非均质油气藏的岩石物理学特性.pdf

一 非均质油气藏的岩石物理学特性 J D a e n等 L 丁 f 了 李 潮流 泽 李国平校 摘要某些油气藏含有多个具有不同电阻率的薄层 当把它们看成一个整体的导电介质时 这些油气藏 在电性上 就表现 为非均质性 非均质程度 取决 于各 个 薄层 之 间的电 阻率 差异 而这种 差异在一定程度上受流体饱和度的影响 因此 在一个油气藏 内部 单个薄层的电阻率由毛管大小 常受颗粒 直径控制 和谊层相 对于 自由水 面的位置确 定 对 于各 薄层之 问颗粒 直径相 差很 大的亲 水性 岩石 来讲 如 果 它被 油所饱 和 这种各 向异性 就很 明显 反 之 若是 被水饱和 则几乎表现 为各 向 同性 实验室 4 量结果以厦建立的两种岩石物理学模型都证 明了上述结论 第一个模型模拟的是位 于阿拉斯加 北部斜坡 的库 巴拉克油 气藏砂岩 这一模型是 根据 地层擞 扫描 嚣建 立的 由若干层渗 透率枉低的泥岩与具有一定渗透性但泥质含量不同的砂岩组成 第二种模型由具有不同渗透率和 不同粒径 泥质含 量很低 的砂岩薄层 组成 模 拟的是 墨西哥 湾岩 区的砂岩 计算表 明 如 果 这些地 层饱含 水的话 则呈现 较 小的各 向异J 而当它们被油 气所饱和 时 非均质性 明显增强 在 具有一定孔 隙的沉积体 系 中 如 果 出现 电性上 明显 的各 向异性 这种现 象一般 都标志 着油 气 产层的存 在 尤其是 低电 阻率的薄产层 但令人遗憾 的是 目前 只能在水 平井 中用 2 M z 的电阻率 测井仪器才能获得反映非均质性的有用信 息 因而也就制约了这一方法的推广应用 本文所提 出的模型 除了其电学特性的应用外 还可以用于预测渗透率 研究得到一个似乎矛 盾的结论 在非均质油气藏中 油气在水平方向的渗透率与岩石垂向而非水平方向的电阻率成正 比 这 一结果使得我们 可以把 基 于电阻率的渗透 率模型运 用到含 油气地层 中 同时还 解释 了为什 幺有时这样做是行 不通 的 因为这种模型 一般使 用的是 垂直井 中的测得 的径 向电阻率 电学各 向异性 以及饱和度 的影响 关于 电学各 向异性 以及它对 电测井和地层评价 的影 响 前人 已经作 过一些 研究 但 所有 这些 研究 都 没有考虑各 向异性与流体饱和度 的关系 若干具有不 同电阻率的 薄层 厚 度低于所 有 电 测并仪器的分辨率 在 一起 就 可以形 成备 向导 电性 的差异 因为薄砂 岩层 的电阻率 随着 它的含油气饱 和度而变化 其他岩石 也是 如此 因此 互层 的砂 泥 岩剖面各 向异 性 程序 也应 该 随着 流 体饱 和 度而 变 化 克雷 因于 1 9 9 6年曾提 出一 个模型 用于 描述 薄 层 中各 向异 性与饱和度的函数 关系 该 模型并不 局 限于层状 的砂 泥岩剖 面 也 适 用于 纵 向上 毛管直径 有一定变化 的一般地层 例 如那 些 由分 选程度 或粒 径不 同的薄 层所组成的地层剖面 该模 型由二元体 系构成 详见后述 非均质 地层 的导 电性 可以通过 它的水平方 向和 垂 向的电阻 率来 描述 斯伦 贝谢等 人 1 9 3 4年 提 出 用纵向 电阻率 和横 向电阻 率这 两 个 专 用术语 来 描 述 在 电测并 中 当电流平行 于 地层层理 方 向流动 时 测得 的是 横 向电阻率 而 当电流流 向与地层层理 面垂直时 测得 的 即为纵 向电 阻率 两者 可以表示 为 V M R M 以 1 维普资讯 第 2期 非均质抽气藏 的岩石物理学特性 4 l 式 中 M 分 别 代表 大 孔 隙型 和微 孔 隙 型地 层 为体积分量 1 R为 电阻率 根据 两 电阻率的 比值可以确定各向异性系数 3 对每一层可以用阿尔奇公式求饱和度 为 了简 化计算 两种地 层使 用相 同的系数 口 l m 2 同时忽略微 孔隙中的粘土 导电效应 以及 其他 可能 改变上述系数值的一切因素 公式 4 5 给 出 了用含水 饱 和度 表征 的横 向 电阻率大小 n v r a 1 4 K IlL 南 r j 5 对每种岩性 可 以用 压汞毛细 管力数据 MI C P 确定含水饱和度与 压力的 函数 关系 阿 哥德 于 1 9 9 0 年也 曾使用类似方 法 给定一个饱 和度值 就可 以 由总含水饱和度 的函数关 系式计算 电阻率及 电阻率 比值 图 1给 出 库 巴拉 克 油 气 藏 某 砂 岩 样 品 的 MI C P数 据 该 砂岩 的 岩性 是 一 系列 的砂 泥 岩互 层 围 1 大孔障型和微孔障型地层的毛管压力数据 这些数据反 映的是 以大孔隙 为主 分选 好的纯 砂岩及 以微孔 晾为主 分 选差 的含 牯土两 种极 限情 况 用图 1中的数据可以确定不 同毛管压力下两种 孔隙类型地层 的含水饱和 度 因此 在某 一压力 下地 层的总含水饱和度 可表示为 S u 根据式 3 4 和 5 可以确定 电阻率 比 计算 时取 也 0 1 2 m 2 7 5 吼 1 6 9 在 两 种类型的薄层 占相 同 比例时 的计 算 结 果 如 图 1所 示 含水饱和度较 高 时 由于两层 之 间孔隙度 的不 同 表现出一定 的非 均质 性 随着 总 含水饱 和度 的 降低 大孔 隙型 的薄层 含水 饱和 度要 比微孔 隙型 的 薄层下降得快 因而它 的电阻率要增大 非均质 程度 也随之增强 本 例 中在 3 0 时 达 到最 大 当 低于 3 0 时 大孔隙地层接近于束缚水饱和的情 况 微孔 隙地层 的饱和度开始下降 两层 的电阻率接 近相等 非均质程度也逐渐减弱 从图 1 可见 各 向异性 系数是 各层 流体 饱和度 的函数 另外它还受各层电性 的影响 我们 可以假设 各层 的电性相 同 在本例 中这 种影 响程度 中等 电 阻率比值可以接 近 4 有趣 的是 这一 比值与 凡 无 关 在式 3 中假定 也 可 以得 到这 一结 论 当两种类 型的薄层厚度相 同时 各 向异性系数可 以达 到最 大 实验室测量 电阻率采用的是立方形的细粒砂岩 样 品 分层 的厚度 远小 于样 品 的边 长 使用立方 形 样 品可以保 证在降低饱 和度时 能够同时测 一块样 品 三个方 向的 电阻 率 从 图 2可以看 出 实验 测得 的 电阻率 比值 随含 水饱和 度下降 而增 大 与模 型分 析 的结 论 一 致 褂 翻 Swt 围 2 立方 形超 薄砂岩 在三 种不 同饱 和度 下 的实 测 电阻率 比值 库 巴拉克模 型 库 巴拉 克砂 岩油气藏 由若 干叠瓦状构 造的砂体 组成 每 个砂体均 为多个 厚度小 于 l英尺的 薄砂 岩 互层 图 3所示 为 A井 中该砂 体 的测 井特征 曲线 根据标准 电测 曲线计算 的原油地质储量 比实际产量 要低 该油藏某 水平井 MI V D 曲线 幅度 逐渐 抬升 并且 电阻率的相位与幅度曲线 有明显 的分离 图 4 维普资讯 4 2 国 外 测 井 技 术 第 1 4卷 为 井的 一段实 测 曲线 这 正是 非 均质地 层 所具 有的响应特 征 滚感应电阻率 o 1 1 O 1 00 J I 一 喀 r 耍 一 l 一 J 固 3井 的 Z O 曲线 圈 4 水 平 井 B的测 井 曲线 为此我 们提 出一种适用于库 巴拉克非均质砂岩 的模型 用它可 以解 释非均 质性 以及饱 和度对 电阻 率 渗透率的影响 该模型是根据 C井 中的徽扫描 数据建立 的 c井 的井身接近垂直 这些数据表 明 库巴拉克非均质砂 岩 中夹有 泥岩 薄层 并 且它 的厚 度要 比大多数 电测仪器的分辨率低 这 种模型是根 据测井和岩心分析数据建立起来 的 如 图 5所示 图 5给出了不 同物理量之问 的相互关 系 将每 英尺厚的地层 分成 1 2 0个薄层 对每 一薄 层 用 电导 率求泥质含量 再 用泥质 含量根据 岩心孔 隙度数据 的刻度公式为估 算孔 隙度 将得到 的孔 隙度数据与 岩心 的压汞 毛管 压力 数据进 行 拟台 利用 索密 尔模 型求 得毛管作用力 给定 一个 自由水 面 F W L 值 我们就可以用 索密尔模型计算含水饱和度 然后用 等 s 搴 图 5 非均质砂岩测井数据与岩心分析数据交会图 西 门图模型得到电阻率 也可 以根据岩心孔隙度与 渗透率的经 验公 式 用孔 隙度计 算绝 对 渗透 率 最 后 再根据适用于整个库巴拉 克油田的相对 渗透率关 系 式估算油 水 的相对渗透率 总之 这一模型是利用 纵 向分辨率较高的测井数 据建立 起来 的 在每个深 度点 用 电导率计算 一个 泥质 含量 用 泥质 含量反过 来计算孔 隙度值 而孔 隙度 可 用 来 确 定毛 管 力 这就使得我 们可以结 合相对 自由水 面的高度 来确定 饱和度 再利 用饱 和度计 算 电阻率和 渗透 率 所 有 这些计算 曲线都具有较高 的分辨率 自 由球 面 在 7 2 0 0曲 尺 处 图中 L的位置 在 7 2 0 0英 尺处 曲线采 样密 度为每英 尺 1 2 0个 点 各 小 层的 电阻 率 最 小约 为 1 D m 最大 可超 过 1 o 0 n m 以上 将 图 6中的曲 线用 滤波器进行平滑 以模 拟纵向分辨率为 2英 尺的 实测 曲线 结 果见 图 7和 图 8 把高 分辨 率 的 电阻 率 曲线 并联 和 串联 两种 方法进 行平均 得 到模 拟 的径 向和纵 向电阻率曲线 第一 种情 况见 图 7 图 7中 自由水面在 7 2 0 0英尺处 整个井 段均含 油 该 油 藏 为 高度 非 均质 性 电阻率 比值 5 2 0 图中的两条渗透率 曲线分别为油的径 向和纵 向渗透 啪 m m 卸 寻 喜 洲 咄 掰 蛳 鼢 维普资讯 第 2期 非均质油气藏 的岩 石物理学特性 4 3 率 此油藏的多层 性使得 纵 向渗透率 衰 减很大 而 在整个井段的径向渗透率仍然相 当高 图 7给 出的 电测 曲线可 以与模拟结果进行对 比 图 中虚线为密 度孔隙度 自然伽马 已按泥质含量进行刻度 和深 感应曲线 我 们并没 有追求 模型 的优 化 但计 算 的 曲线与实测曲线十分匹配 电阻率曲线的主要区别 在于纵向分 辨率 的不 同 f 凳 1 鞯 誊 田 7 c井非 均质 砂岩 的计 算 曲线 自由水 面在 7 2 0 O英 己 处 第二种情况见 图 8 该 图中 7 1 0 0英尺为 自由水 面 与上倒相 比有所提 升 使 得总 含水饱 和度增 加 电阻率 比值 降低 如 图 l 图 2所 示 计算 的曲线 很清楚地 显示 出含 油 区 油水 过 渡 区 以及 含水 区 地层 在含油 区表现 出各 向异性 但 在含 水 区则基 本 各向同性 慝 l I r f 葺 圜 一 1 I L l U 卜 L J 砸 耳 l I f 4 lI f 田 8 c井非均质砂岩摸型的测井曲线 自由水 面在 7 1 0 0英尺处 将 图6中的曲线与 图 7 图 8中 的平滑 曲线进行 对 比 可蛆发 现 电阻率 各 向异性 的一 些重要 信 息 纵向电阻率太小受 高阻 薄层 控制 而 高阻层意 味着 较好的储层 物性 径 向电阻率 在垂直 井 中也就是 感应电阻率的太小受 低 阻薄层 的控 制 而低 阻薄 层 往往意 味着储层物性较差 因此对一个非均质油气 藏来讲 利用感应 曲线计 算 的饱 和度 主要反应 的是 较差的储层信息 对高 品位优质储层反应较少 墨西哥湾模型 第 二种模型模 拟 的是一种 理想砂 岩油气藏 这 种油气藏为纯砂岩和 泥 质砂岩 薄互层 并 且两种 地 层都含 有可动油气 这种模型可 以代表那种泥质含 量中等 且存在若 干不 含粘 土 颗粒较粗的砂岩薄层 的油气藏 详细模型如 图 9所 示 图 9中纯砂岩 的 相对 比例随深度增加而增加 底部 有 l 0英 尺厚 的纯 砂岩层 这里我们使用的是非均质砂岩岩石物理学 模型 虽然该砂 岩含较多导 电性 的地层水 圈 9 墨 西哥 模型 的详 细分层 图 自 由水面 在 2 5 0英 己 处 围 l 0 图 l l 所示 为根 据此模型进行平滑后的 曲 线 自由水 面分 别在 1 2 5英 尺 和 2 5 0英 尺处 围 l O 为低 电阻产层 这种产层仅用常规测井 曲线是很难 识别的 自由水面 上 的径 向 电阻 率 比含 水层 略 高 这一点通常很容 易被忽略 但纵 向电阻率和电阻 率比都很清楚地显示油气的存在 如果在实际生产 些信息 就 会更 有利 于识 别产层 图 J 0 墨西哥湾模型平滑后的曲线 自由水面 在 1 2 5 英 处1 圈 l l中的 自由水面 更 低 整个 井 段 均含 有 油 气 纵 向电阻率远 大于径 向电阻率 但在该油藏底部 维普资讯 4 4 国 外 测 井 技 术 第 1 4卷 的均 质砂岩 层例外 最大 电阻率 比值 出现在两 种岩 性各 占相 同比例 的层 位 这个 例子也 暗示 可能造 成误解 的原 因 因 为径 向电阻率 大小 可能 被解释 为 由饱和度决 定的 纵 向电阻率 和 电阻率 比值率 也 清楚地反应 在该 油藏 的上 部有 油气存在 I l I 二 一 1 I 厂 百 1 f I 圈 l l 墨西哥湾模型平滑后的曲线 自由水面在 1 2 5英 尺扯 用 电阻率求解渗透率 在均质地层利用 电阻率及其它曲线求解渗透率 的方法现在 已经 比较完善 而当地层 为非均质 时 因 为电阻率及渗透率的大小要 依赖 于电流及层内流体 相对于层理面流动 方 向 因此原 有 的方 法就 不能 照 搬套 用 目前有多种根据孔 隙度和束缚 水饱 和度估 算渗透率的模型 这些模 型都 可 以表示 成 束缚 水饱 和度或束缚 水体 积 B V i r r的 函数 例如考 兹 自由流 体公式 瓦 0 0 0 r 该公式适用于 以粒间孔 隙为主的均质 地层 当 日 时 上式可以简 化为 8 因为电阻率也可 以表示为 的函数 9 因此 渗透率也 可用 电阻率 来计 算 当 日 时公式如下 瓦 1 o 在非均质 地层 中 因为存 在两种 渗透率 和两种 电阻率 用 上述 公式 显 得 很复 杂 在 这类 地 层 中 l反映的是垂直层 面流动的 电流 而 反 映的是 平行于层面流动 的电流 因此可把 前者 作 为地层 电 阻率的算术平均值 而把 看作地层电阻率的调 和平均值 见式 1 2 这样 就可 以用一种 与均 质地 层 类似 的方法来计算渗透率 流体垂直 于层面方 向 流动的纵 向渗透率 l 就是地 层渗透 率 的调和平均 值 而平行 与层 面流 动的 径 向渗 透率 就 可 以作 为地层渗透率的算术平均值 上述关系用公式表示为 K 粕 1 1 一 t l l 1 2 iX M 如上所述 对一 个层状 油气 藏来 讲 K 可 从各 单层渗透率经 过算 术平 均来求得 根 据式 1 0 每 一 单层的渗透率 于其 电阻率 成 正 比 这样 就 可以把 K 与纵 向电阻率的算术平均值建立起关 系 显然 从这里可以得到 一个似 乎 自相 矛盾 的结论 径 向渗 透率与纵向电阻 率成 正 比 纵 向渗 透率与 径 向电阻 率成正 比 即 K J 1 3 烃的径 向渗透 率受 渗透性最强 物性最好 的层 控制 它的纵 向渗透率受 渗透 性最差 物性 最差 的 层控制 考 虑这 一点 就不难理解 上述关 系 这 与电 阻率的情况正好相反 但 由于不 同物理 量的中和法 则是相 同的 并 且与 B 的 关系相 似 因此 在束 缚 水饱 和的非均 质地层 1 O 式可 以写成 n 1 0 4 0 R 6 R 1 4 根据式 7 和 9 我们提 出 两种 较 简单 的模型 来验证上述结 论 设有若 干个 薄层 总 孔隙度均 为 3 0 但 的值不 同 把它们 以相 同的 比例组 台 在一起 第 一 个模型 中层 I的 口 0 1 层 的 0 0 2 0 1 第二 个模 型 中层 的 0 0 2 层 的 B 0 0 2 0 1 1 利用 7 式和 9 式对 每 个模 型都可 以求 出分层 的渗透 率和 电阻率 然后 用 1 2 1 1 1 2 式计算 它们 的算 术平 均 值和 调 和平均值 根据两个 电阻 率的平均 值计 算 B v 最 后再计算渗透率 结果如 图 1 2 1 3所示 从 图中可 以看 出 由 l 得 到 的径 向渗透 率 同 各层渗透率的算 术 平均 值十 分 吻台 如 果 用 则 会使计算的结果 偏低 反之 由 R 计算 的 Kl 则非 常接近纵 向渗透 率的真 实值 尤 其是 在第二 个模 型 中 在第 一个模型 中两者 有一 定误差 原 因可能在 维普资讯 第 2期 非均质油气藏的岩石物理学特 性 4 5 于该模型 的 p 接近于总 孔 隙度 此 时考兹 公式就 不 再 适 用 了 围 l 2 0 0 1 o O X 围 l 3 由模型 2计算的渗透率与 n 和 K 的散点围 从非均质砂岩和墨西哥湾模型得 到的结果也可 以用 来解释 K 与 上之 问 的关 系 图 l 4为 前一 例 中 一 上的函数关 系曲线 显 然 这 两 个量 之间有 非常明确 的关 系 因此可 以用 上来估算 围 1 4 非 均质砂 岩模 型 f F t d 7 2 o o 和墨 西哥 湾 模 型 f 2 5 的 一 上交会 围 R R 围 1 5 非均质砂 岩模 型 f F W L 旺 和墨 西哥 湾 模型 咒 2 5 q 的 R j 一 交会 围 综上所述 无论哪种模型 要根 据电阻率来计算 油气的径向渗透率 都必须使 用 上而不