多參數(shù)下低滲—致密砂巖儲層含氣飽和度定量預測

許勝利 張 雨 李 輝 張志虎 羅青桂 李文元

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司

0 引言

氣藏中含氣飽和度的分布影響水平井軌跡設計、壓裂方案設計、壓后產能及含水率、壓裂效果等。隨著各油氣田對低滲—致密氣資源投入開發(fā)，特別是壓裂措施的普遍應用，對儲層中含氣飽和度定量分布預測的精度要求越來越高。但是，由于低滲—致密氣層含氣飽和度在30%～100%時地震AVO響應特征差異較小，造成僅利用地震手段難以實現(xiàn)對氣藏內30%～100%含氣飽和度分布的定量有效預測，嚴重制約了編制開發(fā)方案的科學性及針對低滲—致密氣藏的開發(fā)效果。

對于氣藏內已鉆井所處構造位置之上含氣飽和度的定量預測的精度，直接影響到開發(fā)井水平段的設計分布及開發(fā)效果。因此，針對低滲—致密砂巖氣層含氣飽和度分布的定量預測非常重要，需要通過研究尋找一種有效實現(xiàn)儲層內含氣飽和度精細定量分布預測的新方法，為低滲—致密氣藏的高效開發(fā)服務[1]。

1 低滲—致密儲層含氣飽和度預測技術應用現(xiàn)狀

1.1 地震反演預測

儲層地震AVO特征[2-4]正演表明：低滲—致密儲層含氣飽和度在0～30%之間變化時，AVO特征變化明顯；而含氣飽和度在30%～100%變化時，AVO特征近于無變化，這種微弱變化信息多數(shù)情況下完全淹沒于泥巖及噪音組成的背景之中（圖1）。從地震含氣飽和度預測成果（圖2）中可以看出，利用地震可以對含氣性進行定性預測[5-6]（圈閉中含氣與否）或含氣飽和度半定量的預測[7-8]，而對于氣藏中含氣飽和度分布的定量預測存在較大的困難[9-10]。雖然，有關于利用地震疊前同時反演對低滲—致密儲層含氣飽和度預測的室內試驗性成功文獻[11]，但鮮有實際應用的成功案例。

圖1 不同含氣飽和度地震AVO特征正演圖

圖2 含氣飽和度地震預測圖

1.2 常規(guī)插值方法預測

現(xiàn)階段對于氣藏內含氣飽和度分布的預測，在地質、油藏專業(yè)上主要利用多個已鉆井點的含氣飽和度并考慮構造相對位置高低而進行的井間插值和外延[12]，該方法存在的不足是已鉆井點構造海拔以上的純氣區(qū)的范圍和過渡帶的含氣飽和度變化規(guī)律無法有效確定，造成對已鉆井點海拔高度之上含氣飽和度的預測存在較大的誤差等。

綜上所述，現(xiàn)有針對低滲—致密砂巖氣層含氣飽和度定量預測技術存在嚴重的不足，需進行針對低滲—致密儲層含氣飽和度定量預測技術進行改進和創(chuàng)新。

2 多參數(shù)下低滲—致密儲層含氣飽和度定量預測

氣藏內含氣飽和度的空間分布受包括氣藏充滿度、儲層孔隙度、孔喉半徑及構造位置等因素的影響。在研究的過程中充分應用地震解釋成果、地震儲層預測成果、鉆井成果等進行綜合分析，以實現(xiàn)對低滲—致密氣藏含氣飽和度的定量分布的刻畫。

2.1 毛細管壓力與水柱高度

2.1.1 巖石中毛細管壓力與水柱高度

巖石物理學中，對儲層巖石的毛細管壓力研究時，人們將毛管壓力定義為兩相界面上的壓力差，其數(shù)值等于界面兩側非濕相的壓力減去濕相壓力[13-16]。根據上述定義，則得：

同時結合毛細管公式：

則有：

式中pc為毛細管壓力，MPa；Δρ為氣液密度差，g/cm3；g為重力加速度，cm/s2；h為毛細管壓力支撐的最大水柱高度，km；σ為氣—液兩相界面張力，N/m；r為毛管半徑，μm；θ為水與巖石的潤濕接觸角，(o)。

在毛細管壓力與重力之間得到平衡時，得出毛細管壓力支撐的最大水柱高度與毛細管半徑、氣—液兩相密度差成反比，與附著張力（σcosθ）成正比。

2.1.2 巖石毛管力與孔隙度的關系

假設理想巖石孔隙物理模型：圓柱體巖石（圖3），長度單位為cm，圓柱截面半徑為R、截面積為S、截面上毛細管總數(shù)為M、單個毛細管半徑為r且平直無彎曲。

圖3 理想圓柱體巖石模型圖

式（4）～（8）中S為圓柱體截面積，cm2；R為圓柱體截面圓半徑，cm；r為毛細管半徑，μm；Δρ為氣—水兩相的密度差，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；h為毛細管壓支撐的最大水柱高度，km；為孔隙度；θ為水與巖石的潤濕接觸角，(o)；σ為氣—水兩相界面張力，N/m2；n為單位平方截面積上分布毛細管的數(shù)量，個數(shù)/cm2。

從公式（8）可知：低滲-致密砂巖氣藏毛管壓力支撐的水柱高度主要與儲層孔隙度及單位截面積毛細管數(shù)量有關，其主要與孔隙度平方根呈反比關系，這為尋找氣藏形成的純氣區(qū)的高度與孔隙度的關系提供了理論基礎和指導。

2.2 低滲—致密氣藏形成純氣區(qū)的最小閉合高度

2.2.1 總孔隙度與有效孔隙度

總孔隙度或絕對孔隙度是巖樣所有孔隙空間體積之和與該巖樣總體積的比值，可通過多種方法進行計算獲得；有效孔隙度是指那些互相連通的，且在一定壓差下（大于常壓）允許流體在其中流動的孔隙總體積與巖石總體積的比值[20-21]?？紫抖鹊臏y量或計算方法有：直接測量法（薄片、壓汞法及實驗室測試法）和間接法（地震與測井的解釋計算方法），測量或計算總孔隙度的方法較多[22-23]，不再贅述。

對于純凈砂巖而言,其有效孔隙度接近總孔隙度。通過總孔隙度與有效孔隙度比值的引入，可知低滲—致密氣藏的含氣飽和度低于100%。

2.2.2 低滲—致密砂巖氣藏形成純氣區(qū)的最小閉合高度

通過公式（8）可知形成生產純氣區(qū)時所需要的圈閉閉合高度與孔隙度平方成反比，并結合對東海某研究區(qū)低滲—致密氣藏（孔隙度8%～11%）、國內中具代表性的川東上三最統(tǒng)須家河組（孔隙度7%～9%）、蘇里格（平均孔隙度9.6%）等不同地區(qū)、不同區(qū)塊的20多個低滲—致密氣藏中圈閉高度、地震預測含氣邊界海拔高度、生產井構造相對位置及生產含水率、儲層平均有效孔隙度及總孔隙度等參數(shù)，得出生產純氣的氣藏分布區(qū)與圈閉高度的關系，通過模型回歸（圖4），得出低滲氣藏形成純氣區(qū)的高度（Ho）與孔隙度的關系式：

圖4 形成純氣區(qū)所需的圈閉高度與孔隙度大小的模型回歸圖

式（9）中a、b、c為調節(jié)因子，為常數(shù)值，默認取值分別為10、600、60；Ho為形成純氣區(qū)所需的圈閉最小閉合高度，m；為平均有效孔隙度。

通常，低滲—致密砂巖不含裂縫時有效孔隙度可代表儲層的物性（孔隙度、滲透率）。因此，可利用有效孔隙度預測低滲—致密氣藏形成純氣區(qū)的高度。 如針對低滲—致密砂巖氣藏，在不發(fā)育有效天然裂縫的條件下，當氣藏儲層平均有效孔隙為5%、10%、15%時形成生產純氣區(qū)分布的最小圈閉幅度分別為230 m、100 m和30 m。

2.3 低滲—致密砂巖儲層含氣飽和度計算

針對某一低滲—致密砂巖氣藏的含氣飽和度分布，利用公式（9）獲得形成純氣區(qū)所需的圈閉最小閉合幅度的基礎上，低滲—致密砂巖（孔隙度小于11%，滲透率小于1.0 mD））氣藏中某一點的含氣飽和度（Sg）可表示如下形成。

①當Hx-HGW大于Ho時，其位于純氣區(qū)為：

②當0≤Hx-HGW≤Ho時，其位于氣—水過渡帶內為：

③當Hx≤HGW時，其位于氣-水界面之下的純水區(qū)為：

式（10）～（12）中Hx為圈閉中某一點處的海拔，m；HGW為氣—水界面海拔（或圈閉漏失點海拔），m；Ho為低滲氣藏形成生產純氣區(qū)的高度，m；Sg為圈閉中海拔為Hx點的含氣飽和度（小于1）；為巖石有效孔隙度與總孔隙度之比（小于 1）。

通過以上公式和成果可以有效地實現(xiàn)氣藏中任一點的含氣飽和度的定量計算。在實際應用過程中，利用地震手段確定構造分布和定性預測氣藏分布范圍及氣—水界海拔；并利用地質和巖石物理方法確定油水界面、儲層有效孔隙度和總孔隙度等，綜合以上得到的多個參數(shù)信息，并利用以上方法和公式，可首先對未知的圈閉進行是否油氣成藏判定，接著利用地震含氣性預測成果獲知氣藏充滿度，進而可以利用公式（10）～（12）實現(xiàn)定量描述油藏內含氣飽和度的空間分布特征。

3 應用

低滲—致密砂巖儲層含氣飽和度定量預測技術在中國東海致密砂巖氣及山西臨興等的低滲-致密砂巖氣的開發(fā)中得到了有效應用，并取得了良好的應用效果。如在東海某一低滲—致密砂巖氣田，針對常規(guī)地震含氣性的定性預測成果（圖5a、圖6a）存在的不能定量化預測含氣飽和度分布的不足，依據儲層平均有效孔隙度為9.4%、有效孔隙度與總孔隙度之比約為0.9，可知：該區(qū)形成生產純氣區(qū)分布的圈閉幅度需108 m；氣層最大含氣飽和度約為90%；利用地震疊前反演確定氣層分布范圍為圈閉溢出點之上即氣藏高度119 m且大于該區(qū)形成純氣區(qū)的圈閉幅度108 m，并在該區(qū)形成純氣區(qū)和大范圍的氣—水過渡帶；利用公式（10）～（12）獲得該區(qū)含氣飽和度的定量分布（圖5b、圖6b）。

圖5 縱向上地震常規(guī)和新方法下含氣飽和度預測對比圖

圖6 平面上地震常規(guī)和新方法下含氣飽和度預測對比圖

在該氣田的開發(fā)中，利用新的含氣飽和度定量預測成果，更好的確定了含氣飽和度大于40%的有利氣藏開發(fā)區(qū)分布范圍和規(guī)模（約為原認識的三分之一），更好的規(guī)劃開發(fā)規(guī)模、指導水平井軌跡的部署、壓裂方案的設計及優(yōu)化壓裂規(guī)模，有效的避開壓裂后大量出水的含氣飽和度小于40%的區(qū)域，提高了針對低滲—致密砂巖氣藏開發(fā)井的成功率。

4 結論

1）通過研究毛細管壓力大小與巖石孔隙度呈反比關系，并結合不同地區(qū)已知的低滲—致密砂巖氣藏含氣飽和度與孔隙度和構造相對位置的關系，獲得不同低滲—致密砂巖儲層條件下形成純氣區(qū)的最小圈閉幅度，其對于無井區(qū)圈閉含氣性評價具有重要的指導意義。

2）在獲得不同儲層條件下形成生產純氣區(qū)分布的最小圈閉幅度的基礎上，通過文中的條件判別和公式計算，可以解決地震含氣性預測無法定量化預測的難題，實現(xiàn)了低滲—致密砂巖氣藏含氣飽和度分布的定量化預測。

3）利用上述多參數(shù)下低滲—致密儲層含氣飽和度定量預測技術能夠識別純氣區(qū)平面分布范圍及壓裂大量出水的高風險區(qū)，更準確地判定氣藏可采儲量并指導開發(fā)井水平段的部署并規(guī)避高風險區(qū)，進而降低開發(fā)風險。

4）針對裂縫性低滲—致密砂巖氣藏，裂縫的存在使儲層滲透性在平面和空間上具有強烈的非均質性，其含氣飽和度的定量預測更為復雜并需進一步深入的研究。