离心法和隔板法测量低渗透储层饱和度指数的对比

韩学辉，李峰弼，戴 蕾，唐 俊，王雪亮，王洪亮，房 涛

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛266580；2.中国石油西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院,新疆克拉玛依834000；3.中国石油西部钻探工程有限公司测井公司,新疆克拉玛依834000)

目前,Archie公式仍是低渗透储层估算原始含水饱和度的常用方程[1-3]。其中,饱和度指数n的测量是通过降低或增加含水饱和度来测量电阻增大率后幂函数拟合得到的。由于低渗透储层渗流能力差,增加或降低饱和度方法中驱替或吸吮过程的毛管压力与电性平衡会影响到饱和度指数的测量[4-6],最终影响含油气饱和度的计算精度,因此低渗透储层饱和度指数n的测量方法以及方法的适应性一直受到岩石物理学家和测井分析家的广泛关注[7-13]。笔者应用目前较为常用的离心法和半渗透隔板法毛管压力-电阻率联测方法测量4个低渗透、特低渗透油气藏储层的饱和度指数,对比分析饱和度指数的测量结果的差异性和机制,结合储层饱和度测井评价考察方法的适应性。

1 实验方法和实验装置

1.1 测量原理

离心法是指岩心在高速离心机旋转过程中,孔隙流体所受的离心力大于毛管压力时将会相对于岩石骨架发生位移,并从岩石孔隙中排出。实验时,逐渐增加离心转速并测量该转速下的饱和度和电阻率,绘制电阻增大率-饱和度交会图后幂函数拟合得到饱和度指数。

隔板法是利用半渗透隔板在一定压力范围内只允许单相流体通过的特性,通过逐级加压驱替实验测量电阻增大率,同时记录驱替压力与含水饱和度,绘制电阻增大率-饱和度交会图后幂函数拟合得到饱和度指数,同时可得到一条毛管压力曲线。实验进行至隔板的最大突破压力(在该压力非润湿相开始通过隔板)时终止[14]。

1.2 实验装置

图1为研制的半渗透隔板法毛管压力-电阻率联测装置。该装置由哈斯勒夹持器、压力施加子系统、温度施加子系统、饱和度计量子系统和电阻率测量子系统组成。温度范围为室温～80℃,压力包括围压和驱替压力,围压的控制范围为0～30 MPa,驱替压力取决于隔板的突破压力(1.5 MPa,最大6.8 MPa)。饱和度的计算依据驱替过程中的出液量,采用精度为0.02 mL的量筒计量。电阻率可实现在线测量,为了减小测量过程中的接触电阻,岩心夹持器(图1(c))采用多孔导电橡胶作为耦合材料[15]。

图1 半渗透隔板法毛管压力-电阻率联测装置Fig.1 Device for capillary pressure-resistivity connection survey based on porous plate method

2 实验及结果分析

为了考察不同饱和度指数测量方法的适应性,分别应用半渗透隔板法毛管压力-电阻率联测和离心法测量4种典型低渗透储层的饱和度指数n,对比分析饱和度指数测量结果的差异性和机制。

2.1 实验条件

由于CSC-12型离心机不能对岩样施加地层压力,也不能在线测量电阻率,需要在停止离心后取出测量电阻率,电阻率的测量采用常温常压的测量方式[16]。降饱和度时采用氮气、空气作为驱替介质。这些条件与储层的真实条件有一定差异,但由于温度、压力、驱替介质条件基本一致,并不妨碍考察两种实验测量方法的差异性。

2.2 实验样品

实验样品来自S、M、D、X井区共4个低渗透、特低渗透油气藏。为了更好地分析两种方法的适应性,补充测量了DJ井区中、高渗透油气藏6块中高孔渗样品。表1给出了54块岩心的岩性、孔隙度和渗透率。为考察两种实验测量方法的差异性,每块样品都加工了平行样。

表1 岩石样品基本参数Table 1 Basic parameters of samples

2.3 实验步骤

(1)岩心钻取、端面切割后抛光,以避免由于存在楔形空隙而导致接触电阻变大。

(2)应用二氧化碳溶解气驱方法对含油岩心洗油[17-18]。

(3)烘干岩心后用氦气法测量孔隙度、渗透率等基本物性参数。

(4)基于二氧化碳置换抽真空加压饱和技术饱和地层水[19]。

(5)分别应用半渗透隔板法毛管压力-电阻率联测和离心法测量饱和度指数。

2.4 实验结果分析

图2为低渗透性油气藏饱和度指数n与岩心物性参数的交会图。在实验考察的范围内发现：离心法确定饱和度指数n总体上高于隔板法确定的饱和度指数n；两种方法的差值有随着岩心孔隙度、渗透率变小而增大的趋势；对于渗透率在2×10-3～4×10-3μm2以上的低渗透岩心,两种实验方法得到的n值大致相当,平均绝对偏差小于0.05；当渗透率小于2×10-3～4×10-3μm2时,离心法确定的饱和度指数n明显偏大,最大值甚至可达到5.8,远远超过一般的认识。分析认为,造成这种差异性的原因主要是由于低渗透岩心物性较差,需要的毛管压力与电性平衡的时间长,而离心法降饱和度会导致岩心轴向上的毛管压力和饱和度不均匀分布。通常在岩心轴向上靠近离心机转轴的一端含水饱和度较低,表现为略干燥,测量岩心电阻时岩心端面与电极之间的接触电阻增大,导致岩心电阻率测量结果偏高。

图3为本次实验中得到的毛管压力曲线图和电阻增大率与含水饱和度的交会图。由图可见,M地区与S地区半渗透隔板毛管压力曲线均存在一定的差异性,表明岩心在孔隙结构上存在一定的非均质性。进一步结合孔隙度、渗透率等地质参数,对岩心做了分类并分别给出了饱和度指数。M地区毛管压力曲线大致呈“上凸”、“下凹”两类(图3(a))。“上凸”型储层孔喉半径小,排驱压力高,孔隙度基本小于10%,渗透率低于1×10-3μm2,为相对较差储层或者非储层,对应饱和度指数较高；“下凹”型储层孔喉半径大,排驱压力低,分选略差,孔隙度基本大于10%、渗透率高于2×10-3μm2,为相对优质储层,对应饱和度指数略低(图3(b))。S地区毛管压力曲线大致呈“上凸”、“下凹”两类(图3(c))。相比M地区,S地区孔隙度和渗透率普遍较低。“上凸”型储层主要为岩屑砂岩,孔喉半径小,渗透率低于1×10-3μm2,为相对较差储层,饱和度指数高；“下凹”型储层主要为石英砂岩,孔喉半径略大,渗透率大多高于1×10-3μm2,排驱压力低,分选好,为相对优质储层,对应的饱和度指数低(图3(d))。

图2 低渗透性油气藏饱和度指数与物性参数交会图Fig.2 Cross plots of saturation exponent and physical parameters of low permeability reservoirs

图3 半渗透隔板法测量的毛管压力曲线和电阻增大率与饱和度指数交会图Fig.3 Capillary pressure curves and cross plots of saturation exponent and resistivity index based on porous plate method

3 饱和度指数在饱和度计算的应用性评价

M地区三工河组储层渗透率分布在0.1×10-3～65×10-3μm2,平均为 11.6×10-3μm2。隔板法和离心法测量饱和度指数分别为2.14和2.20,基本无差异。图4为M地区某井饱和度计算结果图。由图可见,应用两种方法确定的饱和度计算的含油饱和度基本一致,且计算结果与密闭取心饱和度分析结果吻合得较好(平均误差小于5%),能够满足储层饱和度计算精度的要求。

SU77地区XX组储层渗透率分布在0.011×10-3～2.55×10-3μm2之间,平均为 0.167×10-3μm2,属于特低渗透气藏。隔板法和离心法测量饱和度指数分别为1.80和3.15,差异很大。图5为X井饱和度计算结果图。3047～3051m为生产井段,并与其余2层(5 m)合试,日产气为12 152 m3。可见,应用隔板法测量饱和度指数计算含气饱和度平均为68%,比离心法确定饱和度指数计算的饱和度平均提高12%,与生产情况吻合得较好。

图4 两种方法确定的饱和度指数在M地区某井饱和度计算中的应用Fig.4 Saturation evaluation with saturation exponents measured by two methods in a well of M aera

图5 两种方法确定的电性参数在S地区某井饱和度计算中的应用Fig.5 Saturation evaluation with saturation exponents measured by two methods in a well of S aera

4 结 论

(1)对于2×10-3～4×10-3μm2以上的低渗透岩心,离心法和隔板法均适用,因此可使用离心法在满足精度要求条件下测量饱和度指数以提高测量效率(隔板法精度好,但测量周期经常为2个月左右)；当渗透率小于2×10-3～4×10-3μm2时,离心法的适应性变差,隔板法应仍然适用,但适应性会受到隔板突破压力的限制。本次研究中,很多样品的含水饱和度下降很少,甚至不足40%,明显受到了实验采用半渗透隔板的突破压力仅为1.2 MPa的限制。

(2)当渗透率小于2×10-3～4×10-3μm2时,离心法测量结果“失真”的主要原因是由于毛管压力不平衡而导致的岩心轴向上的毛管压力和饱和度的不均匀以及离心过程中“蒸发”的影响。离心法本身的缺陷导致无法通过建立两种方法测量结果的回归关系对离心法测量结果加以修正。因此,在该条件下使用隔板法是比较稳妥的作法。

(3)M地区和S地区的应用案例表明能够同时提供毛管压力曲线用于划分储层类型(识别非储层)并给出相应的饱和度指数,可在一定程度上有效应对低渗透储层的非均质性。

(4)饱和度指数n与岩性、物性参数存在某种相关性,建议将岩电实验与岩性、物性实验相结合,使用变n值方式可在一定程度上解决均质储层饱和度的评价。实验研究的部分样品渗透率小于0.1×10-3μm2,属于致密气层的范围,应用隔板法取得了较好的实验效果,有必要进一步考察应用隔板法测量致密气层饱和度指数的适应性。

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