、孔隙等,得出该地区F油层组储层具有孔渗低、泥质含量高、微孔隙发育、束缚水饱和度高的储层特征。针对该区储层特征,利用有效介质导电理论,建立有效介质导电模型,并给出改进印度尼西亚方程和改进DOLL方程。分析三种模型及阿尔奇方程的理论特点,并用以计算三口密闭取心井的含水饱和度。对比结果表明,有效介质导电模型考虑因素全,计算的含水饱和度平均相对误差低,适合低孔渗泥质砂岩储层的含油气饱和度评价。

低孔渗储层; 束缚水饱和度; 有效介质导电模型; 改进印度尼西亚方程; 改进DOLL方程

随着油田勘探开发的不断深入,低孔渗油气储层已经成为油田增储上产的主要对象。低孔渗储层物性差，孔隙结构复杂,因而给其饱和度评价带来许多困难。为了提高低孔渗储层饱和度评价精度,许多学者对低孔渗储层的导电规律进行了深入研究,提出了变参数的阿尔奇方程[1-3]、基于泥质含量和阳离子交换能力的电阻率方程[4-6]、基于三水概念的导电模型[7-9],以及基于有效介质理论的导电模型[10-11]等，用以求取低孔渗砂岩储层的含油气饱和度,并取得较好的应用效果。变参数的阿尔奇方程主要适用于含泥较少或泥质含量变化很小的低孔渗储层解释;基于泥质含量和阳离子交换能力的电阻率方程主要适用于泥质附加导电能力较强的低孔渗储层解释。这两类模型均未考虑束缚水与可动水导电路径的差别对岩石导电性的影响,而近似认为束缚水与可动水导电路径是相同的,这使得孔隙结构复杂且束缚水饱和度较高的低孔渗储层解释存在一定的近似性,但两类模型简单,需确定参数较少。基于三水概念的导电模型和基于有效介质理论的导电模型均考虑了束缚水与可动水导电路径的差别对岩石导电性的影响,可用于孔隙结构复杂且束缚水饱和度较高的低孔渗储层解释,但模型复杂,需确定参数较多。由于各低孔渗储层导电模型的特点及适用范围不同,因此,需针对研究区储层特征,选择几类导电模型进行改进、试算、对比,最后,优选出适合该区低孔渗储层解释的最佳导电模型。笔者利用岩心分析化验数据,研究大庆朝-长地区F油层的储层特征。根据储层特征,建立有效介质对称导电模型,并改进印度尼西亚方程和DOLL方程。然后,对有效介质导电模型、改进印度尼西亚方程、DOLL方程和阿尔奇方程进行理论分析和应用效果对比,优选出适合该区低孔渗储层解释的最佳导电模型。

1　朝-长地区低孔渗储层特征

1.1物性特征

对X区FI油层组13口井266块样品及FII油层组的9口井453块样品的孔隙度和渗透率进行统计,其分布情况见图1、2。从图中可以看出,FI油层组的孔隙度主要分布在6.0%～18.0%,平均值为12.0%；渗透率主要分布在0.01～10.00 mD,平均值为1.27 mD。FII油层组的孔隙度主要分布在8.0%～16.0%,平均值为11.8%；渗透率主要分布在0.03～3.00 mD,平均值为0.59 mD。X区F油层组储层为低孔特低渗储层。

图1　X区FI油层组和FII油层组储层孔隙度统计

Fig. 1Statistical distribution of porosity for FI and FII formation in X area

图2　X区FI油层组和FII油层组储层渗透率统计

Fig. 2Statistical distribution of permeability for FI and FII formation in X area

1.2泥质量

对FI油层组的5口井87块岩样以及FII油层组的4口井216块岩样的泥质体积分数进行统计，见图3。从图中可以看出，X区FI油层组的泥质体积分数主要分布在5.0%～25.0%，平均值为15.6%；FII油层组的泥质体积分数主要分布在5.0%～25.0%，平均值为12.9%。X区F油层组储层泥质体积分数较高。

图3X区FI油层组和FII油层组储层泥质体积分数统计

Fig. 3Statistical distribution of shale content for FI and FII formation in X area

1.3孔隙特征

依据压汞资料，对朝-长地区9口井的100个样品进行统计，F油层组的微孔隙体积分数直方图见图4。

图4　D区F油层组储层微孔隙体积统计

Fig. 4Statistical distribution of micropore volume content for F formation in D area

从图中可以看出，微孔隙体积分数主要分布范围为20.0%～60.0%，平均值为39.9%。

图5给出了朝-长地区F油层组的可动流体孔隙与束缚水孔隙之比的直方图。

图5F油层组储层可动流体孔隙与束缚水孔隙之比的统计

Fig. 5Statistical distribution of ratio of micropore volume and movable fluid volume for F formation

由图5可以看出，可动流体孔隙与束缚水孔隙之比主要集中在0.4～1.2。这说明该区储层微孔隙比较发育，束缚水饱和度比较高。

1.4地层水矿化度特征

水性变化是影响储层电阻率的重要因素,地层水矿化度越高,储层电阻率越低。通过对X区F油层的地层水矿化度进行统计和分析,可以给出该区地层水矿化度的变化范围。

图6为朝-长X区F油层19口井21个层段的地层水矿化度分布范围统计图。从图中可知,X区属于淡水地层,地层水矿化度变化范围较大,最大值为11 200.0 mg/L,最小值为3 016.5 mg/L,主要分布在5 000～11 200.0 mg/L之间,平均值为6 947.2 mg/L。

图6　X区F油层的地层水矿化度分布范围统计

Fig. 6Statistical distribution of formation water salinity for F formation in X area

从以上分析可知,朝-长地区F油层组储层特征为低孔特低渗、泥质含量较高、微孔隙发育、孔隙结构复杂、束缚水饱和度高、地层水矿化度较淡。

2　朝-长地区低孔渗储层饱和度模型

根据朝-长地区F油层组储层特征,在建立该区F油层导电模型时应考虑泥质的附加导电性、孔隙结构的复杂性、束缚水与可动水导电路径的差别等因素,这样才可使所建立的导电模型更好地适应该区低孔渗储层解释。

2.1有效介质对称导电模型

针对朝-长地区低孔渗储层泥质含量高、缚水饱和度高的特点,将该区低孔渗储层岩石成分分为骨架颗粒、油气、泥质颗粒、束缚水、可动水五种,其体积模型见图7,物质平衡方程为

式中:Vma、Vsh——低孔渗泥质砂岩中的骨架颗粒、泥质颗粒的体积分数;

φwc、φwf、φh——低孔渗泥质砂岩中的束缚水、可动水、油珠的孔隙度;

φ——低孔渗泥质砂岩有效孔隙度。

图7　低孔渗储层有效介质导电模型的地层体积模型

Fig. 7Volume model of effective medium conductivity model for low porosity and permeability reservoirs

基于有效介质对称导电理论[12-13],五组分的低孔渗泥质砂岩电导率可表示为

(1)

Ct——低孔渗泥质砂岩电导率,S/m;

C1、C2、C3、C4、C5——低孔渗泥质砂岩中的骨架颗粒、泥质颗粒、束缚水、可动水、油珠的电导率(Cma、Csh、Cwc、Cwf、Ch),S/m;

φ1、φ2、φ3、φ4、φ5——低孔渗泥质砂岩中的骨架颗粒、泥质颗粒的体积分数，束缚水、可动水、油珠的孔隙度,φ1=Vma,φ2=Vsh,φ3=φwc,φ4=φwf,φ5=φh,量纲为一;

C0g——虚介质的电导率,S/m。

认为微孔隙水与可动水有相同的电导率,则有Cwc=Cwf=Cw。由于骨架颗粒和油珠不导电,故Cma=0,Ch=0。将其代入式(1)得

(2)

设λma、λsh、λwc、λwf、λh分别为低孔渗泥质砂岩中的骨架颗粒、泥质颗粒、束缚水、可动水、油珠的渗滤速率,量纲为一;γma、γsh、γwc、γwf、γh分别为低孔渗泥质砂岩中的骨架颗粒、泥质颗粒、束缚水、可动水、油珠的渗滤指数,量纲为一。认为泥质含量高时,泥质颗粒呈连续相存在,则λsh≠0;认为油气在尺寸、形状方面类似砂岩颗粒,可动流体孔隙的弯曲程度与骨架表面的曲折程度相似,故有λma=λh,γma=γh=γwf;考虑束缚水与可动水导电路径的差别,有γwf≠γwc。根据Koelman和de Kuijper给出的C0g参数化方法[12-13],并令γma=γh=γwf=γ1,γwc=γ2,整理得

(3)

令

A3=λwc(Csh+2Cw),A4=λwf(Csh+2Cw),

B3=3λwcCw,B4=3λwfCw,D1=VshCshB1,

D2=VshCshB2,D3=VshCshB3,D4=VshCshB4,

E1=A1B1,E2=A1B2+A2B1,E3=A1B3+A3B1,

E4=A1B4+A4B1,E5=A2B2,E6=A2B3+A3B2,

E7=A2B4+A4B2,E8=A3B3,E9=A3B4+A4B3,

(4)

φh=φ-φwc-φwf。

方程(4)为朝-长地区低孔渗泥质砂岩有效介质对称导电模型。解方程可求出φwf值,由φh=φ-φwc-φwf可计算有效含水饱和度(Sw),

(5)

2.2改进的Doll方程与印度尼西亚方程

对于朝-长地区低孔渗泥质砂岩,考虑泥质对岩石导电规律的两种相反因素的影响,一种因素为泥质的附加导电性,即泥质含量的增大使岩石电阻率减小的因素;另一种因素为由于泥质含量增大引起储集层岩石颗粒结构变化,孔隙结构趋于复杂化,而使泥质砂岩电阻率增大的因素。针对朝-长地区低孔渗泥质砂岩储层地层水矿化度较低的特征,选择适用于淡水泥质砂岩解释的DOLL方程和印度尼西亚方程进行改进。

基于DOLL方程,提出如下改进形式:

式中:Ro——100%饱和水的岩石的电阻率,Ω·m;

F——地层因素;

Rw——地层水电阻率,Ω·m;

Rsh——泥质电阻率,Ω·m。

Kp——孔隙结构改造系数,Kp=1+(Vsh/φ)C,当Vsh越大,φ越小时,Kp越大,说明其对孔隙结构改造越严重。

C——比例常数,与地区有关。

(6)

相对应的含水饱和度方程为

(7)

式中:n——饱和度指数;

Rt——低孔渗泥质砂岩电阻率,Ω·m。

基于印度尼西亚方程,提出如下改进形式:

(8)

相对应的含水饱和度方程为

(9)

2.3阿尔奇方程

1942年,阿尔奇通过实验研究含水纯岩石地层及含油气纯岩石地层的电阻率与孔隙度、含油饱和度关系,建立了阿尔奇方程:

(10)

式中:a、b——与岩石性质有关的岩性系数;

m——胶结指数,与孔隙结构有关。

3　模型比较

3.1理论分析

针对朝-长地区低孔渗泥质砂岩储层建立四种求取饱和度的模型,即有效介质导电模型、改进印度尼西亚方程、改进DOLL方程、阿尔奇方程。有效介质导电模型根据有效介质对称导电理论,优点是,考虑束缚水导电、泥质附加导电、可动水导电对岩石导电性的影响,同时,还考虑泥、束缚水的连通性、形状和结构等对岩石导电性的影响。它适用于含泥重、泥质附加导电性强、微孔隙发育、束缚水饱和度高的低孔渗储层解释。缺点是,模型形式较复杂,需要确定参数较多。改进印度尼西亚方程和DOLL方程根据并联导电理论和阿尔奇方程,既考虑泥质附加导电及泥质含量增大使电阻率减小的影响，又考虑泥质含量增大引起储集层岩石颗粒结构变化,孔隙结构趋于复杂化,而使泥质砂岩电阻率增大的影响。该模型适用于含泥重、泥质附加导电性强的低孔渗储层解释,且形式相对简单。缺点是,未考虑微孔隙发育、高束缚水饱和度对岩石导电性的影响。阿尔奇方程根据岩电实验测量数据统计建立,优点是,形式简单,参数较少。缺点是,不适用于高泥储层解释,未考虑微孔隙发育、高束缚水饱和度对岩石导电性的影响。以上分析表明有效介质导电模型考虑的因素最全面。

3.2应用效果

表1给出了三口密闭取心井采用四种含水饱和度模型计算的含水饱和度与岩心分析含水饱和度的对比结果,共对比了20个小层。从表1中可以看出,有效介质对称电阻率模型计算含水饱和度的平均绝对误差为2.6%,平均相对误差为7.0%;改进印度西亚方程计算含水饱和度平均绝对误差为3.6%,平均相对误差为9.1%;改进DOLL方程计算含水饱和度平均绝对误差为4.0%,平均相对误差为10.2%;阿尔奇方程计算含水饱和度平均绝对误差为7.1%,平均相对误差为17.6%。由此可知,有效介质对称电阻率模型计算含水饱和度与岩心分析饱和度对比精度最高,而阿尔奇方程计算含水饱和度与岩心分析饱和度对比精度最低。

图8为朝-长地区A密闭取心井的处理结果与岩心分析结果对比图,其中,Swi为束缚水饱和度。在5～7号层上界面附近储层的泥质含量较高，孔渗较低,有效介质导电模型求取的含水饱和度(Sw)与岩心分析饱和度最接近,改进的印度尼西亚方程求取含水饱和度(Sw-indonesia)与岩心分析饱和度较接近,而改进的DOLL方程求取含水饱和度(Sw-doll)与岩心分析饱和度相差较大,阿尔奇方程求取含水饱和度(Sw-archie)与岩心分析饱和度相差最大。在泥质含量较低、孔渗较好储层处,四种导电模型求取含水饱和度均接近岩心分析饱和度。由此说明,有效介质导电模型为求取朝-长地区低孔渗泥质砂岩储层含水饱和度的最佳导电模型。

表1　四种模型计算含水饱和度与密闭取心分析含水饱和度对比

图8　四种导电模型计算密闭取心A井的含水饱和度与岩心分析含水饱和度对比

4　结　论

(1)朝-长地区F油层组储层特征为低孔特低渗、泥质含量较高、微孔隙发育、孔隙结构复杂、束缚水饱和度高、地层水矿化度较淡。

(2)基于朝-长地区低孔渗储层特征建立的有效介质导电模型考虑了泥质附加导电和束缚水与可动水导电路径差别对岩石导电性的影响,同时,还考虑泥、束缚水的连通性、形状和结构等对岩石导电性的影响。建立的改进DOLL方程和印度尼西亚方程既考虑了泥质附加导电影响,又考虑了泥质含量增大使储层孔隙结构变复杂,泥质砂岩电阻率增大的影响。理论分析表明有效介质导电模型考虑的因素最全面。

(3)朝-长地区三口密闭取心井的饱和度对比结果表明,有效介质导电模型计算的含水饱和度精度最高,改进印度尼西亚方程计算的含水饱和度精度较高,改进DOLL方程计算的含水饱和度精度较低,阿尔奇方程计算的含水饱和度精度最低。有效介质导电模型为求取朝-长地区低孔渗泥质砂岩储层含水饱和度的最佳导电模型。

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(编辑荀海鑫)

Comparison of saturation models in application for low porous and permeable reservoirs

SONGYanjie1,2,SUSiyuan1,2,WANGNan3,WANGXiaoyong4

(1.School of Geosciences, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Accumulation & Development of Unconventional Oil & Gas, State Key Laboratory Cultivation Base Jointly-constructed by Heilongjiang Province & the Ministry of Science & Technology, Daqing 163318, China; 3.Geological Research Institute of Great Wall Drilling Company, Petro China, Panjin 124010, China; 4.Liaohe Project Department in Wireline Logging Company of Great Wall Drilling Company, Petro China, Panjin 124010, China)

Saturation evaluation of complex pore structures in reservoirs with low porosity and permeability remains a tough challenge in logging field. The investigation into the characters of porosity, permeability, shale content and pore structure in F formation of Chao-Chang area of Daqing concludes that the reservoirs are characterized by low porosity, low permeability, high shale content, more microscopic capillary pores and high irreducible water saturation. This paper introduces a symmetrical effective medium conductance theory based on the reservoir characters of F formation, and proposes a new effective medium conductivity model. The paper presents an improved Indonesia saturation equation and Doll equation and describes an analysis of the theoretical characteristics of three models and Archie equation and comparison of the calculated saturation results from the four models with the results in three sealed coring well. The contrast shows that the effective medium conductivity model, capable of more consideration factors, and with the minimum average relative error of water saturation, lends itself better to evaluation of the hydrocarbon saturation in argillaceous sandstone reservoir with low porosity and permeability.

low porosity and permeability reservoirs; irreducible water saturation; effective medium conductivity model; improved Indonesia equation; improved Doll equation

2013-04-11

国家自然科学基金项目(41274110)

宋延杰(1963-),男,黑龙江省五常人,教授,博士,研究方向:测井方法与资料解释,E-mail:syj1963@263.net。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.03.015

P618.130.2

1671-0118(2013)03-0282-07

A