低孔隙度低滲透率復(fù)雜斷塊油氣田儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)方法

胡小強(qiáng), 丁娛嬌, 于之深, 王嘹亮, 馬永南, 熊謙

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510760; 2.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司測(cè)井分公司, 天津 300280)

0 引 言

某區(qū)塊中生界儲(chǔ)層為一典型低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層,孔隙度滲透率關(guān)系復(fù)雜[1],儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)是測(cè)井評(píng)價(jià)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該區(qū)塊為一斷裂極為發(fā)育的復(fù)雜斷塊油氣田,斷裂分布非常密集,且各組斷層空間上彼此交錯(cuò)切割,斷層控制構(gòu)造形態(tài)以及儲(chǔ)層埋深。前人進(jìn)行低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)的方法主要可分為2類。一類是通過大量測(cè)井樣本利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練進(jìn)行儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)[2],由于目標(biāo)區(qū)塊是預(yù)探區(qū)域,完鉆井比較少,該類方法對(duì)目標(biāo)區(qū)塊不適用。另一類是基于微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的儲(chǔ)層分類[3-4],微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)主要通過孔隙度、滲透率等轉(zhuǎn)換得到,孔隙度、滲透率計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響到微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確性,從而影響到儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。前人用于低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層建模的孔隙度、滲透率等數(shù)據(jù)絕大部分均來源于常規(guī)物性分析數(shù)據(jù)。通過大量巖心分析發(fā)現(xiàn),常規(guī)物性分析得到的不同井之間孔隙度滲透率關(guān)系差異較大,利用常規(guī)物性分析資料進(jìn)行不同井之間的儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)非常容易引起混亂。

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該類低孔隙度低滲透率復(fù)雜斷塊油氣田的儲(chǔ)層有效性,考慮到不同井之間的埋深差異,引入模擬地層壓力條件的孔隙度、滲透率進(jìn)行儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)探索,將模擬地層壓力條件下測(cè)量得到的孔隙度、滲透率定義為覆壓孔隙度、覆壓滲透率。本文通過實(shí)驗(yàn)室開展的巖心常規(guī)物性測(cè)量和覆壓條件下物性測(cè)量以及對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),覆壓滲透率與孔隙度關(guān)系明顯優(yōu)于常壓滲透率與孔隙度關(guān)系。在滲透率主控因素分析基礎(chǔ)上,建立了綜合考慮儲(chǔ)層埋深、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)的常壓、覆壓滲透率計(jì)算模型,并提出了利用覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性的方法,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 儲(chǔ)層物性特征

研究區(qū)中生界儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙度低,主要發(fā)育次生孔隙和微裂縫,常規(guī)物性分析孔隙度與滲透率關(guān)系復(fù)雜。以該區(qū)塊鄰近4口井中生界主要目的層系K1和J3段為例,4口井平面距離非常接近,最大井距只有8 km,最小井距僅有1.38 km,但由于4口井分別位于不同的斷塊,同一層位儲(chǔ)層縱向埋深差異非常大,同一層位4口井的埋深差異高達(dá)400～1 500 m,如此大的埋深差異加劇了孔隙度滲透率關(guān)系的復(fù)雜性,使得該地區(qū)儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)更為困難。

由目標(biāo)區(qū)中生界6口井常規(guī)物性分析的孔隙度—滲透率交會(huì)圖得到3點(diǎn)認(rèn)識(shí):①絕大部分巖心孔隙度小于15%,滲透率低于10 mD*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,為典型的低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層;②不同井之間的孔隙度—滲透率關(guān)系存在明顯差異;③同一井孔隙度—滲透率相關(guān)性也比較差,相同孔隙度其滲透率最高差別能夠達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢娧芯繀^(qū)中生界儲(chǔ)層為典型低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層,且孔隙度與滲透率關(guān)系非常復(fù)雜,利用常規(guī)物性分析孔隙度來計(jì)算滲透率以及利用常規(guī)物性分析的孔隙度與滲透率關(guān)系開展儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)難度較大。

2 滲透率主控因素分析

不同埋深儲(chǔ)層上覆地層壓力不同,對(duì)儲(chǔ)層物性影響程度亦不同[5-7]。為分析儲(chǔ)層縱向埋深差異是否為影響目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層孔隙度滲透率關(guān)系的主控因素,選取了2井和4井2口井同一層位,不同埋深儲(chǔ)層共計(jì)53塊巖樣,開展了不同壓力狀態(tài)下巖心孔隙度、滲透率測(cè)量,對(duì)比孔隙度、滲透率在不同壓力狀態(tài)下的變化情況,分析儲(chǔ)層埋深對(duì)儲(chǔ)層物性影響程度。

2井選取巖樣埋深在2 340 m左右,測(cè)井計(jì)算上覆地層壓力為48 MPa,地層孔隙壓力為23 MPa,地層凈覆壓為上覆地層壓力減去地層孔隙壓力[8],為25 MPa;4井選取巖樣埋深在3 686 m左右,測(cè)井計(jì)算上覆地層壓力為76 MPa,地層孔隙壓力為36 MPa,地層凈覆壓為40 MPa。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法:首先測(cè)量常壓狀態(tài)下(不添加外加圍壓)巖樣孔隙度、滲透率;然后添加外加圍壓5 MPa,測(cè)量外加圍壓狀態(tài)下孔隙度、滲透率;逐步遞增外加圍壓達(dá)到15、25、30、35、40、45 MPa模擬不同埋深儲(chǔ)層的凈覆壓,分別測(cè)量外加圍壓狀態(tài)下孔隙度、滲透率。

圖1顯示了不同埋深巖樣孔隙度隨外加圍壓變化的變化情況。圖1(a)顯示了53塊巖樣中12塊巖樣孔隙度隨外加壓力的變化情況,藍(lán)色線代表2井6塊巖樣,紅色線代表4井6塊巖樣。由圖1(a)孔隙度隨外加圍壓變化趨勢(shì)可見,隨著外加圍壓的增加,孔隙度降低。埋深淺的巖樣(2井)孔隙度隨壓力變化呈三段式變化。在5 MPa之內(nèi),孔隙度隨壓力變化趨勢(shì)最快;5～25 MPa之間,孔隙度隨壓力變化趨勢(shì)迅速變緩;大于25 MPa時(shí),孔隙度隨著壓力變化非常緩慢,基本保持穩(wěn)定。

埋深深的巖樣(4井)孔隙度隨壓力變化呈四段式變化。在5 MPa之內(nèi),孔隙度隨壓力變化趨勢(shì)最快;5～15 MPa之間,孔隙度隨壓力變化趨勢(shì)變緩,但其變化趨勢(shì)要大于埋深淺的巖樣;15～25 MPa之間,孔隙度隨壓力變化趨勢(shì)進(jìn)一步變緩;大于25 MPa時(shí),孔隙度隨著壓力變化非常緩慢,基本保持穩(wěn)定。

圖1 不同埋深巖樣孔隙度隨外加圍壓變化關(guān)系圖

由圖1可見,當(dāng)外加圍壓與地層凈覆壓相當(dāng)時(shí)(2井25 MPa,4井40 MPa),孔隙度基本保持不變,此時(shí)得到的孔隙度基本上能夠反映地層條件下的真實(shí)孔隙度,為覆壓孔隙度。圖1(b)為2口井53塊巖樣常壓條件下測(cè)量的孔隙度與覆壓條件下孔隙度對(duì)比圖,其中橫坐標(biāo)為常壓孔隙度(不加圍壓),縱坐標(biāo)為覆壓孔隙度(加圍壓,2井25 MPa,4井40 MPa)?？梢姼矇嚎紫抖日w低于常壓孔隙度,不同埋深儲(chǔ)層,覆壓孔隙度與常壓孔隙度之間的變化趨勢(shì)是一致的,說明正常壓實(shí)以后,埋深的變化對(duì)孔隙度影響不明顯。

圖2 不同埋深巖樣滲透率隨外加圍壓變化關(guān)系圖

圖2顯示了不同埋深巖樣滲透率隨外加圍壓變化的變化情況。圖2(a)顯示了53塊巖樣中12塊巖樣滲透率隨外加壓力的變化情況,藍(lán)色線代表2井6塊巖樣,紅色線代表4井6塊巖樣。由圖2(a)滲透率隨外加圍壓變化趨勢(shì)可見,隨著外加圍壓的增加,滲透率降低,且埋深淺的巖樣滲透率隨壓力變化趨勢(shì)與埋深深巖樣存在明顯差異。

埋深淺的巖樣(2井)滲透率隨壓力變化類似于孔隙度呈三段式變化。在5 MPa之內(nèi),滲透率隨壓力變化趨勢(shì)最快;5～25 MPa之間,滲透率隨壓力變化趨勢(shì)迅速變緩;大于25 MPa時(shí)(相當(dāng)于巖樣埋深凈覆壓),滲透率隨著壓力變化非常緩慢,基本保持穩(wěn)定。

埋深深的巖樣(4井)滲透率隨壓力變化關(guān)系與埋深淺巖樣明顯不同。在25 MPa之內(nèi),滲透率隨壓力變化迅速降低;25～40 MPa之間,滲透率隨壓力變化趨勢(shì)變緩;大于40 MPa時(shí)(相當(dāng)于巖樣埋深凈覆壓),滲透率隨著壓力變化非常緩慢,基本保持穩(wěn)定。

由圖2可知,當(dāng)外加圍壓小于地層凈覆壓時(shí),滲透率隨著外加圍壓增加而降低,當(dāng)外加圍壓達(dá)到地層凈覆壓時(shí),隨著外加圍壓增加,滲透率變化不明顯,基本保持穩(wěn)定,此時(shí)得到的滲透率基本上能夠反映地層條件下的真實(shí)滲透率,為覆壓滲透率。

圖2(b)為2口井53塊巖樣常壓條件下測(cè)量的滲透率與覆壓條件下滲透率對(duì)比圖,其中橫坐標(biāo)為常壓滲透率(不加圍壓),縱坐標(biāo)為覆壓滲透率(加圍壓,2井25 MPa,4井40 MPa),可見覆壓滲透率整體低于常壓滲透率,不同埋深儲(chǔ)層,覆壓滲透率與常壓滲透率之間的關(guān)系存在較大差異,埋藏越深,差異越大,說明埋深對(duì)儲(chǔ)層滲透率影響明顯。

除埋深之外,孔隙結(jié)構(gòu)也是控制滲透性非常關(guān)鍵的因素。圖3(a)顯示了某井同一層位常壓孔隙度與滲透率關(guān)系圖,可見即使在同一口井、同一埋深儲(chǔ)層,孔隙度相同時(shí),其滲透率也存在較大差別,相同孔隙度,滲透率差異最高可以達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)。為分析滲透率差異原因,選取相同孔隙度巖樣分別進(jìn)行壓汞毛細(xì)管壓力測(cè)量,分析其微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)滲透率的影響。

圖3(b)顯示了圖3(a)中1、2、3號(hào)巖樣的壓汞孔喉半徑分布微分曲線,可見雖然3塊巖樣孔隙度基本一致,但是其孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯差異,小孔徑部分信息越多,束縛流體信息越多,滲透率越低(見3號(hào)巖樣),大孔徑部分信息越多,可動(dòng)流體體積越多,滲透率越高(見1號(hào)巖樣),孔隙結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響儲(chǔ)層滲透性。所以在進(jìn)行儲(chǔ)層滲透率解釋模型建立時(shí),必須綜合考慮孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層埋深的影響。

圖3 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)孔隙度滲透率關(guān)系影響示意圖

圖4 常壓滲透率與常壓孔隙度、束縛水飽和度關(guān)系圖

3 滲透率計(jì)算方法研究

3.1 常壓滲透率計(jì)算

由滲透率主控因素分析可知,儲(chǔ)層滲透率除了受孔隙度控制之外,同時(shí)還受儲(chǔ)層埋深、孔隙結(jié)構(gòu)等多因素共同制約。根據(jù)目的儲(chǔ)層埋深繪制目標(biāo)區(qū)6口井常壓孔隙度—滲透率關(guān)系圖。其中1、2、5、6井目標(biāo)儲(chǔ)層埋深較淺,在2 200～2 700 m井段之間,3、4井目標(biāo)儲(chǔ)層埋藏較深,在3 000～3 700 m井段之間;將埋藏較淺的1、2、5、6井劃分為同一區(qū)域,將埋藏較深的3、4井劃分為另一區(qū)域[見圖4(a)]可見1、2、5、6井區(qū)的常壓滲透率與孔隙度關(guān)系基本一致,3、4井區(qū)的常壓滲透率與孔隙度關(guān)系基本一致;在利用常壓孔隙度建立常壓滲透率計(jì)算模型時(shí),必須分?jǐn)鄩K建模來體現(xiàn)儲(chǔ)層埋深的差異。通過優(yōu)選目標(biāo)區(qū)塊各種孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與常壓滲透率對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn),針對(duì)目標(biāo)區(qū)塊,巖樣飽和水離心甩干以后得到的束縛水飽和度與常壓滲透率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系最好[見圖4(b)],且在孔隙結(jié)構(gòu)各種微觀特征參數(shù)中,束縛水飽和度可以直接利用核磁共振測(cè)井得到,故可以選用束縛水飽和度來表征孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行常壓滲透率建模。綜合考慮儲(chǔ)層埋深、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)滲透率的影響,建立了分區(qū)域的常壓滲透率與孔隙度、束縛水飽和度關(guān)系,具體計(jì)算公式為

3+4井區(qū)

(1)

1+2+5+6井區(qū)

(2)

式中,K為常壓滲透率;φE為有效孔隙度;Swi為束縛水飽和度。

3.2 覆壓滲透率計(jì)算

將圖4(a)中的常壓孔隙度、滲透率替換為覆壓孔隙度、滲透率,得到圖5(a),可見模擬地層壓力條件下的覆壓孔隙度、滲透率已經(jīng)考慮儲(chǔ)層埋深對(duì)孔隙度、滲透率的影響,不同埋深儲(chǔ)層的覆壓孔隙度—滲透率已經(jīng)不再分區(qū),均集中到同一趨勢(shì)線上,且覆壓孔隙度—滲透率關(guān)系明顯優(yōu)于常壓孔隙度—滲透率關(guān)系。利用覆壓孔隙度進(jìn)行覆壓滲透率建模時(shí),不需要再考慮埋深的影響,不同埋深斷塊可以建立統(tǒng)一的覆壓滲透率模型。同樣優(yōu)選了目標(biāo)區(qū)塊各種孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與覆壓滲透率對(duì)應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)仍然是束縛水飽和度與覆壓滲透率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系最好[見圖5(b)]。建立了統(tǒng)一的覆壓滲透率與孔隙度、束縛水飽和度關(guān)系,具體計(jì)算公式為

(3)

式中,φF為覆壓孔隙度;KF為覆壓滲透率;Swi為束縛水飽和度。

實(shí)驗(yàn)室得到的巖心覆壓孔隙度與常壓孔隙度關(guān)

圖5 覆壓滲透率與覆壓孔隙度、束縛水飽和度關(guān)系圖

系存在非常好的相關(guān)性,在生產(chǎn)應(yīng)用中可以利用核磁共振測(cè)井獲得常壓孔隙度、束縛水飽和度[9],利用常壓孔隙度獲取覆壓孔隙度[見式(4)],然后利用覆壓孔隙度、束縛水飽和度獲得覆壓滲透率。

(4)

式中,φF為覆壓孔隙度;φC為常壓孔隙度。

圖6 不同類別儲(chǔ)層孔隙度滲透率交會(huì)圖

4 儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)方法探討

為建立目標(biāo)區(qū)塊中生界低孔隙度低滲透率儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),首先根據(jù)試油產(chǎn)液量情況將目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層分為3類:不需通過壓裂措施改造即可獲得一定自然產(chǎn)能的儲(chǔ)層定義為Ⅰ類儲(chǔ)層(油層);沒有自然產(chǎn)能,但通過壓裂措施改造能夠獲得一定產(chǎn)能的儲(chǔ)層定義為Ⅱ類儲(chǔ)層(差油層);通過壓裂措施改造仍然不能獲得一定產(chǎn)能的儲(chǔ)層定義為Ⅲ類儲(chǔ)層(干層)。在通過試油將儲(chǔ)層分類的基礎(chǔ)上,建立不同類型儲(chǔ)層巖心分析常壓、覆壓孔隙度—滲透率交會(huì)圖來探索儲(chǔ)層有效性。圖6(a)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層巖心常壓孔隙度—滲透率交會(huì)圖,可見Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層孔隙度滲透率分布點(diǎn)混合在一起,部分Ⅲ類儲(chǔ)層巖心滲透率比Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層還要高,利用常壓孔隙度、滲透率很難準(zhǔn)確將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層區(qū)分開來。圖6(b)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層巖心覆壓孔隙度—滲透率交會(huì)圖,可見在該圖上,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層的孔隙度滲透率分布范圍存在明顯差異,利用覆壓孔隙度、滲透率可以有效評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的滲透性。為有效利用覆壓孔隙度、滲透率來描述儲(chǔ)層有效性,將覆壓條件下孔隙度與滲透率的乘積定義為覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù),并應(yīng)用該指數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià),具體計(jì)算

表1 儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)表

公式為

PK=φF·KF

(5)

結(jié)合試油與巖心分析建立目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

圖7 物性參數(shù)計(jì)算及儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)成果圖

5 應(yīng)用效果分析

將建立的儲(chǔ)層常壓、覆壓滲透率計(jì)算模型、儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)中,取得了良好的應(yīng)用效果。圖7為目標(biāo)區(qū)塊3口井同一層段利用本文建立的模型計(jì)算得到的常壓、覆壓滲透率、覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù)與巖心分析結(jié)果對(duì)比及儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)成果圖。

圖7中第1道為深度道,第2～5道為測(cè)井曲線道,第6道為常壓孔隙度對(duì)比道,第7道為常壓滲透率對(duì)比道,第8道為覆壓孔隙度對(duì)比道,第9道為覆壓滲透率對(duì)比道,第9道儲(chǔ)層有效性分類道。由圖7見,雖然3口井儲(chǔ)層埋深差異較大,其中1井儲(chǔ)層埋深在2 340 m左右,2井儲(chǔ)層埋深在3 240 m左右,3井儲(chǔ)層埋深在3 690 m左右;但本文方法計(jì)算的常壓孔隙度、滲透率、覆壓孔隙度、滲透率與巖心分析結(jié)果一致性很好,說明本文建立的滲透率計(jì)算模型應(yīng)用效果良好。

從儲(chǔ)層有效性判別來看,1、2井計(jì)算常壓滲透率基本一致,在0.2～0.3 mD之間,3井常壓滲透率要高于1、2井,最高值達(dá)到0.8 mD,如果根據(jù)常壓滲透率來描述儲(chǔ)層有效性,3井滲透性要優(yōu)于1、2井;但從覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù)得到的儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)來看,結(jié)論與上述認(rèn)識(shí)完全相反,1井滲透性最好,覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù)大部分在0.5以上,2井次之,覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù)介于0.09～0.5之間,3井最差,大部分低于0.09。

根據(jù)儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將1井1、2號(hào)層解釋為Ⅰ類儲(chǔ)層,1井3號(hào)層、2井4號(hào)層解釋為Ⅱ類儲(chǔ)層,3井5號(hào)層解釋為Ⅲ類儲(chǔ)層。對(duì)3口井試油,1井1～3號(hào)層、2井4號(hào)層試油后有油產(chǎn)出,3井5號(hào)層試油后為干層。3口井試油結(jié)果與覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果一致,說明本文方法有效。

6 結(jié) 論

(1) 在埋深差異較大的復(fù)雜斷塊油氣藏中,由于儲(chǔ)層埋深差異的影響,不同埋深儲(chǔ)層,常規(guī)物性分析的孔隙度—滲透率關(guān)系存在明顯差異,必須分不同埋深儲(chǔ)層分別建立滲透率計(jì)算模型;傳統(tǒng)的利用常規(guī)物性分析得到的孔隙度、滲透率在儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)方面面臨較大難題。

(2) 覆壓孔隙度、滲透率是模擬地層壓力條件下測(cè)量得到的孔隙度、滲透率;覆壓孔隙度、滲透率在測(cè)量時(shí)已經(jīng)考慮了儲(chǔ)層埋深的影響,在覆壓滲透率建模時(shí)不用再考慮儲(chǔ)層埋深對(duì)儲(chǔ)層物性的影響,可以建立統(tǒng)一的覆壓滲透率計(jì)算模型,且利用覆壓孔隙度、滲透率得到的覆壓孔隙度滲透率綜合指數(shù)能夠很好地描述儲(chǔ)層有效性。

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