致密砂岩裂缝自然电位响应机理及实验分析

2022-05-25刘志远南泽宇李召成申本科

石油化工应用 2022年4期

刘志远，南泽宇，刘卉，李召成，申本科

（1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083；2.成都北方石油勘探开发有限公司，四川成都 610051；3.中国石油大学（华东），山东青岛 266580）

钻井过程中，由于泥浆和地层水的含盐量不同，地层压力和泥浆柱压力不同，在井壁附近发生电化学反应，产生自然电位电势差[1]，自然电位测井通过测量井下地层与地面之间的电位差反映自然电位，常在渗透层段常表现为明显的异常。致密砂岩中的裂缝层段具有高渗性，自然电位表现明显的负异常特征。邓惠[2]在对四川盆地西部侏罗纪中统红色致密碎屑岩次生裂缝性气藏研究中，采用自然电位指示裂缝、判别产气层位；徐康[3]采用自然电位对充填裂隙渗透破坏过程进行监测；胡开颜等[4]基于动电机制，认为孔隙介质中的流体流动可产生自然电位，通过自然电位观测反演地下水动力过程；姜达贵[5]采用自然电位对海拉尔油田变质岩潜山油藏裂缝性储层评价，认为自然电位受泥浆与地层水矿化度、地层压力、储集空间、储集层中的流体等多种因素影响。然而裂缝究竟如何影响自然电位响应，仍不清楚。为了进一步探索自然电位裂缝响应规律，研究自然电位裂缝响应机理，本文从自然电位裂缝响应实验出发，总结不同矿化度、地层压力条件下的含裂缝岩心自然电位响应规律，基于自然电位响应基本原理，推导建立裂缝自然电位响应模型，为明确裂缝自然电位测井响应原理提供了依据与研究思路。

1 自然电位裂缝响应实验

为了研究裂缝自然电位响应特征，本文开展了两组实验，分别模拟不同矿化度以及地层压力对裂缝自然电位响应的影响。基本思路是对比平行取样的裂缝与无裂缝的一组岩石样品，测试不同泥浆矿化度与压力条件下裂缝自然电位的响应差异。测试内容主要包括岩样裂缝开度、物性参数的测量、4 种泥浆矿化度以及3 种压力条件下自然电位的测量三部分。

1.1 岩石取样与CT 裂缝开度测量

岩石样品主要采自于鄂尔多斯盆地南部（鄂南）汭水河与普陀河延长组致密砂岩露头，选取发育单条天然裂缝的岩石，采用平行取样方式，钻取横穿岩心的天然裂缝岩样与邻近的未发育裂缝样品，经过切割，打磨，清洗，烘干等一系列处理，最终得到裂缝居中且形状较为规整的10 组22 块岩心（见图1）。

图1 实验部分样品组岩心照片

通过CT 扫描对裂缝样品裂缝开度进行评价（见图2、表1），发现只有5 块样品发育单条缝且裂缝相对居中，考虑到实验数据可对比性，主要依据这5 组样品开展研究。

图2 致密砂岩裂缝CT 截面照片

表1 CT 评价岩石样品平均裂缝张开度

1.2 岩样物性参数的测量

孔渗测量采用SCMS-C3 型全自动孔渗测量系统，采用氮气作为介质进行测量，测试时围压采用5 MPa，气压2 MPa，孔渗测量前在烘箱对岩心烘干8 h，尽量保持干燥状态。测量结果（见表2），可以看出，同组样品孔隙度基本相似，发育裂缝样品渗透率更大。

表2 岩石样品物性分析测量统计

1.3 自然电位测量

自然电位采用五岩心联测系统[6]，该装置是一个物理模拟实验系统，应用五岩心联测闭合实验装置模拟地层条件下的泥浆侵入，测量泥浆侵入油水层时油水层岩心电化学电位的变化。该实验装置包括泥浆循环模块、多功能滤失岩心夹持器、数据采集处理系统、滤失滤液计量系统，装置简图（见图3）。利用五岩心并联模拟组成复杂地层，所有岩心夹持器前端贯通，形成模拟井筒，井筒内模拟泥浆循环流动，通过五岩心联测闭合实验装置进行岩心电化学电位的实验测试。

图3 五岩心联测系统装置原理简图

本文采用该装置开展了两组测试，一组采用岩石样品两端不施加压差，岩石样品充注地层水矿化度为50 000 mg/L，通过不断调整泥浆矿化度，测量发育裂缝与不发育裂缝样品自然电位，5 组岩心不同泥浆矿化度SP 测量结果（见表3），由表3 可以看出随着泥浆矿化度与岩石样品充注地层水矿化度差异的增大，所有岩石样品SP 幅值在增大，而且裂缝样品电动势变化幅值明显大于同组非裂缝样品。另一组采用固定岩石样品地层水矿化度50 000 mg/L，泥浆矿化度10 000 mg/L，通过不断调整岩心柱两端压差，测量发育裂缝与不发育裂缝样品自然电位，5 组岩心不同泥浆柱压差SP 测量结果（见表4），由表4 可以看出随着压差的增大，自然电位幅值明显增大，裂缝样品电动势变化幅值明显大于同组非裂缝样品。

表3 岩石样品变泥浆矿化度自然电位测量

表4 岩石样品变泥浆压差自然电位测量

2 自然电位裂缝响应分析

为了深入研究上述裂缝自然电位响应特征，本文结合自然电位响应原理，对上述实验开展分析，推导建立裂缝自然电位响应模型，最终搞清了自然电位响应机理。

前人研究表明，自然电位产生的原因主要有三个部分，即扩散电动势、扩散吸附电动势以及动电电动势[1]。扩散电动势是由于离子迁移率不同造成不同浓度溶液间产生的电动势；扩散吸附电动势是由于溶液中岩石矿物表面离子发生置换而带电，吸附相反极性平衡离子，受这些平衡离子影响，浓度不同的溶液间形成电势差；而动电电动势是由于在压力差作用下，溶液中的平衡离子发生移动聚集产生的电势差。据此分析认为，裂缝段自然电位响应主要包括两部分：一部分，岩石表面电荷吸附能力与接触面积有关，裂缝发育段，在基质孔隙形成的扩散吸附电动势基础上，裂缝增大了泥浆与致密砂岩接触面积，造成吸附影响明显增大，产生了裂缝附加扩散吸附电动势，而另一部分是由于裂缝段渗透性明显增强，井筒内液体与地层压力差影响因素被放大，平衡离子发生移动，形成裂缝附加动电电动势响应，它与裂缝扩散吸附电动势共同影响，使得自然电位在裂缝段表现出明显异常特征。

2.1 裂缝附加扩散吸附电动势

为验证裂缝附加扩散吸附电动势的影响，本文利用岩石样品变泥浆矿化度自然电位测量结果，采用同一组内对照无裂缝样品与裂缝样品自然电位差来消除了扩散电动势与基质扩散吸附电动势影响，反映裂缝引起的附加扩散吸附电动势。通过该自然电位差与泥浆矿化度交会（见图4），可以看出，随着泥浆矿化度与岩石样品矿化度差异逐渐增大，自然电位差呈指数增大，表明裂缝附加扩散吸附电动势主要与泥浆-地层水矿化度差异程度相关。为减小单个样品测量误差影响，本文将相同泥浆矿化度样品的电位差求和平均，与泥浆-地层水电阻率对数比值进行交会（见图5），可以看出两者具有非常好的线性相关性。

图4 致密砂岩裂缝样品自然电位差与泥浆矿化度关系

图5 样品裂缝附加扩散吸附电动势（平均）与泥浆-地层水电阻率比值呈对数关系

据此建立裂缝附加扩散吸附电动势评价模型，如式（1）。

式中：Efda-致密砂岩裂缝吸附电动势，mV；Rw-地层水电阻率，Ω·m；Rm-泥浆电阻率，Ω·m。

由于不论天然形成的高角缝还是低角缝，其裂缝纵向延伸较大，认为裂缝形态对附加扩散吸附电动势影响不大，同时对于多条裂缝发育层段，由于过井眼的各裂缝产生的扩散吸附电动势处于并联关系，因此扩散吸附电动势大小也与裂缝发育密度关系不大。

2.2 裂缝附加动电电动势

为了研究裂缝附加动电电动势响应规律，本文通过达西定律与欧姆定律相结合，推导自然电位裂缝动电电动势评价裂缝模型，采用岩石样品变泥浆压差自然电位测量实验响应进行验证。首先建立裂缝体体积模型（见图6）。

图6 裂缝体模型

体积法确定裂缝内的电荷体密度：

式中：q-裂缝体内电荷体密度，mC/cm3；h-裂缝缝高，cm；L-裂缝内泥浆侵入深度，cm；d-裂缝张开度，cm；σ-岩石面电荷密度，mC/cm2。

由于带着平衡离子的泥浆向地层中渗入形成电流，其电流强度为：

式中：Q-裂缝体内泥浆流量，cm3/s；I-电流强度，mA。

而对于裂缝体来说，泥浆流量Q 可以采用达西定律进行计算，研究中式（2）与裂缝体达西模型代入式（3），得到式（4）。

式中：k-裂缝渗透率，mD；ΔP-泥浆与地层压力差，MPa；μ-泥浆黏度，10-3Pa·s。

对于裂缝体，认为近井地带内部充满泥浆，因此有欧姆定律可以得到裂缝动电电动势：

式中：Efφ-裂缝动电电动势，mV；Rm-泥浆电阻率，Ω·m。

由式（5）可以看出，裂缝动电电动势与裂缝渗透率、井筒地层压差、泥浆电阻率成正比，而与裂缝开度、泥浆黏度成反比。

对比不同压差与泥浆电阻率条件下，同组裂缝-非裂缝自然电位幅度差与裂缝渗透率-裂缝开度比值的关系（见图7），压差越大，自然电位幅度差也越大，而渗透率-裂缝开度比值越大，自然电位幅度差也越大，验证了裂缝动电电动势响应公式。

图7 两种压力差条件下裂缝样品自然电位幅度差与渗透率-裂缝开度比值交会图

结合式（1）与式（5），得到裂缝附加自然电位响应方程：

式中：Ef-致密砂岩裂缝附加电动势，mV；Efda-致密砂岩裂缝附加吸附电动势，mV；Efφ-裂缝附加动电电动势，mV；A-系数，鄂南致密砂岩暂取12.97；Rm-泥浆电阻率，Ω·m；Rw-地层水电阻率，Ω·m；k-裂缝泥浆渗透率，mD；ΔP-泥浆与地层压力差，MPa；μ-泥浆黏度，10-3Pa·s；d-裂缝张开度，cm；σ-岩石面电荷密度，mC/cm2，鄂南致密砂岩暂取5.57；C-系数，鄂南致密砂岩暂取5.16。