0 引言

随着油田勘探开发的不断深入,火山岩油气藏已成为油田勘探的一个主要方向。火山岩储层评价的一个十分重要的任务就是确定储层的含水饱和度,从而为油气的最终开采指明方向,也为提交可采储量提供重要的依据。针对火山岩的饱和度研究,刘之的^[1]提出利用变m值法计算火山岩含油饱和度,陈福利等^[2]在大庆深层天然气饱和气藏中利用核磁T₂谱法评价火山岩原始气藏流体饱和度,陈克勇等^[3]以地震多属性反演预测的含水饱和度数据作为约束条件建立长岭气田营城组火山岩含水饱和度分布模型,闫伟林等^[4]建立了基于导电孔隙的中基性火山岩储层含气饱和度解释模型,覃豪等^[5]建立了基于孔隙结构的饱和度解释模型,李宁等^[6]提出了考虑裂缝影响的饱和度定量计算方法。由于火山岩储层的复杂性,现有的导电模型与饱和度模型很难求准其含水饱和度。

传统的阿尔奇公式是通过大量实验室数据总结得到的经验公式,适用于不含泥质的纯地层的饱和度计算^[7-8],尽管它存在很明显的缺陷,但目前根据电阻率测量结果进行饱和度评价仍然是主要方法。以阿尔奇公式为基础,学者们考虑了泥质、多重孔隙等因素的影响,不断对其完善^[9-11],但对岩石孔隙几何形态及孔隙流体的导电机理分析较少。1993年,Herrick和Kennedy首先提出电效率理论(EET),根据导电相的几何结构来解释岩石的低频电学性质,以及孔隙几何形态对岩石电导率的影响^[12]。1998年,高楚强等应用电效率理论计算塔里木盆地几口井的含水饱和度,其精度高于或接近于用阿尔奇公式计算的含水饱和度^[13]。2009年,Herrick和Kennedy在电效率理论的基础上,定义了两个表征岩石孔隙几何结构和油气分布对岩石导电性影响的变量,建立了具有明确物理意义的孔隙几何形态导电理论^[14]。2012年,宋延杰等基于孔隙几何形态导电理论建立了低孔低渗储层饱和度解释模型,在大庆地区得到了很好的应用^[15]。目前,关于导电机理与饱和度模型研究主要针对砂泥岩地层和碳酸盐岩地层,但该模型是否适用于复杂孔隙结构的火山岩储层,尚未开展过讨论。

1 火山岩孔隙结构特点与导电机理

本文的研究区是松辽盆地的王府断陷,王府断陷火山岩储层岩性复杂,非均质性强,厚度、物性、流体性质横向变化大,孔隙以晶间微孔、溶蚀孔、构造—溶蚀缝为主。应用阿尔奇公式计算的含气饱和度与电阻率关系较大,物性差、电阻率高的层计算饱和度偏高,低电阻率地层计算的含气饱和度偏低,与试气油结果偏差较大。孔隙结构复杂使得导电特征复杂,需要对导电机理进行研究和认识,提出合适的导电模型,建立饱和度方程^[16-18]。

传统的阿尔奇公式是一个根据实验数据拟合的经验公式,公式里的参数a、b、m和n没有明确的物理意义。尽管它能够很好地估计不含泥质的纯砂岩地层的含水饱和度,但是当泥质含量较高、岩石孔隙结构复杂时,它都不能准确反映岩石电阻率与含水饱和度之间的关系。式(1)是阿尔奇公式的电导率形式:

Ct=a-1CwφmSwn,(1)

式中,C_t为岩石的电导率,C_w为导电流体的电导率,φ为孔隙度,S_w为含水饱和度。

复杂孔隙结构的火山岩可以看成是含有一种导电相与一种或几种非导电相的混合体。导电相主要是盐水,也许还有导电矿物成分。非导电相包括诸如方解石、石英等构成岩石的矿物颗粒和可能存在于孔隙系统中的油、气之类的非导电流体。导电相以孔隙及孔隙间喉道的联结构成的复杂网络分布于整个岩石之中^[12]。图1是Herrick和Kennedy建立的导电效率模型,形象地表示了电流密度的分布和导电效率之间的关系。颗粒间的孔隙空间充满导电盐水,施加一个电场使电流横向穿过模型,从左至右横穿模型的曲线表示电流线,其位置和几何形态通过场方程数值模拟来确定。可以看出,岩石孔隙系统里导电相的电流密度分布是不均匀的,孔喉部分电流密度高(a位置),而孔隙系统孤立部分的死体积里电流密度低(b位置)。岩石的导电效率依赖于岩石孔隙里所有导电部分的贡献。孔隙—喉道尺寸、形状、电流曲折度是重要的几何参数。

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图1   导电效率模型(据Herrick D C和Kennedy W D,1993)^[12]

   

Herrick和Kennedy认为影响岩石电导率的因素有3个:岩石中导电流体的电导率,岩石中导电流体的数量,岩石中导电流体的几何分布 ^[14]。假设岩石中导电部分是一个横截面积不变的导管,导管中充满了导电流体。图2a是最简单的孔隙结构,岩石的电导率为C₀=C_wφ。图2b中,L_p是导电路径的长度,L是岩石的长度,弯曲度τ=L_p/L,此时,岩石的电导率为C₀=C_wφ(1/τ)。但岩石中导电通道的横截面积通常是不断变化的(图2c),因此需要加入一个修正项X:C₀=C_wφ(1/τ)X。定义一个几何因子E₀(E₀=X/τ),将所有影响岩石电导率的几何因素综合到一起,建立一个基于岩石传导电流的效率和包含孔隙几何结构的新的电阻率解释模型,即岩石100%含水时的导电模型:

C0=CwφE0。(2)

孔隙度的变化会伴随着孔隙几何的变化,因此存在E₀-φ关系:

E0=C0/(Cwφ),(3)

假设φ=1,C₀/C_w=1,即E₀=1。油气取代地层水的过程引起的孔隙系统中水的分布变化导致了岩石导电效率的变化。导电效率本质上不依赖于岩石中水的总体积,而是由孔隙几何引起的不均匀电流分布和孔隙系统中烃的分布来决定。此时,岩石中导电流体水的含量应该表示为S_wφ。水含量的减少同时影响岩石孔隙中水的几何分布,给定一个油气因子e_t加以校正:

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图2   岩石孔隙结构及导电模型示意(据Herrick D C和Kennedy W D,2009)^[14]

   

Ct=Cw(Swφ)(etE0),(4)

油气取代地层水的过程引起孔隙系统中水含量的减少和水分布的变化,因此存在e_t-S_w关系:

et=CtCwSwφE0。(5)

D.C.Herrick和W.D.Kennedy通过研究大量实验室岩电数据,发现纯砂岩岩样存在E₀-φ和e_t-S_w的线性关系^[14]:

E0=a0φ+b0,(6)et=atSw+(1-at),(7)

将式(6)和式(7)代入式(4),得到基于导电效率的饱和度方程:

Ct=Cw(Swφ)[atSw+(1-at))(a0φ+b0]。(8)

式中,a₀、b₀和a_t为系数,可以根据岩电数据求出。上述模型中E₀-φ和e_t-S_w的线性关系是基于含水纯砂岩的前提得到的,火山岩作为复杂孔隙类型储层,其导电机制已经不再满足上述理想的线性关系,因此笔者对该模型进行改进,建立适合于火山岩的导电模型来进行解释。

2 火山岩岩电实验数据确定参数关系

收集到研究区A、B两口井共9块火山岩岩样,其岩性、孔隙度、渗透率、胶结指数与饱和度指数见表1。9块样品的孔隙度从6.59%~9.88%不等。最大的渗透率为29.09×10^-3 μm²最小的渗透率低于 1×10^-3 μm²,这表明岩石样品致密,渗透率的差异与孔隙度关系小,而主要与岩石的非均质性有关。胶结指数m变化范围为1.3~1.62,饱和度指数n变化范围为0.92~1.78。分别计算几何因子E₀和油气因子e_t,回归拟合E₀-φ、e_t-S_w之间的参数关系,确定基于导电效率的饱和度方程中的参数。

2.1 几何因子与孔隙度

作9块火山岩岩样饱和水时的E₀-φ交会图,另外E₀-φ过一定点(1,1),如图3所示。其中3块岩样为粗安质角砾熔岩,1块岩样为粗安质凝灰熔岩,5块岩样为沉角砾岩。回归分析发现用直线拟合效果较好(表2),数据点的分布基本满足线性关系。

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图3   王府火山岩岩样孔隙度φ几何因子E₀交会

   

因此,对于王府火山岩,建立E₀-φ线性关系:

E0=a0φ+b0,(9)

式中,a₀、b₀为系数。

2.2 油气因子与饱和度

图4是火山岩岩样的e_t-S_w交会图,左图是A井的4块岩样,其中3块岩样为粗安质角砾熔岩,1块岩样为粗安质凝灰熔岩,右图是B井的5块沉角砾岩岩样。图4中的数据点呈现明显的抛物线特征,左图开口向上,右图开口向下。A井4块岩样中,A-2、A-3和A-4的数据点基本重合,A-1岩样的数据点发生明显偏离(图4a)。B井5块岩样中,B-1和B-4的数据点发生偏离(图4b)。火山岩岩性和孔隙结构复杂多样,不同井不同岩样之间呈现不同的e_t-S_w关系。对每块火山岩岩样的e_t-S_w关系进行回归分析,利用不同类型关系式进行拟合,对应的相关系数见表3。回归分析结果表明用二次多项式拟合效果最好,因此建立e_t-S_w的二次函数关系,各岩样的拟合关系式及相关系数R²见表4。

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图4   王府火山岩岩样含水饱和度S_w与油气因子e_t交会

   

因此,对于王府火山岩,建立e_t-S_w参数关系:

et=aSw2+bSw+c,(10)

式中,a、b和c为系数。

最后,建立适用于王府断陷火山岩的饱和度模型:

Ct=Cw(Swφ)(aSw2+bSw+c)(a0φ+b0)。 (11)

3 应用效果

用传统的阿尔奇公式、Herrick公式和本文基于导电效率的饱和度方程分别计算9块火山岩岩样岩电测量过程中的含水饱和度。计算结果显示,利用阿尔奇公式、Herrick公式和本文方程计算的含水饱和度与实测饱和度的平均绝对误差分别为0.196、0.104和0.094,由于火山岩岩石结构复杂,孔隙系统多样,通过单一的饱和度模型计算的含水饱和度与实测数据存在一定的差异,但文中基于导电效率的饱和度方程的计算精度较阿尔奇公式有明显提高,与Herrick Kennedy公式接近。相比于传统的阿尔奇公式,Herrick Kennedy公式更加适用于火山岩储层的饱和度计算,而文中基于Herrick Kennedy公式的改进也有一定效果。图5是实测电导率与计算电导率的交会图。

将本文的模型在王府断陷X井的火山岩层段进行应用,得到图6的测井解释成果图。其中,孔隙度由中子和密度曲线联合计算,与岩心分析的孔隙度吻合较好;S_wi是束缚水饱和度,由岩心压汞资料得到的束缚水饱和度与孔隙度之间的关系求取;S_w是利用式(11)计算的饱和度。可以看出,在火山岩层段,计算的饱和度与束缚水饱和度基本吻合,判断为气层,与试气结论一致。

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图5   实测含水饱和度与计算含水饱和度交会

   

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图6   王府地区X井的解释成果

   

4 结论

1)相比于传统的从实验中总结出的阿尔奇公式,本文复杂孔隙结构火山岩导电机理有着扎实的理论推导,饱和度模型里的几何因子和油气因子有更明确的物理意义。

2)文中通过研究岩石孔隙系统的导电机理,将Herrick和Kennedy提出的导电模型在王府火山岩进行应用并改进参数关系,建立了适用于复杂孔隙结构火山岩储层的导电效率模型,计算精度相比阿尔奇公式有明显提高。将新的饱和度模型应用于实际井中进行处理,计算结果与试气结论吻合得较好。

3)基于王府地区火山岩岩电实验数据,笔者提出复杂孔隙结构火山岩储层导电效率模型。由于火山岩孔隙结构复杂且数据资料有限,对于火山岩导电效率模型仍需进一步的研究。

(本文编辑:叶佩)

The authors have declared that no competing interests exist.

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