北部灣盆地復(fù)雜低滲儲層品質(zhì)分級表征

張沖，楊朝強(qiáng)，汪新光，趙楠，彭小東

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 ?？?570312）

0 引言

南海西部海域原油資源基礎(chǔ)雄厚，資源潛力大［1］。近年來，隨著勘探開發(fā)力度的增大，低滲油藏在南海西部北部灣盆地所占比例越來越大［2］，必將成為未來5～10 a油田開發(fā)的工作重心及產(chǎn)量接替的主力軍［3-5］。高效合理的開發(fā)低滲油藏對實現(xiàn)整個北部灣盆地的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)有著重要的保障作用［6-7］。

近年來，北部灣盆地低滲油藏的開發(fā)主要把低滲儲層預(yù)測和低滲油藏產(chǎn)能作為研究核心，開展了宏觀砂體展布、有利儲層預(yù)測、儲層敏感性、滲流機(jī)理、低滲油藏產(chǎn)能評價等研究［8-12］，初步形成了海上低滲油藏合理的儲層評價體系。但是，對低滲儲層內(nèi)部品質(zhì)差異的研究仍不夠深入，制約了低滲背景下優(yōu)質(zhì)儲量的篩選和快速評價。本研究基于北部灣盆地低滲油田室內(nèi)實驗和生產(chǎn)測試資料，綜合考慮儲層孔喉結(jié)構(gòu)特征和滲流能力差異，對北部灣盆地低滲砂礫巖儲層進(jìn)行品質(zhì)分級與表征，量化了低滲儲層品質(zhì)界限。研究成果有助于篩選各低滲油田相對優(yōu)質(zhì)儲層，擴(kuò)大低滲儲層開發(fā)規(guī)模。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

北部灣盆地是在前古近系基底上發(fā)育起來的沉積盆地，先后經(jīng)歷了張裂、斷陷和拗陷3個階段［13］。中生代后期—早古近紀(jì)，在SE—NW向、近SN向區(qū)域拉張應(yīng)力的作用下，華南板塊南緣形成一系列NEE—SWW向、近EW向斷陷盆地。盆地內(nèi)部劃分為3個次級的構(gòu)造單元：南部坳陷、企西隆起和北部坳陷（見圖1）［14］。研究區(qū)典型低滲油藏主要位于烏石和潿西南凹陷，斷裂和構(gòu)造十分發(fā)育。

圖1 北部灣盆地構(gòu)造區(qū)劃及研究區(qū)位置

盆地內(nèi)部，從古近系到新近系共發(fā)育7套地層，低滲油藏主要位于流沙港組［15］。流沙港組縱向上可劃分為3段：流沙港組一段主要為扇三角洲沉積體系下發(fā)育的淺灰色含礫砂巖，上部為灰色、深灰色泥巖或砂泥巖薄互層；流沙港組二段為一套巨厚的中深湖相深灰色、褐灰色泥頁巖，底部發(fā)育的高阻油頁巖是盆地主要的生油巖；流沙港組三段為近源扇三角洲沉積體系，巖性主要為淺灰色含礫砂巖、砂礫巖［16］。受沉積環(huán)境、成巖作用綜合控制，北部灣盆地流沙港組低滲砂礫巖儲層縱向上物性變化快，孔隙度、滲透率主要分布區(qū)間分別為13.0%～22.0%，1.0×10-3～64.0×10-3μm2，總體表現(xiàn)為中孔、低—特低滲特征，在時空上相互影響和聯(lián)系。儲層孔隙類型多樣，孔徑分布不均。儲層次生孔隙最為發(fā)育，占總孔隙體積的63.5%～92.1%。強(qiáng)溶蝕—中等壓實型儲層是低滲儲層中相對優(yōu)質(zhì)的一種類型。

2 儲層品質(zhì)評級參數(shù)

北部灣盆地低滲油田開發(fā)實踐表明，儲層物性、沉積或成巖差異并不能直接反映儲層品質(zhì)差異，同等滲透率的儲層產(chǎn)能差異大［1］。為了更好地表征研究區(qū)復(fù)雜低滲儲層的品質(zhì)差異，本研究引入和建立了3個最能體現(xiàn)研究區(qū)低滲儲層品質(zhì)差異的評級參數(shù)。

2.1 儲層品質(zhì)指數(shù)

儲層品質(zhì)指數(shù)（RQI）是根據(jù)Kozeny-Carman方程推導(dǎo)得到的，該參數(shù)廣泛應(yīng)用于表征低滲甚至致密油氣儲層的孔隙結(jié)構(gòu)差異，其表達(dá)式［17］為

式中：K為滲透率，μm2；φe為有效孔隙度；r為毛細(xì)管半徑，μm；Fs為形狀因子；τ為毛細(xì)管的彎曲度。

海上低滲砂礫巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)配置決定了儲層的滲流能力，而儲層品質(zhì)指數(shù)可以較好地表征這一復(fù)雜性。本區(qū)低滲砂礫巖儲層的排驅(qū)壓力、孔喉半徑平均值與儲層品質(zhì)指數(shù)呈明顯相關(guān)關(guān)系（見圖2、圖3）——儲層品質(zhì)指數(shù)越小，儲層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度越高，排驅(qū)壓力越大。

圖2 排驅(qū)壓力與儲層品質(zhì)指數(shù)的關(guān)系

圖3 孔喉半徑平均值與儲層品質(zhì)指數(shù)的關(guān)系

2.2 可動流體優(yōu)勢貢獻(xiàn)比

北部灣盆地低滲儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)孔喉評價方法難以滿足海上低滲油藏的研究需要。巖心核磁共振實驗獲得的T2弛豫時間譜，可反映孔徑相對大小和可動流體分布。巖心核磁共振實驗在廊坊科學(xué)技術(shù)研究院研制的低磁場核磁共振巖心分析儀上開展。實驗共鉆取流沙港組直徑2.5 cm規(guī)格柱塞巖樣（砂巖、砂礫巖）98塊，其中，潿西南凹陷樣品45塊，烏石凹陷樣品53塊。將樣品用抽提法進(jìn)行洗油，再將巖樣干燥稱重，并測量其長度和直徑。把飽和水后的巖樣放置在核磁共振分析儀的探頭中，進(jìn)行磁共振測試，反演計算出T2弛豫時間譜，其分布代表了巖石孔徑的分布情況［18-20］。T2截止值是一個反映孔隙流體可動性的臨界T2值，對應(yīng)的孔徑大小為流體流動的最小孔徑，因此，可以根據(jù)這些孔徑變化信息精確反映孔隙大小分布，求得較為準(zhǔn)確的可動流體信息。

實驗室測得本區(qū)T2截止值平均值為12 ms，T2弛豫時間小于12 ms反映的是微小孔隙的分布，流體在這類孔隙中無法流動。因此，可將T2弛豫時間小于12 ms的累積分布頻率定義為Ts；T2弛豫時間介于12～50 ms反映的是相對中等大小的孔隙分布，把反映中等孔隙的T2弛豫時間累積分布頻率定義為Tm；大于50 ms的T2弛豫時間反映的是相對大孔隙的分布，把反映大孔隙的T2弛豫時間累積分布頻率定義為TL。為更好地體現(xiàn)和刻畫出不同品質(zhì)的低滲砂礫巖儲層的孔喉結(jié)構(gòu)差異，基于T2弛豫時間和T2截止值的分布，構(gòu)建了可動流體優(yōu)勢貢獻(xiàn)比（SC*）這一特征參數(shù)，其表達(dá)式為

可動流體優(yōu)勢貢獻(xiàn)比反映了儲層內(nèi)部相對大、中孔隙的優(yōu)勢占比，更能反映各種級別孔隙的配置特征。從SC*與RQI的關(guān)系可以看出：低滲砂礫巖儲層RQI值越大，儲層內(nèi)部相對大、中孔隙的優(yōu)勢占比越突出，越利于儲層流體在巖石中流動（見圖4）。

圖4 SC*與RQI的關(guān)系

基于高壓壓汞資料，本次研究還計算了33塊巖樣的結(jié)構(gòu)系數(shù)（GS）。結(jié)構(gòu)系數(shù)可以表征真實巖心與理想等長且等截面的平行管柱型毛細(xì)管模型之間的差異，是影響這種差異的各因素的綜合度量，反映了儲層流體在孔喉網(wǎng)絡(luò)空間中滲流的迂回程度，其值越大，孔喉彎曲度也越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。圖5顯示了SC*與GS存在明顯的相關(guān)關(guān)系，SC*越小，GS越大，儲層流體在該孔隙網(wǎng)絡(luò)空間中流動就越困難，驗證了SC*表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜配置的地質(zhì)意義，因此，該參數(shù)可用于評價低滲砂礫巖的儲層品質(zhì)。

圖5 SC*與GS的關(guān)系

2.3 啟動壓力梯度

啟動壓力梯度（p）是低滲透儲層的開發(fā)特征異于中、高滲透儲層的重要指標(biāo)之一，因此，開展儲層啟動壓力梯度測試及其與物性參數(shù)的相關(guān)性分析，是研究低滲油田開發(fā)的一項重要基礎(chǔ)工作。本次對研究區(qū)29塊低滲砂礫巖巖心，利用非線性滲流實驗系統(tǒng)進(jìn)行壓力與流速的測試，獲得的壓力與流速信息，可以反映出巖石孔隙喉道與驅(qū)動流體流動所需克服阻力之間的關(guān)系，進(jìn)而從流體動態(tài)流動的角度，評價儲層巖石的微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征［21-23］。

由p與RQI的關(guān)系來看，RQI值越小，p越大（見圖6）。當(dāng)RQI小于0.3（滲透率一般小于1×10-3μm2）時，隨著RQI值的降低，p迅速增大；當(dāng)RQI值在0.3～0.6（滲透率一般在1×10-3～10×10-3μm2）時，隨著RQI值的增大，p降低速度減慢；當(dāng)RQI值大于0.6（滲透率一般大于10×10-3μm2）時，p隨RQI值增大而緩慢下降。由此可以看出，在不同滲流能力條件下存在儲層品質(zhì)界限，不同品質(zhì)級次的低滲儲層體現(xiàn)了不同的開發(fā)難易程度。

圖6 p與RQI的關(guān)系

受復(fù)雜的沉積成巖作用影響，海上低滲砂礫巖儲層的孔隙喉道半徑分布范圍較大，不同大小的孔喉受到的毛細(xì)管力也有差異，因而，也具有不同的啟動壓力梯度?？蓜恿黧w優(yōu)勢貢獻(xiàn)比越大，反映儲層中大、中孔喉占比相對處于優(yōu)勢，儲層的啟動壓力梯度便會降低（見圖7）。

圖7 p與SC*的關(guān)系

3 儲層品質(zhì)分級

3.1 T2弛豫時間譜曲線分布特征

根據(jù)巖心核磁實驗原理，T2弛豫時間與孔喉的大小形態(tài)、流體類型等相關(guān)，不同品質(zhì)的儲層應(yīng)具有不同的T2弛豫時間譜分布。為此，對本區(qū)90塊巖壁、巖心樣品核磁實驗獲取的T2弛豫時間譜分布進(jìn)行了對比分析，結(jié)合物性分析結(jié)果，可將低滲砂礫巖的T2弛豫時間譜分布劃分為5種類型（見圖8）。圖中曲線a代表了相對大孔聚集的一類儲層類型，呈靠右的單峰分布，RQI值基本大于1.10；曲線b代表以大孔為主，存在中、小孔分布的一類儲層，呈不明顯的雙峰特征，主峰靠右分布，RQI值介于0.90～1.10；曲線c代表大孔隙與小孔隙對等分布的儲層，呈雙峰分布，RQI值介于0.60～0.90；曲線d代表以小孔為主、品質(zhì)較差的一類儲層，呈不均勻的雙峰分布，存在主峰，主峰靠左，RQI值一般介于0.28～0.62；曲線e代表幾乎以小孔為主的一類儲層，呈靠左的單峰分布，儲層品質(zhì)極差，RQI值基本小于0.30。

圖8 T2弛豫時間譜曲線分布特征

3.2 啟動壓力梯度變化率數(shù)量級對比

核磁曲線形態(tài)反映了儲層孔隙分布差異，同時也可反映可動流體差異，基于這些曲線形態(tài)，可將本區(qū)低滲砂礫巖儲層按5個級次進(jìn)行劃分，但由于各類曲線間參數(shù)界限存在交疊，因此，還需要結(jié)合其他方法共同確定分級界限。本次利用啟動壓力梯度變化率數(shù)量級對比法，通過啟動壓力梯度的表達(dá)式對儲層品質(zhì)級次進(jìn)行劃分。

根據(jù)p與RQI的擬合關(guān)系，可以求得p的表達(dá)式：

對式（3）求導(dǎo)可得：

利用式（4）可以求出不同RQI條件下的p的變化率，在不同的滲透率區(qū)間，p的變化率呈現(xiàn)出數(shù)量級的差別（見表1）。按照p變化率的數(shù)量級可以將海上低滲砂礫巖儲層品質(zhì)劃分為5級。RQI小于0.30時，p變化率呈現(xiàn)出3個級次的變化，但考慮到海上油田RQI小于0.30的特低滲致密儲層目前不可開發(fā)，因此，將p變化率數(shù)量級大于10-1的儲層劃為Ⅴ級，為海上極難動用儲層；將p變化率數(shù)量級為10-2的儲層劃為Ⅳ級，屬海上難動用儲層?？紤]到p變化率數(shù)量級為10-3的儲層滲透率、測試產(chǎn)能跨度過大，而核磁曲線分布形態(tài)也支持將這一區(qū)間的低滲儲層進(jìn)一步細(xì)分，因此，在式（4）基礎(chǔ)上進(jìn)一步求導(dǎo)，計算該區(qū)間p的二次求導(dǎo)變化率，以此進(jìn)行儲層類型細(xì)分。

表1 北部灣盆地啟動壓力梯度隨RQI的變化率

3.3 儲層品質(zhì)分級界限綜合確定

T2弛豫時間譜分布呈現(xiàn)出5種不同的曲線特征，而基于啟動壓力梯度刻畫的儲層品質(zhì)級次也為5級，表明本區(qū)低滲砂礫巖儲層存在5種級次的儲滲品質(zhì)。為定量刻畫各儲滲品質(zhì)表征參數(shù)的分級界限，本次采用基于迭代算法的快速聚類法，來研究低滲儲層滲流能力的分級界限［24-25］。快速聚類法是一種在數(shù)據(jù)量不大的情況下較為有效的方法，該方法要確定凝聚中心，有幾個凝聚中心，就得到幾類。凝聚中心有2種確定法：第1種是由系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)情況和指定的類數(shù)，自動確定；第2種是人工輸入。本次研究由于數(shù)據(jù)量不大，且考慮到啟動壓力梯度變化率的數(shù)量級和核磁曲線均反映本區(qū)存在5種不同滲流能力和孔隙結(jié)構(gòu)的低滲砂礫巖儲層，因此，采用人工輸入凝聚中心數(shù)，指定了5個凝聚中心，并在產(chǎn)生了凝聚中心后，計算每個點（觀察值）到各凝聚中心的距離，按照距離最近原則，對啟動壓力梯度、可動流體優(yōu)勢貢獻(xiàn)比和儲層品質(zhì)指數(shù)進(jìn)行了快速聚類，確定了5種滲流能力的儲層品質(zhì)級次（Ⅰ—Ⅴ級）（見圖9。圖中1～20代表樣本個數(shù)，10-2～102為各參數(shù)刻度值）。

圖9 快速聚類法確定的低滲儲層品質(zhì)級次

該級次的確定旨在為油田開發(fā)工作提出建議，優(yōu)選開發(fā)區(qū)塊。但是，海上低滲砂礫巖油藏的開發(fā)效果往往受控于多種因素，各影響因素難以綜合量化評價低滲儲層品質(zhì)差異。為綜合定量評價海上低滲儲層滲流能力品質(zhì)，本次引入灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行儲層品質(zhì)評價參數(shù)的權(quán)值分析［26］，并基于權(quán)值分析結(jié)果，融合多種儲層品質(zhì)因子，建立綜合反映儲層品質(zhì)的量化參數(shù)。首先，對儲層品質(zhì)評價參數(shù)進(jìn)行極大值標(biāo)準(zhǔn)化；其次，確定子、母序列；然后，計算出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色關(guān)聯(lián)度，確定出各滲流能力儲層品質(zhì)評價參數(shù)的權(quán)重值。由于p最能反映低滲油藏開采的難易程度，因此，將該參數(shù)定義為權(quán)重分析過程中的母序列，RQI和SC*定義為子序列，基于灰色關(guān)聯(lián)法，最終確定了儲層品質(zhì)評價參數(shù)的權(quán)重值。p，RQI和SC*的權(quán)重值分別為0.340 1，0.337 1，0.322 8。最后賦予各儲層品質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的權(quán)重值，根據(jù)參數(shù)與儲層品質(zhì)的正負(fù)相關(guān)關(guān)系，建立了海上低滲油藏滲流能力品質(zhì)的綜合評價因子，定義為CQ，其表達(dá)式為

根據(jù)式（5）計算結(jié)果，確定不同滲流能力儲層品質(zhì)分級的綜合評價界限（見表2）。

表2 低滲儲層分級綜合評價界限

由海上低滲砂礫巖油藏儲層品質(zhì)綜合評價因子與油井產(chǎn)能關(guān)系可知，利用上述評價方法計算的儲層品質(zhì)綜合評價因子與單井比采油指數(shù)（JOS）具有較好的一致性（見圖10），反映了儲層品質(zhì)分級方法是準(zhǔn)確的，利于海上各油區(qū)的儲層品質(zhì)評價和區(qū)塊快速優(yōu)選。

圖10 低滲砂礫巖油藏J OS與CQ的關(guān)系

4 結(jié)論

1）引入和建立了3個反映孔喉結(jié)構(gòu)和滲流能力的儲層品質(zhì)參數(shù)。其中：儲層品質(zhì)指數(shù)反映了儲層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，儲層品質(zhì)指數(shù)越小，儲層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，排驅(qū)壓力也越大；可動流體優(yōu)勢貢獻(xiàn)比反映了儲層內(nèi)部相對大、中孔隙的優(yōu)勢比，體現(xiàn)了儲層各種級別孔隙的配置特征，儲層內(nèi)部相對大、中孔隙的優(yōu)勢占比越突出，越利于儲層流體在巖石中流動；啟動壓力梯度可以表征低滲儲層滲流能力差異，反映不同品質(zhì)儲層的開發(fā)難易程度，啟動壓力梯度越小，儲層越容易被開發(fā)。

2）北部灣盆地低滲砂礫巖儲層品質(zhì)級次為5級，可經(jīng)濟(jì)開發(fā)的低滲儲層級次為Ⅰ—Ⅲ級，可經(jīng)濟(jì)開發(fā)的儲層品質(zhì)指數(shù)下限為0.6，啟動壓力梯度上限為0.14 MPa/m，可動流體優(yōu)勢貢獻(xiàn)比下限為1.5。

3）構(gòu)建了海上低滲油藏滲流能力品質(zhì)的綜合評價因子，量化和表征了低滲砂礫巖的儲層品質(zhì)，該綜合指標(biāo)可指導(dǎo)北部灣盆地未動用低滲油藏的儲層品質(zhì)評價和區(qū)塊優(yōu)選。