高温高压下地应力对电阻率影响实验研究

王伟, 夏宏泉, 王谦

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610500;2.中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077)

0 引 言

塔里木盆地克深地区白垩系巴什基奇克组致密砂岩储层埋藏深,异常高压,处于强地应力状态,地应力对地层电阻率有较大的影响作用,导致利用电阻率测井资料准确识别储层流体的性质存在多解性。因此,有必要分析地应力对电阻率的影响机理与校正方法。

为搞清电阻率随地应力的变化特征,国内外学者展开了很多岩石电阻率实验研究工作。Brace等[1]认为岩石在加载至破裂的过程中,孔隙状态及体积膨胀是岩石电阻率发生变化的主要原因。陈大元等[2]通过应力反复加载研究了花岗岩样品电阻率的变化情况。陈峰等[3]利用2维弹性约束应力模拟地层岩石的应力环境,并采用四极法测量岩石电阻率的变化,认为随着加载应力的增加,在不同的应力阶段岩石电阻率呈现出不同的变化趋势,电阻率先上升,然后保持平稳,最后呈现下降的趋势,且在接近岩石主破裂处,电阻率下降得更快。曲斌等[4]通过对储层环境的模拟,对比饱和原油和饱和水样品,得到岩石电阻率随压力的增大而增大,且呈e的指数形式变化,但变化梯度较小。张宁生等[5]研究发现对于同一区块的岩心,当围压在岩心弹性形变范围内,压力与岩心电阻率呈线性关系。陈啸宇等[6]基于测井资料研究了地应力大小、方向对库车坳陷克拉苏构造带储层电阻率测井响应的影响,结果表明随着水平主应力差的增大,地层电阻率呈指数增大的趋势,当水平最大主应力方向与裂缝走向夹角较小时地层电阻率与水平主应力差的相关性好;当水平最大主应力方向与裂缝走向夹角较大时地层电阻率与水平主应力差的相关性差。

中国电阻率各向异性研究始于20世纪80年代,陈大元等[7]通过对均匀饱和水的长方形晶体在没有外来水补给的情况下,研究了视电阻率各向异性与压力的关系。沿用陈大元的方法,金安珍等[8]开展了有补给水的单轴压缩实验,结果表明有补给水与无补给水的实验结果相似,裂隙发展方向与4个各向异性主轴方位基本一致,随着压力的增加,电阻率各向异性主轴方向可能会发生1～3次跃变,每次跃变形成一个主轴方向。

以往的实验多集中在单轴应力加压下的电阻率随应力的变化研究,基本认为当应力增大到一定程度时,岩石会发生破裂,导致电阻率下降,而在实际的油藏开发中,压差不会达到岩石破裂的程度[6]。为了更好地模拟井下储层环境,本文以库车河露头剖面巴什基奇克组岩心为研究对象,开展了岩样高温高压下,在围压大于轴压和围压小于轴压2种加载方式下,岩石在弹性形变内,岩石电阻率及电阻率各向异性系数随水平应力差变化关系的实验模拟研究,旨在分析岩石在强挤压状态下地应力对电阻率的影响机理。

1 岩心制备与实验仪器

1.1 实验岩心制备

该实验岩样取自库车河露头剖面巴什基奇克组岩性段。其露头储集岩主要为中粒岩屑砂岩,以孔隙式胶结为主,孔隙类型以次生的杂基内溶蚀微孔为主,平均孔喉半径为1.028 μm,最大孔喉半径可达75 μm,孔隙结构类型以微孔小喉为主、次为微孔中喉[9],岩石含有层理结构。实验岩心孔隙度、渗透率平均值分别为10.04%、3.18 mD*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同。首先对岩样进行层理走向的划分,将岩心加工成5 cm×5 cm×5 cm立方体,为了保证岩心各项参数的测量精度,保证X、Y、Z这3面的垂直度偏差小于±0.2°,各自对应端面的平整度误差小于±0.1 mm,边长误差小于±0.3 mm,以便测量3个方向的电阻率。

1.2 饱和盐水配置及电阻率测量

克深地区目地层埋藏深,上覆地层压力大且温度高,地层水矿化度高,配制与试水资料相同矿化度溶液,配用矿化度为180 g/L的NaCl型盐水,15 ℃时电阻率为0.059 Ω·m,密度为1.131 g/cm3。用该溶液对所有岩心进行加压饱和,对岩心抽真空5 h以上,然后加压饱和12 h以上,岩心充分吸水饱和,加压过程中依然要继续抽真空较长的时间,确保岩心100%饱和地层水。为了更好地反映储层条件下岩心的电阻率,利用高温高压3轴仪模拟储层的温压条件。岩心经过低温干燥和表面清洁及磨光处理,加压饱和盐水后,放入高温高压3轴仪,采用交流二极法以及LCR数字电桥测量岩样的电阻率。

电阻率为

(1)

式中,Rt为测量电阻率,Ω·m;R为测量电阻,Ω;L为岩样长度,cm;S为岩样端面面积,cm2。

2 高温下水平应力差对电阻率的影响

根据克深地区目的层存在张性段、过渡段、压性段的实际情况,设计了对应物理实验方法,实验时分2种情况考虑:①轴压(水平最大应力)>围压(上覆地层压力=水平最小应力),即模拟张性地层;②围压(上覆地层压力=水平最大应力)>轴压(水平最小应力),即模拟压性地层。采用二极法测量方形岩心在受压条件下的电阻率,岩心水平放置在电阻率夹持器内,电极对称布置在岩样的2个端面上,电阻率测量方向始终与轴压方向保持一致。电阻率测量方向及轴压、围压示意图见图1。测试步骤:①在恒定温度9 ℃下,围压分别为10、20、30、4、50 MPa和60 MPa时,保持轴压大于围压,轴压递增至70 MPa,测量X方向电阻率的RX,得到测量电阻率随水平应力差(p轴压-p围压)的变化关系(见图2);②在恒定温度下9 ℃,轴压分别为10、20、30、4、50 MPa和60 MPa时,保持围压大于轴压,围压递增至70 MPa,测量X方向电阻率的RX,得到测量电阻率随水平应力差(p围压-p轴压)变化关系(见图3)。每次加压不使岩石发生结构破坏,即在弹性形变内测量岩石电阻率。

图1 方形岩心电阻率测试方向及轴压、围压示意图

图2 轴压大于围压时,不同水平最小应力下电阻率与水平应力差的关系

图3 围压大于轴压时,不同水平最小应力下电阻率与水平应力差的关系

由于实验在百分之百饱和地层水的条件下进行加压测量电阻率,与实际地层电阻率(5～200 Ω·m)相比较,实验测量电阻率数值变化范围很小(1.0～1.8 Ω·m)。2种加载方式下采用e指数形式进行回归,得到不同水平最小应力条件下岩石电阻率随水平应力差的变化关系(见表1)。

表1 不同水平最小应力下,电阻率随水平应力差的变化关系

3 高温下水平应力差对电阻率各向异性的影响

在恒定压力、温度90 ℃下,分别测量水平方向电阻率Rh,x、Rh,y与垂直电阻率Rv;每次加压后等待30 min,待应力平衡后,读取电阻值。每测量完一个方向在不同压力条件下的电阻,待夹持器冷却到常温后将岩样取出,称重后重新置于饱和溶液中,间隔48 h后再测量另一个方向的电阻。一方面是为了避免上一次的应力变化引起孔隙结构的变化;另一方面是对实验中饱和液体流失的补充。测量步骤:当倾角为0°时,按轴压方向测量岩样在不同压力下的电阻率,得到水平电阻率Rh;将岩样旋转90°,也按轴压方向测量岩样在不同压力下的电阻率,得到垂直电阻率Rv。测量示意图见图4。通过计算得到岩样在不同水平应力差下的电阻率各向异性系数

(2)

式中,λ为电阻率各向异性系数;Rv、Rh分别为垂直和水平电阻率,Ω·m。

实验分3种情况测量水平与垂直电阻率:①围压大于轴压测Rh,轴压大于围压测Rv;②围压大于轴压同时测Rh、Rv;③轴压大于围压同时测Rh、Rv,最后得到不同加载方式下电阻率各向异性系数随水平应力差的变化数据。

图6 围压大于轴压测Rh、Rv

图7 轴压大于围压测Rh、Rv

不同测量方式下,电阻率各向异性系数随水平应力差的变化关系不一样,通过回归分析可知在围压大于轴压测Rh、轴压大于围压分别测Rv与围压大于轴压测Rh、Rv这2种测量方式下,得到不同水平最小应力下电阻率各向异性系数随水平应力差呈e指数形式变化,具体关系式见表2。

从图5(a)、图6(a)和图7(a)可知,Rv均大于Rh说明沿层理方向的电阻率小于垂直于层理方向的电阻率。从图5(a)和图5(b)可知,随着水平应力差增大,Rh、Rv均增大,Rh增大幅度大于Rv,两者差值越来越小,则电阻率各向异性系数减小;随着水平最小应力(围压)的增大,电阻率各向异性系数减小。由图6(a)、图6(b)可知,随着水平应力差增大Rv、Rh均增大,且Rv增大幅度大于Rh,两者差值越来越大,电阻率各向异性系数增大;随着水平最小应力(轴压)增大,电阻率各向异性系数增大。由图7(a)、图7(b)可知,在水平应力差小于20 MPa时Rv增大幅度大于Rh,水平应力差在20～40 MPa时,Rv增大幅度小于Rh,水平应力差大于40 MPa时,Rv增大幅度大于Rh。则随着水平应力差的增大,电阻率各向异性系数基本上呈先增大后减小再增大趋势变化;当水平应力差大于20 MPa时,随着水平最小应力的增大,电阻率各向异性系数基本保持不变。由于岩石结构的各向异性,其电阻率也存在明显的各向异性特征。不同的加载方式,电阻率各向异性系数随水平应力差的变化趋势不一样,其主要原因是不同加载方式下,压力增加引起孔隙结构及孔隙度的变化程度不一样,导致水平、垂直电阻率在不同压力差下增大幅度不一样。

表2 不同水平最小应力下,电阻率各向异性系数(λ)随水平应力差的变化关系

4 结 论

(1) 高温高压下,岩石在弹性形变阶段内电阻率随水平应力差的增大呈e的指数形式增大,且随着水平最小应力的增加,岩石电阻率也增加但增加幅度减小。这为强挤压状态下用地应力校正电阻率测井曲线值异常增高提供了实验理论依据和指明了校正方向。

(2) 岩石结构和构造的各向异性导致岩石电阻率存在明显的各向异性,沿层理或裂隙方向的岩石电阻率较低,而垂直于层理或裂隙方向的岩石电阻率较高。电阻率测量方向与加压方向平行时,电阻率随水平应力差增加而增加的幅度变小;电阻率测量方向与加压方向垂直时,电阻率随水平应力差增加而增加的幅度变大。不同加载方式下,电阻率各向异性系数随水平应力差的增大呈现出不同的变化趋势。

(3) 应力能引起岩石电阻率增大的变化,归结于它引起岩石孔隙体积及孔隙结构的改变。开展岩石孔隙度和孔隙结构指数随应力变化的理论关系研究,并结合阿尔奇公式,可以建立应力影响电阻率的理论关系式,用于高强地应力状态下的电阻率测井曲线异常值的校正。

参考文献:

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