阿尔奇公式在泥页岩地层含油饱和度计算中的应用<br/>——以沾化凹陷沙三段下亚段为例

阿尔奇公式在泥页岩地层含油饱和度计算中的应用
——以沾化凹陷沙三段下亚段为例

2014-03-07黄小平

油气地质与采收率 2014年4期

关键词：储集饱和度页岩

黄小平，柴婧

（中国石化胜利石油工程公司测井公司，山东东营257061）

阿尔奇公式在泥页岩地层含油饱和度计算中的应用
——以沾化凹陷沙三段下亚段为例

黄小平，柴婧

（中国石化胜利石油工程公司测井公司，山东东营257061）

含油饱和度计算是油气资源量评价中不可或缺的重要参数，现有饱和度模型均是针对纯砂岩或泥质砂岩，对泥页岩地层而言没有现成的模型可以遵循，从而使得其含油饱和度计算缺乏方法模型和理论依据。沾化凹陷罗69井沙三段下亚段泥页岩层段主要储集空间为裂缝和微孔隙，结合实验室测量的泥页岩地层孔隙结构指数和饱和度指数分别对微孔隙和裂缝的导电机理进行了分析，利用阿尔奇公式计算了泥页岩地层的含油饱和度，通过与密闭取心资料进行对比，达到了数值上的良好统一。研究表明，阿尔奇公式的核心物理学模型是对岩石导电特性主要影响因素及其相关关系的诠释，它是以理论分析建立的物理学模型为基础，通过实际岩心实验验证形成的实用方程，因此在针对泥页岩地层的精细解释及优化测井理论尚未完善之前，可以通过阿尔奇扩展模型计算泥页岩地层的含油饱和度，其精度可满足计算需求。

泥页岩含油饱和度阿尔奇公式微孔隙沾化凹陷

随着非常规油气勘探开发技术的快速发展，以泥页岩油气为代表的非常规油气资源评价方法研究越来越受到重视［1］。泥页岩油气为产自低孔渗与富含有机质页岩地层系统中的非常规油气，虽然发现时间早，但直到近期才规模化开发，其形成与分布独具特征，资源潜力大，在其油气资源量的评估中不可避免地涉及到含油饱和度的求取问题。现有的含油饱和度解释模型的研究对象主要是纯砂岩或者泥质砂岩，对于泥页岩地层，目前中外尚未有现成的模型可以借鉴，如何合理地求取泥页岩地层含油饱和度成为摆在测井工作者面前的一大难题。笔者以胜利油区沾化凹陷沙三段下亚段泥页岩地层为研究对象，从泥页岩的储集空间入手，探讨了阿尔奇公式在泥页岩地层含油饱和度计算中的应用，并通过实验分析的岩电参数进行了验证。

1 泥页岩储集空间及导电机理

沾化凹陷是济阳坳陷泥页岩油气藏最发育的地区之一［2-5］，其泥页岩地层脆性矿物含量高，广泛发育微孔隙、微裂缝，且伴随异常高压，具备泥页岩油气富集的条件。沾化凹陷沙三段下亚段平均厚度约为200m以上，泥页岩发育较为稳定，主要岩性涵盖泥质页岩、灰质页岩和灰质泥岩等。

1.1 储集空间类型

以薄片鉴定及电镜分析为手段对泥页岩地层的储集空间进行观察和分析。薄片观察结果表明，泥页岩地层主要孔隙系统由少量方解石晶间孔和部分微裂缝（包含顺层、斜交等）组成。扫描电镜进一步证实了粘土矿物、碳酸盐矿物晶间微孔及微裂缝的存在，其中微孔直径主要为1～7μm，最大可达15μm，而微裂缝宽度约为1～2μm［6］。

微孔隙包括粘土矿物晶间微孔和方解石晶间孔。粘土矿物主要为伊蒙间层矿物和伊利石，定向性强，因此晶间微孔均以片状为主（图1a），直径多在5μm以下。隐晶方解石为泥页岩层段的主要矿物组成。少量显晶结构方解石的存在使得该层段钙质纹层发育，并与泥质矿物相混产出。在偏光显微镜下，晶间孔中黑色沥青质（图1b）的存在也证明了微孔隙是泥页岩地层主要的储集孔隙类型之一。

图1 罗69井沙三段下亚段孔隙型储集空间

泥页岩地层的主要裂缝类型可分为成岩缝（层间缝、超压缝）和构造缝（斜交缝、垂直缝）2大类，其中以层间缝为主，构造缝为次。钙质和粘土矿物相互叠置形成的纹层最终导致了层间微裂缝的发育（图2a，图2b），尽管微裂缝宽度较窄，均小于0.02 mm，但其顺层延续的特点，对于微裂缝的储集及导电特性却有着至关重要的作用。除此之外，由于生烃增压产生的顺层微裂缝也常常具有一定的储集能力，其储集空间主要来源于缝中重结晶方解石（图2c）中发育的晶间孔。从缝面观察发现，受构造应力影响形成的裂缝一般较为平直，尽管这些裂缝常常由于方解石的沉淀而被充填，但镜下观察结果表明，其中仍有可能存在一部分残余孔隙（图2d）。

1.2 不同储集空间导电机理

图2 罗69井沙三段下亚段泥页岩裂缝型储集空间

微孔隙和裂缝是构成泥页岩地层复杂储集空间的主要元素，由于两者的导电性能不同，作为表征参数的孔隙结构指数（m）在分布范围上呈现出不同的特点。

微孔隙泥页岩地层的孔隙度较小，微孔隙间的连通性较差，几乎对地层的渗流特性没有贡献，但由于岩石中包含干酪根等因素使得其对导电特性有着重要影响。从沾化凹陷沙三段下亚段孔隙度分布看，泥页岩地层孔隙度为1.3%～13.6%，主要为2%～8%，平均为5%，物性参数远低于常规储层下限，表明泥页岩地层微孔隙储集性较差，作为有效储渗空间的裂缝是以不均匀分布方式耦合在储集性较差的泥页岩地层微孔隙上，构成泥页岩地层有效的非均质储集空间。值得注意的是，微孔隙即便储集性很差，却仍然具备导电能力，因为微孔隙中赋存的束缚水以及作为半导体的干酪根为电流传导提供了一条贯穿岩石的附加通道。

裂缝裂缝为泥页岩油气的聚集提供了优势渗流通道。根据渗透率分析统计结果，沾化凹陷沙三段下亚段渗透率变化范围很大，最大可达493× 10-3μm2，一般为1×10-3～10×10-3μm2，其次为0.1× 10-3～1×10-3μm2，平均为7.72×10-3μm2。由此可以看出，在孔隙空间变化不大的情况下，其渗流能力的大幅提升主要来源于地层中的各类裂缝，即裂缝的存在将极大地提高储层渗透率，裂缝虽然提供的储集空间甚小，但其主导着储层的渗流特性。事实上，电流在岩石中的传输特性与渗流特性有许多相同之处，只不过对于很多喉道过细的微孔隙，往往对储层渗流特性无效而对储层的导电性有一定贡献。

2 阿尔奇公式应用及探讨

目前计算储层含水饱和度的模型主要为阿尔奇公式［7］，根据阿尔奇公式可得到直接用于储层定量评价的饱和度模型为

式中：Sw为含水饱和度；a，b，m，n为岩电参数，对于均质砂岩，m和n默认取值为2；Rw为地层水电阻率，Ω·m；Rt为地层电阻率，Ω·m；φ为孔隙度。

式（1）是测井定量评价的理论基础，主要应用对象是以粒间孔隙为主的纯砂岩地层，当面临的对象是泥质砂岩或其他缝洞介质储层时，由于孔隙类型耦合及流体赋存状态的不同，常表现出适用性变差的特征［8-9］。但是按照实验测量的数据（a，b，m，n）代入模型时，往往可以获得计算数值上的等效，该方法已经在各类复杂储层饱和度计算中广泛应用。

2.1 阿尔奇参数的选取

对于非均质储层含水饱和度模型的研究，中外进展大致呈现2大方向：①认为阿尔奇公式是合理的，只是4个特征参数（a，b，m，n）并非常数，而是随储层特性变化的变量，因此研究的重点应立足于探寻阿尔奇参数的物理意义和变化规律；②认为阿尔奇公式的形式有待改进，从而在实验和理论分析基础之上提出各种改进的导电（饱和度）模型①曾文冲.碳酸盐岩测井解释理论与技术方法研究.中国石化胜利油田分公司，2010.。

地质研究中，一般令阿尔奇公式中的a=1，进而获取不同样品的m值与某种地质因素的相关性［10］；前人研究表明，b值一般在1附近变化，因此岩电参数的研究主要偏重于m和n的变化［11］。m值主要与孔隙度、渗透率及孔隙结构相关，而n值更多的受到润湿性和地层水矿化度的影响。以往的研究结果表明，对于微裂缝—粒间孔隙，m值为1.1～1.5；高孔高渗透地层m值约为2，并主要为1.7～1.9；当孤立溶孔、溶洞发育时，m值增大，可能为2.2～2.5。对于裂缝而言，n值一般与m值相等，约为1；当以粒间孔隙为主时，n值稳定在2附近；当岩石为油润湿性条件时，n值有较大提升。

对沾化凹陷罗69井泥页岩层段实测的阿尔奇参数（图3）进行分析发现，泥页岩地层与砂岩储层的m，n值相差较大，其a，b，m和n值分别为0.0326，1.1368，2.162，2.7185，当a=1时，b，m和n值相应变为1.1368，1.0468，2.7185。这与常规砂岩储层a，b，m，n取值分别为1，1，2，2是完全不同的。由于没有前人经验相对照，对所测岩电参数的合理性无法判定，但本着“存在即是合理”的观点，结合不同孔隙空间的导电机理变化来进一步剖析其岩电参数所蕴含的物理意义，可辅助对m和n测量值的合理解释。

图3 沾化凹陷罗69井实测的阿尔奇参数

裂缝、干酪根、微孔隙均对泥页岩储层的导电性和储渗性影响较大，其表现特征与以孔隙为主的砂岩有所不同。结合此观点，对岩电参数结果进行重新分析，发现当孔隙度小于5%时，m值约为1.10；当孔隙度大于5%时，m值约为1.02，即m在1周围变化，说明裂缝在电性的输导中处于主要地位，这与前述泥页岩中存在部分高渗透率测量结果互为印证。另外，n的取值范围变化较大，为2～4，说明岩石更多受到润湿性变化的影响，即包含干酪根的地层，其润湿性应偏油湿。因此针对于泥页岩地层而言，其m和n的取值应分别在1.1和2.7附近。

综上所述，鉴于目前对于泥页岩地层含油气饱和度模型的理论研究仍不完善，笔者认为，泥页岩地层的主要储集空间为微孔隙和裂缝，作为描述岩石电性特征的重要参数，实验测量的岩电参数仍是泥页岩地层特性的宏观表达，只是其具体数值与砂岩储层不一致。

2.2 关于阿尔奇公式的适用性探讨

曾文冲对阿尔奇公式总结如下：“迄今为止在非均质储层的测井评价中，Archie公式仍然被广泛使用于碳酸盐岩地层、变质岩和火成岩等非砂岩储层，这不仅仅在于公式自身的简洁性和实用性，更重要则在于它所蕴含的核心物理学模型的科学性”①。这段话或许可以成为泥页岩岩电参数测量结果的一个合理解释。事实上人们早已发现，虽然阿尔奇公式带有比较浓烈的经验方程色彩，确实不能完全描述所有岩石的导电特性，但它的核心物理学模型是对岩石导电特性主要影响因素及其相关关系的科学诠释，是定量确定储层油气饱和度分析模式较为完整的表达。它是以理论分析建立的物理学模型为基础，通过实际岩心实验验证形成的实用方程，因此是理论推演与岩心实验分析相结合的成果。阿尔奇公式在复杂储层所表现出的局限性，与它的岩心实验基础有关，即选用的样品是以粒间孔隙为主体的均质砂岩岩心。因此传统阿尔奇公式表征的岩石导电特性，主要是反映具有单一孔隙结构、均质碎屑岩自身的特点。这样对于多元孔隙空间具有复杂孔隙结构的复杂储层，出现非阿尔奇现象也就不言而喻，但公式的基本形式在一定条件下仍具有相应的普遍意义［12］。因此在现今泥页岩油气勘探的大背景下，为了拓展阿尔奇公式应用的覆盖面，重要的问题在于进一步深入研究泥页岩导电特性，探寻经典阿尔奇公式中的2个关键指数m，n及其衍生系数a，b在复杂孔隙空间的变化规律。

3 模型取值及精度验证

密闭取心分析可以比较直接和可靠地获取油气层的原始含油气饱和度资料。沾化凹陷罗69井为该区一口针对泥页岩的取心井，系统的密闭取心及丰富的实验数据为泥页岩油气的研究提供了便利条件。在模型处理过程中，岩电参数取实验分析值。对比阿尔奇公式处理结果与密闭取心的分析结果（图4），从曲线形态来看，阿尔奇公式计算结果与岩心分析数值趋势有非常好的一致性，可以较好地反映岩心测量值的变化趋势。从数值上看，阿尔奇公式计算结果与实验分析数值的差别不大，其误差在精度范围之内。因此在泥页岩储层的含油饱和度计算过程中，阿尔奇公式计算结果可以近似认为是合理的，至少可以获得数值上的等效。

图4 沾化凹陷罗69井阿尔奇公式计算结果与密闭取心分析值对比

4 结束语

泥页岩地层的主要储集空间为微孔隙和裂缝，不同孔隙介质的导电机理不同。目前针对泥页岩地层饱和度的计算尚无定论和成型成果。阿尔奇经验公式的核心物理学模型是对岩石导电特性主要影响因素及其相关关系的科学诠释，是定量确定储层油气饱和度分析模式较为完整的表达。因此若地质参数选取准确，则误差满足饱和度建模的需求。对比沾化凹陷罗69井阿尔奇公式计算结果与密闭取心的分析结果可知，阿尔奇公式计算结果与实验分析数值的差别不大，其误差在精度要求范围之内。因此在泥页岩储层的含油饱和度计算过程中，阿尔奇公式计算结果可以获得数值上的等效。

致谢：在论文撰写和修改过程中，得到了中国石化胜利油田分公司地质科学研究院地层室的帮助，感谢他们提供的岩心分析资料；文中部分观点参考了曾文冲先生的研究成果，在此一并表示感谢。

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