岩电实验和数值模拟相结合精确评价致密气储层饱和度

张宏悦, 韩艺

摘      要：致密储层由于岩性?孔隙类型与孔隙结构复杂多样及非均质性强等特征，使得驱替法岩石电性实验达不到理想的驱替效果，难以得到中低含水饱和度实验数据，导致饱和度测井评价遇到很大困难，测井符合率低?选择以有效介质和逾渗理论为基础的网络模型，对致密岩样进行数值模拟以求得含水饱和度全程段的电阻率指数变化趋势，既利用了岩电实验真实饱和度范围的测量参数，又弥补物理实验驱替不完全的缺陷;发现了所研究样品的电阻率指数与含水饱和度呈现出指数关系，而不是乘幂关系，由此建立了新的饱和度评价模型，在鄂尔多斯盆地某区块山西组致密气储层得到更为精确的饱和度。

关  键  词：致密气;饱和度;数值模拟;鄂尔多斯盆地

中图分类号：TE 311       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）04-0795-05

Abstract： Due to its complicated and diverse lithology，pore types and pore structure， as well as its strong heterogeneity， displacement method rock electricity experiment on the cores from tight reservoir cannot obtain ideal displacement effect， which often leads to difficulties of getting experimental data of mid and low water saturation， the difficulty of saturation logging evaluation and low logging coincidence rate. The network model， based on effective medium and percolation theory， was selected to conduct numerical simulation of tight cores to get their changing trend of resistivity indices， covering full range of water saturation. This method can utilize saturation measurements from rock electricity experiment and can also remedy the defect of incomplete displacement during physical experiment. It's found that resistivity indices and water saturation of core samples have exponential relation instead of exponentiation relation. Based on the research result above， a new saturation evaluation model was established to realize more precise evaluation of saturation of tight gas reservoir in Shanxi formation in a block of Erdos.

Key words： Tight gas; Saturation; Numerical simulation; Erdos

目前低渗透油气藏的储层评价与试油测试效果并不令人满意， 测井解释符合率低， 致密砂岩油气藏更是如此[1]?造成这些问题的根本原因是低渗透油气藏的储层特征比较复杂， 且对电阻率的影响大[2，3]?研究其导电规律，得到准确的饱和度值则可以大大提高测井解释符合率?

物理实验和理论数值模拟是进行岩石物理基础研究的两种基本方法[4]?物理实验由于需要考虑技术或设备?实验周期等诸多因素，实验结果可能达不到预期的效果;当对一些介质的物理实验测量或对某些参数的物理观测难以实现时，理论数值模拟研究则可以发挥其优越性，弥补物理实验或物理观测的不足?岩电实验是研究岩石导电规律的基本方法，常用测量方法为驱替法，但是由于致密储层的复杂性导致驱替法很难获取中低含水饱和度下的岩石电阻率数据，为研究导电规律带来了困难，因而可以采用数值模拟方法，延伸物理实验的趋势，弥补致密储层岩电实验缺少中低含水饱和度的缺陷，得到全程段含水饱和度的电阻率指数变化趋势?

针对鄂尔多斯盆地某区块山西组致密气储层的饱和度测井评价问题，本文基于岩电实验资料并结合数值模拟结果，研究其导电规律，最终建立指数关系的新饱和度模型?

1  岩电实验

鄂尔多斯盆地某区块二叠系山西组储层的岩电实验采用驱替法，实验仪器为PLS-200巖石电性测定仪，在5 MPa的围压和25 ℃的室温条件下，配制的地层水矿化度为50 000 mg/L?共选取了研究区山西组储层21块岩样作为实验样品，孔隙度范围为2%～10%;渗透率范围为0.065×10-3～0.76×10-3 μm2?

图1为地层因素（F）与孔隙度（φ）关系图和电阻率指数（I）与含水饱和度（Sw）关系图，由图可知F-φ和I-Sw均有很好的相关性?但进一步研究发现，电阻率指数与含水饱和度的实验结果中含水饱和度没有低于45%的，没有中低含水饱和度的实验数据，这给研究导电规律带来了困难，但是可以发现在含水饱和度小于60%时，电阻率指数开始偏离直线，偏向饱和度轴，具有减小的趋势?

结合铸体薄片实验分析，研究区岩性主要为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩（图2），其中岩屑以火山岩与火山碎屑岩为主，其次有沉积岩和变质岩?不稳定的成分含量较高，沉积?成岩作用较强，最终导致研究区孔隙类型多样，次生孔隙比较发育，孔径极差大，结构复杂，非均质性强等?依据对致密气孔喉下限50 nm的标准[5]，换算为对应的毛管压力， 即克服的最大毛管压力为2.88 MPa，但是现行岩电实验的最大突破压力大多为1.5 MPa，满足不了致密岩样的实验要求?采用气驱水的驱替法岩电实验时，驱替过程很难将岩石样品里的水完全驱替出去，达不到理想的驱替效果，得不到中低含水饱和度实验数据?

2  数值模拟

对于致密储层导电规律中非Archie现象的出现，国内外众多学者进行了大量的研究[6-14]，但是绝大多数学者的研究都是基于岩电实验，而宏观的岩电实验不能直接观察和定量计算岩石样品的微观特征，如孔隙结构?矿物组分及渗透性对流体分布状态的影响岳文正和陶果考虑孔隙结构?流体特性等因素对电传输特性的影响，对低孔低渗复杂储层进行导电特性数值模拟，结果表明对于水润湿的模型一般将出现凸形非Archie现象，即电阻率指数逐渐偏向饱和度轴[15]?在研究区致密砂岩储层流体性质为气水系统，天然气润湿性较石油差很多，因而气层中地层水更容易附着在岩石表面，表现为中等偏强的亲水特征?

获取精确的饱和度值，建立正确电阻率指数与含水饱和度关系是关键，但是由于致密气储层的复杂性，导致岩石样品实验难以得到全程段含水饱和度的电阻率指数变化趋势，因而可以采用数值模拟方法，延伸物理实验的趋势，弥补致密储层岩电实验缺少中低含水饱和度的缺陷?为了能够正确描述电阻率指数（I）与含水饱和度（Sw）的关系，选择建立在有效介质和逾渗理论基础上的网络模型对其进行数值模拟，网络模型由孔隙体以及孔隙体之间起连接作用的喉道组成[16，17]（图3-4），具体数值模拟过程采用了Wang等人的模型，该模型主要由岩石微观孔隙结构模型?网络基本单元理论电阻率模型和驱替及有效介质电导模型三部分组成，模拟采用亲水岩石模型?

孔隙体半径，吼道半径和吼道长度反映储层孔隙几何形态;配位数表征孔隙的拓扑特征，数值越大，连通性越好;当岩石亲水时，气驱水会在岩石表面形成水膜，导电部分由水膜和孔隙中未被驱替的水组成;偏态用来描述孔隙尺寸的统计变化情况?模拟参数的选取原则：由压汞实验的毛管压力曲线获得孔隙几何形态相关参数，例如孔喉半径均值和孔喉半径比等;配位数和水膜厚度等模拟参数采用经验值?

选取了有代表性的不同孔隙度与渗透率的岩样进行数值模拟，具体模拟参数见表1，并将数值模拟结果与岩心实验测量结果进行对比（图5）? 由图5可以看出，一方面数值模拟的I-Sw曲线与实验数据在中高含水时吻合，证明了该数值模拟的可靠性，另一方面也表明I-Sw在中低含水的情况下呈现非Archie现象的指数关系?

综合上述研究，结合岩电实验和数值模拟结果得到含水饱和度全程段的电阻率指数变化趋势，确立了研究区具有I-Sw凸形非Archie現象，呈现指数关系?图6为两种趋势的电阻率指数与含水饱和度的关系图，可以明显看出，仅具有中高含水实验数据时，不论I-Sw是乘幂关系（式（1））还是指数关系（式（2））都具有很好的相关性，但是在中低含水饱和度的情况下，两者相同电阻率指数所对应含水饱和度却相差很大?

根据上述建立的饱和度解释模型，分不同孔隙条件下，模拟含水饱和度随地层电阻率的变化关系，模拟参数见表2，其中地层水电阻率来自研究区地层水分析结果?图7为模拟结果，从图中可以发现，含水饱和度大于60%时，乘幂关系和指数关系计算的Sw值近乎相等;含水饱和度小于60%时，两者计算的Sw值有很大差别，乘幂关系计算的Sw值大于指数关系计算的Sw值?

3.2  实例应用

将新饱和度模型?Archie模型应用于鄂尔多斯盆地某区块二叠系山西组储层的饱和度求取?图8是X-8井的部分层段处理结果，图中Por为计算孔隙度， CPor为岩心物性实验得到的孔隙度; Sw_exp?Sw_Archie分别为新饱和度模型?Archie模型计算饱和度， CSw为岩心分析得到的饱和度?由图中可以看出， 新饱和度模型计算的饱和度值优于Archie模型， 与岩心分析饱和度值吻合的很好?将研究区山西组5口井共13块岩心分析饱和度值与计算得到的饱和度值进行比较， 通过对比发现， 研究区的含水饱和度均小于50%， 新饱和度模型计算的饱和度值相较于Archie模型计算的饱和度值，精度有了很大的提升?

4  结 论

（1）由于致密储层岩性和孔隙结构复杂?非均质性强等， 导致采用驱替法的岩电实验， 达不到很好的驱替效果， 而得不到中低含水饱和度的实验数据。物理实验和理论数值模拟两种方法可以互补， 也可以互相验证?采用在有效介质和逾渗理论基础上建立的网络模型对岩石电性进行数值模拟， 弥补了岩电物理实验的不足?

（2）岩电实验和数值模拟相结合，建立了指数关系的新饱和度模型?在高含水饱和度时（>60%），新饱和度模型和Archie模型计算的饱和度值差别不大， 均与岩心分析饱和度吻合; 在中低含水饱和度（<60%）， 新饱和度模型计算的饱和度值明显优于Archie模型?

参考文献：

[1]欧阳健. 加强目标区块岩石物理研究提高测井识别评价油层能力[J].中国石油勘探， 2001， 6（1）： 24-30.

[2]张明禄， 石玉江. 复杂孔隙结构砂岩储层岩电参数研究 [J]. 测井技术，2005， 29（5）： 446-448.

[3]周改英， 刘向君. 致密砂岩储层岩电参数实验研究[J]. 科技导报， 2011， 29（18）： 38-41.

[4]毛志强， 高楚桥. 孔隙结构与含油岩石电阻率性质理论模拟研究[J]. 石油勘探与开发， 2000， 27（2）： 87-90.

[5]Nelson P H. Pore-throat sizes in sandstones， tight sandstones， and shales[J]. Aapg Bulletin， 2009， 93（3）：329-340.

[6]Jing X D， Gillespie A， Trewin B M. Resistivity index from non-equilibrium measurements using detailed in-situ saturation monitoring[C]. SPE Offshore European Conference， Aberdeen， 1993： 456-464.

[7]Al-kaabi A U. Effects of hysteresis on them Archie saturation exponent. SPE Middle East Oil Conference and Exhibition[C]. Manama， 1997： 497-503

[8]Li Z B， Mo X W. Study on the electric property of Shaly sand and its interpretation method[J]. JGeosci Res Northeast Asia， 1999， 2 （1）： 110-1141.

[9]谢然红， 高国忠， 冯启宁， 等. 用测井资料预测储层的润湿性[J]. 测井技术， 2002， 26（4）： 265-268.

[10]Suman R J， Knight R J. Effects of pore structure and wettability on the electrical resistivity of partially saturated rocks-A network study[J]. Geophysics， 1997， 62（4）： 1151-1162.

[11]Stalheim S O， Eidesmo T， Rueslatten H. Jnfluence of wettability on water saturation modeling[J]. JPetrol SciEng， 1999， 24： 243-253.

[12]Man H N， Jing X D. Network modeling of strong and intermediate wettability on electrical resistivity and capillary pressure[J]. Adv Water Res， 2001， 24： 345-363.

[13]Man H N， Jing X D. Network modeling of mixed- wettability on electrical resistivity， capillary pressure and wettability indices[J]. J Petrol Sci Eng， 2002， 33： 101-122.

[14]吳兆徽，刘西雷，梁金萍，李伟忠，徐守余，牛丽娟，吴颖昊，吴颖欣.岩心油水饱和度误差形成主要原因及投影校正法[J].当代化工，2015，44（12）：2866-2869.

[15]岳文正， 陶果. 饱和多相流体岩石导电规律的数值实验[J]. 中国科学（D 辑：地球科学）， 2008（S1）， 39（1）： 154-160.

[16]Dullien F A L. 现代渗流物理学[M]. 范玉平， 赵东伟， 等译. 北京：石油工业出版社， 2001： 109-131.

[17]Wang Y M ， Sharma M M. A Network Model for the Resistivity Behavior of Partially Saturated Rocks[C]. The Society of Petrophysicists and Well Log Analysts 29th Annual Logging Symposium Transactions， San Antonio， Germany， 5-8， June， 1988.