[科普中国]-胶结指数

胶结指数是用来计算岩石孔隙结构的一个指数，由于裂缝和孔洞的存在，导致了储层的非均质性，造成孔隙胶结指数m等岩电参数的改变。如水泥胶结指数（ cement bond index）是指油田固井质量检查指数。

概念含水岩石的电阻率与孔隙度之间的关系可以用阿尔奇公式一般表示为F=a/9ψm，式中m称为胶结指数，ψ为孔隙度，F为地层因数。实际上m值与岩石的孔隙结构有关。

孔隙储层胶结指数的确定方法及影响因素含有裂缝和孔洞的碎屑岩储层、碳酸盐岩储层、火成岩储层以及变质岩储层都是复杂孔隙储层。作为复杂地层的测井解释模型研究，它是基于纯砂岩、泥质砂岩基础上发展起来的，其发展基础是阿尔奇公式，在运用阿尔奇公式进行含水饱和度的计算时，复杂储层的非均质性对于参数的要求很高，这些参数随地区的地质特征而变化，甚至在所研究的各个储层有不同的取值范围。许多学者对于孔隙度胶结指数m和饱和度指数等岩电参数做了研究与计算。对于孔隙度胶结指数m的计算主要有两条方向：一是通过岩电实验进行统计；二是基于孔隙模型进行推导。

基于岩电实验的胶结指数值研究许多学者通过岩电实验对孔隙胶结指数m进行了研究和计算。针对塔河油田通过递归分析得到了胶结指数m。针对鄂尔多斯盆地中部气田基质低孔隙裂缝性碳酸盐岩储集层，通过高温高压、常温常压岩—电实验进行研究分析，结果表明，该地区储集层对水溶液体积增量的敏感性是非阿尔奇特性的主要原因，孔隙度与孔隙结构指数m呈函数动态变化关系，不完全服从常数性m值关系式。针对类似川东北地区以溶孔型、裂缝—溶孔型为主的中低孔隙度的海相碳酸盐岩储集层进行岩电实验，因该地区储集层具有横向变化大、纵向各层组孔隙结构各不相同的特征，仅以层组来区分m、n值具有一定局限性，必须在按层组统计的基础上，再利用不同孔隙度区间来进一步回归m值、n值,由岩电实验数据回归得到不同层段、不同孔隙类型的m值。对普光地区缝洞性储层岩电参数的影响因素进行了分析，分别讨论了地层水矿化度、泥质含量、温度和孔洞缝发育程度对孔隙结构指数m的影响，得出的地层条件下m值的变化规律为：随地层水矿化度的增大，m值呈增大趋势；随温度和孔隙度的增大，m值增大。此外，针对富台潜山和苏德尔特油田达特群潜山油藏复杂储层，针对建南气田碳酸盐岩储层，以及相关学者分别对各自地区储层参数进行了分析研究和计算。

（1）岩电实验法m值的比较

根据塔河油田、川东北地区、普光地区和建南地区各自的储层结构特点用不同的方法取得了当地的m值，现对其进行比较（表1）。由表1可以看出，这些地区的储层都是具有裂缝和孔洞的复杂孔隙储层，孔隙类型、结构多样化，储集空间具有很强的非均质性。地区不同m值也不同，但变化不是很大，均为1.699~2.53，而且不同组段不同储层类型的m值也不相同，三类储层的m值小些，一类、二类储层的m值较大。

（2）m值的影响因素及变化规律

以普光2井飞仙关组上段储层岩心样品51个，飞仙关组下段储层岩心样品82个，毛坝2井飞仙关组储层岩心样品11个，毛坝3井长兴组储层岩心样品37个，普光6井和普光8井的8块岩心共计189块岩心样品做岩电分析实验。

分析结果表明，孔隙结构指数m与孔、洞、缝的发育有直接关系。孔隙结构指数m的总体趋势是随孔隙度增大而增大；孔隙度与渗透率相关性好的储层，孔隙结构指数随孔隙度增大而增大幅度较小，孔隙度与渗透率相关性差的储层，孔隙结构指数随孔隙度增大而增大幅度要大一些，即均质性好的孔隙（洞）型储层，孔隙结构指数受孔隙度大小影响较小，而非均质性较强的缝洞型储层，孔隙结构指数受孔隙度大小影响较大；溶孔、溶洞越发育，孔隙结构指数越高，裂缝越发育，孔隙结构指数越低。

岩电实验结果还表明，m值随地层水矿化度的增大而呈增大趋势，矿化度大于80g/L后，m值随矿化度的增大而呈增大趋势；地层水矿化度变化平缓时，m值变化不大；地层水矿化度相同时，泥质含量的多少对m值也有影响，泥质含量越高m值越小，这是通过对岩心补偿阳离子浓度的测试得到的，其主要是由泥质的附加导电性造成的（图1）。当地层水矿化度相同时，地面温度下测得的m值高于地层温度（123℃）下测得的m值；地层水矿化度越低，两者的差异越大；随地层水矿化度的增加，两者的差异逐渐减小（表2）。

基于孔隙模型的孔隙储层胶结指数值由于缝洞性储层的复杂性，各地区针对各自的地质特点建立了各自物理解释模型，比较典型的如双孔隙模型和三孔隙模型，双孔隙模型有分别针对非连通孔洞和裂缝/连通孔洞各自的模型。

（1）模型类型及应用研究

Aguilera1发表了用于双孔隙系统，即基质和不连通孔洞以及基质和裂缝/连通孔洞组合的精确公式，Aguilera2提出了适用于基质、裂缝和不连通孔洞任意组合的三孔隙模型。潘保芝教授3对孔隙模型Ⅰ、双孔隙模型Ⅱ和三孔隙模型的不同孔隙组合进行了详细的说明和推导，并介绍了孔隙模型的具体进展。

①双孔隙模型Ⅰ。把岩石孔隙分为基质孔隙和非连通孔洞孔隙，各部分用串联电阻网络来模拟，用于计算具有非连通孔洞储层的孔隙指数m的值。

②双孔隙模型Ⅱ。把岩石孔隙分为基质孔隙和裂缝/连通孔洞，两部分孔隙之间用并联电阻网络来模拟，用于计算裂缝储层m的值，或者具有连通孔洞储层m的值。

③三孔隙模型。岩石孔隙由非连通孔洞、裂缝和基质孔隙组成，可以用基质孔隙与裂缝的并联，再与非连通孔洞串联的电阻网络来模拟（图2）。

研究结果表明，三孔隙模型适合于单孔隙、双孔隙和三孔隙系统的所有组合，如果改变岩石骨架，还可获得火山岩、碳酸盐岩和砂岩等各种岩性三重孔隙结构解释模型。王青4也对孔隙模型做过研究，他的三孔隙模型和Aguilera建立的三孔隙模型有所不同，他认为，在无裂缝沟通时，孔洞的存在只是增大了孔隙度，对岩石电导率影响不大，在建立模型时，把孔洞孔隙和基质孔隙视为一体，称为基质孔洞孔隙，岩石的导电性可以由裂缝导电网络与基质孔洞孔隙导电网络并联来模拟，图3为该模型的导电示意图。该模型同样适用于各种岩性剖面和各种储层的测井解释模型。

（2）孔隙模型推导m值的影响因素

孔隙模型推导m值虽然在一些地区取得了很好的应用效果，但是也存在一定的局限性，这些模型都是基于宏观岩石等价模型建立的，因此，把储集层岩石导电这一复杂问题过于理想化了，从而不足以揭示地层电阻率的物理本质。模型的实际应用依赖于现代能够对复杂储层合理表征的测量仪器，因为在理论公式推导过程中，未考虑电流的传导方式，而其传导方式依赖于很多因素，例如，电阻率仪器的测量方式等。因此，对于模型的应用需做进一步研究。

用测井资料推导胶结指数值利用测井资料求取m值，主要是交会裂缝孔隙、总孔隙和电阻率资料对复杂孔隙储层m的求取，关键在于如何获得较准确的裂缝孔隙和总孔隙数值。对裂缝孔隙度的计算还没有特别成熟的方法，传统的有根据双孔介质模型，用中子孔隙度与声波孔隙度之差来计算裂缝孔隙度，但需要一定的条件，只有当地层孔隙度较高并且不含气时才较为合适，因此，该方法在很多地区都不合适。双侧向电阻率不论是油层还是气层都正好突出了裂缝的作用。基于此，国内外趋同于用深、浅侧向电阻率计算裂缝孔隙度，并建立了各自的计算解释模型。

在生产测井中，该方法是一种确定m值的间接方法，它不像岩电实验方法那样直接，会受到许多因素的制约，如受到已有测井曲线的限制，而且还要进行多条曲线的递归分析，计算量较大。利用测井资料确定复杂孔隙储层m值往往还会受到泥质含量的影响，只有泥质校正后的资料才具有较好的应用价值，泥质含量的校正也直接关系到m值的精确度。

研究结论基于岩电实验求取m值相对来说实现起来比较容易，但受地区影响很大，而且可变胶结指数不仅受孔隙结构的影响，还受地层水矿化度的影响，这样当区块地层矿化度变化比较大时，难以进行应用。而通过建立孔隙模型求取m值实现难度比较大，但是具有一定的通用性，能够更全面地反映地层复杂的导电机理。根据各自模型考虑的导电因素以及各导电因素的导电关系不同又可以分为不同的模型，只有全面考虑各种导电因素并在模型中正确的反映各个导电因素之间的关系的导电模型，才具有很强的通用性。当然，作为应用型的解释方法，不可能考虑所有的因素，参数太多就没法应用，考虑太少又反映不了实际情况，应用效果会变差。因此，应找到一个能较全面反映各个因素又不引入过多参数的方法是准确确定复杂空隙储层胶结指数m值的关键。5

胶结指数的控制因素及评价方法利用Archie公式计算储层含水饱和度时，胶结指数通常是某一层位取某一固定值。岩电实验结果表明，不同地层的胶结指数并不相同，其大小随孔隙结构和泥质含量的变化而变化。由于胶结指数受孔隙结构和泥质含量等多种因素的控制，因此，必须首先利用岩电实验数据和泥质指示测井结果，采用多元回归分析法建立胶结指数的计算模型；然后利用测井数据，根据建立的计算模型确定各目的层的胶结指数。力求使计算的胶结指数尽可能逼近实际值，以保证利用Archie公式计算的储层含水饱和度具有较高的准确性。

胶结指数的控制因素（1）岩石的电阻

在地层中，天然气、石油和岩石骨架几乎是不导电的，某些金属矿物虽可导电，但由于其含量非常小，以至于对整个岩石的导电性几乎不产生影响，而实际上真正起导电作用的是泥质和孔隙流体。所以，岩石的电阻可以看作是泥质和孔隙流体2个电阻并联的结果。

（2）完全含水纯砂岩的电阻率

根据毛管理论：完全含水纯砂岩的电阻可以看成是许多长度相同而半径不同含水毛管电阻的并联；含水毛管中流体的电阻率是自由水与束缚水的综合响应，它与地层水电阻率、地层水粘度、地层水中盐类离子的迁移率及毛管粗细等因素有关

（3）胶结指数的控制因素

对于不含泥质的砂岩，其胶结指数与岩石孔隙度、地层水电阻率、地层水水性系数、岩石孔隙弯曲度、毛管视平均截面积及毛管半径等因素有关。泥质砂岩中，分散于岩石孔隙中的泥质会影响岩石的孔隙弯曲度、毛管视平均截面积及毛管半径。连续分布的泥质由于具有一定的导电性，从而影响完全含水岩石的电阻率（相当于并联了一个电阻）。所以，泥质地层的胶结指数除与上述因素有关外，还与泥质数量、泥质的分布形式等有关。对于某一地区的某一层位而言，地层水电阻率和地层水水性系数都可以认为是不变的，所以，在某一特定的层位可以不考虑地层水电阻率和地层水水性系数引起胶结指数的变化。孔隙弯曲度、毛管视平均截面积及毛管半径控制着岩石的渗透率，它们可以用渗透率来描述。所以，岩石胶结指数的主要控制因素为孔隙度、渗透率和泥质含量。孔隙度和渗透率又是岩石孔隙结构的一种表象。因此，简单地说就是孔隙结构和泥质含量控制着岩石胶结指数的大小。

控制因素对胶结指数的影响（1）孔隙结构对胶结指数的影响

实验证明：具有相同孔隙结构的纯砂岩，其地层因素的对数与孔隙度的对数之间具有近似的直线关系（直线的截距为a值的对数，斜率为m值），而不同孔隙结构的岩石，其直线的斜率及截距不同，即a值、m值不同。

岩石的孔隙结构用孔隙结构指数来描述。孔隙结构对胶结指数的影响一般在纯砂岩或泥质含量较低的砂岩储层中进行考察。图4是塔里木某油田A3井部分泥质含量较低的地层中m值（a取常数1时）与孔隙结构指数的关系。可以看出：孔隙结构指数越小（岩石的孔隙结构越复杂），对应的m值则越大。

（2）泥质含量对胶结指数的影响

泥质对岩石导电性的影响取决于泥质含量及分布形式。当泥质含量较低时，泥质主要以分散形式存在于孔隙及喉道之中，使岩石的孔隙空间减小（孔隙度变小），孔隙喉道变得迂回曲折甚至堵塞（使孔隙弯曲度变大、毛管半径变小），从而使岩石的导电性变差；当泥质含量较高时，一部分泥质分散于孔隙及喉道之中，使岩石储集性能变差（孔隙度变小、孔隙结构变复杂），岩石的导电性变差，而另一部分泥质形成连续分布，构成导电通路，使岩石的导电性变好（相当于并联了一个电阻）。泥质对胶结指数的影响相对较为复杂。大量的岩电实验结果表明，泥质含量与胶结指数的关系整体呈如图2的三段式变化，但不同地区的不同层位，3条线段彼此交叉的位置存在差异。其总体规律是：①泥质含量较低时，连续分布的泥质很少（甚至没有），它们主要使孔隙度变小、孔隙结构变复杂、岩石的导电性变差，m值（a取常数1时）随泥质含量增大而增大；②随着泥质含量的增加，连续分布的泥质增多，它将逐渐抵消部分泥质使孔隙度变小、孔隙结构变复杂而导致岩石导电性变差，在某一范围内两者基本处于平衡，m值（a取常数1时）随泥质含量的变化较小（或基本不变）；③当泥质含量增加到一定程度之后，连续分布的泥质对岩石导电性的影响起主导作用，从而使m值（a取常数1时）随泥质含量增大而减小。

胶结指数的确定方法由于胶结指数受孔隙度、渗透率和泥质含量等多种因素的控制，所以，胶结指数与任一单因素的相关性都不是特别好（用单因素确定胶结指数必定引起较大误差）。因此，必须采用多因素回归分析的方法进行拟合，力求使计算的胶结指数尽可能逼近岩石的实际值。胶结指数的确定方法为：首先利用岩电实验数据和泥质指示测井，采用多因素回归分析法建立其计算模型；然后利用测井数据，根据建立的计算模型确定目的层的胶结指数。

研究结论（1）利用Archie公式计算储层的含水饱和度时，系数a和胶结指数的大小随孔隙结构和泥质含量的变化而变化（不同地层的a值、m值不同）。

（2）在a取常数1时，岩石的孔隙结构越复杂（孔隙结构指数越小），对应的m值越大。

（3）泥质对胶结指数的影响相对较为复杂。泥质含量与胶结指数的关系整体呈三段式变化。

（4）在确定胶结指数时，应首先利用岩电实验数据和泥质指示测井，采用多元回归分析法建立其计算模型，然后利用测井数据，根据建立的计算模型进而确定出目的层的胶结指数。6

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所