深層致密砂巖氣藏有效儲層的分類評價方法

趙 軍 ，吳博深，武延亮，陳偉中，趙新建

1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都610500

2.陜西延長石油集團有限責任公司采氣一廠，陜西 延安716000

3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒841000

引言

近年來，深層、超深層致密氣藏已成為中國油氣勘探的熱點領域。目前，針對超深層致密氣藏有效儲層的識別主要基于孔滲參數(shù)、孔隙結構參數(shù)等宏、微觀物性參數(shù)，并結合試油和生產(chǎn)數(shù)據(jù)評價儲層有效性[1-4]。

姚軍朋等[5]采用K-means 聚類方法，優(yōu)選礦物組分、孔滲參數(shù)、孔隙結構參數(shù)和束縛水飽和度作為儲層分類評價的敏感參數(shù)，將儲層有效性分為4 大類，建立了儲層有效性的分類評價模式。陳國軍[6]針對準噶爾盆地準平地泉組致密儲層，采用核磁T2譜構建偽毛管曲線并計算孔隙結構參數(shù)，據(jù)此優(yōu)選敏感參數(shù)，結合測試產(chǎn)能建立了儲層評價標準。閆建平等[7]利用核磁資料建立了T2譜與孔隙結構類型的對應關系，進而利用核磁共振測井識別孔隙結構類型，為致密低滲儲層的有效識別提供的了依據(jù)。郝以嶺等[8]提出了基于核磁測井的滲透率計算模型，并在此基礎上建立儲層的分類標準和有效性評價方法。唐軍等[9]利用斯通利波滲透率、反射系數(shù)對塔里木盆地致密砂巖儲層的有效性進行了分析，確立了研究區(qū)致密氣藏的分類劃分方法。除此之外，肖承文等[10]還從影響儲層致密性的力學機制出發(fā)，分析儲層有效性與有效應力和水平應力的關系，提出了利用水平地應力差和有效應力比等巖石力學參數(shù)評價儲層有效性的方法。

這些方法確定的有效儲層分類標準都是在大量統(tǒng)計的基礎上得出的，需要有大量代表性的巖芯分析數(shù)據(jù)為前提，同時，確定的下限和標準往往是固定不變的。

上述方法都未考慮處于不同埋深條件下的儲層的成巖演化及油氣充注成藏條件的差異而引起的有效儲層分類標準的不同。而根據(jù)油氣運移成藏機制，在一定埋深條件下，只有當油氣的驅替力（浮力）大于儲層的臨界毛管壓力的時候，油氣才能充注到儲層中去。隨著埋深的變化，儲層的臨界毛管壓力也是變化的，因此，油氣充注成藏的有效儲層界限也是變化的[11-22]。根據(jù)這一思想，本文通過油氣成藏過程中毛管壓力對油氣成藏的控制作用，分析儲層與相鄰泥巖孔喉半徑的大小及其比值，評價致密儲層與相鄰泥巖之間毛管壓力的差異性及其與儲層產(chǎn)能之間的關系，利用反映毛管壓力差異性的孔喉比參數(shù)及其與產(chǎn)能的匹配關系，建立致密砂巖有效儲層的判別標準，以此指導克拉蘇西部深層氣藏“甜點”儲層的目標優(yōu)選。

1 區(qū)域地質背景

克拉蘇西部地區(qū)位于天山南麓與塔北隆起之間，庫車拗陷克拉蘇構造帶西端，是一個以中、新生界沉積為主的前陸盆地，其主要目的層位于白堊系（圖1）。

圖1 研究工區(qū)區(qū)域構造圖Fig.1 Regional structure diagram of the study area

該研究區(qū)氣藏埋深普遍超過6 000 m，受埋深、多期構造、成巖等因素的影響，白堊系巴什基奇克組砂巖段巖芯孔隙度最小0.90%，最大11.63%，平均約為4.26%，其中，孔隙度大于8.00% 的樣品僅占總體的8.15%（圖2a）；滲透率最小0.001 mD，最大27.500 mD，平均約為0.436 mD，滲透率大于1.000 mD 的樣品僅占總體的6.82%（圖2b），屬于典型的深層致密砂巖儲層。

圖2 研究區(qū)目的層段物性分布直方圖Fig.2 Histogram of physical property distribution in the target interval of the study area

對此類致密砂巖儲層中有效儲層的識別與分類是油氣勘探的關鍵。

2 砂泥孔喉比的確定

相鄰巖層之間由于巖石孔喉喉道半徑之間的差異性，導致兩者之間存毛管壓力差，孔喉半徑之間的差異性越大，毛管壓力差就表現(xiàn)得越明顯，油氣通過的能力就越小[23-25]。因此，儲蓋之間毛管壓力差是衡量聚集油氣及儲層有效性的基本條件。

由油層物理可知，巖石的毛管壓力通常與兩相之間的界面張力和接觸角以及喉道半徑密切相關，由毛管壓力理論可推得毛管壓力計算公式為

式中：pc—毛管壓力，MPa；

σ—表面張力，N/m；

r—孔喉半徑，μm；

θ—接觸角，（°）。

對于相鄰的砂泥巖地層，由于σ 和θ 大致相同，根據(jù)毛管壓力公式，它們毛管壓力的比值只與各自的孔喉半徑有關，即

式中：

pcsh—泥巖的毛管壓力，MPa；

pcsd—砂巖的毛管壓力，MPa；

rsd—砂巖的孔喉半徑，μm；

rsh—泥巖的孔喉半徑，μm。

因此，砂巖與泥巖的毛管壓力比值就可以轉換為兩者的孔喉半徑比值。砂泥巖孔喉半徑比值越大，砂巖中越容易聚集油氣。

根據(jù)研究區(qū)儲層86 塊壓汞資料分析表明，砂巖的孔喉半徑與孔隙度相關性較好（圖3），利用壓汞數(shù)據(jù)擬合得到砂巖孔喉半徑與孔隙度之間關系為

圖3 砂巖孔隙度與孔喉半徑關系圖Fig.3 Diagram of porosity and radius of pore throat of sandstone

式中：

?—砂巖的孔隙度，%。

對于泥巖層段在正常壓實條件下有效應力與深度具有較好的相關性（圖4），利用研究區(qū)泥巖段的現(xiàn)場有效應力測試數(shù)據(jù)，建立了泥巖的有效應力與深度的經(jīng)驗公式如下

圖4 泥巖段有效應力與深度的關系圖Fig.4 Diagram of effective stress and depth in mudstone section

式中：

pe—泥巖的有效應力，MPa；

H—深度，m。

巖石的壓實作用改變了地層的有效應力，導致巖石孔喉直徑減小，孔隙之間連通程度變壞，儲層的孔、滲變差。因此，有效應力對巖石的孔喉半徑的大小有較大的影響。根據(jù)研究區(qū)3 口井15 個泥巖的壓汞資料，首先，利用公式（4）計算其對應深度的有效應力，然后，與壓汞資料的孔喉半徑擬合，如圖5 所示，得到如下公式

圖5 泥巖有效應力與孔喉半徑關系圖Fig.5 Diagram of effective stress of mudstone and radius of pore throat

利用砂巖和泥巖的孔喉半徑計算公式，分別計算研究區(qū)目的層段砂巖及上部鄰近泥巖的孔喉半徑，將目標層段所有經(jīng)試氣證實的有效儲層和干層的孔喉半徑比值與相應深度做散點圖，如圖6 所示，根據(jù)干層點與有效儲層點在圖中的分布，可以確定出研究區(qū)干層與有效儲層的分布范圍，圖中干層與有效儲層之間存在著一條明顯的界限，該界限值隨深度的增加而緩慢增加。

圖6 砂泥孔喉半徑比與埋深的關系Fig.6 Relationship between hole throat radius ratio and buried depth

根據(jù)該界限值隨深度的變化關系，擬合得出儲、干層的孔喉半徑比界限值隨埋深變化的關系式

同時，對圖6 中比值最大值的包絡線進行回歸擬合，可得最大孔喉半徑比值隨深度變化的關系式

為了定量地表征孔喉半徑比值界限值與最大值之間的有效儲層儲滲性能的好壞，建立孔喉半徑比值指數(shù)RI

式中：RPTc—孔喉半徑比界限值；

—最大孔喉半徑比值；

RI—孔喉半徑比值指數(shù)；

RPT—任意深度點的孔喉半徑比值。

RI值越小，表示蓋儲層孔喉比值越小，說明同深度下儲層的喉道半徑越大，因而，儲層的物性越好。不同類型的儲層RI值分布范圍不同，因此，可以用RI值來劃分不同類型的有效儲層。

3 基于RI值的儲層分類標準

為了將有效儲層合理、客觀地進行分類，考慮以儲層產(chǎn)氣量指標為有效儲層分類劃分依據(jù)，根據(jù)產(chǎn)氣量的大小，按產(chǎn)氣量的相似程度將其劃分為幾大類，最終形成一個可行的分類系統(tǒng)，并用譜圖的方式直觀地展示出來。聚類圖能夠較好地把各元素之間的相似性和分類呈現(xiàn)出來，并通過聚類分析，可定量計算各元素之間的相似程度，從而為儲層分類提供良好的依據(jù)。

具體方法是：先將n個樣品歸為一類，計算n個樣品之間的相似測度，同時合并最小測度的兩個樣品為一類，再根據(jù)一定的聚類法則計算這個類和其余樣品之間的測度，重復上述過程，并始終使并類的測度在系統(tǒng)中保持最小，直到所有樣品都實現(xiàn)了并類。通過上述相似性聚類過程，可將聚類成果以譜圖的形式繪制出來。

聚合歸類時一般應遵循以下原則：（1）數(shù)據(jù)準備，所使用數(shù)據(jù)如果存在量級或單位上的差異，必須對數(shù)據(jù)進行處理和換算，確保聚類數(shù)據(jù)的均衡性；（2）計算各樣品之間的相似測度，將測度最小的兩個樣品合并成一類；（3）計算類間的距離，根據(jù)距離大小合并最小的類，重復并類直到所有類歸為一類截止；（4）聚類圖的繪制，根據(jù)不同的聚類規(guī)則，得出不同的聚類圖。根據(jù)上述思想，將日產(chǎn)氣量，氣層層厚等相關參數(shù)，作為聚類分析的因變量，采用系統(tǒng)聚類的方法，對研究區(qū)42 個井層的試氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行逐級歸類，將儲層劃分為4 個等級（圖7）。

圖7 研究區(qū)儲層產(chǎn)量聚類分析等級劃分樹狀圖Fig.7 Classification tree of cluster analysis in the study area

根據(jù)聚類分析結果，可將研究區(qū)儲層分為如下4 類：I 類儲層單井日產(chǎn)氣大于50.0×104m3，II 類儲層日產(chǎn)氣（10.0～50.0）×104m3，III 類儲層日產(chǎn)氣（0.5～10.0）×104m3，IV 類儲層日產(chǎn)氣小于0.5×104m3，將I～III 類劃為有效儲層，IV 類為干層。利用聚類方法將儲層按試氣產(chǎn)量劃分4 類之后，再根據(jù)建立的散點圖計算出不同類型儲層的孔喉半徑比值指數(shù)RI，將I～III 類有效儲層的RI值做頻率直方圖，如圖8 所示。圖中3 種類型儲層隨RI值依次排列，隨RI值增大，儲層類型依次從III類變化到I 類。

圖8 不同儲層類型的孔喉半徑比值指數(shù)分布圖Fig.8 Distribution of capillary ratio index for different reservoir types

為了合理地確定不同類型之間的界限，根據(jù)統(tǒng)計學思想，當兩個數(shù)據(jù)類的概率分布有相互重疊時，則分區(qū)這兩類的界限應該定在兩類丟失概率之和最小的位置，此時，該位置正好位于兩類概率分布曲線的交會處。按照這一思想，根據(jù)圖中3 種類型儲層RI值的頻率分布曲線的交點確定了各類儲層的RI界限值。據(jù)此，克拉蘇西部地區(qū)白堊系巴什基奇克組儲層分類綜合評價指標如表1 所示。

表1 研究區(qū)目的層段儲層分類綜合評價指標統(tǒng)計表Tab.1 Reservoir classification comprehensive evaluation indexes of target interval in the study area

研究區(qū)致密砂巖儲集層的分類評價指標：I 類儲層，(0.110,1.000]；II 類儲層，(0.015,0.110]；III 類儲層，(0,0.015]；IV 類儲層，RI<0。

4 實際應用及效果檢驗

利用上述方法對研究區(qū)X304 井6 872～7 001 m井段資料進行了計算和處理，并按表1 所確定的分類標準對該井段地層進行了儲層類型劃分，共劃分出儲層34個，其中，I 類層10 個、II 類層15 個、III類層2 個、IV 類層7 個（圖9）。

圖9 研究區(qū)目的層段X304 井儲蓋組合識別儲層類型成果圖Fig.9 Reservoir type identification of Well X304 in the study area

根據(jù)劃分結果，該段儲層以I、II 類儲層為主，含少量的III 類儲層和干層。整體上，儲層品質較好。

該井6 873～6 991 m 進行了測試求產(chǎn)，日產(chǎn)油4.52 m3，日產(chǎn)氣23.23×104m3，試氣結論為氣層。按照試氣產(chǎn)量，該層應該劃分為II 類儲層。綜合對比認為，RI分類結果與測試分類結果基本吻合。說明該儲層分類方法和標準能夠有效地指導研究區(qū)有效儲層類型的劃分。

5 結論

（1）通常利用常規(guī)物性參數(shù)難以準確識別與劃分致密砂巖的有效儲層，采用基于油氣充注成藏理論的孔喉半徑比值法能很好地反映有效儲層界限隨深度變化的趨勢，克服了常規(guī)物性下限值不變所帶來的局限性。

（2）研究區(qū)深層有效儲層孔喉半徑比值的界限值與埋深具有較好的相關性，隨埋深的增加呈指數(shù)規(guī)律緩慢增大。表明有效儲層的界限值并非固定不變的，會隨著壓實程度和后期改造等因素而變化。

（3）利用孔喉半徑比值指數(shù)RI可有效劃分儲層品質。對研究區(qū)測試產(chǎn)量定量分類的基礎上，建立了RI值的有效儲層分類標準，并將有效儲層劃分為I、II、III 類。實際應用表明，克拉蘇西部深層有效儲層以I、II 類為主，III 類儲層相對較少。