火成巖影響的砂巖油藏井底壓力動態分析

高鵬宇 曹龍 孟中華 吳春新 馬棟

摘?要：由于火成巖的侵入，常規砂巖地層不僅在宏觀上被火成巖改造和分割，而且砂巖的微觀孔隙結構也因復雜的物理化學作用而發生改變.儲層強烈的平面和縱向非均質性給試井解釋帶來了困難.基于滲流力學理論和數學物理方法，針對砂巖儲層的非均質性特征，建立了任意多層與多區復合的試井模型，并對影響井底壓力動態的主要因素進行了分析.結果表明：高滲透層的復合特征與邊界條件主要反映在系統流動階段初期，低滲透層的復合特征與邊界條件主要反映在系統流動階段晚期，當儲層邊界為封閉或定壓時，壓力導數曲線將發生相應的上翹或下掉.實例分析證明了模型的可靠性與實用性，研究成果為同類油藏的試井解釋提供了理論支持.

關鍵詞：火成巖；砂巖油藏；試井分析；多層多區復合模型；壓力動態

中圖分類號：TE353

文獻標志碼： A

文章編號：2096-398X（2023）04-0097-07

Abstract：Due to the intrusion of igneous rocks，conventional clastic formations are not only divided and modified by igneous rocks on a macroscopic scale but the pore structure of sandstones is also altered by complex physicochemical effects on a microscopic scale.The strong planar and longitudinal inhomogeneity of the reservoir poses difficulties for well test interpretation.Based on the theory of seepage mechanics and mathematical-physical methods，a well test model with arbitrary combinations of multi-layer and multi-zone composite features is established for the non-homogeneous characteristics of sandstone reservoirs.The main factors affecting the bottom-hole pressure dynamics are analyzed.The results show that the composite reservoir characteristics and boundary conditions of the high permeability layer are mainly reflected at the early stage of the system flow phase，while those of the low permeability layer is mainly reflected at the late stage of the system flow phase.When the reservoir boundary is closed or at constant pressure，the pressure derivative curve will undergo an upward or downward shift in response.The case analysis proves the reliability and practicality of the model，and the research results provide theoretical support for the interpretation of test wells in similar reservoirs.

Key words：igneous rock；sandstone reservoir；well test analysis；multi-iayer multi-zone composite model；pressure dynamics

0?引言

BZ油田位于渤海灣盆地南部，黃河口凹陷中洼南斜坡帶，是渤海灣地區有利的油氣富集區，目前產能規模已達百萬噸.油田新生代晚期地層受大規模火山活動影響，火山噴發期次多，形成了火成巖與碎屑巖混雜的地質體.火成巖的侵入使常規陸相碎屑巖被強烈改造，形成了受沉積和火山共同控制的具有強烈非均質性的復雜砂巖油藏［1］.以地震和井資料為基礎開展的儲層研究，受限于資料精度，其研究結果有時很難精細化的指導油田開發［2］.常規的多層和復合油藏試井模型很難適應同時具有復雜縱向與平面非均質性的特殊砂巖儲層.為了解決油田儲層邊界識別和地層參數反演的問題，亟需針對這種多層多區復合油藏試井模型開展研究.

Lefkovits等［3］提出的滲流模型為多層油藏滲流研究奠定了基礎，Tariq等［4］在Lefkovits等人的研究基礎上，推導了考慮井筒儲集和表皮效應的多層油藏井底壓力在拉普拉斯空間下的解，但當該模型求解層數大于2時，存在適用性差的問題.Lolon等［5］針對無層間竄流的多層油藏，基于各層壓降關系求解了井底壓力在拉普拉斯空間下的近似解.Gao等［6］針對具有不同邊界條件的雙層油藏進行了研究.Kuchuk等［7］基于格林函數求解了多區線性復合油藏的井底壓力在拉普拉斯空間下的解.Ambastha等［8］研究了擬穩態條件下三區徑向復合油藏模型的解析解.李順初等［9］對兩區復合油藏在不同邊界條件下的拉普拉斯空間解進行了研究.賈英蘭［10］建立了兩區和三區復合油藏在多層情況下的解析模型，但是該模型只適用于特定的兩區或三區復合油藏.

BZ油田砂巖油藏的特殊性在于：一方面，沉積周期與火山活動周期之間存在著復雜的時空匹配關系［11］，另一方面，火成巖通過壓力、熱和化學等作用使圍巖發生復雜的物理化學變化，導致砂巖的礦物成分和孔隙發生改變.面對油藏的復雜特性，本文建立了考慮多層和多區復合特征任意組合的試井模型，研究了多層砂巖儲層在不同邊界與非均質條件下的壓力分布特征，為類似油藏的試井資料解釋提供了指導.

1?火成巖侵入模式及影響

1.1?主要侵入模式

國內外研究人員對發育火山的沉積盆地進行了大量考察和研究，豐富的研究成果揭示了火山機構在沉積盆地內的形成機制和發育模式.由于巖漿與圍巖的應力差，造成圍巖的剪切或拉伸，并通過一系列的應力薄弱區形成穿過沉積盆地的復雜巖漿網絡（圖1）.

大量針對發育火成巖沉積盆地的綜合研究明確了沉積盆地中火成巖的主要侵入類型［14-16］：

（1）火山/熱液噴口

火山或熱液噴口是巖漿或其他噴發物穿過地殼到達地表的主要通道，縱向上通常具有上大下小的錐形結構.

（2）巖床

巖床是平行于沉積地層發育的火成巖侵入體，通常橫向發育，在圍巖接觸面形成尖滅.

（3）蝶形巖脈

蝶形巖脈一般沿縱向發育，表現為中心較厚，向頂端及兩翼逐漸變薄，平面上通常具有弧形特征的火成巖巖墻.

（4）席狀巖脈

席狀巖脈是沿縱向發育的火成巖巖墻，整體上厚度變化不大，具有較好的縱向繼承性.

（5）火山錐/巖蓋

火山錐/巖蓋是巖漿在壓力的作用下，在向上侵入圍巖的過程中，由于自身能量消減或圍巖壓力過大而發生終止，形成的局部隆起.

1.2?火成巖侵入體對圍巖的影響

火成巖侵入體對砂巖的影響主要表現為：（1）在宏觀上，由于火成巖的侵入（如巖床、巖蓋等），使連片沉積的砂巖地層形成類似尖滅的中斷；縱向發育的侵入體（如蝶形巖脈、席狀巖脈），對連片沉積砂巖地層進行切割或分隔［17，18］.由BZ油田地震剖面（圖2）可以看出，橫向和縱向發育的火成巖侵入體在宏觀結構上對常規碎屑巖沉積地層的改造；（2）在微觀上，由于火成巖的侵入，砂巖受到壓力、化學和熱作用的影響，一系列復雜的物理化學變化使火成巖侵入體一定范圍內的砂巖發生物性改變［19-21］.通常這種改變是向孔隙度、滲透率減小的方向發展［22，23］.

2?模型研究

2.1?物理模型

綜合考慮火成巖侵入體對砂巖儲層的改造作用，試井模型需要考慮：（1）辮狀河三角洲沉積形成的多層特征，即平面上穩定發育的泥巖隔層將連片發育的砂巖分隔為上下不連通的小層；（2）受不同類型的侵入體影響，各砂巖小層由于物性變化，具有相對獨立的邊界和復合特征.通過建立多層多區復合油藏模型（圖3），模擬受火成巖侵入體影響的砂巖儲層內的壓力響應特征.

模型假設：各層之間被穩定隔層隔開，各層物性參數為常數；原油和巖石微可壓縮，且壓縮系數恒定；考慮表皮和井筒儲集效應的影響；各層等溫流動，不考慮毛管力和重力；開井后各層流體瞬間完成混合.

2.2?數學模型

根據圖3所示物理模型和假設條件，以基本滲流力學理論為依據，推導多層多區復合油藏試井解釋模型.

對上述差分方程組進行數值迭代求解可以得到井底壓力隨時間變化的動態響應，同時根據無因次量綱定義對模擬結果進行無量綱化.

3?壓力動態特征分析

模型考慮火山活動中復雜的物理化學過程對圍巖物性造成的影響，通過差分方程計算得到井底壓力隨時間變化值，繪制無因次壓力和壓力導數隨無因次時間變化的關系曲線.為便于分析，將多層油藏簡化為高/低滲雙層［24］，并以此為基礎討論兩重復合油藏不同影響因素下井底壓力的動態響應特征.

根據模型研究可知，井底壓力變化的早期流動階段主要受井筒儲集系數和表皮系數控制，不反映被測試地層的任何特征.井儲和表皮響應階段之后為兩層共同流動的系統流動階段，其中高滲透層由于物性較好是主力產出層，系統流動階段初期井底壓力響應主要受高滲透層物性變化及邊界特征控制.系統流動階段晚期高滲透層壓力響應接近尾聲，此時主要反映低滲透層的壓力變化，井底壓力特征主要受低滲透層物性變化及邊界特征控制.

3.1?邊界條件的影響

各層邊界條件不同，井底壓力動態響應將表現出不同的特征（圖4）.高滲透層邊界條件對井底壓力動態的影響如圖4（a）所示，高滲層為主要貢獻層，改變其邊界條件對壓力和壓力導數曲線的影響較大.當高滲透層外邊界的能量水平逐漸升高，系統流動階段初期即表現出壓力和壓力導數曲線整體向下偏移.低滲透層邊界條件對井底壓力動態的影響如圖4（b）所示，低滲層為次要貢獻層，改變其邊界條件對壓力曲線的影響較小，但是壓力導數曲線對低滲透層邊界條件較為敏感.當低滲透層外邊界的能量水平逐漸升高，系統流動階段晚期的壓力導數曲線將逐漸由上翹變為下掉.

3.2?縱向非均質性的影響

以不同儲層滲透率的變化討論油藏縱向非均質性.高/低低滲透層滲透率的取值對曲線形態的影響如圖5所示.由圖5（a）可知，隨著高滲透層滲透率的升高，壓力響應曲線中段的壓力和壓力導數曲線逐漸向下偏移.由圖5（b）可知，隨著低滲透層滲透率的升高，壓力響應曲線末段的壓力和壓力導數曲線逐漸向下偏移.

3.3?平面非均質性的影響

以不同儲層流度比的變化討論油藏平面非均質性.高/低滲透層內外區流度比的取值對曲線形態的影響如圖6所示.由圖6（a）可知，隨著高滲透層內外區流度比的升高，壓力響應中段的壓力和壓力導數曲線逐漸向上偏移，而壓力響應末段的壓力導數曲線逐漸向下偏移.由圖6（b）可知，隨著低滲透層內外區流度比的升高，壓力響應末段的壓力導數曲線逐漸向下偏移.

4?應用實例分析

X32井是BZ油田東營組的一口油井.該井在目的層鉆遇儲層79.4 m，其中東營組三段Ⅰ油組儲層29.9 m，東營組三段Ⅱ油組儲層49.5 m.該井投產初期日產油204 m3/d，但遞減速度快.X32井投產38天后關井進行壓力恢復測試.

利用建立的多層多重復合油藏模型對X32井壓力恢復數據進行解釋，試井擬合曲線如圖7所示，參數擬合結果如表1所示.

X32井試井解釋結果為：井筒儲集系數0.11 m3/MPa；Ⅰ油組儲層表皮系數4.9，滲透率419 mD，1區與2區流度比為15.3，2區與3區流度比為8.7，距離封閉邊界98 m；Ⅱ油組儲層表皮系數7.3，滲透率39 mD，1區與2區流度比為7.2，距離定壓邊界304 m.

根據X32井試井解釋結果，并綜合地震、地質認識，認為X32井位于因火成巖侵入體形成的斷塊內，優質儲層范圍有限，且縱向上小層間滲透率級差較大，但是低滲透層儲層具備一定的橫向展布范圍，計劃通過壓裂措施提高該井產能.

X32井壓裂后日產油穩定在60 m3/d，產能較壓裂前提高2.8倍，取得了較好的增產效果.對比X32井壓裂前后累產油與地層壓力關系曲線（圖8），可以看出曲線斜率的絕對值在壓裂后出現明顯的減小，表明壓裂裂縫有效提高了X32井的井控程度，驗證了解釋結論的可靠性.

5?結論

（1）BZ油田砂巖儲層由于受火山活動與沉積作用共同控制，具有極強的平面和縱向非均質性，針對砂巖儲層的復雜非均質性特點，建立了考慮多層與多區復合的試井模型.該模型可實現任意多層與多區組合的試井解釋，滿足復雜非均質性油藏參數反演與邊界解釋的需求.

（2）多層多區復合油藏試井模型的研究表明：井筒儲集階段，壓力及其導數曲線是一條斜率為1的直線；進入系統流動階段后，高滲透層為主力貢獻層，低滲透層為次要貢獻層，系統流動階段的初期和晚期分布反映高滲透層和低滲透層的復合儲層特征與邊界條件；當油藏邊界為封閉邊界，壓力導數曲線將發生上翹，當油藏邊界為定壓邊界，壓力導數曲線將發生下掉.

（3）試井模擬結果與實際測試數據吻合較好，表明建立的試井解釋模型適用于被火成巖影響的復雜砂巖油藏，為此類復雜油藏的試井解釋提供了方法和理論依據.

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【責任編輯：蔣亞儒】

基金項目：國家科技重大專項項目（2016ZX05058）；中海石油（中國）有限公司重點科研項目（CNOOC-KJ135 ZDXM36 TJ03TJ）

作者簡介：高鵬宇（1986—），男，河北張家口人，工程師，研究方向：油田開發及提高采收率