邵才瑞, 張鵬飛， 張福明, 鄭廣全, 侯秋元,5, 陳偉中

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，山東青島 266580;3.中石油測井重點實驗室中國石油大學(xué)(華東)研究室,山東青島 266580;4.中石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒 841000; 5.中國石油測井集團公司國際事業(yè)部,北京 100101)

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用J函數(shù)提高致密砂巖氣層飽和度測井評價精度

邵才瑞1,2,3, 張鵬飛1， 張福明1,2,3, 鄭廣全4, 侯秋元1,5, 陳偉中4

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，山東青島 266580;3.中石油測井重點實驗室中國石油大學(xué)(華東)研究室,山東青島 266580;4.中石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒 841000; 5.中國石油測井集團公司國際事業(yè)部,北京 100101)

低孔滲致密砂巖儲層具有孔隙度小、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,泥質(zhì)含量高、束縛水飽和度大等特點。該類儲層阿爾奇巖電參數(shù)m、n值變化大,電阻率與流體關(guān)系復(fù)雜,很難用電阻率測井資料據(jù)阿爾奇公式求準含氣飽和度。通過對致密儲層巖樣毛管壓力曲線形態(tài)分類,統(tǒng)計不同毛管壓力曲線形態(tài)類型的物性特征,最終按孔隙度范圍分類建立J函數(shù)與飽和度的統(tǒng)計關(guān)系。實際應(yīng)用結(jié)果表明,該方法與阿爾奇變m指數(shù)法相比計算精度可提高1倍,與孔滲指數(shù)方法相比精度也顯著提高,且能反映氣水界面附近飽和度的變化趨勢;為準確求取低孔滲儲層飽和度提供了切實可行的測井評價方法,克服了低孔滲儲層難以求準飽和度的技術(shù)難題。

測井評價; 低孔低滲儲層; 致密砂巖; 毛管壓力曲線;J函數(shù);飽和度

低孔滲致密儲層一般指孔隙度小于10%、滲透率低于0.1×10-3μm2的儲層[1],對于氣層滲透率可降低到0.05×10-3μm2,目前已成為中國主產(chǎn)儲層。由于低孔滲儲層中流體所占含量少,對測井響應(yīng)的貢獻小,且大多數(shù)呈現(xiàn)為低阻特征,因此流體識別和定量計算困難。該類儲層一般具有小孔隙發(fā)育、孔喉半徑小、孔吼結(jié)構(gòu)及潤濕性復(fù)雜、黏土礦物含量高、束縛水飽和度大、非均質(zhì)性強等特點[2];其巖電參數(shù)m、n值變化大、電阻率與流體關(guān)系復(fù)雜[3-4],難以用Archie公式得到較為準確的飽和度參數(shù)[5-7]。為此,研究人員對低孔滲儲層m、n巖電參數(shù)的控制因素和規(guī)律進行了研究[8],實驗表明低孔滲巖心F與Φ在雙對數(shù)坐標中呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系[9]，存在非阿爾奇現(xiàn)象;為提高利用阿爾奇方程計算低孔滲儲層飽和度的精度,人們從不同方面進行了研究[10-12],除了提高確定低孔滲儲層Archie參數(shù)精度外[13],主要通過對儲層分類采用變m指數(shù)方法[14]或Simandoux公式突出泥質(zhì)的影響[15]。變m指數(shù)法揭示了低孔滲儲層孔隙大小和結(jié)構(gòu)對巖電參數(shù)具有控制作用,然而在實際應(yīng)用中由于往往難以獲得精細的m指數(shù)變化規(guī)律,難以得到很好的效果;同樣由于泥質(zhì)含量難以求準,Simandoux公式也往往難以應(yīng)用。為此,筆者結(jié)合中國某含油氣盆地情況，利用巖心壓汞資料,根據(jù)不同毛管壓力曲線形態(tài),按孔隙度范圍分類建立J函數(shù)與飽和度之間的關(guān)系,以提高低孔滲儲層飽和度計算精度。

1 研究區(qū)儲層基本特征

研究區(qū)巖性以粉砂巖(34%)和細砂巖(28.46%)為主,其次為泥質(zhì)粉砂巖(21.58%)?？紫抖确植挤秶鸀?%～10%,平均約為6%;滲透率為(0.01～1)×10-3μm2,平均值約為0.1×10-3μm2,為超低孔滲儲層。此外儲層還具有電阻率變化大、流體與電阻率關(guān)系復(fù)雜等特性。

1.1 物 性

巖心資料統(tǒng)計表明,物性好壞受巖性的控制。巖性越純，顆粒越均勻，泥質(zhì)含量越少,物性越好(表1)。分選較差的含礫砂巖和顆粒較細的泥質(zhì)粉砂巖物性相對較差,而細砂巖和粉砂巖的物性較好,即低孔滲儲層物性受顆粒大小、分選程度、泥質(zhì)含量等因素的影響較為明顯。

表1 不同巖性孔隙度和滲透率范圍

1.2 儲層電阻率及不同類型流體測井響應(yīng)特征

(1)低孔滲儲層電阻率變化范圍大。統(tǒng)計相同巖性測試產(chǎn)氣層段電阻率,發(fā)現(xiàn)不同儲層段電阻率變化范圍較大,電阻率為3.4～28.1 Ω·m(圖1),表明低孔滲儲層相同流體、相同巖性情況下不同層段電阻率分布范圍大。

圖1 砂巖儲層測試產(chǎn)氣層段電阻率分布直方圖Fig.1 Resistivity histogram of gas sandstone

(2)統(tǒng)計分析實際測井資料發(fā)現(xiàn),由于低孔滲儲層流體含量少,對測井值的貢獻小,相同巖性不同流體測井響應(yīng)特征差異不明顯(表2)。

表2 相同巖性不同流體測井響應(yīng)特征

(3)巖電參數(shù)變化大，呈非阿爾奇現(xiàn)象。在該地區(qū)同類巖性巖電實驗數(shù)據(jù)的雙對數(shù)坐標系交會(圖2左)中可以看出地層因子F值隨孔隙度的變化不僅有明顯的分類,而且隨孔隙度的降低F值數(shù)據(jù)點重心下移，呈現(xiàn)向下的非線性彎曲現(xiàn)象;對于電阻增大系數(shù)I不僅有分類趨勢,而且隨含水飽和度的減小也呈現(xiàn)向下的非線性彎曲現(xiàn)象(圖2右)。對于不同的實驗樣本若取a、b等于1, 考察m、n值隨孔隙度的變化情況得到如圖3所示結(jié)果,圖中m、n值隨孔隙度呈線性變化趨勢,在孔隙度7%左右m值呈現(xiàn)分段函數(shù)特征,飽和度指數(shù)n隨孔隙度的變化則相對較為雜亂。這些特征說明研究區(qū)低孔滲儲層巖電規(guī)律復(fù)雜，呈現(xiàn)非阿爾奇現(xiàn)象,難以用阿爾奇公式據(jù)電阻率資料求準飽和度參數(shù)。

圖2 研究區(qū)相同巖性儲層巖電參數(shù)特征Fig.2 Characteristics of rock electrical parameters in the same lithologic formation

圖3 研究區(qū)相同巖性地層m、n參數(shù)隨孔隙度的變化特征Fig.3 Variation characteristics of m and n parameters with porosity in the same lithologic formation

2 利用J函數(shù)計算飽和度

2.1 方法原理

Leverett把實測巖心毛管壓力與計算參考毛管壓力的比值定義為巖心的J函數(shù)[16-17],并通過大量實驗證明J函數(shù)與飽和度之間存在函數(shù)關(guān)系:

(1)

pc=H(ρw-ρg)g/1 000 .

(2)

式中,H為儲層距自由水界面高度,m;ρw和ρg分別為地層水與儲層條件下天然氣密度,g/cm3。

地層條件下的表面張力和濕潤角可借用美國巖心公司提供的數(shù)據(jù)(表3)。

表3 美國巖心公司實驗數(shù)據(jù)

Table3ExperimentaldataofColeLab

條件系統(tǒng)濕潤角θ/(°)表面張力σ/(mN·m)σcosθ實驗室空氣/水銀140480367地層水/氣05050地層油/水88.35300.866

由于氣體在不同壓力和溫度下密度差異較大,不同埋藏深度的氣體密度有所差異,因此對于式(2)中pc采用積分法計算:

(3)

式中,h1為氣層垂深,m;h2為自由水界面垂深,m;ρg為儲層溫度和壓力條件下天然氣密度,g/cm3,可利用氣體平衡方程根據(jù)標準條件下的密度換算得出。

若能建立飽和度Sw與J函數(shù)之間的關(guān)系,就可以克服僅僅利用孔滲指數(shù)或毛管壓力[19]單一因素計算飽和度的缺點,根據(jù)不同深度儲層的毛管壓力和儲層物性參數(shù)就可計算出含水飽和度Sw,從而避開難以用阿爾奇公式計算飽和度的困難。

2.2 按物性特征分類建立的J函數(shù)與飽和度關(guān)系

2.2.1 低孔滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)分類

儲層不同孔喉結(jié)構(gòu)具有不同的毛管壓力特征,決定了不同壓力下的流體飽和度。因此對低孔滲儲層的孔喉結(jié)構(gòu)進行分析，分類建立J函數(shù)與飽和度之間的關(guān)系是提高飽和度計算精度的關(guān)鍵。

(1)不同孔喉結(jié)構(gòu)毛管壓力曲線形態(tài)類型劃分。利用巖心壓汞資料得到毛管壓力曲線可對孔喉結(jié)構(gòu)類型作出有效的劃分[14,20]。分析研究區(qū)壓汞資料，將毛管壓力曲線分為4類,如圖4所示。第Ⅰ類毛管壓力曲線具有明顯的歪度，排驅(qū)壓力較低，粒度分選較好，退汞效率較高。第Ⅱ類毛管壓力曲線具有一定的歪度，排驅(qū)壓力稍大，有一定粒度分選和退汞效率。第Ⅲ類毛管排驅(qū)壓力較高，毛管壓力曲線呈單斜狀，粒度分選差，退汞效率低。第Ⅳ類毛管壓力曲線呈單斜狀，排驅(qū)壓力大，粒度分選很低，退汞效率很低。

(2)不同毛管壓力曲線形態(tài)類型儲層物性特征。統(tǒng)計不同類型毛管壓力曲線對應(yīng)的巖心孔隙度和滲透率物性參數(shù)分布特征如圖5、6所示,匯總不同毛管壓力曲線類型巖心特征參數(shù)如表4所示。第Ⅰ類儲層孔隙度較高,滲流能力強,主要是分選好的細砂和粉砂巖。第Ⅱ類孔隙度和孔隙之間的連通性相對較好,一般是粉砂和細砂巖,部分為含礫砂巖。第Ⅲ類儲層孔隙度小,連通性較差,主要為含灰細砂巖、灰質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖。第Ⅳ類儲層分選差,孔隙度小,孔隙之間連通性差,以泥質(zhì)粉砂巖為主,有少量含礫砂巖。

圖4 毛管壓力曲線分類Fig.4 Different types of capillary pressure curve

圖5 不同類型毛管壓力曲線對應(yīng)孔隙度分布直方圖Fig.5 Porosity histogram corresponding to different type of capillary pressure curve

圖6 不同類型毛管壓力曲線對應(yīng)滲透率分布直方圖Fig.6 Permeability histogram corresponding to different type of capillary pressure curve

毛管壓力曲線類型孔隙度φ/%滲透率k/10-3μm2孔滲指數(shù)(k/φ)0.5平均孔喉半徑/μm平均排驅(qū)壓力/MPa巖性Ⅰ類7～15,平均10.60～2.5,平均2.071～5,平均3.00.560.94分選好的細砂巖和粉砂巖Ⅱ類主峰2～7,次峰7～10,平均5.90～0.4,0.6～1.1雙峰,平均0.390.5～4,平均2.410.441.48粉砂巖和細砂巖,部分為含礫砂巖Ⅲ類1～7,平均4.150.01～0.1,平均0.090.5～1.5,平均1.250.154.52含灰細砂巖、灰質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖Ⅳ類1～4,平均3.20～0.1,平均0.070.05～1.5,平均1.390.049.70泥質(zhì)粉砂巖為主,少量含礫砂巖

2.2.2 據(jù)物性差異分類建立的J函數(shù)與飽和度的關(guān)系

雖然毛管壓力曲線可直接反映孔隙結(jié)構(gòu)特征,但常規(guī)測井資料難以直接對孔隙結(jié)構(gòu)進行定量評價,因此不能直接根據(jù)毛管壓力曲線形態(tài)類型建立J函數(shù)與Sw之間的關(guān)系。文獻闡明低孔滲砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)與物性之間存在一定的內(nèi)在關(guān)系[21-22]。分析研究區(qū)4類毛管壓力曲線巖心對應(yīng)的孔隙度、滲透率及孔滲指數(shù)分布范圍(表4),發(fā)現(xiàn)4類毛管壓力曲線與孔隙度分布范圍有較好的對應(yīng)關(guān)系,因此可根據(jù)不同孔隙度分布范圍，分類建立J函數(shù)與飽和度Sw之間的函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)不同孔隙等級J-Sw交會圖(圖7(a)),不同孔隙度范圍下將J函數(shù)與含水飽和度之間的關(guān)系建立了3種統(tǒng)計關(guān)系(圖8，其中Sw為離心飽和度),具體回歸關(guān)系式如表5所示。將3種統(tǒng)計關(guān)系與實驗資料得到的J函數(shù)和Sw交會圖比較得到如圖7(b)所示結(jié)果,可以看出3種關(guān)系與J-Sw交會圖3個區(qū)域的重心線吻合很好,表明很好地表達了樣本數(shù)據(jù)的分類特征,較好再現(xiàn)了研究區(qū)J函數(shù)與Sw之間的內(nèi)在關(guān)系。

圖7 J函數(shù)與Sw的交會圖Fig.7 J function and Sw crossplot

編號表達式相關(guān)系數(shù)R適用條件一lgSw=-0.339-0.274lgJ-0.865φ≥7%,主要為第Ⅰ類毛管壓力曲線二lgSw=-0.16-0.159lgJ-0.8154%≤φ<7%,主要為第Ⅱ類毛管壓力曲線三lgSw=-0.025-0.105lgJ-0.600φ<4%,主要為第Ⅲ、第Ⅳ類毛管壓力曲線

圖8 3種Sw-J函數(shù)統(tǒng)計模型Fig.8 Three Sw-J function statistical model

3 應(yīng)用效果分析

3.1 計算精度

對研究區(qū)近30口井的實際資料處理,以巖心和生產(chǎn)資料為依據(jù),與該研究區(qū)已有變m指數(shù)和孔滲指數(shù)法計算結(jié)果相比計算精度得以顯著提高。

圖9為有離心飽和度及核磁實驗飽和度的井段(左A井、右B井),與電阻率變m指數(shù)法和孔滲指數(shù)法所求飽和度相比,可以看出J函數(shù)法沒有劇烈的震蕩變化，與物性變化趨勢更加吻合，與離心及核磁實驗飽和度更為接近。統(tǒng)計不同方法計算飽和度與巖心實驗飽和的誤差(表6),可以看出由J函數(shù)算出的飽和度精度與實驗數(shù)據(jù)相比相對誤差約15%,明顯高于孔滲指數(shù)(相對誤差約20%),與電阻率變m指數(shù)法(相對誤差約30%)相比精度提高近1倍。

圖9 利用J函數(shù)計算飽和實例Fig.9 Example of using J Function to calculate saturation

井名巖心飽和度計算飽和度相對誤差/%變m指數(shù)法J函數(shù)法孔滲指數(shù)法A核磁飽和度26.4511.52516.825B核磁飽和度34.2515.9319.16平均核磁飽和度30.7013.9018.10A離心飽和度24.3711.2416.80B離心飽和度30.6018.7721.80平均離心飽和度27.7015.3019.50平均所有29.1914.5918.79

3.2 飽和度的變化

由于孔滲指數(shù)法不能反映氣藏高度對飽和度的影響,就難以反映氣水過渡帶飽和度的變化;低孔滲儲層流體對電阻率的貢獻小、巖電關(guān)系復(fù)雜,因此用電阻率也難以反映氣水界面附近飽和度的變化趨勢。而J函數(shù)是氣藏壓力和孔滲指數(shù)的函數(shù),因此能反映氣水界面附近氣水過渡帶含氣飽和度的變化規(guī)律。

圖10為C井氣水界面附近不同含氣飽和度計算方法結(jié)果比較。根據(jù)由測試井得出的該氣藏理想均質(zhì)地層統(tǒng)一純氣水界面海拔深度,根據(jù)測斜數(shù)據(jù)可算出該井對應(yīng)測深為5 309.27 m,與圖中所示氣水界面基本吻合,差異應(yīng)為不同井位地層物性的非均質(zhì)影響所致。從圖10中可以看出,無論是利用孔滲指數(shù)法還是利用電阻率采用變m指數(shù)法得到的飽和度都難以反映氣水界面附近含氣飽和度隨氣藏高度的變化,唯有利用J函數(shù)法得到的飽和度呈現(xiàn)明顯從上到下、由大到小的過渡帶。

圖10 C井近氣水界面不同含氣飽和度計算結(jié)果比較Fig.10 Comparison of different calculation results nearby gas-water interface of well C

4 結(jié) 論

(1)該方法與阿爾奇變m指數(shù)法相比計算精度可提高1倍、與孔滲指數(shù)方法相比精度也顯著提高,而且可反映氣水界面附近飽和度的漸變情況。

(2)該方法僅利用巖心常規(guī)物性和壓汞實驗資料,不需要得到m指數(shù)的變化規(guī)律,因此與變m指數(shù)方法相比可節(jié)省大量的巖電參數(shù)實驗時間和費用。

(3)該方法僅利用常規(guī)測井資料就可對低孔滲致密儲層求得較高精度的油氣飽和度,可降低測井費用。

(4)在具有巖心壓汞資料條件下,對于常規(guī)測井資料,采用本文中方法利用J函數(shù)可綜合反映孔隙結(jié)構(gòu)和毛管壓力的影響，是提高低孔滲致密儲層含氣飽和度計算精度的首選。不足之處是事先需要綜合測井與測試資料對氣水界面作出判定,另外還需要注意不同油氣藏類型影響因素及區(qū)域差異性。

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(編輯 修榮榮)

ImprovingwelllogevaluationaccuracyoftightsandstonegassaturationusingJfunction

SHAOCairui1,2,3,ZHANGPengfei1,ZHANGFuming1,2,3,ZHENGGuangquan4,HOUQiuyuan1,5,CHENWeizhong4

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266580,China;3.KeyLaboratoryofPetroChinaWellLoggingResearchCenterinChinaUniversityofPetroleum(East),Qingdao266580,China;4.TarimOilfieldExplorationandDevelopmentResearchInstitute,Korla841000,China;5.InternationalDivisionofChinaPetroleumLoggingCorporation,Beijing100101,China)

The low porosity and low permeability tight sandstone reservoirs are usually characterized as developed small pores, complex pore structures, high shale content and high bound water saturation. Themandnvalues of the Archie rock electrical parameters can vary significantly and the relationship between resistivity and fluid is complex of this type of reservoirs, resulting in difficulties in getting accurate gas saturation values when applying the Archie formula to resistivity logging data. The physical properties of different types of capillary pressure curve shapes are obtained by classifying the capillary pressure curve shapes of different rock samples. According to the classification and its porosity range, the statistical relation between theJfunction and sample saturation is established. The application of the relationship on real samples shows that the spread of the calculated saturation can be improved greatly and is nearly half of that of the "variablemrock electrical parameter" Archie method. This new method is also better than "permeability/porosity ratio parameter" method, and has the ability to show the saturation changing trend near the gas-water interface. The new method is feasible and can give accuracy saturation estimates for low porosity and low permeability tight sandstone reservoirs.

well log evaluation; low porous and permeable reservoir; tight sandstone; capillary pressure curve;Jfunction; saturation

2015-12-10

國家科技重大專項(2011ZX05009-003,20112X05046-003)

邵才瑞(1966-),男,教授,博士,研究方向為測井理論、方法與技術(shù)。E-mail:shaocr@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)04-0057-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.04.007

P

A

邵才瑞,張鵬飛，張福明,等.用J函數(shù)提高致密砂巖氣層飽和度測井評價精度[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016,40(4):57-65.

SHAOCairui,ZHANGPengfei,ZHANGFuming,etal.ImprovingwelllogevaluationaccuracyoftightsandstonegassaturationusingJfunction[J].JournalofChinaUniversityofPetroleum(EditionofNaturalScience), 2016,40(4):57-65.