高溫高壓強(qiáng)侵入儲(chǔ)層飽和度非電法精細(xì)評(píng)價(jià)
——以南海鶯歌海盆地X氣田為例

楊 冬,胡向陽,張恒榮,楊 毅,袁 偉

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057;2.中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司,海南海口 570311)

南海西部鶯歌海盆地是一個(gè)新生代沉積盆地,盆地形成晚期快速沉降并沉積,形成巨厚的欠壓實(shí)泥巖,從而產(chǎn)生異常高壓[1-2]。鶯歌海盆地發(fā)育大量高溫高壓氣藏,以X氣田為例,地層溫度高于150 ℃、地層壓力系數(shù)高于1.7,實(shí)際鉆井泥漿密度比重范圍1.7～1.9 g/cm3,部分層段出現(xiàn)泥漿強(qiáng)侵入,使電阻率降低而出現(xiàn)“假低阻”現(xiàn)象,導(dǎo)致流體性質(zhì)誤判。業(yè)內(nèi)經(jīng)典的阿爾奇飽和度公式是建立在巖電實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的電法評(píng)價(jià)模型,而在電法資料失真的情況下,計(jì)算飽和度的精度降低,影響氣田勘探及開發(fā)評(píng)價(jià)。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于類似儲(chǔ)層的飽和度評(píng)價(jià)方法大致有三類:①應(yīng)用油基泥漿或密閉取心資料確定;②基于巖電實(shí)驗(yàn)的相關(guān)電法模型及部分高端飽和度測(cè)井方法;③通過實(shí)驗(yàn)室毛管壓力資料計(jì)算求取。由于研究區(qū)高溫高壓井作業(yè)難度大、作業(yè)成本高,資料錄取受制約,且研究區(qū)未開展密度取心作業(yè),針對(duì)飽和度評(píng)價(jià)的高端測(cè)井系列(例如介電測(cè)井及核磁測(cè)井等)錄取也較少;常規(guī)錄取的電阻率測(cè)井資料受泥漿侵入影響較大,導(dǎo)致電阻率失真;此外,高溫高壓地層巖電參數(shù)規(guī)律復(fù)雜,無法通過①和②的方法開展飽和度評(píng)價(jià)。研究區(qū)巖心壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較豐富,可以通過J函數(shù)平均化處理毛細(xì)管壓力資料,建立非電法含水飽和度模型[3-5],從非電法的角度入手,評(píng)價(jià)泥漿強(qiáng)侵導(dǎo)致的電阻率失真層段的含水飽和度。

油氣水分布的現(xiàn)狀是驅(qū)動(dòng)力和毛管壓力相對(duì)平衡的結(jié)果,油藏內(nèi)不同位置處的含水飽和度受油藏高度(自由水界面以上的高度)、孔隙結(jié)構(gòu)以及油水密度差(流體性質(zhì))等因素控制[6-9],其含水飽和度與油藏高度的關(guān)系具有毛管壓力曲線的分布特征。借助毛管壓力數(shù)據(jù)建立飽和度模型的主要步驟為:①通過實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)室條件下的毛管壓力數(shù)據(jù);②假設(shè)地面與地層條件下孔喉半徑不變(即rL=rR)時(shí),將實(shí)驗(yàn)室獲得的毛管壓力轉(zhuǎn)換為油藏條件下的毛管壓力;③建模。鶯歌海盆地X氣田屬于高溫高壓儲(chǔ)層,直接借助常溫常壓毛管壓力資料建立飽和度模型的精度存在較大的不確定性,因此,需要開展模擬地層環(huán)境下的高溫高壓毛管壓力實(shí)驗(yàn)。

1 高溫高壓毛管壓力束縛水飽和度評(píng)價(jià)

1.1 高溫高壓毛管壓力實(shí)驗(yàn)

針對(duì)研究區(qū)20塊巖心開展實(shí)驗(yàn)室正常溫壓條件下(室溫、軸圍壓5 MPa、孔隙壓力為0)的毛管壓力測(cè)量,并依據(jù)物性分布特征(部分甜點(diǎn)儲(chǔ)層Ⅰ類、主要?dú)鈱佣微蝾惣案蓪英箢?選出15塊巖心,開展模擬實(shí)際溫壓條件下(溫度150 ℃、軸圍壓70 MPa、孔隙壓力30/50 MPa)的半滲隔板毛管壓力測(cè)量(表1)。

表1 X氣田20塊巖心實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)

從單顆巖心常溫常壓與高溫高壓毛管壓力實(shí)驗(yàn)曲線可以看出,毛管壓力形態(tài)存在明顯差異,在高溫高壓實(shí)驗(yàn)條件下,毛管壓力曲線的啟動(dòng)壓力門檻更高,平臺(tái)段更短(圖1)。對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),在相同毛管壓力條件下,高溫高壓下的含水飽和度比常溫常壓下的高,在低毛管壓力及較高毛管壓力階段差異也較大,高溫高壓條件下巖心的孔隙結(jié)構(gòu)特征較常溫常壓條件下更差(圖2)。從儲(chǔ)層地質(zhì)成因角度考慮,高溫高壓儲(chǔ)層成巖作用復(fù)雜,可能導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化。因此,利用模擬地層溫壓條件下的毛管壓力資料能夠反映儲(chǔ)層真實(shí)的孔隙結(jié)構(gòu)特征,而基于毛管壓力資料建立的飽和度評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際氣藏巖石物理特征。

圖1 單顆巖心常溫常壓與高溫高壓毛管壓力實(shí)驗(yàn)曲線

圖2 不同巖心常溫常壓與高溫高壓毛管壓力實(shí)驗(yàn)曲線

1.2 高溫高壓毛管壓力資料分析處理

針對(duì)研究區(qū)Ⅱ類儲(chǔ)層巖心做J函數(shù)分析,并利用J函數(shù)對(duì)15塊巖心高溫高壓條件毛管壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,J函數(shù)的定義為:

(1)

式中:Sw為含水飽和度,%;Pc為毛管壓力,MPa;σ為界面張力,mN/m;K為滲透率,10-3μm2;Φ為孔隙度,%。

從X氣田含水飽和度與J函數(shù)關(guān)系可以看出,15塊巖心的含水飽和度與J函數(shù)具有較好的相關(guān)性(圖3),其表達(dá)式見公式(2),擬合得到模型參數(shù)a=136 518 519.88,b=-4.5。

圖3 鶯歌海盆地X氣田含水飽和度與J函數(shù)關(guān)系

(2)

在原始?xì)?油)藏條件下,氣(油)水密度差所產(chǎn)生的浮力與毛細(xì)管壓力相平衡:

ΔρH=PcR

(3)

式中:H為自由水界面以上高度,m;△ρ為氣(油)水密度差,g/cm3;PcR為氣藏條件下的毛細(xì)管壓力,MPa。

因此,可以把毛細(xì)管壓力曲線換成自由水界面以上高度(油氣柱高度)與含氣(油)飽和度的關(guān)系曲線,換算公式為:

(4)

式中:ρw為儲(chǔ)藏條件下水的密度,g/cm3;ρog為儲(chǔ)藏條件下氣(油)的密度,g/cm3。

求解公式(1)和(2)可得:

(5)

由于本次實(shí)驗(yàn)直接獲取了地層溫壓條件下的毛管壓力曲線,公式(5)中的Pc=PcR,把公式(3)代入公式(5),可以得到基于毛管壓力資料的含水飽和度計(jì)算公式(6)。

(6)

飽和度模型公式(6)中的關(guān)鍵參數(shù)界面張力σ,前人多采用實(shí)驗(yàn)室獲取,一般取50。實(shí)際應(yīng)用中,地層條件不僅對(duì)毛管壓力資料本身有影響,對(duì)毛管力相關(guān)參數(shù)也有著不可忽略的影響,一般來說,地層高溫高壓條件使氣水表面張力減小,潤(rùn)濕角變化小,毛管壓力變小。通過調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)[10-13],獲取不同溫壓條件下甲烷-地層水界面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立界面張力與溫度、壓力變化趨勢(shì)規(guī)律,如圖4所示,潤(rùn)濕角依據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研獲取,根據(jù)鶯歌海盆地X氣田溫壓條件外延得到實(shí)際氣藏條件下氣-水兩相界面張力值。

圖4 不同溫壓條件甲烷—地層水界面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

基于上述模型擬合,得到溫壓條件下界面張力計(jì)算公式:

σ=(-0.005LN(T)+0.035 8)P2+(0.317 3LN(T)-2.234 1)P-0.173 3T+76.358

(7)

式中:P為地層壓力,MPa;T為地層溫度,℃。

通過外延擬合得到研究區(qū)溫壓條件下的界面張力約45 mN/m。基于實(shí)驗(yàn)室毛管壓力實(shí)驗(yàn)資料及J函數(shù)關(guān)系式,依據(jù)溫壓條件下的界面張力等實(shí)際參數(shù),分別計(jì)算研究區(qū)高溫高壓及常溫常壓條件下含水飽和度與氣柱高度關(guān)系(圖5),由此可知,相對(duì)于常溫常壓條件,高溫高壓條件下同等氣柱高度時(shí)對(duì)應(yīng)的含水飽和度較低,在鶯歌海盆地平均含氣飽和度30%～60%的范圍內(nèi),二者平均差異約6%。

圖5 不同溫壓條件下含氣飽和度與氣柱高度關(guān)系

2 應(yīng)用實(shí)例

XX-2井為X氣田的一口探井,目的層段壓力系數(shù)約1.7,部分井段受泥漿侵入影響導(dǎo)致電阻率降低,尤其在鉆井取心井段(3 125～3 140 m)電阻率降低明顯,電阻率值約為3 Ω·m,接近區(qū)域水層電阻率,基于常規(guī)電法(阿爾奇公式)計(jì)算得到的含氣飽和度低于40%,不滿足區(qū)域已證實(shí)氣層的飽和度下限標(biāo)準(zhǔn),而實(shí)際測(cè)壓取樣證實(shí)其為純氣層,因此,通過電阻率計(jì)算含水飽和度的方法適用性較差。

通過已建立的含水飽和度與氣柱高度計(jì)算模型對(duì)XX-2井目的層段進(jìn)行飽和度評(píng)價(jià),如圖6所示,毛管-氣柱高度的含水飽和度計(jì)算結(jié)果見圖中第9道粉紅色曲線,藍(lán)色曲線代表基于電阻率計(jì)算的含水飽和度,藍(lán)色散點(diǎn)代表巖心分析核磁束縛水飽和度。基于毛管壓力模型計(jì)算的含水飽和度與巖心核磁束縛水飽和度結(jié)果(SWI)一致性較好,說明本次建立的高溫高壓非電法飽和度模型是可靠的。

從XX-2井高溫高壓氣層段含水飽和度分布圖可以看出,基于毛管壓力模型計(jì)算的儲(chǔ)層段平均含水飽和度47%,而基于電阻率計(jì)算的儲(chǔ)層段平均含水飽和度56%,整體降低10%左右,即含氣飽和度提高了10%(圖7)。對(duì)受鉆井液侵入影響而不能精確評(píng)價(jià)含水飽和度的高溫高壓氣層提供了一種可靠的方法。

圖7 XX-2井高溫高壓氣層段含水飽和度分布

3 結(jié)論

1)高溫高壓強(qiáng)侵入儲(chǔ)層,電阻率失真,基于電法模型無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層真實(shí)含氣飽和度,而毛管壓力資料與儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及油水分布有關(guān),基于毛管壓力資料的非電法飽和度評(píng)價(jià)方法是有效的替代方法。

2)高溫高壓條件下的毛管壓力測(cè)量形態(tài)與常規(guī)溫壓條件下測(cè)量結(jié)果差異較大,能更準(zhǔn)確地反映高溫高壓儲(chǔ)層巖石物理特征,以及能夠更真實(shí)地反映高溫高壓地層條件下的含氣飽和度。

3)基于高溫高壓條件下毛管壓力實(shí)驗(yàn)分析資料,結(jié)合界面張力等巖石物理參數(shù),建立高溫高壓強(qiáng)侵入儲(chǔ)層飽和度非電法評(píng)價(jià)模型,可以有效地解決由于鉆井液侵入導(dǎo)致電法難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含氣飽和度的問題,提高高溫高壓強(qiáng)侵入儲(chǔ)層飽和度評(píng)價(jià)精度。對(duì)于非強(qiáng)侵入地層、常規(guī)電法飽和模型結(jié)合溫壓條件下的巖電參數(shù)依然能有效評(píng)價(jià)飽和度。