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        碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性分類評(píng)價(jià)
        ——以普光氣田飛仙關(guān)組儲(chǔ)層為例

        2016-02-05 05:47:40張紀(jì)喜
        天然氣勘探與開發(fā) 2016年4期

        張紀(jì)喜 陳 岑 成 群

        1.中國石化中原油田勘探開發(fā)研究院2.重慶科技學(xué)院 3.中國石油大慶油田采油三廠

        碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性分類評(píng)價(jià)
        ——以普光氣田飛仙關(guān)組儲(chǔ)層為例

        張紀(jì)喜1陳 岑2成 群3

        1.中國石化中原油田勘探開發(fā)研究院2.重慶科技學(xué)院 3.中國石油大慶油田采油三廠

        以普光氣田下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層為例,為了研究影響儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性,通過收集所有可以用來表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性的參數(shù),引入因子分析法優(yōu)選出孔隙度、滲透率、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選系數(shù)、偏度系數(shù)及平均喉道半徑等6項(xiàng)參數(shù)來表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)優(yōu)選儲(chǔ)層參數(shù)的樣品進(jìn)行聚類分析,確定飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層存在強(qiáng)非均質(zhì)性、較強(qiáng)非均質(zhì)性、中等非均質(zhì)性和弱非均質(zhì)性等四種類型,其中54%的樣品表現(xiàn)為中等非均質(zhì)性;同時(shí),采用判別分析建立了儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性判別函數(shù),得到研究區(qū)儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性定量評(píng)價(jià)結(jié)果,該結(jié)果與聚類分析成果一致,即:普光氣田飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層存在強(qiáng)、較強(qiáng)、中等和弱非均質(zhì)性四種類型,其中以中等到強(qiáng)非均質(zhì)性為主。該分類評(píng)價(jià)方法為碳酸鹽巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供了參考作用。

        普光氣田碳酸鹽巖微觀非均質(zhì)性表征參數(shù)因子分析聚類分析分類評(píng)價(jià)

        普光氣田下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組儲(chǔ)層主要為臺(tái)地邊緣相帶,儲(chǔ)層的微觀非均質(zhì)性特征主要受沉積作用、成巖作用兩大因素的影響。目前,針對(duì)普光氣田碳酸鹽巖儲(chǔ)層,使用單一參數(shù)判別非均質(zhì)性強(qiáng)弱方法存在局限性,常表現(xiàn)為選取不同的參數(shù)表征有可能得到相反的結(jié)果。因此,有必要綜合選取多種參數(shù),綜合分析其微觀非均質(zhì)程度[1]。通過對(duì)影響儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性的因素進(jìn)行定性分析,確定非均質(zhì)性特征表征參數(shù)優(yōu)選原則,引入因子分析法進(jìn)行表征參數(shù)優(yōu)選。在微觀非均質(zhì)性評(píng)價(jià)樣品和參數(shù)選擇的基礎(chǔ)上,綜合運(yùn)用聚類分析的方法,對(duì)所選的37個(gè)樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分類研究。通過判別分析獲得標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)判別函數(shù),對(duì)聚類分析的分類結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),也可以通過計(jì)算其他井、其他樣本點(diǎn)的判別指標(biāo),確定其微觀非均質(zhì)性類型。

        1 微觀非均質(zhì)性表征參數(shù)優(yōu)選

        1.1 參數(shù)優(yōu)選原則

        對(duì)于儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性而言,可以表征其特征的參數(shù)很多,包括反映儲(chǔ)層孔喉大小及其分布的參數(shù)和反映孔喉連通性以及滲流特征的參數(shù)。

        由于影響儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性的因素主要為沉積和成巖因素。參數(shù)的選取是準(zhǔn)確定量表征微觀非均質(zhì)性的基礎(chǔ)[2]。在表征非均質(zhì)性時(shí),希望能盡可能地準(zhǔn)確、全面,但真正完全提取所有參數(shù)來進(jìn)行表征,是不太可能也沒有必要。一方面,目前表征微觀非均質(zhì)性的參數(shù)有上百個(gè),在表征過程中完全使用這些參數(shù)是不可能的;另一方面,表征非均質(zhì)性的若干參數(shù)雖然來源于不同的資料和分析手段,但各參數(shù)之間存在很大程度的相關(guān)性。因此,只需要選擇其中少數(shù)代表儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性的參數(shù)即可。參數(shù)優(yōu)選原則如下:

        1)選取的參數(shù)具有合理性,即選取的參數(shù)能在很大程度上表征出微觀非均質(zhì)性特征;

        2)盡可能全面選取表征非均質(zhì)性的各種特征參數(shù);

        3)選取的參數(shù)易于求取和統(tǒng)計(jì)分析;

        4)選取的參數(shù)在空間上具有一定的可比性。

        1.2 參數(shù)優(yōu)選

        實(shí)際研究中,多參數(shù)不一定可以全部發(fā)揮作用,收集到的變量數(shù)據(jù)通常之間存在一定的相關(guān)性[3],同時(shí)還可能加大計(jì)算工作量,變量間的信息高度重疊和高度相關(guān)給統(tǒng)計(jì)方法帶來困難。例如,在多元線性回歸分析中,若變量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性,則會(huì)對(duì)回歸方程參數(shù)估計(jì)帶來困難,致使參數(shù)不準(zhǔn)確,模型不可用。所以引入因子分析方法來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選[4]。

        因子分析要求提取的公因子應(yīng)具有實(shí)際地質(zhì)意義[5-6],并且匹配沉積、成巖因素對(duì)微觀非均質(zhì)性的影響。但是大部分因子分析的結(jié)果中,各因子和原始變量之間的關(guān)系并不明顯,為了使因子載荷矩陣中系數(shù)更加顯著,可以對(duì)初始因子載荷矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使因子和原始變量間的關(guān)系進(jìn)行重新分配,相關(guān)系數(shù)向0或1分化。

        用全部收集到的可以用來定量表征儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性參數(shù)(顆粒巖密度、進(jìn)汞飽和度、滲透率、孔隙度、喉道均質(zhì)系數(shù)、特征系數(shù)、相對(duì)分選系數(shù)、峰態(tài)、偏度、平均喉道半徑、排驅(qū)壓力、退出效率、比表面積、平均孔喉比、平均配位數(shù)等共15個(gè))來進(jìn)行因子分析。

        因子分析中KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)量是取值在0和1之間。當(dāng)所有變量間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)平方和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偏相關(guān)系數(shù)平方和時(shí),KMO值接近1。KMO值越接近于1,意味著變量間的相關(guān)性越強(qiáng),原有變量越適合作因子分析;當(dāng)所有變量間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)平方和接近0時(shí),KMO值接近0。KMO值越接近于0,意味著變量間的相關(guān)性越弱。

        為了優(yōu)選非均質(zhì)性表征參數(shù),需要同時(shí)考慮參數(shù)的相似性及相異性,當(dāng)KMO值近似等于0.5時(shí),所選參數(shù)適合于表征非均質(zhì)性。將以上全部15個(gè)參數(shù)帶入KMO檢驗(yàn),初次檢驗(yàn)結(jié)果KMO值為0.41,表示檢驗(yàn)結(jié)果并不理想,說明并非所有的參數(shù)都適用于同時(shí)參與表征非均質(zhì)性。

        因此,在參數(shù)優(yōu)選的過程中,要強(qiáng)化地質(zhì)意義研究的分析,綜合地質(zhì)研究和KMO值的分析判斷,優(yōu)選不同的參數(shù)組合來進(jìn)行多次迭代計(jì)算。通過23次迭代計(jì)算,最終選出孔隙度、滲透率、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選系數(shù)、偏度系數(shù)及平均喉道半徑等6項(xiàng)參數(shù),使得KMO值逐漸收斂到0.502,符合參數(shù)優(yōu)選的原則,體現(xiàn)出因子分析的有效性。

        之后提取公因子方差(變量共同度),表1顯示的是提取的因素能夠解釋多少自變量,值越接近1越好(最大值為1)。可以看到,6項(xiàng)參數(shù)均大于0.5,說明這些參數(shù)可較好的反映儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性。

        表1 表征參數(shù)公因子方差表

        采用方差極大法對(duì)因子載荷矩陣實(shí)行正交旋轉(zhuǎn)以使因子具有實(shí)際可解釋性??梢灾付ò凑盏谝灰蜃虞d荷降序的順序輸出旋轉(zhuǎn)后的因子載荷。表2表明:孔隙度、滲透率、相對(duì)分選系數(shù)在第1因子有較高載荷,可解釋為成巖作用因子(因子1),偏度系數(shù)、排驅(qū)壓力、平均喉道半徑在第2個(gè)因子的載荷高,解釋為沉積-成巖因子(因子2),體現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)選的合理性,同時(shí)符合微觀非均質(zhì)性影響因素的分析結(jié)果,也反映了地質(zhì)上主控因素對(duì)微觀非均質(zhì)性的影響。

        表2 旋轉(zhuǎn)因子矩陣表

        2 微觀非均質(zhì)性分類

        2.1 聚類分析

        聚類分析的基本思路是:假定研究對(duì)象存在不同的相似性,根據(jù)觀測(cè)樣本找出并計(jì)算能夠度量樣品間相似程度的統(tǒng)計(jì)量,按相似性統(tǒng)計(jì)量的大小,將相似程度大的聚合到一類,關(guān)系疏遠(yuǎn)的聚合到另一類,直到把所有的樣品聚合完畢,形成一個(gè)由小到大的分類系統(tǒng),最后將分類系統(tǒng)直觀地用譜系圖表示出來。

        由于所選擇的參數(shù)不同,聚類的結(jié)果也不盡相同。在進(jìn)行聚類分析之前,為消除各參數(shù)變量量綱之間的差異,需要將原始變量進(jìn)行歸一化處理,然后應(yīng)用系統(tǒng)聚類分析方法,并基于易求取、易統(tǒng)計(jì)分析的原則確定分類的數(shù)目和分類情況[7]。

        根據(jù)因子分析的結(jié)果,選取孔隙度、滲透率、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選系數(shù)、偏度系數(shù)及平均喉道半徑等6項(xiàng)參數(shù),并結(jié)合地質(zhì)意義確定分類數(shù)目和分類情況。如圖1所示,根據(jù)37個(gè)抽樣樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)聚類結(jié)果,并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)認(rèn)識(shí)得出儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性可以分為4類:I類(弱非均質(zhì)性)、II類(中等非均質(zhì)性)、III類(較強(qiáng)非均質(zhì)性)、IV類(強(qiáng)非均質(zhì)性)。

        2.2 判別分析

        判別分析的基本思路是對(duì)進(jìn)入判別式的每一組變量進(jìn)行挑選,每一步都對(duì)變量進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)計(jì)算出的判別值大小以確定該組變量最終歸為哪一類非均質(zhì)性程度。在應(yīng)用聚類分析法劃分結(jié)果合理可行的前提下,對(duì)抽樣樣品進(jìn)行判別分析,得出研究區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性判別函數(shù)關(guān)系式如下:

        Ⅰ類(弱非均質(zhì)性)=-0.581A+9.413B+ 970.684C-1.609D-15.123E+1.170F-742.705

        Ⅱ類(中等非均質(zhì)性)=-0.501A+6.929B+ 933.149C+0.117D-14.166E+0.158F-651.372

        Ⅲ類(較強(qiáng)非均質(zhì)性)=-0.379A+7.242B+ 909.033C+4.540D-13.751E+0.747F-655.774

        Ⅳ類(強(qiáng)非均質(zhì)性)=-0.506A+6.666B+ 1074.551C-4.609D-16.872E-1.518F-782.696

        式中:

        A—滲透率,mD;

        B—孔隙度,%;

        C—相對(duì)分選系數(shù);

        D—偏度系數(shù);

        E—平均喉道半徑,μm;

        F—排驅(qū)壓力,MPa。

        圖1 微觀非均質(zhì)性聚類分析譜系圖

        通過判別函數(shù)的計(jì)算,可直觀對(duì)未參與聚類分析的樣品進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。判別函數(shù)中每個(gè)自變量參數(shù)值都有相應(yīng)的系數(shù),參數(shù)與系數(shù)的乘積之和為判別值。將各樣品的自變量參數(shù)代入上述四個(gè)判別函數(shù),得到4個(gè)判別值。比較這4個(gè)判別值,哪個(gè)判別值最大,就可以判斷該樣品歸入哪一類非均質(zhì)性。

        選取孔隙度、滲透率、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選系數(shù)、偏度系數(shù)及平均喉道半徑等6項(xiàng)特征參數(shù),應(yīng)用判別分析法把研究區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層取心井256組數(shù)據(jù)劃分為強(qiáng)、較強(qiáng)、中等及弱微觀非均質(zhì)性四種類型。

        3 普光氣田微觀非均質(zhì)性分類評(píng)價(jià)

        對(duì)多種微觀非均質(zhì)性表征參數(shù)進(jìn)行因子分析之后,找出能反映參數(shù)內(nèi)在聯(lián)系和起主導(dǎo)作用的、數(shù)目較少的參數(shù)。又根據(jù)因子分析的結(jié)果對(duì)微觀非均質(zhì)性程度進(jìn)行分類,分類的方法為運(yùn)用聚類分析法。最后,在已知分類的基礎(chǔ)上,利用判別分析方法建立判別函數(shù),以完成對(duì)其余樣品微觀非均質(zhì)性的定量表征。通過對(duì)聚類分析所用37組抽樣樣本點(diǎn)的4組判別分析式的帶入計(jì)算,聚類分析和判別分析結(jié)果完全吻合,具有高度一致性。

        一般來講,非均質(zhì)性越強(qiáng),反映非均質(zhì)強(qiáng)弱參數(shù)值越大,滲流阻力越大。對(duì)于微觀非均質(zhì)性而言,最終優(yōu)選孔隙度、滲透率、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選系數(shù)、偏度系數(shù)及平均喉道半徑等6項(xiàng)特征參數(shù),運(yùn)用聚類分析法對(duì)研究區(qū)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層取心井256組樣品進(jìn)行微觀非均質(zhì)性定量表征(表3)。

        表3 研究區(qū)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性劃分結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

        256組樣品中有138組樣品顯示出中等非均質(zhì)性,占樣品總數(shù)的54%,49組樣品非均質(zhì)性弱,有69組樣品非均質(zhì)性較強(qiáng)和強(qiáng),表明普光地區(qū)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層屬中等到強(qiáng)的微觀非均質(zhì)性儲(chǔ)層。

        聚類分析結(jié)果表明,研究區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性可分為4類:①弱非均質(zhì)性,對(duì)49塊弱非均質(zhì)性樣品參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,平均排驅(qū)壓力為0.01 MPa,平均喉道半徑為19.69 μm,偏度系數(shù)為3.62,相對(duì)分選系數(shù)0.42;②中等非均質(zhì)性,對(duì)138塊弱非均質(zhì)性樣品參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,平均排驅(qū)壓力為0.93 MPa,平均喉道半徑為14.39 μm,偏度系數(shù)為4.44,相對(duì)分選系數(shù)0.63;③較強(qiáng)非均質(zhì)性,對(duì)46塊弱非均質(zhì)性樣品參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,平均排驅(qū)壓力為3.2 MPa,平均喉道半徑為4.24 μm,偏度系數(shù)為5.35,相對(duì)分選系數(shù)0.98;④強(qiáng)非均質(zhì)性,對(duì)23塊弱非均質(zhì)性樣品參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,平均排驅(qū)壓力為4 MPa,平均喉道半徑為6.88 μm,偏度系數(shù)為6.15,相對(duì)分選系數(shù)0.99。

        4 結(jié)論

        1)孔隙度、滲透率、排驅(qū)壓力、相對(duì)分選系數(shù)、偏度系數(shù)及平均喉道半徑等6項(xiàng)表征參數(shù)可以較好、有效地表征碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性。

        2)聚類、判別分析將碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性分為弱、中、較強(qiáng)、強(qiáng)4類,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微觀非均質(zhì)性的定量劃分、評(píng)價(jià)。

        3)普光氣田碳酸鹽巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性以中等到強(qiáng)為主。

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        (修改回稿日期 2016-09-1 編輯 王曉清)

        國家科技重大專項(xiàng)“高含硫碳酸鹽巖精細(xì)描述及開發(fā)規(guī)律研究”(編號(hào):2016ZX05017-001)。

        張紀(jì)喜,1984年生,工程師,碩士;主要從事氣田開發(fā)地質(zhì)研究工作。地址:(450000)河南省鄭州市鄭東新區(qū)金水東路49號(hào)綠地原盛國際。電話:13461787030。E-mail:254862757@qq.com

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