深層致密砂礫巖儲層滲透率計算方法

姜偉,魏璞,王志維,刁志龍,盧紅剛,王長江

(1.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依834000;2.中國石油新疆油田公司石西采油廠,新疆克拉瑪依834000;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院,陜西西安710077)

0 引 言

滲透率是決定儲層能否產(chǎn)出流體的主要因素,是油藏描述和剩余油定量描述的關(guān)鍵參數(shù),也是石油資源評價的主要參數(shù),因此,儲層滲透率的計算在油田探勘開發(fā)中起著十分重要的作用[1-5]。但是目前沒有一種常規(guī)的電纜測井方法可以直接測量滲透率[2,6-7],也沒有一種方法可直接計算滲透率[8]。滲透率的計算一般通過建立其他巖石物理參數(shù)與滲透率的模型,將測井方法直接測量的儲層參數(shù)轉(zhuǎn)換為滲透率[9-10]。因此,滲透率的研究一直是石油工作者關(guān)注的重要課題[2-3,6-17]。

砂礫巖儲層的顯著特點是孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng),砂礫巖儲層滲透率的計算是石油勘探領(lǐng)域的難題[10,18],針對砂礫巖儲層滲透率的計算開展了較多研究。高博禹等[12]針對礫巖和砂礫巖儲層,分別采用孔隙度和自然電位幅度變化建立了蒙古地區(qū)礫巖油藏的滲透率關(guān)系式;張麗艷[13]在分巖相的基礎(chǔ)上,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,建立砂礫巖儲層滲透率模型;羅水亮等[14]在沉積相約束下,利用孔隙度和粒度中值多元回歸,建立滲透率解釋模型;陳科貴等[11]分別建立了基于孔隙度和粒度中值回歸的滲透率模型和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的滲透率模型;潘軍等[15]在分巖性的基礎(chǔ)上,建立關(guān)于孔隙度和黏土含量的滲透率計算模型;張沖[16]在巖相劃分、孔隙結(jié)構(gòu)特征分析等基礎(chǔ)上,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計算砂礫巖儲層滲透率。這些研究中,油藏深度大多在3 000 m以內(nèi),少數(shù)在淺層800 m以內(nèi)[11];在儲層類型上,主要是針對高孔隙度、中高滲透率的砂礫儲層[11-14],少數(shù)針對低孔隙度、低滲透率的砂礫儲層[15-16];在研究方法上,都是在巖性分類法基礎(chǔ)上,再結(jié)合多元回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。而超過3 500 m的致密砂礫巖油氣儲層,不僅巖性變化快、物性更差,而且孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、非均質(zhì)性更強(qiáng)。目前,中國深層致密砂礫巖油氣潛力比較大,但研究成果主要在地質(zhì)方面[17-21]。新疆油田瑪湖凹陷瑪南地區(qū)上烏爾禾組砂礫巖油藏埋藏深度在3 100～5 000 m,主要分布在3 500～4 800 m,是新疆油田近年來增儲上產(chǎn)的熱點。本文針對瑪南地區(qū)上烏爾禾組油藏地質(zhì)特征,在分析影響滲透率的因素基礎(chǔ)上,提出了基于流動單元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法評價致密砂礫巖儲層滲透率,在實際應(yīng)用中提高了滲透率的測井解釋精度,為新疆油田深層致密砂礫巖油藏勘探開發(fā)提供更為可靠的依據(jù)。

1 儲層地質(zhì)特征及影響滲透率的地質(zhì)因素

1.1 儲層地質(zhì)特征

巖性特征。瑪南地區(qū)上烏爾禾組P3w2砂礫巖儲層按巖石顆粒大小分為細(xì)礫巖、小中礫巖、大中礫巖、砂巖。其中,細(xì)礫巖為研究區(qū)最主要的巖性,約占52.75%;砂巖(以粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖為主)占18.56%,小中礫巖占18.5%,大中礫巖占10.19%。屬于復(fù)雜巖性砂礫巖儲層。

儲層巖石結(jié)構(gòu)和孔隙類型。根據(jù)巖心實物觀察和鑄體薄片等實驗分析資料(見圖1),研究區(qū)儲層巖石顆粒結(jié)構(gòu)主要為粗粒結(jié)構(gòu)和含礫石支撐結(jié)構(gòu),部分顆粒溶蝕現(xiàn)象顯著,孔隙類型以微小的粒內(nèi)溶孔為主,占比達(dá)69.85%;而連通性較好的粒間孔占比較低(占15.03%);局部發(fā)育少量的微裂縫、收縮縫,占比分別為4.26%和2.98%。這可能是由于儲層埋藏較深、成巖壓實作用比較強(qiáng),導(dǎo)致剩余粒間孔減少。

圖1 瑪南地區(qū)上烏爾禾組P3w2砂礫巖儲層孔隙類型圖

物性特征。根據(jù)375塊巖心儲層物性資料統(tǒng)計,孔隙度主要分布在4%～9%(占87.5%),孔隙度小于10%的樣品占全部樣品的96.5%。實驗室條件下,80.36%的樣品其常規(guī)分析滲透率為(0.5～8.0)×10-3μm2;滲透率小于10×10-3μm2的樣品占81.56%;滲透率大于100×10-3μm2樣品僅占3.1%,這是由于巖心裂縫造成的。該儲層屬于典型的特低孔隙度、特低滲透率儲層(見圖2)。

圖2 瑪南地區(qū)上烏爾禾組P3w2儲層物性統(tǒng)計分布圖

綜上所述,研究區(qū)儲層埋藏深、壓實成巖作用強(qiáng),儲層巖石顆粒粒級分布范圍廣,剩余粒間孔欠發(fā)育,孔隙連通性較差,巖石孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,非均質(zhì)程度很強(qiáng)。

1.2 影響砂礫巖儲層滲透率的地質(zhì)因素

1.2.1孔隙度

根據(jù)巖心儲層物性資料(見圖2)可以看出,在不分巖性時,滲透率和孔隙度相關(guān)性很差。在細(xì)分巖性時(見圖3、表1),對于細(xì)砂巖、小中礫巖、細(xì)礫巖和中砂巖儲層,孔隙度和滲透率呈正相關(guān)關(guān)系,即隨著孔隙度的增大,滲透率也增大。細(xì)砂巖的孔隙度與滲透率的相關(guān)性相對最好,相關(guān)系數(shù)為0.680 5;其次是小中礫巖的孔隙度與滲透率的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.627 3;對于粗砂巖和大中礫巖儲層,隨著巖心的孔隙度增大,滲透率變化并不明顯,其相關(guān)系數(shù)分別為0.195 2、0.145 6。這是由于在埋藏較深的致密砂礫巖儲層中,砂巖類的細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖都具有砂質(zhì)結(jié)構(gòu),但細(xì)砂巖的巖石顆粒更細(xì)、相對更均一,所以孔隙度與滲透率相關(guān)性相對最好。

圖3 瑪南地區(qū)上烏爾禾組P3w2砂礫巖儲層孔隙度—滲透率交會圖

表1 不同巖性的孔隙度(φ)與滲透率(K)的關(guān)系表

粗砂巖的巖心實物觀察和巖石粒度資料顯示,礫巖含量普遍較高,多以含礫粗砂巖為主,具有砂質(zhì)結(jié)構(gòu)和礫質(zhì)結(jié)構(gòu),所以孔隙度與滲透率相關(guān)性最差。礫巖類的大中礫巖、小中礫巖、細(xì)礫巖雖然同時具有礫質(zhì)結(jié)構(gòu)和砂質(zhì)結(jié)構(gòu),但其粗粒結(jié)構(gòu)和含礫石支撐結(jié)構(gòu)有利于孔隙水的流動,促進(jìn)巖石組分溶蝕和粒間溶孔的形成[22],溶蝕作用產(chǎn)生的部分溶蝕孔使孔喉間的連通性變好[23],孔隙結(jié)構(gòu)得以改善,滲透性變好[24-25],所以中小礫巖的孔隙度與滲透率相關(guān)性變得相對更好,其次是細(xì)礫巖。

大中礫巖的粗粒結(jié)構(gòu)和含礫石支撐結(jié)構(gòu),雖然也有利于后期溶蝕孔形成,但其同時擁有最大粒徑的礫石和最小粒徑的細(xì)砂,甚至泥質(zhì),其分選性最差。因此,其孔隙結(jié)構(gòu)不能從根本上得以改善,導(dǎo)致其孔隙度與滲透率相關(guān)性最差。

所以,不同巖性的巖石結(jié)構(gòu)不同,對孔隙度滲透率關(guān)系的影響也不同。這說明,致密砂礫巖儲層的孔隙度與滲透率關(guān)系復(fù)雜,孔隙度不是控制滲透率的唯一因素。

1.2.2 泥質(zhì)含量

根據(jù)研究區(qū)砂礫巖儲層巖心分析泥質(zhì)含量與滲透率資料[見圖4(a)]可見,當(dāng)泥質(zhì)含量在1%～5%時,相同泥質(zhì)含量的巖心樣品滲透率值相差兩個數(shù)量級以上;當(dāng)泥質(zhì)含量小于6%時,隨著泥質(zhì)含量的增加,滲透率變化趨勢不明顯。這是由于剩余粒間孔欠發(fā)育的特低孔隙度致密砂礫巖儲層,在泥質(zhì)含量小且變化較小時,泥質(zhì)含量對滲透率影響也較小。

圖4 瑪南地區(qū)上烏爾禾組P3w2砂礫巖儲層滲透率與泥質(zhì)含量、平均喉道半徑關(guān)系圖

1.2.3孔隙結(jié)構(gòu)

滲透率是衡量儲層滲流特性的主要宏觀定量參數(shù)之一,而孔隙結(jié)構(gòu)則是影響儲層滲流特性的微觀因素[26]。一般認(rèn)為孔隙結(jié)構(gòu)是多孔介質(zhì)中孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其連通性的綜合關(guān)系,主要通過孔喉半徑的均值及分布描述[26]。

巖石的孔隙結(jié)構(gòu)分為孔隙和喉道,一般情況下,巖石孔隙度取決于孔隙的大小和分布,而滲透率則受控于喉道的大小及分布。壓汞得到的最大孔喉半徑、平均孔喉半徑等參數(shù)可直接反映巖樣喉道分布、分選及連通性,因此,壓汞是目前研究孔隙結(jié)構(gòu)比較有效的方法[10]。

根據(jù)上烏爾禾組P3w2致密砂礫巖儲層巖心滲透率與壓汞資料,發(fā)現(xiàn)滲透率與最大孔喉半徑、平均孔喉半徑及分選系數(shù)具有一定的正相關(guān)性。其中,滲透率與平均孔喉半徑的相關(guān)性相對最好[見圖4(b)],其相關(guān)系數(shù)達(dá)0.880 3,說明孔隙的大小并非滲透率的決定因素。真正對滲透率起決定作用的是孔喉半徑大小及其連通性的好壞,平均孔喉半徑越大,連通性越好,滲透率越高。

綜上所述,上烏爾禾組P3w2致密砂礫巖儲層孔隙類型以溶蝕孔為主,不同巖性的孔隙度與滲透率關(guān)系也不同,孔隙大小對滲透率的影響作用減小;而儲層泥質(zhì)含量較低時,對致密砂礫巖儲層影響較小;平均孔喉半徑對儲層滲透率影響最大。由此可見,深層致密砂礫巖儲層的滲透率與孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、巖石結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征都有密切的關(guān)系。而孔隙結(jié)構(gòu)對砂礫巖儲層滲透率的影響,在微觀上主要體現(xiàn)在孔喉半徑對滲透率的控制作用。

2 流動單元-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計算滲透率

2.1 基于流動單元劃分的滲透率計算方法

根據(jù)毛細(xì)管滲流定律和達(dá)西定律,滲透率可表達(dá)為[26]

(1)

式中,K為滲透率,10-3μm2;φe為有效孔隙度,%;r為孔喉半徑,μm;τ為孔喉彎曲因子;Sv為孔喉比表面積,μm-1。

式(1)的關(guān)鍵是加入了孔喉彎曲因子,并使用“孔喉半徑”的概念。孔喉半徑被定義為橫剖面面積和濕潤同界的比值,與比表面積、每一個單元的顆粒體積有關(guān)。Kozeny和Cattmen對式(1)進(jìn)行了完善,得到修正的Kozeny-Catmen理論公式[7]

(2)

根據(jù)修正的Kozeny-Catmen方程,式(2)可轉(zhuǎn)化為

lgIrq=lgφz+lgFzi

(3)

式中,Irq為儲層流動單元指數(shù);φz為儲層品質(zhì)指數(shù);Fzi為儲層孔隙度指數(shù)。

根據(jù)式(3),儲層流動單元指數(shù)由孔喉曲折度、孔喉性質(zhì)幾何因子和孔喉比表面積決定。由此可見,儲層流動單元指數(shù)充分考慮影響流體滲流的孔隙結(jié)構(gòu)特征,是儲層孔喉微觀特征的集中體現(xiàn),比一般常見的多元回歸等滲透率模型更能體現(xiàn)儲層的微觀滲流特征。

2.2 利用取心資料劃分流動單元

根據(jù)滲流能力的差異瑪南地區(qū)流動單元類型劃分為3類:Ⅰ類流動單元、Ⅱ類流動單元、Ⅲ類流動單元(見圖5)。

圖5 上烏爾禾組P3w2深層致密砂礫巖儲層分流動單元的孔隙度—滲透率模型

第Ⅰ類流動單元:0.8>Fzi,從薄片上看出,不但剩余粒間孔、溶蝕孔比較發(fā)育,而且局部可能發(fā)育微裂縫,孔隙之間的喉道較暢通,連通性比較好,壓汞曲線表現(xiàn)為排驅(qū)壓力比較低。這是研究區(qū)內(nèi)最好的流動單元,儲層質(zhì)量好,滲透性強(qiáng)。

第Ⅱ類流動單元:0.45

第Ⅲ類流動單元:Fzi<0.45,從薄片上看,巖石致密,剩余粒間孔與粒間溶孔都不發(fā)育,雜基微孔隙較多,局部發(fā)育較多粒內(nèi)溶蝕微孔,孔隙之間的喉道不暢通,連通性差,壓汞曲線表現(xiàn)為排驅(qū)壓力比較高。儲層物性最差,流體在難以流動類流動單元。

每一類流動單元都具有相同的滲流特性,因此,在流動單元劃分的基礎(chǔ)上,分類建立滲透率模型可取得很好的效果。利用研究區(qū)的巖心分析資料,用每一類流動單元回歸公式計算滲透率:第Ⅰ類流動單元回歸公式見式(4),第Ⅱ類流動單元回歸公式見式(5),第Ⅲ類流動單元回歸公式見式(6)。

K=0.0006φe4.2192,R2=0.8725

(4)

K=0.0002φe3.4972,R2=0.8209

(5)

K=0.0001φe2.8563,R2=0.6637

(6)

2.3 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)劃分流動單元

在劃分流動單元、建立了相應(yīng)的滲透率模型后,利用測井資料劃分流動單元可以分為3步:主成分分析、通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫、利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練及判斷。

主成分分析。為了建立樣本庫,要選擇很多測井曲線。但變量太多無疑會增加分析問題的難度與復(fù)雜性,而且在許多實際問題中,多個變量之間具有一定的相關(guān)關(guān)系。因此,主成分分析就是在研究各個變量相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上,用較少的變量代替原來較多的變量,使它們盡可能多地保留原來較多的變量所反映的信息,并保持彼此之間的獨(dú)立性。

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫。巖心分析數(shù)據(jù)經(jīng)過測井校深后,每一個巖心數(shù)據(jù)深度所對應(yīng)的各種測井?dāng)?shù)據(jù)都可以被提取出來,選擇與流動單元相關(guān)性高的測井曲線參數(shù)x1、x2、x3、…、xi建立訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)庫;然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立流動單元與測井曲線之間的映射關(guān)系。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練及判斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個具有學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng),首先要以一定的準(zhǔn)則進(jìn)行學(xué)習(xí),然后才能工作。一般利用貝葉斯判別方法判斷所屬的流動單元類型,式(7)給出了一組測井曲線某個流動單元i出現(xiàn)的條件概率

(7)

式中,P(ui/x)為某個測井?dāng)?shù)值對應(yīng)的流動單元i的概率(i=1,2,…,Nu),無量綱;Nu為利用巖心數(shù)據(jù)劃分的流動單元數(shù),無量綱;p(ui)為一組測井曲線流動單元i出現(xiàn)的條件概率,無量綱;f(x/ui)為所給水力學(xué)單元對應(yīng)某組測井?dāng)?shù)值出現(xiàn)的概率,無量綱;x為某個測井曲線值,隨測井曲線而定;ui為流動單元數(shù)。

表2為相關(guān)系數(shù)矩陣,可以看出,與Fzi相關(guān)性較好的測井曲線是補(bǔ)償密度、深電阻率、淺電阻率、中子孔隙度、聲波時差等測井曲線。

表2 相關(guān)系數(shù)矩陣

對建立的標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練及交叉檢驗,經(jīng)過多次學(xué)習(xí)得到全局最優(yōu)解,形成流動單元判別的標(biāo)準(zhǔn)映射。通過利用樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢,發(fā)現(xiàn)自檢符合率總體達(dá)到86%以上,滿足解釋要求。

圖6 深層致密砂礫巖儲層巖心滲透率與測井解釋滲透率對比圖

3 應(yīng)用效果

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練成果,對本研究區(qū)塊的6口取心井(排除巖心在加工過程中出現(xiàn)微裂隙或裂紋的數(shù)據(jù)點)進(jìn)行了處理分析。圖6為利用流動單元計算的滲透率結(jié)果與巖心分析滲透率交會圖,可以看到,計算的滲透率與巖心分析滲透率吻合很好,基本上都落在交會圖中45°線的附近,絕對誤差大多數(shù)控制在一個數(shù)量級以內(nèi),完全滿足生產(chǎn)需要。

4 結(jié) 論

(1)對于深層致密砂礫巖儲層,泥質(zhì)含量不是影響滲透率的主要地質(zhì)因素。這可能是多種原因造成的:儲層巖石壓實成巖作用強(qiáng),造成粒間孔大量減少,儲層微孔隙類型主要以次生溶蝕孔為主,所以泥質(zhì)含量對儲層滲透率影響作用小;儲層孔隙度小,而且泥質(zhì)含量低且變化也小,對滲透率影響不是很大。

(2)對于深層致密砂礫巖儲層,微觀孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲層的主控因素。

(3)由于考慮了微觀孔隙結(jié)構(gòu)影響,特別是孔喉半徑等,流動單元法在評價滲透率方面具有一定的優(yōu)勢?；诳紫督Y(jié)構(gòu)的流動單元-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合技術(shù),實現(xiàn)了利用常規(guī)測井資料有效劃分儲層流動單元,在此基礎(chǔ)上分類計算滲透率,取得了很好的效果。