縫洞型油藏物質(zhì)平衡方程及驅(qū)動(dòng)能量分析

鄭松青,崔書岳,牟 雷

(中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

中國(guó)海相碳酸鹽巖石油地質(zhì)儲(chǔ)量主要分布在塔里木盆地，以縫洞型油藏為主。截至“十二五”末，塔里木盆地縫洞型碳酸鹽巖探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量已近18×108t。能量分析是油氣田開(kāi)發(fā)中的一項(xiàng)基本工作，是開(kāi)發(fā)技術(shù)政策制訂和調(diào)整的主要依據(jù)之一。前人在縫洞型油藏天然能量評(píng)價(jià)方面做了很多工作[1-3]，但對(duì)于驅(qū)動(dòng)類型并未深入研究。特別是塔里木盆地縫洞型油藏埋藏深(大于5 500 m)，儲(chǔ)集空間大，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中是否發(fā)生塑性形變(縫洞垮塌)，是否成為原油流出的驅(qū)動(dòng)能量之一，目前尚未有論述。在對(duì)縫洞型油藏特征及水體特征分析的基礎(chǔ)上，建立了物質(zhì)平衡方程，對(duì)其驅(qū)動(dòng)能量進(jìn)行了研究。

1 縫洞型油藏地質(zhì)特征

塔里木盆地奧陶系縫洞型碳酸鹽巖油藏是在多期構(gòu)造和巖溶疊加基礎(chǔ)上形成的改造型油藏[4-6]，儲(chǔ)集空間類型多，規(guī)模差異大，小到微米級(jí)的基質(zhì)粒間溶孔、晶間孔，大到數(shù)十米的大型溶洞，都有分布，非均質(zhì)性極強(qiáng)[7-8]。有效儲(chǔ)集空間是多次構(gòu)造作用和巖溶作用下形成的構(gòu)造縫、溶蝕縫、大型洞穴和小型的溶蝕孔洞；基質(zhì)低孔、低滲，基本不具備儲(chǔ)滲能力[9-10]。根據(jù)胡向陽(yáng)等人的研究結(jié)果，塔河油田4區(qū)溶洞和溶蝕孔洞儲(chǔ)量占全區(qū)儲(chǔ)量的90%以上[11-12]?？?、洞、縫多類型儲(chǔ)集空間構(gòu)成的離散縫洞體是縫洞型油藏基本油氣儲(chǔ)集單元。

縫洞體在垂向上具有明顯分帶性，不同巖溶帶縫洞發(fā)育特征不同。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，奧陶系縫洞型油藏自上而下分為：表層巖溶帶、滲流巖溶帶、徑流巖溶帶和潛流巖溶帶，其中，表層帶、滲流帶和徑流帶是縫洞體主要發(fā)育帶，潛流帶位于潛水面以下，水動(dòng)力弱，充填作用強(qiáng)，膠結(jié)強(qiáng)烈，儲(chǔ)集性能差[13-14]。塔里木盆地縫洞體主要發(fā)育在T74面(中─上奧套統(tǒng)不整合面)下200 m的范圍內(nèi)。

2 縫洞型油藏物質(zhì)平衡方程

物質(zhì)平衡方程是油氣藏動(dòng)態(tài)分析的基本工具，也是能量分析的主要手段之一。常規(guī)物質(zhì)平衡方程處理邊底水問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，且水侵滲透率為定值，但縫洞型油藏為離散介質(zhì)，水侵通道復(fù)雜多變，導(dǎo)致滲透率具有時(shí)變性。基于縫洞型油藏特征，簡(jiǎn)化底水處理，推導(dǎo)了以原油地質(zhì)儲(chǔ)量為基數(shù)的油區(qū)綜合壓縮系數(shù)及以底水水體體積為基數(shù)的水區(qū)綜合壓縮系數(shù)，建立了物質(zhì)平衡方程，為能量分析提供了研究技術(shù)支撐。

塔里木盆地奧陶系縫洞型油藏埋藏深(大于5 500 m)，地飽壓差大(大于30 MPa)，無(wú)氣頂，天然驅(qū)動(dòng)能量主要來(lái)自原油膨脹、底水彈性驅(qū)和巖石變形。為此，基本假設(shè)如下：縫洞型油藏上部縫洞體儲(chǔ)油，下部縫洞體儲(chǔ)水，定容水體。天然能量開(kāi)發(fā)階段，物質(zhì)平衡方程可以表示為：

NpBo+WpBw=NBoiCtoΔp+VwBwiCtwΔp

(1)

式中：Np為累計(jì)產(chǎn)油量，104m3；Wp為累計(jì)產(chǎn)水量，104m3；Bo為當(dāng)前壓力下原油體積系數(shù)；Bw為當(dāng)前壓力下底水體積系數(shù)；Boi為原始?jí)毫ο略腕w積系數(shù)；Bwi為原始?jí)毫ο碌姿w積系數(shù)；N為原油地質(zhì)儲(chǔ)量，104m3；Cto為油區(qū)綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；Ctw為水區(qū)綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；△p為壓降，MPa；Vw為底水體積，104m3。

縫洞型油藏儲(chǔ)集空間尺度大，不存在束縛水與殘余油[15]，在前述基本假設(shè)下，油區(qū)和水區(qū)的綜合壓縮系數(shù)不能采用現(xiàn)有公式計(jì)算，需重新確定。

原油地質(zhì)儲(chǔ)量為N，底水體積為Vw，巖石孔隙的體積為Vp，壓力下降dp時(shí)，油、水、孔隙體積的變化分別為：

dVo=NBoiCodp

(2)

dVw=VwBwiCwdp

(3)

dVp=VpCpdp

(4)

式中：dVo為原油體積變化，104m3；dVw為地層水體積變化，104m3；dVp為孔隙體積變化，104m3；dp為壓降，MPa。Co為原油壓縮系數(shù)，MPa-1；Cw為地層水壓縮系數(shù)，MPa-1；Cp為巖石孔隙的壓縮系數(shù)，MPa-1；Vp為巖石孔隙體積，104m3。

壓縮系數(shù)的計(jì)算方法同應(yīng)用的基數(shù)量有關(guān)，應(yīng)用的基數(shù)量不同，計(jì)算方法不同[16]。油區(qū)以原油地質(zhì)儲(chǔ)量為基數(shù)的綜合壓縮系數(shù)可表示為：

(5)

忽略束縛水，則有：

Vp=NBoi

(6)

上部油區(qū)的綜合壓縮系數(shù)可表示為：

Cto=Co+Cp

(7)

同理，下部水區(qū)以水體體積為基數(shù)的綜合壓縮系數(shù)可表示為：

Ctw=Cw+Cp

(8)

將式(7)、(8)分別代入式(1)可得存在底水時(shí)縫洞型油藏的物質(zhì)平衡方程：

NpBo+WpBw=[NBoi(Co+Cp)+VwBwi(Cw+Cp)]Δp

(9)

3 天然能量分析方法

能量分析的主要目的是確定天然能量驅(qū)動(dòng)類型，即縫洞型油藏在開(kāi)發(fā)過(guò)程中是否發(fā)生塑性形變，成為原油流出驅(qū)動(dòng)能量的問(wèn)題。為方便量化分析，提出3個(gè)新的驅(qū)動(dòng)指數(shù)：原油彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)、底水彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)和巖石彈塑性變形驅(qū)動(dòng)指數(shù)。計(jì)算公式分別為：

(10)

(11)

(12)

式中：Io為原油彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)；Iw為底水彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)；Ip為巖石彈塑性變形驅(qū)動(dòng)指數(shù)。

計(jì)算驅(qū)動(dòng)指數(shù)時(shí)，原油的地質(zhì)儲(chǔ)量、壓縮系數(shù)、地層水的壓縮系數(shù)等都是已知的。但底水的體積和巖石孔隙壓縮系數(shù)難以確定，原因是巖石變形既有彈性變形，也有塑性變形，縫洞型油藏在開(kāi)發(fā)中，是否發(fā)生不可逆塑性變形，目前尚無(wú)結(jié)論。因此，不能使用實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的巖石彈性壓縮系數(shù)。針對(duì)以上問(wèn)題，利用物質(zhì)平衡方程(9)，建立水體體積與孔隙壓縮系數(shù)的關(guān)系，通過(guò)地質(zhì)分析預(yù)估水體范圍，進(jìn)而估算孔隙壓縮系數(shù)，計(jì)算原油彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)、底水彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)和巖石彈塑性驅(qū)動(dòng)指數(shù)，明確其驅(qū)動(dòng)類型。若巖石孔隙壓縮系數(shù)量級(jí)在彈性壓縮的范圍內(nèi)，則認(rèn)為巖石為彈性變形；反之，則認(rèn)為發(fā)生不可逆的塑性變形。

4 典型單元分析

以塔河油田4區(qū)S48單元為例，利用上述方法研究縫洞型油藏的驅(qū)動(dòng)類型。S48單元1997年投入開(kāi)發(fā)，2005年5月開(kāi)始注水。含油面積為11.82 km2，石油地質(zhì)儲(chǔ)量為3 069×104t，原始地層壓力為61.3 MPa，注水前壓力為56.6 MPa，累計(jì)產(chǎn)油為350×104t，累計(jì)產(chǎn)水為82×104t，地面原油密度為0.948 2 g/cm2，原油體積系數(shù)為1.162 5，彈性壓縮系數(shù)為11×10-4MPa-1，地層水密度為1g/cm2，體積系數(shù)為1，彈性壓縮系數(shù)為4×10-4MPa-1。

4.1 底水水體體積分析

根據(jù)前期研究成果，S48單元T74不整合面的深度為5 350～5 520 m，油水界面約為5 700 m[17]，距離T74面180～350 m。為確定油水界面以下水體的發(fā)育情況，從完鉆井資料、地質(zhì)成因以及新鉆井等方面進(jìn)行分析。

完鉆井資料顯示，塔河4區(qū)94%的溶洞分布在T74面以下150 m的范圍內(nèi)，距離風(fēng)化不整合面越遠(yuǎn)，溶洞發(fā)育程度越弱。

從地質(zhì)成因分析，塔河4區(qū)受構(gòu)造脈動(dòng)式抬升(侵蝕基準(zhǔn)面脈動(dòng)式下降)控制，縱向上形成3個(gè)縫洞段[11]：Ⅰ段為T74面以下0～60 m，屬于早期滲流或徑流巖溶形成的溶蝕段；Ⅱ段為T74面以下60～150 m，屬于早期徑流巖溶基礎(chǔ)上形成的溶蝕段；Ⅲ段為T74面150 m以下，為后期徑流巖溶形成的溶蝕段，溶洞規(guī)模小。

為研究塔里木盆地深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育情況，塔河油田于2006年部署塔深1井，該井完鉆井深為8 408 m(T74面深度為5 573 m)，發(fā)現(xiàn)寒武系碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間以裂縫和溶蝕孔洞為主，有油氣顯示，但規(guī)模小于奧陶系[18]。

據(jù)上述分析，S48單元油水界面以下并不具備儲(chǔ)存大規(guī)模水體的地質(zhì)條件。根據(jù)物質(zhì)平衡方程，水體越大，孔隙壓縮系數(shù)越小。對(duì)孔隙壓縮系數(shù)有較為保守的估計(jì)，取水體體積倍數(shù)為1～10。

4.2 驅(qū)動(dòng)指數(shù)計(jì)算及驅(qū)動(dòng)類型分析

利用物質(zhì)平衡方程分析，水體體積倍數(shù)為1～10，可以求得巖石孔隙壓縮系數(shù)為2.0×10-3～1.3×10-2MPa-1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，孔隙度為5%的溶洞儲(chǔ)集體的彈性壓縮系數(shù)約為2×10-5MPa-1，僅為該區(qū)巖石孔隙壓縮系數(shù)的1/500～1/100。說(shuō)明在開(kāi)發(fā)過(guò)程中縫洞型儲(chǔ)層變形已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)彈性變形的范圍，發(fā)生了塑性變形。

利用式(10)～(12)，水體體積倍數(shù)為1～10時(shí)，可以計(jì)算得到原油彈性驅(qū)動(dòng)、底水彈性驅(qū)動(dòng)和巖石塑性變形驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)指數(shù)范圍分別為4.3%、1.3%～14.7%、81.0%～94.4%。可見(jiàn)，S48單元80%以上的原油因巖石彈塑性變形產(chǎn)出，說(shuō)明塔里木盆地縫洞型油藏在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，因其埋藏深、儲(chǔ)集空間大，縫洞介質(zhì)發(fā)生彈塑性變形，并成為縫洞型油藏的主要驅(qū)動(dòng)類型。

4.3 結(jié)果驗(yàn)證

利用密度、聲波、自然伽馬等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算了塔河油田4 500～5 500 m地層水平主應(yīng)力當(dāng)量密度值的變化范圍：最大水平主地應(yīng)力σH為2.4～2.7 kg/L，最小水平主地應(yīng)力σh為1.7～1.9 kg/L，遠(yuǎn)大于上覆地層自重產(chǎn)生的均勻水平地應(yīng)力當(dāng)量密度(σv=1.2～1.5 kg/L)，3個(gè)地應(yīng)力大小關(guān)系為σH>σh>σv。說(shuō)明2個(gè)水平地應(yīng)力的大小相差較大，構(gòu)造應(yīng)力大，屬于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響區(qū)，在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，縫洞容易垮塌[19]。

5 結(jié) 論

(1) 針對(duì)縫洞型油藏特征，簡(jiǎn)化水體處理，修正綜合壓縮系數(shù)計(jì)算方法，建立了縫洞型油藏物質(zhì)平衡方程，為能量評(píng)價(jià)提供了技術(shù)手段。

(2) 提出了3個(gè)新的縫洞型油藏天然能量評(píng)價(jià)指標(biāo)：原油彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)、底水彈性驅(qū)動(dòng)指數(shù)和巖石彈塑性變形驅(qū)動(dòng)指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)類型的量化分析。

(3) 塔里木盆地奧陶系縫洞型油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，縫洞體發(fā)生了塑性變形，巖石彈塑性驅(qū)動(dòng)是其天然能量開(kāi)發(fā)階段的主要驅(qū)動(dòng)類型。

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