CN104712329B - 一种泥页岩油气饱和度的计算模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泥页岩油气饱和度的计算模型，包括以下步骤：A.建立等效物理模型；B.给出假设条件；C.确定数学模型公式；D.模型中各参数的确定；E.岩电实验数据拟合模型公式参数a、b、m、n；F.模型验证。本发明能够解决泥页岩储层由于骨架矿物复杂、孔隙结构复杂、孔隙润湿性复杂等问题带来的非阿尔奇现象，准确计算泥页岩储层含油气饱和度，为测井评价储层以及油田开发提供帮助，在计算泥页岩储层含水饱和度方面具备其它饱和度模型无可比拟的优势，实际应用效果显著，因此极具推广价值。在目前公开发表文献和商业应用软件中尚无类似方法的提出与应用。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探开发行业地球物理测井领域中的一种油气饱和度评价方法，具体的说是一种泥页岩油气饱和度的计算模型。
背景技术
目前，国内外求取原始含油饱和度的方法主要有三类，一是对油基泥浆取心或密闭取心方式取到的岩心进行直接测定；二是基于岩石物理实验的测井饱和度解释模型，主要有阿尔奇公式以及以它为基础而衍生的双水模型、双孔隙度模型、三水模型等；三是利用毛管压力曲线计算原始含油饱和度，其中第二类是国内外学者一直以来的重点研究内容。
1942年，阿尔奇(Archie)建立了确定纯砂岩地层含水饱和度的实验模型，，将电阻率测井与孔隙度测井有效联系起来，奠定了测井储层评价的基础，具有划时代的意义。
阿尔奇在实验中利用不同电阻率值的盐水100％饱和同一块纯砂岩岩心，分别测量每次实验盐水的电阻率Rw以及与之对应的岩样电阻率R0，同时测量岩样的有效孔隙度，然后分别计算同一块岩样不同Rw下的比值R0/Rw，结果表明该比值为一常数，定义为地层因素，但是对于孔隙度不同的岩样，比值也不相同，也就是说对于给定的岩石，地层因素与饱和岩石的地层水电阻率及岩石电阻率无关，它的大小只受地层的有效孔隙度和岩石的孔隙结构影响，可以用以下公式表示：
式中:F——地层因素，无量纲；
R0——100％饱含水纯岩石的电阻率，Ω·M；
Rw——地层水电阻率，Ω·M；
Φ——地层有效孔隙度，小数；
m——岩石的胶结指数，与岩石的孔隙结构和胶结情况密切相关，无量纲；
a——岩性系数，无量纲。
当地层含有油气时，阿尔奇根据自己的实验，把含油气地层的电阻率Rt与地层100％含水时电阻率R0的比值称为电阻增大系数，该系数只与岩性和含水饱和度有关，公式如下：
式中：I——地层电阻率增大系数，无量纲；
Rt——含油气地层电阻率，Ω·M；
R0——100％饱含水纯岩石的电阻率，Ω·M；
Sw——地层含水饱和度，小数；
b——与岩性有关的系数，无量纲；
n——饱和度指数，无量纲。
组合上面两式，就得到了经典的阿尔奇含水饱和度公式：
阿尔奇饱和度模型将孔隙度测井和电阻率两大测井方法连接起来，具有划时代的重要意义，阿尔奇公式虽然是针对纯砂岩储层提出来的，但是实际应用时在其它储层中也可以用，是目前应用最普遍的饱和度模型。但是随着油田开发储层下限的降低，在低孔、低渗透储层以及致密砂岩储层中都出现了非阿尔奇现象，含水饱和度和电阻率之间不再是唯一的对应关系，诸如泥质、孔隙结构、润湿性等因素都会对含水饱和度产生影响，因而使得阿尔奇饱和度模型不再适用。自阿尔奇模型问世以来，根据各地区实际的地层特点，已经作了许多改进和完善，并且扩展到解释范围更加广泛的除砂泥岩地层以外的其它岩石类型地层的油气水层解释，但是针对泥页岩的油气饱和度模型鲜有学者研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是为解决泥页岩储层由于有机质和黄铁矿等特殊矿物的存在、润湿性复杂(有机孔隙油湿，无机孔隙水湿)，导致现存含水饱和度模型不适用的技术难题，提出一种考虑泥页岩润湿性，矿物组分导电饱和度模型的建立方法。
(二)技术方案
一种泥页岩油气饱和度的计算模型，首先根据泥页岩骨架矿物组分与孔隙类型给出泥页岩岩石体积物理模型，然后在适当的假设条件下，根据物理模型推导出泥页岩导电数学公式，随后给出公式中各项参数的求取方法，具体步骤如下：
A.建立等效物理模型：根据泥页岩骨架矿物类型和孔隙类型给出泥页岩岩石体积物理模型，将页岩分为两大系统和四大孔隙组分；
B.给出假设条件：模型的提出是基于以下假设的：
(1)在泥页岩储层，骨架矿物除黄铁矿以外，有机质和其余骨架矿物是完全不导电的，在泥页岩储层中主要含有四种孔隙类型，分别为粘土孔隙、基质孔隙、微裂缝和有机孔隙；
(2)粘土孔隙、基质孔隙、微裂缝是亲水的水润湿、有机质孔隙是亲油气的油润湿，并且有机质孔隙中是100％含油气的，即油气饱和度为100％；粘土孔隙是粘土矿物之间的微细孔隙，与有机质孔隙不同，粘土孔隙表面表现为亲水性特征，对水分子吸附能力强；在构建游离气体积计算模型时，假设粘土孔隙100％含水，不含油气；
(3)泥页岩储层基质孔隙主要为残余原生孔隙和不稳定矿物溶蚀孔；
(4)岩石的电阻率主要受四部分影响：①100％含水的粘土；②导电矿物黄铁矿；③有机质；④基质孔隙和微裂隙空间的地层水；假设以上导电成分是并联导电的；
C.确定数学模型公式：根据泥页岩岩石体积物理模型，认为泥页岩电阻率主要受粘土、黄铁矿、有机质四部分影响:计算每一部分的电阻率然后并联起来，最终得到泥页岩饱和度导电模型；
构建如下页岩并联导电模型：
在实际处理过程中，通常认为有机质不导电，所以上式可以化简为：
变形可得：
则油气饱和度为：
式中，Rt表示页岩的电阻率，实际计算时可以用深探测电阻率代替；Rcl为100％含水粘土的电阻率，Vcl为粘土的体积百分数；Rpy为黄铁矿的电阻率，Vpy为黄铁矿的体积百分数；Vpy_cut是黄铁矿体积百分数截止值，只有当当黄铁矿体积百分含量大于截止值时才能构成连通相，具有导电性；VTOC为有机质体积百分数，RTOC为有机质电阻率；φ为基质孔隙、微裂隙之和，Sw为以上两类孔隙的含水饱和度，Rw为地层水电阻率，a、b、m、n为模型参数；
D.模型中各参数的确定：①粘土含量、黄铁矿含量、有机质含量的计算：粘土含量Vcl可以由自然伽马测井或自然伽马能谱测井直接计算也可以由测井曲线与岩心分析数据统计回归计算；黄铁矿含量Vpy可以由测井曲线与岩心分析统计回归直接计算；黄铁矿含量截止值Vpy_cut可以通过数字岩心模拟技术给出；随着黄铁矿含量的增大，岩心的电阻率有降低的趋势；但是在黄铁矿含量低的时候，电阻率几乎没有变化，这是由于黄铁矿分散在岩心中，只有在达到一定含量的时候，与孔隙相相连成为连续相，才对岩心电阻率产生影响，Vpy_cut约为5％到6％之间；有机质VTOC由于密度低、声波传播速度低、含氢指数高以及不导电的特性，造成鲜明的测井响应特征，同时富有机质页岩还表现为高自然伽马特征，在自然伽马能谱测井响应上表现为高铀含量特征，可以用这些测井特征定量计算有机质含量，也可以由测井曲线与岩心分析统计回归直接计算；
②粘土孔隙度、有机质孔隙度、无机质孔隙度的计算：粘土孔隙是粘土矿物之间的微细孔隙，是束缚水的主要赋存空间；粘土孔隙度的计算公式如下：
φcl＝φtclVcl
式中φcl为粘土孔隙度，φtcl为纯粘土段孔隙度，Vcl由邻近泥岩测井响应确定；
利用扫描电镜测试技术可以直观的确定有机孔隙大小及其分布，估算有机孔隙的面孔率；利用平均面孔率对测井计算的VTOC进行刻度，获得有机质孔隙度，其计算公式如下：
φTOC＝aVTOC其中a为有机质面孔率，由扫描电镜分析确定；
页岩储层总孔隙度可以通过岩心刻度测井的方法求的；通过实验测量的氦气孔隙度与孔隙度敏感测井曲线，有声波、密度或中子曲线建立关系，可以计算储层总孔隙度φt；
因此基质孔隙、微裂隙之和φ可以通过下式计算
φ＝φt-φTOC-φcl；
E.岩电实验数据拟合模型公式参数a、b、m、n：利用岩电实验数据回归得出：当没有岩心实验数据时，可以采用默认值，一般认为a＝b＝1，对于微裂缝发育型，m值约为1.1-1.5，n值约为1；对于孔隙发育型，m值约为1.5-2.5，n值约为2；
F.模型验证：取a＝b＝1，m＝1.5,n＝1.3，φ＝0.05，Rcl＝40Ω，RPY＝0.5Ω，RW＝0.12，Vcl＝0.2，VPY＝0.05，TOC＝0.05，ρTOC＝1.2g/cm3，ρb＝2.62g/cm3；利用如下公式计算了泥页岩导电性与含水饱和度之间的关系，
并与岩石物理实验结果进行对比，对比结果具有很好的吻合性。
进一步的，步骤A所述的两大系统为有机质体积系统、非有机质体积系统，有机质体积系统包含有机质骨架VTOC和有机质孔隙φTOC；非有机质体积系统包括非有机质骨架Vnk和无机孔隙φnk，四大孔隙组分为有机质孔隙、粘土孔隙、微裂隙和基质孔隙。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比较，其具有以下有益效果：本发明能够解决泥页岩储层由于骨架矿物复杂、孔隙结构复杂、孔隙润湿性复杂等问题带来的非阿尔奇现象，准确计算泥页岩储层含油气饱和度，为测井评价储层以及油田开发提供帮助，在计算泥页岩储层含水饱和度方面具备其它饱和度模型无可比拟的优势，实际应用效果显著，因此极具推广价值。在目前公开发表文献和商业应用软件中尚无类似方法的提出与应用。
附图说明
图1是本发明的计算步骤示意图。
图2是本发明的泥页岩体积物理模型分布类别示意图。
图3是本发明的黄铁矿含量对岩石电阻率影响示意图。
图4是本发明的岩心分析含水饱和度与模型计算含水饱和度对比示意图。
图5是本发明的实际井资料处理效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种泥页岩油气饱和度的计算模型是首先根据泥页岩骨架矿物组分与孔隙类型给出泥页岩岩石体积物理模型，然后在适当的假设条件下，根据物理模型推导出泥页岩导电数学公式，随后给出公式中各项参数的求取方法，具体步骤如下：
A.建立等效物理模型：根据泥页岩骨架矿物类型和孔隙类型给出泥页岩岩石体积物理模型，将页岩分为两大系统和四大孔隙组分。两大系统为有机质体积系统、非有机质体积系统，有机质体积系统包含有机质骨架VTOC和有机质孔隙φTOC。非有机质体积系统包括非有机质骨架Vnk和无机孔隙φnk，四大孔隙组分为有机质孔隙、粘土孔隙、微裂隙和基质孔隙，如图2所示。
B.给出假设条件：模型的提出是基于以下假设的：
(1)在泥页岩储层，骨架矿物除黄铁矿以外，有机质和其余骨架矿物是完全不导电的，在泥页岩储层中主要含有四种孔隙类型，分别为粘土孔隙、基质孔隙、微裂缝和有机孔隙；
(2)粘土孔隙、基质孔隙、微裂缝是亲水的(水润湿)、有机质孔隙是亲油气的(油润湿)并且有机质孔隙中是100％含油气的，即油气饱和度为100％。粘土孔隙是粘土矿物之间的微细孔隙，与有机质孔隙不同，粘土孔隙表面表现为亲水性特征，对水分子吸附能力强。在构建游离气体积计算模型时，假设粘土孔隙100％含水，不含油气；
(3)泥页岩储层基质孔隙主要为残余原生孔隙和不稳定矿物溶蚀孔；
(4)岩石的电阻率主要受四部分影响：①100％含水的粘土；②导电矿物黄铁矿；③有机质；④基质孔隙和微裂隙空间的地层水。假设以上导电成分是并联导电的。
C.确定数学模型公式：根据泥页岩岩石体积物理模型，认为泥页岩电阻率主要受主要受粘土、黄铁矿、有机质四部分影响:计算每一部分的电阻率然后并联起来，最终得到泥页岩饱和度导电模型；
构建如下页岩并联导电模型：
在实际处理过程中，通常认为有机质不导电，所以上式可以化简为：
变形可得：
则油气饱和度为：
式中，Rt表示页岩的电阻率，实际计算时可以用深探测电阻率代替；Rcl为100％含水粘土的电阻率，Vcl为粘土的体积百分数；Rpy为黄铁矿的电阻率，Vpy为黄铁矿的体积百分数；Vpy_cut是黄铁矿体积百分数截止值，只有当当黄铁矿体积百分含量大于截止值时才能构成连通相，具有导电性；VTOC为有机质体积百分数，RTOC为有机质电阻率；φ为基质孔隙、微裂隙之和，Sw为以上两类孔隙的含水饱和度，Rw为地层水电阻率，a、b、m、n为模型参数。
D.模型中各参数的确定
①粘土含量、黄铁矿含量、有机质含量的计算：粘土含量Vcl可以由自然伽马测井或自然伽马能谱测井直接计算也可以由测井曲线与岩心分析数据统计回归计算；黄铁矿含量Vpy可以由测井曲线与岩心分析统计回归直接计算；黄铁矿含量截止值Vpy_cut可以通过数字岩心模拟技术给出,如图2所示，从图中可以看出随着黄铁矿含量的增大，岩心的电阻率有降低的趋势。但是在黄铁矿含量低的时候，电阻率几乎没有变化，这是由于黄铁矿分散在岩心中，只有在达到一定含量的时候，与孔隙相相连成为连续相，才对岩心电阻率产生影响，Vpy_cut约为5％到6％之间；有机质VTOC由于密度低、声波传播速度低、含氢指数高以及不导电等特性，造成鲜明的测井响应特征，同时富有机质页岩还表现为高自然伽马特征，在自然伽马能谱测井响应上表现为高铀含量特征，可以用这些测井特征定量计算有机质含量，也可以由测井曲线与岩心分析统计回归直接计算。如图3所示。
②粘土孔隙度、有机质孔隙度、无机质孔隙度的计算：粘土孔隙是粘土矿物之间的微细孔隙，是束缚水的主要赋存空间。粘土孔隙度的计算公式如下：
φcl＝φtclVcl；
式中φcl为粘土孔隙度，φtcl为纯粘土段孔隙度，Vcl由邻近泥岩测井响应确定。
利用扫描电镜测试技术可以直观的确定有机孔隙大小及其分布，估算有机孔隙的面孔率。利用平均面孔率对测井计算的VTOC进行刻度，获得有机质孔隙度，其计算公式如下：
φTOC＝aVTOC其中a为有机质面孔率，由扫描电镜分析确定。
页岩储层总孔隙度可以通过岩心刻度测井的方法求的。通过实验测量的氦气孔隙度与孔隙度敏感测井曲线(声波、密度或中子)建立关系，可以计算储层总孔隙度φt。
因此基质孔隙、微裂隙之和φ可以通过下式计算
φ＝φt-φTOC-φcl；
E.岩电实验数据拟合模型公式参数a、b、m、n：利用岩电实验数据回归得出。当没有岩心实验数据时，可以采用默认值，一般认为a＝b＝1，对于微裂缝发育型，m值约为1.1-1.5，n值约为1；对于孔隙发育型，m值约为1.5-2.5，n值约为2。
F.模型验证：取a＝b＝1，m＝1.5,n＝1.3，φ＝0.05，Rcl＝40Ω，RPY＝0.5Ω，RW＝0.12，Vcl＝0.2，VPY＝0.05，TOC＝0.05，ρTOC＝1.2g/cm3，ρb＝2.62g/cm3。利用如下公式计算了泥页岩导电性与含水饱和度之间的关系，并与岩石物理实验结果进行了对比，对比结果具有很好的吻合性。如图4所示。
为了验证泥页岩油气饱和度模型的适用性，对研究区泥页岩储层井资料进行处理，图5为处理成果图，第1道为岩性测井曲线道，包括自然伽马、自然电位、井径曲线，第2道为深中浅电阻率，第3道为三孔隙度测井曲线道，包括补偿密度、补偿中子、声波时差曲线，第4道为声波时差计算的总孔隙度与岩心分析总孔隙度，两者对应性较好，第5道为密度曲线计算的总有机碳含量与岩心分析有机碳对比，两者同样具有较好的一致性，第6道为黄铁矿含量曲线，第7道为采用本文模型计算的油气饱和度与岩心分析饱和度对比，计算结果吻合较好，证明了本文提出方法的正确性以及在泥页岩储层中的适应性。上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (2)
1.一种泥页岩油气饱和度的计算模型，首先根据泥页岩骨架矿物组分与孔隙类型给出泥页岩岩石体积物理模型，然后在适当的假设条件下，根据物理模型推导出泥页岩导电数学公式，随后给出公式中各项参数的求取方法，具体步骤如下：
A.建立等效物理模型：根据泥页岩骨架矿物类型和孔隙类型给出泥页岩岩石体积物理模型，将页岩分为两大系统和四大孔隙组分；步骤A所述的两大系统为有机质体积系统、非有机质体积系统；
B.给出假设条件：模型的提出是基于以下假设的：
(1)在泥页岩储层，骨架矿物除黄铁矿以外，有机质和其余骨架矿物是完全不导电的，在泥页岩储层中主要含有四种孔隙类型，分别为粘土孔隙、基质孔隙、微裂缝和有机孔隙；
(2)粘土孔隙、基质孔隙、微裂缝是亲水的水润湿、有机质孔隙是亲油气的油润湿，并且有机质孔隙中是100％含油气的，即油气饱和度为100％；粘土孔隙是粘土矿物之间的微细孔隙，与有机质孔隙不同，粘土孔隙表面表现为亲水性特征，对水分子吸附能力强；在构建游离气体积计算模型时，假设粘土孔隙100％含水，不含油气；
(3)泥页岩储层基质孔隙主要为残余原生孔隙和不稳定矿物溶蚀孔；
(4)岩石的电阻率主要受四部分影响：①100％含水的粘土；②导电矿物黄铁矿；③有机质；④基质孔隙和微裂隙空间的地层水；假设以上导电成分是并联导电的；
C.确定数学模型公式：根据泥页岩岩石体积物理模型，认为泥页岩电阻率主要受粘土、黄铁矿、有机质三部分影响:计算每一部分的电阻率然后并联起来，最终得到泥页岩饱和度导电模型；
构建如下页岩并联导电模型：
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式中，Rt表示页岩的电阻率，实际计算时可以用深探测电阻率代替；Rcl为100％含水粘土的电阻率，Vcl为粘土的体积百分数；Rpy为黄铁矿的电阻率，Vpy为黄铁矿的体积百分数；Vpy_cut是黄铁矿体积百分数截止值，只有当黄铁矿体积百分含量大于截止值时才能构成连通相，具有导电性；VTOC为有机质体积百分数，RTOC为有机质电阻率；φ为基质孔隙、微裂隙之和，Sw为以上两类孔隙的含水饱和度，Rw为地层水电阻率，a、b、m、n为模型参数；
D.模型中各参数的确定：①粘土含量、黄铁矿含量、有机质含量的计算：粘土含量Vcl由自然伽马测井或自然伽马能谱测井直接计算或者由测井曲线与岩心分析数据统计回归计算；黄铁矿含量Vpy由测井曲线与岩心分析统计回归直接计算；黄铁矿含量截止值Vpy_cut通过数字岩心模拟技术给出；随着黄铁矿含量的增大，岩心的电阻率有降低的趋势；但是在黄铁矿含量低的时候，电阻率几乎没有变化，这是由于黄铁矿分散在岩心中，只有在达到一定含量的时候，与孔隙相相连成为连续相，才对岩心电阻率产生影响，Vpy_cut为5％到6％之间；有机质VTOC由于密度低、声波传播速度低、含氢指数高以及不导电的特性，造成鲜明的测井响应特征，同时富有机质页岩还表现为高自然伽马特征，在自然伽马能谱测井响应上表现为高铀含量特征，用这些测井特征定量计算有机质含量，或者由测井曲线与岩心分析统计回归直接计算；
②粘土孔隙度、有机质孔隙度、无机质孔隙度的计算：粘土孔隙是粘土矿物之间的微细孔隙，是束缚水的主要赋存空间；粘土孔隙度的计算公式如下：
φcl＝φtclVcl
式中φcl为粘土孔隙度，φtcl为纯粘土段孔隙度，Vcl由邻近泥岩测井响应确定；
利用扫描电镜测试技术能直观的确定有机孔隙大小及其分布，估算有机孔隙的面孔率；利用平均面孔率对测井计算的VTOC进行刻度，获得有机质孔隙度，其计算公式如下：
φTOC＝aVTOC其中a为有机质面孔率，由扫描电镜分析确定；
页岩储层总孔隙度能通过岩心刻度测井的方法求的；通过实验测量的氦气孔隙度与孔隙度敏感测井曲线，有声波、密度或中子曲线建立关系，计算储层总孔隙度φt；
因此基质孔隙、微裂隙之和φ可以通过下式计算
φ＝φt-φTOC-φcl；
E.岩电实验数据拟合模型公式参数a、b、m、n：利用岩电实验数据回归得出：当没有岩心实验数据时，采用默认值，一般认为a＝b＝1，对于微裂缝发育型，m值为1.1-1.5，n值为1；对于孔隙发育型，m值为1.5-2.5，n值为2；
F.模型验证：取a＝b＝1，m＝1.5,n＝1.3，φ＝0.05，Rcl＝40Ω，Rpy＝0.5Ω，RW＝0.12，Vcl＝0.2，Vpy＝0.05，TOC＝0.05，ρTOC＝1.2g/cm3，ρb＝2.62g/cm3；利用如下公式计算了泥页岩导电性与含水饱和度之间的关系，
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并与岩石物理实验结果进行对比，对比结果具有很好的吻合性。
2.根据权利要求1所述的一种泥页岩油气饱和度的计算模型，其特征在于：有机质体积系统包含有机质骨架VTOC和有机质孔隙φTOC；非有机质体积系统包括非有机质骨架Vnk和无机孔隙φnk，四大孔隙组分为有机质孔隙、粘土孔隙、微裂隙和基质孔隙。
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| CN104712329A (zh) | 2015-06-17 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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