潿西南凹陷低滲儲層可動流體百分數定量表征方法*

汪新光 張 沖 張 輝 覃利娟 趙 楠 彭小東 王 磊 向耀權

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

南海西部北部灣盆地潿西南凹陷已探明低滲儲量占比高、開發潛力大，但海上勘探鉆井及增產改造措施等成本高、開采速度要求高，因此，低滲儲層的精細研究非常重要[1]。低滲儲層往往經歷了復雜的沉積和成巖改造作用，儲層的非均質性強，同等滲透率下孔隙結構特征也存在明顯差異[2]。深入研究儲層復雜的孔喉網絡特征是流體滲流規律的研究基礎，這對油田高效開發具有重要意義。油藏儲層被兩相或三相流體飽和，流體在儲層中的賦存狀態主要為自由或束縛狀態[3-5]。存在于儲層中的束縛流體百分數越低，可動流體百分數會越高，儲層的滲流能力越強。特別是對于低滲儲層來說，孔隙的微小孔喉占比大，流體的流動通道狹窄，孔隙壁表面積隨微細孔隙的增加而增大，能夠束縛更多的流體，降低可動流體百分數。這表明復雜的孔喉空間對儲層滲流能力的影響是不能忽視的。

儲層中可動流體百分數的最佳測定方法就是利用核磁共振實驗手段來獲取，但是該類實驗成本高昂，且海上油田巖心極其珍貴，難以進行大量連續的實驗分析。核磁測井雖然可以通過測量T2弛豫時間分布來揭示儲層巖石中的孔隙流體性質和流動特性，但它所獲得的所有儲層參數及流體信息都需要建立在大量實驗基礎上才可滿足生產需要[6-7]。目前來看，可動流體百分數的獲取只能依靠核磁實驗或核磁測井來獲取，這嚴重制約了低滲儲層滲流性能的有效評價。前人根據核磁資料對低滲儲層孔隙結構特征作了大量的研究工作，但針對低滲儲層可動流體百分數計算的研究鮮見報道，可動流體百分數用以評價儲層滲流性能的優勢得不到由點及面的推廣[8-11]。為克服單一依靠實驗手段獲取低滲儲層可動流體百分數這一限制，本次研究以北部灣盆地潿西南凹陷低滲儲層為研究對象，構建了基于自然伽馬常規測井資料和儲層品質(RQI)的可動流體百分數定量表征模型，實現了可動流體百分數的定量計算和儲層類型的定量劃分，這有助于快速評價各油田低滲背景中相對優質的儲層，擴大南海西部海域低滲儲層動用規模，并可對生產井、調整井的科學部署進行指導。

1 研究區地質特征

北部灣盆地是在前古近系基巖基礎上發育起來的沉積盆地，相繼經歷了張裂、斷陷和拗陷三大發育階段。盆地可劃分為北部坳陷、企西隆起和南部坳陷3個次一級的構造單元[12]。北部灣盆地低滲油藏主要位于北部坳陷的潿西南凹陷和南部坳陷北部的烏石凹陷，油藏所在區域斷裂、構造發育。盆地內部自古近系—新近系從下到上分別發育有長流組、流沙港組、潿洲組、下洋組、角尾組、燈樓角組和望樓港組等7套地層，其中古近系始新統發育有長流組、流沙港組和潿洲組。潿西南凹陷低滲油藏主要位于流沙港組一段(簡稱流一段)和流沙港組三段(簡稱流三段)，為復雜斷塊油藏，主要埋深2 000～3 500 m，屬于正常壓力系統。流三段屬淺水扇三角洲沉積，形成于湖盆斷陷初期；流一段是湖盆萎縮、地形變陡，沖積扇直接入湖形成的較深水扇三角沉積[13-15]。研究區低滲油田所屬的沉積相帶主要為扇三角洲前緣。

儲層巖性從極細粒—礫巖均有分布，巖石類型主要為巖屑砂巖。陸源碎屑組分以巖屑為主，含量為6.5%～77.0%，平均為43.0%，石英含量為0～83.5%，平均為32.4%，長石含量為0～22%，平均為6.2%。儲層分選差—中等，以孔隙式膠結為主要類型，成分成熟度中等，結構成熟度低—中等。大量鑄體薄片觀察分析表明：儲層孔隙組合類型是原生孔隙為主的原生次生組合型，次生孔隙包括粒間溶孔、粒內溶孔和長石顆粒被溶蝕形成的鑄?？祝捎谑艿匠练e和成巖作用的共同影響,孔隙結構變得復雜。受近源快速堆積影響，儲層巖石分選差，泥質或雜基含量高，原始沉積結構在成巖演化階段被強烈改造，儲層物性降低。根據研究區低滲儲層形成機制可將儲集空間劃分為強壓實-弱溶蝕型、碳酸鹽-石英膠結型、弱壓實-溶蝕型3種類型(圖1)，其中弱壓實-溶蝕型儲層主要的儲集空間包括微小孔隙、殘留粒間孔和少量溶孔。

圖1 潿西南凹陷低滲儲層儲集空間類型

1) 強壓實-弱溶蝕型。

孔隙空間主要為殘余型粒間微孔(圖1a)，這類孔隙空間是儲層受強烈壓實作用改造后，巖石顆粒之間相互擠壓形成的剩余粒間微孔，亦可見少量的長石溶孔(圖1b、c),可見高嶺石或泥質雜基晶間微孔(圖1g)。

2) 碳酸鹽-石英膠結型。

孔隙空間主要為菱鐵礦及白云石(鐵白云石)膠結或石英次生加大后殘余的原生粒間孔(圖1h、i)、鐵白云石充填的微裂隙、菱鐵礦晶間孔，溶蝕孔少見。

3) 弱壓實-溶蝕型。

原生粒間孔是主要孔隙空間，也可見雜基內溶蝕微孔、長石及巖屑粒內溶孔、少量被鐵白云石充填的裂隙或無充填的微裂隙(圖1d—f)。

2 可動流體分布特征及控制因素

本次研究采用廊坊科學技術研究院自主研發的低磁場核磁共振巖心分析儀。核磁共振是磁場與原子核間的相互作用[16]。弛豫是磁化矢量受射頻場激發產生核磁共振時偏離平衡態又恢復到平衡態的過程。核磁共振現象中存在兩類不同作用機制的弛豫，即T1或T2弛豫。標識弛豫速度快慢的常數被定義為弛豫時間[17-18]。現代核磁共振通常測量T2弛豫時間，T2弛豫時間與孔喉的大小形態、表面性質、流體類型和礦物成分等有關，因此可利用T2弛豫時間的變化規律來定量表征孔隙結構。

2.1 可動流體T2譜特征

1) 可動流體T2截止值測定。

弛豫時間譜代表了巖石孔徑的分布情況，不同的弛豫時間對應不同的孔徑大小，在孔徑值變小到某個臨界值時，孔喉中的流體受毛管力束縛，此時在T2譜上會出現一個界限(稱為T2截止值)，大于此界限的孔喉所賦存的流體可以自由流動，反之則將被束縛，不可流動。由此可以根據這些信息精確的求得孔隙喉道間的可動流體信息，從而反映出微觀孔喉分布的有用信息。不同油田低滲儲層品質存在差異，因此用來量化儲層可動流體的弛豫時間界限也會存在差異，為了求準潿西南凹陷低滲儲層中真實的可動流體百分數，本次對比了區域不同油區、不同物性的巖心核磁T2截止值實驗分析數據(表1)，最終選用潿西南區域低滲巖心測試的T2截止值平均值13.60 ms作為本區可動流體T2截止值，該截止值與鄰區烏石凹陷低滲巖心T2截止值測試平均值也是接近的，說明北部灣盆地低滲儲層的可動流體T2截止值差異不大。

表1 潿西南凹陷及鄰區巖心核磁實驗實測T2截止值數據

2) T2譜分布特征。

對研究區96塊巖心樣品進行核磁共振實驗分析，測得各巖心樣品的T2弛豫時間分布，不同物性的巖心表現出不同譜峰特征，反映出孔喉分布的差異性。從各樣品T2譜圖中可以看出，潿西南凹陷低滲儲層存在6種典型的譜峰特征(圖2)：①號曲線呈靠左的窄單峰特征，主要以大量的微孔為主，主峰T2弛豫時間小于7 ms，滲透率普遍小于0.2 mD；②號曲線呈不對稱的雙峰分布，微孔和大孔均有分布，微孔為主，主峰T2弛豫時間分布在5～70 ms，這類儲層滲透率在0.2～1 mD；③號曲線呈居中的單峰分布，主要為微孔或小孔，主峰T2在10～20 ms，滲透率在1～5 mD；④號曲線呈相對對稱的雙峰特征，大孔為主，小孔、微孔次之，大孔對應的右峰T2在70～200 ms，微孔對應的左峰T2在5～10 ms，滲透率在5～10 mD；⑤號曲線呈不對稱的雙峰特征，主峰靠右，以大孔為主，少量微孔，主峰T2為80～200 ms，滲透率在10～20 mD；⑥號曲線呈靠右的單峰特征，以大孔為主，主峰T2大于100 ms，大孔分布相對均勻，儲層滲透率在20～50 mD。

圖2 北部灣盆地潿西南凹陷低滲儲層T2弛豫時間分布譜

3) 可動流體百分數。

低滲儲層孔隙空間的可動流體百分數越大，儲層滲流性能越強[19]。核磁共振技術可以較為準確的求取儲層中的可動流體百分數，在各油田得到廣泛應用。核磁共振實驗分析結果表明：潿西南凹陷低滲儲層可動流體百分數與滲透率的對數有很好的對應關系，96塊巖心的平均可動流體百分數為50.79%。滲透率低于5 mD時，不同油區的可動流體百分數相差不大；滲透率高于5 mD時，相同滲透率條件下，油區A儲層可動流體百分數略高于油區B的低滲儲層，反映出不同油區的低滲儲層開發潛力存在差異，油區A的儲層開發潛力好于油區B(圖3a)。開發實踐表明，油區A的開發效果確實好于油區B，這表明可動流體百分數確實是表征低滲油田開發潛力的一個重要參數。

2.2 可動流體控制因素

通過對潿西南凹陷低滲儲層巖石類型、孔隙空間類型、物性受控因素(主要為沉積和成巖作用)等綜合分析，認為潿西南凹陷低滲儲層具有極強的非均質性，不同物性、不同成巖作用類型和不同孔隙空間類型的儲層具有不同的可動流體百分數。對同等滲透率的儲層而言,也存在不同的可動流體百分數。為了進一步剖析儲層流體在復雜儲集空間流動性能的各類影響因素，基于核磁共振實驗，并同鑄體薄片、掃描電鏡等實驗分析相結合，對研究區可動流體影響因素進行綜合分析，認為影響潿西南凹陷低滲儲層可動流體百分數差異的主要因素為物性和黏土礦物充填孔隙程度。

1) 物性對可動流體百分數的影響。

潿西南凹陷低滲儲層可動流體在孔喉中的分布非均質性極強，整體上隨物性參數的增大，可動流體百分數呈增大的趨勢，但與儲層滲透率相關性更為明顯(圖3)?？蓜恿黧w百分數雖然隨孔隙度增加而增大，但增速不斷變小。上述規律表明：儲層巖石中連通的孔隙空間大小不是影響可動流體百分數差異的主要因素，復雜的喉道分布才是影響可動流體百分數的重要控制因素。雖然物性與儲層可動流體百分數之間存在明顯的正相關性，但仍可以發現可動流體百分數與儲層物性也存在不匹配現象。從物性與可動流體百分數關系曲線上可以看出，同等孔隙度、滲透率的儲層巖石可具有不同的可動流體百分數，物性差的儲層可能比物性好的儲層具有更高的可動流體百分數。這一現象可以說明低滲儲層孔喉中的可動流體百分數的大小不僅僅受到物性的影響，這也揭示了低滲透地區存在復雜的微觀孔隙結構和滲流特征。

圖3 潿西南凹陷儲層物性與可動流體百分數關系

2) 黏土礦物對可動流體百分數的影響。

在眾多低滲油田的儲層中常可見綠泥石、蒙脫石、伊利石及伊蒙混層等多種黏土礦物。研究區低滲儲層黏土礦物以伊利石為主，次為伊蒙混層。伊利石常包圍在儲層巖石的碎屑顆粒周圍，多呈鱗片狀或碎片狀集合體，是能明顯降低儲層可動流體百分數的一種黏土礦物。由于黏土礦物含量的測定需要通過實驗室才能獲取，為克服海上取心限制，實現黏土礦物含量由點到面的定量評價，本次研究從黏土礦物—泥質含量—自然伽馬三者之間關系入手，分析了泥質含量與可動流體百分數、黏土含量之間的關系(圖4)。泥質含量包括了黏土礦物和粉砂顆粒，由于研究區黏土礦物的含量與泥質含量是比較接近的，且泥質含量與黏土礦物含量之間具有明顯的相關性，因此可以通過泥質含量來間接評價黏土對可動流體的影響，泥質含量可通過自然伽馬計算求得。從泥質含量與可動流體百分數的關系可以看出，隨著泥質含量增加，儲層中可動流體百分數逐漸降低，當泥質含量高于20%時，儲層的可動流體百分數處于低值，黏土礦物能束縛更多的流體使其變為束縛狀態。從關系曲線上還可以看出，某些泥質含量相對較高的儲層也存在較高的可動流體百分數，這是因為部分高泥質含量的儲層存在較多的殘余粒間孔隙，孔隙的連通性較好，孔喉半徑較粗，次生孔隙相對發育的綜合效應，這表明黏土礦物含量也非可動流體百分數變化的唯一控制因素，各類因素的相互制約造成了低滲儲層中可動流體百分數的差異。

圖4 潿西南凹陷泥質含量與可動流體百分數、黏土含量關系

3 可動流體百分數定量表征

本次依據潿西南凹陷大量核磁實驗分析資料，充分考慮海上低滲儲層可動流體影響因素，從主要受控因素出發建立適合南海西部北部灣盆地低滲透砂巖儲層的可動流體百分數定量模型。

首先考慮儲層物性對可動流體的影響。為減少可動流體百分數表征模型的參數，降低多參數權重偏差對模型建立的影響，這里引入儲層品質指數(RQI)來反映儲層物性，從儲集和滲流能力的復合角度反映儲層微觀結構。RQI是儲層滲透率與孔隙度兩者組合形成的用以評價儲層品質的特征參數，該參數通過理論推導并且已被廣泛用于劃分低滲儲層孔隙結構的差異[20]。儲層品質指數與可動流體百分數相關性沒有降低(圖5)，反而回避了孔隙度與可動流體百分數相關性較差的問題，避免了后續定量表征模型中單獨考慮孔隙度和滲透率對可動流體百分數的影響程度。可動流體百分數的影響因素除前述的物性和黏土礦物之外，巖石的粒度也是可動流體百分數影響的因素之一，但由于其復雜的沉積成巖過程，粒度和黏土礦物對可動流體百分數的影響也很難定量化。為方便建立快速評價模型，這里從易于求取(常規測井資料易于獲得，不需要巖心實驗，減少時間和經濟成本)和因果相連(自然伽馬表征黏土、泥質含量和巖石粒度的可行性在國內外已有很多研究成果，自然伽馬是巖石粒度、黏土等綜合的反映)的角度引入自然伽馬來代替黏土含量和粒度這兩個與其緊密相關的地質因素。基于可動流體影響因素分析結果，考慮各影響因素與可動流體百分數的三維空間關系(圖5)，建立考慮多因素影響下的可動流體百分數計算模型，模型建立過程如下。

圖5 潿西南凹陷儲層品質指數、自然伽馬標準化值與可動流體百分數三維空間關系

1) 數據統計及處理。

對潿西南凹陷可動流體實驗樣點的物性與電性曲線進行深度校正，提取對應樣點深度的自然伽馬值；然后對自然伽馬值進行離差標準化[21]，求得離差標準化后的自然伽馬標準值(ΔGR)。

2) 多元非線性表征模型構建。

本次多元非線性表征模型的構建有2個特點，一是明確了影響模型預測的地質因素，二是參數易求，各參數與預測值之間存在明顯相關性。通過可動流體百分數影響因素分析和引入參數篩選，本次可動流體百分數預測模型的構建是一個基于其相關性和擬合關系進一步構建的過程?？紤]到可動流體百分數(SD)與泥質含量呈非線性負相關，但與儲層品質指數呈非線性正相關這一特征，本次基于這一相關性和數學擬合關系，探討建立了15種非線性表征模型，通過最優化選擇后篩選出其中一種最典型特征模型為

(1)

3) 實測數據非線性多元回歸。

利用90余個核磁實測數據利用上式進行回歸模擬，確定出A、B和C這3項常數值，A=65.605，B=0.272，C=-0.058。最終建立了北部灣盆地低滲儲層可動流體百分數模型如下：

(2)

4) 效果檢驗。

基于隨機數學建模理論，按照1∶5的數據比例隨機將96個實測樣本分為兩組，第1組17個樣本，作為檢驗樣本，非線性擬合過程中不參與數值擬合，僅作為模型效果檢驗用；第2組79個樣本，在可動流體百分數模型常數參數確定過程中參與數值擬合。最后兩組樣本實測可動流體百分數值與應用可動流體百分數預測模型求得的預測值相比，兩種樣本的可動流體百分數實測值與預測值均在45°線上，誤差控制在10%以內，滿足研究精度要求(圖6)。

4 儲層分類

核磁共振實驗可以定量標定儲層中可動流體的百分比，明確可采儲量的上限，因此可動流體百分數是儲層評價尤其是低滲、特低滲砂巖儲層評價中的關鍵參數之一。核磁共振實驗是低滲儲層流體可動性評價的一種重要技術手段，它可將核磁信號轉換為各類儲層參數信息，并可反映出孔喉中流體流動特性，能深入挖掘各類有用地質信息[22-23]。

根據國內外低滲油田開采經驗，若單以可動流體百分數數值的變化范圍為標準，雖可將低滲儲層差異類型進行劃分，但可動流體百分數往往受物性、黏土礦物等因素的影響，同等滲透率的儲層可能存在高低不同的可動流體百分數。因此本次研究為減小同等滲透率儲層的可動流體百分數(SD)差異對低滲儲層分類的影響，定義儲層品質指數與可動流體百分數的乘積為儲層可動流體品質指數(SR)，該定義參數反映不同儲層品質下可動流體百分數特征。同時將儲層可動流體品質指數(SR)與可動流體百分數SD進行Q型聚類分析[24]，將低滲儲層分為4類(圖7)，各類儲層特征描述如下。

Ⅰ類儲層，T2譜峰是以大孔為主的單峰，可動流體百分數SD>70%，儲層可動流體品質指數SR>60，儲層滲透率K>20 mD，儲層品質指數RQI>1.1；Ⅱ類儲層，T2譜峰主峰靠右、雙峰分布，以大孔為主，可動流體百分數SD為55%～70%，儲層可動流體品質指數SR為20～60，儲層滲透率K為5～20 mD，儲層品質指數RQI為0.6～1.1；Ⅲ類儲層，T2譜峰為微孔或小孔為主的單峰，可動流體百分數SD為25%～55%，儲層可動流體品質指數SR為4～20，儲層滲透率K為1～5 mD ，RQI為0.2～0.6；Ⅳ類儲層，T2譜峰為小孔或微孔為主的單峰或雙峰，可動流體百分數SD<25%，儲層可動流體品質指數SR<4，儲層滲透率K<1 mD，儲層品質指數RQI<0.2，這一類儲層在海上目前是難以動用的。

根據研究區12個油田、27個儲層段測試產能資料和可動流體飽和度定量計算結果驗證了本次分類的合理性，可動流體百分數(SD)和儲層可動流體品質指數(SR)值越大，儲層產能也越高。Ⅰ類儲層對應的比采油指數大于1 m3/(d·MPa·m)，Ⅱ類儲層對應的比采油指數為(0.2～1)m3/(d·MPa·m)，Ⅲ類儲層對應的比采油指數為(0.02～0.2)m3/(d·MPa·m)，Ⅳ類儲層幾乎無產出能力。

5 結論

1) 影響潿西南凹陷低滲儲層可動流體百分數差異的主要因素為儲層物性和黏土礦物充填孔隙程度。絲、片狀的伊利石呈網狀對粒間孔隙進行肢解或切割，使儲層內部的孔隙空間變得更加迂曲，同時將粒間孔隙改造成了晶間微孔，且具有較強的吸附性，這是黏土礦物降低研究區低滲儲層可動流體百分數的作用機制。

2) 基于自然伽馬和儲層品質(RQI)構建的可動流體百分數定量表征模型，實現了無取心段儲層可動流體百分數定量預測。結合儲層可動流體品質指數(SR)，并運用Q型聚類原理確定了基于可動流體百分數的低滲儲層分類界限，將北部灣盆地潿西南凹陷低滲儲層劃分為4類，分類結果符合區域產能規律，實現了低滲儲層類型的定量劃分，可為海上低滲儲量擴大動用規模提供指導依據。