基于物理模擬實驗的超壓碳酸鹽巖電性特征與應(yīng)用

鮑一遙, 朱奕龍, 王曉龍,2*, 劉宇坤,2, 萬澤鑫, 趙森,張佳麗, 周文軒, 虞華標, 謝鴻翔

(1.長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室, 武漢 430100; 2.長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430100)

地層超壓作為油氣成藏過程時流體運移的主要驅(qū)動力,不僅影響非常規(guī)油氣“甜點”預(yù)測,也是油氣田開發(fā)中所面臨的重要地質(zhì)問題[1-2]。地層超壓預(yù)測最早基于速度異常[1],此后學(xué)者們提出了一系列基于彈性參數(shù)的地層超壓預(yù)測方法:等效深度法[2]、Eberhart-Phillips法[3]和Bowers法[4]是基于Terzaghi有效應(yīng)用定理提出的經(jīng)驗性方法,Eaton法[5]和DC指數(shù)法[6]根據(jù)超壓層段測井-鉆井響應(yīng)特征差異擬合壓力趨勢線得到經(jīng)驗性公式,Fillippone法[7]則使用地震縱波速度計算地層壓力。隨著油氣勘探領(lǐng)域?qū)Τ瑝侯A(yù)測深度和精度的不斷提高,基于有效應(yīng)力定理的預(yù)測方法不斷完善并得到廣泛應(yīng)用[8-9]。碳酸鹽巖地層超壓預(yù)測是目前中外尚未得到解決的基礎(chǔ)性難題。碎屑巖地層具有明顯的超壓地球物理響應(yīng)關(guān)系,由此展開地層壓力預(yù)測建立經(jīng)驗性公式[10],但這些經(jīng)驗性方法在具有致密巖石骨架的碳酸鹽巖地層超壓預(yù)測中應(yīng)用效果較差。在碳酸鹽巖地層沉積過程中后生改造強烈,使其原始孔隙結(jié)構(gòu)特征改變顯著,碳酸鹽巖巖石成分和巖性是多重化學(xué)反應(yīng)疊加的結(jié)果[11],這種巖性和物性的多重非均質(zhì)性使得碳酸鹽巖地層超壓預(yù)測仍然是中外尚未解決的研究難題。針對碳酸鹽巖超壓預(yù)測,基于彈性參數(shù)對超壓的響應(yīng)特征利用含流體巖石多孔介質(zhì)彈性理論(Boit理論)和廣義胡克定律,建立的基于孔隙壓力與巖石彈性參數(shù)定量關(guān)系的超壓預(yù)測理論模型[12]預(yù)測效果顯著。在進行超壓碳酸鹽巖彈性參數(shù)響應(yīng)特征研究中,發(fā)現(xiàn)除了彈性參數(shù)對超壓具有明顯響應(yīng)特征以外,電性參數(shù)同樣對超壓具有響應(yīng)特征。而在中外針對超壓地層壓力預(yù)測模型中[13-16],電性參數(shù)極少被用到。

現(xiàn)避開對Boit系數(shù)獲取手段苛刻的Boit理論,從碳酸鹽巖超壓巖石物理模擬實驗著手,探明不同圍壓與孔隙壓力作用下巖石電性參數(shù)的變化規(guī)律,探索不同孔隙壓力情況下碳酸鹽巖電性參數(shù)的變化規(guī)律,探討碳酸鹽巖超壓與電性參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系,建立參數(shù)獲取相對簡單的,基于超壓碳酸鹽巖電性參數(shù)的地層超壓預(yù)測理論模型。以川東北地區(qū)典型碳酸鹽巖超壓鉆井為例,利用測井資料結(jié)合物理模擬實驗結(jié)果,定量預(yù)測碳酸鹽巖地層的超壓,為進一步實現(xiàn)利用三維地球物理資料進行超壓預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

1 物理模擬實驗設(shè)計與結(jié)果

1.1 樣品信息

選取普光毛壩地區(qū)超壓發(fā)育區(qū)典型深層碳酸鹽巖樣品若干,如表1所示;開展不同壓力條件下碳酸鹽巖樣品的電性參數(shù)和孔隙度變化特征測試如表2所示。通過HQ-Ⅱ型全直徑巖心切片機和HZM-Ⅱ型精密巖心磨平設(shè)備對巖心鉆取機鉆取的約為25 mm 和38 mm 小柱進行加工處理,使其高徑比為1.5～2.0。巖樣制備和測試流程嚴格按照《巖石電阻率參數(shù)實驗室測量及計算方法》(SY/T 5385-2007)和《覆壓下巖石孔隙度和滲透率測定方法》(SY/T 6385-2016)標準進行。

表1 碳酸鹽巖樣品基本參數(shù)表(選取5個樣品)Table 1 Basic parameters of carbonate rock samples (5 samples selected)

表2 碳酸鹽巖樣品實驗過程和實驗條件Table 2 Carbonate rock sample experimental process and experimental conditions

1.2 實驗設(shè)備及測量過程

電性參數(shù)的測量主要用復(fù)電阻率參數(shù),復(fù)電阻率法(complex resistivity method,CR)是石油和天然氣勘探中的重要手段,對油氣勘探領(lǐng)域研究具有十分重要的現(xiàn)實意義和實用價值。復(fù)電阻率測量采用1260阻抗/增益-相位頻響分析儀,該設(shè)備具有10 μHz～32 MHz極寬的頻率范圍,在任何流體及固體上施加一個交變電壓均可有電流通過,從而測得阻抗值。基于流體或者固體內(nèi)在結(jié)構(gòu)等差異性,測得的阻抗值隨施加電壓頻率的變化而發(fā)生變化。AutoLab1000系統(tǒng)與1260阻抗分析儀相結(jié)合,可實現(xiàn)從低頻到高頻極寬范圍內(nèi)對樣品激發(fā)極化特性的觀測。

此次碳酸鹽巖巖石物理模擬實驗采用多功能巖心分析系統(tǒng),是專門針對石油領(lǐng)域油藏地球物理研究而研發(fā)的設(shè)備,在模擬地層溫度和上覆巖層壓力條件下測試樣品的電性參數(shù)。模擬地層最大孔隙壓力可達65 MPa,圍壓最大可達70 MPa,溫度最高可達120 ℃,孔隙壓力加壓器可與不同的流體和氣體(如礦化水、油和氣等)相接,實現(xiàn)不同流體成因的加壓。

測試孔隙度主要運用CMS-300孔滲聯(lián)測儀,該設(shè)備是在模擬地層覆壓條件下對樣品的孔隙度進行測試。除了測量不同覆壓條件下孔隙度外,通過對比不同覆壓下孔隙度值,可以計算出巖石孔隙體積壓縮系數(shù),最高覆蓋壓力可達100 MPa以上,最大溫度達200 ℃。

實驗開始前,將樣品置于100 ℃ 真空恒溫烘箱中烘干48 h,以使樣品達到干燥條件;將烘干后的樣品放置于室內(nèi)環(huán)境 24 h以上,消除水對巖石骨架的化學(xué)軟化作用[17]。將巖樣放入巖心夾持器中,通過增壓系統(tǒng)不斷改變孔壓和圍壓,記錄不同通電頻率下巖樣各項電性參數(shù)的變化。同時通過不斷改變上覆地層壓力變化來測量孔隙度隨壓力的變化特征,如圖1所示。

圖1 物理模擬實驗流程圖Fig.1 Flow chart of physical simulation experiment

復(fù)電阻率測量條件為:固定圍壓為60 MPa,分別測量孔隙壓力為10、20、30、40、45、50 MPa時的電性參數(shù)值;固定孔壓為10 MPa,分別測量圍壓為20、30、40、50、60 MPa時的電性參數(shù)值。覆壓孔隙度測量條件為:固定圍壓為25 MPa時,分別測量孔壓為5、10、15、20 MPa時的孔隙度,如表2所示。

1.3 實驗結(jié)果分析

本次研究結(jié)果是若干碳酸鹽巖樣品的實驗數(shù)據(jù)的一致結(jié)果,選取其中5塊樣品實驗數(shù)據(jù)做圖,如圖2～圖4所示,揭示物理模擬實驗數(shù)據(jù)結(jié)果,具體如下。

圖2 不同壓力條件下碳酸鹽巖樣品電性參數(shù)頻散特性曲線Fig.2 Dispersion characteristic curves of electrical parameters of carbonate rock samples under different pressures

在較寬頻帶范圍內(nèi)(0.1～10 000 Hz)樣品電性參數(shù)的測量結(jié)果表明:在不同孔隙壓力(圍壓保持60 MPa,孔壓從10 MPa增大至50 MPa。即PC60PP10～PC60PP50共5種壓力條件)條件下,復(fù)電阻率模值、電阻率(實部)、電抗率(虛部)、相位等表現(xiàn)出相似的變化特征,即復(fù)電阻率模值隨頻率的增大呈現(xiàn)減小趨勢,減小的幅度逐漸降低;電阻率(實部)隨頻率增大也呈現(xiàn)減小趨勢,減小幅度逐漸降低;隨著頻率的不斷增大,相位呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢;電抗率(虛部)隨著頻率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,如圖2所示。同時,在圍壓60 MPa時,孔壓從10 MPa增大至50 MPa,電阻率呈現(xiàn)不斷減小趨勢,如圖3所示。

圖3 巖樣在不同孔隙壓力(圍壓 60 MPa)條件下電阻率變化特征Fig.3 Characteristics of resistivity variation of rock samples under different pore pressures (confining pressure 60 MPa)

孔隙度對孔壓和圍壓響應(yīng)關(guān)系實驗結(jié)果表明:在圍壓保持不變的條件下,孔隙度隨著孔隙壓力增加而增大;在孔壓保持不變的條件下,孔隙度隨著圍壓的增加而減小,如圖4所示。

圖4 碳酸鹽巖樣品在不同孔壓、圍壓條件下孔隙度變化特征Fig.4 Porosity variation characteristics of carbonate rock samples under different pore pressure and confining pressure

在模擬碳酸鹽巖地層的條件下,當孔隙流體發(fā)育超壓時,孔隙流體發(fā)生膨脹,巖石骨架受到壓縮,孔隙體積增加,巖石孔隙度增大,導(dǎo)致在圍壓不變情況下測得的孔隙度增大;同時孔隙度的增大導(dǎo)致巖石導(dǎo)電性變好,電阻率變小,如圖4所示。當具有致密巖石骨架結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖發(fā)育超壓時,孔隙流體膨脹引起的巖石骨架壓縮是碳酸鹽巖樣品孔隙體積(孔隙度)的增大和電性特征發(fā)生變化的根本原因,孔隙體積(孔隙度)的增大和巖樣電性參數(shù)變化與孔隙流體膨脹程度(孔隙壓力)之間存在一定的相關(guān)性。因此,孔隙體積(孔隙度)的變化量和巖樣電性參數(shù)可以作為孔隙流體壓力的響應(yīng)參數(shù)。

2 電性參數(shù)對超壓響應(yīng)特征的超壓預(yù)測模型

基于物理模擬實驗分析結(jié)果,從理論層面分析碳酸鹽巖超壓發(fā)育與電阻率的響應(yīng)關(guān)系,并建立電性參數(shù)相關(guān)的碳酸鹽巖超壓預(yù)測模型。

將碳酸鹽巖地層等效為水平層狀介質(zhì),假設(shè)巖石孔隙被地層水飽和充填,巖層骨架均勻分布并且與電流的流向方向一致,可將常壓條件下巖石的導(dǎo)電模型等效為巖石骨架(Rma)和常壓條件下孔隙流體(Rφ0)2個電阻的并聯(lián)電路模型,如圖5所示,常壓條件下巖石的總電阻用并聯(lián)電阻的計算公式為

圖5 超壓發(fā)育與電阻率變化的關(guān)系模型Fig.5 Relationship model between overpressure development and resistivity variation

(1)

式(1)中:RP0為常壓巖心總電阻;Rma為骨架電阻;Rφ0為孔隙流體電阻。

巖石骨架幾乎不導(dǎo)電,所以骨架電阻Rma→∞,進一步推得

RP0=Rφ0

(2)

當碳酸鹽巖地層從常壓狀態(tài)發(fā)育超壓時,孔隙流體膨脹導(dǎo)致孔隙度增大,孔隙度從常壓條件下的φ0增加,即

φp=φ0+Δφ

(3)

式(3)中:φ0為常壓條件下孔隙度;φp為超壓條件下孔隙度;Δφ為孔隙度增大值。

流體中的導(dǎo)電離子運動通道變大,導(dǎo)電離子更容易產(chǎn)生運移,巖石的導(dǎo)電性變強,總電阻變小。此時,超壓條件下巖石的導(dǎo)電模型等效為巖石骨架(R′ma)、常壓條件下孔隙流體(Rφ0)和超壓條件下相對于常壓時孔隙增量中的流體(RΔφ)3個電阻的并聯(lián)電路模型,如圖5所示,即超壓條件下巖石的總電阻用并聯(lián)電阻的計算公式為

(4)

式(4)中:RP為超壓條件下巖石總電阻;R′ma為骨架電阻;Rφ0為常壓孔隙流體電阻;RΔφ為超壓條件下相對于常壓時孔隙增量中的流體電阻。

由于骨架電阻R′ma→∞,進一步化簡式(4)得到超壓條件下巖石的總電阻RP為

(5)

從常壓條件到發(fā)育超壓,孔隙度從常壓條件下的φ0增加到了φp=φ0+Δφ,流體導(dǎo)電離子通道增大,巖石導(dǎo)電性變好,總電阻變小。由于電阻大小與導(dǎo)電橫截面積成反比,因此總電阻變小的幅度與導(dǎo)電離子通道改變量呈相關(guān)性,而超壓巖石導(dǎo)電離子通道改變量與孔隙度的增量Δφ成正比。由廣義胡克定律可知,超壓條件下相對于常壓時孔隙的增量與孔隙流體壓力的增量呈正相關(guān)性,因此可用超壓條件下電性參數(shù)偏離常壓條件下電性參數(shù)的程度來預(yù)測超壓的強度。結(jié)合式(2)和式(5)從常壓條件到超壓發(fā)育時巖石總電阻的減小量ΔR為

(6)

式(6)中:Rφ0為常壓孔隙流體電阻;RΔφ為常壓條件到發(fā)育超壓時孔隙增量中的流體電阻。

隨著巖石孔隙度的增加,巖石導(dǎo)電性會變好,巖石電阻不斷下降,當孔隙度增加到一定程度時,巖石電阻將會突然快速下降到與地層水的電阻相同[18],定義電阻快速下降時的孔隙度為孔隙度閾值[19]。在巖石孔隙度小于孔隙度閥值時,孔隙度改變量與巖石電阻改變量之間存在線性關(guān)系[20]。由于本次研究為孔隙型碳酸鹽巖地層,孔隙度普遍小于孔隙度閾值。因此,本次研究中巖石電阻的減小量與孔隙度的增加量呈線性關(guān)系,即

RΔφ=aΔφ+b

(7)

式(7)中:Δφ為超壓發(fā)育時相關(guān)對于常壓條件下孔隙度的增加量;a和b為巖石性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)。

將式(7)代入式(6),得到巖石從常壓條件到超壓發(fā)育時,總電阻的減小量ΔR與巖石孔隙度增加量的關(guān)系,即

(8)

根據(jù)廣義胡克定律,孔隙流體體積模量與孔隙度增加量的關(guān)系[21]為

(9)

式(9)中:Kf為孔隙流體的體積模量;ΔP為超壓條件下相對于常壓時流體壓力的增加量。

ΔP=PP-P0

(10)

將式(9)代入式(8),得

(11)

式(10)代入式(11)中,考慮地應(yīng)力的影響,得基于電性參數(shù)的碳酸鹽巖超壓預(yù)測模型為

(12)

式(12)中:Kf為孔隙流體體積模量;Rφ0常壓狀態(tài)孔隙流體電阻;ΔR為常壓條件到發(fā)育超壓時巖石電阻的減小量;P0為常壓條件下孔隙流體壓力;PP為超壓發(fā)育時孔隙流體壓力;M為與地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)的校正項。

碳酸鹽巖超壓預(yù)測模型[式(12)]包括的主要參數(shù)有常壓條件下地層電阻Rφ0,發(fā)育超壓時相對于常壓地層巖石電阻的減小量ΔR,常壓條件下地層壓力ΔR,巖石性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)a與b,孔隙流體體積模量Kf,地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)的校正項M。

在進行單井地層壓力預(yù)測時,常壓條件下地層電阻Rφ0可通過常壓地層的電阻率測井曲線計算得到;發(fā)育超壓時相對于常壓地層巖石電阻的減小量ΔR可通過超壓地層電阻率測井曲線相對于常壓地層電阻率測井曲線的偏離程度計算得到;常壓條件下地層壓力P0可通過地層水密度和深度計算獲得;孔隙流體體積模量Kf與孔隙流體成分相關(guān),一般為定值;巖石性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)a與b和地質(zhì)應(yīng)力相關(guān)的校正項M可通過實測地層壓力和實驗數(shù)據(jù)求取獲得。

利用碳酸鹽巖超壓與電性參數(shù)明顯的響應(yīng)關(guān)系,建立了基于電性參數(shù)超壓響應(yīng)特征的地層超壓預(yù)測模型。

3 碳酸鹽巖超壓預(yù)測模型應(yīng)用實例

優(yōu)選川東北普光-毛壩地區(qū)超壓碳酸鹽巖地層為試驗區(qū),運用上述超壓預(yù)測模型開展實例研究。川東北地區(qū)位于四川盆地上揚子地臺,為多構(gòu)造疊合部位,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)普光氣田和毛壩含氣構(gòu)造帶。鉆井鉆桿實測壓力數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)西北部和南部嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組、梁山組等都發(fā)育超壓,壓力系數(shù)分布在1.2～2.0。研究區(qū)東部和東南部壓力系數(shù)在0.9～1.1,為常壓區(qū)或者弱超壓區(qū),如圖6所示。

圖6 鉆井實測單井壓力系數(shù)與超壓分布預(yù)測圖Fig.6 Well measured single well pressure coefficient and overpressure distribution prediction diagram

優(yōu)選典型發(fā)育超壓的毛壩1井,利用式(12)對單井流體孔隙壓力進行預(yù)測。單井壓力預(yù)測結(jié)果表明雷口坡組頂部碳酸鹽巖發(fā)育弱超壓,壓力主要分布在30～40 MPa,壓力系數(shù)在1.2～1.4。嘉陵江組碳酸鹽巖發(fā)育3個壓力封存箱,3 500 m左右時,壓力主要分布在30～50 MPa,壓力系數(shù)在1.2～1.4,屬于弱超壓;在4 200 m左右時,壓力主要分布在40～60 MPa,壓力系數(shù)在1.2～1.4;嘉陵江組底部發(fā)育超壓,壓力主要分布在50～70 MPa,壓力系數(shù)主要分布在1.6～2.0,屬于強超壓;飛仙關(guān)組碳酸鹽巖普遍發(fā)育超壓,壓力主要分布在40～80 MPa,壓力系數(shù)在1.2～2.0。基于碳酸鹽巖超壓預(yù)測模型計算的壓力預(yù)測結(jié)果與鉆井泥漿密度和實測壓力吻合較好,如圖7所示。

圖7 毛壩1井碳酸鹽巖層段利用超壓預(yù)測模型計算單井壓力結(jié)果Fig.7 Single well pressure results calculated by overpressure prediction model for carbonate intervals in well Maoba 1

4 結(jié)論

通過巖石物理模擬實驗,利用碳酸鹽巖超壓與電性參數(shù)明顯的響應(yīng)關(guān)系,建立了基于電性參數(shù)超壓響應(yīng)特征的地層超壓預(yù)測模型。并在川東北典型地區(qū)對碳酸鹽巖超壓預(yù)測模型進行了驗證,取得較好應(yīng)用效果,得到如下結(jié)論。

電性參數(shù)對碳酸鹽巖超壓具有明顯響應(yīng)特征。圍壓不變時,隨著孔隙壓力的增加,巖樣孔隙流體發(fā)生膨脹致使巖石骨架受到壓縮,孔隙體積增加,巖石孔隙度增大;導(dǎo)致導(dǎo)電離子通過巖石的通道增大,導(dǎo)電離子更易通過巖石,導(dǎo)電性變好,電阻率變小;孔隙流體壓力增量、孔隙度增量和電性參數(shù)變化量存在明顯相關(guān)性,這是電性參數(shù)對超壓具有明顯響應(yīng)特征的關(guān)鍵,為建立超壓與電性參數(shù)關(guān)系模型奠定基礎(chǔ)。

建立了基于電性參數(shù)的碳酸鹽巖超壓預(yù)測模型并在川東北典型地區(qū)的實例應(yīng)用表明預(yù)測壓力結(jié)果與實測壓力一致。該超壓預(yù)測模型可以應(yīng)用類似地區(qū)碳酸鹽巖地層的超壓預(yù)測工作,具有一定的推廣性。未來可進一步研究利用地震資料與電性參數(shù)的相關(guān)性,實現(xiàn)三維區(qū)域碳酸鹽巖地層鉆前超壓預(yù)測。