基于流動單元改進的滲透率解釋模型

廖東良, 吳海燕

(中石化石油工程技術(shù)研究院, 北京 100101)

0 引 言

1984年Hearn等[1]在研究美國懷俄明州Hartog Draw油田Shannon儲層時,發(fā)現(xiàn)不同儲層部位的質(zhì)量不同,對生產(chǎn)動態(tài)的控制作用也不盡相同,由此提出了流動單元(Flow Unit)的概念。Hearn在把Shannon砂巖儲層劃分為中心壩相、壩緣相Ⅰ、壩緣相Ⅱ、壩間相和生物擾動粉砂巖相的基礎(chǔ)上,認(rèn)為由于受沉積作用和埋藏成巖作用的影響,每種相的巖石物性變化很大,即同一相帶不同部位儲層質(zhì)量不同,但在該相帶內(nèi)巖性特點相似,影響流體流動的巖石物理性質(zhì)也相似。據(jù)此把Shannon砂巖劃分為5個流動單元,并把流動單元定義為橫向和垂向連續(xù)的儲層。

自Hearn提出儲層流動單元的概念以后,很多學(xué)者應(yīng)用這一概念開展了儲層表征或儲層評價研究,并對流動單元概念和劃分方法進一步補充和完善。Ebanks[2]認(rèn)為流動單元是根據(jù)影響流體在巖石中流動的地質(zhì)和物性變化進一步細分出的巖體;Amaefule等[3]認(rèn)為流動單元是給定巖石中水力特征相似的層段,流動單元是影響流體流動的油藏物理性能恒定不變的巖石體積。水力特征即為孔隙幾何單元,巖心資料提供了影響孔隙幾何形狀的各種沉積和成巖因素的信息;反過來孔隙幾何形狀特征的變化,可以用來定義具有相似流動特征的流動單元。按照流動單元的概念,一個儲油層可以劃分為若干個巖石物理性質(zhì)各異的流動單元塊體,在同一流動單元內(nèi)部,影響流體流動的地質(zhì)參數(shù)相似,不同的流動單元之間表現(xiàn)出巖石物理性質(zhì)的差異性,并認(rèn)為流動分層指標(biāo)IFZ是最好的劃分參數(shù)。因此,流動單元對滲透率解釋方法比以前用實驗數(shù)據(jù)建立的單一滲透率解釋模型具有更高的準(zhǔn)確性。

1 流動單元定義

流動單元的發(fā)育特征和空間分布狀況主要受原始沉積作用、構(gòu)造作用、成巖作用的影響和控制。因此,流動單元是儲層巖石物性特征的綜合反映。一個儲層可以劃分為若干個巖石物理性質(zhì)各異的流動單元,在同一流動單元內(nèi)部,影響流體流動的地質(zhì)因素相同,具有相同的水動力學(xué)特征和滲流特征。根據(jù)流動單元理論,流動單元指數(shù)可以表示為儲層品質(zhì)指數(shù)與地層孔隙度之間的關(guān)系

IFZ=IRQφZ=1fgτSVgr

(1)

式中,IFZ為流動單元指數(shù),該指數(shù)越大則流動性質(zhì)越好;IRQ為儲層品質(zhì)指數(shù),IRQ=0.0314Kφ;φZ為孔隙體積與固體體積之比,φZ=φ1-φ;fg為形狀因子;τ為曲折度;SVgr為比表面。

巖石相、沉積微相是影響儲層流動單元質(zhì)量差異的主要地質(zhì)因素。因此不同沉積微相、巖石相儲層具有不同的流動單元。通常情況下,巖相越粗流動單元質(zhì)量越好,IFZ數(shù)值越大;巖相越細流動單元質(zhì)量越差,IFZ數(shù)值越小。

2 流動單元的劃分方法

一個單砂體可以由一個流動單元組成,也可以由多個流動單元組成[4]。如果砂體內(nèi)均質(zhì)性較強,則該砂體是由多個流動單元組成,由于砂體內(nèi)的巖性、孔隙結(jié)構(gòu)、壓實程度和沉積過程等的不同,把該砂體劃分為多個流動單元。

在劃分流動單元的方法上,Rodriguez等[5]認(rèn)為流動單元的劃分方法用相帶或相帶組合劃分,并提出了用相帶及組合劃分流動單元的7個步驟,這是一種定性的研究方法。Guangming Ti等[6]在研究阿拉斯加北斜坡Endicott油田儲層流動單元時提出了一種較為有意義的定量化研究方法,即利用累計頻率進行劃分的方法。

流動單元的劃分方法通常有2種方法,一種是通過聚類分析或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別方法;另一種是利用累計頻率劃分方法。文中采用第2種方法劃分。由于同一種流動單元具有相似的巖石物理性質(zhì),滲流特征基本相似,雖然同一種流動單元孔隙結(jié)構(gòu)相似,其孔隙度和滲透率大小不一定完全相同,而是滿足相似的變化規(guī)律,所以這些相似孔隙結(jié)構(gòu)的IFZ在累計頻率曲線上表現(xiàn)為直線,流動單元劃分時將IFZ在累計頻率上呈直線變化的區(qū)間分為同一個流動單元。IFZ值變化范圍最大,說明其流動單元性質(zhì)變化大,孔隙結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。羅家油田沙二段孔隙度—滲透率關(guān)系如圖1所示,其孔隙結(jié)構(gòu)相對簡單。IFZ流動單元指數(shù)越小,則孔隙越復(fù)雜,或孔隙比表面越大,在孔隙內(nèi)流動越困難;IFZ數(shù)值越大,流動性越好。根據(jù)IFZ累計頻率圖將羅家油田劃分為5種流動單元(見圖2),這5種流動單元正好對應(yīng)灘壩砂中的5種沉積微相,分別是壩主體、壩側(cè)緣、灘脊、灘席和灘壩間沉積微相。該研究結(jié)果與Hearn的結(jié)論一致,因此流動單元與沉積微相存在對應(yīng)關(guān)系,流動單元從1到5對應(yīng)沉積微相為壩主體、灘脊、壩側(cè)緣、灘席和灘壩間,每種沉積微相或流動單元內(nèi)巖性和孔隙結(jié)構(gòu)相似,但不同流動單元之間不同。

圖1 羅家油田沙二段K—φ關(guān)系圖

圖2 羅家油田沙二段IFZ累計頻率劃分圖

利用沾化凹陷羅家油田巖心實驗數(shù)據(jù)劃分的5個流動單元,這5個流動單元對應(yīng)的孔隙度—滲透率關(guān)系圖如圖3所示,在雙對數(shù)圖下如圖4所示。比較圖4和圖1可見,圖4中不同流動單元下由于孔隙結(jié)構(gòu)相同或相似,因此孔隙度、滲透率之間的關(guān)系更好。

圖3 不同流動單元φ—K關(guān)系圖

圖4 羅家油田φ—K關(guān)系圖

3 基于流動單元的滲透率解釋模型

由式(1)看出,流動單元指數(shù)由孔隙曲折度、孔隙形狀因子和孔隙比表面決定,因此越復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致流動單元指數(shù)越低,滲透性越差,相反越簡單的孔隙結(jié)構(gòu)滲流性越好。根據(jù)式(1)的定義,流動單元的滲透率模型可以表示為

(2)

由于同一流動單元之間孔隙結(jié)構(gòu)相同或相似,同一流動單元中IFZ的數(shù)值相差不大,因此式(2)在不同的流動單元中可以表達為

K=aφb

(3)

式中,a、b為對應(yīng)圖3中不同流動單元的回歸系數(shù)。

不同流動單元下系數(shù)a、b不同,從圖3得出每種流動單元的孔隙度滲透率關(guān)系相關(guān)性系數(shù)達到0.582～0.908,平均達到0.774,而不分流動單元的孔滲關(guān)系相關(guān)性系數(shù)為0.672(見圖1),因此應(yīng)用流動單元劃分方法可使地層滲透率的求解精度進一步提高。

4 改進的滲透率解釋模型

對式(1)取對數(shù)得到式(4)。從式(4)看出,IRQ—φZ雙對數(shù)坐標(biāo)系上截距為IFZ,表示每個流動單元流動性和孔隙結(jié)構(gòu)好壞;斜率為1,表示不同流動在該圖上應(yīng)該為一組斜率為1的平行直線。

lgIRQ=lgφZ+lgIFZ

(4)

但從劃分流動單元后的IRQ—φZ對數(shù)關(guān)系圖(見圖5)看出,實際斜率并不為1,圖5中5個流動單元對應(yīng)式(4)的指數(shù)分別為1.020 4、1.038 1、0.817 8、0.957 5、0.710 4,這與式(4)中IRQ—φZ在雙對數(shù)坐標(biāo)下斜率為1相矛盾。原因可能是流動單元內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)存在一定的差異,使IFZ的數(shù)值相差較大;也可以是劃分流動單元類型時采用人工畫曲線,造成了劃分流動單元類型時,選擇數(shù)據(jù)存在一定的誤差。

圖5 流動單元IRQ—φZ關(guān)系對比

圖6 改進的IFZ累計頻率關(guān)系圖

m=b1+b2+…+b55

(5)

式中,b1～b5分別為圖5中5個流動單元φZ對應(yīng)的指數(shù)。

lgIRQ=mlgφZ+lgIFZ

(6)

把m代入式(2),得到修正后不同流動單元下的滲透率解釋模型

0.03142φ2m+1(1-φ)2

(7)

5 改進后效果分析

把修正指數(shù)代入式(6),得到改進后的IRQ—φZ關(guān)系為

lgIRQ=0.9088lgφZ+lgIFZ

(8)

利用修正后的不同流動單元數(shù)據(jù)制作IRQ—φZ雙對數(shù)坐標(biāo)圖(見圖7),在修正后的IRQ—φZ雙對數(shù)坐標(biāo)下分析發(fā)現(xiàn),5個流動單元回歸線是一組平行線,與式(9)的定義完全一致,說明修正工作能有效地符合統(tǒng)一流動單元內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)相同或相似。改進前流動單元IRQ—φZ曲線相關(guān)系數(shù)平均為0.596 6(見圖5),改進后大部分流動單元類型的相關(guān)系數(shù)得到提高(見圖7),改進后的IRQ—φZ曲線平均相關(guān)系數(shù)平均提高到0.686 9,說明劃分流動單元的可靠性得到提高。由于修正前、后流動單元劃分的對應(yīng)孔滲數(shù)據(jù)不同,因此改進后的孔滲關(guān)系圖(見圖8)與改進前(見圖3)有所不同,但改進后更符合流動單元的定義。

圖7 改進的流動單元IRQ—φZ關(guān)系圖

圖8 改進的流動單元φ—K關(guān)系圖

利用修正系數(shù)m代入式(8)得到改進后的滲透率解釋模型,IFZ為圖7中對應(yīng)的截距,式(8)中對應(yīng)5個流動單元的IFZ分別為3.462、1.685、0.852 6、0.485 9和0.225 1,因此可以方便地建立5個流動單元的滲透率計算模型。如圖8中所示,每種流動單元的孔滲關(guān)系相關(guān)性系數(shù)達到0.635～0.868之間,平均達到0.773,改進后的滲透率解釋精度并沒有降低。

羅家油田灘壩砂存在5種沉積微相對應(yīng)為5種流動單元,測井解釋過程中只有有效地識別出地層的沉積微相,就可以快速建立較準(zhǔn)確的對應(yīng)不同沉積微相和流動單元滲透率計算模型(見表1)。

表1 改進后不同流動單元對應(yīng)的滲透率解釋模型表

6 結(jié) 論

(1) 流動單元指數(shù)由孔隙形狀、迂曲度和巖石顆粒比表面決定,同一個地層根據(jù)流動單元指數(shù)可能劃分為一個或多個流動單元,每個流動單元內(nèi)地層巖性和孔隙結(jié)構(gòu)相似,不同流動單元之間巖性和孔隙結(jié)構(gòu)不同。

(2) 應(yīng)用流動單元方法進行流動單元劃分,不同的流動單元對應(yīng)為不同的沉積微相,流動單元指數(shù)越高,則儲層流動性能越好。

(3) 應(yīng)用流動單元方法建立的滲透率解釋模型能大大地提高滲透率的解釋符合率,雖然同一個流動單元物性相差很大,但他們之間的流動性能基本相同,該方法也適用于其他的地層。

(4) 改進后的滲透率模型不僅更符合流動單元的定義,而且更方便地建立不同流動單元的滲透率解釋模型。

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