致密砂巖氣藏滲透率定量評(píng)價(jià)新方法及應(yīng)用
——以東海陸架盆地西湖凹陷X氣藏為例

夏 瑜 陳 浩 姚鋒盛 單理軍 劉創(chuàng)新

中海石油(中國)有限公司上海分公司

0 引言

近幾年隨著東?？碧介_發(fā)程度的提高，非常規(guī)的低孔低滲油氣藏已成為東海重要的油氣資源之一，是當(dāng)前勘探開發(fā)的重中之重，也是測(cè)井評(píng)價(jià)的主要對(duì)象。由于該類儲(chǔ)層比較特殊，埋藏深且非均質(zhì)性強(qiáng)，巖石的孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使得在研究過程中傳統(tǒng)孔滲關(guān)系評(píng)價(jià)方法適用性不佳，同時(shí)低孔滲儲(chǔ)層受到多因素的影響導(dǎo)致測(cè)井響應(yīng)不能完全反映儲(chǔ)層性質(zhì)，這些難點(diǎn)制約著低滲儲(chǔ)層的測(cè)井評(píng)價(jià)[1-2]。為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)和開發(fā)低滲砂巖氣藏，識(shí)別具有商業(yè)價(jià)值、可開采氣藏，需要開展致密砂巖氣藏測(cè)井評(píng)價(jià)。在低滲砂巖氣藏中滲透率評(píng)價(jià)是核心問題，前人也對(duì)此做過相應(yīng)研究：劉芬霞等人結(jié)合粒度中值、巖石比表面積和束縛水的方法來計(jì)算滲透率[3]；焦翠華等綜合分析了復(fù)雜儲(chǔ)層滲透率的影響因素，建立了基于流動(dòng)單元指數(shù)分類的滲透率模型[4]；陳志強(qiáng)等利用核磁測(cè)井資料計(jì)算出連續(xù)的流動(dòng)單元指數(shù)，再根據(jù)流動(dòng)單元指數(shù)分類計(jì)算滲透率[5-6]。但這些分類方法只是單一的基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)流動(dòng)單元指數(shù)進(jìn)行分類，沒有結(jié)合巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)特征分析。在前人研究的基礎(chǔ)上，基于能反映孔隙微觀結(jié)構(gòu)的巖心壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)各類結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類，并計(jì)算各類儲(chǔ)層巖心流動(dòng)單元指數(shù)，將不同類型的儲(chǔ)層分類和流動(dòng)單元指數(shù)分類進(jìn)行相互驗(yàn)證，使得儲(chǔ)層分類更加精確，然后利用KNN算法計(jì)算儲(chǔ)層段的流動(dòng)單元指數(shù)，建立不同類型儲(chǔ)層滲透率的預(yù)測(cè)模型；該方法在孔隙結(jié)構(gòu)分類的基礎(chǔ)上能提高低滲儲(chǔ)層滲透率計(jì)算精度，取得較好的應(yīng)用效果，在X氣藏具有較好的適用性。

1 X氣藏儲(chǔ)層特征及孔隙結(jié)構(gòu)分類

X氣藏位于東海陸架盆地西湖凹陷中央洼陷—反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶，漸新統(tǒng)花港組下段H8層，儲(chǔ)層類型主要是細(xì)砂質(zhì)中砂巖和中砂質(zhì)細(xì)砂巖，砂巖類型主要為長石巖屑質(zhì)石英砂巖，少量長石質(zhì)石英砂巖和巖屑質(zhì)石英砂巖（圖1）。砂巖碎屑顆粒含量較高，填隙物含量低，碎屑組分中石英含量60%～78%，長石含量10%～20%，巖屑含量12%～20%，砂巖成分成熟度中等。碎屑顆粒分選中等—好，磨圓次棱—次圓，砂巖結(jié)構(gòu)成熟度中等；孔隙度滲透率低，孔隙結(jié)構(gòu)次生溶蝕孔隙為主，兼有原生粒間孔隙（圖2）。巖心化驗(yàn)分析H8層孔隙度分布在6%～14%，滲透率主要分布在0.15～1.00 mD，總體為低孔低滲，部分低孔特低滲特征，具有孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是比較典型的特低滲致密砂巖氣藏。從巖心分析的孔滲數(shù)據(jù)來看相同孔隙度條件下儲(chǔ)層滲透率差異很大，低孔低滲儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)是由于微觀孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致[7-9]。

不同物性儲(chǔ)層的孔喉大小、分布及連通性不同，且滲流特征存在很大的差異，導(dǎo)致巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同。X氣藏H8層有豐富的巖心化驗(yàn)分析資料，可利用反映孔隙結(jié)構(gòu)的壓汞法毛細(xì)管壓力實(shí)驗(yàn)資料對(duì)儲(chǔ)層分類進(jìn)行研究。毛細(xì)管壓力曲線不僅是孔喉半徑分布和孔隙體積的函數(shù)，也是孔喉連接方式的函數(shù)，更是孔隙度、滲透率和飽和度的函數(shù)，通過壓汞法取得的毛管壓力資料和鑄體薄片是孔隙結(jié)構(gòu)分布及相關(guān)參數(shù)的主要來源[10]。能夠表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征的毛細(xì)管壓力曲線的定量特征參數(shù)有：排驅(qū)壓力、中值壓力、中值半徑和最大連通孔喉半徑等，這些參數(shù)直接反映了儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的好壞[11-14]。

圖1 西湖凹陷X氣藏H8層砂巖碎屑組分三角圖

圖2 西湖凹陷X氣藏A井H8層孔隙特征圖

圖3 不同類型儲(chǔ)層壓汞曲線圖

分析X氣藏H8層巖心壓汞曲線圖（圖3），根據(jù)壓汞曲線形態(tài)可以將孔隙結(jié)構(gòu)分為三類，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類依次由好變差，Ⅰ類儲(chǔ)層壓汞曲線形態(tài)平臺(tái)緩，滲透率在0.31～1.50 mD之間，孔隙度在9.0%～11.1%之間，平均孔喉半徑為0.18 μm，最大孔喉半徑平均值為0.87 μm，排驅(qū)壓力小于0.1 MPa，中值壓力小于0.5 MPa；II類儲(chǔ)層壓汞曲線形態(tài)平臺(tái)較緩，滲透率在0.10～0.35 mD之間，孔隙度在8.1%～8.8%之間，平均孔喉半徑為0.11 μm，最大孔喉半徑平均值為0.68 μm，排驅(qū)壓力介于0.1～0.2 MPa之間，中值壓力介于0.5～0.8 MPa之間；Ⅲ類壓汞曲線形態(tài)平臺(tái)較緩，滲透率小于0.1 mD，孔隙度小于8.5%，平均孔喉半徑為0.065 μm，最大孔喉半徑平均值為0.36 μm，排驅(qū)壓力大于0.2 MPa，中值壓力大于0.8 MPa。

2 不同孔隙結(jié)構(gòu)流動(dòng)單元指數(shù)劃分

流動(dòng)單元是具有相似滲流特征的儲(chǔ)集單元[15]?？紫督Y(jié)構(gòu)直接制約儲(chǔ)層的流動(dòng)性，不同孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層代表不同的流動(dòng)單元，在眾多流動(dòng)單元?jiǎng)澐值姆椒ㄖ?，流?dòng)單元指數(shù)具有定量識(shí)別和劃分的特點(diǎn)，流動(dòng)單元對(duì)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性描述有一定意義[16-18]，結(jié)合壓汞資料劃分儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)類型對(duì)低孔低滲儲(chǔ)層的滲透率評(píng)價(jià)更精確[19-20]。

根據(jù)Kozeny-Carman方程：

式中K表示滲透率，mD；表示有效孔隙度；Hc表示結(jié)構(gòu)性能常數(shù)。

因沉積物非均質(zhì)性的影響，孔隙彎曲度、形狀系數(shù)變化很大，還因膠結(jié)作用、孔隙粗糙程度及其他因素的影響，Hc變化很大。

定義油藏品質(zhì)指數(shù)：

定義孔隙體積與顆粒體積之比：

流動(dòng)單元指數(shù)：

對(duì)式（5）兩邊取對(duì)數(shù)：

式中IFZ表示流體單元指數(shù)，無量綱，IRQ表示油藏品質(zhì)指數(shù)，無量綱，φz表示標(biāo)準(zhǔn)化孔隙度，無量綱。

由式（6）可知在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，油藏品質(zhì)指數(shù)與φz具有線性相關(guān)性，相近流動(dòng)單元指數(shù)均分布在同一趨勢(shì)線附近，且具有相同的孔喉特征，屬于同一流動(dòng)單元（圖4）。

通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣品的流動(dòng)單元指數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同孔隙結(jié)構(gòu)流動(dòng)單元指數(shù)分布范圍不同（圖5），根據(jù)前面研究將儲(chǔ)層劃分為三類，這三類儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)不同流動(dòng)單元且對(duì)應(yīng)不同的流動(dòng)單元指數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)Ⅰ類儲(chǔ)層的流動(dòng)單元指數(shù)介于0.5～0.8，Ⅱ類儲(chǔ)層的流動(dòng)單元指數(shù)介于0.3～0.5，Ⅲ儲(chǔ)層的流動(dòng)單元指數(shù)小于0.3。

綜合前文巖心壓汞曲線的分類方法以及流動(dòng)單元指數(shù)的分布范圍，得出不同類型儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分布范圍，具體參數(shù)詳見表1。

圖4 巖心標(biāo)準(zhǔn)化孔隙度與油藏品質(zhì)指數(shù)關(guān)系圖

圖5 巖心流動(dòng)單元指數(shù)與滲透率關(guān)系圖

3 KNN算法計(jì)算儲(chǔ)層流動(dòng)單元指數(shù)

KNN(K-Nearest Neighbor)算法是一個(gè)理論上比較成熟的分類方法，也是最簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一[21]。該方法原理是依據(jù)鄰近k個(gè)樣本的多數(shù)類別來確定待分樣本類別，前提是這k個(gè)樣本都已正確進(jìn)行了分類。根據(jù)前文分析流動(dòng)單元指數(shù)數(shù)劃分為三類，采用KNN算法是比較合理的。

取心段的流動(dòng)單元指數(shù)根據(jù)以上公式可以計(jì)算得到，如何獲得未取心井段的流動(dòng)單元指數(shù)？從反映巖石物理性質(zhì)的測(cè)井曲線入手，建立取心段流動(dòng)單元指數(shù)與測(cè)井曲線之間的關(guān)系后應(yīng)用到未取心儲(chǔ)層段，從而得到未取心段的流動(dòng)單元指數(shù)。

表1 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分類表

流動(dòng)單元指數(shù)是反映流動(dòng)單元的一個(gè)參數(shù)，流動(dòng)單元和孔隙結(jié)構(gòu)直接掛鉤，測(cè)井曲線里能間接反映孔隙結(jié)構(gòu)的曲線主要有自然伽馬、中子、密度、聲波時(shí)差曲線；通過構(gòu)建巖心段流動(dòng)單元指數(shù)和測(cè)井曲線之間的關(guān)系，根據(jù)KNN算法得到目的層段的流動(dòng)單元指數(shù)。圖6中左起第四道黑色線為KNN算法計(jì)算的流動(dòng)單元指數(shù)，紅色桿狀圖為巖心分析計(jì)算的流動(dòng)單元指數(shù)，兩者吻合較好。

4 滲透率建模及應(yīng)用

4.1 流動(dòng)單元指數(shù)分類方法

前面研究得到I類、II類和III類儲(chǔ)層的流動(dòng)單元指數(shù)分類范圍，計(jì)算出每塊巖心的流動(dòng)單元指數(shù)進(jìn)行分類，把同一儲(chǔ)層類型的樣品點(diǎn)孔隙度和滲透率進(jìn)行回歸[22]，可以得到不同流動(dòng)單元的滲透率模型（圖7），計(jì)算公式如下所述：

I類流動(dòng)單元（0.5＜IFZ≤0.8）：

II類流動(dòng)單元（0.3＜IFZ≤0.5）：

III類流動(dòng)單元（IFZ≤0.3）：

有效孔隙度采用本區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式[23]進(jìn)行計(jì)算，采用中子——密度交會(huì)法，計(jì)算的公式為：

圖6 KNN算法計(jì)算儲(chǔ)層流動(dòng)單元指數(shù)示例圖

圖7 不同流動(dòng)單元滲透率模型圖

4.2 傳統(tǒng)孔滲關(guān)系方法

傳統(tǒng)的孔滲關(guān)系方法是將巖心分析的孔隙度和滲透率統(tǒng)一回歸線性關(guān)系（圖8），本區(qū)同一孔隙度下滲透率變化范圍較大，用傳統(tǒng)方法回歸的經(jīng)驗(yàn)公式如式（14），從式中看出該公式的相關(guān)性不好，可能導(dǎo)致滲透率計(jì)算不準(zhǔn)確。

圖8 傳統(tǒng)孔滲關(guān)系方法滲透率模型圖

圖9是X-1井H8層兩種方法計(jì)算滲透率與巖心滲透率對(duì)比圖，圖中左起第7道為中子密度曲線計(jì)算的孔隙度，與巖心分析的孔隙度相匹配，左起第6道為傳統(tǒng)孔滲關(guān)系計(jì)算的滲透率與巖心滲透率對(duì)比曲線，左起第5道為流動(dòng)單元指數(shù)分類方法計(jì)算的滲透率與巖心滲透率對(duì)比曲線，看出流動(dòng)單元指數(shù)分類方法計(jì)算的滲透率與巖心分析的滲透率吻合較好，圖10為滲透率精度分析圖，可以看出傳統(tǒng)孔滲關(guān)系方法計(jì)算的滲透率偏高，且偏離中心趨勢(shì)線稍遠(yuǎn)，但流動(dòng)單元指數(shù)方法計(jì)算的滲透率分布在3倍誤差線附近；統(tǒng)計(jì)X-1井及X-A2井（共107塊樣品）巖心分析以及2種方法計(jì)算的滲透率數(shù)據(jù)（表2），流動(dòng)單元指數(shù)法計(jì)算的滲透率誤差平均值為31.3%，絕對(duì)誤差平均值為0.06 mD；傳統(tǒng)孔滲關(guān)系方法計(jì)算的滲透相對(duì)誤差平均值為124.8%，絕對(duì)誤差平均值為0.17 mD；由此得出該方法較傳統(tǒng)孔滲關(guān)系計(jì)算的滲透率精度更高，更接近巖心分析滲透率，且平均絕對(duì)誤差有較大的提高，滿足氣藏精細(xì)評(píng)價(jià)的需求。

圖9 X-1井H8層兩種方法計(jì)算滲透率與巖心滲透率對(duì)比圖

圖10 流動(dòng)單元指數(shù)方法計(jì)算滲透率精度分析圖

5 結(jié)論

1）致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性特征，壓汞資料和流動(dòng)單元指數(shù)相結(jié)合可以更準(zhǔn)確的劃分不同孔隙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層，通過研究將本區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層分成三類，對(duì)應(yīng)三種流動(dòng)單元，I類儲(chǔ)層（0.5＜IFZ≤0.8），II類儲(chǔ)層（0.3＜IFZ≤0.5），III類儲(chǔ)層（IFZ≤0.3）。

2）在分析取心段測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系的基礎(chǔ)上結(jié)合KNN算法，能較精確的計(jì)算出非取心段的流動(dòng)單元指數(shù)，針對(duì)不同流動(dòng)單元進(jìn)行滲透率模型建立。

3）利用流動(dòng)單元指數(shù)分類的方法計(jì)算的滲透率比傳統(tǒng)孔滲關(guān)系方法計(jì)算滲透率精度高，滲透率絕對(duì)誤差由0.17降低到0.06，更接近巖心分析滲透率，說明該方法在研究區(qū)適用性較好，解決了該區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層滲透率評(píng)價(jià)的難題；在后續(xù)的勘探開發(fā)工作中，該方法的應(yīng)用能夠獲取更加準(zhǔn)確的地層參數(shù)，降低致密砂巖氣藏勘探開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 滲透率計(jì)算精度分析表