稠油熱采儲層滲流屏障特征①——以遼河西部凹陷某試驗區(qū)于樓油層為例

陳歡慶 梁淑賢 薦 鵬 杜宜靜 王 玨 樊 濤

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083;2.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院 遼寧盤錦 124010)

滲流屏障為儲層系統(tǒng)內(nèi)遮擋流體滲流的巖體［1］。吳勝和等［2］在吐哈盆地溫吉桑一米登油田(簡稱溫米油田)中侏羅統(tǒng)三間房組辮狀河三角洲儲層流動單元研究中認為，流動單元研究可以劃分為兩個層次，其中確定連通砂體和滲流屏障的分布屬于第一層次。該觀點對于后期流動單元和滲流屏障的研究產(chǎn)生了重要的影響。任寶生等［3］以黃驊凹陷北大港油田唐家河開發(fā)區(qū)東三段儲層為例，通過對微觀孔隙結(jié)構(gòu)、滲流屏障和連通體的研究，對孔隙結(jié)構(gòu)和流動單元進行了劃分。Dipple et al.［4］以南澳大利亞Mt Painter Block中元古代地層為例，研究了石英脈作為滲流屏障對區(qū)域性流體流動的影響。李云海等［5］將儲層流體滲流屏障對應至4級構(gòu)型界面。彭松等［6］以遼河油田曙三區(qū)復雜斷塊儲集層為例，對沉積因素、成巖因素、構(gòu)造因素和生產(chǎn)動態(tài)因素等影響滲流屏障分布的各個影響因素進行了分析。舒明媚等［7］在滲流屏障研究的基礎上對尕斯庫勒E13油藏辮狀河三角洲前緣亞相儲層流動單元進行了劃分。Mohammadi et al.［8］在利用非均質(zhì)性模型研究混相驅(qū)和非混相驅(qū)驅(qū)油效率時，分析了滲流屏障對驅(qū)油效率的影響。綜合分析前人對于滲流屏障的研究，多是在進行儲層流動單元劃分時進行較簡單的相關分析，目前還未見到專門針對滲流屏障，特別是稠油熱采儲層滲流屏障開展研究工作的報道。由于滲流屏障對稠油熱采儲層蒸汽驅(qū)熱采過程中蒸汽在儲層中的推進具有十分重要的影響，因此研究滲流屏障的類型及其在空間發(fā)育的規(guī)律對于蒸汽驅(qū)熱采稠油開發(fā)具有十分重要的生產(chǎn)實踐意義。本次研究針對扇三角洲前緣儲層水下分流河道分流改道頻繁、滲流屏障發(fā)育和儲層非均質(zhì)性強等特點，綜合地質(zhì)、測井、巖芯、分析測試等多種資料，開展針對稠油熱采儲層滲流屏障的研究工作，旨在為蒸汽驅(qū)熱采方式的轉(zhuǎn)換提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地處遼寧省凌海市，構(gòu)造上位于遼河盆地西部凹陷。該塊開發(fā)目的層為于樓油層和興隆臺油層，本次研究目的層為古近系沙河街組一段于樓油層，地質(zhì)時間大體對應 36.0～37.2 Ma［9］。于樓油層構(gòu)造形態(tài)為東南傾的單斜構(gòu)造，地層傾角2°～10°，儲層為扇三角洲前緣亞相碎屑巖沉積體，巖性主要為厚層不等粒砂巖、中—細砂巖，地層中沉積大量螺類化石，儲層物性好，孔隙度27.9%～30.2%，有效滲透率0.753 ～1.121 μm2，泥質(zhì)含量 7.53%～11.3%，分選系數(shù)1.7～2.09，粒度中值0.18～0.27 mm。物源主要來自北西向和正北方向。目的層沉積微相包括水下分流河道、河口砂壩、前緣席狀砂、水下分流河道間砂和水下分流河道間泥5種，其中儲層以水下分流河道、河口沙壩和水下分流河道間砂為主。目前研究區(qū)于樓油層縱向采用兩套層系開發(fā)，東北部已進行蒸汽驅(qū)，效果較好。而區(qū)塊其余區(qū)域蒸汽吞吐已進入中后期，生產(chǎn)效果越來越差，吞吐方式即將廢棄，亟待轉(zhuǎn)換開發(fā)方式。該塊于樓油層縱向上分為于Ⅰ、Ⅱ兩個油層組 12個小層，本次研究進一步細分為 yI11a、yI11b、yI12a、yI12b、yI12c、yI23a、yI23b、yI23c、yI24a、yI24b、yI24c、yI35a、yI35b、yI35c、yI36a、yI36b、yI36c、yII11a、yII11b、yII12a、yII12b、yII23a、yII23b、yII24a、yII24b、yII35a、yII35b、yII36a、yII36b 等 29 個單層。因各小層水下分流河道頻繁擺動，使水下分流河道砂體與河道間砂體縱向相互疊置和平面條帶間互相組合，導致儲層平面和縱向具有較強的非均質(zhì)性，造成油層平面及縱向動用不均，成為制約該塊汽驅(qū)進一步擴大實施的主要因素。針對開發(fā)生產(chǎn)中存在的問題，本次研究擬通過儲層滲流屏障詳細分析，確定主要滲流屏障的發(fā)育類型以及發(fā)育區(qū)域，為蒸汽吞吐轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)開發(fā)方式的轉(zhuǎn)換和剩余油挖潛提供堅實的地質(zhì)依據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置簡圖Fig.1 Location of the study area

2 滲流屏障的分類與識別

滲流屏障的分類一直都是儲層滲流屏障研究的基礎和重要內(nèi)容之一，前人也做過大量的工作［1-2，10-13］。吳勝和等［2］將滲流屏障劃分為泥巖屏障、膠結(jié)帶屏障和封閉性斷層屏障等3種類型，并詳細介紹了不同類型滲流屏障的發(fā)育特征。竇松江等［10］將北大港油田港東地區(qū)古近系河流相沉積儲層滲流屏障劃分為泥巖屏障、鈣質(zhì)膠結(jié)屏障和封閉性斷層屏障3類。張林艷［11］將塔河油田奧陶系油藏滲流屏障劃分為致密碳酸鹽巖基質(zhì)充填滲流屏障、充填作用形成的滲流屏障和封閉斷層形成的滲流屏障等3種類型。沈勇偉等［12］將克拉瑪依油田六中區(qū)克上組滲流屏障劃分為斷層屏障、物性屏障和不整合面屏障3類。陳新民等［13］認為由滲流屏障分隔的地質(zhì)體就是單砂體，并將滲流屏障劃分為隔層、夾層和斷層等3大類。由于巖石類型不同，構(gòu)造作用、沉積作用和成巖作用等影響儲層性質(zhì)的因素也各有差異，因此對于碎屑巖、碳酸鹽或者火成巖等不同類型的儲層滲流屏障的分類也不盡相同。目前對于滲流屏障的分類，從成因角度來開展工作的做法占主導。

2.1 滲流屏障的分類

前已述及，滲流屏障為儲層系統(tǒng)內(nèi)遮擋流體的巖體。本次研究根據(jù)資料掌握狀況以及滲流屏障發(fā)育的特點，主要利用巖芯、掃描電鏡、鏡下薄片、測井曲線以及分析測試資料等，從成因上將目的層滲流屏障分為3種類型，分別是沉積滲流屏障(為沉積成因水下分流河道間泥等細粒沉積體構(gòu)成)、成巖滲流屏障(主要由壓實作用和膠結(jié)作用等成巖作用形成)、和封閉性斷層滲流屏障，其中以沉積滲流屏障為主。

2.1.1 沉積滲流屏障

沉積滲流屏障受沉積作用控制，多為水下分流河道間砂或水下分流河道間泥沉積。巖性為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖以及泥巖等，其中以粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為主。該類型滲流屏障主要是由于水動力減弱，細的懸移質(zhì)沉積形成的。主要有兩種成因類型:一種是沉積過程中由于水下分流河道的分流和改道，水動力條件發(fā)生變化，在砂質(zhì)紋層間形成泥質(zhì)夾層，一般厚度較薄，多表現(xiàn)為夾層;另一種是在洪水期間的枯水期或間洪期形成一層泥質(zhì)層，一般厚度較大，常表現(xiàn)為隔層。受發(fā)育規(guī)模的限制，夾層滲流屏障對于儲層中流體的滲流的影響要明顯小于隔層。對于沉積滲流屏障的識別可以使用巖芯、測井等多種資料進行識別。沉積相和沉積微相的詳細分析是行之有效的方法。在巖芯上，沉積滲流屏障表現(xiàn)為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖等細粒沉積(圖2)。在測井曲線上沉積滲流屏障主要表現(xiàn)為電測曲線低平，起伏很小或者微起伏(圖3)。沉積滲流屏障是研究區(qū)目的層最發(fā)育的一種滲流屏障，在目的層廣泛發(fā)育，對儲層之間的連通關系起著決定性的控制作用。

圖2 研究區(qū)于樓油層沉積滲流屏障巖芯特征圖Fig.2 Core characteristics of sedimentary flow barrier of Yulou oil bearing sets in the study area

圖3 研究區(qū)A9井于樓油層沉積滲流屏障特征(深度:992～998 m)Fig.3 Characteristics of some wells of sedimentary flow barrier of Yulou oil-bearing sets in the study area

2.1.2 成巖滲流屏障

成巖作用對儲層性質(zhì)具有十分重要的影響［14-15］。研究區(qū)目的層成巖滲流屏障受成巖作用控制，具體主要包括膠結(jié)作用、壓實作用等對于儲層的發(fā)育起消極影響作用的成巖作用。上述作用均是通過減小儲層的孔隙，使得儲層物性變差，形成滲流屏障。整體上儲層壓實作用較弱，以膠結(jié)作用為主。而在膠結(jié)作用中又以碳酸鹽巖、黏土礦物膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)等為主。碳酸鹽巖膠結(jié)主要是在沉積成巖過程中，隨著埋深的增加，溫度升高，壓力增大，有機質(zhì)熱演化所釋放的大量CO2與地層水中的Ca2+、Mg2+等結(jié)合形成的碳酸鹽交代成致密碎屑巖。硅質(zhì)膠結(jié)主要是石英等以化學沉淀方式形成于粒間孔隙當中，屬自生礦物。成巖滲流屏障在研究區(qū)目的層表現(xiàn)為在儲層發(fā)育過程中各種黏土礦物的相互轉(zhuǎn)化，從而堵塞孔隙，形成滲流屏障。硅質(zhì)膠結(jié)主要表現(xiàn)為長石的次生加大等(圖4)。鈣質(zhì)膠結(jié)可以通過電阻率曲線上明顯的鈣質(zhì)尖來識別(圖5)。總體上看，成巖滲流屏障在研究區(qū)目的層不發(fā)育，特別是鈣質(zhì)膠結(jié)形成的滲流屏障，只是在yII油組的個別單層中可以見到(圖5)，而且一般厚度都小于1 m，在空間上延伸的距離也很短，對于生產(chǎn)實踐的影響作用不大。

2.1.3 斷裂滲流屏障

圖4 研究區(qū)于樓油層成巖滲流屏障特征Fig.4 Characteristics of some wells of diagenesis flow barrier of Yulou oil-bearing sets in the study area

圖5 研究區(qū)Q3井成巖滲流屏障特征(深度:1 104～1 105 m;1 114～1 115 m)Fig.5 Characteristics of some wells of diagenesis flow barrier of Yulou oil-bearing sets in the study area

利用斷層兩盤開發(fā)動態(tài)資料或者流體性質(zhì)來分析斷層的封閉性是斷層封閉性十分重要的研究方法之一［16-17］。本次斷裂滲流屏障研究，主要利用斷層兩盤水分析資料的對比開展工作。研究區(qū)主要斷裂有4條(圖1)，分別是F1、F2、F3和F4。選取5組共10口井的水分析資料作對比從斷裂發(fā)育的級別上分析(表1)，斷裂F1和斷裂F2屬于3級大的控凹斷裂，而斷裂F3和斷裂F4的級別屬于4級斷裂。主要對比斷層上、下兩盤地層水分析資料來評價斷層封閉性，刻畫封閉性斷層滲流屏障。斷層兩盤地層水分析結(jié)果差異較大，表明斷層封閉性較好，形成封閉性斷層滲流屏障。斷層兩盤地層水分析結(jié)果類似，表明斷層封閉性差，不能形成封閉性斷層滲流屏障。對于斷裂F1而言，選取A1井和A2井水分析結(jié)果作對比，發(fā)現(xiàn)分別位于斷層兩盤的這兩口井的水分析結(jié)果差異較大。特別是在鎂、鈣、硫酸根和碳酸根等含量上表現(xiàn)的尤為突出，說明斷層是封閉的。將斷層C1、C2和E1、E2分別作為2組作對比，發(fā)現(xiàn)在(鉀+鈉)、鈣、碳酸根、重碳酸根和總硬度等指標方面均相同或取值接近，因此可以斷定斷層上下盤之間流體是連通的，斷層不封閉，不能形成滲流屏障。將斷層B1、B2和D1、D2分別作為2組作對比，發(fā)現(xiàn)斷層兩盤鎂、硫酸根、碳酸根、總礦化度和總堿度等指標取值差異均較大，因此可以斷定斷層上下盤之間流體是不連通的，斷層是封閉的，可以形成封閉性斷層滲流屏障。因此，在研究區(qū)的4條斷裂中，斷裂F1和斷裂F4屬于封閉性斷層滲流屏障。

2.2 滲流屏障空間分布特征

圖6 研究區(qū)目的層滲流屏障剖面發(fā)育特征Fig.6 Characteristics of flow barrier of aimed stratum in the study area in section

2.2.1 滲流屏障剖面發(fā)育特征

受扇三角洲前緣水下分流河道不斷分流改道的影響，沉積滲流屏障在研究區(qū)目的層發(fā)育位置變化較大。一般在水下分流河道間泥和水下分流河道間砂的位置，沉積滲流屏障較發(fā)育，而在水下分流河道和河口砂壩的位置，滲流屏障不發(fā)育(圖6)。受沉積物源與扇三角洲前緣沉積旋回變化的共同控制，在目的層的上部和下部，滲流屏障的厚度較大，延伸距離較遠，數(shù)量較少。而在目的層中部，滲流屏障規(guī)模較小，但數(shù)量多，頻繁出現(xiàn)(圖6)。而且，從北西向南東方向，隨著與物源區(qū)距離逐漸增加，沉積物粒度逐漸變小，滲流屏障的發(fā)育程度也逐漸增強。這些特點在部署分層注汽措施時要充分考慮。

2.2.2 滲流屏障平面展布特征

由于沉積滲流屏障在研究區(qū)目的層占主導，因此本次研究主要從沉積方面對滲流屏障在平面上的發(fā)育特點作以刻畫。沉積滲流屏障可以進一步細分為層間隔層滲流屏障和層內(nèi)夾層滲流屏障2種(圖7，8)，其中前者在開發(fā)中所起的作用要遠遠大于后者。以單層yI35b與yI35c之間的隔層為例，沉積滲流屏障的厚度在平面上變化較大，最小值為0 m，最大值大于5 m。受沉積物源影響，總體上不同厚度的沉積滲流屏障大體呈北西—南東條帶狀展布。滲流屏障較厚處多位于水下分流河道間泥的位置，而滲流屏障厚度為0 m的區(qū)域多位于水下分流河道疊置的位置。其余單層間隔層的發(fā)育特征基本與單層yI35b與yI35c之間的隔層類似，只是受水下分流河道的分流改道影響，不同厚度的隔層在平面上的具體位置會發(fā)生變化。從單層yI11b層內(nèi)夾層分布頻率圖上看(圖8)，不同頻率夾層在平面上也大體呈北西—南東條帶狀展布，這與層間隔層的發(fā)育特征一致，不同的是夾層的規(guī)模要明顯小于隔層，在空間上延伸的距離也十分有限。其余單層內(nèi)夾層的發(fā)育規(guī)律基本與單層yI11b類似。

圖7 單層yI35b至yI35c之間隔層發(fā)育平面展布圖Fig.7 Interlayer plane of single layer between yI35b and yI35c

在蒸汽吞吐轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)過程中，蒸汽驅(qū)注汽井和采油井井網(wǎng)的調(diào)整和部署應該充分考慮到滲流屏障在平面上的分布特點，盡量保證注采井之間的連通性，保證注采見效，將滲流屏障的不利影響減小到最低程度。

圖8 單層yI11b內(nèi)部夾層頻率分布特征圖Fig.8 Plane of interlayer spectral distribution of single layer yI11b

3 稠油熱采儲層滲流屏障對開發(fā)的影響

滲流屏障對儲層內(nèi)部流體的流動起著十分重要的影響和控制作用。但是并非所有的滲流屏障都能起到有效阻礙流體流動的作用，即滲流屏障要達到一定的厚度和延伸范圍，才能封隔注入蒸汽，而厚度較薄的滲流屏障，只是在小范圍內(nèi)改變了蒸汽推進的路徑，并不能對蒸汽形成有效分隔。裘懌楠等［18］將大慶油田二次加密井網(wǎng)隔層的厚度標準定為1.5～2.0 m。根據(jù)遼河油田的經(jīng)驗，泥巖厚度大于1 m，就可以對蒸汽運移形成有效的阻止。因為目前研究區(qū)目的層發(fā)育的滲流屏障以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，因此本次研究借鑒這一標準，將滲流屏障的厚度有效標準確定為1 m。

本次研究分析認為，滲流屏障對蒸汽驅(qū)開發(fā)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面:①不連續(xù)的泥巖增加了流體流動通道的曲折性，使注采關系復雜化。滲流屏障在空間上的發(fā)育和延伸，增加了儲層非均質(zhì)性(圖9)，使得注入蒸汽在空間上的均勻推進難度大，“串流”和“指進”等現(xiàn)象普遍發(fā)生，降低了蒸汽驅(qū)有效率，使流體流動的規(guī)律復雜化，這一點與一般的水驅(qū)類似。從圖9中單層yI11b滲透率變異系數(shù)平面分布圖可見，紅色區(qū)域為滲透率變異系數(shù)小于0.5，即儲層非均質(zhì)性較弱的區(qū)域，灰色為泥巖發(fā)育的區(qū)域，而黃顏色為非均質(zhì)性中等的區(qū)域，藍顏色為非均質(zhì)性強烈的區(qū)域，該區(qū)域占主體，其它28個單層的情況與單層yI11b類似。整體上研究區(qū)目的層非均質(zhì)性強烈。②由于滲流屏障(隔夾層)發(fā)育，汽驅(qū)大量熱量被隔夾層吸收損失，導致熱量很難在油層中有效傳遞，蒸汽驅(qū)效果變差，要充分考慮經(jīng)濟上的可行性［19-20］。蒸汽驅(qū)油效率一個十分重要的判斷指標就是經(jīng)濟可行性，而儲層內(nèi)滲流屏障(隔夾層)的存在，吸收了大量的蒸汽熱能，直接導致了蒸汽熱能量的損失，降低了蒸汽驅(qū)油的熱效率，并最終導致蒸汽驅(qū)經(jīng)濟有效性降低。這當中既包括隔層滲流屏障，也包括夾層滲流屏障，空間規(guī)模沒有限制，只要存在，就對蒸汽驅(qū)熱能量有吸收作用，只是前者吸收量明顯大于后者而已。③在熱采過程中，為了進一步擴大波及體積，防止氣竄，保證蒸汽前緣均勻推進，提高蒸汽驅(qū)油效率，常采用分層注汽的方法。從隔層發(fā)育平面圖與注汽井平面位置關系來看，隔層發(fā)育的部位，可以采用分層注汽，提高開發(fā)效果，而單層間隔層不發(fā)育的區(qū)域，采用分層注汽，容易發(fā)生汽竄。在具體操作時，首先通過精細的單層級別的沉積微相和隔夾層分析，明確熱采油層的有效厚度及其在平面上的分布范圍，合理劃分熱采層系。打開注汽層下部1/2或更少，減少蒸汽超覆作用的影響。同時可以采用蒸汽泡沫劑進行層間或?qū)觾?nèi)調(diào)控。還可以利用封隔器分層注汽，利用選擇球選擇性注汽等。④由于滲流屏障的存在，導致注汽井和采油井之間注采對應差，蒸汽驅(qū)效果不理想。以研究區(qū)東北部已進行蒸汽驅(qū)的K3井和K4井為例(圖10)，K4為注汽井，K3為采油井，K3井和K4井井距107 m。在主力層yI12(yI12a+yI12b+yI12c)(圖10A)、yI23(yI23a+yI23b+yI23c)(圖10B)和 yI24(yI24a+yI24b+yI24c)(圖10C)，K3井和 K4井之間都存在水下分流河道間砂或者水下分流河道間泥，發(fā)育沉積滲流屏障，導致注采關系對應差，K3井5年共計累產(chǎn)才577噸油，生產(chǎn)效果遠低于同井組的其它采油井。

4 結(jié)論

(1)受扇三角洲前緣水下分流河道不斷分流改道的影響，沉積滲流屏障在研究區(qū)目的層發(fā)育變化較大。一般在水下分流河道間泥和水下分流河道間砂的位置，沉積滲流屏障較發(fā)育，而在水下分流河道和河口砂壩的位置，滲流屏障不發(fā)育。從北西向南東方向，隨著與物源區(qū)距離逐漸增加，沉積物粒度逐漸變小，滲流屏障的發(fā)育程度也逐漸增強。受沉積物源影響，總體上不同厚度的沉積滲流屏障大體呈北西—南東條帶狀展布。熱采方式轉(zhuǎn)換過程中應該充分考慮滲流屏障在平面上的分布特點，保證注汽井和采油井之間不被滲流屏障分隔，注采見效好。

圖9 研究區(qū)yI11b單層層內(nèi)滲透率變異系數(shù)平面圖Fig.9 Plane of coefficient of variation of permeability distribution of single layer yI11b

圖10 研究區(qū)K3井和K4井主力層沉積微相分布圖Fig.10 Sedimentary microfacies plane of main layers of Well K3 and Well K4 in of aimed stratum in the study area

(2)研究區(qū)目的層發(fā)育的滲流屏障以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，有效厚度確定為1 m。滲流屏障的存在使得注采關系復雜化，降低了蒸汽驅(qū)油效率。滲流屏障的存在，降低了蒸汽驅(qū)油的熱效率和經(jīng)濟有效性。單層之間滲流屏障發(fā)育的區(qū)域可以進行分層注汽，滲流屏障不發(fā)育的地方，分層注汽容易汽竄。由于滲流屏障的存在，導致注汽井和采油井之間注采對應差，蒸汽驅(qū)效果不理想。在注采井網(wǎng)部署調(diào)整時應該充分考慮到滲流屏障對開發(fā)的影響。

(3)在具體進行蒸汽驅(qū)實施時，首先應該通過精細的單層級別沉積微相和隔夾層分析，搞清油層有效厚度和隔夾層在空間的發(fā)育特征，然后合理劃分熱采層系。打開注汽層下部1/2或更少，減少蒸汽超覆作用的影響。同時可以采用蒸汽泡沫劑進行層間或?qū)觾?nèi)調(diào)控。還可以利用封隔器分層注汽，利用選擇球選擇性注汽等。

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