古龙南地区低阻油层胶结指数和饱和度指数影响因素实验

宋延杰，姜艳娇，宋 杨，张依妮

1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318

2.非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室培育基地，黑龙江 大庆 163318

3.中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124010

0 引言

阿尔奇公式是利用测井资料定量计算含油饱和度的基础，适用于纯岩石地层。由于低阻油层的岩性、物性及孔隙结构复杂多变，经典阿尔奇公式不能很好地对低阻油层的饱和度进行评价；然而，通过岩石物理实验，研究胶结指数（m）和饱和度指数（n）的变化规律，建立变参数阿尔奇公式仍是目前定量评价低阻油层饱和度所采用的主要方法之一［1－2］。因此，研究低阻油层阿尔奇公式m和n的影响因素及变化规律是非常必要的。国内外很多学者在岩电参数影响因素研究方面做了大量工作，并取得了较好的成果。对于纯岩石地层，曾文冲、原海涵、Jackson等［3－13］从孔隙度、渗透率、孔隙结构及岩石颗粒形状等方面对m和n的影响进行研究后认为：阿尔奇公式中m值是对岩石中孔隙曲折度的度量，曲折度越高，m值越大，岩石颗粒形状及孔隙形状不同，m值不同，m值随毛管孔径和渗透率的增加而增加；n值反映了岩石的润湿性和孔隙结构特征，储层孔喉比越大，n值越大，亲油岩石的n值高于亲水岩石的n值，且在纯水润湿砂岩地层中高含水饱和度砂岩的n值大于低含水饱和度砂岩的n值。高楚桥、邓少贵、Hilmi等［14－21］对泥质砂岩储层的m和n的影响因素进行了研究。根据毛管理论分析认为，m值受毛管半径、孔隙弯曲度影响，n值受储层孔喉比、毛管半径分布指数影响。基于岩石物理实验认为，泥质体积分数对m值影响相对较大，黏土矿物类型及含量不同，m值不同，并且m值和n值都随地层水矿化度的增大而增大，随地层阳离子交换容量的增大而减小，随实验测量温度的增加而减小，随压力的增大而增大。近年来，对低孔低渗低阻储层的m和n的影响因素研究越来越受到专家学者的重视。李军、张超馍、李奎周等［1，22－27］主要从孔隙结构、岩性、胶结物、地层水矿化度等方面分析探讨了低孔低渗低阻储层的m和n的影响因素。结果表明：泥质粉砂岩m值较小，砂砾岩m值较大；随着岩石平均粒度增大，m、n值增大；随着钙质和膏质胶结物含量增大，m、n值增大；随地层水矿化度的增大，m、n值增大；随地层泥质体积分数和阳离子交换容量的增大，m、n值减小。低阻油层成因复杂，且不同地区低阻油层的成因不同，它可以为一种成因或多种成因的组合［28－32］，从而使得低阻油层m和n的影响因素随地区不同而发生变化。

古龙南地区葡萄花油层的储层物性差，属低孔特低渗储层。从电性特征看，古龙南地区既存在低阻油层又存在高阻水层，且低阻油层分布广泛，储层流体识别难度较大。已有研究表明：含泥重、黏土附加导电性强、微孔隙发育、束缚水饱和度高是产生古龙南地区葡萄花低电阻率油层的主要因素［33］。这种低孔低渗的储层特点和复杂的低阻成因给储层评价带来了很大困难，因此，如何通过岩石物理实验合理、正确地分析古龙南地区葡萄花低电阻率油层的m和n影响因素是非常必要的。为了全面准确地研究古龙南地区葡萄花低电阻率油层的m和n影响因素，笔者采用同一岩样而不采用并行样进行岩石物理实验测量，以确保储层特性研究的一致性。为此，对同一岩样进行孔渗、核磁特性、岩电、粒度、阳离子交换量以及压汞实验测量，利用获得的每一块岩样的物性参数、孔隙结构参数、核磁特性参数、阳离子交换容量等，分析讨论了低阻油层m和n的影响因素，为建立古龙南地区低阻油层改进的阿尔奇公式打下基础。

1 岩石物理实验设计

1.1 岩心样品选取

低阻油气层系指在同一油水系统内油气层与纯水层的电阻率之比小于2，即油气层的电阻增大率小于2的油气层。基于古龙南地区葡萄花油层的试油资料和测井响应研究，将古龙南地区电阻率小于15Ω·m的油层规定为本区的低阻油层，而将电阻率大于15Ω·m的油层规定为本区的常规油层［33］。按照低阻油层和常规油层划分标准，在试油取心井段选取该区低阻油层和常规油层的岩心样品。同时，为使利用实验数据建立的规律具有一般性，选取的岩样还必须满足以下要求：①兼顾岩性，选取的样品反映地区的主要岩性；②兼顾物性，选取的样品泥质体积分数、孔隙度、渗透率有一定的变化范围；③兼顾电性，选取的样品测井响应有一定的变化。按照上述标准选取低阻油层岩样14块，常规油层岩样18块。低阻油层和常规油层岩性均以粉砂岩和泥质粉砂岩为主：低阻油层泥质体积分数为23.7%～39.2%，孔隙度为5.5%～18.5%，渗透率为（0.01～4.02）×10－3μm2；常规油层泥质体积分数为18.0%～26.3%，孔隙度为8.6%～17.4%，渗透率为（0.14～12.31）×10－3μm2。

1.2 岩样实验流程和步骤

为了确保用同一岩样完成孔渗、核磁特性测量、岩电、粒度、阳离子交换量以及压汞实验测量，设计了岩样的实验流程，见图1。实验步骤如下：

图1 岩心实验流程图Fig.1 Core experiment flow diagram

1）将岩样洗油、洗盐、烘干，对岩样进行预处理。

2）在常温条件下，应用气测法测量岩样孔隙度和渗透率。

3）按照该区地层水类型和矿化度，配置矿化度为16 000和10 000mg/L的NaHCO3水溶液。

4）在温度（35℃）条件下，制备饱含水岩样，测量饱含水岩样的T2谱，然后对岩样进行离心，测量离心后岩样的T2谱，完成岩样的核磁特性测量。

5）对岩样进行预处理，制备饱含水岩样。在地层温度（75℃）和压力（40MPa）下，用油驱水测量不同含水饱和度的岩样电阻率，完成岩样的岩电实验测量。

6）对岩样进行预处理，取一薄片岩样，采用激光粒度分析法，进行岩样颗粒粒度分析。

7）将切去一薄片的剩余岩样平均分成两份，取其中一份岩样进行压汞实验，测定岩样的毛管压力曲线和孔喉大小分布。

8）取另一份岩样，粉碎处理后，对岩样依次进行络合、洗铵盐、蒸馏、滴定后，依据实验数据计算阳离子交换量，完成岩样的阳离子交换容量测量。

2 胶结指数（m）影响因素

利用孔渗实验，可得出岩样的孔隙度和渗透率值。利用粒度实验，可得出岩样的泥质体积分数值（本文采用粒径小于7.8μm颗粒的体积分数）。利用核磁共振实验，可得出岩样的T2几何平均值、微孔隙体积与可动流体孔隙体积之比等参数。利用圧汞实验，可得出岩样的孔喉中值半径、平均半径、分选系数等参数。利用阳离子交换容量实验，可得出岩样的阳离子交换容量。在阿尔奇方程中，令a＝1.0，可得

其中：a为岩性系数；Rw为地层水电阻率；Ro为饱含水岩石电阻率；φ为孔隙度。利用岩电实验测量数据，由式（1），确定了14块低阻油层和18块常规油层岩样的m值。将实验确定的岩样m值和反映岩样的物性、孔隙结构、黏土附加导电能力的特征参数进行交会，并对比分析低阻油层和常规油层的m值变化规律，可以得出影响低阻油层m的因素。

2.1 物性参数影响

m值与岩石类型和岩石孔隙结构特征有关，而反映孔隙结构特征的宏观参数有孔隙度、渗透率等。图2为古龙南地区葡萄花油层m与各物性参数（K为渗透率为孔渗综合指数，Vsh为泥质体积分数）的交会图。从图2中可以看出：低阻油层的m值比常规油层的m值低；在低阻油层中，m值随渗透率、孔渗综合指数的增大而增大，随泥质体积分数的增大而减小，但数据点分散，相关性不明显。m值与孔隙度无关、与孔隙度和泥质体积分数比值无关。

2.2 孔隙结构参数影响

由于古龙南地区葡萄花油层的低阻油层微孔隙发育，从而导致其孔隙结构更加复杂，而岩样的压汞和核磁共振实验可以给出反映储层微观孔隙结构特征的参数，故通过岩样的压汞和核磁共振实验可研究储层微观孔隙结构特征对m的影响。在压汞实验给出的反映岩石孔隙结构特征的微观参数中，反映孔喉大小的参数有最大孔喉半径、孔喉半径中值、平均孔喉半径、孔喉半径均值和主要喉道半径平均值，反映孔喉分选程度的参数有喉道分选系数、相对分选系数、均质系数、歪度等。基于压汞实验数据，绘制了m与孔喉半径中值、平均半径、最大半径、半径均值、分选系数和歪度的交会图，见图3。从图3中可以看出：该区低阻油层的m随孔喉中值半径、平均半径和半径均值的增大而增大，但相关性不明显；m与孔喉最大半径、分选系数和歪度无关。

在核磁共振实验测量的特性参数中，T2几何平均值能够反映岩样孔隙结构特征，而微孔隙体积与可动流体体积之比反映小孔隙与大孔隙的相对比例。因此，基于岩样核磁共振实验测量数据，分别绘制了m与T2几何平均值、m与微孔隙体积与可动流体体积之比交会图，见图4。由图4可知：该区低阻油层的m值随T2几何平均值的增大而增大，而且关系很好；m值随微孔隙体积与可动流体体积之比增大而减小，并有比较好的线性关系。

2.3 黏土附加导电能力影响

由于古龙南地区葡萄花油层的低阻油层含泥重且伊利石及伊蒙混层相对含量高，从而导致其黏土附加导电能力强，而岩样的阳离子交换能力实验可以给出反映储层黏土附加导电能力大小的参数，故通过岩样的阳离子交换能力实验可研究储层黏土附加导电能力对m的影响。基于阳离子交换容量实验数据，绘制了m与阳离子交换容量（Qv）交会图（图5）。由图5可知：低阻油层阳离子交换容量大于常规油层阳离子交换容量；低阻油层的m值随阳离子交换容量的增大而减小，但相关性不明显。

3 饱和度指数（n）影响因素

利用岩电实验测量数据，在电阻增大系数（I）与含水饱和度（Sw）双对数交会图上，进行线性回归，确定岩样的n值。由于部分岩样渗透率很低，在进行油驱水实验时含水饱和度减少很小，最低含水饱和度在93%以上，从而造成测得的饱和度数据点太少，且变化范围很小，依据公式回归出的n值不准确。因此，对n的影响因素实验研究中去掉了6块低阻油层岩样和1块常规油层岩样。将实验确定的8块低阻油层岩样和17块常规油层岩样n值和反映岩样的物性、孔隙结构、黏土附加导电能力的特征参数进行交会，并对比分析低阻油层和常规油层的n值变化规律，得出影响低阻油层n的因素。

图3 m与孔隙结构参数交会图Fig.3 Pore structure parameters vs.m

图4 m与核磁共振特性参数交会图Fig.4 Nuclear magnetic resonance parameters vs.m

图5 m与Qv交会图Fig.5 Qvvs.m

3.1 物性参数影响

基于岩石物理实验数据，图6给出了古龙南地区葡萄花油层n与渗透率、孔隙度、孔渗综合指数、泥质体积分数、孔隙度与泥质体积分数比值的交会图。从图6中可以看出：低阻油层的n值比常规油层的n值低；在低阻油层中，n值随孔隙度、孔渗综合指数、孔隙度和泥质体积分数比值的增大而增大，并有比较好的相关性。n值与泥质体积分数的相关性不明显。n值与渗透率无关。

3.2 孔隙结构参数影响

基于压汞实验数据，图7给出了古龙南地区葡萄花油层n与孔喉中值半径、平均半径、最大半径、半径均值、分选系数和歪度的交会图。从图7中可以看出：该区低阻油层的n值随孔喉中值半径、平均半径、最大半径和半径均值的增大而增大，并且有很好的线性关系。n与孔喉分选系数和歪度无关系。

基于岩样核磁共振实验测量数据，图8给出了古龙南地区葡萄花油层n与T2几何平均值、n与微孔隙体积与可动流体体积之比交会图。由图8可知：该区低阻油层的n值随微孔隙体积与可动流体体积之比增大而减小，而n值与T2几何平均值之间没有关系。

3.3 黏土附加导电能力影响

基于阳离子交换容量实验数据，图9给出了古龙南地区葡萄花油层的n与阳离子交换容量交会图。由图9可知：低阻油层的n值与阳离子交换容量没有明显关系。

4 胶结指数和饱和度指数规律

古龙南地区低阻油层胶结指数影响因素研究结果表明，古龙南地区低阻油层的m值变化规律为：随渗透率、孔渗综合指数、中值半径、平均半径、半径均值、T2几何平均值的增加，m值增大；而随泥质体积分数、阳离子交换容量、微孔隙体积与可动流体体积之比的增加，m值减小。该区低阻油层m值的这种变化规律受控于该区低阻油层的成因。通过对古龙南地区低阻油层和常规油层的岩性、物性、微孔隙体积、黏土矿物、地层水矿化度等特征的对比分析，得出岩性细、含泥重、黏土附加导电性强、微孔隙发育、束缚水饱和度高是产生古龙南地区低电阻率油层的主要因素［23］。岩石孔隙度变小与孔隙结构变复杂的相对大小的不同对m值的影响不同［34］，对于纯岩石，

图6 n与各物性参数交会图Fig.6 Petrophysical parameters vs.n

图7 n与孔隙结构参数交会图Fig.7 Pore structure parameters vs.n

图8 n与核磁共振特性参数交会图Fig.8 Nuclear magnetic resonance parameters vs.n

图9 n与Qv交会图Fig.9 Qvvs.n

其中，τ为孔隙曲折度。由式（2）可知，当孔隙度变小，孔隙结构变复杂时，如果孔隙曲折度平方的变化速率小于孔隙度变化速率，即lg（τ2）/（－lg（φ））随孔隙结构变复杂而减小，则m值随孔隙结构变差而减小。对于该区微孔隙发育、高束缚水饱和度的低阻油层，当孔隙度变小、孔隙结构变复杂时，孔隙曲折度平方的变化速率小于孔隙度变化速率，从而造成了阿尔奇公式中的m值随孔隙结构变差而减小，而孔隙结构变差，反映孔隙结构的参数如渗透率、孔渗综合指数、中值半径、平均半径、半径均值、T2几何平均值变小，微孔隙体积与可动流体体积之比变大，因此，该区低阻油层的m值随渗透率、孔渗综合指数、中值半径、平均半径、半径均值、T2几何平均值的增加而增大，随微孔隙体积与可动流体体积之比的增加而减小。岩石泥质体积分数增加一方面使岩石孔隙度变小、孔隙结构变复杂、m值增大，另一方面使岩石导电性增强、m值降低［34］。该区低阻油层含泥重、黏土附加导电性强造成了阿尔奇公式中的m值受泥质体积分数、阳离子交换容量增大使岩石导电性增强的影响大于使岩石孔隙结构变复杂的影响，因此，造成了该区低阻油层的m值随泥质体积分数、阳离子交换容量的增加而降低。

古龙南地区低阻油层饱和度指数影响因素研究结果表明，古龙南地区低阻油层的n值变化规律为随孔隙度、孔渗综合指数、孔隙度和泥质体积分数比值、中值半径、平均半径、最大半径、半径均值的增加，n值增大。由于岩石电阻增大系数为含油岩石电阻率与饱含水岩石电阻率之比，因此，阿尔奇公式中的n值取决于孔隙结构、泥质体积分数变化对含油岩石电阻率与饱含水岩石电阻率影响的相对大小。岩石含水饱和度变小与导电路径变复杂的相对大小不同对n值的影响不同：对于纯岩石，

其中：Lw为饱含水岩石的等效导电路径；L′w为含油岩石的等效导电路径。由式（3）可知，当孔隙度变小、孔隙结构变复杂时，如果的变化速率小于含水饱和度变化速率，即随孔隙结构变差而减小，则n值随孔隙结构变差而减小［1，34］。对于该区微孔隙发育、高束缚水饱和度的低阻油层，当孔隙度变小、孔隙结构变复杂时，含水饱和度变化对L′w的影响变小，的变化速率变小，从而造成了阿尔奇公式中的n值随孔隙结构变差而减小，而孔隙结构变差，反映孔隙结构的参数如孔隙度、孔渗综合指数、孔隙度和泥质体积分数比值、中值半径、平均半径、最大半径、半径均值变小，因此，该区低阻油层的n值随孔隙度、孔渗综合指数、孔隙度和泥质体积分数比值、中值半径、平均半径、最大半径、半径均值的增加而增大。岩石泥质体积分数增加一方面使岩石孔隙度变小、孔隙结构变复杂，如果孔隙结构变化引起含油岩石等效导电路径与含水岩石等效导电路径比值平方的变化速率大于含水饱和度变化速率，则n值随孔隙结构变差而增大；另一方面使岩石导电性增强，n值降低［34］。对于该区含泥重、黏土附加导电性强的低阻油层，泥质体积分数增加对阿尔奇公式中的n值产生的相反影响几乎相当，从而造成了该区低阻油层的n值随泥质体积分数、阳离子交换容量的增加变化不大。

通过对m和n的影响因素及规律分析可知：该区低阻油层的m受孔隙结构和泥的影响较大，且与T2几何平均值、微孔隙体积与可动流体体积之比关系较好；而该区低阻油层的n受孔隙结构影响较大，且与孔渗综合指数、平均半径、最大半径、半径均值的关系非常好。由此说明该区低阻油层的m值与n值之间不会存在明显的关系。

5 结论

1）在研究孔隙结构复杂的“三低”储层的m和n影响因素及变化规律中，必须采用同一岩样而不采用并行样进行岩石物理实验测量，以确保储层特性研究的一致性。其岩石物理实验顺序为孔渗实验、核磁共振实验、岩电实验、激光粒度实验（取一薄片）、阳离子交换量实验（剩余岩样一半）以及压汞实验（剩余岩样另一半）。

2）古龙南地区低阻油层的m值小于常规油层的m值。古龙南地区低阻油层的m值随渗透率、孔渗综合指数、中值半径、平均半径、半径均值、T2几何平均值的增加而增大，随泥质体积分数、阳离子交换容量、微孔隙体积与可动流体体积之比的增加而减小，且低阻油层的m值与T2几何平均值、微孔隙体积与可动流体体积之比关系较好，可用T2几何平均值或微孔隙体积与可动流体体积之比确定低阻油层的m值。古龙南地区低阻油层的m值受孔隙结构和泥的影响较大。

3）古龙南地区低阻油层的n值小于常规油层的n值。古龙南地区低阻油层的n值随孔隙度、孔渗综合指数、孔隙度和泥质体积分数比值、中值半径、平均半径、最大半径、半径均值的增加而增大，并呈现出很好的线性关系，尤其，n值与孔渗综合指数、平均半径、最大半径、半径均值的相关性非常好，可用孔渗综合指数、平均半径、最大半径、半径均值确定低阻油层的n值。古龙南地区低阻油层的n值受孔隙结构影响较大。

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