巖石分類方法在油藏?cái)?shù)值模擬中的應(yīng)用

姜 彬 楊希濮 李 珂 陳 翰 李 雪

(中海油研究總院， 北京 100027)

巖石類型[1]是指具有統(tǒng)一孔隙度-滲透率關(guān)系和潤(rùn)濕性的一類巖石，同時(shí)也是劃分流動(dòng)單元的重要依據(jù)[2-3]。尤其對(duì)于儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)的油田，巖石類型的分類研究是油藏精細(xì)描述的必要手段。近年來，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者亦在儲(chǔ)層精細(xì)分類、滲透率解釋、三維地質(zhì)建模、剩余油分布規(guī)律及預(yù)測(cè)方面取得了大量的研究成果[4-11]。油藏精細(xì)描述和三維地質(zhì)建模的最終目的是為油田開發(fā)方案提供可靠的地質(zhì)模型，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，常會(huì)出現(xiàn)地質(zhì)的精細(xì)分類成果在油藏研究中無法得到有效繼承的情況，如相滲曲線不滿足分類要求等，從而導(dǎo)致地質(zhì)建模與油藏?cái)?shù)值模擬研究的脫節(jié)。本次研究以海外某油田為例，從巖心、物性、薄片、掃描電鏡、毛管壓力和相對(duì)滲透率曲線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入手，系統(tǒng)地闡述了從巖石類型劃分到三維地質(zhì)建模再到油藏?cái)?shù)值模擬的一整套研究流程，實(shí)現(xiàn)了巖石類型在靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)中的協(xié)同模擬，對(duì)油田前期研究的精細(xì)化操作具有重要指導(dǎo)作用。

1 油田概況

B油田位于Albert 盆地東南部及東非裂谷陡岸，埋藏深度在2 100 m左右，該油田為扇三角洲沉積，發(fā)育扇三角洲前緣，以水下分流河道砂為主要儲(chǔ)層。由于在地質(zhì)歷史上儲(chǔ)層發(fā)生了短時(shí)期內(nèi)的快速沉降，因此受沉積作用和成巖作用等的影響，其非均質(zhì)性強(qiáng)。巖心分析孔隙度為7.8%～32.1%，平均值為24.6%；滲透率為(0.3～22 348.0)×10-3μm2，平均為1 553.4×10-3μm2，屬中 — 高孔滲類儲(chǔ)層。但是滲透率跨度極大，滲透率變異系數(shù)為1.0～1.8，突進(jìn)系數(shù)為4.5～8.4，滲透率級(jí)差在107～12 416。即使孔隙度相近的儲(chǔ)層，其滲透率差異也很大，最低滲透率約為100×10-3μm2，最高約為10 000×10-3μm2。常規(guī)的儲(chǔ)層表征方法已無法準(zhǔn)確描述該油田的強(qiáng)非均質(zhì)性。

2 巖石類型劃分

通過對(duì)該油藏399塊巖心樣品的巖性、分選、填隙物含量、滲透率、孔隙度、流動(dòng)分層指數(shù)(FZI)、喉道半徑等多參數(shù)的聚類分析，將儲(chǔ)層劃分為4種巖石類型。不同巖石類型的巖心及毛管壓力特征如圖1所示，其定量化的分類特征見表1。

2.1 第I類巖石類型

該巖石類型以粗砂巖為主，發(fā)育塊狀層理。填隙物的體積分?jǐn)?shù)低，僅為8.3%，顆粒分選性為差 — 中等，該類儲(chǔ)層物性最好，孔隙度平均為27.9%，滲透率平均為6 913×10-3μm2。

2.2 第II類巖石類型

該巖石類型主要為中 — 粗砂巖，塊狀層理和交錯(cuò)層理發(fā)育。填隙物的體積分?jǐn)?shù)較低，為13.9%，顆粒分選中等。該類儲(chǔ)層物性較好，孔隙度平均為26.5%，滲透率平均為1 438 ×10-3μm2。

圖1 不同巖石類型的巖心及毛管壓力特征

巖石類型巖性分選性ω填隙物∕%平均孔隙度∕%平均滲透率∕(10-3μm2)Ⅰ粗砂巖差—中等8．327．96913Ⅱ中—粗砂巖中等13．926．51438Ⅲ泥質(zhì)砂巖差—中等24．826．0591Ⅳ鈣質(zhì)砂巖差—中等25．515．5168

2.3 第III類巖石類型

該巖石類型泥質(zhì)含量明顯增加，巖心中泥質(zhì)紋層發(fā)育，鑄體薄片中黏土礦物膜常見，填隙物的體積分?jǐn)?shù)增大，為24.8%。黏土礦物大量存在雖然對(duì)孔隙度影響較小，但會(huì)使孔隙結(jié)構(gòu)變差，導(dǎo)致滲透率下降。黏土礦物膜包裹在礦物顆粒表面，使喉道變窄、比表面積增大、流體滲流阻力增大，其滲透率平均為591×10-3μm2。

2.4 第IV類巖石類型

該類儲(chǔ)層與前3 類儲(chǔ)層相比最主要的特點(diǎn)是鈣質(zhì)膠結(jié)嚴(yán)重，鈣質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)平均高達(dá)24.7%。鈣質(zhì)膠結(jié)可充填孔隙，堵塞喉道，使得孔隙結(jié)構(gòu)變差[7]。該類儲(chǔ)層物性很差，孔隙度平均為15.5%，滲透率平均為168×10-3μm2，鈣質(zhì)膠結(jié)嚴(yán)重的樣品滲透率低于30×10-3μm2。

3 基于巖石分類的地質(zhì)模型建立

3.1 滲透率模型建立

[12]、[13]相模型的基礎(chǔ)上，基于井點(diǎn)資料統(tǒng)計(jì)各微相孔隙度、滲透率的分布特征，確定各微相的孔隙度、滲透率變差函數(shù)，并采用協(xié)同模擬方法建立各模擬單元的孔隙度、滲透率參數(shù)模型。

為避免因應(yīng)用單一孔滲關(guān)系求取滲透率而掩蓋儲(chǔ)層強(qiáng)非均質(zhì)性的弊端，基于巖石分類結(jié)果，重新擬合4類孔隙度-滲透率關(guān)系曲線(見圖2)。可以看出，分類后每種儲(chǔ)層的孔滲關(guān)系差異明顯。根據(jù)巖石分類結(jié)果，重新建立滲透率解釋模型，提高了滲透率的解釋精度。

圖2 不同巖石類型孔隙度-滲透率關(guān)系圖

3.2 巖石類型在地質(zhì)模型中的預(yù)測(cè)

利用數(shù)學(xué)手段計(jì)算地質(zhì)模型中各類巖石類型對(duì)應(yīng)的參數(shù)界限，將巖石分類結(jié)果擴(kuò)展到井點(diǎn)之外的區(qū)域。本次研究主要采用了喉道半徑法和流動(dòng)分層指數(shù)法。其中，喉道半徑主要通過Pittman經(jīng)驗(yàn)公式[14]獲得。對(duì)于B油田，進(jìn)汞飽和度為60% 時(shí)，喉道半徑與利用公式求取的喉道半徑最接近。Pittman公式為：

lgR60=1.096+0.648lgK-1.666lgφ

(1)

式中：R60—— 進(jìn)汞飽和度為60% 時(shí)的喉道半徑，μm；

K—— 巖心氣測(cè)滲透率，10-3μm2；

φ—— 孔隙度，%。

流動(dòng)分層指數(shù)[15](FZI)是把結(jié)構(gòu)和礦物地質(zhì)特征、孔喉特征結(jié)合起來判定孔隙幾何形態(tài)的參數(shù)，可以準(zhǔn)確地描述油藏的非均質(zhì)特征，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

式中：FZI—— 流動(dòng)分層指數(shù)；

RQI—— 儲(chǔ)層品質(zhì)指數(shù)；

φZ—— 孔隙體積與骨架體積之比；

φe—— 有效孔隙度。

通過上述公式可以計(jì)算得到不同巖石類型下的R60-FZI交會(huì)圖(見圖3)。從分類結(jié)果可以看出，4類巖石類型在雙參數(shù)圖中表現(xiàn)出較好的一致性，且分段性明顯。利用該指標(biāo)形成的4種巖石類型的分布與沉積相關(guān)系見圖4。從圖中可以看出物性較好的Ⅰ、Ⅱ類巖石類型不僅僅分布于河道相中，在非主力相帶溢岸相中也存在物性較好的巖石類型，而主力相帶中同樣也有大量物性較差的Ⅲ、Ⅳ類巖石類型。

圖3 不同巖石類型的R60-FZI交會(huì)圖

圖4 B油田沉積相及巖石類型分布圖

4 基于巖石分類的油藏?cái)?shù)值模擬

4.1 不同巖石類型的相對(duì)滲透率曲線研究

不同巖石類型對(duì)應(yīng)的滲流規(guī)律也不相同，需要針對(duì)不同巖石類型的相滲進(jìn)行分類研究。從已有的4條穩(wěn)態(tài)相滲曲線分析，樣品巖石均屬于第Ⅱ類，即歸一化后，結(jié)果僅代表第Ⅱ類巖石的滲流特征(見表2)，不能描述其他3類巖石的滲流特征。如果采用常規(guī)的相滲賦值方法，必然導(dǎo)致Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ類巖石在采出程度上的誤判。

通過對(duì)束縛水飽和度Swi、殘余油飽和度Sor、驅(qū)油效率Ed以及端點(diǎn)油水相滲透率等參數(shù)與RQI、FZI、R60等巖石類型分類參數(shù)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，Swi與RQI的關(guān)聯(lián)度最高。據(jù)此，對(duì)其他3類相滲的束縛水飽和度進(jìn)行了插值計(jì)算，同時(shí)保持第Ⅱ類巖石類型歸一化后的其他相滲參數(shù)不變(見表3)，分別建立了4類巖石類型的相對(duì)滲透率曲線(見圖5)。

表2 B油田4條相滲曲線特征參數(shù)及所屬巖石類型

表3 不同巖石分類的相滲參數(shù)表

圖5 不同巖石類型的相滲曲線

4.2 分類前后開發(fā)指標(biāo)對(duì)比

基于分類后的地質(zhì)模型，考慮分類前后相滲曲線的變化，對(duì)油田生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。以某小層為例，分類后K-2井以北區(qū)域以Ⅲ類儲(chǔ)層為主，如圖6所示。根據(jù)表3可知第Ⅲ類儲(chǔ)層的驅(qū)油效率為54%，低于分類前平均驅(qū)油效率的62%，因此，分類后第Ⅲ類儲(chǔ)層的剩余油飽和度明顯增加，分類后與分類前的剩余油飽和度之差大于0，如圖7紅色部分所示。

K-1井和K-3井附近區(qū)域以Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層為主。根據(jù)表3可知，第Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層的驅(qū)油效率分別為67%和63%，均大于分類前的62%。因此，分類后第Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層的剩余油飽和度較分類前減少，分類后與分類前的剩余油飽和度之差小于或等于0(見圖7)。

圖6 某小層巖石類型分布圖

從油田整體指標(biāo)分析(見圖8)，由于分類后第Ⅲ類儲(chǔ)層的儲(chǔ)量占比較大(見表3)，因此，油田采出程度較分類前降低了4.8%，說明缺乏巖石分類的油藏動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，對(duì)于B油田來說將過分樂觀。

圖7 分類后與分類前剩余油飽和度之差等值線圖

圖8 分類前后油田采出程度預(yù)測(cè)曲線

5 結(jié) 語

(1) 利用巖性、分選、骨架礦物體積、填隙物含量、滲透率、孔隙度、流動(dòng)分層指數(shù)、喉道半徑等多參數(shù)的聚類分析，將B油田的儲(chǔ)層巖石劃分為4種類型。并依據(jù)4種巖石類型分別建立了滲透率解釋模式，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層滲透率的精細(xì)表征。

(2) 利用喉道半徑法和流動(dòng)分層指數(shù)法實(shí)現(xiàn)了巖石類型從井上到平面以及三維數(shù)據(jù)體的擴(kuò)展。4種巖石類型在不同沉積相帶中均有分布。

(3) 不同巖石類型下的相滲曲線參數(shù)不同?；趲r石類型的相滲曲線分類避免了同一種巖石類型下的巖心相滲實(shí)驗(yàn)造成的代表性缺乏的問題，從而使油田開發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)更加合理。

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