高盐油藏开发期饱和度计算的矿化度驱替-交换模型

屈信忠, 唐文生, 姜明忠, 丁晓军, 廖春, 宋祖勇, 刘青文

(1.中国石油青海油田公司勘探开发研究院, 甘肃 敦煌 736202;2.北京泰姆泰克石油科技开发有限公司, 北京 昌平 100220)

0 引 言

高盐油藏由于地层水矿化度高,导电能力较强,油砂体普遍呈现较低的电阻率[1]。油层水淹后,电阻率进一步下降,油层、水层、水淹层的区分识别难度进一步加大。多数油藏开发过程中采用污水回注方法,注入水矿化度无规律性,油藏混合液矿化度的确定难度大,地层水导电特征难以量化,成为水淹层饱和度计算的主要难题[2]。

油砂体水淹后,如果发生矿化度的明显改变,在测井资料上具有一定的响应特征。例如利用自然电位测井的幅度变化、基线偏移程度等特征定量评价混合液电阻率[3-4]。理论上,这种方法可行[5],但是实际效果并不令人满意。对于岩性均匀的厚砂体,自然电位可在一定程度上反映储集层矿化度变化[6],但多数油藏的砂体厚度和岩性变化很大,自然电位变化幅度主要是厚度、渗透性、黏土组分等的体现,资料本身还需要大量的影响因素校正[7],视自然电位很难体现矿化度变化。由于混合液矿化度难以量化,在剩余油饱和度的解释中,电测井资料应用受到严重制约,出现了诸多借助于数学统计等手段进行饱和度计算的方法探讨[8-12],或借助于非电法资料认识饱和度的方法研究[13-14]。这也是经典的Archie基础模型自提出与发展70余年来,在油藏开发解释应用中遇到的主要技术障碍之一[15-16]。

本文结合柴达木盆地多个大中型油藏水淹层的研究,首次提出用于水淹层饱和度解释的矿化度驱替-交换理论模型,在此基础上建立开发期水淹层分级评价体系,成为解决开发期饱和度计算和水淹定量评价的重要技术手段。研究认为,注水开发过程中油藏混合液矿化度的变化主要受注入水驱替和离子交换2种因素控制。水淹初期,矿化度变化主要受孔隙体积中的注入水比例影响;随着注水时间和注水倍数增加,注入水和原生水之间的离子交换程度不断增加。通过建立矿化度驱替-交换物理模型,确定出混合液矿化度与含水饱和度、原生水矿化度、注入水矿化度的关系,联合电测井资料,采用迭代计算的方法,消除饱和度解释中的双解问题,大幅度提高饱和度和矿化度的计算精度。以该理论模型为核心,建立涵盖水淹层饱和度计算、含水率预测、水淹层分级解释为主的评价体系,并在多个大中型油藏投入生产应用,取得了良好的应用效果。

1 注入开发油藏矿化度的驱替-交换理论模型

1.1 注水驱替过程中矿化度变化的体积模型

油藏水驱过程中矿化度的变化基于岩石物理体积模型建立(见图1)。假定单位体岩石积内孔隙度为φ,原始含水饱和度为Swi,原始地层水矿化度为稳定值(矿化度记为P0),在注入水(矿化度记为Pin)的驱替过程中,一部分烃类体积被注入水替换,含水饱和度升高到Sw时,替换进入的注入水体积为φ×(Sw-Swi),地层内混合液矿化度(记为Pmix)是原生部分和替换部分的体积加权平均值。其中原生水体积包含的离子量为φSwiP0,被替换体积包含的离子量为φ(Sw-Swi)Pin,单位岩石体积内混合液矿化度Pmix表述为

(1)

式中,φ为岩石孔隙度,小数;Sw为含水饱和度,小数;Swi为束缚水饱和度,小数;P0为原始地层水矿化度,mg/L;Pin为注入水矿化度,mg/L;Pmix为水淹层混合液矿化度,mg/L。

可见,注水驱替过程中,混合液矿化度与原生水矿化度、注入水矿化度、饱和度变化情况密切相关。对于清污水回注的油藏而言,通过及时监测注入水矿化度,可以为混合液矿化度的量化计算奠定基础。

1.2 注水驱替过程中的离子交换

不同浓度和类型的水体接触,将逐步发生离子交换作用。在水淹初期,注入水占比例较小,与原生水的接触体积和接触时间有限,这种交换作用相对较弱。随着开发程度深入,注入水驱替倍数的增加或注入水在岩石中滞留的时间加长,注入水和岩石内部的原生水发生离子交换作用的强度增加[17]。

图1 注水驱替开发过程中水体矿化度变化的体积模型

无论是岩石内部部分水淹还是相对均匀的水淹,注入水体积和原生地层水的交换作用应当是发生在2类流体接触的条件下。油层条件下,原生水的离子存在于黏土结晶水和毛细管滞留水为主的赋存状态下。当岩石局部被水洗后,部分烃体积被替换,这部分体积内的束缚水虽可以视为无流动能力,但与注入水形成接触关系,存在发生离子交换的基本条件。

假定岩石水洗后含水饱和度为Sw,束缚水饱和度为Swi,残余油饱和度为Sor,则岩石被水洗的体积比例(记为Vb)可以表述为

(2)

理论上,我们可以假定在没有水洗的岩石体积中,可流动的岩石喉道由烃类占据,其中的束缚水和注入水没有相接触的条件,离子交换可以忽略。那么原生水体积中可能与注入水接触的比例(即有条件发生离子交换的比例),即可由式(2)表示(Swi、Sor参数通过相关岩石物理研究模型进行预测)。

水洗初期, 原生水矿化度为P0,原生含水体积为φSwi;随着水洗程度或注入水倍数增加,这部分矿化度逐步通过离子交换发生改变,最终趋向变化的极值是接近注入水矿化度Pin。因此,在注入驱替过程中,离子交换的程度是一个变化的动态过程,即其中一部分原生水矿化度逐步趋向接近注入水矿化度的过程,而未水洗部分的岩石中原生水矿化度可以视为保持不变。

在这个动态变化的过程中,由于可交换的水体比例是有限的,可以先考虑计算终极趋向条件下的矿化度变化,即认为被水洗的部分岩石,由于注入水倍数的增加,存在接触关系的那部分束缚水体积,其矿化度最终趋向等于注入水矿化度,从而简化其模型计算过程。

因此,在岩石终极水洗条件下,接触注入水的那部分原生水体,矿化度趋向等于注入水矿化度,结合公式(2),这时公式(1)混合液矿化度表述变化为

(3)

针对尕斯库勒油藏,选择了一个原始矿化度为160 000 mg/L、束缚水饱和度30%、残余油饱和度为28%的油层进行分析(见图2)。图2中模拟计算出了注入水矿化度60 000～180 000 mg/L条件下的含水饱和度—混合液矿化度关系。在注入水矿化度低于原始水矿化度的条件下,随含水饱和度升高,混合液矿化度成持续下降的曲线。注入水矿化度越低,下降速度越快。

统计表明,由于多数油田采用清污水回注,油田开发过程中采出水矿化度都有所下降,回注污水矿化度高于原始地层水矿化度的情况基本不会出现。以尕斯库勒油田为例,原始地层水矿化度160 000 mg/L左右,回注水矿化度在70 000～130 000 mg/L之间。

1.3 离子交换程度的影响分析

注水驱替过程中,离子替换量、离子交换量是控制混合液矿化度的主要因素。其中离子交换过程难以判别和量化分析,图2采用的简化算法(即认为束缚水中接触注入水的部分逐步趋近注入水矿化度)更符合水淹中后期的情况。但是,模拟计算表明,即使在水淹初期,由于砂体内部水洗岩石比例有限,无论接触部分离子交换程度如何,对混合液矿化度影响都比较小。以图2条件为例,表1模拟计算了注入水矿化度为100 000 mg/L、注入水饱和度5%～15%时的混合液矿化度变化。假如水淹初期注入水饱和度达到10%时, 在不考虑交换现象时,计算地层混合液矿化度为145 000 mg/L;如果离子交换非常充分,模拟计算的矿化度为141 000 mg/L。可见2种情况下差异很小,使用公式(3)计算的混合液矿化度误差并不明显;开发后期,由于随着水淹程度加强,离子交换的程度必然会越来越强,更趋近于交换充分条件下的计算结果,利用公式(3)计算的混合液矿化度误差也应该更小。可见,矿化度离子驱替-交换模型是一个非常符合油藏实际开发规律的岩石物理模型。另一方面,水体离子交换是一个双向过程,实际上是束缚水中部分水体与注入水中的部分水体接触形成的局部动态离子平衡。由于注入水处在一个动态的更替过程,经模拟计算不同注入倍数下的影响,认为离子交换对注入水水体形成的影响较小,可以忽略不计。

图2 不同矿化度驱替过程中混合液矿化度模拟计算图版

表1 水淹初期离子交换作用对矿化度影响分析

2 利用驱替-交换模型认识水淹层电性特征

2.1 水驱过程岩石电阻率理论计算

通过矿化度驱替-交换模型,可以确定不同岩石条件下的矿化度—饱和度关系。进一步将混合液矿化度转换为某一温度(油藏深度)下混合液电阻率,计算出特定岩石条件下的电阻率—饱和度关系,为油藏开发工作提出指导和支持。电阻率计算依据Archie公式

(4)

式中,Rw,z为混合液电阻率,Ω·m,由混合液矿化度Pmix换算而来;Rt为模拟计算的储层电阻率,Ω·m;a、b、m、n等岩电参数通过岩心实验取得;f(Pmix)表示Rw,z可以借助理论图版或公式从混合液矿化度Pmix转换而来。

图3 利用离子驱替-交换模型进行电阻率变化的理论计算(某特定油层条件)

2.2 水驱过程中电阻率变化规律

图3是针对某一典型油层的计算结果。该油层孔隙度16%,油层温度65 ℃,原始含油饱和度70%,原始矿化度160 000 mg/L。模拟了注入水矿化度20 000～160 000 mg/L几种条件,结合驱替-交换理论模型,计算出了油层在水淹过程中电阻率变化曲线。注入水矿化度在100 000 mg/L以上时,随着水淹程度的深入,油层电阻率基本呈现单调下降形态,电阻率从5.9 Ω·m最终下降到1.0～2.0 Ω·m之间,说明这些注水矿化度条件下电阻率受混合液矿化度影响较小,矿化度的计算误差很难影响到对水淹级别的判断。

当注入水矿化度低于80 000 mg/L时,电阻率曲线随饱和度变化呈现“S”形态,与国内外多年来相关实验室测量和研究结果吻合[18-20]。采用较低矿化度驱替开发,在水淹初期电阻率下降,水淹中后期出现平台或升高。尤其使用矿化度小于50 000 mg/L的注入水开发时,强水淹层的电阻率会与油层初期持平甚至更高,造成流体性质的电性特征混淆。例如,使用20 000 mg/L注入水长期驱替,理论上上述储集层电阻率由油层的5.9 Ω·m下降到3.7 Ω·m,随后在中强水淹条件下最高升至9.5 Ω·m,在残余油状态下,电阻率仍达到6.8 Ω·m,高于原始油层电阻率。

模拟计算结果说明,高盐油藏注入水矿化度应尽量接近原生水矿化度,尤其是避免使用盐度低于原始矿化度50%以下的注入水,以免导致不同流体性质储层的电性特征混淆。

3 水淹层解释中的应用

3.1 通过模型迭代计算确定水淹层饱和度

目前,在柴达木盆地多个注水开发20年以上的主力油藏中,建立了以矿化度的驱替-交换模型为纽带的水淹层解释评价方法,在生产中发挥了重要作用。同时加强了模拟水驱过程的岩石电性实验研究、利用测井资料在单砂体间进行岩石润湿性差异研究[21],以提高基础参数精度。

在水淹层解释中,由于混合液矿化度和含水饱和度都是未知变量,且都是主要的导电控制因素,通过驱替-交换模型,可量化表征各类储层的饱和度与矿化度的关系,结合电测井解释进行迭代计算或联合求解,求取水淹层混合液矿化度和含水饱和度:①首先选择注水矿化度或原始地层矿化度为Pmix初始值(或采用后面计算出的Pmix),转换为混合液电阻率Rw,z,进而通过Archie模型求取含水饱和度

(5)

②基于计算出的含水饱和度,代入驱替-交换模型计算地层混合液矿化度,即通过式(3)进行混合液矿化度计算;③将计算出的混合液矿化度Pmix值与前值进行对比,按一定步长增加或减小矿化度选值(亦即调整Rw,z值),循环利用公式(5)迭代计算求取含水饱和度。

当迭代计算过程中,矿化度变化导致的饱和度变化小于设定误差时,表明解释的混合液矿化度、含水饱和度满足驱替-交换模型的要求,同时又与电测井响应计算的饱和度一致,迭代计算结束(或者某个饱和度值时,计算的出混合液矿化度与参与计算的输入矿化度间误差小于设定条件)。

也可以直接以联合方程组(6)求解,得出混合液矿化度和饱和度

(6)

3.2 解释应用

表2对比了该区一典型油层选用不同混合液矿化度时饱和度的计算偏差。该层孔隙度为16%、原始矿化度170 000 mg/L、地层温度65 ℃、测井电阻率为3.5 Ω·m。计算结果显示,若地层混合液矿化度选值70 000～170 000 mg/L之间变化,则计算出对应的含水饱和度在37.1%～54.5%之间大幅度变化,矿化度不确定性严重影响了解释结果和对水淹状况的认识。

矿化度的驱替-交换模型为矿化度的确定提供了理论依据和实现手段。以表2提供的油层为例,对应表中已经计算出的含水饱和度,按照模型公式(3)求取对应的混合液矿化度,结果在136 500～91 000 mg/L之间变化(见表2)。只有在矿化度假定值110 000 mg/L左右时,与模型推算值113 000 mg/L最为接近。也就是说实际地层混合液矿化度应当为11 000 mg/L左右,含水饱和度约44.4%,才能同时满足驱替-交换模型和Archie解释模型(实际计算中采用计算机迭代或方程求解,结果为混合液矿化度116 000 mg/L,含水饱和度43.7%)。

表2 某典型油层条件下不同混合液矿化度选值导致饱和度偏差对比

该模型为注水开发过程中饱和度量化评价奠定了基础。进一步结合相渗等岩石物理实验成果,可以建立以饱和度和含水率为主的水淹层解释标准和分级方法[22-24]。目前在多个高盐油藏水淹层解释评价标准中,将水淹层解释划分为油层(含水率<10%)、1级水淹(含水率=10%～40%)、2级水淹(含水率=40%～60%)、3级水淹(含水率=60%～80%)、4级水淹(含水率>80%)、水层等6个级别,并依据研究成果分别在各油藏细化了解释标准。解释成果中提供了含水饱和度、可动水饱和度、混合液矿化度、含水率等重要参数的预测结果。

图4 YX××井水淹层处理成果图

图4是某井解释成果图示例。展示的层组原始地层矿化度140 000 mg/L左右,原始油层电阻率2.0～20.0 Ω·m,注入水矿化度85 000 mg/L左右。处理解释显示,V1-10小层水淹较强(2到4级),模型计算混合液矿化度上部100 000 mg/L左右,含水率85%左右;下部混合液矿化度110 000 mg/L,含水率52%,解释成果直观地展示了矿化度变化、可动水状况、各砂体量化的水淹级别等情况。

基于驱替-交换模型建立起的高盐油藏水淹层解释体系,实现了油藏水淹层6个级别分级解释和砂体内部细分解释。该模型在生产实践中得到了检验和验证,在柴达木盆地多个大中型油气藏开发期解释中发挥了重要作用,已经成为剩余油挖潜和水淹层饱和度定量评价的重要技术手段之一。

4 结 论

(1) 饱和度和矿化度2个变量的量化,是注水开发油藏剩余油饱和度解释中面对的双解问题。首次提出的矿化度驱替-交换岩石物理模型,创新和完善了开发期饱和度定量计算的理论方法,有效破解了注水开发油藏剩余油评价中长期存在的主要技术难题。

(2) 以矿化度的驱替-交换模型为核心,结合电测井资料和岩石物理实验、双相渗流实验等研究,建立起储集层含水饱和度、可动水饱和度、残余油饱和度等重要参数的定量解释。通过饱和度评价和含水率预测,达到水淹层分级解释,可以形成注水开发油藏量化、系统化的水淹层评价体系。

(3) 模型计算表明,注入水矿化度低于原始矿化度50%后,水淹层电阻率将打破随着水淹程度加强而单调下降的趋势。若注水矿化度进一步下降,水淹层电阻率将出现升高趋势,导致油水性质识别难度加大。生产中应控制好注入水矿化度的配比,避免水淹层“S”型电性形态的出现。

(4) 注入水矿化度是用于驱替-交换模型计算的重要参数,而采出水矿化度可作为模型可靠性监测和验证的重要资料。生产中应做好基础资料采集工作,加强回注水和采出水矿化度监测。

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