裂縫性致密砂巖儲層品質評價

虞兵,冉曉軍,侯秋元,袁龍,王謙,姚亞彬

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

0 引 言

致密砂巖儲層由于其特殊的沉積、成巖和構造條件導致其巖性致密,孔隙度、滲透率極低,一般很難形成有效儲層。然而裂縫發育改善了致密砂巖儲層的品質,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造帶侏羅系是典型的裂縫性致密砂巖儲層,基質物性差,孔隙度為4%～8%,滲透率一般小于0.1 mD(1)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,氣藏儲層物性整體上橫向變化不大,縱向上由上至下儲層物性變差,裂縫較為發育,裂縫的發育大大提高了儲層的滲流能力,給儲層有效性評價帶來了困難。

目前,致密砂巖儲層有效性評價還停留在基質有效性評價階段,通過試油約束法、最小孔喉半徑法等確定儲層的下限,結合壓汞、核磁共振測井來評價儲層孔隙結構,進而確定致密砂巖儲層的有效性[2-5]。裂縫發育大大提高了儲層的滲流能力,因此裂縫的有效性評價是儲層有效性評價的重要一環,目前裂縫有效的評價主要依靠斯通利波,斯通利波是管波,在井筒內傳播,像一個活塞運動,在井壁徑向上收縮,在裂縫處,井內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裂縫與地層之間的滲流能力。但由于斯通利波受井眼環境與地層巖性等因素影響,評價精度低、評價角度單一,缺少系統的裂縫有效性評價方法標準[6-11]。

本文在巖性、基質孔隙度滲透率、孔隙結構與裂縫特征參數綜合分析的基礎上形成儲層品質參數表征方法,建立了基質與裂縫的綜合評價圖版,形成了一套裂縫性致密砂巖儲層品質分類評價標準。實際應用證明,該方法可以準確評價儲層有效性,準確預測儲層的產氣能力,優化射孔壓裂方案。

1 儲層品質關系研究

1.1 儲層巖性控制物性

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,排驅壓力大幅增大;礫巖、含礫粗砂巖中裂縫發育明顯好于細砂巖、中砂巖,裂縫的發育可以改善儲層的滲透性,導致儲層產能級別差異變大。

1.2 儲層巖性、物性以及裂縫發育情況共同作用控制含油性

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

圖1 含油性與巖性、物性關系圖

圖2 含油性與裂縫發育情況關系圖

由圖1和圖2可知,中高產氣層孔隙度大于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層品質主要與基質儲層(巖性、孔隙度、滲透率、孔隙結構)、裂縫發育情況等因素有關,即Q儲層=f(巖性,孔隙度,滲透率,孔隙結構,裂縫發育情況)。

2 基質儲層分析

2.1 孔隙結構指數Iφ

對于基質儲層,一般其滲透性由孔隙結構的好壞決定。由壓汞實驗資料可知,儲層孔隙結構與孔隙度φ、分析系數σ、最大孔喉半徑γ、最大進汞飽和度So,max成正比,與排驅壓力pd成反比。因此,可以依據壓汞實驗優選的反應儲層孔隙結構以及滲流特性的參數構建孔隙結構指數Iφ[見式(1)],計算的孔隙結構指數與滲透率的關系見圖3。

圖3 滲透率與孔隙結構指數的關系圖

(1)

式(1)是根據壓汞實驗參數計算的孔隙結構指數,為了方便應用孔隙結構指數,需要建立孔隙結構指數的測井計算模型,將巖性物性測井曲線與孔隙結構指數進行線性擬合,最終優選出相關系數最高的自然伽馬(GR)、密度(DEN)、聲波時差(Δt)這3條曲線,再通過多元非線性回歸建立孔隙結構指數測井計算模型[見式(2)]。孔隙結構指數測井計算模型計算的孔隙結構指數與實驗參數模型計算的孔隙結構指數關系見圖4。

(2)

圖4 計算孔隙結構與實驗孔隙結構關系圖

2.2 基質儲層品質因子Iq

基質儲層的好壞主要受巖石粒度、儲層物性、儲層的孔隙結構控制,其中巖石粒度與自然伽馬GR曲線相關性高。基于巖石物理實驗、儲層孔隙類型特征、油藏地質認識,將基質儲層劃分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類等4類。可以根據相對自然伽馬ΔGR、孔隙度φ、孔隙結構指數Iφ這3個參數利用Fisher判別函數建立基質儲層品質因子Iq計算公式實現基質儲層類型的自動劃分(見圖5,表1)。

圖5 基質儲層分類效果圖

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

(3)

3 裂縫有效性評價

3.1 裂縫走向與最大主應力夾角

最大主應力是指地層現今水平最大主應力,裂縫走向與最大主應力方向之間的關系影響裂縫的開啟度與延展特性,當裂縫系統的走向與現今最大水平主應力方向一致或角度很小時,作用于裂縫面的地應力小,裂縫能最大程度地發揮其滲濾通道的作用,裂縫有效性強。反之,當二者垂直或斜交角度較大時,作用于裂縫面的地應力大,裂縫被壓實,裂縫的滲濾作用大大降低。最大主應力方向主要依據成像資料與陣列聲波資料綜合確定,成像資料主要是根據井眼垮塌來確定最大主應力方向,橢圓的長軸方向與最小水平主應力方向一致,最大主應力方向與其垂直。陣列聲波資料是根據快橫波方位來確定最大主應力方向,無裂縫各向異性地層,快橫波方位指示的為最大主應力方向。圖6為裂縫走向與最大主應力夾角分布圖,從圖6上可以看到,在構造的局部高部位,×104、×1、×2井最大主應力方向為北東向,最大主應力與裂縫走向夾角小,試油為高產井;周圍×101、×102、×103井最大主應力方向與裂縫走向夾角大,試油低產。

圖6 裂縫走向與最大主應力夾角分布圖

3.2 裂縫法向應力

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

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

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

通過裂縫法向應力的理論模型可以確定應力與裂縫有效性的關系。圖7為實驗模擬裂縫圍壓與裂縫寬度關系圖。從圖7上可以看到,裂縫寬度與裂縫圍壓成反相關的關系,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 實驗模擬裂縫圍壓與裂縫寬度關系圖

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

4 儲層有效性綜合評價

基質決定儲層儲存能力,而裂縫影響儲層的滲流能力,因此要儲層的有效性進行評價需考慮基質與裂縫的影響。根據試氣測試資料,利用基質儲層品質因子以及裂縫法向應力建立了基質儲層與裂縫綜合評價圖版,形成了儲層有效性綜合評價標準(見表2),當基質儲層品質因子小于-3.6時,裂縫是否發育都為非產層;基質儲層品質因子位于-3.6～2.6,裂縫法向應力位于30～55 MPa時,為Ⅱ、Ⅲ類儲層,建議酸壓;基質儲層品質因子大于3.6,裂縫法向應力小于30 MPa時,為Ⅰ類儲層,自然高產。

5 實例應用

圖8為×1井儲層綜合解釋評價圖,從圖8上可以看到×1井4 898～4 975 m層段基質儲層以Ⅰ、Ⅱ類為主,平均裂縫法向應力為27.5 MPa,裂縫主要為Ⅰ類,儲層綜合評價為Ⅰ類,酸后日產氣258 622 m3,為高產氣層。×101井5 053～5 061 m層段基質儲層以Ⅲ類為主,裂縫基本不發育,裂縫法向應力54.1 MPa,裂縫為Ⅲ類,儲層綜合評價為Ⅲ類儲層,壓裂后日產氣2 096 m3,為低產氣層。

圖8 ×1井儲層綜合解釋評價圖

6 結 論

(1)通過壓汞實驗參數構建了孔隙結構指數,綜合考慮巖性、物性、孔隙結構建立基質儲層品質因子,實現了基質儲層的級別有效分類。

(2)裂縫面法向應力、裂縫走向與最大主應力方向夾角可以有效的實現裂縫級別分類。

(3)儲層綜合有效性受基質儲層與裂縫共同影響,其中裂縫起主導作用。當基質儲層與裂縫有效性都較好時,儲層的綜合有效性為1類儲層,具有較高的自然產能;當裂縫不發育時,儲層基本無產量。