低孔隙度低渗透率复杂断块油气田储层有效性评价方法

胡小强, 丁娱娇, 于之深, 王嘹亮, 马永南, 熊谦

(1.广州海洋地质调查局, 广东 广州 510760; 2.中国石油渤海钻探工程有限公司测井分公司, 天津 300280)

0 引 言

某区块中生界储层为一典型低孔隙度低渗透率储层,孔隙度渗透率关系复杂[1],储层有效性评价是测井评价的重点和难点。该区块为一断裂极为发育的复杂断块油气田,断裂分布非常密集,且各组断层空间上彼此交错切割,断层控制构造形态以及储层埋深。前人进行低孔隙度低渗透率储层有效性评价的方法主要可分为2类。一类是通过大量测井样本利用神经网络训练进行储层有效性评价[2],由于目标区块是预探区域,完钻井比较少,该类方法对目标区块不适用。另一类是基于微观孔隙结构参数的储层分类[3-4],微观孔隙结构参数主要通过孔隙度、渗透率等转换得到,孔隙度、渗透率计算的准确性直接影响到微观孔隙结构参数的准确性,从而影响到储层有效性评价的准确性。前人用于低孔隙度低渗透率储层建模的孔隙度、渗透率等数据绝大部分均来源于常规物性分析数据。通过大量岩心分析发现,常规物性分析得到的不同井之间孔隙度渗透率关系差异较大,利用常规物性分析资料进行不同井之间的储层有效性评价非常容易引起混乱。

为准确评价该类低孔隙度低渗透率复杂断块油气田的储层有效性,考虑到不同井之间的埋深差异,引入模拟地层压力条件的孔隙度、渗透率进行储层有效性评价探索,将模拟地层压力条件下测量得到的孔隙度、渗透率定义为覆压孔隙度、覆压渗透率。本文通过实验室开展的岩心常规物性测量和覆压条件下物性测量以及对比分析发现,覆压渗透率与孔隙度关系明显优于常压渗透率与孔隙度关系。在渗透率主控因素分析基础上,建立了综合考虑储层埋深、孔隙度、孔隙结构的常压、覆压渗透率计算模型,并提出了利用覆压孔隙度渗透率综合指数评价储层有效性的方法,在实际应用中取得了良好的应用效果。

1 储层物性特征

研究区中生界储层基质孔隙度低,主要发育次生孔隙和微裂缝,常规物性分析孔隙度与渗透率关系复杂。以该区块邻近4口井中生界主要目的层系K1和J3段为例,4口井平面距离非常接近,最大井距只有8 km,最小井距仅有1.38 km,但由于4口井分别位于不同的断块,同一层位储层纵向埋深差异非常大,同一层位4口井的埋深差异高达400～1 500 m,如此大的埋深差异加剧了孔隙度渗透率关系的复杂性,使得该地区储层有效性评价更为困难。

由目标区中生界6口井常规物性分析的孔隙度—渗透率交会图得到3点认识:①绝大部分岩心孔隙度小于15%,渗透率低于10 mD*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,为典型的低孔隙度低渗透率储层;②不同井之间的孔隙度—渗透率关系存在明显差异;③同一井孔隙度—渗透率相关性也比较差,相同孔隙度其渗透率最高差别能够达到4个数量级。可见研究区中生界储层为典型低孔隙度低渗透率储层,且孔隙度与渗透率关系非常复杂,利用常规物性分析孔隙度来计算渗透率以及利用常规物性分析的孔隙度与渗透率关系开展储层有效性评价难度较大。

2 渗透率主控因素分析

不同埋深储层上覆地层压力不同,对储层物性影响程度亦不同[5-7]。为分析储层纵向埋深差异是否为影响目标区块储层孔隙度渗透率关系的主控因素,选取了2井和4井2口井同一层位,不同埋深储层共计53块岩样,开展了不同压力状态下岩心孔隙度、渗透率测量,对比孔隙度、渗透率在不同压力状态下的变化情况,分析储层埋深对储层物性影响程度。

2井选取岩样埋深在2 340 m左右,测井计算上覆地层压力为48 MPa,地层孔隙压力为23 MPa,地层净覆压为上覆地层压力减去地层孔隙压力[8],为25 MPa;4井选取岩样埋深在3 686 m左右,测井计算上覆地层压力为76 MPa,地层孔隙压力为36 MPa,地层净覆压为40 MPa。

实验室测量方法:首先测量常压状态下(不添加外加围压)岩样孔隙度、渗透率;然后添加外加围压5 MPa,测量外加围压状态下孔隙度、渗透率;逐步递增外加围压达到15、25、30、35、40、45 MPa模拟不同埋深储层的净覆压,分别测量外加围压状态下孔隙度、渗透率。

图1显示了不同埋深岩样孔隙度随外加围压变化的变化情况。图1(a)显示了53块岩样中12块岩样孔隙度随外加压力的变化情况,蓝色线代表2井6块岩样,红色线代表4井6块岩样。由图1(a)孔隙度随外加围压变化趋势可见,随着外加围压的增加,孔隙度降低。埋深浅的岩样(2井)孔隙度随压力变化呈三段式变化。在5 MPa之内,孔隙度随压力变化趋势最快;5～25 MPa之间,孔隙度随压力变化趋势迅速变缓;大于25 MPa时,孔隙度随着压力变化非常缓慢,基本保持稳定。

埋深深的岩样(4井)孔隙度随压力变化呈四段式变化。在5 MPa之内,孔隙度随压力变化趋势最快;5～15 MPa之间,孔隙度随压力变化趋势变缓,但其变化趋势要大于埋深浅的岩样;15～25 MPa之间,孔隙度随压力变化趋势进一步变缓;大于25 MPa时,孔隙度随着压力变化非常缓慢,基本保持稳定。

图1 不同埋深岩样孔隙度随外加围压变化关系图

由图1可见,当外加围压与地层净覆压相当时(2井25 MPa,4井40 MPa),孔隙度基本保持不变,此时得到的孔隙度基本上能够反映地层条件下的真实孔隙度,为覆压孔隙度。图1(b)为2口井53块岩样常压条件下测量的孔隙度与覆压条件下孔隙度对比图,其中横坐标为常压孔隙度(不加围压),纵坐标为覆压孔隙度(加围压,2井25 MPa,4井40 MPa)。可见覆压孔隙度整体低于常压孔隙度,不同埋深储层,覆压孔隙度与常压孔隙度之间的变化趋势是一致的,说明正常压实以后,埋深的变化对孔隙度影响不明显。

图2 不同埋深岩样渗透率随外加围压变化关系图

图2显示了不同埋深岩样渗透率随外加围压变化的变化情况。图2(a)显示了53块岩样中12块岩样渗透率随外加压力的变化情况,蓝色线代表2井6块岩样,红色线代表4井6块岩样。由图2(a)渗透率随外加围压变化趋势可见,随着外加围压的增加,渗透率降低,且埋深浅的岩样渗透率随压力变化趋势与埋深深岩样存在明显差异。

埋深浅的岩样(2井)渗透率随压力变化类似于孔隙度呈三段式变化。在5 MPa之内,渗透率随压力变化趋势最快;5～25 MPa之间,渗透率随压力变化趋势迅速变缓;大于25 MPa时(相当于岩样埋深净覆压),渗透率随着压力变化非常缓慢,基本保持稳定。

埋深深的岩样(4井)渗透率随压力变化关系与埋深浅岩样明显不同。在25 MPa之内,渗透率随压力变化迅速降低;25～40 MPa之间,渗透率随压力变化趋势变缓;大于40 MPa时(相当于岩样埋深净覆压),渗透率随着压力变化非常缓慢,基本保持稳定。

由图2可知,当外加围压小于地层净覆压时,渗透率随着外加围压增加而降低,当外加围压达到地层净覆压时,随着外加围压增加,渗透率变化不明显,基本保持稳定,此时得到的渗透率基本上能够反映地层条件下的真实渗透率,为覆压渗透率。

图2(b)为2口井53块岩样常压条件下测量的渗透率与覆压条件下渗透率对比图,其中横坐标为常压渗透率(不加围压),纵坐标为覆压渗透率(加围压,2井25 MPa,4井40 MPa),可见覆压渗透率整体低于常压渗透率,不同埋深储层,覆压渗透率与常压渗透率之间的关系存在较大差异,埋藏越深,差异越大,说明埋深对储层渗透率影响明显。

除埋深之外,孔隙结构也是控制渗透性非常关键的因素。图3(a)显示了某井同一层位常压孔隙度与渗透率关系图,可见即使在同一口井、同一埋深储层,孔隙度相同时,其渗透率也存在较大差别,相同孔隙度,渗透率差异最高可以达到4个数量级。为分析渗透率差异原因,选取相同孔隙度岩样分别进行压汞毛细管压力测量,分析其微观孔隙结构对渗透率的影响。

图3(b)显示了图3(a)中1、2、3号岩样的压汞孔喉半径分布微分曲线,可见虽然3块岩样孔隙度基本一致,但是其孔隙结构存在明显差异,小孔径部分信息越多,束缚流体信息越多,渗透率越低(见3号岩样),大孔径部分信息越多,可动流体体积越多,渗透率越高(见1号岩样),孔隙结构严重影响储层渗透性。所以在进行储层渗透率解释模型建立时,必须综合考虑孔隙结构和储层埋深的影响。

图3 孔隙结构对孔隙度渗透率关系影响示意图

图4 常压渗透率与常压孔隙度、束缚水饱和度关系图

3 渗透率计算方法研究

3.1 常压渗透率计算

由渗透率主控因素分析可知,储层渗透率除了受孔隙度控制之外,同时还受储层埋深、孔隙结构等多因素共同制约。根据目的储层埋深绘制目标区6口井常压孔隙度—渗透率关系图。其中1、2、5、6井目标储层埋深较浅,在2 200～2 700 m井段之间,3、4井目标储层埋藏较深,在3 000～3 700 m井段之间;将埋藏较浅的1、2、5、6井划分为同一区域,将埋藏较深的3、4井划分为另一区域[见图4(a)]可见1、2、5、6井区的常压渗透率与孔隙度关系基本一致,3、4井区的常压渗透率与孔隙度关系基本一致;在利用常压孔隙度建立常压渗透率计算模型时,必须分断块建模来体现储层埋深的差异。通过优选目标区块各种孔隙结构参数与常压渗透率对应关系发现,针对目标区块,岩样饱和水离心甩干以后得到的束缚水饱和度与常压渗透率之间对应关系最好[见图4(b)],且在孔隙结构各种微观特征参数中,束缚水饱和度可以直接利用核磁共振测井得到,故可以选用束缚水饱和度来表征孔隙结构进行常压渗透率建模。综合考虑储层埋深、孔隙度、孔隙结构对渗透率的影响,建立了分区域的常压渗透率与孔隙度、束缚水饱和度关系,具体计算公式为

3+4井区

(1)

1+2+5+6井区

(2)

式中,K为常压渗透率;φE为有效孔隙度;Swi为束缚水饱和度。

3.2 覆压渗透率计算

将图4(a)中的常压孔隙度、渗透率替换为覆压孔隙度、渗透率,得到图5(a),可见模拟地层压力条件下的覆压孔隙度、渗透率已经考虑储层埋深对孔隙度、渗透率的影响,不同埋深储层的覆压孔隙度—渗透率已经不再分区,均集中到同一趋势线上,且覆压孔隙度—渗透率关系明显优于常压孔隙度—渗透率关系。利用覆压孔隙度进行覆压渗透率建模时,不需要再考虑埋深的影响,不同埋深断块可以建立统一的覆压渗透率模型。同样优选了目标区块各种孔隙结构参数与覆压渗透率对应关系,发现仍然是束缚水饱和度与覆压渗透率之间对应关系最好[见图5(b)]。建立了统一的覆压渗透率与孔隙度、束缚水饱和度关系,具体计算公式为

(3)

式中,φF为覆压孔隙度;KF为覆压渗透率;Swi为束缚水饱和度。

实验室得到的岩心覆压孔隙度与常压孔隙度关

图5 覆压渗透率与覆压孔隙度、束缚水饱和度关系图

系存在非常好的相关性,在生产应用中可以利用核磁共振测井获得常压孔隙度、束缚水饱和度[9],利用常压孔隙度获取覆压孔隙度[见式(4)],然后利用覆压孔隙度、束缚水饱和度获得覆压渗透率。

(4)

式中,φF为覆压孔隙度;φC为常压孔隙度。

图6 不同类别储层孔隙度渗透率交会图

4 储层有效性评价方法探讨

为建立目标区块中生界低孔隙度低渗透率储层有效性评价标准,首先根据试油产液量情况将目标区块储层分为3类:不需通过压裂措施改造即可获得一定自然产能的储层定义为Ⅰ类储层(油层);没有自然产能,但通过压裂措施改造能够获得一定产能的储层定义为Ⅱ类储层(差油层);通过压裂措施改造仍然不能获得一定产能的储层定义为Ⅲ类储层(干层)。在通过试油将储层分类的基础上,建立不同类型储层岩心分析常压、覆压孔隙度—渗透率交会图来探索储层有效性。图6(a)为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层岩心常压孔隙度—渗透率交会图,可见Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层孔隙度渗透率分布点混合在一起,部分Ⅲ类储层岩心渗透率比Ⅰ、Ⅱ类储层还要高,利用常压孔隙度、渗透率很难准确将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层区分开来。图6(b)为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层岩心覆压孔隙度—渗透率交会图,可见在该图上,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类储层的孔隙度渗透率分布范围存在明显差异,利用覆压孔隙度、渗透率可以有效评价储层的渗透性。为有效利用覆压孔隙度、渗透率来描述储层有效性,将覆压条件下孔隙度与渗透率的乘积定义为覆压孔隙度渗透率综合指数,并应用该指数进行储层有效性评价,具体计算

表1 储层有效性评价标准统计表

公式为

PK=φF·KF

(5)

结合试油与岩心分析建立目标区块储层有效性评价标准(见表1)。

图7 物性参数计算及储层有效性评价成果图

5 应用效果分析

将建立的储层常压、覆压渗透率计算模型、储层有效性评价方法及标准应用到目标区块储层综合评价中,取得了良好的应用效果。图7为目标区块3口井同一层段利用本文建立的模型计算得到的常压、覆压渗透率、覆压孔隙度渗透率综合指数与岩心分析结果对比及储层有效性评价成果图。

图7中第1道为深度道,第2～5道为测井曲线道,第6道为常压孔隙度对比道,第7道为常压渗透率对比道,第8道为覆压孔隙度对比道,第9道为覆压渗透率对比道,第9道储层有效性分类道。由图7见,虽然3口井储层埋深差异较大,其中1井储层埋深在2 340 m左右,2井储层埋深在3 240 m左右,3井储层埋深在3 690 m左右;但本文方法计算的常压孔隙度、渗透率、覆压孔隙度、渗透率与岩心分析结果一致性很好,说明本文建立的渗透率计算模型应用效果良好。

从储层有效性判别来看,1、2井计算常压渗透率基本一致,在0.2～0.3 mD之间,3井常压渗透率要高于1、2井,最高值达到0.8 mD,如果根据常压渗透率来描述储层有效性,3井渗透性要优于1、2井;但从覆压孔隙度渗透率综合指数得到的储层有效性评价来看,结论与上述认识完全相反,1井渗透性最好,覆压孔隙度渗透率综合指数大部分在0.5以上,2井次之,覆压孔隙度渗透率综合指数介于0.09～0.5之间,3井最差,大部分低于0.09。

根据储层有效性评价标准将1井1、2号层解释为Ⅰ类储层,1井3号层、2井4号层解释为Ⅱ类储层,3井5号层解释为Ⅲ类储层。对3口井试油,1井1～3号层、2井4号层试油后有油产出,3井5号层试油后为干层。3口井试油结果与覆压孔隙度渗透率综合指数评价结果一致,说明本文方法有效。

6 结 论

(1) 在埋深差异较大的复杂断块油气藏中,由于储层埋深差异的影响,不同埋深储层,常规物性分析的孔隙度—渗透率关系存在明显差异,必须分不同埋深储层分别建立渗透率计算模型;传统的利用常规物性分析得到的孔隙度、渗透率在储层有效性评价方面面临较大难题。

(2) 覆压孔隙度、渗透率是模拟地层压力条件下测量得到的孔隙度、渗透率;覆压孔隙度、渗透率在测量时已经考虑了储层埋深的影响,在覆压渗透率建模时不用再考虑储层埋深对储层物性的影响,可以建立统一的覆压渗透率计算模型,且利用覆压孔隙度、渗透率得到的覆压孔隙度渗透率综合指数能够很好地描述储层有效性。

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