流动单元在潮坪相碳酸盐岩储层中的应用:以川西气田雷四3亚段为例

康建云, 缪祥禧, 何传亮, 吴晓光

(中石化经纬有限公司西南测控公司, 成都 610100)

中三叠统雷口坡组是四川盆地重要的海相含气层位,中国石化近年来持续加强川西地区海相领域的勘探工作,2014年,JM构造的PZ1井在雷四段上亚段测试获得天然气产量121×104m3/d,在川西地区发现了雷口坡组四段潮坪相白云岩大气田[1-4]。目前,位于彭州地区的川西气田提交探明储量超过1 000亿m3,证实雷口坡组潮坪相碳酸盐岩储层具有极大的勘探潜力[1]。

川西地区雷四上亚段受“(藻)云坪+准同期溶蚀+埋藏溶蚀”多因素控制形成的储层[1-4],储层具有较强的纵横向非均质性[5-8],而且较高的孔隙度并不代表较高的渗流能力,有别于一般碳酸盐岩的优质储层特征。前人对非均质性碎屑岩储层流动单元的划分和研究较多,碳酸盐岩储层流动单元的研究尝试较少。赵翰卿[9]研究认为,流动单元的划分是储层非均质体系研究的一部分,必须在砂体结构单元划分的基础上进行。柴晓龙等[10]通过压汞实验研究致密砂岩储层孔隙结构特征,明确了孔隙结构参数与毛管压力关系。吴胜和等[11]将流动单元研究分为两个层次,应用高分辨率层序地层学、储层结构分析、等方法研究连通体和渗流屏障的分布,再通过连通体内储层质量的差异进行流体单元的划分,提出了一套适用于陆相储层流动单元的研究思路和方法。前人划分储层流动单元主要基于岩性、物性或生产数据,过分强调物性的影响,划分结果偏定性或多解性强。顾军锋等[12]利用流动单元指标、储层品质因子等参数,提出了切片归类法进行储层流动单元划分,该方法可操作性好但仅考虑了储层物性因素。刘逸盛等[13]分别利用岩石组构法(RFN)法、孔隙几何形状法(R35)法、流动带指标法(FZI)法、水体积法(BVW)法等多种方法对MF油藏流动单元进行了定量划分,每种方法仅考虑岩石组构、孔隙几何形状或物性等单因素,未将岩性、物性和孔隙结构等因素有机的结合在一起。

潮坪相碳酸盐岩储层受复杂沉积及多期岩溶改造作用,具有极强的非均质性。流动单元研究是认识油气藏非均质性的一种有效手段,将流动单元应用于该类储层的评价及优选是一种有益的探索,将对该领域的勘探开发提供有力的支撑。在地质综合研究的基础上,明确储层发育的物质基础,并分析岩相与储层物性、储集空间类型的关系,基于岩相、储集空间类型和物性的对四川盆地川西坳陷川西气田雷四3亚段潮坪相碳酸盐岩储层流动单元进行定性识别,再用数理统计的方法优选对岩性和物性敏感的参数进行聚类、判别分析,多种地质因素结合、宏观与微观结合、定性与定量结合,提出一种适合川西气田雷四3亚段潮坪相碳酸盐岩储层流动单元划分的新方法,储层流动单元研究将为该类型和类似储层的测试选层和开发方案编制提供依据。

1 区域地质概况

研究区属于龙门山中段前缘的山前隐伏构造带,整体为一个受关口断裂与彭县断裂夹持的背斜构造:石羊-金马-鸭子河构造带,该构造带呈北东-南西走向,南缓北陡,从南至北分别发育石羊、金马、鸭子河3个局部构造[14],如图1所示。

图1 研究区构造位置与地层综合柱状图Fig.1 Structural location map and stratigraphic comprehensive histogram of the study area

四川盆地雷口坡组沉积期处于高盐度蒸发环境,总体上为陆表海潮坪—泻湖沉积体系[1,13]。川西地区雷四段沉积期沉积环境从蒸发台地膏盐湖向局限台地潮坪转变[14]。受印支运动影响,川西地区雷四段部分剥蚀,残留下来的雷四段由上(雷四3)、中(雷四2)、下(雷四1)3 个亚段组成,下亚段以膏盐岩为主,中亚段为膏岩和白云岩互层,上亚段以白云岩为主,夹石灰岩。雷四3亚段广泛发育云坪、含灰云坪、(含)藻云坪等沉积微相,为白云岩缝洞型储层发育奠定了基础。研究区内雷四段发育缝洞型碳酸盐岩储层,雷四3亚段上、下2套储层分布较稳定,储层受原始沉积、成岩作用及多期岩溶改造等复杂因素控制,具有很强的非均质性。

2 岩相对储层物性的控制作用

雷四3亚段沉积期,川西地区以局限台地-潮坪相沉积环境为主,研究区总体属于潮坪相沉积环境。川西坳陷川西气田雷四3亚段上储层主要为潮间带亚相下部沉积,下储层主要为潮间带沉积亚相,上、下储层间主要为潮下带沉积亚相。对雷四3亚段储层岩性进行统计显示,优质储层有选择性的发育于藻云坪、云坪、含灰云坪、灰云坪等沉积微相,表明岩相对储层物性具有较明显的控制作用。

2.1 沉积微相细分及基本特征

中三叠世雷四段沉积期,川西地区地势平坦,海平面的轻微升降变化就会在潮坪环境内引起大幅度的相带迁移,造成潮上带、潮间带、潮下带频繁交互[15]。雷四3亚段沉积早期,川西广大区域整体处于潮间带上部,广泛发育多套云坪、藻云坪沉积微相组合,岩性主要为微-粉晶白云岩、含藻白云岩夹藻砂屑白云岩;雷四3亚段沉积中-晚期,海平面略有上升,川西地区整体由潮间上带演变为潮间下带,局部水体加深甚至演变为潮下带,以潮间下带-潮下带为主,沉积微相主要为(藻)灰坪、云灰坪、(藻)砂屑滩、灰云坪等,岩性主要为藻砂屑灰岩、晶粒灰岩沉积;雷四3亚段沉积晚-末期,海平面在达到最高水位后开始下降,川西地区整体主要处于潮间带下部,沉积微相包括(藻)砂屑滩、(藻)云坪、灰云坪等,岩性主要为泥微晶灰岩、藻砂屑灰岩、微晶云岩及云质灰岩[3,16-17]。

通过岩心、岩屑、薄片等资料,对常规测井和成像资料进行刻度,建立了研究区不同沉积微相的岩性、沉积构造、储集空间类型和测井响应特征之间的对应关系,对雷四3亚段主要沉积微相总结了相应的测井识别模式(图2)。

其中,川西气田雷四3亚段藻云坪微相岩性主要为(残余)藻粘结白云岩,岩心可见溶蚀孔洞沿着藻纹层发育,具有较明显的层叠构造,薄片可见溶孔顺层分布,常规测井显示伽马为相对中高值、中子相对中高值、密度相对中高值、电阻率相对中低值,电成像隐约可见溶蚀孔洞顺层发育,层叠构造较为明显。

云坪微相岩性主要为白云岩,储集空间主要为蜂窝状溶蚀孔洞,常规测井显示中子相对高值、密度相对中高值、电阻率相对低值,电成像图像可见较发育的溶蚀孔洞。

(含)灰云坪微相岩性主要为含灰白云岩、灰质白云岩,以藻粘结和晶粒结构为主,镜下晶间孔较发育,常规测井响应为中子相对中低值、密度相对中高值、电阻率相对中高值,电成像图像主要为比较均一的亮黄色。

云灰坪微相岩性主要为含云灰岩、云质灰岩,岩心观察显示岩性相对较致密,常规测井主要表现为伽马相对低值、中子相对低值、密度相对中低值、电阻率相对高值,电成像图像一般为豹斑状。

根据以上沉积微相测井识别模式,对研究区雷四3亚段的沉积微相特征进行了统计分析,结果显示川西坳陷川西气田雷四3亚段上储层有利沉积微相主要为灰云坪、藻灰坪,属于潮间下带沉积;下储层有利沉积微相主要为藻云坪、云坪、(含)灰云坪,属于潮间上带沉积亚相;上、下储层间的隔层主要发育灰云坪、(含)云灰坪、藻砂屑滩、灰坪等微相,属于潮间下带-潮下带沉积亚相。

2.2 岩相与储集空间、储层物性的关系

川西坳陷川西气田雷四3优质白云岩储层成储主控因素复杂,原始沉积岩相是优质储层发育的基础,在经历了准同期溶蚀和埋藏溶蚀后期溶蚀作用后,形成的孔隙型、裂缝-孔隙型、裂缝-孔洞型优质储层是川西气田雷四3气藏的主要储层类型,对油气分布具有重要控制作用。

碳酸盐岩储层具有储集空间类型多样、储层非均质性强的特征,在经历了复杂成岩作用和多期岩溶改造作用后,可以产生大量次生孔隙、孔洞,构造作用产生的裂缝使储集空间更趋复杂。在岩石学观察的基础上,结合铸体薄片观察,显示雷四3亚段储层储集空间类型以晶间溶孔、不规则溶孔、晶间孔为主,其次为粒间孔、铸模孔,并发育少量微裂缝、溶洞。

根据储集空间类型和岩性之间的统计结果显示,岩性是不同储集空间发育的物质基础,不同储集空间有选择性的发育于某类或某几类岩性中(表1)。如藻粘结白云岩类前期主要发育残余粒间孔、晶间孔,成岩次生作用阶段在遭受多期溶蚀及裂缝的基础上,进一步溶蚀形成了大量不规则溶孔、溶洞。残余藻结构白云岩中主要发育晶间溶孔,晶间溶孔一般与晶间孔相伴生,主要由晶间孔经过大气淡水溶蚀扩大或埋藏期有机酸溶解而形成。微-细晶白云岩,微-细晶含灰白云岩中主要发育晶间孔,这是因为石灰岩在白云石化过程中,白云石交代文石随着矿物体积的缩小而产生的一类孔隙。(亮晶)砂屑白云岩的孔隙类型主要为粒间溶孔。膏云岩,含膏白云岩,藻砂屑灰岩主要发育膏模孔和生屑孔等铸模孔。

表1 研究区雷四3亚段储集空间类型划分Table 1 Classification of reservoir space types of Leisi3 sub member in the study area

据岩性和物性的统计关系显示,川西气田雷四3储层岩石类型与物性有密切关系,总体上具有随着白云岩化程度的增加孔隙度也逐渐增加的趋势。川西气田雷四3储层物性最好的是藻粘结白云岩和晶粒白云岩,其次是含灰云岩、灰质云岩,最差的为灰岩和过渡岩性(图3)。经统计,储层孔隙度随白云石含量的增加而增加的趋势明显,但并不是所有白云岩物性都好,白云岩化是基础,溶蚀才是物性变好的关键。

图3 川西雷四3储层物性与白云石含量、岩性统计关系图Fig.3 Statistical relationship between physical properties, dolomite content and lithology of Leisi3 reservoir in West Sichuan

2.3 岩相敏感测井曲线分析

海相碳酸盐岩储层一般表现为低放射性特征,特别碳酸盐岩礁滩相储层伽马值通常在15API以下,川西海相缝洞性储层高放射性普遍存在(GR为20～90 API),不仅远高于川东北元坝礁滩相缝洞性储层(GR约为15 API),也高于元坝雷口坡组(GR为25～40 API)。地层中的放射性主要来自于铀、钍和钾元素的放射性,造成地层高放射性的成因很多,主要可以归结为地层黏土含量及黏土成分、有机质含量、含有特殊矿物如钾盐,含火山矿物等因素。PZ113井及PZ115井自然伽马能谱测井曲线显示,川西坳陷川西气田雷四3亚段铀值较高,且与总伽马曲线相关性较好,高放射性是由于高铀含量引起。进一步分析发现,放射性与岩心薄片分析的藻类含量具有较好的相关性。认为雷四段藻类丰富,有机质丰度较高,成烃演化过程中极易吸附高放射性铀元素。因此,研究区GR曲线对藻类含量有很好的指示作用,相对高GR层段一般对应(藻)云坪、(藻)砂屑滩、(藻)灰坪等沉积微相。

电阻率曲线是储层矿物成分、物性和流体性质的综合反映,研究区前期钻井基本均位于构造相对高部位,雷四3储层含气饱和度较高,可以忽略流体性质对电阻率曲线的影响。前文提到,研究区雷四3储层的各类储集空间的发育对岩性具有较强的选择性,物性与储层岩石类型有密切关系。经岩心、岩屑和薄片刻度测井曲线后发现,彭州雷四3储层电阻率与岩性、物性均具有很强的对应关系,所以电阻率曲线也是研究区沉积微相及物性的敏感曲线(图4)。

图4 川西雷四3储层岩性敏感曲线分析图Fig.4 Analysis of lithologic sensitivity curve of Leisi3 reservoir in West Sichuan

3 流动单元划分

储层流动单元是一种非均质地质单元,是储层岩性、储集空间类型、微观孔隙结构和物性的综合反映,流动单元的形成主要受储层的原始沉积作用、成岩作用和构造作用等多方面因素控制,储层流动单元研究是认识油气藏的非均质性一种有效手段。Hearn等[18]于1984年提出储层流动单元的概念,前人对具有强非均质性的碎屑岩储层流动单元的研究较多,对同样具有强非均质性的缝洞型碳酸盐岩储层流动单元研究相对较少。碳酸盐岩储层流动单元为油气藏内具有相对一致的地质学、岩石学和水动力学特征,主要由孔、洞、缝连通渗流特征相似而被相对致密岩性或封闭性断裂分隔的地质单元,一般具有相对统一的压力系统和油气水关系[19-21]。

流动单元不仅控制渗流特性,吸液难易程度同时也影响储层的可压性,多方面控制了储层的可动用难易程度。川西坳陷川西气田雷四3储层流动单元的渗流特征受岩相、物性控制,尝试基于岩相和物性的结合划分研究区的储层流动单元。

3.1 基于岩相-储集空间-孔渗的储层流动单元划分

根据前人的研究,定义油藏品质指数(RQI)为

(1)

式(1)中:K为渗透率,mD;φe为有效孔隙度,%。

从式(1)可以看出,储层品质参数RQI可以综合反映储层宏观储渗特征和微观孔隙结构,是能较好反映油气藏非均质性特征的一个参数。与其他参数相比,储层品质参数具有量化程度高,在实际工作中易于操作的特点。储层流动单元主要受储层原始沉积构造、孔隙结构等控制,理论上可以根据RQI将储层分为不同流动单元。但在实际操作过程中发现,单独根据一个参数的划分结果往往具有多解性,如中孔中渗储层和特低孔特低渗的基岩RQI较为接近,容易归为同一类流动单元。

在取心井段,明晰岩相与储集空间类型、储层物性之间的关系后,优选出对岩相、物性敏感曲线自然伽马(GR)、深侧向电阻率(RD),结合能反映储层微观孔隙结构的RQI 3个参数,对研究区取心段的储层流动单元进行聚类分析,该方法既考虑了原始沉积微相对岩相、原生孔隙的控制作用,又考虑了后生成岩作用对孔隙结构的复杂化及储层非均质性,是一种定性与定量结合的方法,同时也有效规避了单参数划分储层流动单元的多解性。利用数理统计软件SPSS的K-均值聚类分析极易实现对储层流动单元的分类,经过多次尝试分类数和调参,取心井段分成5类时效果较好,与地质实际情况具有较好的对应性,其中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类为有效储层流动单元,Ⅳ类、Ⅴ类为无效储层(表2)。

表2 研究区雷四3亚段取心段流动单元聚类结果统计Table 2 Statistics of flow unit clustering results in the coring section of Leisi3 sub membe in the study area

3.2 流动单元特征

通过聚类分析,最终将研究区的有效储层流动单元分为3类,通过岩心、岩屑和薄片对划分的流动单元进行刻度,经统计分析,不同储层流动单元选择性发育于不同岩相中,且与宏观储层物性和微观储集空间类型具有较好的对应关系(表3)。

表3 研究区储层流动单元各参数分析统计Table 3 Analysis and statistics of parameters of reservoir flow unit in the study area

(1)Ⅰ类流动单元。主要发育于含藻云坪、云坪、含膏云坪等沉积微相;储集空间主要为溶蚀孔洞、构造缝、溶蚀缝;孔隙度为4.8%～11.3%,平均为7.4%;渗透率为0.31～7.81 mD,平均为1.45 mD;平均储层品质参数为 0.26。该类流动单元物性相对较好,渗流能力相对较强,根据《石油天然气储量估算规范》,以中高孔低渗的裂缝-孔隙(洞)型储层为主。

(2)Ⅱ类流动单元。主要发育于含灰云坪、藻云坪等沉积微相,储集空间主要为晶间溶孔、粒间溶孔;孔隙度1.6%～7.0%,平均为4.6%;渗透率为0.05～0.54 mD,平均为0.21mD;平均储层品质参数为0.15。该类流动单元物性中等,渗流能力一般,以中低孔特低渗的孔隙型储层为主。

(3)Ⅲ类流动单元。主要发育于云灰坪、藻灰坪、藻砂屑滩等沉积微相,储集空间主要为连通性差的粒间溶孔和不规则溶孔;孔隙度为1.2%～6.3%,平均为3.7%;渗透率为0.02～0.43 mD,平均为0.14 mD;平均储层品质参数为0.13。该类流动单元物性差,渗流能力较差,以低孔特低渗的孔隙型储层为主。

根据以上统计分析显示,在取心井段利用岩相敏感曲线GR、RD和储层品质参数(RQI)作聚类分析,分类结果具有较好的区分度,地质意义明确,划分的3类储层流动单元较为合理。将聚类分析结果作判别分析,明确各类流动单元的判别函数,通过建立岩心分析资料和测井解释资料之间的统计关系,即可将流动单元的概念扩展到研究区同类型储层的非取心井。判别分析结果统计显示,典型判别函数对样本的正判率达86.7%,可以用分类判别函数对研究区雷四3亚段储层流动单元进行分类,Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类有效储层流动单元Fisher线性判别函数为

f1(x)=0.285x1+6.25×10-5x2+

78.374x3-16.457

(2)

f2(x)=0.296x1+9.96×10-5x2+

63.523x3-14.309

(3)

f3(x)=0.323x1+0.01×10-5x2+

56.937x3-15.352

(4)

式中:f1(x)、f2(x)和f3(x)分别为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类有效储层流动单元;x1、x2和x3分别为测井曲线GR、RD和储层品质参数RQI的值。

按照以上储层流动单元划分的方法和步骤对川西气田雷四3亚段潮坪相碳酸盐岩储层的流动单元进行了分析和研究。从流动单元划分结果可以看出,川西坳陷川西气田雷四3亚段上储层以Ⅱ类、Ⅲ类流动单元为主,主要为以中低孔特低渗的孔隙型、裂缝-孔隙型储层。下储层从上至下依次主要发育Ⅱ类、Ⅰ类和Ⅲ类流动单元,下储层顶部主要为Ⅱ类流动单元,沉积微相主要为含灰云坪和藻云坪等,储集空间主要为粒间溶孔、晶间溶孔,以中低孔特低渗的孔隙型储层为主;下储层中部主要为Ⅰ类流动单元,沉积微相主要为云坪、含藻云坪、含膏云坪,储集空间以溶蚀孔洞、缝和构造缝为主,储层类型主要为中高孔低渗的裂缝-孔隙(洞)型;下储层下部主要以Ⅲ类流动单元为主,沉积微相主要为云灰坪、藻砂屑滩、藻灰坪等,储集空间以不规则溶孔、孤立溶孔为主,孔隙间连通性差,渗流能力较差,储层类型主要为中低孔特低渗孔隙型(图5)。

3.3 分类效果验证

分析可知,此种储层流动单元的划分方案在表象上是选取GR、RD、RQI这3个参数在取心井段进行聚类分析,但本质上是基于岩相-储集空间类型-孔渗等地质因素对储层流动单元进行划分,多种方法的结合和宏观微观的结合,能规避流动单元划分的多解性,且划分结果宏观上与沉积微相、渗流特征,微观上与储集空间类型等具有很好的对应关系。储层微观孔隙结构特征是储层的储集能力及渗流能力微观物质基础,是储层渗流能力差异的内在原因[22-25]。压汞曲线也叫毛细管压力曲线,是研究储层孔隙结构特征的较常用的方法。取心段不同类别储层流动单元的压汞曲线进行分析(图6),如果不同储层流动单元的微观孔隙结构与宏观渗流特征具有很好的对应关系,则说明流动单元的划分方案比较合理。

图6 不同类型储层流动单元毛细管压力曲线特征Fig.6 Characteristics of capillary pressure curves of flow units in different types of reservoirs

(1)Ⅰ类流动单元。该类储层样品毛细管压力曲线平台特征明显[图6(a)],压汞样品具有排驱压力低、中值压力较低、中值喉道半径大和进汞饱和度高等特点,总体表现为“粗歪度、分选性好”特征,表明该类储层流动单元孔喉连通性好、分选性较好、渗流能力强,孔隙结构主要表现为大孔粗喉、大孔中喉型。

(2)Ⅱ类流动单元。该类储层样品毛细管压力曲线平台特征相对较明显[(图6(b)],压汞样品具有排驱压力较低、中值喉道半径较大和进汞饱和度中-高的特征,总体表现为“中歪度,分选性较好”的特征,表明该类储层流动单元孔喉连通性中—好、分选性较差、渗透能力较好,孔隙结构主要表现为中孔中喉型。

(3)Ⅲ类流动单元。该类储层样品毛管压力曲线不具有曲线平台特征[(图6(c)],压汞样品具有排驱压力较高、中值喉道半径较小和进汞饱和度中-低的特征,总体表现为“中-细歪度、分选性较差”特征,表明该类储层流动单元孔隙连通性较差,渗透能力相对较差,孔隙结构主要表现为小孔中喉型。

各类储层流动单元压汞曲线反映的孔隙结构特征、孔隙连通性及渗流能力与其宏观上所对应的储集空间类型、物性具有很好的对应关系,微观孔隙结构能较好地反映宏观的渗流特征,说明此种流动单元的划分方案有较好的应用效果。

4 结论

(1)川西坳陷川西气田雷四3亚段潮坪相碳酸盐岩储层间渗流特征的差异主要受岩相及物性差异的控制;利用岩相敏感曲线GR、RD和RQI进行储层流动单元进行聚类分析划分流动单元的方法,既考虑了原始沉积微相对岩相、原生孔隙的控制作用,同时也考虑了后生成岩作用对孔隙结构的复杂化及储层非均质性,多种地质因素、多种方法及宏观微观的结合,能有效规避流动单元划分的多解性,是一种适合川西气田雷四3亚段潮坪相储层流动单元划分的有效方法。

(2)川西坳陷川西气田雷四3亚段潮坪相碳酸盐岩有效储层可分为3类流动单元,不同流动单元压汞曲线反映的孔隙结构特征、孔隙连通性、渗流能力与其宏观沉积微相、储集空间类型和物性特征具有很好的对应性。

(3)Ⅰ类和Ⅱ类流动单元主要位于川西气田雷四3亚段下储层中部和顶部,具有相对较好的物性条件和较强的渗流能力,是该领域的优质储层,较强的渗流能力和吸液能力决定其易于动用,应作为该气田开发的首选目标。