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低渗透储层拟渗流门限理论确定含水饱和度

更新时间:2016-07-05

目前,评价储层含油气性的方法,应用最广的是阿奇尔公式。在实际应用中,真实储层,特别是低孔低渗透储层,其电导率与孔隙度、含水饱和度之间的关系并不严格满足阿奇尔公式。根据阿奇尔公式计算的含水饱和度与试油结果产生较大误差。

鄂尔多斯盆地姬塬地区长6油层组储层属于典型低孔低渗透储层,由于在成岩阶段压实作用和胶结作用对储层原生孔隙改造比较强烈[1-2],用阿奇尔公式预测储层的含油气性精确度不高,效果不太理想。美国学者肯尼迪在拟渗流门限理论的基础上,提出了一个新的含水饱和度公式[3]。与阿奇尔公式相比,肯尼迪公式考虑的因素更多,在真实的低渗透储层中,根据肯尼迪公式确定的含水饱和度更符合实际情况,精确度更高。

1 阿奇尔公式的适用性

目前,根据测井曲线确定含水饱和度的方法是由阿奇尔在1942年首次提出。他在对实验数据分析的基础上,得到含水饱和度的计算公式[4]

(1)

式中,a为孔隙度修正系数;b为饱和度修正系数;m为胶结指数;n为饱和度指数;Rw为地层水电阻率,Ω·m;Rt为当含水饱和度Sw<1时地层电阻率,Ω·m。

随着油藏开发的深入研究,发现阿奇尔公式并不具有普适性,其成立的假设条件主要有3条[5-6]:(1)孔隙之间相互连通,孔隙度区间在阿奇尔子域内,即0.1≤φ≤0.4;(2)岩石骨架和原油的电导率为0;(3)地层水电阻率为低值。

由于真实储层与阿奇尔储层存在一定差异,造成根据阿奇尔公式得到的含水饱和度与试油结果存在误差。影响储层含油性评价的因素主要有3个方面:(1)受压实作用影响,储层微观孔隙复杂,存在大量孤立孔隙,使电阻率增加,造成阿奇尔公式含水饱和度偏低;(2)受粘土矿物吸附带电离子和导电矿物等导电基质的影响,电阻率降低,造成阿奇尔公式含水饱和度偏高;(3)地层水电阻率与矿化度密切相关,若地层水矿化度较低,则电阻率增加,造成阿奇尔公式含水饱和度偏低。

2 拟渗流门限理论与肯尼迪公式

2.1 拟渗流门限理论

阿奇尔公式自提出已被广泛应用几十年,随着油藏开发的不断深入,低渗透低丰度的储量所占的比重越来越高。一般来说,对低渗透储层,孔隙度和渗透率越低,储层的微观结构越复杂,孤立孔隙所占的比重越高,泥质含量越高,粘土矿物吸附的带电离子对电阻率的影响也越大,结果使根据阿奇尔公式计算的含水饱和度精确度变差,影响储层含油性评价的准确性,增加了油藏开发的风险。

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产水率与含水饱和度存在一定的函数关系,它能够准确识别储层流体性质[13]。对于低渗储层的非达西渗流特征,根据姬塬地区长6油层组储层的岩心水驱油实验,含水饱和度与产水率之间的关系曲线如图2所示。当含水饱和度为55%时,产水率出现突变,含水饱和度Sw与产水率Fw的函数关系如式(7)所示。

理想条件下,地层电导因数随连通地层水体积的变化率正比于连通地层水体积,也就是d(σ0/σw)/d(φ-φθ)∝(φ-φθ)。考虑物理边界条件φ=1,σ0/σw=1和岩石物理边界条件φ=φθ时,σo/σw=0,对上式积分:

(2)

对比式(2)和式(3),可得到:

拟门限孔隙度的表达式是一个二项式函数,孔隙度与电导率曲线在φ-f平面是一抛物线。在不同的储层中,抛物线的顶点与φ轴关系也不相同,当抛物线与φ轴不相切时,式(2)是不完善的。为满足不同储层的二项式,引入2个参数:最小电导率σmin,即抛物线顶点对应的电导率;最小孔隙度φmin,即最小电导率对应的孔隙度。式(2)可改写为:

(3)

式中,σ0为当Sw=1时的地层电导率,σw为地层水电导率。该式为拟门限孔隙度公式,也就是拟渗流门限理论中孔隙度与电导率关系表达式。对比阿奇尔公式中孔隙度与电导率关系σ0/σw=a-1φm,当φθ=0,a=1,m=2时,拟门限孔隙度公式与阿奇尔公式相同。考虑边界条件,在阿奇尔公式中,当φ=0时,f=0;当φ=1时,f=1/a。在拟门限孔隙度公式中,当φ=φθ时,f=0;当φ=1时,f=1。与阿奇尔公式相比,实际储层观测到的边界值与拟门限孔隙度公式的更符合。

φθ

(4)

式中,σmin为最小电导率,σmin<0。当σmin>0时,φθ不存在,但仍可以根据式(4)确定电导率与孔隙度的关系。

2.2 肯尼迪公式

在阿奇尔储层中,含水饱和度与电导率的关系,本质上是孔隙中导电流体地层水与电阻率的关系。在拟渗流门限理论中,电导率等于0对应的孔隙度为门限孔隙度,含水饱和度也存在门限饱和度,Swθ为电导率等于0对应的含水饱和度,即拟渗流门限含水饱和度,简称拟门限饱和度[6]。拟门限饱和度是根据含水饱和度与电导率关系曲线得到的预测值,不是真实的门限饱和度。

综合考虑孔隙度和含水饱和度2个因素,导电流体的体积β是孔隙度和饱和度的乘积,是关于φSw对称的函数。

考虑边界条件:当β=1时,σt=σw;在β≠0的某个值,σt=0。

通过数学推导,可以得到孔隙度、含水饱和度与电导率之间的关系表达式[6]

在阿奇尔储层中,孔隙度与电导率的关系,本质上是地层孔隙中导电流体地层水与电阻率的关系。在理想条件下,多条连通孔隙构成并联电路,地层电阻率就是连通水体并联后的电阻率。

(5)

式中,Swmin为最小含水饱和度,即含水饱和度与电导率曲线上最小电导率对应的含水饱和度。由式(5)变形得含水饱和度公式:

(6)

式(6)是肯尼迪于2006年首次提出,称为肯尼迪公式。与阿奇尔公式相比,肯尼迪公式考虑了孤立孔隙、导电基质、地层水矿化度等因素的影响,不仅理论上使含水饱和度公式的推导更周密,而且在实际应用中能提高含水饱和度的精度。

3 肯尼迪公式在姬塬地区的应用

姬塬地区位于鄂尔多斯盆地中西部,处于天环凹陷和伊陕斜坡之间的结合部位(见图1),地层平缓,构造简单,局部发育小型低幅度鼻状隆起。该区三叠纪延长期的长6油层组储层属于三角洲前缘亚相,水下分流河道是有利的储集砂体,地层孔隙度和渗透率较低,属于典型的低渗透储层[7-8]。研究区紧邻生烃凹陷,长期处于油气运移的优势路径中,是岩性油藏发育的主要场所[9-10]。研究区构造位置如图1所示。

根据《关于印发政府和社会资本合作模式操作指南(试行)的通知》(财金〔2014〕113号),PPP项目基本流程可概括为5大环节,共计19个节点。5大环节分别是项目识别、项目准备、项目采购、项目执行和项目移交。19个节点分别是项目发起、筛选、物有所值评价、财政承受能力论证、管理架构组建、实施方案编制、实施方案审核、资格预审、采购文件编制、响应文件评审、谈判与合同签署、项目公司设立、融资管理、绩效检测与支付、中期评估、移交准备、性能测试、资产交割和绩效评价(见图1)。

影响地层水电阻率主要因素为矿化度,矿化度越低,地层水电阻率越高,对阿奇尔公式的影响越大,把一些水层误判为油层,增加补孔的风险。姬塬地区C107井29~32#层,层段2 528.3~2 545.3 m,长63自然伽马为70.37 API,地层电阻率30.40 Ω·m,泥质含量12.89%,孔隙度12.50%,渗透率为0.324×10-3 μm2,C107井长6段的测井响应特征曲线见图6。

前人对姬塬地区长6油层组储层的沉积和储层特征做了大量研究[11-12],然而对储层的含油性评价研究相对较少。研究区含油气井较多,由于储层物性变化快,非均质性强,微观孔隙结构复杂,油气的分布规律仍认识不清,油水层的识别准确性需进一步提高。

图1 鄂尔多斯盆地姬塬地区构造位置

3.1 产水率与含油饱和度

若连通地层水体积用β=φ-φθ表示,则其中φθ是电导率等于0的点对应的孔隙度,即拟渗流门限孔隙度,简称拟门限孔隙度[6]。拟门限孔隙度是根据孔隙度与电导率关系曲线得到的预测值,不是真实的门限孔隙度。

(7)

图2 姬塬地区长6油层组储层含水饱和度和产水率关系曲线

在拟渗流门限理论的指导下,对重点井的目的层进行含水饱和度与产水率计算,结合试油资料,对比肯尼迪公式与阿奇尔公式的差异,分析误差形成原因。对姬塬地区长6储层的75口井进行解释,其中油层43口,油水同层19口,水层13口,并与压裂试油数据进行对比,根据阿奇尔公式可以准确识别油层33口,油水层11口,水层9口,准确率为70.7%。根据肯尼迪公式可以准确识别油层36口,油水层14口,水层11口,准确率为81.3%,比阿奇尔公式的符合率提高10.6%。因此,应用拟渗流门限理论进行含油气评价,可以降低目的层射孔风险,提高油藏开发效益,指导研究区及相似低渗透储层的含油性评价。

3.2 含水饱和度公式影响因素

3.2.1 孤立孔隙

孔隙度和渗透率越低,孤立孔隙所占的比例就相对越高,孤立孔隙对阿奇尔公式的影响就越大,把一些水层误判为油层,增加补孔的风险。姬塬地区H382井27#层,层段2 005.5 ~2 019.6 m,长61自然伽马为76.86 API,地层电阻率17.61 Ω·m,泥质含量13.74 Ω·m,孔隙度11.82%,渗透率0.264×10-3 μm2,H382井长6段测井响应特征曲线见图3。根据阿奇尔公式计算的含水饱和度为58.24%,产水率为61.00%,解释为油水同层。压裂后试油,日产油0.27 t,日产水9.16 m3,结果显示为含油水层。

图3 姬塬地区H382井长6段测井响应特征曲线

图4(1)是该井在取心深度2 008.90 m处的岩心铸体薄片,为长石岩屑砂岩,孔隙主要为微孔和孤立孔隙。根据肯尼迪公式计算的含水饱和度为60.80%,产水率为92.95%,解释为含油水层。在孤立孔占优的储层中,地层水存在孤立孔隙中,不构成并联回路,使电阻率增加,造成阿奇尔公式含水饱和度偏低,肯尼迪公式考虑了孤立孔隙的影响,计算的值更符合试油结果。

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3.2.2 导电基质

导电基质主要是指一些颗粒细小的粘土矿物,粘土矿物能够吸附大量的带电离子,使地层电阻率降低。泥质含量越高,粘土矿物吸附的离子越多,对阿奇尔公式的影响就越大,把一些油层误判为水层,遗漏部分储量。

姬塬地区C115井20-21#层,层段2 528.3~2 536.0 m,长61自然伽马为80.40 API,地层电阻率13.93 Ω·m,泥质含量17.19%,孔隙度9.87%,渗透率0.312×10-3 μm2,C115井长6段的测井响应特征曲线见图5。根据阿奇尔法公式计算的含水饱和度为57.63%,产水率为47.27%,解释为油水同层。压裂后试油,日产油10.12 t,日产水0.92 m3,为油层。图4(2)是该井在取心深度2 529.51 m处的岩心铸体薄片,为长石岩屑砂岩,孔隙主要为长石溶孔,绿泥石膜胶结为主。根据肯尼迪公式计算的含水饱和度为53.92%,产水率为2.72%,解释为油层,与试油结果符合。

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图4 姬塬地区长6有层组储层铸体薄片的显微照片

图5 姬塬地区C115井长6段测井响应特征曲线

3.2.3 地层水矿化度

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根据阿奇尔法公式计算的含水饱和度为57.69%,产水率为48.73 %,为油水同层。压裂后试油,日产油1.32 t,日产水16.92 m3,解释为含油水层。取样分析,地层水矿化度为4 874 mg/L,与周围其他井相比,同层段的矿化度较低。根据肯尼迪公式计算的含水饱和度为60.77%,产水率为92.83%,解释为含油水层,与试油结果符合。

图6 姬塬地区C107井长6段测井响应特征曲线

4 结论

(1)随着油藏开发的深入研究,发现阿奇尔公式并不具有普适性。由于真实储层与阿奇尔储层存在一定差别,造成阿奇尔公式含水饱和度与试油结果存在较大误差。影响阿奇尔公式准确性的因素主要有孤立孔隙、导电基质和低地层水矿化度。

(2)拟渗流门限理论认为,地层电导率是关于孔隙度和含水饱和度对称的函数,地层电导率等于0对应的孔隙度或含水饱和度,称为拟渗流门限。与阿奇尔公式相比,肯尼迪公式不仅使含水饱和度公式的推导更周密,在实际应用中能提高含水饱和度的精度。

(3)姬塬地区长6油层组储层的物性变化快,非均质性强,微观孔隙结构复杂,油水层的识别准确性需进一步提高。在拟渗流门限理论的指导下,以试油数据为基准,根据肯尼迪公式进行含水饱和度和产水率计算,符合率达到81.3%,比阿奇尔公式提高10.6%。

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(4)孤立孔隙和低地层水矿化度会增加地层电阻率,使阿奇尔公式含水饱和度偏低,把水层误判为油层。粘土矿物能吸附带电离子,降低地层电阻率,使阿奇尔公式含水饱和度偏高,把油层误判为水层。肯尼迪公式计算的值更符合试油结果。

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然而现状不尽如人意。课堂成了最佳的补觉地点;宿舍成了电子竞技的演武场亦或是偶像剧与青春文学的演播室;上一次走进图书馆已不知要追溯到几个世纪以前。如果有一个“重要性排行榜”,恐怕娱乐活动、社团活动甚至恋爱都将远远超越学习位列前三甲。与此同时,似乎老师们在课堂上自说自话成了常态,采取的各种应对措施都不能对症下药,总有学生游离于“学习”之外。

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样本均衡化有“过采样”或“降采样”两种方法。对分布极不均匀的数据集,降采样很难取得良好的效果。因为降采样采用的策略是从“多数类”中选取样本,使其样本数与“少数类”样本容量相当,再与“少数类”结合进行训练。这样不能充分利用采集得到的数据,导致算法结果过拟合。

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钟张起,刘振旺
《复杂油气藏》 2018年第01期
《复杂油气藏》2018年第01期文献

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