砂质辫状河储层构型对流体运动的控制作用

龙 明，许亚南，刘彦成，王美楠，陈晓祺

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引 言

国内外学者通过研究砂质辫状河现代沉积和野外露头，发现砂质辫状河储层构型内部存在多种类型隔夹层，严重制约该类储集层的开发[1-10]。开展储层构型模式对流体运动控制作用研究对深入把握流体运动规律及储集层内部剩余油分布至关重要，是油田开发后期制订相应调整方案的重要依据。前人对储层构型的研究主要集中在储层构型模式及剩余油分布上[11-19]，而储层构型内部夹层对流体运动的控制作用研究甚少，特别是定量描述储层构型模式对油水运动的研究较为缺乏。目前，渤海Q油田馆陶油组已进入高含水开发阶段，传统的以复合砂体为研究单元，已不能满足油田目前生产开发的需求，而砂体内部的储层构型解剖成为了油田开发后期的突破重点。为此，以渤海Q油田馆陶油组上段砂质辫状河储集层为例，通过单因素分析、多因素组合，确定了渤海Q油田馆陶油组落淤层分布样式。利用油藏数值模拟方法建立了储层构型机理模型，并结合油藏工程方法，从横向、垂向2个方面探讨砂质辫状河储层构型模式对流体运动的控制作用，得到了砂质辫状河储层构型模式控制系数的表达式，完善了储层构型表征技术。

1 砂质辫状河储层构型模式

渤海Q油田位于渤中凹陷北部石臼坨凸起中部， 是在前第三系古隆起背景上发育的大型低幅度披覆背斜构造，构造幅度低，储层展布复杂。含油层系主要发育于明化镇组下段和馆陶组上段，其中，馆陶组上段为块状厚层砂质辫状河沉积的底水油藏，该层岩性以中—细砂岩及粉砂岩为主，结构成熟度与成分成熟度低。

辫状河沉积类型多样，根据沉积物性质的不同，通常可分为砾质辫状河和砂质辫状河。此次研究主要针对中国东部各油田中广泛分布的常年流水的典型砂质辫状河，特别是对心滩坝发育演化相对稳定的砂质辫状河开展研究，分析砂质辫状河储层构型模式。

不同的河流系统，其河深、河宽、流量以及气候的不同造成了夹层分布范围的不同。渤海Q油田馆陶组砂质辫状河落淤层的展布特征主要受心滩坝演化以及后期多次冲刷改造的影响，其中，心滩坝演化对落淤层分布的影响最为重要。利用沉积学原理，从心滩坝演化的角度出发，通过单因素分析，确定了渤海Q油田馆陶组砂质辫状河落淤层主要为近水平对称式分布(图1，灰色与黑色实线为河道边界)。

图1 典型纵向砂坝内落淤层分布模式

水平对称式落淤层的主要特征为单期落淤层近水平对称分布，多期之间互相平行，自下而上落淤层分布范围从坝头至坝尾逐渐增大。该模式的落淤层主要发育在纵向砂坝内，纵向砂坝两侧发育高能对称水流，沉积作用主要以顺流加积作用和垂向加积作用为主。在一般年份，心滩坝持续顺流生长的同时，其头部被冲刷，落淤层随之被侵蚀，同时在心滩坝顶部和尾部发生加积，对该处的落淤层会起到一定的“保护”作用；在发生大型洪水的年份，除继续冲刷心滩坝头部的落淤层外，还在新的心滩坝顶部生成一期新的落淤层，该落淤层的范围比早期的落淤层范围大。在随后的沉积过程中，落淤层持续被侵蚀、发育，在心滩坝不同部位表现出不同的分布特征，最后形成总体水平对称式分布的落淤层。

2 砂质辫状河储层构型的控制作用

以水平对称式落淤层为基础，从横向、纵向2个方面分析研究砂质辫状河储层构型模式对流体运动的控制作用。

2.1 横向控制作用

油井的生产过程可以看作地下流体在能量差异的作用下，经过不同的储层构型模式流动到生产井的过程。因此，将受储层构型影响的油井日产液量与基准地层(均质地层或不含落淤层的地层)油井日产液量的比值α定义为储层构型模式对流体运动的控制系数，且不同的储层构型模式具有不同的控制系数，其表达式为：

α=Q构型/Q基准

(1)

式中：Q构型为受储层构型影响下的油井日产液量，m3/d；Q基准为基准地层影响下的油井日产液量，m3/d，α为储层构型模式对流体运动的控制系数。

应用数值模拟技术，设计模型为油水两相，无气顶。模型中储层的厚度、渗透率、孔隙度、饱和度等参数与流体参数均选自渤海Q油田馆陶油组实测数据。按上述条件建立基准模型，并在模型中设计2口直井，1注1采。令生产井与注水井定压生产一段时间，其方案编号设为F0。

在基准模型的基础上添加辫状河储层构型模式中的落淤层，建立辫状河储层构型模型。渤海Q油田馆陶油组心滩坝砂体的平均厚度为8.0 m，其内部落淤层的厚度一般为0.2～2.0 m。因此，设计3种不同厚度的落淤层(表1)。通过油藏数值模拟，将辫状河储层构型模型F1、F2、F3中油井的Q构型与Q基准代入式(1)，选取油井后6个月的日产液数据(投产前期油井生产不稳定)，计算辫状河储层构型模式中不同厚度落淤层在不同时间点对流体运动的控制系数(表2)。由表2可知，随着落淤层厚度的增加，控制系数逐渐降低，辫状河心滩坝内部落淤层对流体运动的控制作用随着落淤层厚度的增加而增强。

表1 不同方案的落淤层设计参数

表2 不同方案的控制系数统计

由于基准模型的方案F0不存在落淤层，即落淤层厚度为0，其对流体运动的控制系数为1。将F0、F1、F2、F3 4种方案的控制系数与落淤层厚度做交会图(图2)。通过趋势线得到了落淤层厚度与控制系数的关系式为：

αh=-0.0166H+1

(2)

式中：αh为落淤层厚度对流体运动的控制系数；H为落淤层厚度，m。

由图2可知，落淤层厚度与控制系数存在良好的相关性。同理，应用上述方法分别研究落淤层的孔隙度、渗透率、水平宽度、频率及地层倾角等参数对流体运动的控制作用，研究结果表明：①落淤层厚度的控制系数αh随着落淤层厚度的增加而降低，对流体运动的控制作用随着落淤层厚度的增加而增强；②落淤层孔隙度的控制系数αφ不随落淤层孔隙度的增加而改变；③落淤层渗透率的控制系数αk不随落淤层渗透率的增加而改变；④落淤层水平宽度的控制系数αR随着落淤层水平宽度的增加而降低，对流体运动的控制作用随着水平宽度的增加而增强；⑤落淤层频率的控制系数αF随着落淤层频率的增加而降低，对流体运动的控制作用随着落淤层频率的增加而增强；⑥地层倾角的控制系数αθ随着地层倾角的增加而降低，对流体运动的控制作用随着地层倾角的增加而增强。

根据上述研究成果，提出辫状河储层构型模式的阻力系数Rc，其物理意义为单一心滩坝内部所有落淤层对流体运动的阻力大小，该阻力系数可以衡量心滩坝内部落淤层的渗透能力，其表达式为：

Rc=HRF(sinθ+0.2329)

(3)

式中：Rc为辫状河储层构型模式下落淤层阻力系数；R为落淤层水平宽度，m；F为落淤层频率；θ为地层倾角，°。

渤海Q油田馆陶油组地层倾角为2 °，根据该区心滩坝精细解剖的研究成果，设计落淤层的厚度、水平宽度、频率等参数的选取范围，并将设计方案中的各项参数代入式(3)，计算落淤层的阻力系数Rc(表3)，建立落淤层控制系数与落淤层阻力系数的交会图(图3)。

表3 各方案阻力系数统计

图3 落淤层阻力系数与控制系数交会

由图3可知，落淤层控制系数与落淤层阻力系数之间存在良好的相关性，辫状河储层构型对流体运动控制系数α的表达式为：

α=-0.0006HRF(sinθ+0.2329)+0.9969

(4)

2.2 垂向控制作用

针对水平对称式落淤层的垂向控制作用，假设如下条件：有一水平均质等厚的圆形地层，其中心为1口水动力学完善井；单相、稳态流；流体不可压缩；各向异性、均质无限大油藏，不考虑地层伤害；外边界和井筒压力为常数；落淤层物性均质，且厚度均一。整个泻油区可分为3个区域(图4)，其中，1、3号区域为地层，2号区域为落淤层。

根据等值渗流阻力原理，可以将该井渗流分为2个部分：第1部分为1号区域中液体从油井泄油半径流动到井底，生产压差为：

ΔpL=peL-pw

(5)

式中：ΔpL为1号区域横向流动的生产压差，MPa；peL为边部供给压力，MPa；pw为井底压力，MPa。

第2部分为2、3号区域中液体从油层底部流动到井底，生产压差为：

ΔpV=pev-pw

(6)

式中：ΔpV为2、3号区域垂向流动的生产压差，MPa；pev为底部供给压力，MPa。

根据渗流阻力、生产压差和产量关系， 1、2、3号区域的油井总流量Q有落淤层为：

(7)

式中：R1、R2、R3分别为1号、2号、3号区域的渗流阻力，MPa·d/m3。

若2号区域的落淤层的厚度为0，则无落淤层影响的油井总流量Q无落淤层为：

(8)

图4 落淤层纵向剖面示意图

因此，根据Buckley-Leverett水驱油理论，结合等值渗流阻力，通过式(7)、(8)，可得到落淤层对产量的影响Q差为：

(9)

式中：μ为地层原油黏度，mPa·s；Re为油井供给半径；K3v为3号区域的垂向渗透率，mD；H3为3号区域油层厚度，m；K2v为2号区域的垂向渗透率，mD；H2为2号区域油层厚度，m。

整理式(9)得：

(10)

(11)

(12)

落淤层垂向控制系数反映了落淤层物性对流体运动的影响，β越接近1，则落淤层对产量的影响越大；当控制系数为0时，落淤层对流体运动无影响。根据式(12)可以计算不同物性落淤层对不同储层的产量影响。

以渤海Q油田馆陶油组为例，研究不同落淤层物性参数对储层渗流的控制作用。其中，研究选取储层厚度为8 m，储层垂向渗透率为300 mD；落淤层的厚度分别为20.00、15.00、10.00、5.00、1.00、0.50、0.10 m；落淤层的垂向渗透率分别为0.001、0.010、0.100、1.000、10.000、100.000 mD。将上述参数代入式(12)，计算落淤层对流体垂向运动的控制系数，并建立落淤层物性参数与垂向控制系数的理论图版(图5)。

由图5可知：当落淤层厚度为1.00 m时，落淤层的垂向渗透率只有小于100.000 mD，才会对流体运动产生控制作用，且当垂向渗透率小于0.100 mD时，落淤层的控制作用达到最大(β为1)，此时落淤层为非渗透层，对油井生产影响最大；当落淤层厚度大于10.00 m，落淤层垂向渗透率小于100.000 mD时，落淤层对流体的控制作用较强，完全抑制了底水能量，不具备提液潜力；当落淤层的厚度小于1.00 m，且垂向渗透率大于100.000 mD时，落淤层对油井产量无影响，无法抑制底水能量，容易形成底水锥进。

图5 落淤层物性参数与垂向控制系数β关系

3 结 论

(1) 从砂质辫状河心滩坝演化的角度出发，确定渤海Q油田馆陶组砂质辫状河落淤层分布样式为水平对称式。垂向上，多期落淤层之间互相平行，自下而上，落淤层展布范围逐渐增大；单期落淤层在坝头、坝中和坝尾不同部位的倾角近似相等。

(2) 通过数值模拟，从侧积层孔隙度、渗透率、厚度、产状、水平宽度及地层倾角等方面研究了储层构型模式对流体运动的控制作用，确定了砂质辫状河储层构型的横向控制系数表达式。

(3) 根据油藏工程方法建立了砂质辫状河储层构型的垂向控制系数与落淤层物性参数间的理论图版。渤海Q油田馆陶油组砂质辫状河心滩坝内部落淤层的厚度大于10.00 m，且落淤层垂向渗透率小于100.000 mD时，落淤层对流体的控制作用较强，完全抑制了底水能量，不具备提液潜力；落淤层的厚度小于1.00 m，且垂向渗透率大于100.000 mD时，落淤层对油井产量无影响，无法抑制底水能量，容易形成底水锥进。