虞兵,冉曉軍,侯秋元,袁龍,王謙,姚亞彬

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司測井應(yīng)用研究院,陜西西安710077;2.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶分公司,陜西西安710201;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司國際事業(yè)部,北京102206)

0 引 言

致密砂巖儲(chǔ)層由于其特殊的沉積、成巖和構(gòu)造條件導(dǎo)致其巖性致密,孔隙度、滲透率極低,一般很難形成有效儲(chǔ)層。然而裂縫發(fā)育改善了致密砂巖儲(chǔ)層的品質(zhì),使得致密砂巖油氣藏成為了一類不可忽視的油氣藏類型。塔里木盆地庫車北部構(gòu)造帶侏羅系是典型的裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層,基質(zhì)物性差,孔隙度為4%～8%,滲透率一般小于0.1 mD(1)非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,氣藏儲(chǔ)層物性整體上橫向變化不大,縱向上由上至下儲(chǔ)層物性變差,裂縫較為發(fā)育,裂縫的發(fā)育大大提高了儲(chǔ)層的滲流能力,給儲(chǔ)層有效性評價(jià)帶來了困難。

目前,致密砂巖儲(chǔ)層有效性評價(jià)還停留在基質(zhì)有效性評價(jià)階段,通過試油約束法、最小孔喉半徑法等確定儲(chǔ)層的下限,結(jié)合壓汞、核磁共振測井來評價(jià)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu),進(jìn)而確定致密砂巖儲(chǔ)層的有效性[2-5]。裂縫發(fā)育大大提高了儲(chǔ)層的滲流能力,因此裂縫的有效性評價(jià)是儲(chǔ)層有效性評價(jià)的重要一環(huán),目前裂縫有效的評價(jià)主要依靠斯通利波,斯通利波是管波,在井筒內(nèi)傳播,像一個(gè)活塞運(yùn)動(dòng),在井壁徑向上收縮,在裂縫處,井內(nèi)和地層中的流體自由連通,使管波能量消耗,斯通利波能量衰減顯著,因此,可以通過斯通利波評價(jià)裂縫與地層之間的滲流能力。但由于斯通利波受井眼環(huán)境與地層巖性等因素影響,評價(jià)精度低、評價(jià)角度單一,缺少系統(tǒng)的裂縫有效性評價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)[6-11]。

本文在巖性、基質(zhì)孔隙度滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)與裂縫特征參數(shù)綜合分析的基礎(chǔ)上形成儲(chǔ)層品質(zhì)參數(shù)表征方法,建立了基質(zhì)與裂縫的綜合評價(jià)圖版,形成了一套裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層品質(zhì)分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際應(yīng)用證明,該方法可以準(zhǔn)確評價(jià)儲(chǔ)層有效性,準(zhǔn)確預(yù)測儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力,優(yōu)化射孔壓裂方案。

1 儲(chǔ)層品質(zhì)關(guān)系研究

1.1 儲(chǔ)層巖性控制物性

巖性控制物性作用明顯:隨著砂巖粒徑減小,孔隙度、滲透率降低,排驅(qū)壓力大幅增大;礫巖、含礫粗砂巖中裂縫發(fā)育明顯好于細(xì)砂巖、中砂巖,裂縫的發(fā)育可以改善儲(chǔ)層的滲透性,導(dǎo)致儲(chǔ)層產(chǎn)能級別差異變大。

1.2 儲(chǔ)層巖性、物性以及裂縫發(fā)育情況共同作用控制含油性

裂縫性致密砂巖含油性受儲(chǔ)層巖性、物性以及裂縫發(fā)育情況等因素綜合影響,其中巖性控制物性,物性決定儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能,裂縫的發(fā)育大大改善儲(chǔ)層的滲流能力,通常裂縫的發(fā)育是儲(chǔ)層高產(chǎn)的重要因素。

圖1 含油性與巖性、物性關(guān)系圖

圖2 含油性與裂縫發(fā)育情況關(guān)系圖

由圖1和圖2可知,中高產(chǎn)氣層孔隙度大于8%,裂縫密度大于0.5條/m,主要分布在砂礫巖、含礫粗砂巖中;低產(chǎn)氣層孔隙度4%～8%之間,裂縫密度0.1～0.2條/m,主要分布在含礫中砂巖、粗砂巖、中砂巖中。

通過上述分析可知儲(chǔ)層品質(zhì)主要與基質(zhì)儲(chǔ)層(巖性、孔隙度、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu))、裂縫發(fā)育情況等因素有關(guān),即Q儲(chǔ)層=f(巖性,孔隙度,滲透率,孔隙結(jié)構(gòu),裂縫發(fā)育情況)。

2 基質(zhì)儲(chǔ)層分析

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)Iφ

對于基質(zhì)儲(chǔ)層,一般其滲透性由孔隙結(jié)構(gòu)的好壞決定。由壓汞實(shí)驗(yàn)資料可知,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙度φ、分析系數(shù)σ、最大孔喉半徑γ、最大進(jìn)汞飽和度So,max成正比,與排驅(qū)壓力pd成反比。因此,可以依據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的反應(yīng)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)以及滲流特性的參數(shù)構(gòu)建孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)Iφ[見式(1)],計(jì)算的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)與滲透率的關(guān)系見圖3。

圖3 滲透率與孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)的關(guān)系圖

(1)

式(1)是根據(jù)壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù),為了方便應(yīng)用孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù),需要建立孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)的測井計(jì)算模型,將巖性物性測井曲線與孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)進(jìn)行線性擬合,最終優(yōu)選出相關(guān)系數(shù)最高的自然伽馬(GR)、密度(DEN)、聲波時(shí)差(Δt)這3條曲線,再通過多元非線性回歸建立孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)測井計(jì)算模型[見式(2)]。孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)測井計(jì)算模型計(jì)算的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)模型計(jì)算的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)關(guān)系見圖4。

(2)

圖4 計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

2.2 基質(zhì)儲(chǔ)層品質(zhì)因子Iq

基質(zhì)儲(chǔ)層的好壞主要受巖石粒度、儲(chǔ)層物性、儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)控制,其中巖石粒度與自然伽馬GR曲線相關(guān)性高。基于巖石物理實(shí)驗(yàn)、儲(chǔ)層孔隙類型特征、油藏地質(zhì)認(rèn)識(shí),將基質(zhì)儲(chǔ)層劃分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類等4類?？梢愿鶕?jù)相對自然伽馬ΔGR、孔隙度φ、孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)Iφ這3個(gè)參數(shù)利用Fisher判別函數(shù)建立基質(zhì)儲(chǔ)層品質(zhì)因子Iq計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)基質(zhì)儲(chǔ)層類型的自動(dòng)劃分(見圖5,表1)。

圖5 基質(zhì)儲(chǔ)層分類效果圖

Iq=1.191Iφ+7.263/(1-ΔGR)+0.612φ-19.619

(3)

3 裂縫有效性評價(jià)

3.1 裂縫走向與最大主應(yīng)力夾角

最大主應(yīng)力是指地層現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力,裂縫走向與最大主應(yīng)力方向之間的關(guān)系影響裂縫的開啟度與延展特性,當(dāng)裂縫系統(tǒng)的走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向一致或角度很小時(shí),作用于裂縫面的地應(yīng)力小,裂縫能最大程度地發(fā)揮其滲濾通道的作用,裂縫有效性強(qiáng)。反之,當(dāng)二者垂直或斜交角度較大時(shí),作用于裂縫面的地應(yīng)力大,裂縫被壓實(shí),裂縫的滲濾作用大大降低。最大主應(yīng)力方向主要依據(jù)成像資料與陣列聲波資料綜合確定,成像資料主要是根據(jù)井眼垮塌來確定最大主應(yīng)力方向,橢圓的長軸方向與最小水平主應(yīng)力方向一致,最大主應(yīng)力方向與其垂直。陣列聲波資料是根據(jù)快橫波方位來確定最大主應(yīng)力方向,無裂縫各向異性地層,快橫波方位指示的為最大主應(yīng)力方向。圖6為裂縫走向與最大主應(yīng)力夾角分布圖,從圖6上可以看到,在構(gòu)造的局部高部位,×104、×1、×2井最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向,最大主應(yīng)力與裂縫走向夾角小,試油為高產(chǎn)井;周圍×101、×102、×103井最大主應(yīng)力方向與裂縫走向夾角大,試油低產(chǎn)。

圖6 裂縫走向與最大主應(yīng)力夾角分布圖

3.2 裂縫法向應(yīng)力

在實(shí)際地層中裂縫一般受到3個(gè)力的作用,即上覆地層壓力、最大水平主應(yīng)力以及最小水平主應(yīng)力。為了更好的說明裂縫有效性與壓力的關(guān)系,有關(guān)專家提出了裂縫面法向應(yīng)力的概念,裂縫法向應(yīng)力是垂直與裂縫面的力,是作用于裂縫3個(gè)壓力的合力。裂縫法向應(yīng)力的計(jì)算公式為

表1 Fisher判別部分樣品表

σn=l2×σH+m2×σh+n2×σv

l=sinθ×sinδ

m=cosθ×sinδ

n=cosδ

(4)

式中,θ為最大主應(yīng)力方向與裂縫走向夾角,(°);δ為裂縫傾角,(°);σH為裂縫法向應(yīng)力,MPa;σh為最大水平主應(yīng)力,MPa;σv為最小水平主應(yīng)力,MPa。

利用一維巖石力學(xué)建模計(jì)算三軸主應(yīng)力數(shù)據(jù)σH、σh和σv。后通過電成像資料確定最大主應(yīng)力方向、裂縫的走向、裂縫的傾角δ以及裂縫走向與最大主應(yīng)力之間的夾角θ。再通過裂縫法向應(yīng)力計(jì)算公式可以得到作用在裂縫面上的法向應(yīng)力σn。

通過裂縫法向應(yīng)力的理論模型可以確定應(yīng)力與裂縫有效性的關(guān)系。圖7為實(shí)驗(yàn)?zāi)M裂縫圍壓與裂縫寬度關(guān)系圖。從圖7上可以看到,裂縫寬度與裂縫圍壓成反相關(guān)的關(guān)系,隨著裂縫圍壓的增加裂縫寬度逐漸變小,說明裂縫圍壓影響裂縫有效性,裂縫圍壓越小,裂縫張開度越大,有效性越好。

圖7 實(shí)驗(yàn)?zāi)M裂縫圍壓與裂縫寬度關(guān)系圖

結(jié)合試油資料,分別建立的裂縫面法向應(yīng)力、裂縫走向與最大主應(yīng)力方向夾角與產(chǎn)氣量的關(guān)系圖版可以看到隨著裂縫法向應(yīng)力、最大主應(yīng)力與裂縫走向夾角的增大,裂縫的有效性變差,儲(chǔ)層的產(chǎn)氣量逐漸下降。

4 儲(chǔ)層有效性綜合評價(jià)

基質(zhì)決定儲(chǔ)層儲(chǔ)存能力,而裂縫影響儲(chǔ)層的滲流能力,因此要儲(chǔ)層的有效性進(jìn)行評價(jià)需考慮基質(zhì)與裂縫的影響。根據(jù)試氣測試資料,利用基質(zhì)儲(chǔ)層品質(zhì)因子以及裂縫法向應(yīng)力建立了基質(zhì)儲(chǔ)層與裂縫綜合評價(jià)圖版,形成了儲(chǔ)層有效性綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表2),當(dāng)基質(zhì)儲(chǔ)層品質(zhì)因子小于-3.6時(shí),裂縫是否發(fā)育都為非產(chǎn)層;基質(zhì)儲(chǔ)層品質(zhì)因子位于-3.6～2.6,裂縫法向應(yīng)力位于30～55 MPa時(shí),為Ⅱ、Ⅲ類儲(chǔ)層,建議酸壓;基質(zhì)儲(chǔ)層品質(zhì)因子大于3.6,裂縫法向應(yīng)力小于30 MPa時(shí),為Ⅰ類儲(chǔ)層,自然高產(chǎn)。

5 實(shí)例應(yīng)用

圖8為×1井儲(chǔ)層綜合解釋評價(jià)圖,從圖8上可以看到×1井4 898～4 975 m層段基質(zhì)儲(chǔ)層以Ⅰ、Ⅱ類為主,平均裂縫法向應(yīng)力為27.5 MPa,裂縫主要為Ⅰ類,儲(chǔ)層綜合評價(jià)為Ⅰ類,酸后日產(chǎn)氣258 622 m3,為高產(chǎn)氣層?！?01井5 053～5 061 m層段基質(zhì)儲(chǔ)層以Ⅲ類為主,裂縫基本不發(fā)育,裂縫法向應(yīng)力54.1 MPa,裂縫為Ⅲ類,儲(chǔ)層綜合評價(jià)為Ⅲ類儲(chǔ)層,壓裂后日產(chǎn)氣2 096 m3,為低產(chǎn)氣層。

圖8 ×1井儲(chǔ)層綜合解釋評價(jià)圖

6 結(jié) 論

(1)通過壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù)構(gòu)建了孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù),綜合考慮巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)建立基質(zhì)儲(chǔ)層品質(zhì)因子,實(shí)現(xiàn)了基質(zhì)儲(chǔ)層的級別有效分類。

(2)裂縫面法向應(yīng)力、裂縫走向與最大主應(yīng)力方向夾角可以有效的實(shí)現(xiàn)裂縫級別分類。

(3)儲(chǔ)層綜合有效性受基質(zhì)儲(chǔ)層與裂縫共同影響,其中裂縫起主導(dǎo)作用。當(dāng)基質(zhì)儲(chǔ)層與裂縫有效性都較好時(shí),儲(chǔ)層的綜合有效性為1類儲(chǔ)層,具有較高的自然產(chǎn)能;當(dāng)裂縫不發(fā)育時(shí),儲(chǔ)層基本無產(chǎn)量。