延113—延133井區(qū)山23致密砂巖無阻流量預(yù)測

闞洪閣，張 昆，狄 翔，胡 苗，胡 靜，薛 杰

(1. 斯倫貝謝長和油田工程有限公司，西安 710016；2. 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；3. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500)

0 引言

延113—延133井區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，為延安市以北, 井區(qū)于2018年投產(chǎn), 目前已建成的產(chǎn)能為14×108m3/a。二疊系山西組二段三亞段(山23)致密砂巖儲層是井區(qū)的主力產(chǎn)層，根據(jù)目前100多口直定向井壓裂試氣結(jié)果，壓裂后無阻流量為(1～15)×104m3/d。對鄂爾多斯盆地致密氣藏產(chǎn)能的研究和預(yù)測主要集中在盆地北部的蘇里格氣田的山1盒8儲層，研究認為地質(zhì)條件、壓裂工藝、測試時間、儲層傷害和應(yīng)力敏感性都會影響氣藏的產(chǎn)能[1-2]，應(yīng)用常規(guī)測井、特殊測井等手段可以實現(xiàn)產(chǎn)能的分級和預(yù)測[3-5]。延113—延133井區(qū)對山23致密氣藏產(chǎn)能的研究較少。該文在氣井產(chǎn)能模型的基礎(chǔ)上，利用測井和錄井?dāng)?shù)據(jù)，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行山23儲層試氣無阻流量預(yù)測，為井區(qū)的后續(xù)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 氣井產(chǎn)能模型

地層壓力變化進入擬穩(wěn)態(tài)以后，壓裂井的產(chǎn)量與生產(chǎn)壓差的關(guān)系式為[6]：

式中：qg為氣井產(chǎn)能, ×104m3；K為氣藏有效滲透率，mD；h為有效厚度, m；Tsc為標(biāo)準狀態(tài)下的溫度, 293.15 K；Pr為供氣邊界地層壓力，MPa；Pwf為井底流動壓力, MPa；Z為地層真實氣體偏差因子；T為氣藏溫度，K；Psc為標(biāo)準狀態(tài)下的壓力，0.101 MPa；μg為天然氣黏度, mPa·s；re為供氣半徑, m；rw為井筒有效半徑，m；Sa為視表皮系數(shù)。

當(dāng)Pwf= 0.101 MPa時，氣井的產(chǎn)量即氣井無阻流量。從上述公式中可以看出，氣井的無阻流量與氣藏的壓力、厚度、滲透率呈正相關(guān)。壓裂改造可以增大井筒有效半徑rw，同時解除近井地帶的污染，減小了表皮系數(shù)Sa。產(chǎn)能公式表明，無阻流量和有效半徑呈正相關(guān)關(guān)系，與表皮系數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系。氣藏的壓力、厚度和滲透率是氣藏內(nèi)在地質(zhì)基礎(chǔ)，壓裂改造的效果影響井筒有效半徑和表皮系數(shù)是氣藏開發(fā)的外部工程因素。延113—延133井區(qū)針對山23致密氣藏的開發(fā)主要采用常規(guī)胍膠壓裂，該工藝具有較好的攜砂能力同時成本較低。山23儲層單級加砂30～50 m3，入地總液量350～450 m3。儲層改造后，壓力恢復(fù)雙對數(shù)曲線呈現(xiàn)線性流和雙線性流特征，裂縫半長50～100 m。井區(qū)已經(jīng)使用該工藝壓裂山23直定向井100多口，形成了一套穩(wěn)定成熟的施工流程。在外部工程因素相似的條件下，井區(qū)每口井的試氣無阻流量差異主要由儲層的內(nèi)部地質(zhì)條件造成。

2 地質(zhì)條件

延113—延133井區(qū)山23氣藏發(fā)育三角洲水下分流河道沉積，物源主要來自盆地北部，是北部榆林和子洲氣田三角洲沉積向南部的延續(xù)。山23砂體在平面上分布廣泛，連通性好，井區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯斷層，砂體厚度為1～19 m，平均為7.5 m。山23儲層石英含量較高, 發(fā)育中-粗粒石英砂巖和巖屑石英砂巖, 巖屑砂巖較少。黏土礦物以伊利石和高嶺石為主, 發(fā)育少量綠泥石。山23儲層發(fā)育粒間溶蝕孔、粒內(nèi)溶蝕孔、晶間孔和微裂縫等, 孔徑較小, 主要為微米級孔隙[7]。山23儲層孔隙度為2.0%～8.0%, 平均為4.5%；滲透率為0.006～1.000 mD，平均為0.120 mD。山23氣藏深度為2 800～3 200 m, 實測靜壓為21～25 MPa, 壓力系數(shù)為0.8，屬于典型的低孔、低滲、低壓致密砂巖氣藏。山23氣藏天然氣組分中甲烷含量較高，平均含量94%，非烴組分以N2和CO2為主，H2S氣體含量極少。井區(qū)水分析資料表明，山23地層水型為CaCl2型，礦化度30～130 g/L。

根據(jù)山23儲層巖心礦片和孔滲分析數(shù)據(jù)，井區(qū)山23石英砂巖儲層, 主要發(fā)育粒間溶孔, 儲層物性較好, 孔隙度為6%～8%, 滲透率為0.2～1.0 mD；巖屑石英砂巖儲層發(fā)育較多孔喉較小、連通性較差的粒內(nèi)溶蝕孔和巖屑溶蝕孔, 儲層物性相對較差, 孔隙度為3%～6%, 滲透率為0.06～0.30 mD；巖屑砂巖儲層孔隙度為1%～3%, 滲透率小于0.08 mD。

山23儲層孔隙度、滲透率與巖性關(guān)系如圖1所示。

圖1 山23儲層孔隙度、滲透率與巖性關(guān)系Fig.1 Crossplot of porosity and permeability based on lithology of Shan23 reservoir

通過取芯井段測井曲線特征的分析，石英砂巖儲層伽值馬較低，主要為20～30 API，中子密度曲線含氣性指示明顯，如圖2a所示；巖屑石英砂巖儲層巖屑含量為10%～25%，井區(qū)巖屑成分主要為凝灰?guī)r和千枚巖，放射性較強，巖屑石英砂巖儲層伽馬值為30～45 API，中子密度曲線一般無含氣指示；巖屑砂巖儲層巖屑含量大于25%，伽馬值為45～60 API，中子密度曲線包絡(luò)面積較大，如圖2b所示。

圖2 山23石英砂巖和巖屑砂巖儲層測井曲線特征Fig.2 Log characteristics of Shan23 quartz sandstone and lithic sandstone

石英砂巖井段取芯巖樣一般為灰白色中粗粒砂巖，巖屑砂巖井段取芯巖樣為灰色和淺灰色中細粒砂巖，儲層中隨著巖屑增多，暗色礦物含量增多，取芯巖樣由灰白色中粗粒砂巖變?yōu)榛疑蜏\灰色中細粒砂巖。井區(qū)鉆井普遍采用PDC鉆頭，研磨程度較高，巖屑較細，從錄井巖屑樣品粒度上較難判斷巖性，但不同巖性的儲層，巖屑錄井顏色差異明顯，石英砂巖儲層一般呈灰白色，巖屑石英砂巖儲層呈淺灰色，巖屑砂巖儲層呈灰色和灰黑色，且?guī)r樣中暗色礦物較多，石英含量較少。

3 Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)取芯井總結(jié)的不同巖性的測井曲線特征，可以應(yīng)用常規(guī)測井曲線和錄井?dāng)?shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法實現(xiàn)單井巖性的自動識別。Kohonen 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種自組織神經(jīng)特征映射模型，以聚類分析算法為基礎(chǔ)對數(shù)據(jù)進行計算分類，可以較好地識別巖性[8-9]。延113—延133井區(qū)山23不同巖性儲層的伽馬、中子、密度等常規(guī)測井曲線和錄井巖屑顏色有明顯差異，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中以伽馬、中子、密度、聲波曲線和巖屑顏色作為輸入數(shù)據(jù)，以取芯井段實驗室礦片分析巖性作為監(jiān)督進行聚類分析。圖3中每種背景顏色代表一種巖性，其中藍色為石英砂巖，紅色為巖屑石英砂巖，棕色為巖屑砂巖。朵葉體的花瓣代表輸入的測井曲線和錄井巖屑的顏色，花瓣的面積大小代表不同輸入曲線的響應(yīng)特征，每一類巖性儲層具有相似的響應(yīng)特征。以取芯井段的聚類分析為基準，將該分類方法應(yīng)用到大量未取芯井中，對山23儲層巖性進行自動劃分。自動劃分結(jié)果與前期基于實驗室礦片分析總結(jié)的不同巖性測井響應(yīng)特征一致。在自動劃分的100多口直定向井中，石英砂巖儲層伽馬值平均為24 API，中子平均值為2.5%，密度平均值為2.48 g/cm3，聲波時差平均值為207 μs/m(63 μs/ft)；巖屑石英砂巖儲層伽值馬平均為36 API，中子平均值為4.9%，密度平均值為2.52 g/cm3，聲波時差平均值為197 μs/m(60 μs/ft)；巖屑儲層伽馬值平均為51 API，中子平均值為8.7%，密度平均值為2.58 g/cm3，聲波時差平均值為187 μs/m(57 μs/ft)。劃分結(jié)果符合井區(qū)對不同巖性測井曲線特征的認識。

圖3 巖性劃分自組織圖和劃分結(jié)果Fig.3 Self organization chart of lithology classification and results

4 無阻流量預(yù)測

氣井的產(chǎn)能公式表明，在壓裂工藝和施工規(guī)模相似的條件下，無阻流量主要與氣藏壓力、儲層厚度和滲透率呈正相關(guān)關(guān)系。井區(qū)山23致密氣藏屬于同一壓力系統(tǒng)，不同井實測靜壓相差較小，氣井壓裂后無阻流量主要與儲層厚度和儲層物性有關(guān)。巖性控制物性、物性控制含氣性是鄂爾多斯盆致密砂巖氣藏的特征[10-13]。井區(qū)山23儲層壓裂后，以發(fā)育石英砂巖為主的儲層試氣無阻流量明顯高于巖屑石英砂巖儲層；巖屑砂巖儲層壓裂后，氣藏能量較低，返排困難，多口井壓裂后，井口無穩(wěn)定產(chǎn)量，無法求取無阻流量。在山23儲層壓裂試氣井中，將石英砂巖和巖屑石英砂巖的儲層厚度和試氣無阻流量做交匯圖，圖4表明石英砂巖儲層壓裂后試氣無阻流量與厚度呈線性關(guān)系，單米儲層無阻流量為0.8×104～1.0×104m3/d；巖屑石英砂巖儲層試氣無阻流量與厚度成正相關(guān)關(guān)系，單米儲層無阻流量為0.3×104～0.5×104m3/d。井區(qū)部分井中，山23儲層砂體呈正旋回沉積特征，下部發(fā)育石英砂巖儲層，上部發(fā)育巖屑石英砂巖儲層，這時可以按石英砂巖和巖屑石英砂巖厚度分別預(yù)測無阻流量，然后求和。在山23儲層實際開發(fā)中，應(yīng)用該方法預(yù)測無阻流量，簡單快捷且吻合度較高，單井預(yù)測無阻流量與壓裂后實測無阻流量的誤差一般小于20%。

圖4 無阻流量與儲層厚度關(guān)系圖Fig.4 Absolute open flow and reservoir thickness crossplot

該方法適用于井區(qū)采用常規(guī)水力壓裂和正常返排求取無阻流量的大部分井，少量井在壓裂施工過程中發(fā)生砂堵，或者在返排過程中由于井筒積液不能一次排活，在井筒周圍產(chǎn)生水鎖傷害[14-16]，都將極大地影響該井的無阻流量，造成實際無阻與預(yù)測無阻相差較大。部分采取特殊壓裂工藝的試驗井，如二氧化碳壓裂減小水基壓裂液對氣藏滲透率的傷害，同時增能助排，試氣無阻流量是基于常規(guī)壓裂預(yù)測無阻流量的2～3倍[17]。延113—延133井區(qū)的無阻流量預(yù)測技術(shù)一方面用于壓裂層位的優(yōu)選, 另一方面用于常規(guī)和特殊壓裂工藝儲層改造效果的評價, 對井區(qū)山23氣藏的高效開發(fā)具有重要意義。

5 結(jié)論

1)延113—延133井區(qū)針對山23致密氣藏的開發(fā)主要采用常規(guī)胍膠壓裂，在外部工程因素相似的條件下，井區(qū)每口井的試氣無阻流量差異主要由氣藏壓力、儲層厚度和儲層物性等地質(zhì)因素造成。

2)井區(qū)山23石英砂巖儲層，主要發(fā)育灰白色中粗粒石英砂巖，孔隙度為6%～8%，滲透率為0.2～1.0 mD，測井伽馬值較低，主要為20～30 API，中子密度曲線含氣性指示明顯；巖屑石英砂巖儲層主要發(fā)育淺灰色中粒巖屑石英砂巖，孔隙度為3%～6%，滲透率為0.06～0.30 mD，伽馬值為30～45 API，中子密度曲線一般無含氣指示。

3)應(yīng)用常規(guī)測井曲線和錄井?dāng)?shù)據(jù)，通過Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法可以實現(xiàn)單井巖性的自動識別，以伽馬、中子、密度、聲波曲線和錄井巖屑顏色作為輸入數(shù)據(jù)，以取芯井段實驗室礦片分析巖性作為監(jiān)督進行聚類分析，并把聚類分析結(jié)果應(yīng)用到未取芯井中。巖性劃分結(jié)果與井區(qū)對不同巖性測井曲線特征的認識一致。

4)在山23儲層壓裂試氣井中，將石英砂巖和巖屑石英砂巖的儲層厚度和試氣無阻流量做交匯圖，無阻流量與每類儲層的厚度呈正比關(guān)系，石英砂巖儲層單米儲層無阻流量為0.8×104～1.0×104m3/d，巖屑石英砂巖儲層單米無阻流量為0.3×104～0.5×104m3/d。該方法簡單快捷且吻合度較高，根據(jù)井區(qū)生產(chǎn)實踐，預(yù)測無阻流量與壓裂后實測無阻流量的誤差一般小于20%。