巖心油水飽和度誤差形成主要原因及投影校正法

吳兆徽，劉西雷，梁金萍，李偉忠，徐守余，牛麗娟，吳穎昊，吳穎欣

（1. 中國石油大學 地球科學與技術學院，山東 青島 266555； 2. 中石化勝利油田分公司 勘探開發研究院，山東 東營 257002；3. 中石化勝利油田分公司 勝機石油裝備有限公司，山東 東營 257067）

巖心油水飽和度誤差形成主要原因及投影校正法

吳兆徽1，2，劉西雷2，梁金萍2，李偉忠2，徐守余1，牛麗娟2，吳穎昊1，吳穎欣3

（1. 中國石油大學 地球科學與技術學院，山東 青島 266555； 2. 中石化勝利油田分公司 勘探開發研究院，山東 東營 257002；3. 中石化勝利油田分公司 勝機石油裝備有限公司，山東 東營 257067）

與稀油相比，稠油粘度大且難揮發，稠油巖芯的原油揮發量很少，而利用傳統的飽和度較正法進行校正，難以體現稀油揮發量較大，而稠油揮發損失量近似為零的情況，常規方法并非適用于各類原油。為此，發明了一種飽和度校正的新方法“投影法”，并且通過分析誤差產生因素，發現液氮下水冷凍成冰造成孔隙體積膨脹、稠油損失量遠小于水損失量，是過去未考慮到的兩個因素。該新方法首先在完成傳統的孔隙壓縮校正、線性回歸之后，基于稀油和稠油損失量的物理模擬實驗結果，對揮發量極少的稠油用“水平投影法”校正，令So不變，將修正前的樣品點，投至油水飽和度之和為1的對角線上；稀油可揮發組分復雜，油水損失情況各異，采用“垂直投影法”，投影線垂直于對角線。最后通過實踐證明，運用“投影法”進行稠油巖芯飽和度校正，不僅有足夠的理論基礎和良好的應用效果，而且簡化了繁瑣的計算，使運算可以批量簡化運行，能夠適用于各類極端情況。該新方法對增強科研理論水平、提高工作效率都具有重要意義。

孔隙膨脹；稀油；誤差；揮發；校正

自從上世紀九十年代，全球各國石油專家學者就發現，巖芯的油水飽和度之和總不為 100%［1］，平均存在約15%的空缺［2］，而飽和度之和大于100%的情況極少見。油水飽和度之和僅存在低于 100%的負誤差，而不存在正誤差，這種特殊的誤差情況說明，飽和度誤差絕不是純粹的數學隨機誤差，而是某些具體因素［3，4］導致的。因此，在選用誤差修正方法的時候，需要盡可能考慮影響因素，貼合實際結果［5-7］。但是，對于飽和度誤差的形成原因眾說紛紜，有原油降壓脫氣、巖心放置油水揮發［8］、地面壓力驟減泄壓、開發水淹［9］、體積變化［10］等很多說法。而且有些因素甚至至今仍未考慮到，因此需要考察取心到儲存、切割、實驗的全過程，對飽和度誤差進行合理修正。

除了上面飽和度誤差成因存在疑問外，校正方法也存在一定的問題和研究難度。樣品點多的時候校正方法并不一定可行，通過求解超越方程、角度旋轉、交互式反演等方法難于被多數人掌握［11，12］，不少校正方法并不簡便，因此還需要一種新的更簡單快捷準確的飽和度校正方法。

對稠油油藏而言，水平井熱采井網開發是最主要的開發方式［13］，此次通過選取水平井井間、水平井排間的兩口典型稠油油藏的取心井，分析了井網兩種不同位置含油飽和度的變化情況［14］。此次選取的兩口取心井位于東營凹陷西部王莊油田。研究目的層位包括沙三上段1砂體和2砂體，其中一口井位于兩口注汽水平井端點間，另一口則位于兩口水平井的井間。從取心情況上看，1號井收獲率85.2%，密閉率87.5%；2號井收獲率87.9%，密閉率89.3%。兩口取心井都具有較高的收獲率和密閉率，達到實驗測試標準。

對稀油油藏來說，由于通常采用直斜井開發，不存在水平井排間、井間這類位置差異情況，因此取任意位置取心井作為校正實例即可。

1 油水飽和度誤差形成的主要原因

由實驗直接測得的含油、含水飽和度之和一般在80%左右，因此存在約20%的誤差需要校正。對巖芯從取心［15］、切割到長時間冷凍貯存［16］、取樣等階段的全過程進行分析，認為造成油水飽和度變化的因素通常有以下幾個方面：

（1）鉆井液濾液侵入

鉆井取心過程，鉆井液侵入巖芯驅替原有流體，造成油水飽和度發生異常［17］。在密閉率合格的情況下，則不用考慮鉆井液侵入影響。

（2）原油脫氣影響

由于溫度和壓力的變化［18］，巖芯中溶于油和水的氣體隨壓力下降而膨脹［19］，原油中的溶解氣溢出造成測試不準。

（3）油水揮發

巖芯裝運過程中的油水揮發是不可避免的因素，從井場取出、運往實驗室，再在室內經歷飽和度樣品制備的各個階段，油水飽和度必然有一定損失量。

（4）孔隙體積膨脹

巖石從地下取至地面過程中，上覆地層壓力不斷減小，取至地面的巖石壓力得到釋放［20］，從而孔隙體積增大，此時按地面條件下的孔隙體積進行計算，忽略了壓力影響，使得計算的油水飽和度偏小。

另一個孔隙偏大的原因是本次研究得到的創新性認識，液氮超低溫的巖心保存環境影響了孔隙度的大小。孔隙水經歷了長期的冷凍過程，水變冰體積增大為原體積的1.1倍，孔隙也因此脹裂，等到巖石用于實驗時，所測孔隙度比冷凍前偏大，使得含油飽和度比實際偏小。

對該稠油區塊的密閉取心井而言，泥漿濾液侵入和原油脫氣的影響都可以不考慮。這四個因素中，影響飽和度測試結果的最主要因素僅有兩點：孔隙膨脹、油水揮發造成的誤差。

2 投影法的實驗理論基礎

巖芯中的油和水會按先后次序揮發，還是同時揮發，可以做相應的兩組實驗：用稀油與水的混合物做加熱揮發實驗，稀油選用能和水互溶的有機溶劑如潤滑油、縫紉機油等，發現稀油和水從加熱液體中的揮發是同時發生的，油水都有損失。用稠油與水的混合物進行揮發實驗發現，雖然稠油油樣也會有部分緊貼于試管壁、粘貼在試管底部或浮于表層的情況，但在稠油未完全覆蓋水表面的情況下，基本水先揮發，稠油的損失量極少。

由此可見，巖芯中的水、油的不均勻損失，可區別對待。造成飽和度之和不為1的因素中，除了油水揮發因素以外，其它造成油水損失的因素，在油水損失均衡的情況下，可通過線性擬合校正方式解決。稠油基本為固體半固體［21］，不會像稀油那樣脫氣［22］，因此稠油的原油脫氣損失量也很少。

3 So誤差投影修正步驟

投影法主要基于揮發量差異，按一定方向投影，實現油、水飽和度的誤差修正。油、水飽和度之和一般存在10%～20%的誤差，根據油、水飽和度的損失量，可分為兩種情況（圖1）。對于稀油而言，含油飽和度的揮發量大于含水飽和度的揮發量；對于稠油而言，油飽和度揮發量遠遠小于水飽和度揮發量。

稀油油藏的巖心，對線上數據點垂直AB對角線投影。“垂直投影法”基于油水都有損失的事實，且符合水的揮發損失量△Sw略大于普通稠油的揮發損失量△So的實際情況。

對于稠油油藏的巖心而言，由于稠油難揮發，揮發量ΔSo可忽略不計，因此，可以數據點進行水平投影，投影到So+Sw=100上，即So不變，僅對Sw進行修正，從而實現對稠油飽和度的校正。

圖1 稠油和稀油油藏巖芯油水飽和度修正方法Fig.1 Oil saturation correction method of cores in heavy and light oil reservoirs

4 現場應用

4.1 稠油油藏巖心油水飽和度修正

此次特超稠油油藏巖心飽和度校正，以王莊油田為稠油油藏研究區，以鄭411-斜檢2、檢1取心井為例，二者的位置分別在兩口水平井的井間及水平井井排的排間位置。

由于稠油揮發難度極大，在巖芯高溫切割、巖芯觀察、倉儲過程中，含油飽和度損失幾乎為零，且稠油不存在溶解氣，故需要對稠油巖芯飽和度進行水平投影校正（圖2）。

投影法這種坐標系下的幾何方法如何實現，可以通過簡潔的修正完成運算。假設需修正的點坐標為（p，q），由于僅存在水平投影，y=q，x+y=100。

因而易得x=100-q，y=q

其中，x、y是要求取的油、水飽和度未知量，p、q是校正前的油水飽和度。通過批量處理，得到特超稠油油藏地下的油水飽和度。這與稠油極難揮發的客觀實際是相符的。但如果通過傳統方法的校正的話，我們會使原本數據點都簇擁在一起的、成分比較單一的稠油，被加權分配成了很散亂的數據點，不符合客觀實際，因為同一個點采樣不能有過分散亂的飽和度數據。而新的投影法不存在這個問題，由此可見該方法的優越性。

圖2 稠油巖芯含油飽和度校正Fig.2 Oil saturation correction of cores in heavy oil reservoirs

通過擬合校正發現，稠油區塊水平井井間位置的油飽和度較高，明顯高于井靶點的端點間的油飽和度［23］，反映水平井井間位置是布井的有利部位。對比同一口井不同層位的含油飽和度So數據，發現上部層位砂體受蒸汽驅影響，含油飽和度小于未受汽驅影響的下部砂體，下部原油更富集。

4.2 稀油油藏巖心油水飽和度修正

對稀油油藏的巖心而言，由于稀油組分復雜，揮發量不好確定，可通過垂直投影的方法。誤差在一定程度上具有按權重分配的效果。完成擬合后，線上點垂直于投影至了Sw+So=1上（圖3）。

表面上看，投影法是幾何方法，實際可通過數值處理簡便實現，從而完成大批量計算。經過初始校正，得到需修正的點（p，q），先求解以下兩個方程式：

（x-p）/（y-q）=1，x+y=100

解方程式易得，

x=（p-q+100）/2，y=（q-p+100）/2擬合數據p、q是已知量，x、y是要求取的油、水飽和度未知量，也就是最終結果。由于可以通過excel批量處理，大量求取未知量x、y，大大簡化了計算步驟。為進一步驗證方法的可靠性，可選取極端情況進行驗證。對 So低值點投影，校正量δ（Sw）＞δ（So），和巖樣長期在實驗室累積存放，造成水揮發較多的情況是相符的。對So高值點投影，所得校正量δ（Sw）＜δ（So），與實際情況相符，從而驗證了該法的合理性。

5 結 論

（1）經過觀察井場取心、液氮保存、高溫切割、長時間放置等各環節，發現含油飽和度誤差形成的最主要原因僅有兩個方面，分別是泄壓并冷凍造成的孔隙膨脹、揮發造成的油水損失。

圖3 稀油巖芯含油飽和度投影校正Fig.3 Oil saturation correction of cores in light oil reservoirs

（2）由于稀油成分各異，可揮發組分的情況較為復雜，因此采用“垂直投影法”。該投影方法帶有加權分配的特征，當So相比Sw明顯較高的時候，So的校正量大；當So相比Sw明顯較低的時候，So校正量小，與實際相符，從理論和實例分析都證實了該方法的合理性。

（3）對揮發量極少的稠油而言，用“水平投影法”進行校正，令 So不變，將修正前的樣品點水平投影至油水飽和度之和為1的直線上，極大的簡化了計算步驟。

（4）對不同取心井含油飽和度數據進行對比，發現井排間的剩余油比井間低，即油藏的水平井的井間位置是稠油開采的更有利部位。對研究區同一口井不同層位的含油飽和度比較，由于相鄰小層之間的隔夾層對蒸汽的阻隔作用有限，發現上部層位的含油飽和度要小于未受蒸汽影響的下方層位的含油飽和度。

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Major Causes and Projection Correction
Method of Oil and Water Saturation Error of Cores

WU Zhao-hui1，LIU Xi-lei2，LIANG Jin-ping2，LI Wei-zhong2，XV Shou-yu2，NIU Li-juan2，WU Ying-hao1，WU Ying-xin3
（1. School of Geology Science and Technology， China University of Petroleum， Shandong Qingdao 266555， China；2. Shengli Oilfield Company Explorations & Development Research Institute， Shandong Dongying 257002， China；3. Shengji Petroleum Equipment Co. Ltd.， Shengli Oilfield Company， Shandong Dongying 257067， China）

Compared with light oil， heavy oil is not only viscous but also difficult to volatilize， so there is little oil loss. However， traditional methods to correct Socan not reflect the case of almost no oil loss. Therefore， a convenient and practical method was found. By analyzing the factors to cause oil saturation errors， two factors that were not noticed before were found recently. The first factor is related to the pore volume expansion when liquid water is frozen to ice. And the second one is that the heavy oil loss is far less than light oil loss. After pore compression correction and linear regression， the loss is corrected on the basis of the simulation experiment result， thus a new correcting projection method is invented. Since there is little loss of heavy oil， data are horizontally projected. As for light oil， the components are more complex， and oil-water loss is hard to determine. Therefore， "vertical projection method" is used；the projection line is perpendicular to the linear regression line. Through actual verification， the "horizontal projection method" for heavy oil， not only have the experimental and theoretical foundation， but also make heavy oil saturation correction a simple math algorithm. As for light oil， "vertical projection method" is not only applicable for ordinary saturation data， but also suitable for special circumstances. This new method not only supplements basic theories， but also plays a positive role to improve work efficiency.

Pore expansion； Light oil； Errors； Volatilization； Adjustment

TE 124

A

1671-0460（2015）12-2866-04

中石化重點科技攻關項目，項目號：P12123。

2015-09-30

吳兆徽（1985-），男，山東東營人，在職博士，2010年畢業于中國石油大學（華東）礦產普查與勘探專業，研究方向：從事油藏地質和稠油開發方面的科研工作。E-mail：325117168@qq.com。