基于物理模拟实验的超压碳酸盐岩电性特征与应用

鲍一遥, 朱奕龙, 王晓龙,2*, 刘宇坤,2, 万泽鑫, 赵森,张佳丽, 周文轩, 虞华标, 谢鸿翔

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室, 武汉 430100; 2.长江大学非常规油气湖北省协同创新中心, 武汉 430100)

地层超压作为油气成藏过程时流体运移的主要驱动力,不仅影响非常规油气“甜点”预测,也是油气田开发中所面临的重要地质问题[1-2]。地层超压预测最早基于速度异常[1],此后学者们提出了一系列基于弹性参数的地层超压预测方法:等效深度法[2]、Eberhart-Phillips法[3]和Bowers法[4]是基于Terzaghi有效应用定理提出的经验性方法,Eaton法[5]和DC指数法[6]根据超压层段测井-钻井响应特征差异拟合压力趋势线得到经验性公式,Fillippone法[7]则使用地震纵波速度计算地层压力。随着油气勘探领域对超压预测深度和精度的不断提高,基于有效应力定理的预测方法不断完善并得到广泛应用[8-9]。碳酸盐岩地层超压预测是目前中外尚未得到解决的基础性难题。碎屑岩地层具有明显的超压地球物理响应关系,由此展开地层压力预测建立经验性公式[10],但这些经验性方法在具有致密岩石骨架的碳酸盐岩地层超压预测中应用效果较差。在碳酸盐岩地层沉积过程中后生改造强烈,使其原始孔隙结构特征改变显著,碳酸盐岩岩石成分和岩性是多重化学反应叠加的结果[11],这种岩性和物性的多重非均质性使得碳酸盐岩地层超压预测仍然是中外尚未解决的研究难题。针对碳酸盐岩超压预测,基于弹性参数对超压的响应特征利用含流体岩石多孔介质弹性理论(Boit理论)和广义胡克定律,建立的基于孔隙压力与岩石弹性参数定量关系的超压预测理论模型[12]预测效果显著。在进行超压碳酸盐岩弹性参数响应特征研究中,发现除了弹性参数对超压具有明显响应特征以外,电性参数同样对超压具有响应特征。而在中外针对超压地层压力预测模型中[13-16],电性参数极少被用到。

现避开对Boit系数获取手段苛刻的Boit理论,从碳酸盐岩超压岩石物理模拟实验着手,探明不同围压与孔隙压力作用下岩石电性参数的变化规律,探索不同孔隙压力情况下碳酸盐岩电性参数的变化规律,探讨碳酸盐岩超压与电性参数的响应关系,建立参数获取相对简单的,基于超压碳酸盐岩电性参数的地层超压预测理论模型。以川东北地区典型碳酸盐岩超压钻井为例,利用测井资料结合物理模拟实验结果,定量预测碳酸盐岩地层的超压,为进一步实现利用三维地球物理资料进行超压预测奠定基础。

1 物理模拟实验设计与结果

1.1 样品信息

选取普光毛坝地区超压发育区典型深层碳酸盐岩样品若干,如表1所示;开展不同压力条件下碳酸盐岩样品的电性参数和孔隙度变化特征测试如表2所示。通过HQ-Ⅱ型全直径岩心切片机和HZM-Ⅱ型精密岩心磨平设备对岩心钻取机钻取的约为25 mm 和38 mm 小柱进行加工处理,使其高径比为1.5～2.0。岩样制备和测试流程严格按照《岩石电阻率参数实验室测量及计算方法》(SY/T 5385-2007)和《覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》(SY/T 6385-2016)标准进行。

表1 碳酸盐岩样品基本参数表(选取5个样品)Table 1 Basic parameters of carbonate rock samples (5 samples selected)

表2 碳酸盐岩样品实验过程和实验条件Table 2 Carbonate rock sample experimental process and experimental conditions

1.2 实验设备及测量过程

电性参数的测量主要用复电阻率参数,复电阻率法(complex resistivity method,CR)是石油和天然气勘探中的重要手段,对油气勘探领域研究具有十分重要的现实意义和实用价值。复电阻率测量采用1260阻抗/增益-相位频响分析仪,该设备具有10 μHz～32 MHz极宽的频率范围,在任何流体及固体上施加一个交变电压均可有电流通过,从而测得阻抗值。基于流体或者固体内在结构等差异性,测得的阻抗值随施加电压频率的变化而发生变化。AutoLab1000系统与1260阻抗分析仪相结合,可实现从低频到高频极宽范围内对样品激发极化特性的观测。

此次碳酸盐岩岩石物理模拟实验采用多功能岩心分析系统,是专门针对石油领域油藏地球物理研究而研发的设备,在模拟地层温度和上覆岩层压力条件下测试样品的电性参数。模拟地层最大孔隙压力可达65 MPa,围压最大可达70 MPa,温度最高可达120 ℃,孔隙压力加压器可与不同的流体和气体(如矿化水、油和气等)相接,实现不同流体成因的加压。

测试孔隙度主要运用CMS-300孔渗联测仪,该设备是在模拟地层覆压条件下对样品的孔隙度进行测试。除了测量不同覆压条件下孔隙度外,通过对比不同覆压下孔隙度值,可以计算出岩石孔隙体积压缩系数,最高覆盖压力可达100 MPa以上,最大温度达200 ℃。

实验开始前,将样品置于100 ℃ 真空恒温烘箱中烘干48 h,以使样品达到干燥条件;将烘干后的样品放置于室内环境 24 h以上,消除水对岩石骨架的化学软化作用[17]。将岩样放入岩心夹持器中,通过增压系统不断改变孔压和围压,记录不同通电频率下岩样各项电性参数的变化。同时通过不断改变上覆地层压力变化来测量孔隙度随压力的变化特征,如图1所示。

图1 物理模拟实验流程图Fig.1 Flow chart of physical simulation experiment

复电阻率测量条件为:固定围压为60 MPa,分别测量孔隙压力为10、20、30、40、45、50 MPa时的电性参数值;固定孔压为10 MPa,分别测量围压为20、30、40、50、60 MPa时的电性参数值。覆压孔隙度测量条件为:固定围压为25 MPa时,分别测量孔压为5、10、15、20 MPa时的孔隙度,如表2所示。

1.3 实验结果分析

本次研究结果是若干碳酸盐岩样品的实验数据的一致结果,选取其中5块样品实验数据做图,如图2～图4所示,揭示物理模拟实验数据结果,具体如下。

图2 不同压力条件下碳酸盐岩样品电性参数频散特性曲线Fig.2 Dispersion characteristic curves of electrical parameters of carbonate rock samples under different pressures

在较宽频带范围内(0.1～10 000 Hz)样品电性参数的测量结果表明:在不同孔隙压力(围压保持60 MPa,孔压从10 MPa增大至50 MPa。即PC60PP10～PC60PP50共5种压力条件)条件下,复电阻率模值、电阻率(实部)、电抗率(虚部)、相位等表现出相似的变化特征,即复电阻率模值随频率的增大呈现减小趋势,减小的幅度逐渐降低;电阻率(实部)随频率增大也呈现减小趋势,减小幅度逐渐降低;随着频率的不断增大,相位呈现先减小后增加的趋势;电抗率(虚部)随着频率的增大呈现先增大后减小的趋势,如图2所示。同时,在围压60 MPa时,孔压从10 MPa增大至50 MPa,电阻率呈现不断减小趋势,如图3所示。

图3 岩样在不同孔隙压力(围压 60 MPa)条件下电阻率变化特征Fig.3 Characteristics of resistivity variation of rock samples under different pore pressures (confining pressure 60 MPa)

孔隙度对孔压和围压响应关系实验结果表明:在围压保持不变的条件下,孔隙度随着孔隙压力增加而增大;在孔压保持不变的条件下,孔隙度随着围压的增加而减小,如图4所示。

图4 碳酸盐岩样品在不同孔压、围压条件下孔隙度变化特征Fig.4 Porosity variation characteristics of carbonate rock samples under different pore pressure and confining pressure

在模拟碳酸盐岩地层的条件下,当孔隙流体发育超压时,孔隙流体发生膨胀,岩石骨架受到压缩,孔隙体积增加,岩石孔隙度增大,导致在围压不变情况下测得的孔隙度增大;同时孔隙度的增大导致岩石导电性变好,电阻率变小,如图4所示。当具有致密岩石骨架结构的碳酸盐岩发育超压时,孔隙流体膨胀引起的岩石骨架压缩是碳酸盐岩样品孔隙体积(孔隙度)的增大和电性特征发生变化的根本原因,孔隙体积(孔隙度)的增大和岩样电性参数变化与孔隙流体膨胀程度(孔隙压力)之间存在一定的相关性。因此,孔隙体积(孔隙度)的变化量和岩样电性参数可以作为孔隙流体压力的响应参数。

2 电性参数对超压响应特征的超压预测模型

基于物理模拟实验分析结果,从理论层面分析碳酸盐岩超压发育与电阻率的响应关系,并建立电性参数相关的碳酸盐岩超压预测模型。

将碳酸盐岩地层等效为水平层状介质,假设岩石孔隙被地层水饱和充填,岩层骨架均匀分布并且与电流的流向方向一致,可将常压条件下岩石的导电模型等效为岩石骨架(Rma)和常压条件下孔隙流体(Rφ0)2个电阻的并联电路模型,如图5所示,常压条件下岩石的总电阻用并联电阻的计算公式为

图5 超压发育与电阻率变化的关系模型Fig.5 Relationship model between overpressure development and resistivity variation

(1)

式(1)中:RP0为常压岩心总电阻;Rma为骨架电阻;Rφ0为孔隙流体电阻。

岩石骨架几乎不导电,所以骨架电阻Rma→∞,进一步推得

RP0=Rφ0

(2)

当碳酸盐岩地层从常压状态发育超压时,孔隙流体膨胀导致孔隙度增大,孔隙度从常压条件下的φ0增加,即

φp=φ0+Δφ

(3)

式(3)中:φ0为常压条件下孔隙度;φp为超压条件下孔隙度;Δφ为孔隙度增大值。

流体中的导电离子运动通道变大,导电离子更容易产生运移,岩石的导电性变强,总电阻变小。此时,超压条件下岩石的导电模型等效为岩石骨架(R′ma)、常压条件下孔隙流体(Rφ0)和超压条件下相对于常压时孔隙增量中的流体(RΔφ)3个电阻的并联电路模型,如图5所示,即超压条件下岩石的总电阻用并联电阻的计算公式为

(4)

式(4)中:RP为超压条件下岩石总电阻;R′ma为骨架电阻;Rφ0为常压孔隙流体电阻;RΔφ为超压条件下相对于常压时孔隙增量中的流体电阻。

由于骨架电阻R′ma→∞,进一步化简式(4)得到超压条件下岩石的总电阻RP为

(5)

从常压条件到发育超压,孔隙度从常压条件下的φ0增加到了φp=φ0+Δφ,流体导电离子通道增大,岩石导电性变好,总电阻变小。由于电阻大小与导电横截面积成反比,因此总电阻变小的幅度与导电离子通道改变量呈相关性,而超压岩石导电离子通道改变量与孔隙度的增量Δφ成正比。由广义胡克定律可知,超压条件下相对于常压时孔隙的增量与孔隙流体压力的增量呈正相关性,因此可用超压条件下电性参数偏离常压条件下电性参数的程度来预测超压的强度。结合式(2)和式(5)从常压条件到超压发育时岩石总电阻的减小量ΔR为

(6)

式(6)中:Rφ0为常压孔隙流体电阻;RΔφ为常压条件到发育超压时孔隙增量中的流体电阻。

随着岩石孔隙度的增加,岩石导电性会变好,岩石电阻不断下降,当孔隙度增加到一定程度时,岩石电阻将会突然快速下降到与地层水的电阻相同[18],定义电阻快速下降时的孔隙度为孔隙度阈值[19]。在岩石孔隙度小于孔隙度阀值时,孔隙度改变量与岩石电阻改变量之间存在线性关系[20]。由于本次研究为孔隙型碳酸盐岩地层,孔隙度普遍小于孔隙度阈值。因此,本次研究中岩石电阻的减小量与孔隙度的增加量呈线性关系,即

RΔφ=aΔφ+b

(7)

式(7)中:Δφ为超压发育时相关对于常压条件下孔隙度的增加量;a和b为岩石性质相关的系数。

将式(7)代入式(6),得到岩石从常压条件到超压发育时,总电阻的减小量ΔR与岩石孔隙度增加量的关系,即

(8)

根据广义胡克定律,孔隙流体体积模量与孔隙度增加量的关系[21]为

(9)

式(9)中:Kf为孔隙流体的体积模量;ΔP为超压条件下相对于常压时流体压力的增加量。

ΔP=PP-P0

(10)

将式(9)代入式(8),得

(11)

式(10)代入式(11)中,考虑地应力的影响,得基于电性参数的碳酸盐岩超压预测模型为

(12)

式(12)中:Kf为孔隙流体体积模量;Rφ0常压状态孔隙流体电阻;ΔR为常压条件到发育超压时岩石电阻的减小量;P0为常压条件下孔隙流体压力;PP为超压发育时孔隙流体压力;M为与地质应力相关的校正项。

碳酸盐岩超压预测模型[式(12)]包括的主要参数有常压条件下地层电阻Rφ0,发育超压时相对于常压地层岩石电阻的减小量ΔR,常压条件下地层压力ΔR,岩石性质相关的系数a与b,孔隙流体体积模量Kf,地质应力相关的校正项M。

在进行单井地层压力预测时,常压条件下地层电阻Rφ0可通过常压地层的电阻率测井曲线计算得到;发育超压时相对于常压地层岩石电阻的减小量ΔR可通过超压地层电阻率测井曲线相对于常压地层电阻率测井曲线的偏离程度计算得到;常压条件下地层压力P0可通过地层水密度和深度计算获得;孔隙流体体积模量Kf与孔隙流体成分相关,一般为定值;岩石性质相关的系数a与b和地质应力相关的校正项M可通过实测地层压力和实验数据求取获得。

利用碳酸盐岩超压与电性参数明显的响应关系,建立了基于电性参数超压响应特征的地层超压预测模型。

3 碳酸盐岩超压预测模型应用实例

优选川东北普光-毛坝地区超压碳酸盐岩地层为试验区,运用上述超压预测模型开展实例研究。川东北地区位于四川盆地上扬子地台,为多构造叠合部位,现已发现普光气田和毛坝含气构造带。钻井钻杆实测压力数据显示研究区西北部和南部嘉陵江组、飞仙关组、长兴组、龙潭组、茅口组、梁山组等都发育超压,压力系数分布在1.2～2.0。研究区东部和东南部压力系数在0.9～1.1,为常压区或者弱超压区,如图6所示。

图6 钻井实测单井压力系数与超压分布预测图Fig.6 Well measured single well pressure coefficient and overpressure distribution prediction diagram

优选典型发育超压的毛坝1井,利用式(12)对单井流体孔隙压力进行预测。单井压力预测结果表明雷口坡组顶部碳酸盐岩发育弱超压,压力主要分布在30～40 MPa,压力系数在1.2～1.4。嘉陵江组碳酸盐岩发育3个压力封存箱,3 500 m左右时,压力主要分布在30～50 MPa,压力系数在1.2～1.4,属于弱超压;在4 200 m左右时,压力主要分布在40～60 MPa,压力系数在1.2～1.4;嘉陵江组底部发育超压,压力主要分布在50～70 MPa,压力系数主要分布在1.6～2.0,属于强超压;飞仙关组碳酸盐岩普遍发育超压,压力主要分布在40～80 MPa,压力系数在1.2～2.0。基于碳酸盐岩超压预测模型计算的压力预测结果与钻井泥浆密度和实测压力吻合较好,如图7所示。

图7 毛坝1井碳酸盐岩层段利用超压预测模型计算单井压力结果Fig.7 Single well pressure results calculated by overpressure prediction model for carbonate intervals in well Maoba 1

4 结论

通过岩石物理模拟实验,利用碳酸盐岩超压与电性参数明显的响应关系,建立了基于电性参数超压响应特征的地层超压预测模型。并在川东北典型地区对碳酸盐岩超压预测模型进行了验证,取得较好应用效果,得到如下结论。

电性参数对碳酸盐岩超压具有明显响应特征。围压不变时,随着孔隙压力的增加,岩样孔隙流体发生膨胀致使岩石骨架受到压缩,孔隙体积增加,岩石孔隙度增大;导致导电离子通过岩石的通道增大,导电离子更易通过岩石,导电性变好,电阻率变小;孔隙流体压力增量、孔隙度增量和电性参数变化量存在明显相关性,这是电性参数对超压具有明显响应特征的关键,为建立超压与电性参数关系模型奠定基础。

建立了基于电性参数的碳酸盐岩超压预测模型并在川东北典型地区的实例应用表明预测压力结果与实测压力一致。该超压预测模型可以应用类似地区碳酸盐岩地层的超压预测工作,具有一定的推广性。未来可进一步研究利用地震资料与电性参数的相关性,实现三维区域碳酸盐岩地层钻前超压预测。