王培春 張琳琳 馬 超 齊 奕

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

基于連續(xù)變地層膠結(jié)指數(shù)m值的含水飽和度計(jì)算方法
——以渤海油田復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層為例*

王培春 張琳琳 馬 超 齊 奕

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452)

近年來，在渤海油田發(fā)現(xiàn)了許多復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層，巖石類型多樣化和分選性差，導(dǎo)致孔喉結(jié)構(gòu)多變、物性差異大、地層非均質(zhì)性強(qiáng)和巖電參數(shù)不確定性大，難以準(zhǔn)確計(jì)算地層飽和度。提出了適合本區(qū)的基于連續(xù)變m值的飽和度計(jì)算方法，即在高分辨率能譜測(cè)井計(jì)算出地層巖石密度骨架值的前提下，先利用地層聲波時(shí)差與密度交會(huì)的方法反推地層巖石聲波骨架值，然后根據(jù)J. P. Martin等提出的聲波地層因素公式計(jì)算出反映地層孔喉結(jié)構(gòu)幾何特征的聲波迂曲度系數(shù)，并建立巖心分析得到的地層膠結(jié)指數(shù)m與聲波迂曲度系數(shù)之間的關(guān)系，最后將得到的連續(xù)變m值代入阿爾奇公式計(jì)算出地層飽和度。實(shí)例分析表明，本文方法可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出地層原始含水飽和度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層飽和度的定量解釋，可以為今后其它復(fù)雜砂巖油氣田的定量解釋提供思路。

復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層；含水飽和度；連續(xù)變地層膠結(jié)指數(shù)m值；聲波迂曲度系數(shù)；渤海油田

近年來，隨著渤海油田勘探開發(fā)程度日益加深，越來越多的復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層出現(xiàn)在石油工作者面前。對(duì)于復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層，巖石類型多樣化和分選性差，導(dǎo)致孔喉結(jié)構(gòu)多變、物性差異大、地層非均質(zhì)性強(qiáng)和巖電參數(shù)不確定性大，因此傳統(tǒng)采用固定巖電參數(shù)(如阿爾奇公式、Waxman-Smits方程、印度尼西亞公式)計(jì)算飽和度的方法已難以滿足需要[1]。而儲(chǔ)層飽和度計(jì)算是制約油氣藏儲(chǔ)量準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)之一，且嚴(yán)重影響后期的開發(fā)部署工作。

圖1為渤海油田A井目的層段常規(guī)測(cè)井曲線，該井取心段巖心照片顯示地層上下巖性變化快，既存在砂巖，又有含礫砂巖、砂礫巖。該井巖性的復(fù)雜性導(dǎo)致測(cè)井響應(yīng)差異化：砂巖(963.7～965.7 m)表現(xiàn)為低密度、高中子、高聲波時(shí)差特征；含礫砂巖(965.7～967.5 m)表現(xiàn)為中低密度、中低中子、中高聲波時(shí)差特征；砂礫巖(986.0～998.5 m)表現(xiàn)為高密度、低中子、低聲波時(shí)差特征。由于電阻率測(cè)井受巖性、含油性雙重影響，所以基于阿爾奇公式及其延伸的其他飽和度公式計(jì)算的該井飽和度SWE數(shù)據(jù)難以反映地層的真實(shí)情況(圖1)。目前，針對(duì)復(fù)雜巖性儲(chǔ)層飽和度計(jì)算，陸地油田建立了大量分析方法和計(jì)算公式[2]，這些都是以大量實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)為前提。海上油氣田受作業(yè)條件限制和成本控制，巖心數(shù)據(jù)資料較少，因此如何針對(duì)當(dāng)前資料開展飽和度準(zhǔn)確評(píng)價(jià)成為主要難點(diǎn)。

圖1 渤海油田A井目的層段常規(guī)測(cè)井曲線

本文以渤海油田A、B井新近系目的層段為例，提出了連續(xù)變地層膠結(jié)指數(shù)m值計(jì)算復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層飽和度的方法。首先，根據(jù)高分辨率能譜測(cè)井[3]準(zhǔn)確測(cè)量地層的元素含量，并依此計(jì)算出地層巖石密度骨架值，再利用聲波時(shí)差-密度交會(huì)分析反推地層巖石聲波骨架值；然后，在聲波地層因素公式[4-5]的基礎(chǔ)上計(jì)算反映地層孔喉結(jié)構(gòu)幾何特征的聲波迂曲度系數(shù)；最后，針對(duì)油田復(fù)雜儲(chǔ)層具體地質(zhì)特征，根據(jù)本油田以及類似油田15塊巖電實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，建立巖心分析得到地層膠結(jié)指數(shù)m與地層聲波迂曲度系數(shù)x的關(guān)系求取連續(xù)可變m值，再將連續(xù)可變m值引入阿爾奇公式計(jì)算出地層飽和度。該方法成功解決了渤海油田飽和度計(jì)算的難題，為今后其他地區(qū)復(fù)雜砂巖油氣田的定量解釋提供了思路。

1 計(jì)算方法

1.1 地層巖石密度骨架值計(jì)算

由于實(shí)驗(yàn)室無法確定地層巖石聲波骨架值，所以要先根據(jù)高分辨率能譜測(cè)井(Litho Scanner)[3]準(zhǔn)確測(cè)量地層的元素含量，再依此計(jì)算出地層巖石密度骨架值。高分辨率能譜測(cè)井是斯倫貝謝公司最新推出的新一代地球化學(xué)測(cè)井儀，較上一代元素俘獲能譜測(cè)井(ECS)有了明顯改善，中子輸出通量高達(dá)每秒3億個(gè)，比當(dāng)前測(cè)井使用的化學(xué)放射源高8倍以上。清晰的、分離的非彈性散射和俘獲能譜數(shù)據(jù)使Litho Scanner可以比上一代工具測(cè)量更多的元素(包括碳元素)，通過剝譜、氧化物閉合原理等過程可以分析沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖地層的組分，繼而更好地了解其他性質(zhì)、礦物成分、成巖作用和含油氣潛力等方面的信息[6-9]。因此，利用高分辨率能譜測(cè)井建立了研究區(qū)復(fù)雜砂巖地層巖石骨架參數(shù)(如巖石骨架密度、巖石骨架中子、巖石光電吸收截面等)計(jì)算關(guān)系式，其中地層巖石密度骨架值計(jì)算公式為

ρma=2.62+0.049WSi+0.227 4WCa+

1.993WFe+1.193WSu

(1)

式(1)中：ρma為地層巖石密度骨架值，g/cm3；WSi為高分辨率能譜測(cè)井得到的Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；WCa為高分辨率能譜測(cè)井得到的Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；WFe為高分辨率能譜測(cè)井得到的Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；WSu為高分辨率能譜測(cè)井得到的Su的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

利用式(1)可得到地層巖石密度骨架值。圖2為渤海油田B井Litho Scanner測(cè)井圖，可以看出，雖然該井目的層段地層巖性多變，但是礦物元素及組分含量在儲(chǔ)層段沒有太大變化，由式(1)計(jì)算的地層巖石密度骨架值(圖2第13列ZDEN)在儲(chǔ)層段為2.62～2.68 g/cm3，與實(shí)驗(yàn)室井壁取心分析(圖2第13列ZDEN_G)得到的地層巖石密度骨架值一致。

圖2 渤海油田B井目的層段Litho Scanner測(cè)井確定地層巖石密度骨架值

1.2 地層巖石聲波骨架值求取

因?yàn)閹r石骨架不存在孔隙，所以當(dāng)巖石密度值趨于骨架密度值時(shí)，對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差就為該巖性地層巖石聲波骨架值，采用聲波時(shí)差和密度交會(huì)分析可以建立地層巖石密度骨架值與地層巖石聲波骨架值的關(guān)系。圖3為渤海油田A井不同巖性地層的聲波時(shí)差-密度交會(huì)圖，所建立的回歸關(guān)系式為

Δt=405.3-132ρ(R2=0.98)

(2)

式(2)中：ρ為測(cè)量的地層密度，g/cm3；Δt為測(cè)量的地層聲波時(shí)差，μs/ft。

將利用式(1)求取的地層巖石密度骨架值ρma代入式(2)中，便可確定該地層巖石密度骨架值對(duì)應(yīng)的地層巖石聲波骨架值Δtma。當(dāng)圖2所示井段的地層巖石密度骨架值為2.62～2.68 g/cm3時(shí)，計(jì)算的地層巖石聲波骨架值為51.5～59.5 μs/ft。

圖3 渤海油田A井不同巖性地層聲波時(shí)差與密度交會(huì)圖

1.3 聲波迂曲度系數(shù)計(jì)算

目前，測(cè)井飽和度的計(jì)算主要基于電法測(cè)井，計(jì)算飽和度模型最終應(yīng)用在電阻率曲線上。一般情況下，一個(gè)油田同一套地層采用固定m、n值。而在復(fù)雜砂巖地層中，巖石類型多變，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地層膠結(jié)指數(shù)m是隨地層的變化而改變的。J. P. Martin等[4-5]在Raymer工作基礎(chǔ)上，提出了聲波地層因素公式

(3)

式(3)中：Δt為地層聲波時(shí)差(直接測(cè)量得到)，μs/ft；φ為地層有效孔隙度(在渤海油田，常采用中子與密度交會(huì)方法計(jì)算)，f；Δtma為地層巖石聲波骨架值，μs/ft；x為反映巖石孔喉結(jié)構(gòu)幾何特征的聲波迂曲度系數(shù)(又稱骨架巖性系數(shù))，無量綱。

聲波地層因素公式與電阻率地層因素公式類似，縱波沿地層骨架傳播的路徑也是彎曲的，其彎曲程度只與巖石孔隙結(jié)構(gòu)的幾何特征有關(guān)。將Δt、φ以及利用式(2)求得的Δtma代入式(3)中，便可得到隨深度變化的x值。

1.4 連續(xù)可變m值求取與含水飽和度計(jì)算

飽和度計(jì)算公式中的地層因素是反映地層巖性變化、孔隙結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確的地層因素值是飽和度準(zhǔn)確計(jì)算的前提[10-11]。聲波迂曲度系數(shù)x能夠有效反映地層孔隙結(jié)構(gòu)特征，為此將渤海油田以及類似油田實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析得到的15塊樣品(砂巖樣品10塊、含礫砂巖樣品5塊)的膠結(jié)指數(shù)m與式(3)計(jì)算出的聲波迂曲度系數(shù)x建立關(guān)系式(4)。由于復(fù)雜砂巖地層因砂礫成分變化導(dǎo)致地層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，采用固定膠結(jié)指數(shù)難以反映這種變化，因此在建立適合目標(biāo)區(qū)塊的m值計(jì)算方法后，應(yīng)用GEOLOG平臺(tái)編制程序便可產(chǎn)生連續(xù)可變m值，再將連續(xù)可變m值引入阿爾奇公式中，即可得到利用連續(xù)可變m值計(jì)算的含水飽和度。

m=0.391 4e0.806 6x(R2=0.85)

(4)

2 實(shí)例分析

如圖4、5所示，渤海油田A、B井巖屑錄井有細(xì)砂巖、中砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、砂礫巖等復(fù)雜砂巖，常規(guī)測(cè)井曲線中子、密度形態(tài)圖顯示地層非均質(zhì)性強(qiáng)、巖性變化快、復(fù)雜砂巖呈薄互狀存在，電阻率受巖性影響明顯。在圖4、5中，SWE為利用經(jīng)典阿爾奇公式計(jì)算的含水飽和度(m=1.66，n=1.89)，SWE0為利用連續(xù)可變m值計(jì)算的含水飽和度，So為壓汞計(jì)算的飽和度，SWC為井壁取心。

圖4 渤海油田A井飽和度計(jì)算結(jié)果

圖5 渤海油田B井飽和度計(jì)算結(jié)果

從圖4可以看出，式(4)計(jì)算的m值MM與實(shí)驗(yàn)室分析值M一致性較好。例如，在該井含礫成分復(fù)雜的層段(953～955 m)，巖性變化等因素的影響導(dǎo)致儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用公式(4)計(jì)算的m值明顯高于砂巖段的地層因素值[12]，更加符合地層情況。

從圖4還可以看出，SWE與電阻率曲線形態(tài)類似，與So誤差較大；而SWE0與So一致性較好。在該井961～963 m井段，SWE普遍高于60%，屬于水層；SWE0的變化更加突出，頂部砂礫巖段SWE0雖然高于80%，但結(jié)合錄井、氣測(cè)、測(cè)井和巖心等資料綜合確定為無效儲(chǔ)層，而底部砂巖段由于受圍巖影響電阻率偏低，但變m值明顯較低，SWE0為50%～60%，符合油層范圍，最終與950～960 m油層合試獲日產(chǎn)油30.72 m3，試油結(jié)果為油層。

從圖5可以看出，在該井955～957 m井段，SWE低于55%，屬于油層，但SWE0為43%～100%，落在水層范圍內(nèi)。該井段最終測(cè)試日產(chǎn)水42.5 m3，試油結(jié)果為水層。

渤海油田A、B兩口井的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文利用連續(xù)變m值計(jì)算含水飽和度的方法的可靠性，從而證實(shí)利用連續(xù)變m值計(jì)算的飽和度與壁心(SWC)的含油性吻合度更高。

3 結(jié)論

1) 基于高分辨率能譜測(cè)井可以在巖心資料較少的情況下準(zhǔn)確計(jì)算出地層巖石密度骨架值，先利用地層聲波時(shí)差與密度交會(huì)分析反推地層巖石聲波骨架值，然后根據(jù)J.P.Martin等人提出的聲波地層因素公式計(jì)算出反映地層孔喉結(jié)構(gòu)幾何特征的聲波迂曲度系數(shù)，并建立巖心分析得到的地層膠結(jié)指數(shù)m與聲波迂曲度系數(shù)之間的關(guān)系，最后將得到的連續(xù)變m值代入阿爾奇公式即可較準(zhǔn)確地計(jì)算出地層原始含水飽和度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層飽和度的定量解釋。

2) 實(shí)例分析表明，本文提出的基于連續(xù)變m值的含水飽和度計(jì)算方法解決了渤海油田飽和度計(jì)算的難題，可以為其他地區(qū)復(fù)雜油氣田的定量解釋提供思路。

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(編輯：馮 娜)

Water saturation calculation method based on continuous variable cementation exponentm: a case study of complex sandstone reservoir in Bohai oilfield

Wang Peichun Zhang Linlin Ma Chao Qi Yi

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

In recent years, many complex sandstone reservoirs have been discovered in Bohai oilfield with wide various rock types and poor sorting which cause complicated pore throat structure, large difference on physical properties, strong heterogeneity, rock-electro parameters uncertainty and low accuracy of water saturation calculation. A saturation calculation with continuous variablemis presented for the study area. Firstly, formation matrix acoustic value is inversed with acoustic-density intersection based on the matrix density value calculated with Litho Scanner. Then, the acoustic tortuosity coefficient reflecting the formation pore throat structure is calculated according to the acoustic formation factor formula published by J. P. Martin, and the relationship between cementation index and the acoustic tortuosity coefficient with core analysis is established. Finally, the continuous variable cementation exponentmis substituted into Archie equation to calculate formation water saturation. The practical analysis shows that the method can calculate original formation water saturation accurately and provide a way for quantitative interpretation in complex sandstone reservoir.

complex sandstone reservoir; water saturation; continuous variable cementation exponentm; acoustic tortuosity coefficient; Bohai oilfield

王培春，男，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)地球探測(cè)與信息工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事測(cè)井解釋與儲(chǔ)量評(píng)價(jià)工作。地址：天津市塘沽區(qū)閘北路609信箱(郵編：300452)。E-mail：wangpch@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)04-0042-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.007

TE122.2+3

A

2015-09-15 改回日期：2016-01-08

*“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“渤海海域大中型油氣田地質(zhì)特征(編號(hào)：2011ZX05023-006-002)”部分研究成果。

王培春,張琳琳,馬超，等.基于連續(xù)變地層膠結(jié)指數(shù)m值的含水飽和度計(jì)算方法——以渤海油田復(fù)雜砂巖儲(chǔ)層為例[J].中國海上油氣，2016,28(4)：42-47.

Wang Peichun,Zhang Linlin,Ma Chao,et al.Water saturation calculation method based on continuous variable cementation exponentm:a case study of complex sandstone reservoir in Bohai oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):42-47.