关于疏松砂岩孔隙度校正系数的探讨

马立涛，李洋冰，陈 鑫，柳雪青，胡维强，刘 成，邓 挺

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

随着常规油气可采储量逐渐减少，非常规油气资源逐渐成为油气勘探的重要领域[1-4]。重油资源在非常规油气资源中占有较大的比重，我国重油可采储量为19.1×108t，是未来常规原油生产的重要接替战场[5]。在渤海海域发现的重油油藏储层埋藏浅(900～1 800 m)，属于典型疏松的砂岩[6-7]。疏松砂岩等松软介质在压实和卸载过程中存在弹性和塑性两种变形方式[8-9]，钻井取心时将岩心提升到地面，由于上覆压力卸载和流体积膨胀，会造成疏松砂岩体积膨胀，甚至导致矿物颗粒呈游离状态[10]。地面测得的孔隙度值一般较地层孔隙度大2%～10%[11-15]，相同的地层覆盖压力下，胶结程度越差，岩石地面孔隙度与地层孔隙度差值越大[16]。岩石孔隙膨胀同时影响到地层含水饱和度数值[17-18]，因此需要将地面孔隙度校正到地层条件下的孔隙度，否则可造成计算的油气地质储量偏高5%～7%[19-21]。Teeuw D、袁兴柏分析了油藏岩石孔隙体积、孔隙度、压缩系数随压力的变化关系，并在试验数据的基础上提出了地层条件下岩石孔隙度的计算方法[22-23]。耿斌等[24]在岩石孔隙压缩理论研究的基础上，推导出了三种孔隙度地下压缩校正方法。郝建中等[25]避开转换关系式，通过实验室测定岩心在不同覆压下单轴孔隙度和三轴孔隙度的变化规律，确定与地层有效覆压等效的静水压力。在等效地层有效覆压下，测定岩心的三轴孔隙度，该孔隙度即为岩心在有效地层覆压下的单轴孔隙度。

上述孔隙度校正理论和试验研究，都是基于美国岩心公司提出的地层孔隙度校正公式，其中孔隙度校正系数对地层孔隙度的影响最大。Teeuw D认为常见储集岩孔隙度校正系数在0.56～0.69之间，通常取经验值0.619。中石油勘探开发研究院岩石力学实验室统计中国12个油田储集层的117块岩样的孔隙度校正系数，其范围在0.47～0.65之间，平均值为0.57。研究认为孔隙度校正系数采用0.57或0.619对固结岩石地层孔隙度的精度没有影响，固结岩石和疏松砂岩孔隙度校正系数仍然选用经验值0.619[26]。由于岩石泊松与胶结程度有关，导致疏松砂岩孔隙度校正系数与固结砂岩差异较大，但目前关于疏松砂岩的孔隙度校正系数研究的资料却有限。本文选取明华镇组、馆陶组、东营组三个层位的疏松砂岩作为研究目标，采用声波试验测试获取不同层位疏松砂岩的泊松比和孔隙度校正系数，并结合粒度分析资料、地面孔隙度测试试验、三轴孔隙度测试试验来研究疏松砂岩孔隙度校正系数影响因素以及孔隙度校正系数对地层孔隙度校正的影响，这对于建立精确的疏松砂岩孔隙度校图版，提高容积法储量计算精度具有重要意义。

1 孔隙度校正方法概述

根据美国岩心公司的研究结果，地面孔隙度、三轴等压孔隙度和地层孔隙度有如下关系[20]：

Φr=Φ0-γ(Φ0-Φ3)

(1)

式中Φr——储层孔隙度，%；

Φ0——地面条件下测定的岩心孔隙度称为地面孔隙度，%；

Φ3——三轴等压孔隙度，%；

γ——孔隙度校正系数，无量纲。

Teeuw D[11]通过对人造岩心模型理论的计算和实际岩心测试，得出校正系数γ与泊松比ν之间存在下列关系：

(2)

式中ν——岩石泊松比，无量纲。

从公式(1)可知，孔隙度校正系数γ对于地层孔隙度Φr的影响较大；由(2)式可以看出，孔隙度校正系数的大小只与泊松比有关。

2 样品岩石学特征

岩石薄片分析资料表明：明化镇疏松砂岩以中—细粒长石砂岩及粉砂岩为主，孔隙类型为原生粒间孔，填隙物含量为14%，以游离—点接触及点接触为主，分选中等—差。馆陶组岩性以中细砂岩、含砾中—粗砂岩及砂砾岩为主，孔隙类型为原生粒间孔，填隙物含量为9%，以点接触为主，分选差。东营组疏松砂岩以岩屑长石砂岩为主，孔隙类型以原生粒间孔为主，偶见粒间溶蚀孔隙，填隙物含量在4%～8%之间，以线—点式接触为主，分选好—中等。可以看出，随着深度增加，矿物颗粒接触关系从游离—点接触向线—点式接触过渡；孔隙类型逐渐出现粒间溶蚀孔隙，如图1所示。

3 试验方法

疏松砂岩样品取自Q井、P井、S井的明化镇组、馆陶组、东营组3个层位，固结砂岩样品取自QHD井的沙河街组。在-196 ℃条件下冷冻钻取疏松砂岩柱塞样品，并用锡套和金属网进行包封保护处理；清洗、干燥后，测量地面孔隙度、岩石视密度、泊松比、三轴孔隙度等参数。另外取50 g与柱塞样品同深度的样品进行岩石粒度测试试验。

图1 疏松砂岩铸体薄片特征Fig.1 Characteristic of unconsolidated sand stone cast sectiona.P井，明化镇上段，长石砂岩，游离接触；b. Q井，明化镇下段；c. P井，馆陶组，点接触为主；d. S井，东营组，线—点式接触。

地面孔隙度测试试验是在美国岩心公司生产的Ultrapore300型氦孔隙度仪上完成的。用三氯甲烷试剂对柱塞样品抽提法除油；在105 ℃条件下干燥8 h后，称重、丈量柱塞尺寸并计算柱塞样品外观体积；然后用Ultrapore300型氦孔隙度仪测试柱塞样品颗粒体积，根据重量、外观体积计算柱塞岩样视密度、地面孔隙度。

泊松比测试试验是在超声分析仪上完成的。将柱塞岩样抽真空饱和后，放入超声分析仪岩心夹持器。由超声分析仪发射换能器发出声波。声波在岩心样品内传播后，送入示波器。计算机采集示波器内的波形数据，经过计算处理获得声波在岩心样品内的传播时间。再通过测量岩心样品的长度，便可以得到岩心样品的纵横波声速，然后根据纵横波声速计算出岩石泊松比。

三轴孔隙度测试试验是在美国岩心公司生产的CMS-300覆压孔渗仪上完成的。将测试完泊松比的柱塞岩样干燥后，放入CMS-300覆压孔渗仪。根据样品的净上覆地层压力设定试验压力，测试柱塞样品三轴孔隙度。

岩石粒度测试试验是在MS2000型激光粒度分析仪上完成的。称取50 g岩样置于研钵中，破碎成粒径小于5 mm碎块；用三氯甲烷试剂抽提法除油后，将样品置于陶瓷碗中，用15%的稀盐酸除去岩样中的碳酸盐。在105 ℃条件下烘干4 h后，用激光粒度仪测试岩石粒度。

4 试验结果与分析

4.1 包封材料对泊松比测量结果的影响研究

由于制备疏松砂岩柱塞样品时需要使用锡套、不锈钢网等包封材料，因此需要研究包封材料对泊松比测试结果的影响。沙河街组12块固结砂岩声波试验数据见表1。从表中可以看出，不带锡套包封的柱塞样品的泊松比介于0.23～0.41之间，平均值为0.34；带锡套包封材料的柱塞样品的泊松比介于0.25～0.42之间，平均值为0.34。图2显示了由两种状态下测试的泊松比计算的孔隙度校正系数之间的关系，研究发现带包封材料泊松比计算的孔隙度校正系数与不带包封材料泊松比计算的孔隙度校正系数有较好的幂函数正相关性；表1数据也显示由不带包封材料砂岩泊松比和带包封材料砂岩泊松比计算的校正系数平均值分别为0.67和0.68，说明锡套、不锈钢网等包封材料对岩心泊松比测试的影响可以忽略。

图2 带包封材料孔隙度校正系数与不带包封材料孔隙度校正系数的关系Fig.2 Relationship between porosity correction coefficient of encapsulation material and porosity correction coefficient of unencapsulation material

4.2 疏松砂岩泊松比和孔隙度校正系数影响因素

14块疏松砂岩声波试验参数包括泊松比、岩纵横波声速和杨氏模量，具体数据见表2。从表中可以看出明化镇组泊松比介于0.36～0.41之间，平均值为0.40；馆陶组泊松比介于0.32～0.42之间，平均值为0.36；东营组泊松比介于0.27～0.43之间，平均值为0.35。

表1 沙河街组固结砂岩包封前后泊松比、孔隙度校正系数Table 1 Poisson’s ratio and porosity correction coefficient of Shahejie formation before and after the coating of consolidated sandstone

表2 疏松砂岩声波试验参数Table 2 Acoustic experiment parameters of loose sand

由图3中可以看出，孔隙度校正系数随疏松砂岩密度的增大呈减小趋势，二者呈现出较好的指函数负相关关系，相关系数为0.79。这是由于泊松比受压实作用、胶结作用、岩石矿物成分、粒度等因素的综合影响，导致孔隙度校正系数减小，这与前人的研究结果[27]基本相吻合。

图3 疏松砂岩孔隙度校正系数与岩石密度的关系Fig.3 Relationship between porosity correction coefficient and bulk density of unconsolidated sand stone

图4 疏松砂岩孔隙度校正系数与粒度中值关系Fig.4 Relationship between porosity correction coefficient and median size of unconsolidated sand stone

孔隙度校正系数与岩石粒度中值之间的关系如图4所示，从图中可以看出孔隙度校正系数与岩石粒度中值呈一定的负相关性。关成尧、漆家福[28]等研究认为岩石矿物颗粒直径越大，颗粒的弹性模量越大，泊松比越小。矿物颗粒直径对岩石泊松比的影响大于矿物固有弹性模量的影响。在沉积时，水动力条件的变化使组成疏松砂岩的矿物颗粒的粒径发生变化，因此在胶结物含量极少的情况下，疏松碎屑岩孔隙度校正系数受控于沉积相；这也是4-062C号水下分流河道砂砾岩孔隙度校正系数小于疏松细砂岩泥泊松比的重要因素。

4.3 疏松砂岩孔隙度校正系数及其对孔隙度校正的影响

根据岩石泊松比试验数据计算明化镇组、馆陶组、东营组3个层位的泊松比平均值以及相对应的校正系数，详细数据见表3。从表中可以看出，随着地层年代变老，孔隙度校正系数呈逐渐减小的趋势。

表3 不同层位孔隙度校正系数Table 3 Correction coefficient of porosity in different formation

将表3确定的不同层位的孔隙度校正系数和经验值0.619分别带入式(1)中，计算地层条件下的孔隙度，采用经验值0.61计算的地层孔隙度误差在1.5%～4.7%之间；以试验测试孔隙度校正系数计算的地层孔隙度为标准，明化镇组、馆陶组、东营组的平均校正误差分别为4.0%、2.1%、3.1%，这与岩心分析方法标准所规定的孔隙度校正误差小于0.5%相冲突，这说明孔隙度校正系数经验值0.619不适用于疏松砂岩。

5 结论

(1)由于锡套、不锈钢网等包封材料对岩石声波试验没有影响，因此声波试验测试的包封疏松砂岩的泊松比可以直接用于计算孔隙度校正系数。

(2)疏松砂岩的孔隙度校正系数与岩石视密度、粒度呈明显的负相关关系。疏松砂岩孔隙度校正量与岩样孔隙度呈正相关关系。

(3)疏松砂岩的孔隙度校正系数一般介于0.58～0.84之间，多数大于0.71；明华镇组、馆陶组、东营组疏松砂岩地面孔隙度校正系数分别为0.77、0.72、0.71；将经验值与实测值孔隙度校正系数计算地层孔隙度进行对比，结果说明经验值0.619不适用于疏松砂岩。