劉子雄,李嘯南,李 凡,寇雙燕,陳 玲,魏志鵬

(1．中海油服油田生產(chǎn)研究院,天津 300450;2．中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東深圳 518000)

由于致密氣儲層滲透率低,且非均質(zhì)性強,孔隙度、滲透率與壓裂產(chǎn)能的對應(yīng)關(guān)系較差[1],常出現(xiàn)一孔多滲,高孔低滲的現(xiàn)象[2],無法進(jìn)行準(zhǔn)確的壓裂選層以及儲層評價。對儲層的分級評價主要采用室內(nèi)實驗分析(薄片、電鏡、壓汞等)與模糊數(shù)學(xué)(聚類分析、地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)、分形維數(shù)模型等)相結(jié)合的方法,以孔滲參數(shù)為主,進(jìn)行定量或定性評價[3-4],對影響儲層物性的部分參數(shù)給予一定權(quán)重或取值范圍,判斷其所屬的分類。在應(yīng)用過程中無論定性評價或是定量評價均存在一些問題,定性評價方法難以準(zhǔn)確量化儲層級別,且參與評價的參數(shù)越多,越難以準(zhǔn)確定性;定量評價方法偏向模型化,有時出現(xiàn)的結(jié)論與地質(zhì)理論相悖[5]。由于微觀的孔喉結(jié)構(gòu)影響儲層的滲流能力及儲集空間[6],并決定氣藏的產(chǎn)能和最終采收率[7-8],故相同孔隙度或者滲透率對應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)不同所表現(xiàn)出的潛力差異較大,導(dǎo)致評價結(jié)果與致密氣井測試產(chǎn)能符合率降低。鄂爾多斯盆地東部的A致密氣田,部分評價為Ⅳ類儲層的井,卻表現(xiàn)為Ⅰ類儲層產(chǎn)能,制約了壓裂選井選層的可靠性以及措施效果評價。采用核磁實驗結(jié)果確定不同儲層的微觀結(jié)構(gòu)差異[9],明確了1.0 μm以上的大孔含量是影響產(chǎn)能的主要因素。結(jié)合壓汞實驗,建立了基于大孔含量的儲層分類方法和大孔含量的儲層分級評價圖版,通過孔滲參數(shù)計算R15含量,實現(xiàn)致密氣井的潛力分級評價,為致密氣區(qū)塊的壓裂選層及壓裂效果評價提供有效支撐。

1 孔隙結(jié)構(gòu)對壓裂產(chǎn)能影響

1.1 核磁孔隙結(jié)構(gòu)分析方法

在研究儲層微觀孔隙空間分布時,常用高壓壓汞方法[10]。對于致密氣儲層,高進(jìn)汞飽和度所需進(jìn)汞壓力較常規(guī)儲層高,若增大進(jìn)汞壓力則會對巖樣造成破壞,使壓汞實驗所表征的儲層信息不準(zhǔn)確。核磁共振T2譜分布與孔隙結(jié)構(gòu)之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,因此利用核磁共振實驗方法可以直接建立儲層儲集空間分布特征[11-12]。但是在利用核磁數(shù)據(jù)時需要進(jìn)行時間域向空間域的轉(zhuǎn)換,即將T2馳豫時間轉(zhuǎn)換為孔隙半徑。根據(jù)毛管力與毛管半徑的對應(yīng)關(guān)系,以及核磁共振馳豫機(jī)制,可以建立毛管半徑與T2馳豫時間的計算方法:

r=ρ2FsT2

(1)

式中:r為毛管半徑,μm;ρ2為巖石橫向表面弛豫率,μm/ms;Fs為孔隙形狀因子,球形孔隙取Fs=3,柱狀喉道取Fs=2;T2為核磁共振實驗中橫向馳豫時間,10-3s。

由式(1)可以看出,用壓汞實驗對核磁數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定能夠?qū)崿F(xiàn)由馳豫時間T2向孔隙半徑的轉(zhuǎn)換。為了獲取核磁實驗與壓汞實驗所得到的孔徑轉(zhuǎn)換系數(shù)C(巖石橫向表面弛豫率與孔隙形狀因子乘積,μm/ms),將核磁實驗和壓汞實驗的累計孔隙度與孔隙半徑分別在同一坐標(biāo)系中做圖,通過調(diào)整C值使核磁曲線左右移動從而使其與壓汞實驗所得到的孔徑分布曲線達(dá)到最佳匹配。對鄂爾多斯盆地東部的A致密氣田石盒子組的100余個核磁實驗樣品進(jìn)行壓汞標(biāo)定,并將核磁實驗的T2分布轉(zhuǎn)換為孔徑分布,C取值為15～30(圖1)。

圖1 利用壓汞法結(jié)果標(biāo)定核磁共振(C=15)

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)分類

由于儲層微觀結(jié)構(gòu)具有分形的特點,即微觀部分與宏觀結(jié)構(gòu)存在相似性,因此在開展微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究時一般均采用分形研究。由于不同孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征不同,因此進(jìn)行分形研究時,利用分段函數(shù)[13]可以區(qū)分不同類型的孔隙(圖2)。對A致密氣田石盒子組巖心核磁實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定后,開展孔隙分形研究,最終以0.1 μm和1.0 μm為界限,將孔隙結(jié)構(gòu)劃分為大、中、小孔隙[14]。利用標(biāo)定后的核磁數(shù)據(jù)計算每個樣品大孔隙、中孔隙、小孔隙的含量,與滲透率進(jìn)行回歸分析表明:大孔隙含量與滲透率關(guān)系最好,相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.757 3;而小孔隙含量與滲透率關(guān)系最差,相關(guān)系數(shù)僅為0.020 1;總孔隙度與滲透率之間的關(guān)系較為一般,相關(guān)系數(shù)僅為0.512 3(圖3)。這主要與樣品中小孔隙含量有關(guān),當(dāng)小孔隙含量占總孔隙度50%及以上時,孔隙度與滲透率之間的關(guān)系發(fā)生偏離,從而使孔隙度與滲透率之間關(guān)系變?nèi)?導(dǎo)致出現(xiàn)一孔多滲,高孔低滲的現(xiàn)象。利用孔隙孔徑區(qū)間劃分來區(qū)別不同孔隙及其含量,可以更好地反映儲層儲集性能及滲流能力[15]。

圖2 孔隙分形特征

圖3 不同類型孔隙含量與滲透率之間的關(guān)系

由圖3中可以看出,大孔隙含量與滲透率之間相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.757 3,同時大孔隙含量是致密氣開發(fā)的甜點區(qū),決定了致密砂巖氣壓裂的產(chǎn)能高低。根據(jù)壓裂測試產(chǎn)能區(qū)間與巖心不同孔徑孔隙含量變化,可將儲層分為四類:①Ⅰ類儲層:大孔隙含量大于4%,樣品孔隙以大孔隙為主,壓裂無阻流量普遍高于5.0×104m3/d;②Ⅱ類儲層:大孔隙含量為2%～4%,樣品孔隙以中孔隙為主,小孔隙和大孔隙次之,壓裂無阻流量為1.5×104～5.0×104m3/d;③Ⅲ類儲層:大孔隙含量為0.5%～2.0%,孔隙組成以小孔隙和中孔隙為主,大孔隙含量少,壓裂無阻流量小于0.3×104～1.5×104m3/d;④Ⅳ類儲層:大孔隙含量小于0.5%,樣品中小孔隙占絕對優(yōu)勢,中孔隙次之,幾乎不含大孔隙,壓裂后基本不產(chǎn)氣。通過對A致密氣田石盒子組130余層驗證,吻合率較高,可達(dá)86%。由于大孔隙含量決定儲層的滲透率以及儲集空間,決定壓裂產(chǎn)能的高低,故大孔隙含量可以準(zhǔn)確表征壓裂產(chǎn)能高低。但要獲得大孔隙含量這一參數(shù)需要進(jìn)行大量的微觀結(jié)構(gòu)實驗,且現(xiàn)場應(yīng)用時受到限制,需要建立相應(yīng)的大孔隙含量識別方法。

2 壓汞孔喉結(jié)構(gòu)表征方法

在微觀結(jié)構(gòu)的表征方法及分類中,應(yīng)用比較多的是壓汞的R35(進(jìn)汞飽和度35%時所對應(yīng)的孔喉半徑)[16],為了建立適用于致密氣儲層的壓汞參數(shù)分類標(biāo)準(zhǔn),采用相關(guān)系數(shù)法量化Ri中汞飽和度的取值,對42個樣品分別獲取進(jìn)汞飽和度為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%時所對應(yīng)的孔喉半徑,采用相關(guān)系數(shù)法對孔隙度滲透率(孔滲)進(jìn)行回歸?；貧w結(jié)果呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(圖4)。這主要是由于進(jìn)汞飽和度與壓力成正比,在低進(jìn)汞飽和度時,進(jìn)汞壓力低,所反映的孔喉半徑大,盡管數(shù)量相對較少,但對流體的滲流影響較大[17];當(dāng)進(jìn)汞飽和度高時,進(jìn)汞壓力高,所反映的孔喉半徑較小,不利于儲層流體滲流,因此Ri與孔滲之間的關(guān)系會隨著i的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與常規(guī)低滲儲層不同,致密氣儲層相關(guān)系數(shù)最大時所對應(yīng)的進(jìn)汞飽和度值為15%,相對較低(常規(guī)儲層普遍為R35),即R15最能反映致密氣儲層的滲流特征。

圖4 相關(guān)系數(shù)分布

在確定了Ri中的i為15%之后讀取了不同地區(qū)所有壓汞實驗點的R15數(shù)據(jù)(共170個),最大值為11.484 μm,最小值為0.009 μm,平均值為0.783 μm。將讀取的R15與孔滲進(jìn)行回歸分析,得到三者之間的回歸關(guān)系式[18]:

lgK=1.18lgφ+0.864lgR15-1.138 (R2=0.864)

(2)

式中:K為滲透率,10-3μm2;φ為孔隙度,f;R15為進(jìn)汞飽和度為15%時所對應(yīng)的孔喉半徑,μm。

利用式(2)計算的滲透率與實測數(shù)據(jù)對比效果良好(圖5),表明利用R15能夠很好地反映儲層的滲流特征,同時,利用式(2)也可以通過測井的孔滲參數(shù)計算出沒有壓汞實驗的R15參數(shù)。

圖5 實測滲透率與擬合滲透率之間的關(guān)系

3 儲層分級評價圖版建立

根據(jù)孔滲參數(shù)可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的R15預(yù)測,因此可以以R15為中間參數(shù),建立R15與大孔隙含量的對應(yīng)關(guān)系,從而實現(xiàn)基于微觀結(jié)構(gòu)的儲層分級評價標(biāo)準(zhǔn)。將不同大孔隙含量所劃分的不同區(qū)間的樣品投影到R15的孔滲關(guān)系圖上(圖6),可得到能反映不同樣品孔滲、孔隙孔徑分布、R15特征等信息的一個綜合圖版,根據(jù)大孔隙含量所對應(yīng)的界限,確定不同儲層分級類型中R15的分布區(qū)間。從圖版中可以看出,Ⅰ類儲層R15大于2.0 μm,Ⅱ類儲層R15為0.4～2.0 μm,Ⅲ類儲層R15為0.05～0.40 μm,Ⅳ類儲層R15小于0.05 μm。

圖6 R15儲層分級界限

將A致密氣田前期壓裂的70口井的測井孔滲數(shù)據(jù)投影到R15的綜合圖版后,可以看出壓裂產(chǎn)能與孔滲關(guān)系并不明顯(圖7),尤其在Ⅱ類、Ⅲ類儲層中,測井的孔滲比較接近時壓裂產(chǎn)能卻表現(xiàn)出較大的差異。從圖版中也可以看出,并非孔滲越好,壓裂產(chǎn)能越高,部分孔隙度低的井壓裂后仍可能高產(chǎn),部分高孔滲儲層壓裂后未獲得理想產(chǎn)能,因此不能僅通過儲層物性參數(shù)評價壓裂工藝的成功與否,即常規(guī)僅通過孔滲參數(shù)進(jìn)行壓裂潛力評價的方法準(zhǔn)確性較低。因此壓裂選層時要綜合考慮儲層微觀結(jié)構(gòu)的影響,才能準(zhǔn)確指導(dǎo)壓裂選層及壓裂效果評價。通過微觀結(jié)構(gòu)實驗所建立的研究區(qū)儲層分級評價圖版能夠準(zhǔn)確地反映儲層潛力,在其他不同區(qū)塊應(yīng)用該方法也可以建立出相應(yīng)的儲層分級評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 將產(chǎn)能投影后的綜合分級圖版

4 結(jié)論

1)利用標(biāo)定后的核磁數(shù)據(jù)計算每個樣品中大孔隙、中孔隙、小孔隙的含量,并與滲透率進(jìn)行回歸分析,發(fā)現(xiàn)大孔隙含量與滲透率關(guān)系最好,而小孔隙含量與滲透率關(guān)系最差,總孔隙度與滲透率之間的關(guān)系較為一般,因此可以采用大孔隙含量評價儲層滲透率。

2)對多個樣品的進(jìn)汞飽和度及與其所對應(yīng)的孔喉半徑分析發(fā)現(xiàn),A致密氣田石盒子組R15最能反映致密氣儲層的滲流特征,用該參數(shù)計算的滲透率與實測滲透率相關(guān)性好。

3)根據(jù)A致密氣田的微觀結(jié)構(gòu)實驗,建立了儲層分級評價圖版,直接將測井解釋的孔滲參數(shù)投影到圖版中,即可獲取儲層的定性潛力評級,應(yīng)用方便。利用該方法也可以在其他區(qū)塊建立相應(yīng)的評價圖版,指導(dǎo)壓裂選層及效果評價。