CN106772674A - 一种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法。方法包括：(1)测定砂岩的弹性模量、泊松比、裂缝法向刚度、裂缝间距以及储层初始有效孔隙度；(2)确定储层主地应力方向，确定裂缝倾向与最大主地应力方向夹角与裂缝面倾角，计算储层垂向应力、最大水平主地应力与最小水平主地应力；(3)测定储层孔隙压力；(4)计算储层三个主地应力方向上的有效孔隙；(5)测定地层水的电阻率，储层在三个主地应力方向上的电阻率，计算含100％水时储层的电阻率：(6)计算储层的含油饱和度，测定不同含水饱和度的砂岩样品的电阻率，使用最小二乘法原理拟合出曲线，求解不同有效孔隙度砂岩的含油饱和度。

Description

一种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，是涉及一种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法。

背景技术

含油饱和度的准确测定是判断储层品质和调整开发方案的基础资料，裂缝性砂岩储层的岩石力学性质与电性具有显著的各向异性特征，使用电阻率测井评价裂缝性储层含油性的生产实践中发现，在构造挤压区和张拉区，电阻率值出现较为明显的偏差，造成储层含油性评价的失误。裂缝作为一种不连续面，其存在会导致储层在各个方向上的弹性模量、泊松比以及孔渗性能产生较大差异，最终造成含油性的各向异性。到目前，还没有一种能够反映这种含油性各向异性差异的定量计算方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法。本发明通过综合考虑垂向应力、构造侧向挤压作用，以及采油时间等因素对裂缝性砂岩储层有效孔隙度变化的影响，发明了计算裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法，可用于生产过程中裂缝性砂岩储层含油饱和度的定量计算，预测裂缝性砂岩储层的含油性，解决了地应力环境对电阻率测井精度的影响问题，降低了裂缝性砂岩储层含油饱和度测定的成本，填补了地应力对测井电阻率数据影响研究的国际空白，为砂岩油气勘探与开发提供技术支持。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法，其中，所述方法包括如下步骤：

(1)测定裂缝性砂岩储层的弹性模量、泊松比、裂缝的法向刚度、裂缝间距以及砂岩储层的初始有效孔隙度；并测定不包含裂缝的砂岩在三个主地应力方向上的弹性模量；

(2)确定裂缝性砂岩储层主地应力方向，确定裂缝倾向与最大主地应力方向的夹角α、裂缝面的倾角β，计算储层垂向应力、最大水平主地应力与最小水平主地应力；

(3)测定裂缝性砂岩储层的孔隙压力；

(4)按照如下公式计算油气开采过程中裂缝性砂岩储层三个主地应力方向上的有效有效孔隙度

式中，为最大主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；为中间主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；为最小主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；φ₀为裂缝性砂岩储层的初始有效孔隙度，无量纲；为完整砂岩在最大主地应力方向上的弹性模量，MPa；为完整砂岩在中间主地应力方向上的弹性模量，MPa；为完整砂岩在最小主地应力方向上的弹性模量，MPa；α为裂缝倾向与最大主地应力方向的夹角，°；β为裂缝面的倾角，°；K_f为裂缝的法向刚度，MPa·m^-1；s_f为裂缝间距，m；μ_ij为泊松比，表征由i方向的单位拉应变在j方向上产生的压缩应变，i，j＝1，2，3，无量纲；p_p为裂缝性砂岩储层孔隙压力，无量纲；σ₁为最大主地应力，MPa；σ₂为中间主地应力，MPa；σ₃为最小主地应力，MPa；储层垂向应力σ_v、最大水平主地应力σ_H、最小水平主地应力σ_h依大小排序，最大值赋给σ₁，中间值赋给σ₂，最小值赋给σ₃；

(5)测定地层水的电阻率R_w，裂缝性砂岩储层在三个主地应力方向上的电阻率，依据如下公式计算含100％水时裂缝性砂岩储层的电阻率：

式中，为含100％水时裂缝性砂岩在三个主地应力方的电阻率，Ω·m；a_i为三个主地应力方向的岩性系数，无量纲；m_i为三个主地应力方向的孔隙指数，i＝1，2，3，无量纲；为裂缝性砂岩在三个主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；R_w为地层水的电阻率，Ω·m；

(6)计算裂缝性砂岩储层的含油饱和度，测定不同含水饱和度的砂岩样品的电阻率使用最小二乘法原理拟合出曲线，依据曲线方程求解不同有效孔隙度砂岩的含油饱和度，其中i＝1，2，3。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是按照《岩石力学试验建议方法》测定砂岩的弹性模量、泊松比、裂缝的法向刚度、裂缝间距以及砂岩的初始有效孔隙度，和不包含裂缝的砂岩在三个主地应力方向上的弹性模量。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是通过钻井取心，使用单轴压缩试验测定不含裂缝的完整砂岩块在三个主地应力方向的弹性模量并测定包含裂缝的砂岩在三个主地应力方向相关的泊松比μ；选择含裂缝的砂岩块，测定裂缝的法向刚度K_f和有效孔隙度φ₀，利用裂缝成像技术和岩心观测方法测定裂缝性砂岩储层裂缝间距s_f。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)是利用井壁裂缝成像分析技术确定裂缝性砂岩储层的主地应力方向；使用密度积分方法计算垂向应力的大小，使用组合弹簧模型计算最大水平主地应力和最小水平主地应力的大小。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)中计算垂向应力是使用密度积分法，公式如下

式中，σ_v为垂向地应力，MPa；ρ_i为地层岩石密度，g/cm³；g为重力加速度，取9.8m/s²；h_i为地层岩石厚度，m。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)中使用组合弹簧模型计算最大水平主地应力与最小水平主地应力，公式如下：

式中，σ_H为水平最大主地应力，MPa；σ_h为水平最小主地应力，MPa；p_p为储层孔隙压力，E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；σ_v为垂向应力，MPa；α为Biot系数；ε_H最大水平主地应力方向的应变，无量纲；ε_h为最小水平主地应力方向的应变，无量纲。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)中采用重复地层测试(RFT)测定裂缝性砂岩储层的孔隙压力。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(5)的三个主地应力方向上的岩性系数a_i，和三个主地应力方向上的孔隙指数m_i，其中i＝1，2，3，通过如下方法测定：在三个主地应力方向钻取岩心，测定地层水的电阻率R_w，测定不同有效有效孔隙度时的电阻率，作曲线，使用最小二乘法拟合曲线，由图线求取裂缝性砂岩储层三个主地应力方向上的岩性系数a_i，以及三个主地应力方向上的孔隙指数m_i。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(5)所述的岩性系数的测定方法为：采集多组岩样，分别测定三个主地应力方向的R₀，以及三个主地应力方向的φ_p，在双对数坐标系中拟合出直线纵坐标截距为loga_i，a_i即为岩性系数。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(6)按照如下公式计算裂缝性砂岩储层的含油饱和度：

式中，为含100％水时裂缝性砂岩在三个主地应力方向的电阻率，Ω·m；为含油气裂缝性砂岩在三个主地应力方向上的电阻率，Ω·m；b_i为实验拟合参数，无量纲；n_i为实验拟合参数，无量纲，其中i＝1，2，3。

综上所述，本发明提供了一种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法。本发明的方法具有如下优点：

本发明提供了一种考虑裂缝对储层含油性影响的储层含油饱和度计算方法，该方法在主地应力空间中评价裂缝性砂岩储层的各向异性力学性质与电性特征，将裂缝性砂岩储层三个主地应力方向的有效孔隙度作为关于主地应力、储层砂岩和裂缝力学参数，以及孔隙压力的函数，可用于计算不同地应力环境下储层的有效孔隙度，也可用于计算油气井不同生产时期储层的有效孔隙度。省去了用声波速度测井、密度测井或岩性-密度测井等方法测定储层有效孔隙度的工序，降低了含油饱和度测定的成本。而且，解决了由于构造挤压和张拉作用导致的储层含油性评价失误问题，提高了储层含油性测定的精度。为勘探开发储层品质的判别提供了方法技术。

附图说明

图1为实施例1的裂缝性砂岩储层取心示意图；

说明：以较大尺寸从储层中钻取岩心(图1左侧)，以较小尺寸在三个主地应力方向上钻取岩心(图1右侧)，加工成标准试件，进行岩体力学参数测试。测定裂缝性砂岩储层中砂岩(不含裂缝)在三个主地应力方向上的弹性模量测定裂缝性砂岩储层中砂岩(含裂缝)的泊松比μ_ij(i，j＝1，2，3)。

图2为实施例1的主地应力空间中裂缝面的倾向、倾角与裂缝面间距示意图；

说明：1轴、2轴、3轴分别表示最大主地应力方向、中间主地应力方向、最小主地应力方向，1、2、3坐标系表示主地应力坐标系，其表征的空间为主地应力空间。使用井壁裂缝成像技术与岩心裂缝观测等方法，确定主地应力方向，裂缝面倾向与最大主地应力方向的夹角α，裂缝的倾角β，并测定裂缝性砂岩储层裂缝间距s_f。裂缝间距为相邻裂缝面之间的距离，储层中构造裂缝的产状一般具有较强的规律性，可以测定一组或多组构造裂缝的间距。

图3为实施例1的裂缝性砂岩储层裂缝法向刚度测定示意图；

说明：测定裂缝性砂岩储层裂缝的法向刚度K_f，垂直裂缝面方向施加应力σ_n，监测裂缝面闭合位移δ_n，以定义式K_f＝σ_n/δ_n计算裂缝的法向刚度。

图4为实施例1的储层深度-有效孔隙度曲线；

说明：计算含一组构造裂缝情况下裂缝性砂岩储层在三个主地应力方向的有效孔隙度，储层深度6600-6800m，由曲线可知，裂缝性砂岩储层有效孔隙度具有显著的各向异性特征。

图5为实施例1的储层深度-含油饱和度曲线；

说明：计算含一组构造裂缝情况下裂缝性砂岩储层在三个主地应力方向的含油饱和度，储层深度6600-6800m，由曲线可知，裂缝性砂岩储层含油性具有显著的各向异性特征。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

(1)对某开发井钻井至裂缝性砂岩储层6600-6800m深度时采集岩心，统计裂缝间距、倾向与倾角，使用声发射或古地磁方法确定最大主地应力方向，统计裂缝倾角与最大主地应力方向的夹角，裂缝面与主地应力方向的关系如图2所示。在岩心柱不同深度位置沿三个主地应力方向钻取直径25mm，长度50mm的岩样，如图1；

裂缝产状与力学性能表

裂缝倾角/°	夹角/°	裂缝法向刚度/MPa·m-1	裂缝间距/m
				60	60	20000	0.1

裂缝性砂岩储层在三个主地应力方向上的岩性系数、孔隙指数、拟合系数值

方向	a	b	m	n
					最大水平主地应力方向	1.00	1.50	1.80	4.00
最小水平主地应力方向	1.00	0.45	2.00	3.20
					垂向地应力方向	1.00	0.65	0.65	2.80

(2)参考国际岩石力学学会《岩石力学试验建议方法》测定岩样的弹性模量与泊松比，并使用含裂缝岩样测定裂缝的法向刚度，如图3；

(3)使用压汞法测定裂缝性砂岩的有效孔隙度；

(4)采用多层位测试器(FMT)测试，测定储层不同深度的孔隙压力；

(5)采用密度积分法计算储层不同深度的垂向地应力，使用组合弹簧模型计算最大水平主地应力与最小水平主地应力；

(6)使用权利要求1步骤四中的公式，计算三个主地应力方向上的孔隙度，计算结果如图4所示；

(7)使用权利要求13中的公式，计算三个主地应力方向上的含油饱和度，计算结果如图5所示。

Claims (10)

1.一种裂缝性砂岩储层含油饱和度的计算方法，其中，所述方法包括如下步骤：

(1)测定裂缝性砂岩储层的弹性模量、泊松比、裂缝的法向刚度、裂缝间距以及砂岩的初始有效孔隙度；并测定不包含裂缝的砂岩在三个主地应力方向上的弹性模量；

(2)确定裂缝性砂岩储层主地应力方向，确定裂缝倾向与最大主地应力方向的夹角α、裂缝面的倾角β，计算储层垂向应力、最大水平主地应力与最小水平主地应力；

(3)测定裂缝性砂岩储层的孔隙压力；

(4)按照如下公式计算油气开采过程中裂缝性砂岩储层三个主地应力方向上的有效有效孔隙度

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_p^1={\mathrm{\φ}}_0+\frac{E_s^1+K_f{s}_f\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{E_s^1{K}_f{s}_f\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}\left({\mathrm{\μ}}_{12}+{\mathrm{\μ}}_{13}\right)\left({\mathrm{\σ}}_1-p_p\right)\\ -\frac{E_s^2+K_f{s}_f\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{E_s^2{K}_f{s}_f\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}\left(1-{\mathrm{\μ}}_{23}\right)\left({\mathrm{\σ}}_2-p_p\right)\\ -\frac{E_s^3+K_f{s}_f\cos \mathrm{\β}}{E_s^3{K}_f{s}_f\cos \mathrm{\β}}\left(1-{\mathrm{\μ}}_{32}\right)\left({\mathrm{\σ}}_3-p_p\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_p^2={\mathrm{\φ}}_0-\frac{E_s^1+K_f{s}_f\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{E_s^1{K}_f{s}_f\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}\left(1-{\mathrm{\μ}}_{13}\right)\left({\mathrm{\σ}}_1-p_p\right)\\ +\frac{E_s^2+K_f{s}_f\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{E_s^2{K}_f{s}_f\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}\left({\mathrm{\μ}}_{21}+{\mathrm{\μ}}_{23}\right)\left({\mathrm{\σ}}_2-p_p\right)\\ -\frac{E_s^3+K_f{s}_f\cos \mathrm{\β}}{E_s^3{K}_f{s}_f\cos \mathrm{\β}}\left(1-{\mathrm{\μ}}_{31}\right)\left({\mathrm{\σ}}_3-p_p\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_p^3={\mathrm{\φ}}_0-\frac{E_s^1+K_f{s}_f\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{E_s^1{K}_f{s}_f\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}\left(1-{\mathrm{\μ}}_{13}\right)\left({\mathrm{\σ}}_1-p_p\right)\\ -\frac{E_s^2+K_f{s}_f\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}{E_s^2{K}_f{s}_f\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}}\left(1-{\mathrm{\μ}}_{21}\right)\left({\mathrm{\σ}}_2-p_p\right)\\ +\frac{E_s^3+K_f{s}_f\cos \mathrm{\β}}{E_s^3{K}_f{s}_f\cos \mathrm{\β}}\left({\mathrm{\μ}}_{31}+{\mathrm{\μ}}_{32}\right)\left({\mathrm{\σ}}_3-p_p\right)\end{array}$

式中，为最大主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；为中间主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；为最小主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；φ₀为裂缝性砂岩储层的初始有效孔隙度，无量纲；为完整砂岩在最大主地应力方向上的弹性模量，MPa；为完整砂岩在中间主地应力方向上的弹性模量，MPa；为完整砂岩在最小主地应力方向上的弹性模量，MPa；α为裂缝倾向与最大主地应力方向的夹角，°；β为裂缝面的倾角，°；K_f为裂缝的法向刚度，MPa·m^-1；s_f为裂缝间距，m；μ_ij为泊松比，表征由i方向的单位拉应变在j方向上产生的压缩应变，i，j＝1，2，3，无量纲；p_p为裂缝性砂岩储层孔隙压力，无量纲；σ₁为最大主地应力，MPa；σ₂为中间主地应力，MPa；σ₃为最小主地应力，MPa；储层垂向应力σ_v、最大水平主地应力σ_H、最小水平主地应力σ_h依大小排序，最大值赋给σ₁，中间值赋给σ₂，最小值赋给σ₃；

(5)测定地层水的电阻率R_w，裂缝性砂岩储层在三个主地应力方向上的电阻率，依据如下公式计算100％含水时裂缝性砂岩储层的电阻率：

$\begin{array}{cc}{R}_0^i=a_i{R}_w/{\left({\mathrm{\φ}}_p^i\right)}^{m_i}& i=1,2,3\end{array}$

式中，为100％含水时裂缝性砂岩在三个主地应力方的电阻率，Ω·m；a_i为三个主地应力方向的岩性系数，无量纲；m_i为三个主地应力方向的孔隙指数，i＝1，2，3，无量纲；为裂缝性砂岩在三个主地应力方向上的有效孔隙度，无量纲；R_w为地层水的电阻率，Ω·m；

(6)计算裂缝性砂岩储层的含油饱和度，测定不同含水饱和度的砂岩样品的电阻率使用最小二乘法原理拟合出曲线，依据曲线方程求解不同有效孔隙度砂岩的含油饱和度，其中i＝1，2，3。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(1)是按照《岩石力学试验建议方法》测量砂岩储层的弹性模量、泊松比、裂缝的法向刚度、裂缝间距以及砂岩的初始有效孔隙度，和不包含裂缝的砂岩储层在三个主地应力方向上的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(1)是通过钻井取心，使用单轴压缩试验测定不含裂缝的完整砂岩块在三个主地应力方向的弹性模量并测定包含裂缝在内的砂岩储层在三个主地应力方向相关的泊松比μ；选择含裂缝的砂岩块，测定裂缝的法向刚度K_f和有效孔隙度φ₀，利用裂缝成像技术和岩心观测方法测定裂缝性砂岩储层裂缝间距s_f。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(2)是利用井壁裂缝成像分析技术确定裂缝性砂岩储层的主地应力方向；使用密度积分方法计算垂向应力的大小，使用组合弹簧模型计算最大水平主地应力和最小水平主地应力的大小。

5.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(2)中计算垂向应力是使用密度积分法，公式如下

${\mathrm{\σ}}_v=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_i{\mathrm{gh}}_i$

式中，σ_v为垂向地应力，MPa；ρ_i为地层岩石密度，g/cm³；g为重力加速度，取9.8m/s²；h_i为地层岩石厚度，m。

6.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(2)中使用组合弹簧模型计算最大水平主地应力与最小水平主地应力，公式如下：

${\mathrm{\σ}}_H=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}{\mathrm{\ϵ}}_H+\frac{\mathrm{\μ}E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}{\mathrm{\ϵ}}_h+\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αp}}_p)+{\mathrm{\αp}}_p$

${\mathrm{\σ}}_h=\frac{\mathrm{\μ}E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}{\mathrm{\ϵ}}_H+\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}{\mathrm{\ϵ}}_h+\frac{\mathrm{\μ}}{1-\mathrm{\μ}}({\mathrm{\σ}}_v-{\mathrm{\αp}}_p)+{\mathrm{\αp}}_p$

式中，σ_H为水平最大主地应力，MPa；σ_h为水平最小主地应力，MPa；p_p为储层孔隙压力，E为裂缝性砂岩储层的弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比；σ_v为垂向应力，MPa；α为Biot系数；ε_H最大水平主地应力方向的应变，无量纲；ε_h为最小水平主地应力方向的应变，无量纲。

7.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(3)中采用重复地层测试(RFT)测定裂缝性砂岩储层的孔隙压力。

8.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(5)的三个主地应力方向上的岩性系数a_i，和三个主地应力方向上的孔隙指数m_i，其中i＝1，2，3，通过如下方法测定：在三个主地应力方向钻取岩心，测定地层水的电阻率R_w，测定不同有效孔隙度时的电阻率，作曲线，使用最小二乘法拟合曲线，由图线求取裂缝性砂岩储层三个主地应力方向上的岩性系数a_i，以及三个主地应力方向上的孔隙指数m_i。

9.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(5)的岩性系数的测定方法为：采集多组岩样，分别测定三个主地应力方向的R₀，以及三个主地应力方向的φ_p，在双对数坐标系中拟合出直线纵坐标截距为loga_i，a_i即为岩性系数。

10.根据权利要求1所述的计算方法，其中，步骤(6)按照如下公式计算裂缝性砂岩储层的含油饱和度：

$S_{og}^i=1-{\left(\frac{b_i{R}_0^i}{R_t^i}\right)}^{\frac{1}{n^i}}$

式中，为含100％水时裂缝性砂岩在三个主地应力方向的电阻率，Ω·m；为含油气裂缝性砂岩在三个主地应力方向上的电阻率，Ω·m；b_i为实验拟合参数，无量纲；n_i为实验拟合参数，无量纲，其中i＝1，2，3。