致密砂岩岩电参数实验方法对比研究*

张 波 刘 成 柳雪青 李洋冰 马立涛 刘再振 李 云 王 朵 杨江浩 陈建奇

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452；2.中海油能源发展股份有限公司非常规勘探开发重点实验室 天津 300452)

致密砂岩气藏作为中国非常规天然气开发的重点领域，具有孔隙结构复杂、渗透率低、非均质性强等特点，气、水分布规律复杂，存在电法测井解释结果误差偏大的现象[1-5]。对此，国内学者进行了大量研究，认为岩电参数是电测井资料评价含水饱和度的重要参数[6-7]，而岩电参数的影响研究表明，获取准确的岩电参数的核心在于求解参数a、b、m、n值[8-9]，以评价储层含水饱和度[10-12]。

周改英 等[13]研究表明气驱法更适用于中高渗砂岩。李霞 等[14]使用高速离心、高分辨率CT扫描、MAPS和Qemscan等配套实验与数值模拟相结合建立了基于孔隙结构的致密砂岩变岩电参数饱和度评价方法，但仍需要驱替等实验手段进行验证。游利军 等[15]认为毛管自吸法能够建立原地条件含水饱和度且能够保证水在岩样中均匀分布，克服了致密砂岩储层原始含水饱和度低于束缚水饱和度所导致的建立储层含水饱和度困难的难题，避免了气驱法降含水饱和度使岩样中地层水矿化度升高影响岩电参数测试结果的准确性。韩学辉 等[16]采用离心法和隔板法对低渗透储层岩电参数进行测试，认为隔板法更适用于低渗透储层，但适应性受隔板突破压力影响，且实验周期长。以上方法考虑了实验因素对岩电参数测试结果的影响，包括岩样含水饱和度大小、地层水矿化度值、岩样含水饱和度建立方式，均与岩样清洗、岩样饱和程度、驱替实验、渗吸实验[17-18]有关，但没有开展系统性实验研究工作。

本文针对以上关键实验环节开展了不同方法测定致密砂岩岩电参数对比研究，研究洗盐前与洗盐后、常规抽真空饱和与注CO2置换抽真空饱和、自吸增水法与气驱法岩电参数之差异性，提出适用于致密砂岩储层的岩电参数测试手段，并在致密砂岩储层进行应用，为致密砂岩储层含水饱和度测井刻画提供精确手段和方法。

1 实验部分

1.1 实验岩样

本次实验选取了同一研究区、相同层位的14块致密砂岩岩样开展研究，经检测分析岩样孔隙度为1.9%～11.4%，渗透率为0.025～2.53 mD(表1)。

表1 实验岩样基础参数

1.2 实验方法

按照标准SY/T 5385—2007《岩石电阻率参数实验室测量及计算方法》[19]、GB/T 29172—2012《岩心分析方法》[20]操作。实验用模拟地层水矿化度为30 000 mg/L，饱和介质为氯化钠。实验设备包括：洗油仪、鼓风干燥箱、抽真空饱和装置、CO2置换抽真空饱和装置、岩石电阻率测定仪等。

1.3 实验步骤

1.3.1岩样预处理

1)岩样洗盐。

将岩样按梅花状装入索氏抽提器的样品杯，装样高度不得超过虹吸管高度，岩样上覆盖滤纸或纱布，在底瓶中加入甲醇洗盐试剂，通过蒸馏使试剂不断冲洗岩样，停蒸后，岩样在样品杯中浸泡8 h以上，样品杯内溶剂无色透明，则洗盐完成。

2)饱和岩样。

对于同一岩样，先利用常规抽真空饱和手段饱和岩样，测试岩石电阻率，之后将该岩样进行烘干、洗盐，利用注CO2置换抽真空饱和手段饱和岩样，测试岩石电阻率。

常规抽真空饱和。将洗盐后岩样烘至105 ℃，8 h，配置模拟地层水，把岩样放入岩心室后，抽真空4 h，模拟地层水抽真空4 h，再将模拟地层水注入岩心室内加压至25 MPa，并保压12 h，计算岩样含水饱和度。

注CO2置换抽真空饱和。将洗盐后岩样烘至105 ℃，8 h，配置模拟地层水，把岩样放入岩心室内后，加热至50 ℃，并往岩心室内注入2 MPa的CO2气体，保持30 min，之后卸压-抽真空，反复置换2次；岩心室和模拟地层水各抽真空1 h，在将模拟地层水注入岩心室内加压至25 MPa，并保压12 h，计算岩样含水饱和度。

1.3.2岩样岩电参数测试

1)自吸增水法。将洗盐后的岩样放置恒温箱105 ℃条件下烘干8 h，岩样通过自吸水建立不同含水饱和度，再将岩样放入岩石电阻率测定仪夹持器中，测量(3 MPa围压下)不同饱和度的电阻，计算电阻率参数。

2)气驱法。将洗盐后的岩样放入抽真空饱和装置(注CO2置换抽真空饱和装置)，抽真空、加压饱和。将岩样放入电阻测定仪，采用氮气进行驱替，驱替过程中计算岩心含水饱和度，并测量岩样电阻，计算电阻率参数。

2 实验结果与讨论

2.1 洗盐对岩电参数的影响

根据游利军 等[21]研究，结晶盐颗粒尺寸越接近致密砂岩孔径分布时，盐析越容易造成裂缝和孔喉堵塞，导致砂岩的孔渗性变差，而孔隙度大小、孔隙结构是岩石电阻率分析的主要影响因素。因此，致密砂岩在进行含有高矿化度地层水岩电测试前需进行洗盐处理。选取2块致密砂岩进行洗盐处理。利用盐类能溶于有机试剂的性质，用甲醇反复萃取岩样，提取岩样中的盐类，使用硝酸银溶液滴抽提液判断洗盐效果，直至无白色不溶物产生。通过对洗盐前与洗盐后的岩样进行常规抽真空饱和，计算岩样的含水饱和度，再利用气驱法进行岩石电阻率测试分析。

洗盐前后实验结果对比表明(表2)，平均孔隙度由4.0%提高到4.6%，平均渗透率由0.230 mD提高到0.280 mD，平均含水饱和度由86.58%提高到93.97%，平均饱和度指数n由1.882降低到1.551，平均饱和度指数b由1.049降低到0.993，说明洗盐对实验结果存在一定影响。

表2 洗盐前与洗盐后实验结果对比

对比两块岩样洗盐前后岩样电阻增大率与含水饱和度关系(图1)，可以看出，洗盐前岩样的电阻增大率整体上大于洗盐后岩样的电阻增大率，并且随着含水饱和度的降低，两者的差距逐步扩大。岩样在洗盐前的饱和度指数n、常数b以及I-Sw曲线相关性系数R2值整体高于洗盐后条件。

图1 洗盐前后电阻增大率与含水饱和度关系对比

分析认为，洗盐前岩样孔隙中存在不同化学成分的盐类富集、结晶，导致孔隙被不同程度充填、喉道被不同程度堵塞，模拟地层水无法进入细小孔隙。复杂的孔隙结构造成水分布不均匀，导致岩电实验结果出现偏离。而洗盐后的岩样孔隙空间变大，孔隙的连通性得到了保证，使饱和的地层水体积和分布空间增加，地层水赋存连续性增强，岩石的导电能力增强。因此，岩石电阻率测定前需要对岩心进行清洗处理，提高饱和地层水效果，从而保证岩石电阻率参数的评价精度。

2.2 饱和方法对岩电参数的影响

致密砂岩进行油气藏状态模拟实验时，需要对岩样进行流体注入，饱和地层水的效果直接影响实验精度。目前实验室常用的饱和方法有常规抽真空饱和与注CO2置换抽真空饱和。为了研究饱和效果对岩电测试结果的影响，选取了4块具有代表性的洗盐后致密砂岩岩样，分成2组，分别采用常规抽真空饱和及注CO2置换抽真空饱和，计算岩样的含水饱和度，再利用气驱法进行岩石电阻率测试分析。

常规抽真空饱和与注CO2置换抽真空饱和实验结果对比表明(表3)，平均含水饱和度由77.29%提升至84.64%，导致平均饱和度指数n由2.675降低至2.223，平均饱和度指数b由0.915降低至0.896，说明对于特低渗、超低渗致密岩心，注CO2置换抽真空饱和程度达标率高，并且岩样饱和程度对岩电参数测试也存在一定影响。

表3 常规抽真空饱和与注CO2置换抽真空饱和实验结果对比

对比岩样电阻增大率与含水饱和度曲线可以看出(图2)，常规抽真空饱和的岩样电阻增大率整体高于注CO2置换抽真空饱和的岩样电阻增大率，且后者R2值好于前者。当岩样渗透率<0.1 mD时，常规抽真空饱和所得岩样电阻增大率曲线逐步扩大，岩样毛细管孔隙内残余气体较多，饱和程度较差，直接影响岩电参数测量精度。当岩样渗透率>0.1 mD时，两种方法建立的含水饱和度及测定的电阻率参数相差较小，电阻增大率与含水饱和度曲线较为接近。

图2 常规抽真空饱和与注CO2置换抽真空饱和I-Sw图

由此说明，对于孔隙连通性较好，孔喉分布相对均匀的岩样，采用不同的饱和方式，其整体分布规律一致，当岩样渗透率<0.1 mD时，采用常规方式饱和地层水难以有效排驱毛管孔隙中的气体或进入毛细管孔隙中，不能使岩样充分饱和，导致岩电实验结果出现偏差。而注CO2置换抽真空饱和可以通过气体分子扩散方式取代残余空气分子，更好地达到饱和效果，保证了岩石电阻率参数的评价精度。

2.3 测试方法对岩电参数的影响

为了研究不同方法对岩电测试结果的影响，选取了8块具有代表性的洗盐后致密砂岩岩心，分成4组，岩样的孔隙度为4.7%～11.4%，渗透率为0.055～2.530 mD，分别采用自吸增水法与气驱法进行岩石电阻率分析。

气驱法与自吸增水法实验结果对比表明(表4)，气驱法得到的n值在1.540～3.366，b值在0.532～2.336；自吸增水法得到的n值在1.443～1.957，b值在0.717～1.195。气驱法得到的n值均高于自吸增水法，而自吸增水法得到的n、b值更加接近阿尔奇所给出的常规砂岩标准值n=2、b=1(图3)。

表4 气驱法与自吸增水法实验结果对比

图3 气驱法与自吸增水法饱和度指数、岩性指数对比

电阻增大率与含水饱和度曲线表明(图4)，岩样为特低渗时，气驱法和自吸增水法的线性关系整体一致，其测试参数比较接近。当岩样为超低渗时(岩样27-1C、15-1B)，气驱法曲线明显高于自吸增水法曲线，但气驱法的R2值低于自吸法。同时，气驱法得到的岩样含水饱和度测试点位不均匀，存在一定的局限性，导致测试的岩电参数较大，而自吸水法线性关系更好，测试点位分布均匀，更能反映真实的岩电参数。

图4 气驱法与自吸增水法I-Sw图

分析认为，气驱法是气体在驱替压力下先进入连续性较好的粗孔喉中，然后逐渐进入其他较细小孔隙，地层水由较粗孔喉开始被驱出，电阻率反映的孔隙结构也逐渐从较粗孔喉变成细微孔喉的孔隙结构。随着驱替时间的增加，当气体形成渗流通道后，含水饱和度的降低的作用机理从驱替转变为驱替与蒸发作用，随后可能完全依靠蒸发作用。由于气体流过造成水蒸发，使得孔隙内水的矿化度上升，岩样孔隙中水相已经不是初始建立的地层水，因此气驱后期已经不能反映地层水条件下的岩石电阻率。自吸增水法建立含水饱和度时，模拟地层水在毛管力的作用下由较粗孔喉逐渐进入细小孔喉，模拟地层水在岩样孔隙中分布均匀。当岩心越致密，建立的含水饱和度越高，最高可以达到80%～90%。在低含水饱和度时，水相主要分布在较粗孔喉，随着含水饱和度增加，增加的水相才逐渐进入较细小孔喉，含水饱和度较低时所测定的电阻主要反映渗透率较高的粗孔喉的贡献。

3 应用效果分析

为了验证实验方法的可靠性，采用S-6井区致密砂岩密闭取心段洗盐后的岩样，利用自吸增水法对岩样进行岩石电阻率测试实验，得到阿尔奇公式关键参数b值为1.08，m值为1.81，n值为2.26，a值取1。

利用阿尔奇公式和对应深度测井地层电阻率的10块岩样进行含水饱和度计算，并与密闭取心岩样室内原始含水饱和度进行对比。结果表明，岩石电阻率参数计算的含水饱和度平均值为52.3%，实测原始含水饱和度平均值为53.7%，绝对误差基本在5%以内(表5)。利用阿尔奇公式计算的含水饱和度值与实测原始含水饱和度值吻合性较好(图5、6)，相关系数达到了87.9%(图5)。

图5 饱和度对比图

综合分析认为，在孔隙度计算准确的前提下，岩样进行洗盐后，采用自吸增水法测试的岩电参数更准确，并且岩电参数计算含水饱和度数据与岩心实测含水饱和度数据吻合度更高，更适用于致密砂岩储层，可为测井含水饱和度解释提供精确的参数支持。

图6 研究区S-6井处理成果

4 结论

1)当岩样未洗盐时，得到的电阻率偏大、饱和度指数n增大、指数b增大，导致含水饱和度解释偏低；采用注CO2抽真空饱和岩样，实现了微纳米孔隙高真空度状态，饱和程度达标率更高，更能反应真实的电阻率值。

2)当岩样为特低渗时，孔隙的连通性较好，气驱法和自吸增水法的线性关系整体一致，其测试参数较为接近；当岩样为超低渗时，两者的差距逐步扩大，应采用自吸增水法进行测定，才能更好地反应真实的岩电参数。

3)通过S-6井岩电实验结果和测井解释资料分析，岩样实测原始含水饱和度与测井计算含水饱和度绝对误差在5%以内，相关系数达到了87.9%，表明岩样洗盐后，采用自吸增水法测试的岩电参数更准确，可为测井含水饱和度解释结果提供校正依据，更适用于致密砂岩储层。