火山巖油氣藏開發(fā)研究進(jìn)展

王錦文，屈亞光，薛釗

（1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.河北華北油田友信勘探開發(fā)服務(wù)有限公司，河北 任丘 062552）

隨著石油勘探開發(fā)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各個(gè)地方先后發(fā)現(xiàn)新的火山巖裂縫油藏，人們對(duì)于這類特殊的油藏也越來越關(guān)注?，F(xiàn)階段探明的火山巖油藏，分布30 多個(gè)國家，共計(jì)300 多個(gè)火山巖油氣藏，如墨西哥的 Fubero 油氣藏、阿根廷的Pampa-Palau 油氣藏、日本的吉京-東琦氣藏等。在我國，先后在二連、渤海灣、黃沙坨、準(zhǔn)噶爾等地發(fā)現(xiàn)了大量火山巖油氣儲(chǔ)層，雖然取得了不錯(cuò)的成就，但是火山巖油藏比較復(fù)雜，初始產(chǎn)量高但是遞減速度很快。關(guān)于火山巖油氣藏的勘探在國外已有120年的歷史，而我國在勘探開發(fā)技術(shù)方面還不夠完善，對(duì)此類油氣藏的系統(tǒng)研究也相當(dāng)對(duì)缺乏，正因如此，火山巖油藏在我國具有相當(dāng)?shù)臐摿烷_發(fā)前景。

1 火山巖的巖性識(shí)別方法

1.1 利用測井資料識(shí)別

陳建文等的研究表明，對(duì)測井資料的多種圖版進(jìn)行研究，是認(rèn)識(shí)火山巖巖性的簡單有效的辦法。首先通過取芯井段、薄片鑒定及相關(guān)的錄井資料來研究層段的火山巖類型，做出不同種類的測井曲線交會(huì)圖版，在圖版上找出各巖性的差異，通過建立相應(yīng)的參數(shù)識(shí)別方程，來對(duì)火山巖巖性進(jìn)行識(shí)別[1]。這里需要注意的是，不同地區(qū)，其火山巖巖性差異巨大，所以對(duì)于不同地區(qū)的火山巖，要對(duì)其編織出適合的巖性交會(huì)圖版，這樣才能更好地解決該地區(qū)的實(shí)際問題。

1.2 元素俘獲能譜測井

元素俘獲譜測井儀（ECS），是由BGO 晶體探測器、AmBe 中子源、光電倍增管及高壓放大電子線路所構(gòu)成，其原理是通過AmBe 中子源向底層發(fā)射4 MeV 的快中子，誘發(fā)地層發(fā)生非彈性散射反應(yīng)，同時(shí)釋放伽馬射線，經(jīng)過多次散射中子減速形成熱中子，熱中子被俘獲產(chǎn)生元素的特征俘獲伽馬射線，元素通過釋放伽馬射線回到初始狀態(tài)，用BGO 晶體探測器探測并記錄這些非彈性散射伽馬能譜和俘獲伽馬能譜，再通過對(duì)非彈性伽馬譜的解譜，就可以得到Ca、O、Si、C 等主要造巖元素所含的量，之后通過相應(yīng)的氧化物閉合模型技術(shù)[2]，就可以得到地層礦物的百分比含量，對(duì)于未測量的AI、Mg、Na 等元素，則通過閉合標(biāo)準(zhǔn)化將它們和測量到的元素進(jìn)行聯(lián)系匹配，進(jìn)而由各種元素的豐度或濃度得到黏土礦物、石英、黃鐵礦、云母等含量。ESC 資料能夠直觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)巖性，且操作簡單方便，當(dāng)用ESC 資料結(jié)合其他測井資料時(shí)，能夠較為準(zhǔn)確地測定儲(chǔ)層孔隙度，并且有效確定流體性質(zhì)，ESC 針對(duì)那些組成差異明顯但是結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顏色差異不大的巖石巖性具有非常好的識(shí)別效果，并且其在工程和地質(zhì)領(lǐng)域上，也發(fā)揮著重要的作用。

1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

潘拓[3]等通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在準(zhǔn)克爾盆地進(jìn)行了相應(yīng)的火山巖巖性識(shí)別，準(zhǔn)確地得到了巖性數(shù)據(jù)，有效解決了當(dāng)?shù)匮芯繀^(qū)測井識(shí)別巖性的問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別包括BP 網(wǎng)絡(luò)和SOM 網(wǎng)絡(luò)。如果有較多的火山巖資料時(shí)，可以用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其原理是通過誤差的正向傳播與信號(hào)的逆向傳播對(duì)各層權(quán)矩陣不斷修改，而這不斷修改的過程，也就是網(wǎng)絡(luò)不斷識(shí)別的過程，并且一直進(jìn)行直到誤差減少至可接受的范圍或者到設(shè)定的學(xué)習(xí)次數(shù)為止[4]。SOM 則是在火山巖資料較少時(shí)，能夠獲得不錯(cuò)識(shí)別率的另一種網(wǎng)絡(luò)方法，其原理是通過對(duì)輸入模式的不斷學(xué)習(xí)，找出各個(gè)輸入模式中的特征，對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)。

此外還有模糊數(shù)學(xué)法、測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)分析法等，但是考慮到各個(gè)地區(qū)的火山巖差異較大，任何一種識(shí)別方法都有其自身的適應(yīng)性和局限性，所以應(yīng)該結(jié)合實(shí)際采用多種方法對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，這樣才能對(duì)火山巖巖性具有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。

2 儲(chǔ)層裂縫預(yù)測

2.1 地震預(yù)測方法

地震預(yù)測的方法能覆蓋更廣的范圍，探測更深的地層，因此在實(shí)際應(yīng)用中也是最多的。地震資料因?yàn)榉直媛实脑?，無法準(zhǔn)確、全面地獲取裂縫相關(guān)參數(shù)，但是對(duì)于尺度相對(duì)較大裂縫能夠有效地進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測[5]。地震預(yù)測方法有很多，根據(jù)采集和處理要求的不同，可以選用不同的方法。

2.1.1 橫波分裂檢測法

Granmpim 經(jīng)過無數(shù)次的研究與實(shí)驗(yàn)，證明了橫波分裂是普遍存在的。在不同性質(zhì)介質(zhì)中，當(dāng)裂縫發(fā)育方向跟橫波偏振方向發(fā)生斜交時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直裂縫方向和平行裂縫方向這兩個(gè)分量，垂直方向的分量即橫波分量速度較慢（慢橫波VS1），平行方向分量橫波分量較快（快橫波VS2），這樣的現(xiàn)象就稱為橫波分裂現(xiàn)象[6]，如圖1 所示。

圖1 橫波分裂示意圖

不同的裂縫屬性（方向、填充類型和密度）、發(fā)育程度會(huì)導(dǎo)致VS1 和VS2 產(chǎn)生差異，所以，可以根據(jù)VS1 和VS2 的區(qū)別程度從而獲取裂縫的相關(guān)參數(shù)（方位、發(fā)育程度和有效性）。當(dāng)不同性質(zhì)介質(zhì)層位復(fù)雜且方位角出現(xiàn)差異時(shí)，橫波分裂相關(guān)資料的收集和使用都會(huì)變得較為復(fù)雜，且此方法成本較高，導(dǎo)致相關(guān)應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展較慢[7]。

2.1.2 多波多分量地震檢測方法

現(xiàn)階段大部分是通過縱波震源啟動(dòng)，地震資料采集儀獲取轉(zhuǎn)換波，轉(zhuǎn)換波相比較于橫波，其勘探深度更深，信噪比更高，頻帶更寬，將所得數(shù)據(jù)加工處理后能夠得到轉(zhuǎn)換橫波和縱波相關(guān)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)能夠很好地反映儲(chǔ)層特性、裂縫信息和地下流體相關(guān)特性[8]。多波多分量地震檢測法相比較一般縱波勘探，其對(duì)數(shù)據(jù)的要求更高，所以相應(yīng)成本會(huì)更高。

2.2 地質(zhì)類比方法

首先將地質(zhì)露頭裂縫和巖心進(jìn)行分析、描述，然后編制相關(guān)圖件（如玫瑰花圖、等密度圖）來研究優(yōu)勢(shì)方位，這種方式分析裂縫有效且直接，對(duì)不同種類和成因的裂縫都能適用[9]。盡量選擇與實(shí)驗(yàn)區(qū)域地質(zhì)特性類似的野外露頭地帶，探究裂縫發(fā)育規(guī)律，將露頭區(qū)研究的裂縫規(guī)律應(yīng)用在覆蓋區(qū)裂縫上。此方法要求對(duì)露頭區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的構(gòu)造性、構(gòu)成演化史及巖石力學(xué)有相當(dāng)?shù)难芯?，所以?yīng)盡量選用具有相同構(gòu)造的地區(qū)內(nèi)的單元。

2.3 井壁成像測井

井壁成像測井技術(shù)能將裂縫通過高分辨率以二維圖像呈現(xiàn)出來，這樣既能夠判斷裂縫發(fā)育層區(qū)、確定裂縫類型，又可以對(duì)裂縫相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量測算[10]，這對(duì)于儲(chǔ)層裂縫的確定和后期開發(fā)能夠提供很好的指導(dǎo)效果。對(duì)于低滲透致密儲(chǔ)層和巖性復(fù)雜的儲(chǔ)層，成像測井技術(shù)能夠有效地對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，且能夠解決薄互層、薄層識(shí)別相關(guān)的難題。正是因?yàn)槠涓呔?、高分辨率，這也導(dǎo)致了其成本很高，無法覆蓋整個(gè)地區(qū)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中需要通過鉆井巖心和成像測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)完成相應(yīng)刻度，這樣才能夠更好地確定和預(yù)測裂縫。

2.4 DFN 模型裂縫建模新技術(shù)

離散裂縫網(wǎng)絡(luò)（DFN）模型是將三維空間中不同裂縫片構(gòu)成裂縫網(wǎng)格集團(tuán)從而實(shí)現(xiàn)整體的裂縫模型，將裂縫系統(tǒng)從幾何形態(tài)發(fā)展到滲流行為的精確真實(shí)描述，如圖2 所示。

圖2 DFN 離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型

這種三維的裂縫儲(chǔ)層模型不僅能夠很好地反映裂縫的發(fā)育規(guī)律，也能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，它是通過將各類裂縫資料（鉆井、示蹤劑、測井、地應(yīng)力等等）由相應(yīng)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)建模而成，因?yàn)槠浼s束條件較多，所以其更能反映實(shí)際狀況[11]。但是這種方法同樣存在許多問題，例如裂縫自身的隨機(jī)性，導(dǎo)致裂縫的方位、密度很難確定，同時(shí)建模也會(huì)因?yàn)槿藶橐蛩禺a(chǎn)生誤差。

此外還有常規(guī)測井法、疊前地震數(shù)據(jù)體（AVO）分析法、古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬預(yù)測裂縫等，不同裂縫預(yù)測方法適用于不同情況，實(shí)際操作中要根據(jù)裂縫類型、主控因素和成因選用適合的預(yù)測法，結(jié)合使用多種方法來滿足勘探需要。

3 火山巖油藏的開發(fā)

3.1 井網(wǎng)部署

火山巖油藏儲(chǔ)層橫向變化快，連通性差，單井產(chǎn)能差異大。如果產(chǎn)能規(guī)模較大，一般選用稀井網(wǎng)、井距大的模式，其單井配產(chǎn)過高，且能保持的穩(wěn)定時(shí)間很短，總體采出程度較低。因此，這類油藏一般不采用“稀井高產(chǎn)”的井網(wǎng)部署模式[12]。

在開發(fā)火山巖油藏時(shí)，對(duì)于認(rèn)識(shí)程度較為欠缺的油藏，采用“一次成型”的井網(wǎng)部署方式存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。為了更好的開發(fā)效益，并且盡可能降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取“邊開發(fā)、邊評(píng)價(jià)、井間逐次加密、井網(wǎng)多次成型”的井網(wǎng)部署方式[11]。在全局部署的原則下，根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)條件，優(yōu)先部署具備區(qū)塊評(píng)價(jià)性質(zhì)、稀疏的基礎(chǔ)井網(wǎng)。通過不斷追蹤研究，循序漸進(jìn)地對(duì)井網(wǎng)進(jìn)行加密部署，使井網(wǎng)多次成型，這樣既能有效降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，又能不斷井間加密從而保持相對(duì)穩(wěn)產(chǎn)。

3.2 火山巖油藏的注水開發(fā)

世界各地大部分火山巖油藏自身的天然能量嚴(yán)重匱乏，通常情況下油田初期采取衰竭方式開采，其壓力、產(chǎn)量下降迅速，需要人為補(bǔ)充地層能量[13]。但是，注水補(bǔ)充地層能量發(fā)生水淹的風(fēng)險(xiǎn)很大，采用注水開發(fā)的火山巖油藏的成功率不高，且注水效果也相對(duì)較差，所以對(duì)于注水開采火山巖油藏，需要謹(jǐn)慎對(duì)待。分析火山巖油藏注水效果差的原因：對(duì)于油水井之間發(fā)育連通好的裂縫，注水會(huì)迅速導(dǎo)致水竄水淹；裂縫發(fā)育但連通較差的，注入水會(huì)在油井處壓力逐漸降低，同時(shí)注水井與采油井之間的壓力差也會(huì)逐漸增大（例如轉(zhuǎn)抽后），此時(shí)就出現(xiàn)微裂縫破裂導(dǎo)通，導(dǎo)致油井快速水淹；對(duì)于裂縫不發(fā)育的，不管如何注水，生產(chǎn)井都不會(huì)有任何注水反映。但不能因此否定火山巖油藏的注水開發(fā)方式，事實(shí)證明，只要采用適合的注水方式、注水時(shí)機(jī)、注采比及注水周期[14]（例如間斷注水）等，火山巖油藏注水開發(fā)仍是一個(gè)比較有效改善開發(fā)效果、提升開發(fā)水平的方法。下邊以黃沙坨油田為例進(jìn)行說明[15]。

1）調(diào)整注采比，通過將小10-16、小18-26 兩個(gè)井組的注采比由原來的1.5 調(diào)整至1.2，日配注水量由294 m3調(diào)整至135 m3，調(diào)整后的井組，含水量穩(wěn)定且上升速度得到控制，有效緩解了底水的錐進(jìn)。

2）調(diào)整生產(chǎn)井，調(diào)整注水流向。將4 口高含水油井（小10-14、小13-10、小15-27、小23）采用間關(guān)間，同時(shí)將先前關(guān)井的小16-30 開井生產(chǎn)，注水波及體積擴(kuò)大，注入水的地下滲流方向改變。通過壓力監(jiān)測和示蹤劑監(jiān)測顯示，此舉有效恢復(fù)了地層壓力，由注水前的 17.9 MPa 上升至現(xiàn)在的21.2 MPa，接近油藏飽和壓力。

3.3 火山巖油藏的注氣開發(fā)

1976年，伊朗開始對(duì)Haft-Kel 裂縫性油藏實(shí)施注氣開發(fā)，注水后油水界面高度快速下降，注水時(shí)期的采收率為16%，注氣后采收率升至32%，注氣開發(fā)使得原油采收率大幅提升。常規(guī)的注水開發(fā)火山巖油藏，因?yàn)槠鋬?chǔ)層具有強(qiáng)非均質(zhì)性，導(dǎo)致穩(wěn)產(chǎn)期短、遞減速度快、水竄水淹嚴(yán)重[16]，一次實(shí)際開發(fā)中開發(fā)效果不理想，采收率較低，所以人們開始對(duì)注氣開發(fā)進(jìn)行相關(guān)研究[17]。影響注氣開發(fā)效果的因素有儲(chǔ)層傾斜角、原油黏度、儲(chǔ)層非均質(zhì)性、油藏壓力和溫度。現(xiàn)階段只要有二氧化碳、烴氣、氮?dú)饧八? 種注入介質(zhì)[18]，經(jīng)過相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，二氧化碳的開發(fā)效果要優(yōu)于烴氣和氮?dú)?。同時(shí)需要考慮注氣的位置（底部、中部、頂部），選用適合的注氣量和注入速度，注氣的方式有脈沖注氣和連續(xù)注氣[19]。

3.4 火山巖油藏的泡沫開發(fā)

王璐[20]等設(shè)計(jì)了兩種泡沫配方體系SD-4、SD-5，有效解決了大慶外圍低滲透油田所發(fā)生的嚴(yán)重氣竄，并且泡沫有效地改善了吸氣剖面，使得平均日產(chǎn)油由原來的1.2 t 上升至1.8 t，且產(chǎn)量穩(wěn)定，油井產(chǎn)物中的CO2含量和汽油比都大幅降低。氮?dú)馀菽驗(yàn)槠渚哂懈唣ざ瓤晒┻x擇地對(duì)目標(biāo)高滲層進(jìn)行封堵，現(xiàn)已成為一種新興采油技術(shù)。通過注入起泡劑，產(chǎn)生大量氮?dú)獾耐瑫r(shí)，不僅可以保證地層壓力的充足，還能有效減緩底水的錐進(jìn)，控制油井含水率。起泡劑的種類有PCS、HZ-1、ABS 等，不同種類起泡劑氣泡能力和穩(wěn)泡能力都有所不同，要根據(jù)實(shí)際情況選用不同的起泡劑，例如溫度較高時(shí)，ABS 相比較HZ-1 表現(xiàn)的更好[21]，而當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，HZ-1 的穩(wěn)泡時(shí)間時(shí)間更長。不同的起泡劑的耐鹽性也有所差別，在高礦化度的情況下，PCS和ABS 穩(wěn)泡性較差，通常選用能保持較長半析水期且較大氣泡體積的HZ-1。

4 結(jié) 論

火山巖的組成成分、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且相關(guān)薄片資料及元素測井資料不全，想要對(duì)其充分認(rèn)識(shí)難度較大，這也是當(dāng)前火山巖研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，可以利用測井資料識(shí)別、元素俘獲能譜測井、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，此外還有模糊數(shù)學(xué)法、測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)分析法等進(jìn)行研究，但是考慮到各個(gè)地區(qū)的火山巖差異較大，任何一種識(shí)別方法都有其自身的適應(yīng)性和局限性，所以應(yīng)該結(jié)合實(shí)際采用多種方法對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，這樣才能對(duì)火山巖巖性具有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。

火山巖油藏從認(rèn)識(shí)到開發(fā)，時(shí)間較短，開發(fā)難度較大，目前火山巖油藏開發(fā)初期主要采用衰竭方式開采，其壓力、產(chǎn)量下降迅速，需要人為補(bǔ)充地層能量。但是，注水補(bǔ)充地層能量發(fā)生水淹的風(fēng)險(xiǎn)很大，采用注水開發(fā)的火山巖油藏的成功率不高，且注水效果也相對(duì)較差。只要采用適合的注水方式、注水時(shí)機(jī)、注采比及注水周期（例如間斷注水）等，火山巖油藏注水開發(fā)仍是一個(gè)比較有效改善開發(fā)效果、提升開發(fā)水平的方法，具體做法如下。

1）利用現(xiàn)有的資料，對(duì)油藏初期的開采進(jìn)行精細(xì)的描述，研究油藏的非達(dá)西滲流規(guī)律。

2）盡可能地用多種方法來選擇合理產(chǎn)量，減少水竄水淹的發(fā)生，將產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)年限盡量保持較好的平衡。

3）及時(shí)追蹤油井動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行及時(shí)的注水調(diào)整、不同區(qū)域間的變化注采、改變注水流的方向，對(duì)間斷注水地域探究合理的規(guī)律。

4）保持現(xiàn)有的穩(wěn)定注水實(shí)驗(yàn)井組，積極開發(fā)非穩(wěn)定井組，這樣能夠?qū)ψ⑺Ч懈玫恼J(rèn)識(shí)，進(jìn)而獲得合理的注采比，確定注水方式。

對(duì)于油藏裂縫的預(yù)測，地質(zhì)類比法是最直觀、有效的方法，可以定量地計(jì)算裂縫參數(shù)，但與實(shí)際油田開發(fā)的需求有所差距，需盡量在相似區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造單元進(jìn)行裂縫預(yù)測。成像測井技術(shù)能夠有效地對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，且能夠解決薄互層、薄層識(shí)別相關(guān)的難題。正是因?yàn)槠涓呔取⒏叻直媛?，這也導(dǎo)致了其成本很高，無法覆蓋整個(gè)地區(qū)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中需要通過鉆井巖心和成像測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)完成相應(yīng)刻度。地震預(yù)測法覆蓋空間廣，勘探深度足，缺點(diǎn)是分辨率較低，預(yù)測數(shù)據(jù)具有多解性，無法精確獲得裂縫數(shù)據(jù)。