CN104181090B - 一种基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法，属于含油气饱和度评价领域。所述方法包括以下步骤：(1)确定岩电结构系数τ；(2)确定岩电结构系数τ与m指数的耦合方程；(3)确定含油气饱和度。利用本发明方法大大提高了缝洞型储层含油气饱和度计算精度，并且本发明方法具有良好的可操作性和实用性，改变了目前对阿尔奇理论进行修正时依据经验或者复杂数值模拟计算结果的状况。

Description

一种基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法

技术领域

本发明属于含油气饱和度评价领域，具体涉及一种基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法。

背景技术

自1942年阿尔奇(Archie)先生发表阿尔奇公式以来，它就成为含油气饱和度测井评价的理论基础，在实践中得到广泛应用，目前仍然是油气测井饱和度评价的主流方法。传统阿尔奇公式适用于以粒间孔隙为主的且孔隙度较大(>15％)的干净砂岩储层。阿尔奇公式有四个关键参数(统称为地区参数)，分别是m指数(也称胶结指数，理论值为2)、n指数(也称饱和度指数，理论值为2)、a系数(理论值为1)和b系数(理论值为1)。这些地区系数需要通过实验测量得到。

缝洞型储层包括缝洞型火山岩、碳酸盐岩和变质岩等储层，其储集空间类型复杂，岩性复杂。针对这类复杂储层，能否采用阿尔奇公式确定含油气饱和度，一直存在争论。目前比较一致的看法是：在宏观层面上，不能直接采用传统经典的阿尔奇公式确定缝洞型储层含油气饱和度；但可在微观层面上，针对缝洞型储层导电机理特殊性，对阿尔奇公式或理论进行修正，然后应用于复杂储层含油气饱和度计算。

目前，对阿尔奇理论进行修正的方式分为两类：其一是在岩电实验或数值模拟计算基础上，对胶结指数m和饱和度指数n进行适当调整，然后应用阿尔奇公式确定含油气饱和度，如潘保芝(2006)三孔隙度模型计算m值方法；李国平(2003)在复杂储集层测井解释研究中采用经验估计m、n指数方法。其二是在储集层微观层面上，依据多重孔隙介质并联导电法则，并应用阿尔奇理论，推导出新的饱和度方程，如Crane(1990)多种孔隙网络模型饱和度方程和李宁(1989)提出的饱和度模型。这些模型和方程在不同地区得到一定程度应用。

具体来说，公开号为CN101892837A的专利公开了一种地层因数确定方法及含油饱和度确定方法，该方法对碎屑岩比较适应，对缝洞型复杂储层不适应。

公开号为CN101929973A的专利公开了一种裂缝储层含油气饱和度定量计算方法，该方法适应于裂缝性储层，而且依赖于成像测井资料获取的裂缝参数。在没有成像测井资料情况下，无法应用。

文献1(库车地区砂岩孔隙结构对胶结指数影响及饱和度误差分析(测井技术，2009年8月第4期))没有提出岩电结构系数概念及其与胶结指数之间关系。

文献2(库车地区致密砂砾岩胶结指数m和饱和度指数n的主要影响因素及其量化研究(石油天然学报(江汉石油学院学报)，2009年12月第6期))提出的方法适于碎屑岩储层，对复杂缝洞型储层不适用，没有提出岩电结构系数概念。

文献3(裂缝和孔洞型储层孔隙模型的理论进展(地球物理学进展，2006年12月第4期))提出的方法适合理论分析和数值模拟计算，在实际应用中难于操作。

文献4(孔隙储层胶结指数m的确定方法及影响因素(油气地球物理，2010年1月第1期))提出的方法适合理论分析和数值模拟计算，在实际应用中难于操作。

文献5(变m值法计算火山岩含油饱和度(长江大学学报，2010年9月第3期))提出的方法属于一般性的理论分析方法，在实际应用中难于操作。

文献6(复杂储集空间储层测井解释方法研究(油气地质与采收率，2003年4月第2期))提出的方法限于经验估计，具有局限性和随意性。

文献7(复杂孔隙结构储层含气饱和度评价方法(天然气工业，2000年5月第3期))提出的方法不适于缝洞型火山岩和碳酸盐岩储层饱和度计算。

综上所述，潘保芝(2006)三孔隙度模型是个理论模型，适于数值分析计算，在实际地层评价中可操作性差；李国平(2003)提出的确定m、n指数方法，其依据于经验估计，没有严格的理论依据，在实际应用中取决于个人经验；Crane(1990)模型中，确定网络结构难，模型中一些参数也难于确定；李宁(1989)饱和度模型过于复杂，在实践中难以确定合适的表达式。总之，从目前技术水平来看，针对缝洞型复杂储层测井饱和度评价，还没有形成统一的可操作性强的精度高的含油气饱和度评价方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的缝洞型储层含油气饱和度评价方法可操作性和实用性差的情况的难题，提供一种基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法，提高饱和度评价的精度且可操作性强。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法，包括以下步骤：

(1)确定岩电结构系数τ；

(2)确定岩电结构系数τ与m指数的耦合方程；

(3)确定含油气饱和度。

所述步骤(1)中的岩电结构系数τ是利用下式计算得到的：

$\mathrm{\τ}=\frac{R_w}{R_t{\mathrm{\φ}}^2{S}_w}---\left(5\right)$

其中，R_w为地层水电阻率，R_t为地层电阻率，φ为地层孔隙度，S_w为地层含水饱和度。

所述步骤(2)中的岩电结构系数τ与m指数的耦合方程如下：

m＝Cτ^-D (6)

式中，C、D为待定系数。

所述C和D是通过下面的方式确定的：

依据岩电实验确定m值，利用公式(5)在S_w为1(即岩石孔隙100％含水)条件下确定τ值，然后以τ为横坐标，以m为纵坐标，通过统计回归确定系数C和D的值。

所述步骤(3)具体如下：

根据阿尔奇理论，岩石孔隙在100％含水条件下岩石电阻率R₀为：

$R_0=\frac{-R_w}{{\mathrm{\φ}}^m}---\left(7\right)$

式中，m指数依据式(6)确定；

电阻率增大系数I与含水饱和度S_w关系方程如下：

$I=\frac{R_t}{R_0}=\frac{b}{S_w^n}---\left(8\right)$

式中，b和n是通过岩电实验确定的；

利用下式计算得到含油气饱和度S_h：

S_h＝1-S_w (9)。

所述联立式(5)、式(6)、式(7)和式(8)，迭代求解得到含水饱和度S_w具体包括：

(A1)设置迭代精度ε，设含地层水饱和度S_w的初值S_w1为0，设S_w的增量步长为0.001；

(A2)将S_w1代入式(5)中求取岩电结构系数τ，通过式(6)求取m指数，通过式(7)确定岩石电阻率R₀，通过式(8)求取含水饱和度S_w，记为S_w2；

(A3)比较S_w1和S_w2，如果|S_w2-S_w1|≤ε，则停止迭代，令S_w＝S_w2,转入步骤(A4)；否则按增量步长改变S_w1，然后返回步骤(A2)；

(A4)输出S_w,即为所求的含水饱和度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①利用本发明方法大大提高缝洞型储层含油气饱和度计算精度。缝洞型储层受复杂孔隙结构影响，电测井响应复杂，且具有多解性。本发明提出的岩电结构系数表征了孔隙结构与导电能力之间耦合关系，借助岩电结构系数消除孔隙结构对电测井响应的影响，提高含油气饱和度计算精度。模型参数依据实验确定，在算法上采用反复迭代的优化算法，保证饱和度计算精度。

②本发明方法具有良好的可操作性和实用性，各参数之间关系明确，具有严格的数学表达式，易于计算机编程计算；同时具备具有良好的理论基础和实验基础。改变了目前对阿尔奇理论进行修正时依据经验或者复杂数值模拟计算结果的状况。

③本发明方法适用于多重孔隙介质的缝洞型储层含油气饱和度评价，适应性广，可应用于火山岩、碳酸盐岩等复杂缝洞型储层。

附图说明

图1是胶结指数m与孔隙度及孔隙组合类型关系图。

图2是火山岩m指数与岩电结构系数τ关系。

图3-1是松南气田火山岩储层胶结指数m与孔隙度关系。

图3-2是塔河油田碳酸盐岩储层胶结指数m与孔隙度关系。

图3-3是普光气田碳酸盐岩储层胶结指数m与孔隙度关系。

图3-4是胶结指数m与岩电结构系数关系。

图4是P2井测井处理成果图。

图5是本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：本发明涉及缝洞型复杂储层含油气饱和度计算方法，步骤包括：确定岩电结构系数τ，借此描述岩石导电能力与岩电结构之间的耦合关系；以此为基础，确定岩电结构系数与胶结指数m之间数学关系式，称之为岩电耦合方程；依据实验确定电阻率增大系数I与含水饱和度之间关系，即电阻率增大系数饱和度方程；将岩电耦合方程与电阻率增大系数饱和度方程联立，采用迭代优化算法，获得高精度的含油气饱和度。该方法具有适应性广、可操作性强以及饱和度计算精度高特点。

本发明通过对来自松辽盆地的火山岩和四川盆地以及塔里木盆地的碳酸盐岩储层岩电实验数据进行分析，提出岩电结构系数概念和岩电耦合方程，在此基础上，提供一套可操作性强的精度高的适于缝洞型储层含油气饱和度评价的新方法。

缝洞型储层电测井响应主要受孔隙结构影响，其次受地层流体性质和井眼环境影响。孔隙结构对电测井响应可以通过其对m指数的影响表现出来。因此，在具有复杂孔隙结构储层条件下，利用电测井资料确定含油气饱和度，首先必须排除孔隙结构对电测井的影响。为此，引入岩电结构系数(τ)物理量，它综合反映了岩石孔隙结构与岩石导电能力之间的耦合作用。实验分析表明，岩电结构系数与胶结指数m之间存在可预测的明确的关系，称之为岩电耦合方程，借助这一关系对传统阿尔奇理论进行修正，从而得到适于缝洞型储层含油气饱和度评价的新方法。

如图5所示，本发明方法的步骤如下：

①输入测井原始数据(指电阻率测井和孔隙度测井数据)、地层电阻率R_t、地层水电阻率R_w，计算地层孔隙度φ，确定岩电结构系数τ

定义岩电结构系数(τ)为岩石导电效率(η)与孔隙度(φ)比值，即：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\φ}}---\left(1\right)$

导电效率(η)为岩石电导率(C_t)与假定跟岩石具有相同长度和含水体积的一根直毛管电导率(C_pw)之比值，即：

$\mathrm{\η}=\frac{C_t}{C_{pw}}---\left(2\right)$

设地层电阻率为R_t，地层水电阻率为R_w，地层含水孔隙度为φ_w，则：

$\mathrm{\η}=\frac{R_w}{R_t\·{\mathrm{\φ}}_w}---\left(3\right)$

设地层孔隙度为φ，含水饱和度为S_w，含水孔隙度φ_w＝φS_w，于是：

$\mathrm{\η}=\frac{R_w}{R_t{\mathrm{\φS}}_w}---\left(4\right)$

式(4)代入式(1)得：

$\mathrm{\τ}=\frac{R_w}{R_t{\mathrm{\φ}}^2{S}_w}---\left(5\right)$

τ具有明确的物理涵义，它综合反映储层储集空间迂回程度与导电能力之间耦合关系。

②确定岩电结构系数τ与m指数的耦合方程

根据来自松辽盆地的火山岩以及四川盆地和塔里木盆的碳酸盐岩储层岩电实验分析结果，m指数随孔隙结构不同与孔隙度变化而变化。尤其是在孔隙度较低情况下(一般<13％)，m指数受不同储集空间组合影响，随孔隙度变化具有不同变化趋势(如图1所示)。缝洞型储层大多都具有低孔隙度特征，m指数随孔隙的不同变化趋势，给确定m指数带来困难和不确定性，从而导致含油气饱和度评价精度低。

进一步研究表明，岩电结构系数τ与m指数之间存在本质联系，利用岩电结构系数τ可以准确预测m指数(如图2所示)，这一关系称为岩电结构系数τ与m指数的耦合方程，简称岩电耦合方程。其关系式如下：

m＝Cτ^-D (6)

式中，C、D为待定系数，由实验数据统计确定，如图3-4。

图2展示了火山岩储层m指数与τ之间的良好相关关系，在本例中C值为1.99，D为0.1482。

③确定含油气饱和度

根据阿尔奇理论，岩石孔隙在100％含水条件下岩石电阻率R₀为：

$R_0=\frac{R_w}{{\mathrm{\&phi;}}^m}---\left(7\right)$

式中，m指数依据式(6)确定。

岩电实验确定的电阻率增大系数I与含水饱和度S_w关系方程如下：

$I=\frac{R_t}{R_0}=\frac{b}{S_w^n}---\left(8\right)$

式中，b接近1，n为2左右(通过岩电实验可确定b和n的值)。在本例中，实验确定b为1.05，n为1.95。联立式(5)、式(6)、式(7)和式(8)，迭代求解确定含水饱和度S_w，具体做法如下：

设置迭代精度ε(如0.005)，设含地层水饱和度S_w的初值S_w1为0，S_w增量步长为0.001，将S_w1代入式(5)中求取岩电结构系数τ，通过式(6)求取m指数，通过式(7)确定岩石电阻率R₀，通过式(8)求含水饱和度S_w，记为S_w2；当绝对值|S_w2-S_w1|≤ε时，停止迭代，令S_w＝S_w2,输出S_w,即为所求；否则按增量步长改变S_w1，重复上述过程，直到符合条件为止。

含油气饱和度S_h为：

S_h＝1-S_w (9)

本发明的关键是岩电结构系数τ的提出以及τ与胶结指数m之间关系方程的确定，即岩电耦合方程。

图3-1展示松南火山岩储层胶结指数m与孔隙度关系，可以看出m指数随孔隙度增大而有减小的趋势，即负相关关系。图3-2、图3-3分别展示来自塔河油田和普光气田碳酸盐岩储层胶结指数m与孔隙度关系，可以看出m指数随孔隙度增大而增大，显示正相关关系，与松南火山岩的变化趋势相反。因此，对于缝洞型火山岩、碳酸盐岩储层来说，胶结指数m随孔隙度呈现复杂变化关系，很难仅仅利用孔隙度这一参数来预测m指数的变化，而达到计算缝洞型储层含油气饱和度的目的。目前针对致密碎屑岩储层建立起来的m指数与孔隙度关系，对缝洞型储层并不适用。

图3-4展示了岩电结构系数τ与m指数之间明确的关系。岩电结构系数综合反映了岩石孔隙结构与岩石导电能力之间的耦合关系，它与m指数之间存在本质联系，以此为基础确定岩电耦合方程，并与电阻率增大系数饱和度方程联立，采用反复迭代方法确定含油气饱和度，这是本发明核心之所在。

为了说明本发明在缝洞型复杂储层含油气饱和度评价效果和适应性，分别对来自松辽盆地火山岩储层和四川盆地普光气田碳酸盐岩储层的实际测井资料进行计算，并与岩心分析结果对比，以检验方法的有效性和适应性。

实施例一：

利用来自松辽盆地的几口井的火山岩储层测井数据，采用本发明对含气饱和度进行计算，并将计算结果与岩心压汞资料确定的含气饱和度进行对比，两者非常接近，绝对误差在5％以内(如表1所示)，表明本发明方法在火山岩储层中应用效果良好。

表1

实施例二：

普光气田为缝洞型碳酸盐岩储层，有系统的岩心饱和度分析资料。依据测井资料，采用本方法对含气饱和度进行计算，并将计算结果与岩心分析结果对比(如表2及图4所示)，饱和度绝对误差在4％以内，证明本方法的正确性和在碳酸盐岩储层区的有效性。

表2

本发明方法针对传统阿尔奇公式对缝洞型复杂储层的不适应性，提出饱和度评价新方法，在日益兴起的火山岩、碳酸盐岩等储层油气勘探和开发中具有广泛的应用前景。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (3)

1.一种基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)确定岩电结构系数τ；

(2)确定岩电结构系数τ与胶结指数m的耦合方程；

(3)基于岩电结构系数τ以及岩电结构系数τ与胶结指数m的耦合方程，确定含油气饱和度，

其中，岩电结构系数τ定义为岩石导电效率与地层孔隙度φ的比值；

其中，所述步骤(1)中的岩电结构系数τ是利用下式计算得到的：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{R_w}{R_t{\mathrm{\&phi;}}^2{S}_w}---\left(5\right)$

其中，R_w为地层水电阻率，R_t为地层电阻率，φ为地层孔隙度，S_w为地层含水饱和度；

其中，所述步骤(2)中的岩电结构系数τ与胶结指数m的耦合方程如下：

m＝Cτ^-D (6)

式中，C、D为待定系数；

其中，所述步骤(3)具体如下：

根据阿尔奇理论，岩石孔隙在100％含水条件下岩石电阻率R₀为：

$R_0=\frac{R_w}{{\mathrm{\&phi;}}^m}---\left(7\right)$

式中，胶结指数m依据式(6)确定；

岩电实验确定的电阻率增大系数I与地层含水饱和度S_w关系方程如下：

$I=\frac{R_t}{R_0}=\frac{b}{S_w^n}---\left(8\right)$

式中，n为饱和度指数，b为阿尔奇公式的系数，b接近1，n为2左右；

联立式(5)、式(6)、式(7)和式(8)，迭代求解得到地层含水饱和度，然后利用下式计算得到含油气饱和度S_h：

S_h＝1-S_w (9)。

2.根据权利要求1所述的基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法，其特征在于：所述C和D是通过下面的方式确定的：

依据岩电实验确定m值，利用公式(5)在S_w为1条件下确定τ值，然后以τ为横坐标，以m为纵坐标，通过统计回归确定系数C和D的值。

3.根据权利要求1所述的基于岩电结构系数的含油气饱和度评价方法，其特征在于：所述联立式(5)、式(6)、式(7)和式(8)，迭代求解得到地层含水饱和度S_w具体如下：

(A1)设置迭代精度ε，设地层含水饱和度S_w的初值S_w1为0，设S_w的增量步长为0.001；

(A2)将S_w1代入式(5)中求取岩电结构系数τ，通过式(6)求取胶结指数m，通过式(7)确定岩石电阻率R₀，通过式(8)求取地层含水饱和度S_w，记为S_w2；

(A3)比较S_w1和S_w2，如果|S_w2-S_w1|≤ε，则停止迭代，令S_w＝S_w2,转入步骤(A4)；否则按增量步长改变S_w1，然后返回步骤(A2)；

(A4)输出S_w,即为所求的地层含水饱和度。