储层流动单元研究进展

陈欢庆, 胡永乐, 闫 林, 童 敏

中国石油勘探开发研究院, 北京 100083

储层流动单元研究进展

陈欢庆, 胡永乐, 闫 林, 童 敏

中国石油勘探开发研究院, 北京 100083

从流动单元的概念入手, 结合自身实践, 详细介绍了目前流动单元研究中所使用的沉积学和层序地层、聚类分析、地质建模、物理实验、测井或地震等地球物理方法以及其它多种研究方法, 并简要评述了这些方法的优缺点。同时分析了目前流动单元研究中存在的各种问题, 在此基础上指出了流动单元研究的发展趋势。

流动单元; 储层; 参数; 聚类分析; 地质建模; 动态; 剩余油

流动单元是Hearn等(1984)提出的概念, 定义为一个纵横向连续的, 内部渗透率、孔隙度、层理特征相似的储集带。在该带中, 影响流体流动的地质参数在各处都相似, 并且岩层特点在各处也相似,而不同的流动单元则具有不同的流体流动特征, 因而具有相似的开发动态特征(吴元燕等, 2005)。本质上, 流动单元是具有相似渗流特征的储集单元, 不同的单元具有不同的渗流特征, 单元间界面为储集体内被分隔成若干连通体的渗流屏障界面以及连通体内部的渗流差异“界面”。因此, 流动单元也可定义为储层内部被渗流屏障界面及渗流差异界面所分隔的具有相似渗流特征的储集单元(窦之林, 2000)。

流动单元在深化对储层渗流规律、剩余油分布等认识方面都具有十分重要的作用(魏斌等, 2003),对预测油藏开发生产性能具有十分重要的意义(吴元燕等, 2005), 因此从该概念的提出之始至今, 一直是油气田开发工作者关注的焦点之一。美国经济古生物学家和矿物学家学会 1995年专门出版了第34期短训课程教材——油气储层特征地质格架和流动单元建模(Emily et al, 1995), 其中基于岩心资料通过建立各类型模型分析流动单元的方法为主流的研究方法。国内众多学者也针对流动单元开展了许多富有成果的研究工作(焦养泉等, 1998; 吴胜和等, 1999; 窦之林, 2000; 赵翰卿, 2001, 2002; 刘吉余等, 2002; 魏斌等, 2003; 李阳, 2003; 靳彦欣等, 2004;熊伟等, 2005; 师永民等, 2006; 彭仕宓等, 2007; 朱玉双等, 2008a, b)。

1 流动单元研究的方法

不同研究者的学术背景不同, 研究目的和所掌握的资料也各异, 因此在进行流动单元研究时采用的方法也不相同。笔者结合自身实践, 通过查阅国内外大量的相关文献, 将流动单元研究的方法大致总结为以下几种。

1.1 从沉积、层序的观点出发研究流动单元的方法

从流动单元的概念提出至今, 沉积学、层序地层等理论, 一直在流动单元研究中发挥着十分重要的作用。窦之林(2000)对孤东油田馆陶组河流相储集层流动单元模型与剩余油分布规律进行了研究。马世忠等(2006)以杏南PI4单元远砂坝微相为例, 通过沉积模式研究, 进而实现了单砂体内流动单元的划分。张尚锋等(2002)以泌阳凹陷双河油田为例, 应用高分辨率层序地层学对储层流动单元层次性进行分析。曾大乾等(2002)利用储层非均质性的层次性及流动单元层次性与基准面旋回的相关性, 对东濮凹陷濮城油田沙三上亚段储层流动单元进行了划分。樊继宗等(2006)利用高分辨率层序地层学方法对濮城油田南区沙二上2+3油藏流动单元进行了研究。闫百泉等(2007)以高分辨率、层序地层学指导下的沉积微相研究为基础, 对单砂体内部流动单元进行了评价。姜平等(2008)以琼东南盆地崖1 3-1气田陵三段为例, 对海泛面进行垂向流动单元划分的方法进行了尝试。李国永等(2008)研究了哈得逊地区东河砂岩沉积微相特征及其对流动单元的控制作用。

将沉积和层序等理论应用在流动单元研究工作中, 优点在于研究的成因基础扎实, 缺点是偏定性而定量化程度稍弱, 同时沉积、层序的观点要通过其它研究方法来实现。

1.2 聚类分析等数学方法

聚类分析作为一种定量的流动单元研究方法,目前应用较广。张祥忠等(2002)以CN油田C9井区流动单元研究为例, 提出了基于模糊聚类和模糊识别相结合划分流动单元的新方法。邓玉珍等(2003)采用模糊聚类的方法将胜坨油田沙二段 1砂层组 2小层浅水浊积相储集层划分为 4类流动单元。欧家强(2007)以新疆陆梁油田为例, 运用聚类分析和逐步判别分析相结合的方法, 对流动单元进行了划分。唐衔等(2009)以克拉玛依油田五3中区克下组油藏为例, 提出了基于模糊 C均值聚类模型划分流动单元的方法。笔者曾利用该方法对松辽盆地徐深气田徐东地区的火山岩储层流动单元进行了研究, 将营城组一段火山岩划分为 4种流动单元, 获得了较好的效果(图1)。研究中根据火山岩储层的特点, 首先选择需要进行流动单元划分的参数, 提取钻井岩心分析资料。然后利用SPSS软件对这些参数聚类分析, 进而进行判别分析, 得到判别公式, 利用判别公式, 对非取心井重新精细解释的测井孔隙度和渗透率进行判别, 划分流动单元, 最终完成整个研究区目的层流动单元研究工作。

图1 松辽盆地徐深气田某区火山岩储层流动单元划分剖面图Fig. 1 Section showing division of volcanic reservoir flow units in a certain area of the Xushen gas field, Songliao Basin

除了上述的聚类分析的方法, 在研究流动单元的数学方法中还包括灰色系统理论、神经网络等。谭成仟等(2002)根据流动层带指标、孔隙度、渗透率、泥质含量、粒度中值等参数, 采用灰色系统理论, 将济阳拗陷孤岛油田渤21断块砂岩储层定量划分为5类流动单元。宋子齐等(2007)针对陕北斜坡中部特低渗透储层储集性能和渗流结构差异大、流动层带复杂的特点, 利用灰色系统理论对储层流动单元进行了综合评价。李海燕等(2007)以文72块沙三中为例,应用遗传神经网络研究了碎屑岩储集层流动单元。

上述这些数学方法的优点是可以借助较少的取心井岩心分析资料和研究区其余井的曲线资料, 完成流动单元的定量划分。缺点是对数据的要求较高,对取心井而言, 取心井物性分析数据要尽可能控制整个研究区目的层, 同时应该注意剔除掉一点歧义点, 这样通过聚类和判别分析等数学方法所获得的结论才真实可靠。同时测井曲线要进行重新精细解释, 保证精度达到要求。

1.3 地质建模等方法

地质建模方法在流动单元研究中具有举足轻重的意义, 为最常用的方法之一。焦养泉等(1998)在建立高渗透网络格架模型的基础上对流动单元进行了识别划分。尹太举等(1999)以双河油田为例, 提出基于流动单元曲层次性, 建立流动单元模型。Larue等(2004)通过地质建模的方法, 研究了尼日利亚Meren储层浪控三角洲沉积的流动单元特征, 并分析了剩余油分布规律。张继春等(2005)借助工作站三维地质建模软件Earthvisio, 进行了流动单元四维动态演化仿真模型研究。隋淑玲(2005)利用基于目标的示性点过程算法, 建立了一个注采井组的三维流动单元模型。唐海发等(2007)利用序贯指示模拟方法建立了流动单元的三维地质模型。张枫等(2007)建立了黄骅坳陷唐家河油田流动单元四维地质建模。彭仕宓等(2007)以别古庄油田京 11断块为例, 选用截断高斯模拟方法, 建立了不同含水期流动单元的三维模型,研究了注水开发过程中流动单元的变化, 并结合开发后期剩余油饱和度的计算对剩余油分布进行了预测。唐华风等(2007)通过建立松辽盆地白垩系营城组埋藏火山机构岩相定量模型对储层流动单元特征进行了研究。郑红军等(2008)利用储集层非均质性分维模型研究流动单元。

地质建模的研究方法使得研究者的地质思维与体现在建模软件上的数学分析方法得到了有机统一,使得流动单元的定性分析和定量研究实现了融合。在研究中应该尽量多地合理加入研究者的地质思维,不然就只能成为基于计算机之上的数字游戏。另外,选择适应研究区地质特征的建模软件也是研究者必须慎重考虑的命题。

1.4 各种物理实验方法

物理实验在储层流动单元研究中也发挥着十分重要的作用。赵永胜等(1999)通过大庆油田厚油层矿场试验研究, 对储层流动单元问题进行了探讨。魏斌等(2002)选取高含水期密闭取心井的岩心, 在储集层条件下进行水驱油实验, 对储层流动单元特征及其与剩余油分布的关系进行了研究。熊伟等(2005)根据流动单元渗流特征的定义, 设计了层间非均质实验模型, 利用模拟试验研究了相同水动力条件下不同渗透率级差模型的水驱油渗流规律和水淹规律。通过实验论证, 提出了流动单元划分的渗透率差异指标。在物理实验对流动单元研究中, 西北大学地质学系朱玉双、孙卫等在这方面做了大量的工作(朱玉双等, 2008a, b; 解伟等, 2008)。

笔者等分别在2004和2005年利用真实砂岩微观模型, 对鄂尔多斯盆地延长组长 6油层组低孔、低渗砂岩油气藏流动单元进行了研究。目前这种方法在鄂尔多斯盆地等低孔低渗的砂岩油气藏已广泛应用, 但在碳酸盐和火山岩等其它类型储层的流动单元研究中还较少见, 研究效果还有待进一步的实践检验。

1.5 各种测井或地震等地球物理方法

各种测井和地震等地球物理方法也逐渐被应用到流动单元研究中来。张福明等(2006)探讨了利用测井等定量资料进行流动单元自动分层的方法。王大伟等(2007)指出, 油田开发过程中, 油层内部流体渗流所引起的含油饱和度、流体压力变化以及原油脱气均可导致时移地震资料的差异振幅．时移地震资料可以揭示油层内部渗流的影响, 为划分油藏流体流动单元提供依据。

由于各种地球物理研究方法应用得较少, 因此在流动单元划分中的作用和适应性还有待进一步的开发摸索。

1.6 其它研究方法

除了上述几种研究方法外, 还有下面一些研究方法也被尝试在流动单元研究中使用。刘军海等(2005)以松辽盆地北部大庆油田北 2—350一检 45井中萨、葡、高油层为例, 建立了基于显微图像分析得到的孔隙结构参数划分复杂储层流动单元的方法。师永民等(2006)利用取心井铸体薄片获得的图像资料和毛管压力曲线, 通过图像分形几何学方法以分维数的形式定量地表征了储层微观流动单元特征。李琴等(2007)利用可拓分类法对流动单元进行了研究, 结果使得流动单元的正判率大大提高。李少华等(2007)根据地理信息软件SuperMap二次开发的控件, 采用 VB语言开发了预测储层流动单元平面分布的应用软件, 在涠洲油田取得了较好的效果。白振强等(2008)利用Eclipse数值模拟软件通过理论模型的模拟, 对河流相储层流动单元的划分进行了研究。

流动单元的研究是一项系统工程, 涉及众多因素, 不同研究方法的开发使用, 拓宽了流动单元研究的思路, 提高了流动单元研究的精度, 但不同方法对具体问题的适应性还应该在实践中不断检验和完善。

2 流动单元研究中存在的问题以及发展趋势

2.1 流动单元研究中存在的问题

流动单元作为储层开发研究的重要内容, 虽然目前不同的研究者通过努力, 取得了较大的进展,但还存在较多问题, 笔者总结如下。

①流动单元概念的理解和认识尚不统一。Kramers, Rodriguez(1988), Sllseth(1993), Ti(1995)以及 Scott(1996)认为流动单元是横向上和垂向上连续的、影响流体流动的岩石特征相近的储集岩体, 这里的岩石特征包括岩性特征和物性特征。裘亦楠(1994)认为流动单元是砂体内部建筑结构的一部分,是一个相对概念。穆龙新等(1996)认为流动单元指一个油砂体及其内部因受边界限制, 不连续薄隔挡层,各种沉积微相界面、小断层及渗透率差异等造成的渗流特征一致的储层单元(窦之林, 2000)。目前, 国内外学者对流动单元概念的不统一和认识的不一致,一定程度上限制了流动单元研究的发展。

②流动单元的研究手段略显单薄, 研究的基础和综合性亟待加强。流动单元的研究不仅仅是几个储层性质参数的分类, 科学的研究应该建立在层序地层学、储层沉积学等系统的研究基础之上, 只有在等时层序地层格架内, 在明确了储层成因意义的基础上, 合理选择划分参数, 分析流动单元, 这样才能够得到正确的认识。

③流动单元划分参数的选择。由于不同研究者对流动单元概念和内涵的理解不同, 因此选择划分的参数也不同。靳彦欣等(2004)利用 FIZ(流动分层指标)对流动单元的划分进行了探讨。陈志海等(2007)以烃类流体性质分布的地质响应特征为主, 兼顾油井产状相近、储层物性相似及天然能量类型相同等因素, 将塔河油田奥陶系油气藏缝洞性储层划分为6个流动单元。目前在流动单元划分中, 存在的一种误区, 那就是似乎参数的选择越多越好, 越多越科学。笔者认为, 从流动单元的定义本质而言, 孔隙度和渗透率是最佳的选择, 这两个参数最能反映储层流体流动特征(图2)。过多的参数加入, 有时会导致错误的结果。比如在流动单元划分过程中如果同时加入渗透率和厚度两项参数, 就很有可能导致大厚度低渗透层与小厚度高渗透层可能划为同一流动单元的错误(赵翰卿, 2001)。

④目前流动单元的研究主要集中在碎屑岩划分方面, 其它岩类研究较少。Alden等(1997)对碳酸盐岩石物理流动单元进行了研究。Lucia(1999)对碳酸盐储层岩石物理流动单元特征进行了讨论。Heydari (2000)和 Ehrenberg分别对密西西比州晚侏罗纪Smackover组石灰岩储层的孔隙减小、流体流动和大量迁移等进行了讨论。康志宏等(2006)对塔河缝洞型碳酸盐岩油藏的流动单元进行了定义和划分。郭春华等(2006)以塔河油田为例, 提出了区别于砂岩油藏的缝洞型碳酸盐岩储层流动单元的概念。总体而言, 特别是在国内, 对碳酸盐和火山岩等其它岩类流动单元研究较少, 以后随着油气勘探开发领域向碳酸盐和火山岩等岩类的扩展, 针对其它岩类的流动单元研究也会逐渐增多。

⑤目前在流动单元研究中静态的研究观点多于动态观点。在开发过程中, 储层孔隙结构及渗透率可能发生动态变化, 因而, 储层连通体的渗流差异也会发生相应的变化, 故而流动单元的类型亦会有所变化。因此, 流动单元可视为一个动态的概念(吴元燕等, 2005), 用静态的观点认识和研究流动单元很难与油田的动态开发实践相对应。

图2 松辽盆地徐深气田某区火山岩储层流动单元划分参数的选择和划分结果特征Fig. 2 Results of cluster analysis of volcanic reservoir flow units in a certain area of the Xushen gas field, Songliao Basin

⑥流动单元研究方法和研究成果的应用范围尚需扩大。Stover等(2001)以北墨西哥湾盆地为例, 通过建立二维流体流动模型, 分析了其对油气运移的影响作用。窦松江等(2004)以北大港油田港东地区下第三系河流相沉积储层为例, 通过流动单元划分,预测了剩余油潜力区。焦翠华等(2006)综合分析了复杂储层渗透率的影响因素, 建立了基于流动单元指数分类的渗透率模型。目前流动单元研究的方法和成果主要用于剩余油预测或储层渗透率等物性参数的研究, 成果应用的范围还较窄, 随着流动单元研究的不断深入, 如何更有效地利用这些研究成果,推广流动单元研究, 赋予流动单元研究更强的生命力, 是每一个研究者必须思考的问题。

⑦流动单元的层次划分还很薄弱, 研究精度有待提高。吴胜和等(1999)以吐哈盆地温吉桑一米登油田(简称温米油田)中侏罗统三间房组辫状河三角洲储层为例, 提出了流动单元层次划分的研究思路和方法。流动单元研究分为二个层次, 一是通过高分辨率层序地层学、储层结构分析, 成岩非均质分析、断层封闭性分析确定连通砂体与渗流屏障的分布,二是通过储层质量评价确定连通体内部的渗流差异。石占中等(2003)以黄骅坳陷王官屯油田官 104断块为例, 探讨了辫状河储层流动单元的研究方法,认为储层流动单元研究包括两个层次, 其一为渗流屏障和连通体分析, 其二为渗流差异分析。胡文碹等(2006)把沉积学与储层物性相结合, 从流动单元体系的角度出发, 以临南油田夏52块砂三中段三砂组为例, 在流动单元体系内部划分出流动单元、亚流动单元和渗流区 3个不同层次。目前关于流动单元层次性划分的研究较少, 这不利于流动单元研究精度的提高和研究的深入发展。

⑧流动单元划分结果的验证还没有引起足够的重视, 验证方法有待多元化。对于流动单元划分结果的验证目前所用方法包括真实砂岩微观模型实验、油田现场动态数据验证等。流动单元划分的结果直接影响到剩余油的预测和对生产动态情况的认识, 与生产实践息息相关, 因此应该成为流动单元研究中一项必不可少的重要内容。

2.2 流动单元研究的发展趋势

针对上述目前流动单元研究中存在的问题, 通过大量的文献调研, 结合自身的实践经历, 笔者认为流动单元的研究趋势大致可以分为以下几个方面。

①对流动单元概念和内涵认识的不断深化是流动单元研究最基本的内容之一。认识和理解的逐步统一, 对于流动单元研究方法的选择, 参数的选择等都具有十分重要的意义, 有利于流动单元研究方法和取得成果的推广应用。

②流动单元研究方法和手段的多样化和综合性不断加强。流动单元的研究是一项系统工程, 需要综合各方面的信息, 做出最终正确的判断。尹太举等(2005)对濮53块流动单元评价过程中就用到了层序地层学、聚类分析和地质建模等多种方法。多种研究方法的使用, 拓宽了研究者的思路, 提高了研究的准确性。

③目前对流动单元的分类一般以发育程度好中差为主, 而以成因等分类较少。刘吉余等(2002)从成因角度将流动单元划分为受断层、隔层、夹层、渗透率韵律、层理构造、裂缝及孔隙结构控制等 7种类型。流动单元分类标准中成因元素的不断增加,使得分类结果更加合理, 更能反映地下地质情况。

④运用动态观点研究流动单元的认识越来越引起研究者的重视。在开发过程中油藏流体是变化的,因此动态流动单元也是变化的。在开发的不同阶段有不同的流动单元分布特点(阎长辉等, 1999)。

⑤流动单元研究方法和研究成果的应用在逐步加强, 目前这主要表现为对剩余油的预测和储层渗透率等物性特征的分析。魏斌等(2000)以辽河油田欢26断块为例, 应用储层流动单元研究高含水油田剩余油分布。隋少强等(2001)以焉耆盆地宝浪油田宝北区块为例, 应用流动单元指标评价储集层的非均质性。阎长辉等(2002)以南阳油田V油组为例, 利用流动单元法对储层展布特征进行了评价。李阳(2003)以胜利油区河流和三角洲储层为例, 在流动单元研究基础之上对剩余油分布规律进行了分析。卢毓周等(2004)以辽河油田欢26断块高含水油田储层为例,利用储层流体流动单元流动带指标反算渗透率, 取得了良好的应用效果。胡友良等(2005)在评价Algeria某油田高矿化度低电阻率油气层中利用流动单元综合评价法油气层进行了识别。王志高等(2005)根据单采层无水采油期每米采油指数、分布特征以及所对应的空气渗透率和相对渗透率特征, 将河 43断块沙河街组二段储层分为 5类流动单元。史玉成等(2007)提出了利用流动单元研究方法计算低渗透气田单井控制储量的方法, 并在陕北某气田得到了应用。尹旭等(2007)以王官屯油田官142断块侏罗系储层为例, 通过流动单元分析, 研究了辫状河储层沉积微相。Bhattacharya等(2008)以堪萨斯州 Clark县Norcan东部地区为例, 通过流动单元建模对储层孔隙度进行了精细预测。贾庆升等(2009)在应用相似理论的基础上, 将流动单元与模拟实验相结合, 对剩余油的形成过程和形成机理进行了微观物理模拟实验研究。

⑥流动单元划分结果的验证必将成为研究中的重要内容之一。对于流动单元划分结果的验证, 一方面深化了流动单元研究的深度, 另一方面, 通过油田动态资料的检验和调整, 可以使研究成果更好更科学地应用于油田生产实践, 具有十分重要的现实意义。

⑦各种新技术和新方法在流动单元研究中的应用。Rotevatn等(2009)基于雷达技术和流体模拟研究对叠置型断层以及它们对流体流动的影响进行了研究。随着相关学科的不断发展和进步, 流动单元的研究技术和方法也会日新月异, 不断进步。

3 结论与认识

(1)流动单元是一个纵横向连续的, 内部渗透率、孔隙度、层理特征相似的储集带。流动单元在深化对储层渗流规律、剩余油分布等认识方面都具有十分重要的作用, 对预测油藏开发生产性能具有十分重要的意义。

(3)目前, 流动单元研究中存在的问题包括对流动单元概念的认识和理解尚不统一、流动单元的研究手段略显单薄, 研究的基础和综合性亟待加强、划分参数多样、碳酸盐和火山岩等其它岩类研究较少、研究中以静态的观点为主、研究方法和研究成果的应用范围有待扩展、层次划分研究薄弱和研究精度不高以及流动单元划分结果验证研究很少等多方面。

(4)流动单元研究的发展趋势包括对流动单元概念和内涵的不断挖掘深化并逐步统一认识、流动单元研究方法和手段的多样化和研究的综合化、流动单元的成因分类方面、其它岩类流动单元研究、流动单元的动态研究、流动单元研究方法和研究成果应用范围的逐渐扩展、流动单元划分结果的验证以及各种新技术和新方法在流动单元研究中的不断使用等。

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Advances in the Study of Reservoir Flow Unit

CHEN Huan-qing, HU Yong-le, YAN Lin, TONG Min
Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083

Beginning with a discussion on the concept of the flow unit, this paper, based on the authors’ experience acquired in practice, deals in detail with the methods for the study of flow unit, such as sedimentological and sequence stratigraphic theories, cluster analysis, geological modeling, physical experiment, logging and seismic physical geography. The merits and shortcomings of these methods are evaluated, and the existing problems in the flow unit study are analyzed. On such a basis, the development tendency of the flow unit study is pointed out.

flow unit; reservoir; parameter; cluster analysis; geological modeling; dynamic; remaining oil

TE122.23; O29; P628.1

A

1006-3021(2010)06-875-10

本文由国家科技重大专项“含CO2天然气藏安全开发与CO2利用技术”(编号: 2008ZX05016-001)和中国石油勘探开发研究院中青年创新基金“火山岩气藏储层火山岩体与火山岩相关系研究”(编号: 2009-B-10-03)联合资助。

2010-03-02; 改回日期: 2010-04-21。责任编辑: 闫立娟。

陈欢庆, 1979年生。博士后。主要从事火山岩气藏储层地质研究工作。通讯地址: 100083, 北京市海淀区学院路20号中国石油勘探开发研究院开发所。E-mail: hqchen.1999@yahoo.com.cn。