水驱油岩石物理响应特征实验研究

卢艳,杨清山,刘传平

(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,黑龙江 大庆 163712)

0 引 言

测井定量解释饱和度理论基础的阿尔奇公式中有4个关键参数a、b、m、n。在油层未注水之前,甚至注水开发以后的储层,常规测井解释中直接将m、n理论值或由常温常压条件下油驱水岩电实验所得出的实验值带入不同形式的阿尔奇公式求取饱和度。但是,通过研究发现,在不同的地层温度、压力、地层水矿化度、岩石物性条件下,m、n值都会有不同程度的变化[1-10]。

油层注水开发以后,随着注入水与原始地层水逐渐混合,油层被水淹。由于注入水与原始地层水矿化度不同,造成混合液电阻率逐渐发生变化,由这种变化引起的储层电阻率等均发生相应的变化,阿尔奇公式中4个关键参数m、n、a、b在水驱油过程中相应变化。模拟油藏注水开发实际情况,开展了高温高压(实际地下情况)水驱油实验,研究了水驱油过程中各参数的变化规律,与油驱水实验所得结论进行了对比,并从理论上对各参数的变化规律进行了探讨。实验选取朝阳沟油田取心井岩样,按区域水型配制矿化度10 000 mg/L、电阻率0.661 Ω·m的地层水,制备10块完全饱和地层水的岩样样品。在模拟油藏条件下(储层围压小于14 MPa、平均深度大于1 100 m、孔压9 MPa、温度60 ℃),先用模拟油对饱和地层水的岩样进行油驱水实验,制备出束缚水饱和度的岩样,分别测量饱含水及束缚水饱和度的岩样电阻率;然后测量10块不同孔隙度岩心样品分别在3种矿化度(600、5 000、10 000 mg/L,对应电阻率分别为9.484、1.269 3、0.661 Ω·m)水驱油条件下不同含水饱和度的电阻率,研究水驱条件下电阻率与含水饱和度之间的关系及各岩电参数的变化规律。根据实验结果计算的目前含水饱和度精度达到5.4%,满足注水开发中水淹层测井解释的需求。

图1 水驱条件下混合液电阻率随含水饱和度变化的理论曲线

1 水驱油过程中储层参数变化规律

1.1 混合液电阻率变化规律

在原始油层成藏过程中,即油驱水的过程中,地层水电阻率Rw不变,而在油层采用注入水过程后,原始地层水与注入水不断混合,并且逐渐被注入水驱替出来,最后达到注入水的矿化度(或电阻率)。该过程中地层水的电阻率一直处在变化的过程。即当含水率为0时,混合水电阻率表现为地层水电阻率。当含水率为100%时,混合水电阻率表现为注入水电阻率,根据注入水与原始水之间的离子交换作用,给出了求取混合水电阻率Rwz的方法

(1)

由产水率公式可知

(2)

(3)

(4)

式中,Sw为含水饱和度;Rwz为混合水电阻率;Rwi为原始水电阻率;Rwp为注入水电阻率;Swi为束缚水饱和度;Sor为残余油饱和度;c1、c2、c3为系数。

图1给出了水驱油条件下10块岩样利用式(4)计算的Rwz随含水饱和度Sw变化的理论关系图。从图1中可看出,注入水矿化度不同,Rwz随含水饱和度的变化程度也不同。但无论哪种注入水矿化度,在水驱初期,Rwz均随含水饱和度Sw增大,Rwz变化较小;水驱后期,随着含水饱和度增大,Rwz变化较大。从理论模拟可以看出,混合液电阻率的变化可分为3个阶段。

(1) 在原始状态下,储层水完全表现为束缚水的特征。开发初期,随着注入水逐渐进入储层,并与原始地层水混合形成了混合液,在该过程中由于注入水注入体积少,占次要作用,所以储层水主要表现为原始束缚水的特征。混合液电阻率随含水饱和度的变化不是十分明显。

(2) 在注水开发中期,注入水进一步与原始束缚水混合,且对储层的影响逐渐变大,混合液电阻率随含水饱和度的变化较大。

(3) 在开发后期,储层水基本上是注入水,表现为注入水的特征对储层的影响占主导地位。

在油驱水实验中,地层水电阻率是一个定值,而在水驱油过程中,阿尔奇公式中地层水电阻率Rw是一个时刻变化的参数,在利用阿尔奇公式计算饱和度时也应该采用变化的Rw,而不能采用原始的地层水电阻率。

1.2 地层电阻率变化规律

在注水开发过程中,油层电阻率的变化是以下2个过程的叠加。

(1) 注入水驱替出油层中的油,油层的含水饱和度增加,使油层的电阻率降低。

(2) 注入水与原始地层水混合,逐次被注入水驱出,混合液电阻率由原始水逐渐向注入水电阻率变化,且在生产井见水之前变化较慢,生产井见水之后变化较快。

在水驱过程中,若第1过程占主导地位,储层的电阻率随含水饱和度的增加而降低;反之,若第2过程占主导地位,储层的电阻率根据R=Rwp/Rwi的大小随含水饱和度的增加呈不同的变化规律。在开发初期(即生产井产水之前),过程(1)往往占主导地位,油层的电阻率随着含水饱和度增加而降低。在开发中、后期(即生产井产水之后),过程(2)占主导地位,油层的电阻率随着含水饱和度增加而出现降低或不变或增大。

图2给出了水驱油条件下10块岩样在3种注入水矿化度情况下,Rt随含水饱和度Sw变化的关系图。从图2可看出,当R>2.5时,Rt和Sw关系曲线呈非对称的“U”型曲线,水驱结束时的储层电阻率往往高于原始油层的电阻率,Rwp/Rwi比值越大,电阻率上升的越高。当Rwp/Rwi≤2.5时,水驱过程中储层的电阻率始终呈直线下降趋势,储层的电阻率始终小于原始油层的电阻率,且Rwp/Rwi比值越小,电阻率下降的越快。这和油驱水过程电阻率单调变化规律不同。

图2 水驱条件下地层电阻率随含水饱和度变化的关系曲线

图3 水驱条件下地层因素与孔隙度关系图

1.3 岩电参数a、m的变化规律

1941年Archie先生在美国达拉斯石油工程与矿业学会上宣读了关于利用电阻率测井确定储集层参数的著名论文,1942年正式发表了对电法测井具有划时代意义的Archie公式,他认为地层因素的大小主要取决于地层孔隙度、岩石性质、胶结程度和孔隙结构有关,而与地层水电阻率无关。经典的阿尔奇公式表达式为[11-13]

(5)

式中,Sw为含水饱和度,f;Rw为地层水电阻率,Ω·m;Rt为地层电阻率,Ω·m;φ为孔隙度,f;m为孔隙度指数,又称为胶结指数;n为饱和度指数;a、b为地区经验系数;I为电阻率增大系数。图3给出了水驱油条件下10块岩样在3种注入水矿化度情况下,地层因素与孔隙度关系图。从图3中可看出,由于a是与岩性有关的比例系数,m为胶结指数,随胶结程度而变化,a、m与注入水矿化度没有关系,这与阿尔奇实验中得到的结论是一致的。也就是说,注水开发过程中,a、m的取值可以选原始油层状态下的a和m值。油驱水、水驱油过程岩电参数a、m是不变的。

1.4 R0的变化规律

在阿尔奇公式中,R0的定义为孔隙中完全充满水的岩石电阻率值,它与所含水的电阻率Rw、孔隙度φ、岩性有关。由于注水开发过程中,地层水电阻率不断发生着变化,根据阿尔奇公式可以得出

(6)

式中,Rwz为混合液电阻率,根据式(4)计算得出。

图4给出了水驱油条件下10块岩样在3种注入水矿化度情况下,R0与含水饱和度关系图。从理论模拟可以看出,水驱地层R0的变化可分为3个阶段。

(1) 开发初期,随着注入水逐渐进入储层,并与原始地层水混合形成了混合液,在该过程中由于注入水注入体积少,占次要作用,所以储层水主要表现为原始束缚水的特征。R0随含水饱和度的变化不是十分明显。

图4 水驱条件下R0随含水饱和度变化的理论曲线

图5 含水饱和度与电阻率增大系数关系图

(2) 在注水开发中期,注入水进一步与原始束缚水混合,且对储层的影响逐渐变大,R0随含水饱和度的变化较大。

(3) 在开发后期,储层水基本上是注入水,表现为注入水的特征对储层的影响占主导地位,R0接近100%含注入水时的地层电阻率。

油驱水过程R0是一个定值,而水驱油过程R0是一个不断变化的参数。

1.5 电阻率增大系数变化规律

根据阿尔奇公式,图5对比了采用变化的R0和不变的R0时对应的电阻率增大系数I与含水饱和度的关系。从图5可以看出。

(1) 注水初期,R0变化时的地层电阻率增大系数与R0不变时的地层电阻率增大系数是相同的,在双对数坐标下,随含水饱和度的增加几乎呈线性下降。

(2) 当含水饱和度达到40%以后时,随着注水的增加,在双对数坐标下,R0不变时地层电阻率增大系数与R0变化时的地层电阻率增大系数与含水饱和度关系趋势线分开,分开的程度和走势与注入水电阻率与原始地层水电阻率比值有关系。

(3) 当注入水电阻率与原始地层水电阻率差别不大时,水驱油过程电阻率增大系数与油驱水过程电阻率增大系数近似为1条直线。

油驱水实验中电阻率增大系数与含水饱和度呈线性关系,而水驱油实验中电阻率增大系数与含水饱和度关系不再呈线性关系,由于水驱油过程R0是变化的,计算电阻率增大系数时也应该采用变化的R0。

1.6 岩电参数b、n变化规律

由于在水驱油过程中,混合液电阻率不断发生变化,导致电阻率增大系数是一个变化的参数,这和油驱水过程地层水电阻率是定值情况不同。因此水驱油过程的b和n,应根据水驱过程变化的电阻率增大系数与饱和度关系得到。另外,如果注入水矿化度与原始地层水矿化度不同,导致电阻率增大系数与含水饱和度曲线出现不同的形态(见图6),注入水矿化度与原始地层水矿化度差异越大,曲线分区越明显,如图6(a)中,当原始地层水矿化度为10 000 mg/L,注入水矿化度为600 mg/L时,电阻率增大系数与含水饱和度关系图出现明显的3个分区,对应实际注水开发过程中弱未水洗、中水洗和高水洗3个过程。因此,计算b和n时,应该分成3个不同阶段分别计算出不同阶段的b和n值。图6(b)和图6(c)对比了变化的岩电参数情况下计算的饱和度与岩样饱和度关系。从图6(b)和图6(c)可以看出,利用分段变化的R0计算的饱和度与岩样饱和度是一致的,而不变的R0计算的饱和度误差较大,不能模拟注水开发过程。

图6 变化的岩电参数情况下计算的饱和度与岩样饱和度关系

图7 ×80井测井解释成果图*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

2 应用分析

由于研究区储层含泥重,泥质附加导电性强,采用了适用于研究区块的Indonesia方程求取目前含水饱和度,其理论基础是并联导电理论和阿尔奇方程,公式为

(7)

式中,Vsh为黏土含量,小数;φ为孔隙度,小数;Rwz为混合地层水电阻率,Ω·m;a为泥质砂岩附加导电校正系数;Rt为地层真电阻率,Ω·m;m为胶结指数;Rsh为泥岩电阻率,Ω·m;n为饱和度指数。

根据上述实验研究结果,计算出目前含水饱和度,经2016—2017年新完钻的4口密闭取心检查井验证,平均绝对误差为5.4%,满足生产需求。图7为研究区密闭取心检查井×80井的测井解释成果图。从图7可以看出,测井计算的目前含水饱和度与岩心分析一致性较好。

3 结果和结论

(1) 开发初期,混合液电阻率随含水饱和度的变化不是十分明显;在注水开发中期,混合液电阻率随含水饱和度的变化较大;在开发后期,储层水基本上是注入水。

(2) 在开发初期(即生产井产水之前),油层的电阻率随着含水饱和度增加而降低。在开发中、后期(即生产井产水之后),油层的电阻率随着含水饱和度增加而出现降低或不变或增大。

(3)a、m与注入水矿化度没有关系,不随注入水过程而改变。

(4) 开发初期,R0随含水饱和度的变化不是十分明显;在注水开发中期,R0随含水饱和度的变化较大;在开发后期,R0接近百分百含注入水时的地层电阻率。

(5) 注水初期,地层电阻率增大系数随含水饱和度的增加几乎呈线性下降;当含水饱和度达到40%以后时,注入水矿化度不同,地层电阻率增大系数与含水饱和度关系不同,出现“L”型或直线型。

(6) 在注水开发过程中,应根据注入水与原始地层水矿化度关系,选择变化的R0时计算出的b和n值计算含水饱和度,在计算b和n时要根据注水不同阶段给出不同的值,这与原始油层未经注水时采用的b和n值不同。

(7) 应用水驱油岩电得到的m和a值,分不同阶段给出混合液电阻率和岩电参数b和n,采用Indonesia公式计算含水饱和度与密闭取心检查井对比,精度较高,满足了水淹层解释的需要。

(8) 在油层注水开发过程中,混合液电阻率、地层电阻率、电阻率增大系数、阿尔奇公式中岩电参数b和n等均发生了相应的变化,实验研究结果为注水开发过程中水淹层解释提供了理论依据。