基于數字巖石物理實驗的巖石電性影響因素分析＊——以珠江口盆地（東部地區）中淺層砂巖儲層為例

馮 進

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

基于數字巖石物理實驗的巖石電性影響因素分析＊
——以珠江口盆地（東部地區）中淺層砂巖儲層為例

馮 進

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司）

為了進一步認識粘土含量、地層水礦化度、微孔隙含量等因素對巖石電性的定量影響規律，基于HZ21－1－2井944B巖心粒度資料和孔隙度約束建立了三維數字巖心，利用數值模擬法研究了各因素對巖石電性的影響規律，結果表明：在相同的地層水礦化度條件下，巖石電阻率隨粘土含量的增加而減小，且含水飽和度越低，粘土減阻效果越顯著；對于幾乎不含泥質的砂巖，地層水礦化度對巖石電阻率指數無影響；對于含泥質的砂巖，泥質呈現增阻還是減阻主要與地層水礦化度有關；微孔隙發育導致束縛水含量增加，巖石電阻率降低。這些研究成果可以為珠江口盆地（東部地區）含油飽和度評價提供指導作用。

珠江口盆地（東部地區） 數字巖心 巖石物理實驗 巖石電性 粘土含量 地層水礦化度微孔隙含量

巖石電性資料在測井解釋、儲層評價以及儲量預測中具有重要作用，但巖石電性不僅受孔隙空間中流體分布和性質的影響，還取決于微觀孔隙結構特征[1－2]。珠江口盆地（東部地區）大部分已開發油藏屬于新近系中淺層（珠海組之上）中、高滲砂巖儲層[3－4]，雖然多年來對于這類儲層建立了比較成熟的測井評價體系，但是受限于海上取心成本較高、數量較少，且巖石物理實驗對巖心的微觀孔隙結構、流體分布特性難以定量計算、控制和觀察，對于影響珠江口盆地（東部地區）儲層電性變化規律的各種因素（如粘土含量、地層水礦化度）的定量分析不夠，而近年來飛速發展的基于真實巖心的數字巖石物理實驗可以較好地解決上述問題[5]。為此，選取珠江口盆地（東部地區）HZ21－1－2井具有代表性的巖心構建了數字巖石物理實驗，分別探討了粘土含量、地層水礦化度和微孔隙含量等因素對巖石導電性的影響規律，從而為該地區含油飽和度評價提供了指導作用。

1 數字巖石物理實驗模型的構建

巖石屬于多孔介質，巖石物理宏觀屬性受其復雜的微觀孔隙結構的影響。因此，許多學者設計了多種孔隙結構模型，如毛管模型、孔隙網絡模型、逾滲網絡模型等。上述巖石孔隙結構模型對巖石孔隙空間進行了不同程度的簡化，巖石物理數值模擬結果難以準確重復巖石物理實驗結果[6－8]。目前，X射線CT為建立巖石三維微觀模型提供了一種新方法，即基于數字巖心的巖石物理數值模擬方法（也被稱之為數字巖石物理實驗）。與傳統的巖石物理實驗相比，數字巖石物理實驗具有以下幾個優點：①速度快而且費用低。②描述巖石微觀結構的數字巖心一旦建立，數字巖石物理實驗可計算多種巖石物理屬性，如電阻率、聲波速度、滲透率和核磁共振響應等。由于所有的巖石物理屬性均來源于同一塊三維數字巖心，有利于建立多種物理屬性之間的內在聯系。③通過調整數字巖心的微觀參數，利用數字巖石物理實驗有利于認識儲層參數對巖石物理屬性的影響。

1.1 三維數字巖心構建過程

鑒于X－CT掃描建立數字巖心費用昂貴，而且費時，因此在巖心二維信息（鑄體薄片、掃描電鏡、粒度分析等）的基礎上構建三維數字巖心（稱之為三維數字巖心的重建算法）具有重要的應用價值。本研究中，以 HZ21－1－2井944B巖心為例建立數字巖心。圖1為944B巖心巖石粒度分析結果，圖2為采用過程法構建的944B三維數字巖心（圖中灰色區域代表巖石骨架，黑色區域代表巖石的孔隙空間）。

圖1 944B巖心巖石粒徑分布曲線

圖2 過程法構建的944B三維數字巖心

對于單相流體飽和巖石，孔隙空間流體分布無須特別處理；對于雙相流體飽和巖石，巖石電學特性與巖石孔隙空間流體分布有關。不同含水飽和度下孔隙流體分布受到諸多微觀因素的影響，因此如何確定不同含水飽和度下流體分布是巖石電性數值模擬面臨的首要問題[9]，需要在確定三維數字巖心孔隙流體分布后采用數值模擬方法計算巖石電阻率，進而研究巖石電阻率指數的變化規律。

1.2 模型精確性評價

利用有限元方法計算飽和地層水時944B三維數字巖心巖石的電阻率，并得到巖石的地層因素和膠結指數，計算結果見表1。在模擬過程中，設地層水電阻率為0.238Ω·m，與巖石電阻率實驗測量時使用的地層水電阻率相同。在三維數字巖心中，設孔隙空間完全飽和水，并設巖石中不包含導電礦物，為絕緣體。表1說明，三維數字巖心的巖石電阻率、地層因素和膠結指數的數值模擬結果與真實巖心實驗結果基本相符，相對誤差均不超過5%。

表1 944B三維數字巖心巖石電阻率、地層因素和膠結指數數值模擬結果與944B巖心實驗結果的對比

在模擬巖石電阻率指數過程中，由于孔隙空間存在油和水2種流體，所以首先要模擬不同含水飽和度下孔隙空間中的流體分布。本研究采用數學形態學方法確定了不同含水飽和度下的油水分布，模擬中設巖石為水濕儲層，油占據大孔隙空間，而水占據小孔隙和大孔隙的角隅。圖3分別為含水飽和度為70%和54%時944B三維數字巖心孔隙空間的流體分布情況，圖中藍色為巖石骨架，紅色和綠色分別代表孔隙空間的水和油。

圖3 含水飽和度為70%（左）和54%（右）時944B三維數字巖心巖石孔隙流體分布（藍色代表巖石骨架，紅色和綠色分別代表孔隙空間的水和油）

在確定了孔隙流體分布的基礎上，采用有限元方法計算了不同含水飽和度下944B三維數字巖心巖石電阻率（Rt），并計算了巖石電阻率指數（RI），數值模擬結果如圖4所示。944B巖心實驗測量的飽和度指數為1.85，其三維數字巖心數值模擬結果為1.82，二者之間的相對誤差僅為1.6%。

因此，利用過程法構建三維數字巖心，采用數學形態學方法和有限元方法計算巖石電阻率是可行的，其結果較為準確地重復了真實巖心巖石電阻率實驗測量結果。

圖4 944B三維數字巖心巖石電阻率指數數值模擬結果

2 巖石導電性影響因素定量分析

影響巖石導電特性的因素有很多，如微孔隙、潤濕性、粘土礦物、導電礦物、地層水礦化度等。巖石電阻率實驗難以定量測量、表征和控制上述影響因素，而基于數字巖心的數字巖石物理實驗是一種行之有效的方法。

2.1 粘土含量對巖石電性的影響

在測井評價中，泥質通常指細粉砂、粘土礦物以及粘土所含水的混合物。泥質含量的增加伴隨著沉積速度由高速轉為低速，巖石顆粒由粗變細，因此使得孔隙尺寸減小，孔隙表面粗糙程度增加，微孔隙發育，毛管束縛水增加，有降低電阻率的趨勢。

利用過程法建立泥質含量為11%的三維數字巖心，并設定泥質中粘土含量分別為0%、10%、30%、40%、60%時研究巖石電阻率的變化。數值模擬結果（圖5）表明，由于粘土的導電作用，在相同的地層水礦化度條件下，巖石電阻率隨粘土含量的增加而減小，且含水飽和度越低，粘土減阻效果越顯著；在低含水飽和度區域內，粘土含量對巖石電阻率的影響最為顯著。

圖5 粘土含量對944B三維數字巖心巖石電阻率的影響

粘土含量對944B三維數字巖心巖石電阻率指數的影響如圖6所示。從圖6可以看出，隨著粘土含量的增加，由于粘土附加導電作用，在相同含水飽和度下巖石電阻率指數明顯降低，說明在該地層水礦化度下，粘土呈現減阻作用；隨著含水飽和度的升高，粘土對巖石電阻率指數的影響明顯降低。

圖6 粘土含量對944B三維數字巖心巖石電阻率指數的影響

2.2 地層水礦化度對巖石電性的影響

本研究通過改變三維數字巖心中的地層水礦化度，計算不同飽和度下的巖石電阻率，進而研究其對巖石電性的影響。地層水礦化度對巖石電阻率特性的影響規律較為復雜，且與巖心所含的泥質密切相關，因此建立了2塊不同的三維數字巖心：1號三維數字巖心泥質含量為14.59%，巖心孔隙度為22.2%，陽離子交換能力6.824 mmol/100 g；而2號三維數字巖心泥質含量為0.03%，巖心孔隙度為14.91%，陽離子交換能力6.824 mmol/100 g。設定地層水礦化度依次為5000×10－6、10000×10－6、30000×10－6和60000×10－6。

圖7為1號三維數字巖心地層水礦化度對巖石電阻率的影響，可以看出，隨著含水飽和度降低，巖石電阻率增大；在相同含水飽和度下，隨著地層水礦化度增加，巖石電阻率降低，這是由于隨著地層水礦化度的增大，地層水的導電能力增強，所以巖石電阻率降低。

圖7 1號三維數字巖心地層水礦化度對巖石電阻率的影響

圖8為三維數字巖心地層水礦化度對巖石電阻率指數的影響。對于2號三維數字巖心，地層水礦化度對巖石電阻率指數影響很小，在整個含水飽和度區間內不同礦化度下的巖石電阻率指數基本相同，這是由于該巖心幾乎不含泥質，巖石中的導電組分只有地層水，而巖石電阻率指數為不同含水飽和度下巖石電阻率與飽和地層水巖石電阻率的比值，從而消除了地層水礦化度（地層水電阻率）的影響。因此，對于幾乎不含泥質的砂巖，地層水礦化度對巖石的電阻率指數沒有影響。

圖8 三維數字巖心地層水礦化度對巖石電阻率指數的影響

相反，對于1號三維數字巖心，巖石電阻率指數隨著地層水礦化度的增加而增大，且其差別隨含水飽和度的降低而變大，這主要是由于該巖心泥質含量較高。低礦化度地層水的導電能力較弱，與泥質附加導電能力相似或更小，使得泥質表現為減阻作用，而高礦化度地層水導電能力強，明顯高于泥質附加導電能力，泥質主要表現為增阻作用，且泥質的增阻或減阻作用隨著含水飽和度的降低而更為明顯。通過數值模擬發現，地層水礦化度對巖石電阻率的影響規律比較復雜，泥質呈現增阻還是減阻主要與地層水礦化度有關，不能一概而論。對于具有不同儲層參數的巖石，地層水礦化度對巖石電阻率指數的影響也不相同。

2.3 微孔隙對巖石電性的影響

微孔隙是指孔隙半徑小于0.1μm的孔隙，也包括孔隙周圍的角隅。由于微孔隙中地層水具有較強的導電能力，微孔隙含量對巖石電阻率具有較大的影響。分別構建微孔隙率為10%、60%和90%的三維數字巖心，模擬了微孔隙率對巖石電阻率的影響。數值模擬結果（圖9）表明，隨著微孔隙率增大，巖石電阻率降低，這是由于微孔隙尺寸小，油氣難以侵入，通常是被地層水完全占據，而隨著微孔隙率的增大，微孔隙中的地層水為電流提供了附加的導電路徑，使巖石電阻率減小。

圖9 微孔隙率對944B巖心巖石電阻率的影響

微孔隙率對巖石電阻率指數的影響如圖10所示。從圖10可以看出，在相同含水飽和度下，隨著微孔隙率的增大，巖石電阻率指數降低，這是由于微孔隙一般飽含地層水，構成了附加導電路徑；隨著含水飽和度的降低，微孔隙的導電作用更為明顯，從而導致隨微孔隙率的增大，巖石電阻率指數下降，但在相同含水飽和度下巖石電阻率指數的差別會變小。

圖10 微孔隙對944B巖心巖石電阻率指數的影響

3 結論

（1）以珠江口盆地（東部地區）HZ21－1－2井的944B巖心為基礎，在粒度分析資料的基礎上，利用過程法構建了該巖心的三維數字巖心。采用數學形態學和有限元方法計算了巖石電阻率、地層因素、膠結指數和飽和度指數，數值模擬結果與實驗結果的相對誤差均在5%以內，驗證了巖石電性數值模擬的準確性。

（2）利用數值模擬方法研究了粘土含量、地層水礦化度、微孔隙等因素對巖石電性的影響規律，發現粘土和地層水礦化度對巖石電阻率的影響規律較為復雜。地層水礦化度越高，巖石電阻率越低；對于幾乎不含泥質的砂巖，地層水礦化度對巖石電阻率指數和飽和度指數無影響，而對于含泥質的砂巖則影響規律有所不同；微孔隙發育導致束縛水含量增加，巖石電阻率降低。

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An analysis of the factors to influence electrical properties of rocks based on a digital petrophysical experiment：a case of the middle－shallow sandstone reservoirs in Pearl River Mouth basin（the eastern area）

Feng Jin
（Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.，Guangdong，518067）

In order to further understand quantitative influrences of different factors，such as clay content，formation－water salinity and microporosity，on the electrical property of rocks，the data of grain size and porosity from Core 944B in Well HZ21－1－2 were used to establish a 3D digital core，and the numerical simulation was applied to analyze influnces of each factor.The results have indicated that rock resistivity will decrease with increasing clay content if water salinity is constant，and the lower the water saturation，the higher the degree of resistivity decrease by clay.For the sandstone containing almost no clay，water salinity may have no in flurence on its resistivity；and for the sandstone containing clay，it will depend on formation－water salinity whether its resistivity may decrease or increase.Furthermore，the development of micro porosity in sandstones will result in irreducible water increase and resistivity decrease.All these concepts may provide reference for the oil－saturation evaluation in Pearl River Mouth Basin（the eastern area）.

Pearl River Mouth Basin（the eastern area）；digital core；petrophysical experiment；electrical property of rock；clay content；water salinity；microporosity

＊國家儲委資源調查項目“南海東部海域儲層電性參數研究（編號：Z2010SLSZ－395）”部分研究成果。

馮進，男，高級工程師，1997年畢業于中國石油大學（北京）獲碩士學位，現主要從事測井綜合解釋及相關工作。地址：廣東省廣州市海珠區江南大道中168號海洋石油大廈1806室（郵編：510240）。

2012－02－25改回日期：2012－08－30

（編輯：周雯雯）