裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度模型数字岩心构建方法
技术领域
本发明涉及非常规油气储层评价和数字岩石物理领域，更具体地，涉及一种裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度模型的构建方法。
背景技术
饱和度是油气储层测井评价的核心之一，针对不同特征、不同导电机理的储层，存在不同适用性的饱和度模型。对于裂缝性致密砂岩，裂缝的发育不仅提高了储层的储集和运移油气的能力，也改变了岩石内部流体的分布状态，给饱和度的评价带来更大的挑战。
现有技术中，Archie公式是饱和度评价最常用的方法，把饱和度和岩石电阻率、孔隙度联系起来，奠定了油气储层含油性测井评价的基础。通过岩电实验获得胶结指数和饱和度指数等模型参数进行饱和度计算。针对裂缝性复杂储集层，Prison(1957)认为基质孔隙与裂缝孔隙并联导电，为裂缝性储层饱和度模型定量评价奠定了理论基础；Aguilera(1976)在Prison理论的基础上提出了双重孔隙模型，并被广泛应用到裂缝性致密砂岩饱和度评价中。该模型认为岩石孔隙分为基质孔隙和裂缝孔隙，分别计算基质饱和度和裂缝饱和度，最终得到总饱和度。
然而，利用Archie公式计算饱和度的适用条件比较苛刻，必须是物性好的纯砂岩储层。对于含裂缝的非均质性储层不能直接使用。此外，饱和度的计算过分依赖岩电实验结果，而裂缝性砂岩的岩心极易破碎，很难获得原始地层条件下完整的含裂缝的岩心，限制了岩石物理实验的进行。对于裂缝孔隙空间，由于存在泥浆侵入，裂缝饱和度不易求取，且模型中裂缝的胶结指数难以准确计算，导致了双重孔隙模型饱和度计算结果并不准确。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度模型构建与饱和度评价方法。
本发明实施例提供一种裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度模型构建方法，该方法包括：基于数字岩心技术建立裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算模型，模型为：
m＝-0.035d2+0.059d+0.02μ+1.684
其中，Sw为含水饱和度，a为岩性参数，Rw为地层水电阻率，φ为孔隙度，m为胶结指数，Rt为地层电阻率，d为裂缝开度，μ为裂缝倾角；
基于所述模型，结合成像测井数据解释的裂缝信息，利用常规测井计算裂缝性致密砂岩的含水饱和度。
本发明实施例提供了通过计算不同数字岩心模型的电阻率，构建地层因素与孔隙度交会图，建立了胶结指数与裂缝倾角、开度的关系；通过构建裂缝条件下电阻增大率与含水饱和度交会图，构建了两者之间的关系。最终，上述两个公式联立建立了含水饱和度与岩石电阻率、裂缝开度、裂缝倾角相关的新饱和度模型。该模型简洁，考虑了裂缝开度、裂缝倾角的影响，物理意义明确，结合成像测井提取的裂缝信息，裂缝参数易于获取，不仅弥补了岩石物理实验的局限性，而且消除了Archie公式固定胶结指数与饱和度指数的不足，计算结果更准确，从而具有显著的理论研究意义和实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图件获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算方法的流程示意图；
图2(a)为本发明实施例提供的倾角为54°时数字岩心模型图；
图2(b)为本发明实施例提供的倾角为54°时根据数值模拟建立的地层因素与孔隙度的关系图；
图3(a)为本发明实施例提供的Sw＝51％数字岩心模型图；
图3(b)为本发明实施例提供的Sw＝51％的利用数值模拟构建的电阻增大率和含水饱和度关系示意图；
图4为本发明另一实施例提供的裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的西部某盆地致密砂岩测井含水饱和度评价成果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例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。
针对裂缝性致密砂岩岩心难以完整保存，岩石物理实验无法进行，直接利用Archie计算饱和度结果不准确等弊端，本发明实施例提供一种裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算方法。该方法基于数字岩心电学特性模拟结果，建立了胶结指数以及饱和度指数与裂缝特征的关系，提出了新的饱和度计算模型。不仅弥补了岩石物理实验手段的不足，而且为裂缝性致密砂岩饱和度评价方法提供了一种新思路。参见图1，该方法包括但不限于如下步骤：
步骤101、建立裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算模型。
其中，作为一种可选实施例，基于数字岩心分析技术建立裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算模型，包括：
步骤1、获得岩心扫描图像，并根据岩心扫描图像重构三维数字岩心。
其中，作为一种可选实施例，该步骤1包括：基于岩心X-CT扫描技术获得岩心扫描图像；通过滤波、阈值分割手段重构三维数字岩心。
为了探究裂缝对岩石导电规律的影响，构建了不同裂缝开度下多种裂缝倾角的数字岩心模型。利用膨胀、腐蚀等方法人为添加不同开度、倾角的裂缝，构建多种三维裂缝数字岩心。
在步骤1之后，进行裂缝性数字岩心电阻率计算。有限元算法被广泛地应用于微分方程所描述的各类物理场的计算，该方法的基础是变分原理，在每个单元内求其近似解，最终实现整体的求解。对于一个给定的三维数字岩心，在其两端施加一个电场，每个像素的能量由各个节点上的电压确定。三维数字岩心由离散的像素构成，选定每一个像素为一个单元，单元的形状为立方体，每个像素通过8个顶点与相邻单元连接。利用有限元模拟得到电压后，根据每个像素单元的电导率张量可以求得每个单元内的电流，对三维数字岩心中所有单元电流取体积平均，计算等效电阻率。
步骤2、基于三维数字岩心，利用有限元方法计算不同裂缝情形下的岩石的电阻率，分别获得胶结指数与裂缝倾角之间的关系以及胶结指数与裂缝开度之间的关系。
为了获得胶结指数与裂缝倾角、开度的关系，在岩石物理实验中，饱和水纯岩石电阻率与地层水电阻率的比值称为地层因素(F)，地层因素与岩心孔隙度遵循如下关系：
式中，F是地层因素；R0是纯岩石的电阻率，Ω.m；Rw是地层水电阻率，Ω.m；φ是孔隙度，小数；m是胶结指数，无量纲；a是岩性参数，无量纲。
为了探索胶结指数与裂缝倾角、裂缝开度的关系，必须按照岩电实验中构建式(1)的流程和要求，为此，需要构建多个不同孔隙度的数字岩心，通过计算其电阻率和构建地层因素与孔隙度的交会图，从而得到胶结指数。
其中，作为一种可选实施例，基于三维数字岩心，获得胶结指数与裂缝倾角之间的关系，包括：对三维数字岩心添加不同倾角的裂缝；在每个裂缝倾角下，通过改变裂缝开度构建不同孔隙度的裂缝性数字岩心；基于有限元电阻率模拟结果，通过构地层因素与孔隙度的关系，得到不同裂缝倾角对应的胶结指数拟合获得胶结指数与裂缝倾角的关系式。
具体地，要研究胶结指数与裂缝倾角的关系，需构建不同裂缝倾角的数字岩心，并研究不同裂缝倾角下的胶结指数。在某一倾角下，通过改变裂缝开度得到不同孔隙度数字岩心，即每一个裂缝倾角下分别设计2、4、6、8和10体素5个不同开度构建数字岩心模型；利用有限元法计算不同裂缝开度岩心模型的电阻率，得到不同孔隙度的岩心电阻率与地层水的比值，即地层因素。通过构建F-φ交会图，求得该倾角下的胶结指数。参见图2(a)和图2(b)示出的倾角为54°时数字岩心模型与根据数值模拟建立的地层因素与孔隙度的关系。
为了研究地层倾角对胶结指数的影响规律。设计54°、63°、72°、81°和90°等5个不同裂缝倾角的数字岩心。利用上述方法得到不同裂缝倾角数字岩心的胶结指数，如表1所示。
表1不同裂缝倾角数字岩心的胶结指数
利用数据拟合的方法，构建胶结指数与裂缝倾角的关系：
m＝0.02*μ+1.708(2)
式中，m是胶结指数，μ是裂缝倾角，°。胶结指数与裂缝倾角有很好的线性关系。
其中，作为一种可选实施例，基于三维数字岩心，获得胶结指数与裂缝开度之间的关系，包括：对三维数字岩心添加不同开度的裂缝；在每个裂缝开度下，通过改变裂缝的条数与位置构建不同孔隙度的裂缝性数字岩心；基于有限元电阻率模拟结果分别确定不同裂缝开度对应的胶结指数；拟合获得胶结指数与裂缝开度的关系式。
具体地，要研究胶结指数与裂缝开度的关系，需构建不同裂缝开度的数字岩心，并研究不同裂缝开度下的胶结指数。改变裂缝条数及位置构建不同孔隙度的数字岩心。针对某一裂缝开度，分别设计1、2、3条相同开度的裂缝并改变其位置，基于有限元数值模拟方法，研究该裂缝开度下岩心的电阻率、地层因素，求取对应的胶结指数值。类似地，设计2、4、6、8和10体素5种不同裂缝开度，按照上述方法得到不同裂缝开度岩心的胶结指数，如表2所示。
表2不同裂缝开度的胶结指数
利用数据拟合的方法，构建胶结指数与裂缝开度的关系：
m＝5.09-8.13d+4.68d2(3)
式中，d是裂缝开度，μm。
步骤3、根据胶结指数与裂缝倾角之间的关系以及胶结指数与裂缝开度之间的关系，建立胶结指数与裂缝倾角、裂缝开度之间的共同关系。
具体地，根据胶结指数随裂缝开度和裂缝倾角的变化规律，采用多元回归方法，建立了胶结指数与裂缝倾角、裂缝开度的共同关系：
m＝-0.035d2+0.059d+0.02μ+1.684(4)
因此，如果已知裂缝倾角和裂缝开度，那么通过上式可计算得到胶结指数。
步骤4、基于所述三维数字岩心，利用有限元方法计算不同饱和度条件下的岩石电阻率，拟合获得电阻增大率与含水饱和度之间的关系。
其中，作为一种可选实施例，拟合获得电阻增大率与含水饱和度之间的关系，包括：通过开运算模拟基质孔隙的气水分布，格子玻尔兹曼法模拟裂缝中的气水分布；将模拟获得的气水分布组合为不同气水分布的数字岩心，并在裂缝流体与骨架接触的位置增加水膜；通过有限元算法模拟获得不同饱和度数字岩心模型的电阻率，构建电阻增大率与含水饱和度之间的关系。
具体地，要研究含水饱和度与电阻增大率的关系，需要构建不同饱和度的岩心模型，计算不同饱和度条件下的电阻率。采用数学形态学开运算和格子玻尔兹曼法模拟裂缝性数字岩心的气水分布。基于上述方法构建含水饱和度为100％、92％、87％、81％、68％、55％、51％、35％、25％、6％等10种气水数字岩心。此外，在裂缝中流体与骨架接触的位置增加一层水膜，使模拟结果更符合实际情况。然后，基于有限元法模拟电阻增大率与含水饱和度的关系，模拟结果如图3(a)和图3(b)所示。
拟合电阻增大率与含水饱和度的新关系：
显然，电阻增大率与含水饱和度在双对数坐标系下呈指数关系，反映了裂缝性致密砂岩储层真实的导电规律。Archie公式中电阻率增大率与饱和度在对数刻度坐标系上是线性关系，这与本发明是根本不同的。
步骤5、根据胶结指数与裂缝倾角、裂缝开度之间的共同关系以及电阻增大率与含水饱和度之间的关系建立裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算模型。
具体地，联立式(1)、(4)、(5)，推导出裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度新模型：
m＝-0.035d2+0.059d+0.02μ+1.684(6)
其中，Sw为含水饱和度，a为岩性参数，Rw为地层水电阻率，φ为孔隙度，m为胶结指数，Rt为地层电阻率，d为裂缝开度，μ为裂缝倾角。
步骤102、基于所述模型，结合成像测井数据解释的裂缝信息，利用常规测井计算裂缝性致密砂岩的含水饱和度。
因此，已知裂缝倾角μ、裂缝开度d、地层电阻率、地层水电阻率Rw以及孔隙度φ四个参数，便可以计算得到裂缝性致密砂岩储层的饱和度。但是该模型与不含裂缝的致密砂岩饱和度模型-Archie饱和度模型明显不同了。在实际应用中，裂缝倾角、裂缝开度可由成像测井容易获取。
综上所述，本发明实施例提供的裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算方法，通过计算不同模型的电阻率，构建地层因素与孔隙度交会图，建立了胶结指数与裂缝倾角、开度的关系；通过构建裂缝条件下电阻增大率与含水饱和度交会图，构建了两者之间的关系。最终，上述两个公式联立建立了含水饱和度与岩石电阻率、裂缝开度、裂缝倾角相关的新饱和度模型。该模型简单，考虑了裂缝开度、裂缝倾角的影响，结合成像测井提取的裂缝信息，裂缝参数易于获取，不仅弥补了岩石物理实验的局限性，而且消除了固定胶结指数的不足，计算结果更准确，从而具有显著的理论研究意义和实际应用价值。
为了便于理解本发明实施例提供的上述方法，参见图4，为本发明另一实施例提供的一种裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算方法，包括如下步骤：
步骤1：基于岩心X-CT扫描技术获得岩心扫描图像，通过滤波、阈值分割等手段重构三维数字岩心。
步骤2：人为添加不同倾角的裂缝，每个裂缝倾角下，通过改变裂缝开度构建不同孔隙度的裂缝性数字岩心，基于有限元电阻率模拟结果分别拟合不同裂缝倾角的胶结指数，然后拟合胶结指数与裂缝倾角的关系式，得到式(2)所示的胶结指数与裂缝倾角的关系。
步骤3：人为添加不同开度的裂缝，每个裂缝开度下，通过改变裂缝的条数与位置构建不同孔隙度的裂缝性数字岩心，基于有限元模拟结果分别拟合胶结指数，然后，拟合胶结指数与裂缝开度的关系，得到式(3)所示的胶结指数与裂缝开度的关系。
步骤4：通过式(2)、(3)的关系，采用多元回归方法，建立胶结指数与裂缝倾角、裂缝开度的共同关系，如式(4)所示。
步骤5：利用开运算模拟基质孔隙的气水分布，格子玻尔兹曼法模拟裂缝中的气水分布，然后组合为不同气水分布的数字岩心，并在裂缝流体与骨架接触的位置增加一层水膜。然后，利用有限元算法拟合电阻增大率随含水饱和度的变化，得到式(5)所示的关系。
步骤6：联立式(1)、(4)、(5)，推导出式(6)所示的裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度新模型。
步骤7：利用成像测井资料计算出裂缝开度和裂缝倾角，代入到式(6)中，通过常规测井资料获得地层电阻率、地层水电阻率以及孔隙度等参数，便可计算出连续变化的胶结指数，利用构建的新饱和度模型计算得到地层的饱和度评价。
为了对本发明实施例提供的计算方法的效果进行证明，本发明实施例提供一计算实例：A井为我国西部某盆地一口井。目的层为裂缝性致密砂岩含气储层，物性相对较好，孔隙度分布在1％～10％之间，平均孔隙度为7.2％。裂缝发育，裂缝倾角在60～80°之间，平均裂缝倾角为69°。利用构建的新模型进行饱和度计算，图5是该井的饱和度评价成果图。第7道是电成像处理剖面，第8道是裂缝倾角，第9道是裂缝特征曲线，第10道是计算的饱和度剖面。利用压汞饱和度进行验证，新模型计算的饱和度与压汞饱和度的平均误差约为8.31％，说明饱和度新模型计算结果较准确。该井测试层段为5711～5845m，工作制度12mm，日产气1120853m3，测试结论为气层。应用表明，本发明实施例建立的模型在裂缝性致密砂岩储层饱和度计算中效果良好。
应当说明的是，本发明实施例提供的裂缝性致密砂岩气藏含水饱和度计算方法，至少具有以下发明点：
1、利用有限元法模拟不同裂缝模型的电阻率，利用地层因素与孔隙度交会图拟合出胶结指数，建立了胶结指数与裂缝开度、裂缝倾角的关系；2、利用有限元法模拟不同含水饱和度裂缝模型的电阻率，建立了裂缝条件下电阻增大率与含水饱和度的新指数关系；3、利用构建的地层因素与孔隙度的关系、胶结指数公式以及电阻增大率与含水饱和度的新关系，提出了裂缝性致密砂岩储层饱和度计算的新模型，该模型与电阻率、孔隙度、裂缝开度、裂缝倾角等参数有关，这也是本发明实施例的核心和最大创新。
另外，应当说明的是，在本发明实施例的叙述中，是以致密气藏中气水岩石模型为例进行描述，但可以理解的是，该方法同样适用于致密砂岩油藏中的油水岩石模型。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
