基于连续变地层胶结指数m值的含水饱和度计算方法——以渤海油田复杂砂岩储层为例*

王培春 张琳琳 马 超 齐 奕

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

基于连续变地层胶结指数m值的含水饱和度计算方法
——以渤海油田复杂砂岩储层为例*

王培春 张琳琳 马 超 齐 奕

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300452)

近年来，在渤海油田发现了许多复杂砂岩储层，岩石类型多样化和分选性差，导致孔喉结构多变、物性差异大、地层非均质性强和岩电参数不确定性大，难以准确计算地层饱和度。提出了适合本区的基于连续变m值的饱和度计算方法，即在高分辨率能谱测井计算出地层岩石密度骨架值的前提下，先利用地层声波时差与密度交会的方法反推地层岩石声波骨架值，然后根据J. P. Martin等提出的声波地层因素公式计算出反映地层孔喉结构几何特征的声波迂曲度系数，并建立岩心分析得到的地层胶结指数m与声波迂曲度系数之间的关系，最后将得到的连续变m值代入阿尔奇公式计算出地层饱和度。实例分析表明，本文方法可以较准确地计算出地层原始含水饱和度，从而实现了对复杂砂岩储层饱和度的定量解释，可以为今后其它复杂砂岩油气田的定量解释提供思路。

复杂砂岩储层；含水饱和度；连续变地层胶结指数m值；声波迂曲度系数；渤海油田

近年来，随着渤海油田勘探开发程度日益加深，越来越多的复杂砂岩储层出现在石油工作者面前。对于复杂砂岩储层，岩石类型多样化和分选性差，导致孔喉结构多变、物性差异大、地层非均质性强和岩电参数不确定性大，因此传统采用固定岩电参数(如阿尔奇公式、Waxman-Smits方程、印度尼西亚公式)计算饱和度的方法已难以满足需要[1]。而储层饱和度计算是制约油气藏储量准确评价的关键参数之一，且严重影响后期的开发部署工作。

图1为渤海油田A井目的层段常规测井曲线，该井取心段岩心照片显示地层上下岩性变化快，既存在砂岩，又有含砾砂岩、砂砾岩。该井岩性的复杂性导致测井响应差异化：砂岩(963.7～965.7 m)表现为低密度、高中子、高声波时差特征；含砾砂岩(965.7～967.5 m)表现为中低密度、中低中子、中高声波时差特征；砂砾岩(986.0～998.5 m)表现为高密度、低中子、低声波时差特征。由于电阻率测井受岩性、含油性双重影响，所以基于阿尔奇公式及其延伸的其他饱和度公式计算的该井饱和度SWE数据难以反映地层的真实情况(图1)。目前，针对复杂岩性储层饱和度计算，陆地油田建立了大量分析方法和计算公式[2]，这些都是以大量实验分析数据为前提。海上油气田受作业条件限制和成本控制，岩心数据资料较少，因此如何针对当前资料开展饱和度准确评价成为主要难点。

图1 渤海油田A井目的层段常规测井曲线

本文以渤海油田A、B井新近系目的层段为例，提出了连续变地层胶结指数m值计算复杂砂岩储层饱和度的方法。首先，根据高分辨率能谱测井[3]准确测量地层的元素含量，并依此计算出地层岩石密度骨架值，再利用声波时差-密度交会分析反推地层岩石声波骨架值；然后，在声波地层因素公式[4-5]的基础上计算反映地层孔喉结构几何特征的声波迂曲度系数；最后，针对油田复杂储层具体地质特征，根据本油田以及类似油田15块岩电实验分析数据，建立岩心分析得到地层胶结指数m与地层声波迂曲度系数x的关系求取连续可变m值，再将连续可变m值引入阿尔奇公式计算出地层饱和度。该方法成功解决了渤海油田饱和度计算的难题，为今后其他地区复杂砂岩油气田的定量解释提供了思路。

1 计算方法

1.1 地层岩石密度骨架值计算

由于实验室无法确定地层岩石声波骨架值，所以要先根据高分辨率能谱测井(Litho Scanner)[3]准确测量地层的元素含量，再依此计算出地层岩石密度骨架值。高分辨率能谱测井是斯伦贝谢公司最新推出的新一代地球化学测井仪，较上一代元素俘获能谱测井(ECS)有了明显改善，中子输出通量高达每秒3亿个，比当前测井使用的化学放射源高8倍以上。清晰的、分离的非弹性散射和俘获能谱数据使Litho Scanner可以比上一代工具测量更多的元素(包括碳元素)，通过剥谱、氧化物闭合原理等过程可以分析沉积岩、变质岩和火成岩地层的组分，继而更好地了解其他性质、矿物成分、成岩作用和含油气潜力等方面的信息[6-9]。因此，利用高分辨率能谱测井建立了研究区复杂砂岩地层岩石骨架参数(如岩石骨架密度、岩石骨架中子、岩石光电吸收截面等)计算关系式，其中地层岩石密度骨架值计算公式为

ρma=2.62+0.049WSi+0.227 4WCa+

1.993WFe+1.193WSu

(1)

式(1)中：ρma为地层岩石密度骨架值，g/cm3；WSi为高分辨率能谱测井得到的Si的质量分数，%；WCa为高分辨率能谱测井得到的Ca的质量分数，%；WFe为高分辨率能谱测井得到的Fe的质量分数，%；WSu为高分辨率能谱测井得到的Su的质量分数，%。

利用式(1)可得到地层岩石密度骨架值。图2为渤海油田B井Litho Scanner测井图，可以看出，虽然该井目的层段地层岩性多变，但是矿物元素及组分含量在储层段没有太大变化，由式(1)计算的地层岩石密度骨架值(图2第13列ZDEN)在储层段为2.62～2.68 g/cm3，与实验室井壁取心分析(图2第13列ZDEN_G)得到的地层岩石密度骨架值一致。

图2 渤海油田B井目的层段Litho Scanner测井确定地层岩石密度骨架值

1.2 地层岩石声波骨架值求取

因为岩石骨架不存在孔隙，所以当岩石密度值趋于骨架密度值时，对应的声波时差就为该岩性地层岩石声波骨架值，采用声波时差和密度交会分析可以建立地层岩石密度骨架值与地层岩石声波骨架值的关系。图3为渤海油田A井不同岩性地层的声波时差-密度交会图，所建立的回归关系式为

Δt=405.3-132ρ(R2=0.98)

(2)

式(2)中：ρ为测量的地层密度，g/cm3；Δt为测量的地层声波时差，μs/ft。

将利用式(1)求取的地层岩石密度骨架值ρma代入式(2)中，便可确定该地层岩石密度骨架值对应的地层岩石声波骨架值Δtma。当图2所示井段的地层岩石密度骨架值为2.62～2.68 g/cm3时，计算的地层岩石声波骨架值为51.5～59.5 μs/ft。

图3 渤海油田A井不同岩性地层声波时差与密度交会图

1.3 声波迂曲度系数计算

目前，测井饱和度的计算主要基于电法测井，计算饱和度模型最终应用在电阻率曲线上。一般情况下，一个油田同一套地层采用固定m、n值。而在复杂砂岩地层中，岩石类型多变，孔喉结构复杂，地层胶结指数m是随地层的变化而改变的。J. P. Martin等[4-5]在Raymer工作基础上，提出了声波地层因素公式

(3)

式(3)中：Δt为地层声波时差(直接测量得到)，μs/ft；φ为地层有效孔隙度(在渤海油田，常采用中子与密度交会方法计算)，f；Δtma为地层岩石声波骨架值，μs/ft；x为反映岩石孔喉结构几何特征的声波迂曲度系数(又称骨架岩性系数)，无量纲。

声波地层因素公式与电阻率地层因素公式类似，纵波沿地层骨架传播的路径也是弯曲的，其弯曲程度只与岩石孔隙结构的几何特征有关。将Δt、φ以及利用式(2)求得的Δtma代入式(3)中，便可得到随深度变化的x值。

1.4 连续可变m值求取与含水饱和度计算

饱和度计算公式中的地层因素是反映地层岩性变化、孔隙结构特征的重要指标，准确的地层因素值是饱和度准确计算的前提[10-11]。声波迂曲度系数x能够有效反映地层孔隙结构特征，为此将渤海油田以及类似油田实验室岩心分析得到的15块样品(砂岩样品10块、含砾砂岩样品5块)的胶结指数m与式(3)计算出的声波迂曲度系数x建立关系式(4)。由于复杂砂岩地层因砂砾成分变化导致地层孔隙结构复杂多变，采用固定胶结指数难以反映这种变化，因此在建立适合目标区块的m值计算方法后，应用GEOLOG平台编制程序便可产生连续可变m值，再将连续可变m值引入阿尔奇公式中，即可得到利用连续可变m值计算的含水饱和度。

m=0.391 4e0.806 6x(R2=0.85)

(4)

2 实例分析

如图4、5所示，渤海油田A、B井岩屑录井有细砂岩、中砂岩、泥质粉砂岩、含砾砂岩、砂砾岩等复杂砂岩，常规测井曲线中子、密度形态图显示地层非均质性强、岩性变化快、复杂砂岩呈薄互状存在，电阻率受岩性影响明显。在图4、5中，SWE为利用经典阿尔奇公式计算的含水饱和度(m=1.66，n=1.89)，SWE0为利用连续可变m值计算的含水饱和度，So为压汞计算的饱和度，SWC为井壁取心。

图4 渤海油田A井饱和度计算结果

图5 渤海油田B井饱和度计算结果

从图4可以看出，式(4)计算的m值MM与实验室分析值M一致性较好。例如，在该井含砾成分复杂的层段(953～955 m)，岩性变化等因素的影响导致储层储集空间结构复杂，利用公式(4)计算的m值明显高于砂岩段的地层因素值[12]，更加符合地层情况。

从图4还可以看出，SWE与电阻率曲线形态类似，与So误差较大；而SWE0与So一致性较好。在该井961～963 m井段，SWE普遍高于60%，属于水层；SWE0的变化更加突出，顶部砂砾岩段SWE0虽然高于80%，但结合录井、气测、测井和岩心等资料综合确定为无效储层，而底部砂岩段由于受围岩影响电阻率偏低，但变m值明显较低，SWE0为50%～60%，符合油层范围，最终与950～960 m油层合试获日产油30.72 m3，试油结果为油层。

从图5可以看出，在该井955～957 m井段，SWE低于55%，属于油层，但SWE0为43%～100%，落在水层范围内。该井段最终测试日产水42.5 m3，试油结果为水层。

渤海油田A、B两口井的测试结果验证了本文利用连续变m值计算含水饱和度的方法的可靠性，从而证实利用连续变m值计算的饱和度与壁心(SWC)的含油性吻合度更高。

3 结论

1) 基于高分辨率能谱测井可以在岩心资料较少的情况下准确计算出地层岩石密度骨架值，先利用地层声波时差与密度交会分析反推地层岩石声波骨架值，然后根据J.P.Martin等人提出的声波地层因素公式计算出反映地层孔喉结构几何特征的声波迂曲度系数，并建立岩心分析得到的地层胶结指数m与声波迂曲度系数之间的关系，最后将得到的连续变m值代入阿尔奇公式即可较准确地计算出地层原始含水饱和度，从而实现了对复杂砂岩储层饱和度的定量解释。

2) 实例分析表明，本文提出的基于连续变m值的含水饱和度计算方法解决了渤海油田饱和度计算的难题，可以为其他地区复杂油气田的定量解释提供思路。

[1] 王培春,吕洪志．低阻油层含水饱和度计算方法研究：以渤海A油田新近系低阻油层为例[J]．中国海上油气，2010,22(2)：104-107．

Wang Peichun,Lü Hongzhi.A research on the method to calculate water saturation for low-resistivity oil pays：a case study from Neogene pay of Bohai A oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2010,22(2):104-107.

[2] 迟秀荣,邵维志,丁娱娇,等．歧口凹陷复杂砂岩储层饱和度计算方法探讨[J]．测井技术，2011,35(3)：247-253．Chi Xiurong,Shao Weizhi,Ding Yujiao,et al.On saturation computation method for complex sandstone reservoir in Qikou depression[J].Well Logging Technology,2011,35(3):247-253.

[3] ABOUD M,BADRY R,GRAU J,et al．高分辨率能谱测井——识别复杂矿物(一)[J]．国外测井技术，2014(6)：67-73．ABOUD M,BADRY R,GRAU J,et al.High-definition spectroscopy-determining mineralogic complexity[J].World Well Logging Technology,2014(6):67-73.

[4] RAIGA-CLEMENCEAU J,NICOLETIS S,MARTIN J P.The concept of acoustic formation factor for more accurate porosity determination from sonic transit time data[J].Society of Petrophysicists and Well-Log Analysts,1988,29.

[5] 楚泽涵．声波测井原理[M]．北京：石油工业出版社，1987：100-103．

[6] HERRON M M,HERRON S L,GRAU J A,et al.Real-time petrophysical analysis in siliciclastics from the integration of spectroscopy and triple-combo logging[R].SPE 77631,2002.

[7] FREEDMAN R,HERRON S,et al.New method for determinging mineralogy and matrix properties from elemental chemistry measured by gamma ray spectroscopy logging tools[R].SPE 170722,2014.

[8] GONZALEZ J,LEWIS R,HEMINGWAY J,et al.Determination of formation organic carbon content using a new neutron-induced gamma ray spectroscopy service that directly measures carbon[C].SPWLA 54th Annual Logging Symposium,2013.

[9] AL-SALIM A,MERIDJI Y,MUSHARFI N,et al.Using a new spectroscopy tool to quantify elemental concentrations and TOC in an unconventional shale gas reservoir:case studies from Saudi Arabia[R].SPE 172176,2014.

[10] 李雄炎,秦瑞宝,毛志强,等．高精度胶结指数模型的建立与应用[J]．石油学报，2014,35(1)：76-84．

Li Xiongyan,Qin Ruibao,Mao Zhiqiang,et al.Establishment and application of a high-precision cementation exponent model[J].Acta Petrolei Sinica,2014,35(1):76-84.

[11] 罗少成,成志刚,林伟川,等．复杂孔隙结构储层变岩电参数饱和度模型研究[J]．测井技术，2015,39(1)：43-47．

Luo Shaocheng,Cheng Zhigang,Lin Weichuan,et al.Research on saturation model of variable rock-electric parameters for reservoirs with complicated pore structures[J].Well Logging Technology,2015,39(1):43-47.

[12] 唐红瑛．沾车凹陷岩电特征的分析和研究[J]．测井技术，2006,30(4)：294-297．Tang Hongying.The study on lithological and electrical characters in Zhanche sag[J].Well Logging Technology,2006,30(4):294-297.

(编辑：冯 娜)

Water saturation calculation method based on continuous variable cementation exponentm: a case study of complex sandstone reservoir in Bohai oilfield

Wang Peichun Zhang Linlin Ma Chao Qi Yi

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

In recent years, many complex sandstone reservoirs have been discovered in Bohai oilfield with wide various rock types and poor sorting which cause complicated pore throat structure, large difference on physical properties, strong heterogeneity, rock-electro parameters uncertainty and low accuracy of water saturation calculation. A saturation calculation with continuous variablemis presented for the study area. Firstly, formation matrix acoustic value is inversed with acoustic-density intersection based on the matrix density value calculated with Litho Scanner. Then, the acoustic tortuosity coefficient reflecting the formation pore throat structure is calculated according to the acoustic formation factor formula published by J. P. Martin, and the relationship between cementation index and the acoustic tortuosity coefficient with core analysis is established. Finally, the continuous variable cementation exponentmis substituted into Archie equation to calculate formation water saturation. The practical analysis shows that the method can calculate original formation water saturation accurately and provide a way for quantitative interpretation in complex sandstone reservoir.

complex sandstone reservoir; water saturation; continuous variable cementation exponentm; acoustic tortuosity coefficient; Bohai oilfield

王培春，男，工程师，2008年毕业于西南石油大学地球探测与信息工程专业，获硕士学位，现主要从事测井解释与储量评价工作。地址：天津市塘沽区闸北路609信箱(邮编：300452)。E-mail：wangpch@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)04-0042-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.04.007

TE122.2+3

A

2015-09-15 改回日期：2016-01-08

*“十二五”国家科技重大专项“渤海海域大中型油气田地质特征(编号：2011ZX05023-006-002)”部分研究成果。

王培春,张琳琳,马超，等.基于连续变地层胶结指数m值的含水饱和度计算方法——以渤海油田复杂砂岩储层为例[J].中国海上油气，2016,28(4)：42-47.

Wang Peichun,Zhang Linlin,Ma Chao,et al.Water saturation calculation method based on continuous variable cementation exponentm:a case study of complex sandstone reservoir in Bohai oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(4):42-47.