致密砂岩储层饱和度指数n计算方法研究*

罗少成，成志刚，周金昱，席 辉，王长胜

1.中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西 西安 710077 2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018

致密砂岩储层饱和度指数n计算方法研究*

罗少成1，成志刚1，周金昱2，席 辉1，王长胜2

1.中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西 西安 710077 2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018

致密砂岩储层孔隙结构复杂，连通性差，孔隙中流体分布不均匀，由传统方法求取阿尔奇公式中的饱和度指数n存在较大误差，使测井计算的含油饱和度精度降低。以目标区储层岩电实验资料为依据，研究发现I−Sw关系在双对数坐标系下实验数据点比较分散，且在Sw=90%存在明显的拐点，饱和度指数在目标区储层中不是固定值。在前人研究成果的基础上，结合配套的核磁共振实验，分析了饱和度指数n的影响因素。其中储层孔隙结构对饱和度指数n的影响占主要因素，孔隙结构越复杂，其值越大。针对其主控因素，结合核磁共振T2谱采用多元回归分析法建立饱和度指数的计算模型，力求使计算的饱和度指数尽可能逼近实际值，以保证利用Archie公式计算的含油饱和度具有较高的准确性。

致密砂岩储层；饱和度指数；孔隙结构；孔隙度；核磁共振测井

罗少成，成志刚，周金昱，等．致密砂岩储层饱和度指数n计算方法研究[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（4）：116–122．

Luo Shaocheng,Cheng Zhigang,Zhou Jinyu,et al．Research on Saturation Index n of Tight Sandstone Reservoir[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（4）：116–122．

引言

饱和度评价是油气储量计算的关键参数之一，是油气储集层定量评价的核心[1]。饱和度求取方法通常采用阿尔奇公式，其中，饱和度指数n是阿尔奇公式中的重要参数之一，通常被定义为常数，取值2[2]。经过大量的实验及理论分析[3-11]后认为：饱和度指数n在使用时不应为一固定值，而应随岩石的温度、压力、润湿性、地层水矿化度和孔隙结构等诸多因素的变化而变化。尤其是致密储层，其复杂的孔隙结构、非均质性强和孔喉细小等特点[12]，如果在测井解释中对某一层位使用某一固定的饱和度指数n进行含水饱和度的计算，势必会造成较大的误差，从而影响储层评价的效果。为了能更加准确地计算流体饱和度，对饱和度指数n的深入研究就变得尤为重要。

1 实验数据分析

分析目标区储层14口井130块岩样的I–Sw实验数据，其中孔隙度主要分布在5.00%～10.00%，平均7.54%，渗透率主要分布在0.01～0.10 mD，平均0.07 mD，实验样品的I–Sw关系如图1所示。

图1 电阻增大率和含水饱和度关系图Fig.1 The relationship between resistivity increscent and water saturation

由图1可见，实验数据点在Sw=90%存在明显的拐点，说明了通过同一区块岩电数据回归的饱和度指数n值并不是唯一的一个值，n值的固定只适用于Sw在一定的范围内。对所有实验样品点采用阿尔奇模型进行回归，误差较大，表现为非阿尔奇岩石特征。以Sw=90%为界将实验数据点分为两段，分段拟合的相关性较高，其表达式为

从表达式看，两条直线的特征明显不同，表明在高含水和中、低含水饱和度条件下，岩石的导电特征有差异。在中、低含水饱和度情况下，岩石中的大孔隙喉道被几乎不导电的物质所充填，导电物质主要存在小喉道中，此时岩石的电阻率主要受孔隙曲折度的影响。孔隙结构越复杂，岩石的导电性越差，从而复杂了I和Sw的关系，使两者不再呈现简单的阿尔奇岩石特征现象。

2 n值的影响因素分析

2.1 温度和压力对饱和度指数的影响分析

温度和压力对饱和度指数n的综合影响不是十分明显，两者影响是相反的[13]。根据电阻增大率的定义

已证明在各种实验条件下，绝大部分b值基本趋近于1，因此，式（3）中温度和压力的变化仅反映在饱和度指数n的变化上。温度升高造成颗粒膨胀，导致一部分孔隙毛管性质发生变化，使岩石的亲水性增强，岩石的电阻率指数降低，即饱和度指数n减小；压力增加导致了孔隙结构的复杂化，造成导电通道电阻增加，导致岩石电阻率指数增大，即饱和度指数n增加。因此，温度和压力的变化对饱和度指数n的影响较小。

2.2 润湿性对饱和度指数的影响分析

岩石的润湿性也是影响饱和度指数n的一个重要因素。岩石润湿性的不同，影响着导电介质（地层水）在孔隙及孔喉中的分布，从而影响饱和度指数n的大小。研究结果表明[14]，中性润湿性时n约为2.000 0，亲油时n大于2.000 0，亲水时n小于2.000 0，即饱和度指数n随着岩石亲油性的增加而增大。统计了目标区130块岩样，饱和度指数n分布在1.6110～5.9240，平均2.5790，其中小于2.0000的有27块，大于2.000 0的有103块，总体认为储层的润湿性以亲油为主，与目标区现有的结论一致。

2.3 地层水矿化度对饱和度指数的影响分析

岩石导电能力主要与孔隙中流体的带电离子的浓度有关[15]。在地层水矿化度较低的条件下，饱和度指数n随着地层水矿化度的升高而迅速增大，但并不是无限的增大；当地层水矿化度超过20 000 mg/L以后，随着地层水矿化度的继续增大饱和度指数会逐渐趋于稳定，即在高矿化度区饱和度指数n基本保持恒定[16]。本次取芯的130块岩样所在目标区地层水矿化度平均为539 000 mg/L，水型为CaCl2，即目标区矿化度对饱和度指数n影响小，可忽略不计。

2.4 孔隙结构对饱和度指数的影响分析

核磁共振是目前研究储层孔隙结构的一种最有效的方法，其核磁谱分布反映了孔隙大小的分布[17-18]。本次实验共测试14口井130块岩样，实验测试参数回波间距tE=0.3 ms，等待时间tw=6 s，回波数Ne=4 096。图2是部分实验岩芯完全饱和盐水的T2谱，从图可以看出，17、149和83号的岩芯其不可动峰幅度大于可动峰幅度，74、99、105和103号的岩芯其可动峰幅度大于不可动峰幅度，且后4块岩芯的信号强度明显大于前3块。图3是实验离心后的T2谱，17、149和83号的岩芯的形态基本不变，而74、99、105和103号岩芯可动峰均有不同程度的减小，其原因是17、149和83号的岩芯孔隙结构复杂，束缚水饱和度高。

图2 实验岩芯的饱和T2谱分布Fig.2 The distribution of saturation cores T2spectrum

图3 实验岩芯的离心T2谱分布Fig.3 The distribution of centrifugal cores T2spectrum

以 10.0 ms和 100.0 ms为界限将谱分成小孔（0.3～10.0 ms）、中孔[10.0～100.0 ms）和大孔[100.0～3 000.0 ms），小孔、中孔和大孔的相对大小反映了不同尺寸孔隙组分在总孔隙中含量的相对多少，小孔所占比例越大，孔隙结构越复杂。表1统计了上述岩样的T2谱中小孔、中孔和大孔所占的比例与饱和度指数n的分析值，图4是在常规驱替实验下得到的含水饱和度–电阻增大率分布图，从中发现：孔隙结构越复杂，n值越大。当小孔所占比例大于70%时，83、149、17号的岩芯其饱和度指数较高，均大于2.000 0，且随着小孔比例的增大而增大；当大孔所占比例大于10%时，103、105、99、74号岩芯其饱和度指数较低，均小于2.000 0，且随着大孔比例的增大而增大。

表1 饱和度指数n与孔隙结构关系分析表Tab.1 The analysis table of saturation index n and pore structure

图4 不同孔隙结构的电阻增大率和含水饱和度关系Fig.4 The relationship between resistivity increscent and watersaturation of the different pore structure samples

图5为饱和度指数n与岩芯分析束缚水饱和度的关系。由图可知，n值随束缚水饱和度的增大而增大。一般来说，储层孔隙结构复杂或孔隙连通性变差都会引起束缚水饱和度增大，较小的饱和度变化将引起饱和度指数呈指数增大。

图5 饱和度指数n和束缚水饱和度关系图Fig.5 The relationship between saturation index n and irreducible water saturation

3 饱和度指数n的确定方法

3.1 饱和度指数n与孔隙度ϕ的关系

图6是利用单块样品I−Sw统计关系计算的饱和度指数n与孔隙度ϕ的关系图。

图中数据点包含了目标区长14口井130块岩芯岩电实验资料，统计结果显示，饱和度指数n与孔隙度ϕ存在一定的相关性，其表达式为

图6 饱和度指数n与孔隙度关系图Fig.6 The relationship between saturation index n and porosity

3.2 饱和度指数n与孔隙结构参数的关系

如前所述，储层岩石的孔隙结构是影响饱和度指数的最主要因素，而核磁共振测井是确定储层孔隙结构最有效的测井方法[19-21]。为此，可以通过研究核磁谱来确定饱和度指数n，分别阐述由T2截止值与T2几何平均值确定n的方法。

截止值将总孔隙度对应的T2谱分布分成小孔径和大孔径两部分，即不可动流体和可动流体。不可动流体孔隙度ϕb为小于截止值所对应的T2孔隙度分量的累加；可动流体孔隙度ϕm为大于截止值所对应的孔隙度分量的累加。ϕb/ϕm值越大，说明储层孔隙中小孔隙所占比例越多，储层的孔隙结构越复杂。

图7为饱和度指数n和不可动流体孔隙与可动流体孔隙比值的关系图。

图7 饱和度指数n与ϕb/ϕm关系图Fig.7 The relationship between saturation index n and ϕb/ϕm

饱和度指数n随ϕb/ϕm的增大而增大，也就是孔隙结构越复杂，n值越大，其统计关系为

几何平均值（T2gm）与储层孔隙结构密切相关，随孔隙结构变化而变化，是刻画孔隙结构十分有效的参数。在不考虑油气对T2谱影响的前提下，由核磁共振测井与岩电的配套实验可建立饱和度指数n与T2几何平均值T2gm之间关系，如图8所示，其关系式为

图8 饱和度指数n与T2gm关系图Fig.8 The relationship between saturation index n and T2gm

3.3 多因素拟合经验公式法

油藏条件下的含水饱和度指数n值与任一单因素的相关性都不是特别地好，即用单因素进行回归，必定存在较大的误差。因此，提出了采用多因素对饱和度指数n进行拟和，以力求使计算的岩电参数与岩石的实际值尽可能逼近。根据上述实验样品的岩电实验和核磁共振实验结果，通过多元回归的方法建立了饱和度指数n的计算公式

图9 计算n值与测量n值的对比Fig.9 The calculated saturation index n vs.the measured saturation index n

4 结 论

（1）温度和压力对饱和度指数影响小，常温常压下得到的关系可以运用到地下储层。

（2）岩石的润湿性对饱和度指数影响大，中性润湿性时n约为2.000 0，亲油时n大于2.000 0，亲水时n小于2.000 0。

（3）目标区地层水矿化度高，对饱和度指数n影响小，可忽略不计。

（4）储层的孔隙结构对饱和度指数n的影响占主要因素，孔隙结构越复杂，束缚水饱和度越高，饱和度指数n越大。

（5）利用核磁共振T2谱进行孔隙结构分析，从中提取孔隙结构特征参数，通过多因素拟合的方法建立饱和度指数n值计算公式，所得到的结果更符合样品的实际情况。

符号说明

Sw—含水饱和度，%；I—电阻增大率，无因次；Rt—岩石电阻率，Ω·m；Ro—岩石完全含水电阻率，Ω·m；b—与岩性有关的常数，无因次，b值通常趋近于1；n—饱和度指数，无因次；ϕ—孔隙度，%；ϕb—不可动流体孔隙度，%；ϕm—可动流体孔隙度，%；T2gm—T2几何平均值，ms。

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编辑：张云云

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Research on Saturation Index n of Tight Sandstone Reservoir

Luo Shaocheng1,Cheng Zhigang1,Zhou Jinyu2,Xi Hui1,Wang Changsheng2
1.Reservoirs Evaluation Center，China Petroleum Logging Co.Ltd.，Xi′an，Shaanxi 710077，China 2.Exploration and Development Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi′an，Shaanxi 710018，China

The traditional statistical analysis method of computing the saturation index n in Archie equation is of low precision，because tight sandstone reservoir has complex pore structure，poor connectivity and inhomogeneity of pore fluid distribution. For this kind of reservoir，the computed oil saturation is often somewhat low.Based on lab data of petrophysical-electric property，we find the relationship between the resistivity increscent I and water saturation Swis dispersed in double logarithmic coordinate system and there exists an obvious inflection point when Sw=90%，and the saturation index n is not fixed in this kind of reservoir.On the basis of previous research results，combined with NMR，this study analyzes the influence factors of saturation index.The pore structure of reservoir rock is the major influence factor of saturation index n.The more complex pore structure，the greater the saturation index n.According to the major influence factor，and by using the multivariate regression analysis method，we established statistical model of saturation index with NMR T2spectrum.In this way，the calculation result is approximately the same with the real value of the saturation index n which makes sure that the Archie equation applies to oil saturation calculation of reservoir with high accuracy.

tight sandstone reservoir；saturation index；pore structure；porosity；NMR logging

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2013.10.10.01.html

罗少成，1983年生，男，汉族，湖北监利人，工程师，硕士，从事测井方法研究与解释评价工作。E-mail：lsc0222@126.com

成志刚，1965年生，男，汉族，四川双流人，高级工程师，硕士，从事测井方法、测井资料解释研究及技术管理工作。E-mail：zgcheng_007@126.com

周金昱，1982年生，男，汉族，宁夏海原人，工程师，硕士，主要从事测井解释综合评价方面工作。E-mail：zhoujy_cq@petrochina.com.cn

席辉，1981年生，男，汉族，甘肃白银人，工程师，硕士，主要从事油气成藏机理、测井评价方法与应用研究。E-mail：94181170@qq.com

王长胜，1982年生，男，汉族，山西介休人，工程师，硕士，主要从事测井解释综合评价工作。E-mail：wangss_cq@petrochina.com.cn

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.10.10.01

1674-5086（2014）04-0116-07

T132

A

2013–10–10 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2014–07–02

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项（2011E–2602）。