一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法与流程
本发明涉及非常规天然气技术领域，更具体地说，是涉及一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法。
背景技术：
测井计算饱和度模型很多，传统电法饱和度模型包括阿尔奇以及进行泥质校正的沃克斯曼-史密斯、西门杜模型等等。但是各种传统饱和度模型无法解决低阻页岩气中游离气饱和度准确计算问题，原因在于页岩气层低阻主要成因没认识到，各种低阻成因影响大小无法描述；而传统饱和度模型以体积模型为基础，孔隙度越小，导电性越小，低阻页岩气层出现了含水饱和度与导电性不匹配的非阿尔奇现象，而且用黏土含量或黏土附加导电性也无法描述微裂缝中少量水或导电矿物网状分布状态时产生的高导电性；因此原有泥质校正饱和度模型在低阻页岩气层不适用。综上所述，提供一种针对低电阻率页岩气层游离气测井饱和度计算方法，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法，能够解决低电阻率页岩气中游离气饱和度准确计算问题。
本发明提供了一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法，在传统计算模型公式后添加有效孔隙中的等效水导电性项，得到改进的计算模型公式；
所述有效孔隙中的等效水导电性项表示为
epor—等效水孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m。
优选的，所述传统计算模型公式为阿尔奇公式；改进的阿尔奇公式为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次。
优选的，所述传统计算模型公式为印尼公式；改进的印尼公式为：
其中：
vsh—泥质含量，v/v；
rsh—泥岩电阻率，ω.m。
优选的，所述传统计算模型公式为西门杜公式；改进的西门杜公式为：
优选的，所述传统计算模型公式为双水模型公式；改进的双水模型公式为：
其中：
qv—泥质砂岩的阳离子交换容量，mmol/cm3；
porsh—100％泥岩孔隙度，v/v；
port—总孔隙度，v/v。
优选的，所述传统计算模型公式为沃克斯曼-史密斯模型公式；改进的沃克斯曼-史密斯模型公式为：
其中：
m*—waxman-smits胶结指数，无因次；
n*—waxman-smits饱和度指数，无因次；
b—交换阳离子的当量电导率，s·cm3/(mmol·m)。
优选的，所述有效孔隙中的等效水导电性项中，epor利用实验分析含水饱和度资料反算或利用邻近正常页岩气层电阻率反推。
优选的，所述改进的计算模型公式能够反算气层真实电阻率；所述气层真实电阻率的计算公式为：
其中：
rtg—反算低阻页岩气层电阻率，ω.m。
本发明提供了一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法，在传统计算模型公式后添加有效孔隙中的等效水导电性项，得到改进的计算模型公式；所述有效孔隙中的等效水导电性项表示为
另外，本发明提供的基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法在等效水孔隙度为0时，还是传统的各种饱和度计算模型公式，因此改进的计算模型公式适用于页岩气层任何电阻率情况，具有更加广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中低电阻率页岩气层测井处理成果图；
图2为本发明实施例中“阿尔奇”模型与“改进阿尔奇”模型对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法，在传统计算模型公式后添加有效孔隙中的等效水导电性项，得到改进的计算模型公式；
所述有效孔隙中的等效水导电性项表示为
epor—等效水孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m。
本发明提供的页岩气饱和度计算方法基于页岩气层低阻成因认识，针对页岩气层低阻成因开展了研究，发现了微裂缝中少量水或导电矿物在气层有效孔隙中的等效水导电性，以及黏土束缚水本身的导电性是引起储层电阻率低的根本原因，并因这个等效水导电性建立了新的饱和度模型。
通过分析多个区块页岩气层，页岩气层形成低阻的主要原因分析如下：
(1)微裂缝发育：页岩铸体薄片可清晰观察到的页岩发育薄互层，在宏观上存在大量的层间缝；页岩中的页理缝主要是页岩沉积过程中形成的具剥离线理的平行层理纹层面间的缝隙，由一系列薄层页岩组成；页理为力学性质薄弱的界面，极易剥离；由于页岩气生成过程的巨大压力，在页岩层段发育复杂微裂缝；而层间缝一般平行于层间面，主要由于地层受到外力的挤压，发生滑动，同时在后期被黄铁矿、黏土、自生矿物等充填或半充填；微裂缝能引起气层低阻，还是微裂缝中少量束缚水或导电矿物网状分布引起的高导电性；此外，水基钻井液的侵入，可使得微裂缝发育的层段电阻率降低更加明显。
(2)导电矿物发育：黄铁矿含量较低，成像资料如显示为分散状态，对页岩气储层低阻影响不大；即使沿着页岩层理面分布可能存在连通状态，导致储层低阻，一样可用少量水的高导电性来描述。
(3)黏土矿物附加导电：页岩气目的层段黏土矿物总含量较高，黏土矿物成分以伊蒙混层为主，伊蒙混层含量高；当储层的伊蒙混层含量较高时，蒙脱石和伊蒙混层的附加导电性最为明显，附加导电性导致储层电阻率显著降低；由于黏土矿物的比表面比砂岩高，导致束缚水饱和度较高，造成低电阻率储层的形成；而对于同一页岩储层，黏土含量虽然比较高，导致页岩储层低阻，但这种影响是一种整体背景影响，特别是优质页岩储层，黏土含量显著降低，石英类或碳酸盐岩矿物含量增加，无法用较低黏土含量或黏土附加导电性来表达这种高导电性。
(4)石墨化：页岩气产层的有机质成熟度变化很大，可以分为过成熟页岩气、过低成熟度混合页岩气和低成熟页岩气3种类型；不同有机质成熟度的页岩储层，其孔隙结构特征存在明显差异，从而导致电阻率有明显不同；烃源岩热演化进程中，随着热成熟度升高，有机质降解为干酪根，干酪根在随后变化过程中产出甲烷气；随着温度增加，干酪根不断发生变化，逐渐转变成低氢量的碳质残余物，并最终转化为石墨(即石墨化)，发生由离子向电子导电转化，从而可能呈现电阻率降低的现象，而这种石墨化增加的电子形成的低阻还是一种高导电性表现。
综上所述，页岩气低阻成因主要是微裂缝中少量水或导电矿物网状分布产生的高导电性引起的，这种高导电性等效全部或部分有效孔隙体积都是水的导电性，页岩气层中少量水因微裂缝分布即连通状态而产生的高导电性可用等效水导电性来表示，如实验中少量同体积导电体铝分网状和团块分布在原油中产生的导电性不一样，团块状铝分布的原油导电性影响较小，而网络状分布铝的原油导电性等效全部或部分原油体积都是铝的导电性，这个现象说明少量导电体网状分布(如裂缝)可产生高导电性；如果部分页岩气层低阻成因是微裂缝侵入影响造成，即侵入部分微裂隙增加的导电性，一样可用等效水导电性表示；即使较低含量黏土中高含量伊蒙混层可导致低阻，也就是少量黏土的束缚水的高导电性，一样可以等效高含量黏土水的导电性；石墨化产生的电子增加的导电性也无法用黏土导电性描述，但可采用等效水导电性描述。因此，无论什么成因引起的页岩气层低阻，采用电法饱和度模型都需要进行高导电性校正。
在此基础上，本发明提供了一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法，在传统计算模型公式后添加有效孔隙中的等效水导电性项，得到改进的计算模型公式；
所述有效孔隙中的等效水导电性项表示为
epor—等效水孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m。
在本发明中，引入等效水导电性来描述各种低阻成因特别是微裂缝中少量水或导电矿物产生的高导电性，这种高导电性等效全部或部分有效孔隙体积都是水的导电性；少量水可以是可动水也可以是束缚水，本发明要研究的是少量水对有效孔隙的整体或局部的导电性即电阻率影响，为此本发明把少量水当作单独一部分考虑，兼顾水的分布状态对储层导电性影响，采用等效水孔隙度(epor)大小来表征裂缝及导电矿物的分布状态对储层导电性影响的孔隙大小，因页岩孔隙结构、微裂缝分布即水或导电矿物连通状态以及石墨化的电子分布等因素影响，这种等效水导电性不是总存在，在等效水孔隙度为0时，还是传统的各种饱和度模型，因此修改后的模型适用于页岩气层任何电阻率情况。
在本发明中，所述传统计算模型公式优选为阿尔奇公式；在此基础上，改进的阿尔奇公式为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
epor—等效水孔隙度，v/v。
在本发明中，所述传统计算模型公式优选为印尼公式；在此基础上，改进的印尼公式为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
vsh—泥质含量，v/v；
rsh—泥岩电阻率，ω.m；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
epor—等效水孔隙度，v/v。
在本发明中，所述传统计算模型公式优选为西门杜公式；在此基础上，改进的西门杜公式为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
vsh—泥质含量，v/v；
rsh—泥岩电阻率，ω.m；
epor—等效水孔隙度，v/v。
在本发明中，所述传统计算模型公式优选为双水模型公式；在此基础上，改进的双水模型公式为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
qv—泥质砂岩的阳离子交换容量，mmol/cm3；
porsh—100％泥岩孔隙度，v/v；
rsh—泥岩电阻率，ω.m；
epor—等效水孔隙度，v/v
vsh—泥质含量，v/v；
port—总孔隙度，v/v。
在本发明中，所述传统计算模型公式优选为沃克斯曼-史密斯模型公式；在此基础上，改进的沃克斯曼-史密斯模型公式为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
b—交换阳离子的当量电导率，s·cm3/(mmol·m)；
qv—泥质砂岩的阳离子交换容量，mmol/cm3；
m*—waxman-smits胶结指数，无因次；
n*—waxman-smits饱和度指数，无因次；
epor—等效水孔隙度，v/v。
本发明提供的改进的计算模型公式与传统计算模型公式对比一览表参见表1所示。
表1本发明提供的改进的计算模型公式与传统计算模型公式对比一览表
在本发明中，所述改进的计算模型公式能够反算气层真实电阻率；所述气层真实电阻率的计算公式为：
其中：
rtg—反算低阻页岩气层电阻率，ω.m；
rt—岩石电阻率，ω.m；
epor—等效水孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m。
在本发明中，传统计算模型公式进行了等效水导电性校正后，气层真实电阻率rtg可以反算出来，而原来模型没有等效水导电性校正无法恢复气层真实电阻率。
在本发明中，所述有效孔隙中的等效水导电性项中，epor与少量水及导电矿物分布及连通状态有关，优选利用实验分析含水饱和度资料反算或利用邻近正常页岩气层电阻率反推。本发明用等效水孔隙度来表示储层中少量水或导电矿物分布状态对储层导电性影响体积大小，考虑了地层中各种导电体形成并联、串联、并联+串联或者网状连接导电性的综合影响，实际过程中如果邻井有实验分析含水饱和度资料，利用已经认识的模型(如式2)可以反算，然后建立低阻气层电阻率以及孔隙度与等效水孔隙度的关系；由于页岩气低阻主要是微裂缝引起的，低阻层段厚度较小，实验确定的等效水孔隙度回归公式不具有普遍应用性，因此，本发明优选利用邻近页岩气层正常电阻率反推，来确定等效水孔隙度。
对于同一页岩气层电阻率应该是一致的，由于孔隙度和孔隙结构差异，以及裂缝中少量水或导电矿物连通状况差别，导致测量电阻率不同，据此本发明可以确定等效水孔隙度epor，即页岩气层电阻率越高，epor越小，低阻页岩气层电阻率越低，epor越大，因此可用e来表示等效水孔隙度的相对大小，e计算公式如下：
其中：
rmax—正常电阻率页岩气层的电阻率，ω.m；
rt—岩石电阻率，ω.m；
rmin—低阻页岩气层最小电阻率，ω.m。
而等效水孔隙度等效全部或部分有效孔隙体积，其大小与有效孔隙度大小有关，采用电阻率法计算epor时还存在一个转换系数c(数值范围0-1),这样等效水孔隙度epor可表示为：
epor＝c×e×por(式9)，
其中：
c—电阻率法计算等效孔隙度转换系数，对同一层段来说为定值，范围0-1；
por—有效孔隙度，v/v。
在正常电阻率页岩气层段，c为0，在识别为低阻页岩气层段，确定c(定值)，c的确定可依处理的含水饱和度sw和反算页岩气层电阻率rtg与邻近正常电阻率层比较来监控，在有实际饱和度值刻度情况下可确定地区低阻特征层参数c的值，就如阵列声波测井资料计算各种应力一样，计算的结果只是相应变化，而准确的数值需要邻近正常电阻率层或实验分析资料来刻度。
由于e≤1，em随着m增大而快速降低，导致c必须快速增大并且大于1，根据密闭取芯实验分析饱和度资料分析，虽然电阻率法确定em的相关性会提高，但因c的范围0-1，因此e的指数不是越大越好，这也是电阻率法计算等效水导电性时采用em而不是e3、e4或e5的原因，也验证了式9的合理性。
针对石油行业普遍采用的各种电法饱和度公式加上等效水导电性后，在定性识别或测试证实为低阻页岩气层的情况下，利用改进的饱和度模型(式1-式6)可用于常规电阻率和低电阻率页岩气层中游离气饱和度的计算；由于页岩储层黏土含量较高，对于纯净砂岩适用的阿尔奇模型因没有泥质校正，因此“阿尔奇”模型以及改进的阿尔奇模型在页岩气层中应用效果较差。上述考虑了泥质校正和等效水导电性后的模型适用于中国乃至世界上页岩气层高、低电阻率储层饱和度计算，并可提高低阻页岩气层含气饱和度计算结果。
综上所述，本发明提供的基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法，是在传统计算模型公式基础上，新增加了有效孔隙的等效水导电性，当原来模型用电导率方式表达时，这种等效水导电性项可表示为
本发明提供了一种基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法，在传统计算模型公式后添加有效孔隙中的等效水导电性项，得到改进的计算模型公式；所述有效孔隙中的等效水导电性项表示为
另外，本发明提供的基于电阻率法的页岩气饱和度计算方法在等效水孔隙度为0时，还是传统的各种饱和度计算模型公式，因此改进的计算模型公式适用于页岩气层任何电阻率情况，具有更加广阔的应用前景。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例
如附图1所示，2570米以下页岩段，有机碳含量明显增高，密度较小，中子较小，气层处中子-密度交会“镜像”明显增大，说明该层含气性好，解释为i类页岩气层。
在识别为低阻页岩气层后，需开展低阻页岩气层模型研究；以传统“阿尔奇模型”为例，来说明改进的低阻页岩气层饱和度计算模型公式；阿尔奇模型如下：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m。
针对常用的阿尔奇模型，页气层低电阻率时，计算含水饱和度较高，无法恢复气层真实的高电阻率，也无法描述低阻页岩气层中微裂缝少量水网状分布状态下的高导电性。根据阿尔奇公式，地层水作为独立部分影响储层电阻率，如果同样低阻页岩气层条件充满水时，地层一样为低电阻率，也就是说低含水饱和度(如图1中2585.3m处实验分析含水饱和度23％)的气层与高含水饱和度(如阿尔奇计算含水饱和度77％，西门度计算含水饱和度63％，w-s计算含水饱和度64％)的水层电阻率相近，显然在低阻页岩气层有效孔隙中存在等效水导电性，即使有泥质因素影响，但因为是同一条件储层结构，泥质影响结果是一样的，差别还是有效孔隙中的气和水；在页岩气层中存在的高导电性即等效水导电性才是影响储层电阻率降低的主要原因，与前面低阻成因分析微裂缝中少量导电体网状分布状态下产生高导电性也是一致的；少量水当作单独一部分考虑，兼顾水的分布状态对储层导电性影响，这种裂缝以及导电矿物分布状态引起的导电性等效全部或部分有效孔隙体积可以表示为epor，因此等效水导电性大小可表示为：
这样形成了改进的阿尔奇公式：
其中：
epor—等效水孔隙度，v/v。
“阿尔奇”模型与“改进阿尔奇”模型对比示意图参见图2所示。
针对沃克斯曼-史密斯模型，虽然不是根据粘土体积而是根据粘土阳离子交换能力来影响导电性，但这种影响还是局限在泥质部分，无法表达微裂缝中少量水网状分布状态下产生的高导电性；因此考虑少量水的等效水导电性以后改进的模型还是可表示为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
b—交换阳离子的当量电导率，s·cm3/(mmol·m)；
qv—泥质砂岩的阳离子交换容量，mmol/cm3；
m*—waxman-smits胶结指数，无因次；
n*—waxman-smits饱和度指数，无因次；
epor—等效水孔隙度，v/v。
针对双水模型，考虑等效水导电性后可修改为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
qv—泥质砂岩的阳离子交换容量，mmol/cm3；
porsh—100％泥岩孔隙度，v/v；
rsh—泥岩电阻率，ω.m；
epor—等效水孔隙度，v/v
vsh—泥质含量，v/v；
port—总孔隙度，v/v。
针对西门杜模型，考虑等效水导电性后改进的模型可表示为：
其中：
rt—岩石电阻率，ω.m；
por—有效孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m；
sw—含水饱和度，v/v；
n—饱和度指数，无因次；
vsh—泥质含量，v/v；
rsh—泥岩电阻率，ω.m；
epor—等效水孔隙度，v/v。
以上模型进行了等效水导电性校正后，气层真实电阻率rtg可以反算出来,而原来模型没有等效水导电性校正无法恢复气层真实电阻率，rtg计算公式如下：
其中：
rtg—反算低阻页岩气层电阻率，ω.m；
rt—岩石电阻率，ω.m；
epor—等效水孔隙度，v/v；
m—有效孔隙对应的胶结指数，无因次；
a—与有效孔隙有关的岩性系数，无因次；
b—岩性饱和度系数，无因次；
rw—地层水电阻率，ω.m。
实验结果表明，该优质页岩气层段电阻率都不高，采用原来电法饱和度模型计算含气饱和度偏低，与高孔、高有机碳含量的优质页岩分析含气饱和度不吻合；在不改变饱和度参数a、m、b、n、rw情况下，采用本发明适用低阻的改进沃克斯曼-史密斯、改进西门杜等模型，处理含水饱和度sw明显降低，且与实验分析含气饱和度结果吻合较好；通过本模型反算的气层电阻率比深侧向电阻高许多，且孔隙度高的地方，电阻率变化更大，与页气层中物性及有机碳决定含气性一致；图中优质页岩段计算泥质含量相对较低，无论用常用的那种传统泥质校正饱和度模型，都不能说明少量泥质引起页岩气层电阻率下降；该段页岩气层深、浅侧向电阻率几乎一致，说明没有侵入影响。
此外，传统以及改进的阿尔奇模型没有进行泥质校正，计算含气饱和度还是较低，因此改进的阿尔奇仍然不适合页岩这种黏土含量较高的储层。
在本发明中各个公式和参数可根据如下参考文献进行查询或者计算。
[1]孙建孟.测井饱和度解释模型发展及分析.石油勘探与开发，2008,35(1):101-107；
[2]欧阳健等.测井低对比度油层成因机理与评价方法，石油工业出版社，2009；
[3]低阻油气藏测井识别评价方法与技术，石油工业出版社，2006.7；
[4]张晋言等.低阻页岩气层含气饱和度计算新方法，天然气工业，2017.4，37(4):34-41。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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