石玉江, 周金昱, 鐘吉彬, 王長勝, 鐘曉勤, 張少華

(1.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院, 陜西 西安 710018; 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710018)

0　引　言

長期以來形成了許多定性定量解釋水淹層方法,如自然電位基線偏移法、激發(fā)極化電位法、徑向電阻率比值法等定性識別法。裸眼井中可以用介電測井計(jì)算剩余油飽和度,核磁共振測井評價(jià)水淹程度。套管井中可以利用中子壽命測井、注硼中子壽命測井碳氧比能譜測井計(jì)算含油飽和度;此外,還有脈沖中子衰減測井、氯能譜測井等技術(shù)[1]。20世紀(jì)90年代,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊聚類、灰色系統(tǒng)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在水淹層識別中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[2-10],利用其定性分類的特點(diǎn),通過一定數(shù)據(jù)量的訓(xùn)練,可以用于識別水淹層。本文在水驅(qū)油巖電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量計(jì)算特點(diǎn)構(gòu)建油層水淹前的電阻率曲線,通過和實(shí)測電阻率曲線之間的差異比較,結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn),識別儲層水淹并評價(jià)水淹程度。在長慶油田老區(qū)水淹層解釋的實(shí)際應(yīng)用中,能夠準(zhǔn)確識別淡水水淹層,為剩余油分布評價(jià)及老區(qū)挖潛奠定了基礎(chǔ)。

1　儲層水淹后特征變化

超低滲透油藏受儲層非均質(zhì)性影響,油藏水淹程度差異大,剩余油分布不清。注水前后,儲層的測井響應(yīng)特征變化大,受儀器分辨率的限制,測井曲線無法準(zhǔn)確反映某些微觀的物理性質(zhì)變化,主要受注入水影響較大的電阻率變化區(qū)域特性明顯,導(dǎo)致水淹層識別難。

1.1　水淹后儲層巖性、物性的變化特征

鄂爾多斯盆地安塞油田WY地區(qū)C6儲層巖石以細(xì)粒長石質(zhì)巖屑砂巖為主,長石占50.2%,石英占20.3%,巖屑約8.6%,云母約7.3%;黏土礦物主要為綠泥石、伊利石及少量的伊蒙混層。當(dāng)水淹程度逐漸升高,長石含量有所降低,石英增加,碎屑增加,黏土礦物含量降低。黏土礦物中,伊利石含量有少量增加,伊蒙混層和綠泥石少量減小。儲層水淹后,注入水將導(dǎo)致地層水中離子濃度變化,酸堿度隨之改變,長石慢慢被溶蝕并發(fā)生水解,石英發(fā)生次生加大。注水過程中水敏性強(qiáng)的黏土礦物吸水膨脹,破壞礦物結(jié)構(gòu),脫落的黏土呈團(tuán)堵塞喉道,新的方解石等礦物附在孔隙和喉道上導(dǎo)致油層滲透率降低、孔隙度變小。在低滲透儲層中,這些礦物、泥質(zhì)并未帶走,只是存在形式變了,地層的放射性沒有變化,因此,自然伽馬值基本沒有變化,只有當(dāng)滲透率較高時(shí),自然伽馬值才稍有變小[11]。

巖性純、物性好的儲量條件下,自然電位曲線幅度的變化,通?？梢灾苯臃磻?yīng)儲層水淹情況,由導(dǎo)電離子的擴(kuò)散—吸附作用可知,水淹后地層水礦化度、自然電位曲線幅度也發(fā)生相應(yīng)變化。但是,WY地區(qū)C6儲層屬于低滲透巖性油藏,儲層巖性不純,以泥質(zhì)砂巖為主,粒度為細(xì)粒、粉砂為主。頂、底的泥巖蓋層巖性同樣不是純泥巖,而是以砂質(zhì)泥巖為主。因此,有效儲層的自然電位幅度受水淹程度影響小,不能直接利用自然電位幅度變化或泥巖基線的偏移識別水淹層。

儲層水淹后,儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,中長石的溶解,增加了儲層有效孔隙,但是黏土顆粒及新生礦物又堵塞了部分孔隙和喉道,同時(shí)綠泥石膜吸附的有機(jī)質(zhì)同樣起到了阻塞喉道的作用。這些變化對聲波時(shí)差曲線的影響較弱,前期研究認(rèn)為水淹前后聲速曲線無明顯變化[11]。

不同巖石聲波特性實(shí)驗(yàn)表明,巖石的聲波時(shí)差值隨含水飽和度變化較小,而且與水的礦化度沒有明顯關(guān)系。不同礦化度水驅(qū)油的聲波特性實(shí)驗(yàn)顯示,隨著注入水飽和度的增加聲波時(shí)差值基本保持不變,注入水飽和度達(dá)到40%時(shí),稍有降低。

1.2　水淹后儲層電阻率變化特征

電阻率受水淹程度的影響大,對電阻率變化的認(rèn)識是識別水淹層的關(guān)鍵。由于注入水物理化學(xué)性質(zhì)不同,各油田、各區(qū)域的水淹層解釋方法、標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。

WY地區(qū)C6油藏經(jīng)長期注水開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中—高含水期。油藏原生地層水型為CaCl2型,礦化度為40 000～70 000 mg/L,電阻率為0.178～0.074 Ω·m;油層電阻率較低,一般為15～40 Ω·m之間[見圖1(a)],為中—低電阻率油藏,主要以油水同層為主。該區(qū)注入水為下白堊系儲層的淡水,距地面深度平均400～800 m左右,水型為CaCl2型,礦化度為600～1 000 mg/L,注入水電阻率平均為8.12 Ω·m。注入的淡水進(jìn)入地層后,必將導(dǎo)致混合地層水電阻率值升高,同時(shí)隨著注入水對石油的驅(qū)替,儲層總含水飽和度增加,這將導(dǎo)致電阻率降低,混合地層水電阻率與總含水飽和度形成一個(gè)動態(tài)變化過程,這將導(dǎo)致電阻率曲線失去反映儲層含油性的能力。研究區(qū)注入水電阻率是原生地層水電阻率的50多倍,有利于水淹層識別。

圖1　WY地區(qū)C6儲層淡水水淹前、后聲波時(shí)差—電阻率交會圖

統(tǒng)計(jì)WY地區(qū)C6儲層淡水水淹層電阻率與聲波時(shí)差[見圖1(b)],水淹后的油水同層主要包括中水淹層和低水淹層,水淹后的水層主要為高水淹層且試油產(chǎn)水率大于90%的層?？梢?物性較好的儲層(AC>235 μs/m),更容易被水淹,隨著儲層水淹程度增大,電阻率曲線逐漸變大,高水淹層電阻率明顯大于水淹之前的電阻率。依靠常規(guī)解釋圖版很難將部分高水淹層和中水淹層區(qū)分開,同時(shí)與水淹前的油層和油水同層不易區(qū)分。

2塊孔隙度相近、滲透率差異大的巖心,通過淡水驅(qū)油巖電實(shí)驗(yàn)(注入水為600 mg/L,地層水礦化度為74 590 mg/L)獲得的電阻率增大系數(shù)I與含水飽和度Sw間的關(guān)系圖。在巖心含油飽和度較高時(shí)開始水驅(qū)。隨著含水飽和度增加,電阻率降低,使得電阻率增大系數(shù)I變小,當(dāng)含水飽和度增加到65%左右時(shí),I降低到最低點(diǎn),之后隨著淡水不斷淡化和驅(qū)替原狀地層水,又使電阻率升高,I又逐漸變大,整體呈現(xiàn)為U型變化,反映了淡水驅(qū)油時(shí),混合地層水電阻率與總含水飽和度動態(tài)變化的過程。常規(guī)解釋認(rèn)為I≥3時(shí)儲層含油,應(yīng)該解釋為油層,但是儲層水淹后,當(dāng)I=4時(shí),Sw既可以等于54.5%,也可以等于80%,既可以解釋為油水同層,也可以解釋為水層,存在多解性。因此,單井解釋時(shí),利用電阻率縱向?qū)Ρ茸R別水淹層容易得到錯(cuò)誤的解釋結(jié)論。WY地區(qū)C6油藏在經(jīng)歷了20多年的持續(xù)開發(fā)后,剩余油飽和度只有40%～50%左右,為中—高含水期,隨著進(jìn)一步注水開發(fā),含水飽和度增大,使得電阻率增大系數(shù)I從最低點(diǎn)逐漸變大,即隨著注入水飽和度增加,電阻率升高。

成熟開發(fā)區(qū)一般采用較簡單的測井系列,除了部分重點(diǎn)井、檢查井加測補(bǔ)償密度和補(bǔ)償中子測井外,大部分井只有巖性(自然伽馬、自然電位)及聲-感組合測井,僅能滿足巖性識別及簡單的儲層參數(shù)計(jì)算。在研究區(qū),利用這些簡單的資料,通過水淹井與鄰井未水淹井橫向?qū)Ρ?發(fā)現(xiàn)淡水水淹后儲層電阻率值升高,與前述實(shí)驗(yàn)分析吻合。因此,利用新老井電阻率對比的方法,能夠識別一些水淹程度較高的水淹層。但是,由于井間差異及測井系列不同(老井通常為雙感應(yīng)—八側(cè)向電阻率,新井主要為高分辨率陣列感應(yīng)),新老井電阻率之間本身存在一定差異,難于找到相對可靠的油層電阻率作為參考值,導(dǎo)致這種解釋方法符合率較低,不能滿足生產(chǎn)需求。據(jù)此,提出了以該井實(shí)測的非電阻率曲線,重構(gòu)油層被淡水水淹之前的電阻率,作為參考曲線與實(shí)測曲線對比,由于淡水水淹后電阻率曲線升高,所以水淹層通常表現(xiàn)為實(shí)測電阻率曲線Rt大于重構(gòu)的油層電阻率Rt,c,反之Rt小于或等于Rt,c。

2　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電阻率曲線重構(gòu)方法

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確模擬輸入與輸出之間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系的特點(diǎn),重構(gòu)儲層水淹前油層的電阻率曲線可以有效降低擬合誤差,利用二者的差異識別和評價(jià)水淹層。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在測井領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括2個(gè)方面:①在復(fù)雜井眼條件下,構(gòu)造聲波曲線用于約束地震反演及儲層滲透率的估算等,這屬于參數(shù)定量計(jì)算的應(yīng)用[12-16];②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也直接應(yīng)用于油、氣、水層的識別,這屬于模式識別的范疇[3-7]。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在“參數(shù)”和“識別”等非線性映射中的獨(dú)特優(yōu)勢[1]。在前人研究成果的基礎(chǔ)上,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過常規(guī)曲線重構(gòu)水淹前的電阻率曲線。

2.1　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)及結(jié)構(gòu)

2.1.1輸入?yún)?shù)變化特征及預(yù)處理

由于研究區(qū)為淡水水淹,水淹后儲層電阻率絕對值變大,需要重構(gòu)水淹之前油層的電阻率曲線作為參考曲線。因此,選擇WY地區(qū)同一油藏中,開發(fā)初期試油獲純油的儲層作為學(xué)習(xí)樣本。

圖2　WY地區(qū)C6段儲層水淹前后測井曲線對比圖

由巖石物理實(shí)驗(yàn)可知,油層水淹后常規(guī)測井曲線隨著水淹程度的不同表現(xiàn)出不同程度的變化。圖2所示各曲線為2口相鄰井,紅色曲線是該區(qū)域水淹前完鉆的井(D209井),藍(lán)色曲線是該區(qū)域水淹后完鉆的井(Q181井)。在高水淹層段,自然伽馬值較水淹前明顯變小,低水淹層段變化不明顯,或者有微弱升高,表明水淹后部分泥質(zhì)賦存形式發(fā)生了改變或發(fā)生了位移;儲層水淹后,注入淡水嚴(yán)重改變了地層水導(dǎo)電離子濃度,使得自然電位曲線幅度變化小,基線偏移不明顯;聲波時(shí)差曲線水淹前后變化不明顯,在儲層頂部受到泥質(zhì)變化影響稍有升高;補(bǔ)償密度曲線在儲層底部水淹前后基本一致,頂部水淹后,密度值稍有減小趨勢;水淹后的補(bǔ)償中子曲線稍有偏大;電阻率曲線在高水淹層段明顯升高。由此可見,可用于重構(gòu)電阻率的非電阻率曲線中,除了自然電位曲線變化明顯以外,其他曲線的變化量非常小,同時(shí)這種變化受到井間差異的影響使得解釋人員難以把握。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用該井曲線的微弱變化構(gòu)建電阻率曲線,可以有效消除井間差異,從而為解釋人員提供可靠的參考電阻率曲線。

為使自然電位曲線能夠參與定量計(jì)算,在將其輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前,將泥巖基線校正到0刻度線(見圖4),則自然電位曲線的絕對值可當(dāng)作自然電位幅度值。另一方面,輸入曲線均為線性刻度曲線,而電阻率曲線一般為對數(shù)刻度,實(shí)踐表明如果直接使用電阻率值作為學(xué)習(xí)目標(biāo),重構(gòu)的電阻率曲線將會有較大的誤差,因此,通過對電阻率曲線值取對數(shù)(lgRt)將其變換為等效線性刻度參與定量計(jì)算,可以降低誤差。

2.1.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)選

要構(gòu)建一個(gè)適用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),關(guān)鍵在于輸入?yún)?shù)的性質(zhì)及個(gè)數(shù)?；?條輸入曲線設(shè)計(jì)2個(gè)隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)輸入、隱藏層、神經(jīng)元、輸出個(gè)數(shù)將其命名為5-10-10-1網(wǎng)絡(luò)。同理可以設(shè)計(jì)5-10-1網(wǎng)絡(luò)和5-10-10-10-1網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)輸入、輸出映射關(guān)系的復(fù)雜程度選擇不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

實(shí)際資料顯示(見圖3),3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用相同訓(xùn)練數(shù)據(jù)通過相近次數(shù)的自主學(xué)習(xí),都可以較好地反映電阻率曲線變化特征。隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度的增加,重構(gòu)曲線的鋸齒化程度增加,表明網(wǎng)絡(luò)對曲線細(xì)微的變化變得更加敏感。綜合認(rèn)為,5-10-10-1網(wǎng)絡(luò)更加適合研究區(qū)電阻率曲線與其他曲線之間的映射關(guān)系,(AT90_5-10-10-1,藍(lán)色曲線),在泥巖和砂巖中均與實(shí)測曲線(AT90,紅色曲線)重合度高。5-10-1網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的電阻率(AT90_5-10-1,黑色曲線)在有效儲層里,局部較實(shí)測曲線偏高;5-10-10-10-1網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的電阻率(AT90_5-10-10-10-1,黑色曲線)在曲線頂部砂巖處,重構(gòu)電阻率明顯大于實(shí)測電阻率。因此,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層選擇2層即可。

圖3　重構(gòu)電阻率曲線質(zhì)量控制對比圖

圖4　W5-251井C6段測井解釋成果圖

輸入?yún)?shù)決定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,當(dāng)自然伽馬、自然電位、聲波時(shí)差、補(bǔ)償密度、補(bǔ)償中子5條曲線作為輸入,則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可確定為5-10-10-1型。當(dāng)沒有補(bǔ)償中子或補(bǔ)償密度曲線時(shí),可以設(shè)計(jì)4-8-8-1型或3-6-6-1型網(wǎng)絡(luò),隨著輸入?yún)?shù)減少,重構(gòu)的電阻率曲線分辨率有所降低(見圖3),但是曲線平均值與實(shí)測電阻率基本一致。當(dāng)輸入曲線只有自然伽馬、聲波時(shí)差和自然電位時(shí),由3-6-6-1網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的電阻率曲線(AT90_3-6-6-1,藍(lán)色曲線)較平直,但仍能夠反應(yīng)電阻率曲線的整體變化。

3　水淹層識別及分類評價(jià)

重構(gòu)曲線(Rt,c)與實(shí)測電阻率曲線(Rt)絕大部分值重合較好,僅在局部高、低尖峰處稍有差異,且這種差異通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)選和適當(dāng)提高學(xué)習(xí)次數(shù)可以得到優(yōu)化。大量實(shí)例證明,水淹造成的電阻率值變化明顯大于以上誤差。因此,當(dāng)Rt>Rt,c時(shí)可以定性為水淹層,并且Rt比Rt,c大得越多,水淹程度越高。

W5-251井為WY地區(qū)1口普通開發(fā)井,測井系列簡單,僅有自然伽馬、自然電位和聲波時(shí)差3條非電阻率曲線,依據(jù)常規(guī)四性關(guān)系分析幾乎無法判斷是否水淹。采用3-6-6-1型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)油層電阻率曲線(見圖4)。在儲層段中的XX92～XX03 m段,Rt明顯大于Rt,c,可確定為中水淹層;XX86～XX89 m段、XX03 m～XX11 m段、XX12～XX20 m段中Rt約等于Rt,c,表明這些層段幾乎沒有被水淹,解釋為低水淹層。在XX92～XX96 m中水淹和XX02～XX05 m低水淹2處射孔并試油,獲工業(yè)油流7.65 t/d,水9.3 m3/d,投產(chǎn)后日產(chǎn)油2.48 t,產(chǎn)水率為39.7%。水分析總礦化度為27 510 mg/L,與該區(qū)原生地層水礦化度(40 000～70 000 mg/L)相比較明顯淡化。雖然該油層被水淹,但投產(chǎn)效果依然較好。因此,中水淹層+低水淹層組合是水淹層試油投產(chǎn)的主要目的層。

圖6　WJ16-156井C6段水淹程度分級評價(jià)

Rt與Rt,c相差越大說明儲層中注入淡水量占流體總量比例越大。用水淹指數(shù)Iwf[Iwf=(Rt-Rt,c)/Rt]定量表征儲層水淹程度,根據(jù)WY地區(qū)水淹井統(tǒng)計(jì)得到Rt-Iwf交會圖(見圖5)。

圖5　WY地區(qū)C6段水淹指數(shù)—電阻率交會圖

以《SY/T6178—2011水淹層測井資料處理與解釋規(guī)范》為依據(jù),結(jié)合以上參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),參考WY地區(qū)C6段水淹層投產(chǎn)初期的產(chǎn)水率可得到Iwf與產(chǎn)水率之間的對應(yīng)關(guān)系(見表1)。表1明確了產(chǎn)水率與水淹指數(shù)Iwf之間的對應(yīng)關(guān)系,以Iwf作為水淹層劃分標(biāo)準(zhǔn),可以簡單、快捷、有效地劃分水淹級別。

表1　水淹級別劃分標(biāo)準(zhǔn)

WJ16-156井是1口檢查井,鉆井目的在于調(diào)查該區(qū)域注水波及范圍和確定水驅(qū)優(yōu)勢方向,以優(yōu)化油藏注采井網(wǎng)。通過重構(gòu)曲線對比(見圖6),有效儲層頂部和底部Rt略大于Rt,c;在XX41～XX47 m段Rt明顯大于Rt,c,計(jì)算的水淹指數(shù)Iwf指示出了不同層段水淹程度的差異。2號層Iwf大部分值大于0.7,解釋為高水淹層;1、3、5、6號層Iwf介于0.4和0.7之間,解釋為中水淹層;4號層Iwf介于0.1和0.4之間,解釋為低水淹層。結(jié)合鉆井目的,選擇高水淹層段XX42～XX46 m處射孔、試油,獲油3.0 t/d,水14.7 m3/d,投產(chǎn)后日產(chǎn)油0.26 t,產(chǎn)水率94.4%,采出水總礦化度為12 411 mg/L,與該區(qū)原生地層水礦化度(40 000～70 000 mg/L)相比淡化嚴(yán)重。同時(shí)證明高水淹層+中水淹層的組合,在水淹層開發(fā)時(shí)往往效果較差,物性好的層段容易被水淹形成高水淹層,同樣高水淹層的水也特別容易采出,而低水淹的油層,由于物性稍差,同等開采條件下很難再次動用。

4　結(jié)　論

(1) 通過安塞油田WY地區(qū)水驅(qū)油巖石物理實(shí)驗(yàn),儲層淡水水淹前、后,巖性、物性均有微弱變化,當(dāng)油層中隨著淡水含量的增加,導(dǎo)致儲層的電阻率將會顯著增大,實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明可以通過水淹前后電阻率變化大小定性識別水淹層。

(2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以反映輸入與輸出之間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系,但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨輸入?yún)?shù)數(shù)量的變化不同,依據(jù)輸入?yún)?shù)不同可以針對性地設(shè)計(jì)5-10-10-1型、4-8-8-1型和3-6-6-1型網(wǎng)絡(luò)對水淹前油層電阻率曲線進(jìn)行重構(gòu)。

(3) 依據(jù)重構(gòu)電阻率曲線和實(shí)測電阻率曲線可以有效識別淡水水淹油層,并進(jìn)行水淹層分級評價(jià)?？梢杂行б?guī)避行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中以靜態(tài)資料計(jì)算動態(tài)產(chǎn)水率的弊端,尤其適合于測井系列簡單的老開發(fā)區(qū)水淹層解釋,可有效提高水淹層解釋符合率。

(4) 在高水淹層+中、低水淹層的解釋序列中,水淹層試油選擇射孔段時(shí),應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高水淹層,通常高水淹層中的水比中、低水淹層中的油更容易被采出。

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