砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型對流體運(yùn)動的控制作用

龍 明，許亞南，劉彥成，王美楠，陳曉祺

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引 言

國內(nèi)外學(xué)者通過研究砂質(zhì)辮狀河現(xiàn)代沉積和野外露頭，發(fā)現(xiàn)砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型內(nèi)部存在多種類型隔夾層，嚴(yán)重制約該類儲集層的開發(fā)[1-10]。開展儲層構(gòu)型模式對流體運(yùn)動控制作用研究對深入把握流體運(yùn)動規(guī)律及儲集層內(nèi)部剩余油分布至關(guān)重要，是油田開發(fā)后期制訂相應(yīng)調(diào)整方案的重要依據(jù)。前人對儲層構(gòu)型的研究主要集中在儲層構(gòu)型模式及剩余油分布上[11-19]，而儲層構(gòu)型內(nèi)部夾層對流體運(yùn)動的控制作用研究甚少，特別是定量描述儲層構(gòu)型模式對油水運(yùn)動的研究較為缺乏。目前，渤海Q油田館陶油組已進(jìn)入高含水開發(fā)階段，傳統(tǒng)的以復(fù)合砂體為研究單元，已不能滿足油田目前生產(chǎn)開發(fā)的需求，而砂體內(nèi)部的儲層構(gòu)型解剖成為了油田開發(fā)后期的突破重點(diǎn)。為此，以渤海Q油田館陶油組上段砂質(zhì)辮狀河儲集層為例，通過單因素分析、多因素組合，確定了渤海Q油田館陶油組落淤層分布樣式。利用油藏?cái)?shù)值模擬方法建立了儲層構(gòu)型機(jī)理模型，并結(jié)合油藏工程方法，從橫向、垂向2個(gè)方面探討砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型模式對流體運(yùn)動的控制作用，得到了砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型模式控制系數(shù)的表達(dá)式，完善了儲層構(gòu)型表征技術(shù)。

1 砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型模式

渤海Q油田位于渤中凹陷北部石臼坨凸起中部， 是在前第三系古隆起背景上發(fā)育的大型低幅度披覆背斜構(gòu)造，構(gòu)造幅度低，儲層展布復(fù)雜。含油層系主要發(fā)育于明化鎮(zhèn)組下段和館陶組上段，其中，館陶組上段為塊狀厚層砂質(zhì)辮狀河沉積的底水油藏，該層巖性以中—細(xì)砂巖及粉砂巖為主，結(jié)構(gòu)成熟度與成分成熟度低。

辮狀河沉積類型多樣，根據(jù)沉積物性質(zhì)的不同，通?？煞譃榈[質(zhì)辮狀河和砂質(zhì)辮狀河。此次研究主要針對中國東部各油田中廣泛分布的常年流水的典型砂質(zhì)辮狀河，特別是對心灘壩發(fā)育演化相對穩(wěn)定的砂質(zhì)辮狀河開展研究，分析砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型模式。

不同的河流系統(tǒng)，其河深、河寬、流量以及氣候的不同造成了夾層分布范圍的不同。渤海Q油田館陶組砂質(zhì)辮狀河落淤層的展布特征主要受心灘壩演化以及后期多次沖刷改造的影響，其中，心灘壩演化對落淤層分布的影響最為重要。利用沉積學(xué)原理，從心灘壩演化的角度出發(fā)，通過單因素分析，確定了渤海Q油田館陶組砂質(zhì)辮狀河落淤層主要為近水平對稱式分布(圖1，灰色與黑色實(shí)線為河道邊界)。

圖1 典型縱向砂壩內(nèi)落淤層分布模式

水平對稱式落淤層的主要特征為單期落淤層近水平對稱分布，多期之間互相平行，自下而上落淤層分布范圍從壩頭至壩尾逐漸增大。該模式的落淤層主要發(fā)育在縱向砂壩內(nèi)，縱向砂壩兩側(cè)發(fā)育高能對稱水流，沉積作用主要以順流加積作用和垂向加積作用為主。在一般年份，心灘壩持續(xù)順流生長的同時(shí)，其頭部被沖刷，落淤層隨之被侵蝕，同時(shí)在心灘壩頂部和尾部發(fā)生加積，對該處的落淤層會起到一定的“保護(hù)”作用；在發(fā)生大型洪水的年份，除繼續(xù)沖刷心灘壩頭部的落淤層外，還在新的心灘壩頂部生成一期新的落淤層，該落淤層的范圍比早期的落淤層范圍大。在隨后的沉積過程中，落淤層持續(xù)被侵蝕、發(fā)育，在心灘壩不同部位表現(xiàn)出不同的分布特征，最后形成總體水平對稱式分布的落淤層。

2 砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型的控制作用

以水平對稱式落淤層為基礎(chǔ)，從橫向、縱向2個(gè)方面分析研究砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型模式對流體運(yùn)動的控制作用。

2.1 橫向控制作用

油井的生產(chǎn)過程可以看作地下流體在能量差異的作用下，經(jīng)過不同的儲層構(gòu)型模式流動到生產(chǎn)井的過程。因此，將受儲層構(gòu)型影響的油井日產(chǎn)液量與基準(zhǔn)地層(均質(zhì)地層或不含落淤層的地層)油井日產(chǎn)液量的比值α定義為儲層構(gòu)型模式對流體運(yùn)動的控制系數(shù)，且不同的儲層構(gòu)型模式具有不同的控制系數(shù)，其表達(dá)式為：

α=Q構(gòu)型/Q基準(zhǔn)

(1)

式中：Q構(gòu)型為受儲層構(gòu)型影響下的油井日產(chǎn)液量，m3/d；Q基準(zhǔn)為基準(zhǔn)地層影響下的油井日產(chǎn)液量，m3/d，α為儲層構(gòu)型模式對流體運(yùn)動的控制系數(shù)。

應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)模型為油水兩相，無氣頂。模型中儲層的厚度、滲透率、孔隙度、飽和度等參數(shù)與流體參數(shù)均選自渤海Q油田館陶油組實(shí)測數(shù)據(jù)。按上述條件建立基準(zhǔn)模型，并在模型中設(shè)計(jì)2口直井，1注1采。令生產(chǎn)井與注水井定壓生產(chǎn)一段時(shí)間，其方案編號設(shè)為F0。

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上添加辮狀河儲層構(gòu)型模式中的落淤層，建立辮狀河儲層構(gòu)型模型。渤海Q油田館陶油組心灘壩砂體的平均厚度為8.0 m，其內(nèi)部落淤層的厚度一般為0.2～2.0 m。因此，設(shè)計(jì)3種不同厚度的落淤層(表1)。通過油藏?cái)?shù)值模擬，將辮狀河儲層構(gòu)型模型F1、F2、F3中油井的Q構(gòu)型與Q基準(zhǔn)代入式(1)，選取油井后6個(gè)月的日產(chǎn)液數(shù)據(jù)(投產(chǎn)前期油井生產(chǎn)不穩(wěn)定)，計(jì)算辮狀河儲層構(gòu)型模式中不同厚度落淤層在不同時(shí)間點(diǎn)對流體運(yùn)動的控制系數(shù)(表2)。由表2可知，隨著落淤層厚度的增加，控制系數(shù)逐漸降低，辮狀河心灘壩內(nèi)部落淤層對流體運(yùn)動的控制作用隨著落淤層厚度的增加而增強(qiáng)。

表1 不同方案的落淤層設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 不同方案的控制系數(shù)統(tǒng)計(jì)

由于基準(zhǔn)模型的方案F0不存在落淤層，即落淤層厚度為0，其對流體運(yùn)動的控制系數(shù)為1。將F0、F1、F2、F3 4種方案的控制系數(shù)與落淤層厚度做交會圖(圖2)。通過趨勢線得到了落淤層厚度與控制系數(shù)的關(guān)系式為：

αh=-0.0166H+1

(2)

式中：αh為落淤層厚度對流體運(yùn)動的控制系數(shù)；H為落淤層厚度，m。

由圖2可知，落淤層厚度與控制系數(shù)存在良好的相關(guān)性。同理，應(yīng)用上述方法分別研究落淤層的孔隙度、滲透率、水平寬度、頻率及地層傾角等參數(shù)對流體運(yùn)動的控制作用，研究結(jié)果表明：①落淤層厚度的控制系數(shù)αh隨著落淤層厚度的增加而降低，對流體運(yùn)動的控制作用隨著落淤層厚度的增加而增強(qiáng)；②落淤層孔隙度的控制系數(shù)αφ不隨落淤層孔隙度的增加而改變；③落淤層滲透率的控制系數(shù)αk不隨落淤層滲透率的增加而改變；④落淤層水平寬度的控制系數(shù)αR隨著落淤層水平寬度的增加而降低，對流體運(yùn)動的控制作用隨著水平寬度的增加而增強(qiáng)；⑤落淤層頻率的控制系數(shù)αF隨著落淤層頻率的增加而降低，對流體運(yùn)動的控制作用隨著落淤層頻率的增加而增強(qiáng)；⑥地層傾角的控制系數(shù)αθ隨著地層傾角的增加而降低，對流體運(yùn)動的控制作用隨著地層傾角的增加而增強(qiáng)。

根據(jù)上述研究成果，提出辮狀河儲層構(gòu)型模式的阻力系數(shù)Rc，其物理意義為單一心灘壩內(nèi)部所有落淤層對流體運(yùn)動的阻力大小，該阻力系數(shù)可以衡量心灘壩內(nèi)部落淤層的滲透能力，其表達(dá)式為：

Rc=HRF(sinθ+0.2329)

(3)

式中：Rc為辮狀河儲層構(gòu)型模式下落淤層阻力系數(shù)；R為落淤層水平寬度，m；F為落淤層頻率；θ為地層傾角，°。

渤海Q油田館陶油組地層傾角為2 °，根據(jù)該區(qū)心灘壩精細(xì)解剖的研究成果，設(shè)計(jì)落淤層的厚度、水平寬度、頻率等參數(shù)的選取范圍，并將設(shè)計(jì)方案中的各項(xiàng)參數(shù)代入式(3)，計(jì)算落淤層的阻力系數(shù)Rc(表3)，建立落淤層控制系數(shù)與落淤層阻力系數(shù)的交會圖(圖3)。

表3 各方案阻力系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3 落淤層阻力系數(shù)與控制系數(shù)交會

由圖3可知，落淤層控制系數(shù)與落淤層阻力系數(shù)之間存在良好的相關(guān)性，辮狀河儲層構(gòu)型對流體運(yùn)動控制系數(shù)α的表達(dá)式為：

α=-0.0006HRF(sinθ+0.2329)+0.9969

(4)

2.2 垂向控制作用

針對水平對稱式落淤層的垂向控制作用，假設(shè)如下條件：有一水平均質(zhì)等厚的圓形地層，其中心為1口水動力學(xué)完善井；單相、穩(wěn)態(tài)流；流體不可壓縮；各向異性、均質(zhì)無限大油藏，不考慮地層傷害；外邊界和井筒壓力為常數(shù)；落淤層物性均質(zhì)，且厚度均一。整個(gè)瀉油區(qū)可分為3個(gè)區(qū)域(圖4)，其中，1、3號區(qū)域?yàn)榈貙樱?號區(qū)域?yàn)槁溆賹印?/p>

根據(jù)等值滲流阻力原理，可以將該井滲流分為2個(gè)部分：第1部分為1號區(qū)域中液體從油井泄油半徑流動到井底，生產(chǎn)壓差為：

ΔpL=peL-pw

(5)

式中：ΔpL為1號區(qū)域橫向流動的生產(chǎn)壓差，MPa；peL為邊部供給壓力，MPa；pw為井底壓力，MPa。

第2部分為2、3號區(qū)域中液體從油層底部流動到井底，生產(chǎn)壓差為：

ΔpV=pev-pw

(6)

式中：ΔpV為2、3號區(qū)域垂向流動的生產(chǎn)壓差，MPa；pev為底部供給壓力，MPa。

根據(jù)滲流阻力、生產(chǎn)壓差和產(chǎn)量關(guān)系， 1、2、3號區(qū)域的油井總流量Q有落淤層為：

(7)

式中：R1、R2、R3分別為1號、2號、3號區(qū)域的滲流阻力，MPa·d/m3。

若2號區(qū)域的落淤層的厚度為0，則無落淤層影響的油井總流量Q無落淤層為：

(8)

圖4 落淤層縱向剖面示意圖

因此，根據(jù)Buckley-Leverett水驅(qū)油理論，結(jié)合等值滲流阻力，通過式(7)、(8)，可得到落淤層對產(chǎn)量的影響Q差為：

(9)

式中：μ為地層原油黏度，mPa·s；Re為油井供給半徑；K3v為3號區(qū)域的垂向滲透率，mD；H3為3號區(qū)域油層厚度，m；K2v為2號區(qū)域的垂向滲透率，mD；H2為2號區(qū)域油層厚度，m。

整理式(9)得：

(10)

(11)

(12)

落淤層垂向控制系數(shù)反映了落淤層物性對流體運(yùn)動的影響，β越接近1，則落淤層對產(chǎn)量的影響越大；當(dāng)控制系數(shù)為0時(shí)，落淤層對流體運(yùn)動無影響。根據(jù)式(12)可以計(jì)算不同物性落淤層對不同儲層的產(chǎn)量影響。

以渤海Q油田館陶油組為例，研究不同落淤層物性參數(shù)對儲層滲流的控制作用。其中，研究選取儲層厚度為8 m，儲層垂向滲透率為300 mD；落淤層的厚度分別為20.00、15.00、10.00、5.00、1.00、0.50、0.10 m；落淤層的垂向滲透率分別為0.001、0.010、0.100、1.000、10.000、100.000 mD。將上述參數(shù)代入式(12)，計(jì)算落淤層對流體垂向運(yùn)動的控制系數(shù)，并建立落淤層物性參數(shù)與垂向控制系數(shù)的理論圖版(圖5)。

由圖5可知：當(dāng)落淤層厚度為1.00 m時(shí)，落淤層的垂向滲透率只有小于100.000 mD，才會對流體運(yùn)動產(chǎn)生控制作用，且當(dāng)垂向滲透率小于0.100 mD時(shí)，落淤層的控制作用達(dá)到最大(β為1)，此時(shí)落淤層為非滲透層，對油井生產(chǎn)影響最大；當(dāng)落淤層厚度大于10.00 m，落淤層垂向滲透率小于100.000 mD時(shí)，落淤層對流體的控制作用較強(qiáng)，完全抑制了底水能量，不具備提液潛力；當(dāng)落淤層的厚度小于1.00 m，且垂向滲透率大于100.000 mD時(shí)，落淤層對油井產(chǎn)量無影響，無法抑制底水能量，容易形成底水錐進(jìn)。

圖5 落淤層物性參數(shù)與垂向控制系數(shù)β關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 從砂質(zhì)辮狀河心灘壩演化的角度出發(fā)，確定渤海Q油田館陶組砂質(zhì)辮狀河落淤層分布樣式為水平對稱式。垂向上，多期落淤層之間互相平行，自下而上，落淤層展布范圍逐漸增大；單期落淤層在壩頭、壩中和壩尾不同部位的傾角近似相等。

(2) 通過數(shù)值模擬，從側(cè)積層孔隙度、滲透率、厚度、產(chǎn)狀、水平寬度及地層傾角等方面研究了儲層構(gòu)型模式對流體運(yùn)動的控制作用，確定了砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型的橫向控制系數(shù)表達(dá)式。

(3) 根據(jù)油藏工程方法建立了砂質(zhì)辮狀河儲層構(gòu)型的垂向控制系數(shù)與落淤層物性參數(shù)間的理論圖版。渤海Q油田館陶油組砂質(zhì)辮狀河心灘壩內(nèi)部落淤層的厚度大于10.00 m，且落淤層垂向滲透率小于100.000 mD時(shí)，落淤層對流體的控制作用較強(qiáng)，完全抑制了底水能量，不具備提液潛力；落淤層的厚度小于1.00 m，且垂向滲透率大于100.000 mD時(shí)，落淤層對油井產(chǎn)量無影響，無法抑制底水能量，容易形成底水錐進(jìn)。