王 蓓 ,刘向君 ,司马立强 ,徐 伟 ,李 骞 ,梁 瀚
(1.西南石油大学地球科学与技术学院,成都610500;2.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院,成都610041)
裂缝建模是一种常用的研究裂缝空间展布的手段,可分为确定性建模和随机建模。确定性建模是根据已知信息建立确定的裂缝模型,如利用地震资料解释出规模较大的裂缝,该方法一般不适用于规模较小的裂缝,且不能较好地综合利用多种资料;随机建模是利用裂缝的先验信息,通过随机模拟方式生成可选的相同概率裂缝模型。上述建模方法不仅满足已知点的裂缝统计学特征,而且承认未知区域裂缝发育的随机性,较好地尊重了裂缝模拟不确定性的客观事实[1-3]。目前,国内外主要的随机裂缝建模方法大致可分为5类,即基于空间剖分的裂缝建模、离散裂缝网络建模、基于变差函数的裂缝建模、基于多点地质统计学的裂缝建模以及基于分形特征迭代的裂缝建模[4-5],然而,在实际应用中,这些方法所需要的裂缝产状、长度、宽度等几何特征的真实概率分布函数获取困难,所建立的裂缝模型与实际地层中裂缝的发育情况差异较大。
四川盆地磨溪龙王庙组气藏是迄今为止国内外寒武系已探明缝洞型碳酸盐岩储层储集规模最大的气藏,具有油气资源丰富、构造低缓、孔洞缝配置关系复杂、储层非均质性较强、低孔-中高渗等特点。该气藏 2016年初建成年产 90亿m3的生产能力,开发井型均为定向井,随着生产的平稳推进,气藏南北两翼边水水侵情况凸显[6]。为了及时掌握水体向气藏内部侵入的方向和方式,合理调整气井产量,实现气藏科学开发,亟须开展裂缝建模研究,精细描述储层裂缝发育情况,明确气藏高、低渗区域分布以及优势水侵方向与水侵方式,进而优化气藏开发方式。
由于Petrel软件将裂缝作为片元进行处理,难以获取裂缝在不同空间位置的产状数据,且该软件给出的片元过于理想,建立的角点网格模型可信度较低[7],较难运用于研究区的数值模拟。相较于角点网格模型,离散裂缝网格模型能更好地描述裂缝的复杂性和非均质性,被广泛运用于气藏模拟[4-5]。因此,拟以定向井的FMI成像测井裂缝识别技术为约束,进行多尺度的DFM(discrete fracture model)非结构化网格离散裂缝建模,解决随机裂缝建模中裂缝参数获取困难的问题,以构建更加符合地质实际的裂缝模型。
磨溪龙王庙组气藏位于四川省遂宁市、资阳市及重庆市潼南县境内,构造位置处于四川盆地川中古隆起平缓构造区乐山—龙女寺古隆起东端。龙王庙组顶界构造低缓、多高点,断层发育程度较低(图1),地层厚度为80~110 m。储集层受有利亚相颗粒滩发育程度的控制[8-9],连续性普遍较好,但局部区域物性相对较差;受地层埋深压实和多期溶蚀成岩作用的改造,次生孔、洞、缝极为发育[10-11]。分析岩心、铸体薄片和数字岩心等资料表明,研究区宏观裂缝发育构造缝、压溶缝以及构造溶蚀缝;构造缝以高角度缝为主,斜交缝、水平缝以及网状缝发育程度均较低;微裂缝较发育,发育频率达到了40%,在部分薄片中可见沥青、黄铁矿充填或者半充填[12]。
图1 磨溪龙王庙组气藏相干地层切片Fig.1 Coherent stratigraphic slice of gas reservoir of Longwangmiao Formation in Moxi area
通过岩心观察和薄片鉴定的裂缝仅是小尺度的、局部的、片面的存在,为了获得实钻井未取心井段的裂缝参数,约束裂缝模型的建立,提高裂缝预测的精度,须利用FMI成像测井技术对有效的裂缝进行精细识别[13-15]。在以往的研究中,基于直井的裂缝已形成一套系统的识别和评价技术[14-17],鉴于磨溪龙王庙组气藏开发井均为大斜度井或水平井,着重针对该类定向井型中FMI成像测井裂缝识别技术和评价开展研究。
定向井受井斜、地层倾角的影响,其井眼轨迹分为下穿地层和上穿地层2类。定向井FMI成像测井图天然裂缝的识别模式与直井存在明显差异。为了精细描述裂缝发育特征,须在排除岩性等其他地质特征成像响应的基础上,结合常规测井资料及区域构造资料,加以精细判别。
假设模型中地层倾角为2°~10°,按照裂缝与岩心中线垂直面的夹角分类,研究区发育高角度缝、斜交缝和低角度缝(表1):①高角度缝倾角为75°~90°,与定向井下穿地层和上穿地层时垂直切割,切割井眼很短,在成像测井图中表现为1组或2组呈对称状的幅度很低、倾向相差约90°的正弦曲线,该正弦曲线不能指示裂缝的最大主应力方向;深浅双侧向测井曲线呈小幅度正差异,与钻井诱导缝的成像响应特征相似。直井中高角度缝在成像测井图上表现出的特征与定向井中的低角度缝特征具有相似性。②斜交缝倾角为15°~75°,在定向井下穿地层和上穿地层时,随着井斜的增加,与井眼斜交的面越大,成像测井图中显示的波谷状高导异常也越高。随着斜交缝角度及方位的变化,其特征也随之变化。直井中斜交缝在成像测井曲线上表现为暗色正弦曲线。③低角度缝倾角为0°~15°,在定向井下穿地层和上穿地层时由于层界面和井眼斜交,切割井眼较长,成像测井图表现为幅度很高的波峰状和波谷状高导异常。在井轨迹平行于层界面时表现出变形的纵向弯曲曲线。常规深浅双侧向测井曲线表现为正差异,与层理成像响应特征相似。直井中低角度缝在成像测井图上表现为近直线状互相平行的高导异常,深浅双侧向测井曲线呈小幅度正差异,与定向井中的高角度缝特征具有相似性。
表1 大斜度井和水平井FMI成像测井裂缝识别图版Table 1 FMI imaging logging fracture recognition chart for highly deviated wells and horizontal wells
根据大斜度井和水平井FMI成像测井裂缝识别图版(表1),在定性识别裂缝单井发育位置的基础上,可定量评价裂缝发育的产状、开度、密度及孔隙度等参数,进而综合评价裂缝的发育程度,即岩石的破裂程度,以达到精细表征井点裂缝发育情况的目的,为裂缝建模奠定基础。
对电成像图像进行处理,拾取裂缝,再计算裂缝特征参数,对于裂缝建模具有重要的约束作用。裂缝的发育程度是单位体积内裂缝发育情况的综合反映,裂缝的密度、张开度、孔隙度可通过电成像处理获取,裂缝的长度可通过双侧向测井等探测深度较深的测井信息获取,裂缝的渗透性可通过阵列声波斯通利波能量获取。利用有效裂缝密度、有效裂缝孔隙度、有效裂缝张开度和有效裂缝长度分别与其权重的乘积之和的方法,建立了一个适用于研究区的综合裂缝指数计算模型。该模型中裂缝密度、孔隙度、张开度和长度的下限均为定值;有效裂缝密度对裂缝渗透性的影响较大,经过多次权重系数迭代拟合,确定该参数所占权重最大,为0.5;裂缝的径向延伸度对裂缝发育程度的影响较大,但是该参数无法依据测井资料直接获取,所以在该模型中加入了FMI成像测井解释的裂缝长度,有效裂缝长度对裂缝发育程度的影响相对较小,所以经验值拟合结果显示该参数所占权重最小,为0.1。FI=(FD-FDM)/FD×W1+(FP-FPM)/FP×W2+
(FA-FAM)/FA×W3+(FL-FLM)/FL×W4 (1)式中:FI为裂缝发育指数;FD为计算裂缝密度(条/m);FDM为裂缝密度下限(条/m);FP为计算裂缝孔隙度,%;FPM为裂缝孔隙度下限,%;FA为计算裂缝张开度,μm;FAM为裂缝张开度下限,μm;FL为计算裂缝长度,m/m;FLM为裂缝长度下限,m/m;W1为裂缝密度指数权重;W2为裂缝孔隙度指数;W3为裂缝宽度指数权重;W4为裂缝长度指数权重;W1+W2+W3+W4=1。
对于碳酸盐岩缝洞型储层发育的气藏,裂缝的发育程度对气藏连通性、储集性的影响均较大。利用基于定向井的FMI成像测井裂缝识别技术,在单井有效储集空间精细描述的基础上,综合测井资料及叠前地震各向异性裂缝预测和不连续性检测等数据,结合三维地质建模和离散裂缝建模技术,可实现多尺度缝洞型储层地质建模,形成多尺度DFM非结构化网格离散裂缝模型,这对于刻画气藏高、低渗区域分布及优势水侵通道,优化水侵方式具有重要的指导意义[18-21]。
大尺度裂缝是指裂缝长度在公里级的大尺度断裂[19]。为了了解更加接近真实情况的强非均质性裂缝系统,本次研究基于不连续性检测体,通过椭圆或者线性拟合得到大尺度裂缝元的方位角,然后根据裂缝密度和方位角重构大尺度离散裂缝元,再连接离散裂缝元,形成真实的裂缝网络,进而通过对大尺度裂缝的约束剖分非结构化网格。基于不连续性检测体的方位角拟合是根据局部区域内裂缝密度分布,利用最小二乘法拟合目标网格最有可能的方向。非结构化网格技术中的四面体网格较双重孔隙介质建模过程中常用的角点网格更灵活,可以适应复杂断层或者裂缝系统的几何约束,实现利用相对少的网格数精细表征裂缝,不仅提高了裂缝建模的准确性,还大大缩短了数值模拟的运算时间。
对于构造裂缝或压裂裂缝等大尺度裂缝,利用离散裂缝模型进行模拟,关键在于确定其渗透率或导流系数。由于裂缝的开度远小于其长度和高度,可采用无限平板中的流体流动模型确定裂缝的渗透率。网格的传导率与渗透率类似,可认为是一个与流体性质无关的属性,因此,可将其假设为单相流动问题,且忽略重力的影响。对于非结构化网格,相邻的2个网格可能正交,也可能不正交,网格中心与接触面中点的连线并不一定垂直,每个网格的相邻网格数量也不确定,因此,需要根据邻接网格的数量,分别描述基质与基质、基质与裂缝、裂缝与裂缝之间的关系(图2)。
图2 二维模型中的3种传导率Fig.2 Three kinds of conductivity in two-dimensional model
中小尺度裂缝是指裂缝长度在米级—百米级的裂缝[19]。中小尺度非结构化离散裂缝建模的思路与大尺度裂缝建模的思路基本一致,但仍存在2个方面的差异:①模型建立基于不同的地震数据体;②获取裂缝走向和密度的方法不同。首先,在获取叠前地震各向异性裂缝预测体强度和方位角资料的基础上,利用成像测井裂缝参数对地震预测的裂缝走向和密度进行校正,得到符合井眼数据的裂缝方位角和密度数据体,再利用裂缝重构算法提取中小尺度裂缝元;其次,根据局部裂缝单元的展布和密度的连续性,将最有可能处于一条裂缝上的裂缝单元在横向或纵向上连接起来,裂缝横向连接受相邻裂缝元夹角和距离控制,纵向连接在算法上有2个条件,即裂缝之间的距离足够接近,以及用于连接上下层之间的裂缝单元的倾角应尽可能与被连接的裂缝单元一致;最终,对中小尺度裂缝作等效渗透率处理,以裂缝带形式体现中小尺度裂缝的展布。对于中小尺度的裂缝一般采用等效处理方式,将裂缝介质的渗流属性考虑到基岩介质中,其方法有实验测量法、数字岩心分析法以及数值等效法[22-24]。磨溪龙王庙组碳酸盐岩储层微小裂缝较发育,因此,主要采用数值等效法,通过将中小尺度裂缝渗透率等效为基质渗透率的方法体现中小尺度裂缝对气藏的贡献。该方法将裂缝介质的裂缝孔隙度和裂缝渗透率等效至基质孔隙度和基质渗透率中,其形式上与双孔双渗模型一致,区别在于双孔双渗模型计算得到的渗透率为裂缝网格渗透率,而微小裂缝等效计算得到的渗透率为基质增强渗透率(图3)。
图3 微小裂缝渗透率等效计算示意图Fig.3 Schematic diagram for equivalent calculation of permeability of micro-fracture
磨溪龙王庙组气藏储层非均质性较强,缝洞配置关系复杂。在利用FMI成像测井进行裂缝有效评价的基础上,采用多尺度非结构化网格裂缝建模技术,对研究区大尺度裂缝和中小尺度裂缝分别进行了预测,所预测裂缝发育的高渗带分布得到了后续开发井的证实,所预测的中小尺度裂缝与单井成像测井解释结果吻合程度较高,为研究区高、低渗区域分布和水侵优势通道研究奠定了基础。
在磨溪龙王庙组气藏基于叠前地震各向异性预测和基于广义S变换谱分解的不连续性检测的基础上,以基于定向井的FMI成像测井裂缝识别技术为约束,三维重构了大尺度裂缝和中小尺度裂缝的发育情况,结果表明研究区大尺度裂缝和中小尺度裂缝均较发育(图4)。大尺度裂缝约束非结构化剖分,计算大尺度裂缝与基质传导率,从而建立大尺度离散裂缝模型;对于中小尺度裂缝,通过将裂缝介质渗透率等效到基质渗透率的方法,建立离散裂缝模型。针对大尺度裂缝进行离散裂缝建模,剖分的网格为非结构化网格,总的网格数约为217.8万个,其中基质网格数约为190.5万个,裂缝网格数约为27.3万个;针对中小尺度裂缝进行等效处理,将小尺度裂缝属性等效到剖分的非结构化基质网格中。
图4 磨溪龙王庙组气藏多尺度裂缝模型Fig.4 Multi-scale fracture model for gas reservoir of Longwangmiao Formation in Moxi area
以位于MX8井区的MX009-8-X1井为例,在裂缝模型中可见该井周红色线条表示的大尺度裂缝基本不发育,蓝色线条表示的中小尺度裂缝相对欠发育[图5(a)];玫瑰花图显示裂缝方位为南北向和北西—南东向[图5(b)];成像测井响应显示该井纵向仅发育14条裂缝且多为高角度缝,溶蚀孔、洞较发育[图5(c)];试井压力恢复双对数曲线显示该井具有视边界特征[图5(d)],储层渗透率为14.4 mD,具有中渗特征;酸化测试获超过100万m3/d的工业气流,井产量稳定中—高产。通过将MX009-8-X1井动、静态资料与实钻井周缘裂缝模型对比分析表明,该井裂缝展布情况与生产动态特征相吻合。
图5 验证井MX009-8-X1及其周缘裂缝发育情况Fig.5 Fracture development in validation well MX009-8-X1 and adjacent areas
磨溪龙王庙组气藏目前完钻的定向井共计35口,其中34口井录取了FMI成像测井资料。基于后续实钻井的FMI成像测井裂缝响应、裂缝参数、试井解释等资料,证实了所建立磨溪龙王庙组多尺度裂缝模型的可靠性。
将常规测井储层参数解释、均方根振幅属性图和地震剖面等资料相结合,初步编绘了研究区高、低渗区域分布图,再利用气井试井解释渗透率参数场等生产动态资料,修正缝洞的规模、边界和连通性,最终明确了研究区高、低渗区域分布(图6)。磨溪龙王庙组气藏高渗区呈连片状广泛分布,储层连续性较好,地震响应同相轴表现为连续的强波峰“亮点”反射,试井解释渗透率高达500 mD;相对低渗区多呈条带状或片状局限分布,储层连续性较好,地震响应同相轴表现为较连续的弱波峰反射或杂乱反射,试井解释渗透率以大于0.5 mD为界限,与高渗区大面积接触;低渗区受岩性影响呈局限的块状分布,储层连续性相对较差,地震同相轴表现为断续的杂乱反射或连续的波谷“暗点”反射。研究区生产井主要分布于气藏统一气水界面-4 385 m构造等值线之上的高渗区。
在明确了研究区高、低渗区分布的基础上,综合岩心、铸体薄片、测井、地震及生产动态等资料,将研究区水侵通道具体划分为4个方向的9条通道(图6)。依据生产井水气比等产水特征,将水侵模式归纳为沿裂缝水窜型和沿溶蚀孔洞均匀推进型(图 7)。
沿裂缝水窜型气井下部强烈发育裂缝发育带,以MX009-3-X2井为例,该井中小尺度裂缝重构和等效渗透率均反映出井轨迹下部地层中存在发育的北西、北东向裂缝带,大尺度裂缝重构表明井轨迹下部地层中存在发育的北东向大裂缝带与水体沟通,大尺度裂缝通过中小尺度裂缝带与模型上层气体沟通;地震叠前偏移时间剖面显示该井储层与气藏北翼高渗水体储层连续性好,裂缝FMI成像测井图显示裂缝非常发育,裂缝方位为北东—南西向,试井结果表现为高渗特征(渗透率大于60 mD),生产动态表现为随着产量增高,水气比持续上升(表 2、表 3)。
图6 磨溪龙王庙组气藏优势水侵通道分布Fig.6 Distribution of dominant water invasion channel of gas reservoir of Longwangmiao Formation in Moxi area
图7 磨溪龙王庙组气藏优势水侵模式Fig.7 Water invasion patterns of gas reservoir of Longwangmiao Formation in Moxi area
沿溶蚀孔洞均匀推进型气井井轨迹下部地层中强烈发育溶蚀孔洞带,裂缝相对欠发育。以MX8井为例,该井岩心、成像测井等资料以及大尺度和中小尺度裂缝模型均表现出裂缝欠发育的特征,并且沿裂缝发育方向南部的储层分布较为局限,据静态资料确认该区域发生裂缝水窜的可能性较小,试井解释表现出高渗的特征,表明边水沿层推进相对均匀(表 2、表 3)。
根据模型预测结果分析并判断出气藏边水可能沿裂缝发育的高渗通道侵入气藏,后续开发生产动态证实了模型预测的水侵方向和通道与实际情况相符合。
表2 不同水侵模式典型井地球物理响应特征Table 2 Geophysical characteristics of typical wells with different water invasion patterns
表3 不同水侵模式典型井试井特征Table 3 Well test characteristics of typical wells with different water invasion patterns
(1)利用大斜度井和水平井裂缝识别技术,针对磨溪龙王庙组气藏进行了高角度缝、斜交缝、低角度缝在FMI成像测井响应中井轨迹下穿地层和上穿地层2种情况下裂缝的识别及裂缝参数的定量评价,评价结果表明较直井FMI成像测井显示可获得更多的裂缝发育信息。
(2)利用地震叠后不连续性检测体,根据裂缝密度和方位角可重构大尺度裂缝;利用叠前方位角各向异性裂缝预测体,结合定向井FMI成像测井响应,可重构中小尺度裂缝。基于大斜度井和水平井FMI成像测井约束下的多尺度非结构化网格裂缝模型,能更好地反映实际地层裂缝发育情况,实钻结果证实了所建立的离散裂缝模型的可靠性。
(3)精细描述磨溪龙王庙组气藏高渗、相对低渗和低渗区域分布范围,刻画出4个方向的9条水侵优势通道,建立了沿裂缝水窜型和沿溶蚀孔洞均匀推进型2种水侵模式。研究结果不仅对该区气藏产能补充井位部署、开发技术对策的优化调整具有支撑作用,还对同类特大型有水深层碳酸盐岩缝洞型储层气藏开展裂缝精细描述、水侵优势通道刻画和水侵模式建立等研究具有借鉴意义。