玛湖凹陷砂砾岩储层分类与产能预测方法研究

苏静，杨璐，邵广辉，林茂山，张艳丽，胡旋，董旭龙

1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000

2.中国石油招标中心新疆分中心，新疆 克拉玛依 834000

3.中国石油集团测井有限公司地质研究院，陕西 西安 710000

4.中国石油集团测井有限公司吐哈分公司，新疆 哈密 839009

5.中国石油集团测井有限公司新疆分公司，新疆 克拉玛依 834000

近年来围绕玛湖凹陷开展油气勘探，发现了北部百口泉组、南部上乌尔禾组两大油区，其中玛湖凹陷二叠系乌尔禾组砂砾岩油藏展现出巨大的勘探前景[1]。准噶尔盆地环玛湖凹陷南斜坡二叠系乌尔禾组为典型的砾岩储层，其岩性及物性非均质性强、砂泥砾混杂、黏土含量高、孔隙结构复杂、物性差[2]。压裂改造后井间产能差异大，静态资料评价认识有时与试油结果不符，给试油及压裂选层带来困难。因此，亟需建立研究区砂砾岩储层分类与产能预测模型。

储层分类是油藏描述的重要内容之一，目前已有很多分类方法，主要分为两类[3-6]：①基于储层的宏观参数进行储层分类，如孔隙度，渗透率；②基于储层的孔隙类型和孔隙结构进行储层分类。储层产能预测需要解决建立符合实际的产能预测模型以及校正各种影响因素两个关键问题，从而提高储层产能预测精度[7]。目前对于油田中储层产能预测方法主要分为4类[8-9]：①基于试井、钻杆地层测试、电缆地层测试资料的产能预测；②基于试井、试油、测井等资料的产能预测；③基于节点分析，获得单井产能的解析解或半解析解；④基于油藏数值模拟得到研究区所有油气井的动态产能。在油气实际生产中，需要根据油气勘探开发的不同阶段、不同开发方式采用不同的产能预测方法。对于勘探过程中的产能预测，主要是对测井资料加以分析，获得产能预测模型。测井资料主要反映地层的静态属性，采用较多的是产能指数法分析统计产能与地层渗透率、油气含量、孔隙结构、有效厚度等参数的关系，构建各种产能指数模型，利用测井资料计算产能指数[10-15]。

不同地区的储层分类标准和产能预测方法的效果不同，玛湖凹陷砂砾岩储层复杂，试油产能结果与预期符合度较差，储层分类和产能预测受多重因素影响。为此，笔者基于地质录井、测井、试油等各类数据，分析了玛湖凹陷砂砾岩储层的产能主控因素，提出新的储层分类方法和产能预测方法，并对研究区的井段进行储层分类和产能预测。

1 地质背景

准噶尔盆地中央坳陷玛湖凹陷是中央坳陷分布最北的一个二级构造单元，凹陷内沉积巨厚泥岩，是准噶尔盆地最重要的烃源区之一[16-17]。整体构造特征具成排分布特点，断背斜沿构造带呈珠状排列，是海西构造运动的产物。浅层逐步成为单斜构造，倾向南东。克百斜坡位于准噶尔盆地西北缘冲断带的中段，克百断裂下盘斜坡带，为一鼻隆构造，东北翼平缓，以斜坡向玛湖凹陷过渡，南翼向中拐凸起倾斜。该凸起是石炭纪-二叠纪古隆起，主要形成于晚海西运动，佳木河组沉积后期该区被强烈抬升，凸起高部位地层遭受剥蚀。二叠纪中晚期，上二叠统上乌尔禾组超覆沉积于凸起之上，与下伏二叠系佳木河组呈角度不整合接触；三叠系-侏罗系披覆其上，隆起幅度较小。燕山运动使凸起区进一步抬升，形成了向东南单倾的构造格局；喜马拉雅运动期最终掀斜定型，但影响相对较弱。斜坡区受区域构造条件和沉积条件所限，断裂相对较少，砂泥岩互层发育，所形成的油藏往往与岩性有关，多为构造背景下的岩性油藏。根据构造位置可将玛湖凹陷划分为4个区块，即：以玛东2井、盐北4井为代表的玛东斜坡区，以玛131为代表的玛北斜坡区，以艾湖1井、玛18井为代表的玛西斜坡区，以玛湖1井、玛湖8井为代表的玛南斜坡区。

2 玛湖凹陷砂砾岩储层分类

2.1 宏观流动系数

储层分类是后续储层产能预测的基础，而致密砂砾岩储层产能主要受储层物性、孔隙结构、黏土含量、储层厚度、地层压力、压裂改造等因素影响，不同的研究区域对应不同的储层产能主控因素。考虑到试油方法和制度对最终试油结果影响较大，不能准确反映储层的真实产能。因此，提出了宏观流动系数(FH)来反映试油稳定期储层的渗流能力和产液能力，它能更好地表示储层的产能。宏观流动系数FH的表达式为：

(1)

式中：Qs为累计产液量；Qf为压裂液总液量；ps为压力损失比；pfo为地层压力；pfl为流压；n、m为系数，根据产液时间和压裂液类型确定。

为了研究宏观流动系数与储层类型之间的关系，统计了研究区33个试油层的日产液量，并计算了33个试油层的宏观流动系数。建立宏观流动系数与日产液量之间的关系如图1所示。基于日产液量和宏观流动系数，初步将储层分为4类：Ⅰ类储层，试油日产液量在25 t以上且FH大于4；Ⅱ类储层，试油日产液量在10～25 t或FH介于2～4；Ⅲ类储层，试油日产液量在5～10 t或FH介于1.25～2；Ⅳ类储层，试油日产液量在5 t以下或FH小于1.25。

图1 宏观流动系数与日产液量关系图

上述储层分类方法是基于试油数据得到的，无法应用到未试油层段的储层分类。因此，本文将储层产能的多个因素分为两类，构建两个新的指数进行综合储层分类：储层物性指数(IRPQ)和储层压力厚度指数(IPHQ)。

2.2 储层物性指数

对于低渗透储层，孔喉配置关系复杂，岩心孔隙度、渗透率的相关性变差，而储层在物性上的宏观表现往往反映是孔隙度、渗透率关系的变化。研究区利用渗透率与核磁共振有效孔隙度表征储层孔喉配置关系，渗透率与核磁有效孔隙度的比值越大，储层孔喉配置关系越好，渗流能力越强。以此为基础，结合储层常规测井孔隙度和核磁共振毛细管束缚水孔隙度的比值表征储层整体孔隙和孔隙结构的发育情况，比值越大，孔隙结构越好，大孔隙越发育。根据研究区的储层物性参数建立储层物性指数(IRPQ)：

(2)

式中：φe为声波和密度测井计算孔隙度；φAC为声波孔隙度；φρ为密度孔隙度；φBVI为核磁共振毛细管束缚水孔隙度；φNMRe为核磁共振有效孔隙度；φNMRt为核磁共振总孔隙度；φNMRf为核磁共振可动流体孔隙度；K为核磁共振渗透率，基于Coates模型计算；ΔT为声波时差；ΔTma为岩石骨架声波时差；ΔTf为流体声波时差；ρ为储层密度；ρma为岩石骨架密度；ρf为流体密度；α和γ为经验系数，根据储层岩性分类和胶结类型确定。

根据式(2)可知，它综合考虑了储层的储集空间、孔隙结构和单位孔隙的渗流能力，因此能全面地表征试油层的物性特征。

2.3 储层压力厚度指数

根据研究区的射孔资料和常规测井资料建立储层压力厚度指数(IPHQ)，其计算公式如下：

(3)

式中：H为射孔厚度；ρm为钻穿目的层段时所使用的钻井液密度，从一定程度上可反映地层压力系数；ρms为试油层上覆泥岩电阻率；ΔTot为试油层段测井声波时差；a、b和c为经验系数，根据储层垂深、岩性种类确定。

式(3)运用到声波时差和电阻率数据是因为快速沉积形成的泥岩欠压实导致地层异常高压，在测井上表现为高声波时差和低电阻率。地层高压导致泥岩中形成大量的微裂隙，从而增加了超压泥岩中束缚水的相互联系致使电阻率降低，超压泥岩中含气和水的微裂隙降低了声波的传播能力。同时，研究区二叠系乌尔禾组超压带的高声波时差不仅仅是泥岩具有的特征，砾岩储层孔隙流体超压导致颗粒间有效应力减小也引起储层段低声速异常。因此，本次研究综合利用射孔厚度、上覆泥岩电阻率和储层声波时差与骨架比值来计算储层压力厚度指数。

对研究区24个试油层段进行储层物性指数和储层压力厚度指数的计算，并作交会图处理，如图2所示，不同颜色数据点代表不同的宏观流动系数。整体上看，储层物性指数和宏观流动系数存在正相关关系；储层压力厚度指数越大，宏观流动系数也相对较大，进一步说明了可以依据储层物性指数和储层压力厚度指数划分储层类别。结合之前基于宏观流动系数得出的储层分类结果，可将图版进一步分为4个区间：第一区间为储层物性指数和储层压力厚度指数均大，为Ⅰ类或Ⅱ类储层；第二区间为储层压力厚度指数较大，但储层物性指数相对较差；第三区间为储层压力厚度指数较低，但储层物性指数较好，为Ⅲ类储层；第四区间为储层物性指数和储层压力厚度指数均差，为Ⅳ类储层。由图2可知，该研究区试油层一半以上为Ⅲ类储层，其产能主要受储层压力厚度指数控制。根据上述结果，建立了研究区玛湖凹陷砂砾岩储层分类标准(见表1)。

表1 玛湖凹陷砂砾岩储层分类标准

图2 玛湖凹陷砂砾岩储层分类图版

3 储层产能主控因素分析

不同地区影响储层产能的因素不尽相同，本文将研究区储层产能因素分为储层性质因素和储层措施改造因素两方面来分析。

3.1 储层性质因素

第2节的研究结果表明研究区宏观流动系数与储层产能为正相关关系，因此在研究储层性质对产能的影响时，主要分析储层物性参数与宏观流动系数之间的关系。首先，对24个试油层的孔隙度、毛细管束缚水孔隙度、储层物性指数、黏土含量、地层压力系数及射孔厚度与宏观流动系数做相关性分析(见图3)。由图3可知，试油层的储层物性参数均与宏观流动系数有一定的正比或反比关系，但相关性都不强。

再对24个试油层的宏观流动系数和不同储层物性参数做柱状图统计分析(见图4)。由图4可知，第24号试油层，虽然其射孔厚度较薄，但因其地层压力系数较高，从而宏观流动系数较大；第23号试油层，孔隙度及储层物性指数较低，但毛细管束缚水孔隙度也低，反映了该试油层以大孔隙为主，从而宏观流动系数也较大。最终的试油结果也表明上述两个试油层均获得较高产能。因此，单一用其中一个或两个参数无法实现准确判别储层产能的目的，需进一步寻求各参数之间的关系，构建综合评价指数来判别储层产能。

图4 试油层宏观流动系数和不同储层物性参数的柱形图

3.2 储层措施改造因素

由于玛南斜坡二叠系乌尔禾组砾岩储层物性较差，退液试产过程中压力及产量均下降，对应的采液指数是变化的。本文利用相对稳定时期单位生产压差的日产液量作为采液指数进行研究，采液指数(J)计算公式如下：

(4)

式中：Qd为日产液量。

为了分析储层措施改造因素对储层产能的影响，分别绘出了采液指数与压裂液总量、加砂(总)量、每米产液量以及每米加砂量之间的关系图，如图5所示。由图5可知，玛湖凹陷砂砾岩储层措施改造规模大小与产能无明显的相关关系。初步猜测的原因是措施改造对不同品质的储层影响程度不同，为了验证该猜想，在储层综合分类的基础上，再次对措施改造规模与产能的关系进行探索。

图5 采液指数与措施改造参数之间的关系图

1)Ⅰ类、Ⅱ类储层与措施改造的关系。为了分析Ⅰ类、Ⅱ类储层与措施改造的关系，将图5中属于Ⅰ类、Ⅱ类储层的试油层段单独分析，分别绘出了采液指数与每米产液量及每米加砂量关系，如图6(a)、(b)所示，可以发现，对于Ⅰ类、Ⅱ类储层，措施改造规模与产能没有明显的相关性，中等规模(每米产液量70 m3/m、每米加砂量7 m3/m)的措施改造，即可获得较好的产能。

图6 采液指数与每米产液量及每米加砂量关系图

2)Ⅲ类、Ⅳ类与措施改造的关系。同样地，分别绘出了Ⅲ类、Ⅳ类储层采液指数与每米产液量及每米加砂量关系，如图6(c)、(d)所示，可以看出，措施改造中的每米产液量、每米加砂量与采液指数均成正相关关系，从而认为措施改造对Ⅲ类、Ⅳ类储层的产能影响较明显。

综合上述分析可知，在最终储层产能评价中，应分类考虑储层措施改造对产能的影响因素。

4 储层产能定量预测方法

为了简化储层产能定量评价模型，将储层分类中提出的两个参数(储层物性指数和储层压力厚度指数)综合为一个新的指数，定义为储层综合压力物性指数(核磁)(IRPPQ，N)：

(5)

式中：B为校正常数，与区域异常高压带的压力变化有关。

随后计算了24个试油层的储层综合压力物性指数，并与其宏观流动系数做相关性分析，相关性达到0.960 6(见图7(a))，由此可见，储层综合压力物性指数能够很好地用于定量表征试油层宏观流动系数。

图7 储层综合压力物性指数与宏观流动系数关系图

考虑到研究区部分井未进行核磁共振测井，式(5)无法计算。此时，利用试油层的泥质含量和静自然电位构建基于常规测井资料的储层物性指数模型(常规)(IRPQ，r)：

(6)

式中：USP为储层静自然电位，其幅值反映储层孔隙结构的变化；φN为中子孔隙度，在砂砾岩储层中对泥质指示明显。

在基于常规测井资料的储层物性指数模型基础上，结合储层压力厚度指数，构建了基于常规测井资料的储层综合压力物性指数(常规)(IRPPQ，r)：

(7)

随后对基于常规测井资料的储层综合压力物性指数与宏观流动系数做相关性分析，相关性达到0.939 2(见图7(b))，由此可见，基于常规测井资料的储层综合压力物性指数也可以很好地用于定量表征试油层宏观流动系数。

为了统一研究区的储层综合压力物性指数，对于有核磁共振测井资料的储层，将由核磁共振测井计算的储层综合压力物性指数与由常规测井资料计算的储层综合压力物性指数进行加权平均，得到储层综合量化评价指数(V)：

V=A1×IRPPQ，N+A2×IRPPQ，r

(8)

式中：A1、A2代表权重系数，研究区中A1、A2分别设为0.6和0.4。

对储层综合量化评价指数与宏观流动系数做相关性分析，相关性达到0.969 7(见图8)。V越大，反映储层的物性越好，品质越优。

图8 储层综合量化评价指数与宏观流动系数关系图版

综上分析可知，利用储层综合量化评价指数计算试油层宏观流动系数，可以对试油层总产能进行很好的评价与预测，但要对试油层日产能进行评价还需要考虑储层措施改造因素。为此利用储层综合量化结果结合储层措施改造因素，对试油层采液指数进行预测，进而实现对试油层日产能进行评价。

在3.2小节中，分析得到了Ⅰ类、Ⅱ类储层的措施改造规模与产能的相关性差。因此，在分析Ⅰ类、Ⅱ类储层的产能时无需考虑措施改造因素的影响，直接建立储层综合量化评价指数与采液指数的关系(见图9(a))。可以看出，Ⅰ类、Ⅱ类储层采液指数与储层综合量化评价指数相关性较好。根据拟合结果，得到目前中等措施改造规模(每米产液量70 m3/m、每米加砂量7 m3/m)条件下，Ⅰ类、Ⅱ类储层的采液指数模型为：

图9 储层综合量化评价指数与采液指数关系图

J=0.581 3×V-0.112 4

(9)

对于Ⅲ类、Ⅳ类储层，措施改造规模对产能影响较大，因此仅通过储层综合压力物性指数预测采液指数的精度不高(见图9(b))。因此需根据储层措施改造规模对储层综合量化评价指数进行校正后才能对采液指数进行预测。结合Ⅲ类、Ⅳ类储层综合量化评价指数，组合各类改造措施因素，采用交会图方式寻得两个组合参数与采液指数的关系(见图10)。根据拟合结果，建立了Ⅲ类、Ⅳ类储层的采液指数模型：

图10 Ⅲ类、Ⅳ类储层采液指数与每米产液量/每米加砂量综合量化评价指数关系

J=[(0.001 8×V×Ql+0.167 3)+(0.022×V×Qs+0.139 5)]/2

(10)

式中：Ql为每米产液量；Qs为每米加砂量。

5 应用效果分析

将上述储层分类和产能预测方法应用于玛湖凹陷砂砾岩储层其他试油层，实际应用17井次，储层分类符合率为88.2%，储层产能符合率达82.4%，验证了储层分类和产能预测方法在研究区的有效性和准确性。

以M11井试油层为例，基于该井的常规及核磁共振测井资料，解释在3 724.0～3 733.0 m井段为油水同层(见图11)。经试油讨论，决定在该层顶部3 724.0～3 728.0 m进行试油。计算该井的储层参数，并利用构建的储层综合压力物性指数计算模型及采液指数评价模型对该井进行产能预测，将计算得到的储层压力厚度指数、储层物性指数以及储层综合压力物性指数等数据带入建立的储层分类图版以及储层综合量化评价指数与宏观流动系数关系图版中，预测点落入Ⅳ类储层区域。实际试油过程中，该井段采用油管压裂，总用胍胶压裂液428.8 m3，总加陶粒43 m3(每米产液量107 m3，每米加陶粒10.7 m3)；试油稳产阶段，油压0.15 MPa，套压1.23 MPa，日产水13.9 m3，采液指数预测结果与实际试油结果相符。

图11 M11井乌尔禾组录测井综合图

6 结论

1)提出的宏观流动系数、储层物性指数和储层压力厚度指数与储层品质有较好的对应关系。基于研究区试油数据，制定了研究区的储层分类标准，并通过实际应用验证了分类方法的准确性，研究区的储层分类符合率达88.2%。

2)研究区储层产能受多重因素影响，将其分为储层性质因素和储层措施改造因素两大类。在储层性质因素中，单一用其中一个或两个参数无法准确反映储层产能的好坏，需构建综合评价指数来评价储层产能。在储层措施改造因素中，Ⅰ类、Ⅱ类储层的措施改造规模与产能没有明显相关性；Ⅲ类、Ⅳ类储层的措施改造因素中，每米产液量、每米加砂量对产能影响较为明显。

3)综合储层物性指数和储层压力厚度指数，提出储层综合压力物性指数(核磁/常规)。基于储层综合压力物性指数，分别建立了Ⅰ类和Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类储层的采液指数模型，并运用于研究区其他井的产能预测中，储层产能判别准确率达到82.4%。