水驱方式下不同开发阶段水淹层岩石物理特征研究

2009-11-29浙江大学理学院浙江杭州310027大庆油田测井公司黑龙江大庆163412

长江大学学报(自科版) 2009年1期

关键词：电层水淹矿化度

张敏 (浙江大学理学院，浙江杭州 310027；大庆油田测井公司，黑龙江大庆 163412)

刘卫东 (中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

水驱方式下不同开发阶段水淹层岩石物理特征研究

张敏 (浙江大学理学院，浙江杭州 310027；大庆油田测井公司，黑龙江大庆 163412)

刘卫东 (中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

针对我国大多数陆相非均质老油田注水开发的特点及其在高含水期测井解释所遇到的诸多问题，通过模拟开发过程的岩石物理实验，研究了水驱过程中油藏性质变化对岩石地球物理特征的影响及作用机理，在岩石物理实验基础上研究了水驱方式下不同开发阶段水淹层的测井响应特征，并提出了相应的识别评价方法。研究结果表明：①水驱油方式下的I-Sw关系不再是一条直线，而呈现出与饱和度大小相关的两段式,当含水饱和度达到一定值(Swp)以后，电阻率对饱和度变化的反映不敏感。②在不同的浓度范围内，地层水矿化度对岩石表面双电层厚度及平衡离子活动性的影响不同，导致胶结指数m和饱和度指数n的值以及Waxman-Smits模型中的B参数在不同的矿化度范围内表现出不同的特征。③注入介质在高渗透条带中线性突破形成的电阻率宏观各向异性使储层在仍具有相当产能的情况下电阻率显著降低。④动电现象是特定油藏环境下的一种特殊岩石物理现象，开发过程导致的压力异常是其产生的本质原因，流动电位的大小与压差、多相流动特征及地层水矿化度有关，流动电位的存在使自然电位曲线表现异常。

陆相非均质油藏注水开发后，在注入介质的作用下油藏内部发生了一系列变化[1～5]，包括储层含水率上升、地层压力紊乱以及地层水矿化度复杂化等，这些变化导致油田开发中后期储层及流体性质的识别评价难度加大，油层、水层与不同级别水淹层间的识别评价标准变得模糊，测井解释符合率大幅度降低[6]。笔者针对我国大多数陆相非均质老油田注水开发的特点及其在高含水期测井解释所遇到的诸多问题，通过模拟开发过程的岩石物理实验，研究水驱过程中油藏性质变化对岩石地球物理特征的影响及作用机理。

1 水淹层电阻率变化特征

1.1水驱过程中电阻增大率I与含水饱和度Sw的关系

图1 水驱油条件下I-Sw关系

1)岩石物理试验特征为了研究注水过程中岩石电阻率随饱和度的变化规律，用润湿性不同的2类岩心进行驱油试验，图1是水驱过程中电阻增大率I与含水饱和度Sw的关系。

由图1可以看出，在低含水饱和度期即水驱油初期，无论岩心亲油还是亲水，随着含油饱和度的降低，岩石电阻迅速降低；当岩心的含水饱和度达到某一特征值Swp时(亲油岩心Swp=40%左右，亲水岩心Swp=60%左右)，电阻增大率的变化趋势变缓，I-Sw关系曲线上出现拐点，拐点2侧饱和度指数n明显不同，高含油饱和度段的饱和度指数n大于低含油饱和度段的n值，即水驱油末期，电阻率对含水饱和度的变化不再敏感，Swp所代表的就是注入水在岩石孔隙网络中的波及范围相对稳定时的含水饱和度，但并非是水驱油所能达到的最大含水饱和度，因为虽然波及范围不再发生变化，但是流动通道中的油滴、油脉还是能够被采出的。

2)测井响应特征水驱过程中，油层含油饱和度降低，含水饱和度增大，电阻率随含水饱和度的增加而显著下降，这是开发初期绝大多数水淹层的显著特征；油田开发到一定阶段以后，电阻率的变化就变得很不明显，也就是中强水淹阶段电阻率对饱和度变化的反映不敏感。

1.2水驱过程中的电各向异性特征

沉积作用形成的储层多层次非均质性以及开发过程中优势渗流通道的形成是开发层段内电各向异性产生的主要原因。储层物性越好，水驱作用越强烈，在渗透率较高层段中由于注入水的长期冲刷会形成孔隙度较大、渗透率特别高的薄层条带即大孔道。大孔道的识别非常重要，因为一旦大孔道形成，注入介质的波及范围将很难提高，注入水沿大孔道中的低效或无效循环使储层中的其他部位很难受效，严重影响驱油效率。

图2 不同厚度组合情况下的电阻率变化

1)数值模拟高渗透层中的大孔道含水饱和度很高，其电阻率明显低于未动用部位或动用程度比较低的部位。对于间互叠加在一起的电阻率不同的地质体而言，常规电阻率测井仪器的分辨率存在一定的局限性，所测电阻率不能充分反映地层的真实情况。由于电阻率宏观各向异性地层中电阻率值主要受低电阻率层段影响，因此即使只有极少部分的高渗透条带存在，水淹层的电阻率也会受到较大影响。图2是不同电阻率、不同厚度组合情况下电阻率宏观各向异性模拟图。由图2可以看出，当高阻层电阻率为100Ω·m，低阻层电阻率为1Ω·m，二者的厚度相差20倍时(相当于10cm厚的高阻砂岩油层中有0.5cm厚的低阻高渗透条带)，常规仪器所测得的视电阻率仅为17.5Ω·m，这说明地质体的视电阻率受低阻层的影响非常大。

2)测井响应特征图3所示的就是典型的优势通道水淹类型，即厚油层中部物性最好的部位强水淹，曲线在该处内凹(陷)明显，通过比较反映含油性的电阻率曲线与反映物性的三孔隙度或自然伽马曲线之间的对应关系，可以有效识别水驱形成的优势渗流通道。

图3 油层水淹后电阻率的“内凹”特征

1.3水驱过程中m、n值变化特征

不同水型、矿化度情况下的岩电试验结果如图4、图5所示。由图4、5可知，无论是胶结指数m还是饱和度指数n，在各种水型条件下都呈现出明显的与矿化度的相关性，并且在不同的矿化度区间内，m、n值的变化特征不同。

图4 胶结指数m与矿化度关系图5 饱和度指数n与矿化度关系

在低矿化度(低于20g/L)区，随着矿化度的升高，m、n值迅速增大，3种不同水型的试验结果显示的特征基本相同，说明低矿化度情况下，胶结指数m及饱和度指数n随矿化度升高而增大的规律具有普遍性；但是，m、n值并不是随着矿化度的增大而无限增大，当矿化度超过一定值(20g/L)以后，m、n值不再随矿化度的变化而发生明显变化，即m、n值在高矿化度区基本保持恒定。

图6 双电层厚度与矿化度关系图

m、n的值在不同矿化度区间内表现特征存在差异的原因在于，矿化度的变化使岩石颗粒表面双电层的性质随之发生变化，作为岩石孔隙网络中电流传导路径的组成部分，双电层性质的变化进一步导致反映岩石孔隙网络中电流传导迂曲度的m、n值发生变化。

岩石表面双电层厚度与矿化度之间最简单的关系如图6。在矿化度低于20g/L的低浓度区，双电层厚度随矿化度的降低而显著增大；随着矿化度的降低，双电层的厚度迅速增大，也就是岩石颗粒表面束缚水膜的厚度迅速增大，岩石孔隙网络中电流传导的路径得以显著改善，就出现了图4和图5中m、n值在低矿化度区随矿化度的降低而显著变小的现象。

在矿化度较高(高于20g/L)的情况下，随着矿化度的升高，双电层的厚度没有明显变化，也就是说当溶液浓度超过某一特征值以后，矿化度的升高不再对双电层的厚度产生影响，就出现了图4和图5中高矿化度情况下m、n值保持稳定的情况。这种情况所代表的是较高的反离子浓度将双电层厚度压缩到极限值、扩散层消失后岩石的电学特征。

对于水驱开发油田而言，混合液的电阻率是一个动态变化过程，因此在测井解释过程中应根据具体情况适时调整岩电参数。

2 开发过程中流动电位的产生及测井响应特征

2.1流动电位的产生机理

在勘探阶段及开发初期，油气藏中的压力系统一般比较稳定，钻井液的密度容易控制，井筒与地层间的压力维持在近平衡状态，两者之间一般不会发生严重的流体流动。但是当油田开发到一定阶段后，受断层遮挡、注采井网对油层的控制程度、储层非均质性及注水强度等因素的影响，注入水在层间推进的速度产生差异，形成常压层(注采平衡)、欠压层(注少采多)、高压层(注多采少)及憋压层(只注不采)，油藏中的压力分布极其复杂，油藏内部原来静态的压力系统变成动态压力系统，层内、层间及平面上的压力系统紊乱，导致泥浆密度难以控制，钻井过程中井漏、井涌甚至井喷现象时有发生，这些现象背后都伴随着压差作用下的流体流动以及因流体在多孔介质中流动而产生的流动电位，是井筒与地层之间严重的流体渗流过程。依据双电层及动电理论，电解质溶液流经多孔介质时，由于固液界面的双电层结构被扰动，孔道中会产生流动电位，即动电现象。

多孔介质中，动电现象是注水开发过程中固体与液体接触面上的双电层结构被扰动，压力驱动下孔隙系统中离子分布不均匀造成的。流动电位的大小不仅与固体表面和溶液的性质有关，还取决于作用在孔隙系统上控制双电层扰动程度的压力大小。流动电位产生的影响主要表现为自然电位曲线的各种异常反应。

2.2测井响应特征

自然电位主要由扩散吸附电位及过滤电位2部分组成，因此水驱储层自然电位曲线特征主要受2方面因素影响，首先是扩散吸附电位，由混合水性质与原始地层水性质的差异决定；其次是过滤电位也就是流动电位，由动用后地层压力与钻井液柱压力之间的关系决定。由于注水开发过程中储层的水性及压力分布都极其复杂，对自然电位曲线形态产生严重影响(见图7)。一般情况下，水淹层自然电位曲线主要有以下几种特征：①负异常幅度降低。由于注入水是淡水或污水，油层水淹后地层混合液矿化度降低，从而导致自然电位负异常幅度降低。②曲线无幅度甚至正异常。主要发生在高压层，是地层到井筒的流体流动所产生的流动电位造成的。③负异常幅度增大。主要原因是已动用层地层压力降低，低压层发生井筒到地层的流体流动所产生的流动电位造成的。④基线偏移。主要原因是层间非均质性导致不同层段动用不均衡，水淹级别不同的层段其地层水矿化度不同造成的。