許君玉,許新,李遠(yuǎn)欽

(1.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2.北京市海淀區(qū)職業(yè)介紹服務(wù)中心,北京 100195)

0 引 言

中國(guó)低孔隙度低滲透率油氣田所蘊(yùn)含的油氣資源量占全國(guó)油氣總資源量的30%左右[1-5]。在對(duì)低孔隙度低滲透率油氣藏進(jìn)行研究的過程中對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類評(píng)價(jià)研究極為重要。不同儲(chǔ)層類型的孔隙度、滲透率、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征等是影響油氣藏流體儲(chǔ)集能力的重要參數(shù)和開采油、氣的主要因素[6-7]。對(duì)低孔隙度-低滲透砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行分類評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類的文章較多[8-21],歸納起來可以分為3種方法:第1種是直接利用儲(chǔ)層物性參數(shù)進(jìn)行分類,如用滲透率、孔隙度參數(shù)進(jìn)行分類[22],這種分類方法雖然簡(jiǎn)單,但不能正確反映儲(chǔ)層的真實(shí)情況[9];第2種是利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分類;第3種是利用毛細(xì)管壓力曲線形態(tài)進(jìn)行分類,毛細(xì)管壓力曲線形態(tài)雖然能夠反映儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu),但是只能定性判斷儲(chǔ)層類別,能夠表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征的毛細(xì)管壓力曲線的定量特征參數(shù)是儲(chǔ)層微觀參數(shù)[16,20]。本文綜合以上3種方法,以K-均質(zhì)聚類分析方法為工具,以儲(chǔ)層宏觀和微觀參數(shù)值作為儲(chǔ)層分類的根據(jù)進(jìn)行分類。

1 K-均值聚類分析方法基本原理

K-均值聚類分析方法由MacQueen于1967年提出[23],其基本數(shù)學(xué)原理是在已知的M(x1,x2,…,xm)個(gè)事物中,每一個(gè)事物具有N個(gè)變量Xi(xi1,xi2,…,xin),i=1,2…,M。期望應(yīng)用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑦@些變量劃分為K個(gè)類別[24-25]。這些類別劃分的準(zhǔn)則是以每一事物距K類類中心的歐氏最小距離判別,歸類的方法與步驟則采用逐步歸類法,即通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了K類類型和初始類中心之后,計(jì)算出各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到類中心的距離,以各數(shù)據(jù)點(diǎn)到類中心的平方和最小為條件,調(diào)整類中心位置,并相應(yīng)調(diào)整各數(shù)據(jù)點(diǎn)所屬類別,每調(diào)整1次類中心,程序完成1次迭代計(jì)算,經(jīng)過多次迭代計(jì)算,反復(fù)調(diào)整類中心,最終使計(jì)算數(shù)據(jù)完全收斂,形成最終聚類的類中心,作為儲(chǔ)層分類的最終結(jié)果。

本文以松遼盆地南部十屋油田營(yíng)城組儲(chǔ)層為研究對(duì)象,程序中根據(jù)儲(chǔ)層的宏觀和微觀參數(shù)值作為程序的輸入?yún)?shù),根據(jù)儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬定儲(chǔ)層分類個(gè)數(shù)及每個(gè)儲(chǔ)層類型的標(biāo)準(zhǔn)值,程序設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)實(shí)際需要確定儲(chǔ)層分類個(gè)數(shù)。

2 儲(chǔ)層分類參數(shù)的選取

2.1 儲(chǔ)層分類參數(shù)的選擇依據(jù)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低滲透儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的選取做了大量工作。1966年Leveson首次提出用巖石宏觀物理參數(shù)(滲透率、孔隙度)作為儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[22]。人們?cè)趯?duì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的研究中發(fā)現(xiàn),由于儲(chǔ)層的非均質(zhì)性,單純用儲(chǔ)層宏觀參數(shù)進(jìn)行分類評(píng)價(jià)具有片面性,不能真正反映儲(chǔ)層的類型,而儲(chǔ)層微觀參數(shù)直接反映了儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的好壞[16,20]。能夠表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征的儲(chǔ)層微觀參數(shù)有排驅(qū)壓力、飽和度中值壓力、最大孔隙半徑、平均孔隙半徑和中值孔隙半徑等參數(shù)[16,20]。儲(chǔ)層分類參數(shù)選擇時(shí),除了利用巖石宏觀物理參數(shù)(孔隙度、滲透率)作為儲(chǔ)層的分類參數(shù)之外,還要利用儲(chǔ)層的微觀孔隙參數(shù)作為儲(chǔ)層的分類參數(shù)。

為研究?jī)?chǔ)層微觀孔隙參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層分類的有效性,引入儲(chǔ)層品質(zhì)因子(Reservoir Quality Index)IRQ[26-27]

(1)

式中,IRQ為儲(chǔ)層品質(zhì)因子,無量綱;φ為孔隙度,%;K為滲透率,×10-3μm2。

在儲(chǔ)層微觀孔隙參數(shù)選擇的過程中將反映儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)微觀特征的5個(gè)參數(shù)排驅(qū)壓力、飽和度中值壓力、最大孔隙半徑、平均孔隙半徑和中值孔隙半徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與儲(chǔ)層品質(zhì)因子IRQ建立關(guān)系(見圖1)。排驅(qū)壓力和飽和度中值壓力均反映儲(chǔ)層中巖石的孔隙連通特征和產(chǎn)液能力,二者選擇之一即可[18]。由圖1(a)和圖1(b),以上2個(gè)壓力中排驅(qū)壓力與儲(chǔ)層品質(zhì)因子IRQ的相關(guān)性較好,相關(guān)系數(shù)R2=0.779,所以選擇排驅(qū)壓力作為儲(chǔ)層分類的參數(shù);最大孔隙半徑、平均孔隙半徑和中值孔隙半徑均反映儲(chǔ)層的孔隙大小,三者選擇之一即可,圖1(c)、圖1(d)和圖1(e)中平均孔隙半徑與儲(chǔ)層品質(zhì)因子IRQ的相關(guān)性較其他二者好,相關(guān)系數(shù)R2=0.880,所以選擇平均孔隙半徑作為儲(chǔ)層分類的參數(shù)。這樣,儲(chǔ)層分類的參數(shù)為儲(chǔ)層巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的滲透率、孔隙度、排驅(qū)壓力和平均孔隙半徑。

2.2 儲(chǔ)層分類參數(shù)的選擇方法

儲(chǔ)層分類的滲透率參數(shù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的啟動(dòng)壓力梯度與滲透率相關(guān)關(guān)系選取,孔隙度和其他參數(shù)的選取是根據(jù)研究區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與滲透率建立的關(guān)系獲得。

2.2.1 滲透率參數(shù)的選取[28]

圖1 儲(chǔ)層油藏品質(zhì)因子與微觀孔隙參數(shù)關(guān)系

根據(jù)啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系,以啟動(dòng)壓力梯度的高低為標(biāo)準(zhǔn),將儲(chǔ)層劃分為3個(gè)區(qū)域:①滲透率值大于1.0×10-3μm2的特低滲透區(qū),該區(qū)域啟動(dòng)壓力值梯度小于0.07 MPa/m,且啟動(dòng)壓力梯度曲線隨著滲透率數(shù)值的增大變化不大,是低啟動(dòng)壓力區(qū)域;②滲透率值小于0.1×10-3μm2,該區(qū)域啟動(dòng)壓力梯度值大于0.40 MPa/m,并且隨著滲透率值的減小而急劇增大,是孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流體流通性差、滲流阻力大的非滲透儲(chǔ)層;③滲透率值在(0.1～1.0)×10-3μm2的超低滲透儲(chǔ)層之間,根據(jù)啟動(dòng)壓力梯度數(shù)值的大小,分為啟動(dòng)壓力快速上升區(qū)和啟動(dòng)壓力緩慢上升區(qū),啟動(dòng)壓力快速上升區(qū)的啟動(dòng)壓力值為0.18～0.40 MPa/m,對(duì)應(yīng)的滲透率值為(0.10～0.30)×10-3μm2,啟動(dòng)壓力緩慢上升區(qū)的啟動(dòng)壓力值為0.07～0.18 MPa/m,對(duì)應(yīng)的滲透率值為(0.30～1.00)×10-3μm2(見表1、圖2)。

表1 啟動(dòng)壓力梯度分類

圖2 滲透率與啟動(dòng)壓力關(guān)系

2.2.2 孔隙度參數(shù)的選取

依據(jù)研究區(qū)5口井106個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了滲透率與孔隙度的關(guān)系。圖3(a)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯分為4個(gè)區(qū),即特低滲透率儲(chǔ)層區(qū)、超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層區(qū)、超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層區(qū)以及非滲透儲(chǔ)層區(qū)。在特低滲透率儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率大于等于1.00×10-3μm2,孔隙度大于等于10.80%;在超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率變化范圍為(0.30～1.00)×10-3μm2,孔隙度變化范圍為10.30%～13.60%;在超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率變化范圍為(0.09～0.30)×10-3μm2,孔隙度變化范圍為4.70%～12.00%;在非滲透儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率值小于等于0.09×10-3μm2,孔隙度值小于等于7.40%。

2.2.3 排驅(qū)壓力參數(shù)的選取

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了滲透率與排驅(qū)壓力的關(guān)系,圖3(b)中在特低滲透率儲(chǔ)層區(qū)中滲透率大于等于0.96×10-3μm2,排驅(qū)壓力小于等于0.21 MPa;在超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率變化范圍為(0.27～0.96)×10-3μm2,排驅(qū)壓力變化范圍為0.21～0.70 MPa;在超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率變化范圍為(0.09～0.27)×10-3μm2,排驅(qū)壓力變化范圍為0.70～2.90 MPa;在非滲透儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率值小于等于0.09×10-3μm2,排驅(qū)壓力值大于等于2.90 MPa。

2.2.4 平均孔隙半徑參數(shù)的選取

同樣根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了滲透率與平均孔隙半徑的關(guān)系。圖3(c)中特低滲透率儲(chǔ)層區(qū)中滲透率大于等于0.96×10-3μm2,平均孔隙半徑大于等于0.78 μm;在超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率變化范圍為(0.27～0.96)×10-3μm2,平均孔隙半徑變化范圍為0.35～1.00 μm;在超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率變化范圍為(0.09～0.27)×10-3μm2,平均孔隙半徑變化范圍為0.07～0.35 μm;在非滲透儲(chǔ)層區(qū)中,滲透率值小于等于0.09×10-3μm2,平均孔隙半徑值小于等于0.11 μm。

綜合圖3各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的取值范圍,得出了十屋油田營(yíng)城組儲(chǔ)層分類參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的選取值(見表2)。

圖3 十屋油田營(yíng)城組儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)選取圖

表2 十屋油田營(yíng)城組儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)選取

2.3 儲(chǔ)層分類參數(shù)中權(quán)系數(shù)的確定方法

在對(duì)儲(chǔ)層分類研究的輸入?yún)?shù)權(quán)系數(shù)的確定中采用灰色關(guān)聯(lián)分析確定權(quán)重系數(shù)分類結(jié)果更符合實(shí)際情況[29],借鑒前人的經(jīng)驗(yàn),采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[19,29],即對(duì)實(shí)驗(yàn)室分析確定的輸入?yún)?shù)(見表2),通過對(duì)其歸一化(見表3)對(duì)灰關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而確定權(quán)系數(shù)ai。在權(quán)系數(shù)計(jì)算過程中,根據(jù)文獻(xiàn)[30],滲透率值是判斷儲(chǔ)層分類的主要依據(jù),因此將滲透率參數(shù)確定為主因素,孔隙度、排驅(qū)壓力和平均孔隙半徑確定為子因素。計(jì)算結(jié)果為

ai=(0.3286,0.1981,0.1974,0.2759)

(2)

式中,ai為不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)系數(shù);i為代表不同評(píng)價(jià)指標(biāo),i=0為滲透率,i=1為孔隙度,i=2為排驅(qū)壓力,i=3為平均孔隙半徑。即滲透率、孔隙度、排驅(qū)壓力、平均孔隙半徑的權(quán)系數(shù)分別為0.328 6、0.198 1、0.197 4、0.275 9。

表3 十屋油田營(yíng)城組儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)歸一化值

3 實(shí)際應(yīng)用

利用該方法對(duì)研究區(qū)160口井2 685個(gè)儲(chǔ)層進(jìn)行了分類(見圖4),劃分的4個(gè)儲(chǔ)層類型中,特低滲透率儲(chǔ)層479個(gè),占總儲(chǔ)層的17.84%;超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層853個(gè),占總儲(chǔ)層的31.77%;超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層922個(gè),占總儲(chǔ)層的34.34%;非滲透儲(chǔ)層431個(gè),占總儲(chǔ)層的16.05%。由此可知,十屋油田營(yíng)城組超低滲透率兩類儲(chǔ)層占總儲(chǔ)層的66.11%,是研究區(qū)的主要儲(chǔ)層類型。

圖4 十屋油田營(yíng)城組儲(chǔ)層分類

與地質(zhì)資料對(duì)比,研究區(qū)4個(gè)類儲(chǔ)層中,特低滲透率儲(chǔ)層巖性一般為含礫粗砂巖、粗砂巖和中砂巖;沉積微相為水下分流河道、河口壩;孔隙度平均值為13.29%,滲透率平均值為2.54×10-3μm2,儲(chǔ)層排驅(qū)壓力小,平均孔隙半徑大,是研究區(qū)最好的儲(chǔ)集層類型。

超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層巖性主要為粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖;沉積微相為水下分流河道、河口壩、遠(yuǎn)砂壩;孔隙度平均值為11.17%,滲透率平均值為0.47×10-3μm2,儲(chǔ)層排驅(qū)壓力較小,平均孔隙半徑較大,是研究區(qū)較好的儲(chǔ)集層類型。

超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層巖性較細(xì),以細(xì)砂巖為主、含中砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖;沉積微相主要為遠(yuǎn)砂壩、席狀砂;孔隙度平均值為6.01%,滲透率平均值為0.18×10-3μm2,儲(chǔ)層排驅(qū)壓力較大,平均孔隙半徑較小,油氣不易排出,是研究區(qū)較差的儲(chǔ)集層類型。

非滲透儲(chǔ)層巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主,孔滲性較差,孔隙度平均值3.06%,滲透率平均值為0.07×10-3μm2,該類儲(chǔ)層沒有滲透能力,為無效的儲(chǔ)集層。

利用這一方法,根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)際需要,輸入不同的儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),可以對(duì)任一地區(qū)的儲(chǔ)集層作出分類評(píng)價(jià)。

4 結(jié)果驗(yàn)證

將研究區(qū)24口井61個(gè)儲(chǔ)層試油資料的累積產(chǎn)液量與儲(chǔ)層分類的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見表4。表4中,累積產(chǎn)液量在1 000 t以上的儲(chǔ)層中有8口井18個(gè)層,特低滲透率儲(chǔ)層13個(gè),占72.22%,超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層5個(gè),占27.78%,超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層和非滲透儲(chǔ)層均為0個(gè);累積產(chǎn)液量在500～1 000 t的儲(chǔ)層中有7口井20個(gè)層,特低滲透率儲(chǔ)層8個(gè),占40.00%,超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層12個(gè),占60.00%;超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層和非滲透儲(chǔ)層均為0層;累積產(chǎn)液量在200～500 t的儲(chǔ)層中有5口井15個(gè)層,特低滲透率儲(chǔ)層5個(gè),占33.33%,超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層8個(gè),占53.33%,超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層2個(gè),占13.33%,非滲透儲(chǔ)層為0層;累積產(chǎn)液量在200 t以下的儲(chǔ)層中有4口井8個(gè)層,特低滲透率儲(chǔ)層1個(gè),占12.50%,超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層和超低滲透率Ⅱ類儲(chǔ)層均為3個(gè),均占37.50%,非滲透儲(chǔ)層1個(gè),占12.50%。由此可見,隨著儲(chǔ)層累積產(chǎn)液量的遞減,由特低滲透率到非滲透儲(chǔ)層的百分含量也逐漸降低,并且產(chǎn)液量在500 t以上的儲(chǔ)層均為特低滲透率儲(chǔ)層和超低滲透率Ⅰ類儲(chǔ)層,說明了用該方法進(jìn)行儲(chǔ)層分類能夠區(qū)分出儲(chǔ)層質(zhì)量的優(yōu)劣。

表4 十屋油田營(yíng)城組儲(chǔ)層類型與累積產(chǎn)液量對(duì)比表

5 結(jié) 論

(1) K-均值聚類分析方法以儲(chǔ)層參數(shù)值距離分類類型標(biāo)準(zhǔn)值類中心的最小距離歸類,能夠?qū)ρ芯繀^(qū)儲(chǔ)層進(jìn)行快速、合理的分類,是儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)的有效方法。

(2) K-均值聚類分析的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)根據(jù)研究區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取,能夠反映儲(chǔ)層性質(zhì)的滲透率、孔隙度、排驅(qū)壓力和平均孔隙半徑作為儲(chǔ)層聚類分析的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

(3) 儲(chǔ)層分類結(jié)果與試油資料對(duì)比表明,隨著儲(chǔ)層產(chǎn)液量的逐漸遞減,儲(chǔ)層類型逐漸變差。

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