礁灰?guī)r基質(zhì)與裂縫耦合快速模擬技術(shù)研究

程 佳，陳敏政，寧玉萍，李 偉，朱義東

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

1 研究背景

南海東部海上在生產(chǎn)礁灰?guī)r油田地質(zhì)儲(chǔ)量所占比例大，但油田的采出程度低，剩余可采儲(chǔ)量大，挖潛的空間巨大。而生物礁灰?guī)r油藏和常規(guī)砂巖油藏儲(chǔ)層特征完全不同，生物礁灰?guī)r油藏一般發(fā)育裂縫，非均質(zhì)性強(qiáng)，表現(xiàn)在孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)集空間多樣等，導(dǎo)致儲(chǔ)層精細(xì)描述、油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究等比砂巖等其他類型儲(chǔ)層更加復(fù)雜[1]。本文以南海東部地區(qū)某一礁灰?guī)r油田為例，該油田采出程度低，剩余儲(chǔ)量大，但增產(chǎn)挖潛手段單一，基本上以調(diào)整井為主，尤其是受油藏埋深淺、水下井口開發(fā)模式及平臺(tái)位置等海上生產(chǎn)條件限制的影響，鉆井難度也越來越大，加之油田地質(zhì)油藏條件以及油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律都極其復(fù)雜，對(duì)于油田剩余油的認(rèn)識(shí)不足。而該油田原采用單重介質(zhì)等效雙孔雙滲模擬進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，實(shí)際生產(chǎn)資料顯示與實(shí)際動(dòng)態(tài)嚴(yán)重不符，如何有效精細(xì)化進(jìn)行雙重介質(zhì)油藏的模擬以進(jìn)一步提高增產(chǎn)挖潛和提高采收率措施預(yù)測(cè)效果也是目前亟需解決的問題。

2 基質(zhì)和多尺度裂縫精細(xì)表征技術(shù)

從地震、測(cè)井和巖心資料入手，在地震相、單井相、基底初始水深等初始沉積環(huán)境分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行沉積演化動(dòng)態(tài)模擬，建立三維沉積相模型，指導(dǎo)三維基質(zhì)屬性模型建立[2]。在常規(guī)平臺(tái)上進(jìn)一步解放思想，為了彌補(bǔ)大多依據(jù)平面沉積相格架而建立，缺乏沉積相縱向疊置關(guān)系分析的不足，提出了“立體相控”概念。利用沉積演化模擬技術(shù)，刻畫沉積相立體空間展布規(guī)律，應(yīng)用“立體相模型”約束基質(zhì)屬性模型建立。

針對(duì)裂縫識(shí)別與評(píng)價(jià)、裂縫系統(tǒng)定量化表征以及裂縫基質(zhì)孔隙模型融合等難點(diǎn)，提出了與褶皺相關(guān)裂縫模式、與斷層相關(guān)裂縫模式、巖性控制下裂縫模式以及層厚控制下裂縫模式，在裂縫模式指導(dǎo)下，多角度綜合分析明確裂縫發(fā)育主控因素，并以此分區(qū)建立不同類型裂縫分布地質(zhì)知識(shí)庫（見表1）。

通過地震資料識(shí)別出的斷裂定義為大、中尺度裂縫，采用確定性的方法進(jìn)行裂縫片的提取和建模，通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行交互式修正和補(bǔ)充。然后以巖心裂縫觀察和成像測(cè)井裂縫解釋數(shù)據(jù)為硬數(shù)據(jù)，以地震屬性體、綜合預(yù)測(cè)成果為井間裂縫分布趨勢(shì)約束，構(gòu)建不同類型裂縫與不同類型儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果的相關(guān)關(guān)系，建立不同類型小尺度裂縫三維密度模型。采用分類建模的方法，在不同類型小尺度裂縫密度模型基礎(chǔ)上，以裂縫分布模式作為指導(dǎo)并結(jié)合裂縫主控因素，采用示性點(diǎn)過程建立各類小尺度DFN 裂縫離散分布模型[3-5]。基于Oda 方法將裂縫屬性升級(jí)到相應(yīng)網(wǎng)格上，整合得到裂縫-孔隙屬性模型（見圖1）。

表1 裂縫分布地質(zhì)知識(shí)庫

3 基質(zhì)裂縫耦合滲流表征技術(shù)

通過立體相控獲得基質(zhì)屬性模型以及不同尺度下裂縫等效孔隙度和滲透率靜態(tài)屬性模型，考慮動(dòng)態(tài)因素，基于一體化思路建立雙重介質(zhì)油藏模型，以進(jìn)一步表征其可能的滲流特征。但是，動(dòng)靜結(jié)合需要刻畫復(fù)雜基質(zhì)與裂縫滲流，需重點(diǎn)把控基質(zhì)裂縫耦合滲流、基質(zhì)滲吸作用以及重力驅(qū)替作用、裂縫和基質(zhì)兩相滲流在模型中精細(xì)刻畫[6，7]。

圖1 裂縫等效孔隙度和滲透率屬性模型

圖2 基質(zhì)與裂縫系統(tǒng)耦合Sigma 參數(shù)場(chǎng)

在雙重介質(zhì)裂縫性油藏中，彈性儲(chǔ)容比和竄流系數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)。彈性儲(chǔ)容比描述裂縫系統(tǒng)和基質(zhì)系統(tǒng)彈性儲(chǔ)容能力的相對(duì)大小，在模擬刻畫中可通過設(shè)置裂縫基質(zhì)巖石和流體的壓縮系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。但是，竄流系數(shù)大小取決于基質(zhì)與裂縫滲透率級(jí)差，也取決于基質(zhì)被裂縫切割的程度。級(jí)差越大或者裂縫密度越大，則竄流系數(shù)越大，其反映了基質(zhì)中流體向裂縫竄流的能力，在雙重介質(zhì)模型通過改變竄流系數(shù)中的形態(tài)因子，以達(dá)到調(diào)節(jié)基質(zhì)與裂縫之間流體交換的物理量[8，9]。通過裂縫沿IJK 三個(gè)方向網(wǎng)格長(zhǎng)度，計(jì)算模型中每個(gè)網(wǎng)格的形狀因子a，模型中以Sigma 表示（見圖2）。Sigma 增大，裂縫基質(zhì)間竄流能力增強(qiáng)，底水也開始驅(qū)掃基質(zhì)，含水上升變緩，增加驅(qū)替面積，從而提高驅(qū)油效率。通過設(shè)置Sigma 關(guān)鍵參數(shù)成功將基質(zhì)裂縫系統(tǒng)耦合，后期通過DST 測(cè)試資料和實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)可進(jìn)一步微調(diào)以求進(jìn)一步提高基質(zhì)裂縫系統(tǒng)耦合的精度。

在雙重介質(zhì)模型中，基質(zhì)系統(tǒng)排驅(qū)過程主要是在小縫、小洞及裂縫發(fā)育的次生孔隙中進(jìn)行，主要依靠毛管力作用自吸排油和油水密度差等重力作用驅(qū)替。考慮基質(zhì)毛管壓力，水濕巖石喉道在毛管壓力下自吸排油。巖石滲吸作用對(duì)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)影響較大。通過巖心吸水排油潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)顯示目標(biāo)油田為親油-強(qiáng)親油儲(chǔ)層。為此，通過反轉(zhuǎn)毛管壓力曲線成功實(shí)現(xiàn)了在模型中表征親油儲(chǔ)層。而另一方面，由于巖塊高度和油水密度差，雙重介質(zhì)模型中還存在微觀尺度上的重力驅(qū)替作用。巖塊高度越大，油水密度差產(chǎn)生的驅(qū)替作用越大，底水上升的驅(qū)替作用越能夠克服毛管力和黏滯力的阻力，進(jìn)而原油采出程度也越高，但巖塊/基質(zhì)塊高度級(jí)差對(duì)油田開發(fā)效果影響相對(duì)較小，加之巖塊中基質(zhì)塊高度存在不確定性，因此模型中未考慮基質(zhì)重力驅(qū)替作用（見圖3）。

圖3 滲吸和重力驅(qū)替作用敏感性分析

在數(shù)值模擬中，基質(zhì)相對(duì)滲透率曲線可通過穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)相滲獲得，但裂縫的相對(duì)滲透率曲線無法獲得。當(dāng)毛管力為零，巖石孔隙中兩相流體均勻分布，潤(rùn)濕相和非潤(rùn)濕相不存在選擇大小孔道的差異，則油水相對(duì)滲透率曲線為兩條交叉對(duì)角直線。當(dāng)裂縫寬度＞10 μm，裂縫內(nèi)將不會(huì)形成彎月面，毛管力在裂縫中所起的作用很小或可以忽略，當(dāng)寬度為20 μm～30 μm，毛管力消失[10-12]。由于基于DFN 建模得到的裂縫模型的最小裂縫開度為40 μm，在雙重介質(zhì)中以X 型相滲來表征相對(duì)大尺度的裂縫滲流特征。另外，可以通過去掉顯裂縫的巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到相滲表征微裂縫和基質(zhì)的耦合效果。

4 儲(chǔ)層全面表征和快速模擬技術(shù)

目標(biāo)油田整體為礁灰?guī)r儲(chǔ)層，但不同區(qū)域儲(chǔ)層類型又有一定差異。結(jié)合礁灰?guī)r儲(chǔ)層流動(dòng)介質(zhì)類型定量化表征研究，建立了四類儲(chǔ)層類型：相對(duì)致密型、孔隙孔洞型、孔洞裂縫型和致密裂縫型。依據(jù)巖心描述定義縱向上和平面上儲(chǔ)層類型（見圖4）。在雙重介質(zhì)模型中，提出了分類交互式模擬應(yīng)用，對(duì)相對(duì)致密層和孔洞型儲(chǔ)層不考慮裂縫的擬單重介質(zhì)模擬，對(duì)于致密裂縫型和孔隙裂縫型儲(chǔ)層考慮基質(zhì)裂縫共存的雙重介質(zhì)，細(xì)化模擬后模型模擬效果與實(shí)際動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)趨勢(shì)接近。結(jié)合歷史擬合，以盡量貼合油田實(shí)際情況。

圖4 礁灰?guī)r儲(chǔ)層流動(dòng)介質(zhì)類型定量化表征

在建立雙重介質(zhì)模型前，目標(biāo)油田多使用單重介質(zhì)或擬雙重介質(zhì)模擬，但在基質(zhì)滲透率較大時(shí)使用雙孔單滲模型，由于雙孔單滲中的基質(zhì)系統(tǒng)微分方程中少了基質(zhì)之間流動(dòng)項(xiàng)，基質(zhì)塊壓力隨時(shí)間的變化率變小了，所以基質(zhì)壓力降的比較慢，從而造成早期雙孔單滲的產(chǎn)能比雙孔雙滲的要低。在求解過程中，雙重介質(zhì)求解的變量個(gè)數(shù)是單重介質(zhì)的二倍，形成的系數(shù)矩陣大小是單重介質(zhì)的四倍，因此雙重介質(zhì)模型計(jì)算速度較慢。由于雙重介質(zhì)模型可以將裂縫系統(tǒng)和基質(zhì)系統(tǒng)分別表示出來，可以描述裂縫內(nèi)水竄和氣竄等現(xiàn)象，因而比單重介質(zhì)模型要更好的模擬裂縫性油藏。雖然通過精細(xì)化雙重介質(zhì)模擬打破了利用單孔模型等效雙重模型的方法，建立真正意義的裂縫與基質(zhì)耦合的雙重介質(zhì)油藏?cái)?shù)值模型，將裂縫系統(tǒng)和基質(zhì)系統(tǒng)分別表示出來，更符合雙重介質(zhì)滲流特征。但是，雙孔雙滲模型運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)過長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了雙重介質(zhì)油藏模型應(yīng)用。為此借助了斯倫貝謝公司的INTERSECT（IX）模擬器，實(shí)現(xiàn)了快速模擬[13，14]。運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)大大縮短，最高提速約23倍，大大提高了工作效率（見圖5 和表2）。

基于雙重介質(zhì)模型，通過油水運(yùn)動(dòng)模擬追蹤找出有效剩余油區(qū)域，成功指導(dǎo)了MRC 在南海礁灰?guī)r油田首次應(yīng)用。該井較措施前含水降低9 %，初產(chǎn)增加2.4倍，措施效果與模型預(yù)測(cè)接近。

圖5 不同模型采用E100 模擬運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

表2 不同模擬器運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

5 結(jié)論與建議

（1）形成了一套適用于海上礁灰?guī)r油田高效開發(fā)的“精、準(zhǔn)、快”雙重介質(zhì)建模與數(shù)模一體化技術(shù)研究思路與方法。

（2）該技術(shù)方法應(yīng)用于油田增產(chǎn)措施研究，從“點(diǎn)”上確保MRC 技術(shù)創(chuàng)新效果預(yù)測(cè)，為油田后續(xù)潛力挖潛提供有力保障。

（3）由于裂縫預(yù)測(cè)存在一定不確定性，因此雙重介質(zhì)模型需借助實(shí)際動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)擬合，以達(dá)到更貼近油藏實(shí)際的目的。