基于微觀結構的致密氣儲層分級評價方法研究
——以鄂爾多斯盆地A致密氣田為例

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,且非均質性強,孔隙度、滲透率與壓裂產能的對應關系較差[1],常出現一孔多滲,高孔低滲的現象[2],無法進行準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實驗分析(薄片、電鏡、壓汞等)與模糊數學(聚類分析、地質統計學、分形維數模型等)相結合的方法,以孔滲參數為主,進行定量或定性評價[3-4],對影響儲層物性的部分參數給予一定權重或取值范圍,判斷其所屬的分類。在應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確量化儲層級別,且參與評價的參數越多,越難以準確定性;定量評價方法偏向模型化,有時出現的結論與地質理論相悖[5]。由于微觀的孔喉結構影響儲層的滲流能力及儲集空間[6],并決定氣藏的產能和最終采收率[7-8],故相同孔隙度或者滲透率對應的微觀結構不同所表現出的潛力差異較大,導致評價結果與致密氣井測試產能符合率降低。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,卻表現為Ⅰ類儲層產能,制約了壓裂選井選層的可靠性以及措施效果評價。采用核磁實驗結果確定不同儲層的微觀結構差異[9],明確了1.0 μm以上的大孔含量是影響產能的主要因素。結合壓汞實驗,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,通過孔滲參數計算R15含量,實現致密氣井的潛力分級評價,為致密氣區塊的壓裂選層及壓裂效果評價提供有效支撐。

1 孔隙結構對壓裂產能影響

1.1 核磁孔隙結構分析方法

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,高進汞飽和度所需進汞壓力較常規儲層高,若增大進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確。核磁共振T2譜分布與孔隙結構之間存在關聯關系,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]。但是在利用核磁數據時需要進行時間域向空間域的轉換,即將T2馳豫時間轉換為孔隙半徑。根據毛管力與毛管半徑的對應關系,以及核磁共振馳豫機制,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據進行標定能夠實現由馳豫時間T2向孔隙半徑的轉換。為了獲取核磁實驗與壓汞實驗所得到的孔徑轉換系數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系中做圖,通過調整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行壓汞標定,并將核磁實驗的T2分布轉換為孔徑分布,C取值為15～30(圖1)。

圖1 利用壓汞法結果標定核磁共振(C=15)

1.2 孔隙結構分類

由于儲層微觀結構具有分形的特點,即微觀部分與宏觀結構存在相似性,因此在開展微觀孔隙結構研究時一般均采用分形研究。由于不同孔隙結構的分形特征不同,因此進行分形研究時,利用分段函數[13]可以區分不同類型的孔隙(圖2)。對A致密氣田石盒子組巖心核磁實驗數據進行標定后,開展孔隙分形研究,最終以0.1 μm和1.0 μm為界限,將孔隙結構劃分為大、中、小孔隙[14]。利用標定后的核磁數據計算每個樣品大孔隙、中孔隙、小孔隙的含量,與滲透率進行回歸分析表明:大孔隙含量與滲透率關系最好,相關系數可達0.757 3;而小孔隙含量與滲透率關系最差,相關系數僅為0.020 1;總孔隙度與滲透率之間的關系較為一般,相關系數僅為0.512 3(圖3)。這主要與樣品中小孔隙含量有關,當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系發生偏離,從而使孔隙度與滲透率之間關系變弱,導致出現一孔多滲,高孔低滲的現象。利用孔隙孔徑區間劃分來區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系

由圖3中可以看出,大孔隙含量與滲透率之間相關性最好,相關系數可達0.757 3,同時大孔隙含量是致密氣開發的甜點區,決定了致密砂巖氣壓裂的產能高低。根據壓裂測試產能區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勢,中孔隙次之,幾乎不含大孔隙,壓裂后基本不產氣。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,決定壓裂產能的高低,故大孔隙含量可以準確表征壓裂產能高低。但要獲得大孔隙含量這一參數需要進行大量的微觀結構實驗,且現場應用時受到限制,需要建立相應的大孔隙含量識別方法。

2 壓汞孔喉結構表征方法

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

圖4 相關系數分布

在確定了Ri中的i為15%之后讀取了不同地區所有壓汞實驗點的R15數據(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與孔滲進行回歸分析,得到三者之間的回歸關系式[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為進汞飽和度為15%時所對應的孔喉半徑,μm。

利用式(2)計算的滲透率與實測數據對比效果良好(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計算出沒有壓汞實驗的R15參數。

圖5 實測滲透率與擬合滲透率之間的關系

3 儲層分級評價圖版建立

根據孔滲參數可以實現準確的R15預測,因此可以以R15為中間參數,建立R15與大孔隙含量的對應關系,從而實現基于微觀結構的儲層分級評價標準。將不同大孔隙含量所劃分的不同區間的樣品投影到R15的孔滲關系圖上(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,根據大孔隙含量所對應的界限,確定不同儲層分級類型中R15的分布區間。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口井的測井孔滲數據投影到R15的綜合圖版后,可以看出壓裂產能與孔滲關系并不明顯(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能卻表現出較大的差異。從圖版中也可以看出,并非孔滲越好,壓裂產能越高,部分孔隙度低的井壓裂后仍可能高產,部分高孔滲儲層壓裂后未獲得理想產能,因此不能僅通過儲層物性參數評價壓裂工藝的成功與否,即常規僅通過孔滲參數進行壓裂潛力評價的方法準確性較低。因此壓裂選層時要綜合考慮儲層微觀結構的影響,才能準確指導壓裂選層及壓裂效果評價。通過微觀結構實驗所建立的研究區儲層分級評價圖版能夠準確地反映儲層潛力,在其他不同區塊應用該方法也可以建立出相應的儲層分級評價標準。

圖7 將產能投影后的綜合分級圖版

4 結論

1)利用標定后的核磁數據計算每個樣品中大孔隙、中孔隙、小孔隙的含量,并與滲透率進行回歸分析,發現大孔隙含量與滲透率關系最好,而小孔隙含量與滲透率關系最差,總孔隙度與滲透率之間的關系較為一般,因此可以采用大孔隙含量評價儲層滲透率。

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

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