馬志欣 吳 正 張 吉 白玉奇 李浮萍 付 斌 白 慧
1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 2.中國石油長慶油田公司勘探開發研究院 3.中國石油長慶油田公司
合理井網是致密油氣資源經濟有效開發一項關鍵指標[1-3]。井網過密,會導致砂體被多口井覆蓋,推高開發成本[4]。反之,井網過于稀疏,會造成部分單砂體井網無法控制,降低儲量動用程度。蘇里格氣田主力產層石盒子組8下亞段(以下簡稱盒8下亞段)儲層致密,砂體及有效砂體規模小[5-7]。開發先導試驗表明蘇里格氣田單井產量低,遞減快,穩產能力差[8-11]。因此,通過儲層構型表征確定不同級別砂體規模,進而論證合理開發井網實現井位優化部署對氣田經濟有效開發及提高采收率具有十分重要的意義。
前人針對蘇里格氣田盒8下亞段儲層構型開展過大量的研究[12-16],取得了豐富的研究成果。但研究過程多局限于采用常規的地質解剖方法。而作為一種驗證井間砂體連通關系最直接的手段,干擾試井資料應用較少,且僅僅是籠統地利用概率性統計來確定井網密度[1-2],并未具體分析激動井與觀察井之間存在的砂體連通關系,因此表征結果可靠程度有待商榷。筆者在儲層構型分析基礎上,充分利用干擾試井資料,挖掘有效信息,動靜態信息相結合,通過砂體連通性分析,定量論證不同級別砂體規模,并以此指導建立三維地質模型,以期推動基于高精度地質模型的井位優化部署及水平井軌道設計,更好地實現井位動態跟蹤和隨鉆地質導向。
蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡北部,上古生界自下而上發育了石炭系本溪組,二疊系太原組、山西組、石盒子組以及石千峰組,地層厚度約700 m。石盒子組自上而下分為盒1—盒8共8個段。盒8段沉積時期,鄂爾多斯盆地表現出內陸盆地特征,構造相對平緩,水體主要分布在盆地南部,盆地北緣陰山古陸構造抬升,分析化驗資料表明盒8段儲層碎屑組分與北部母巖區具有較高關聯性。同時自北向南“不穩定重礦物含量逐漸降低,穩定重礦物含量逐漸升高”的基本特征表明蘇里格氣田盒8段主要來源于陰山古陸[17-18]。同時盆地東北部保德橋頭剖面等野外露頭砂巖層理類型及流水波痕所反映出來的古流向指向S—SW,進一步佐證了盆地中部物源主要為北部及東北部的陰山古陸[17-18]。整體上看,古水流方向主要由北東向向南西方向[3,5]。
盒8段進一步劃分為盒8上、盒8下兩個亞段。盒8下亞段是氣田的主力產氣層段,厚度60~80 m,為砂質辮狀河沉積,巖性以中—細砂巖為主,夾砂質泥巖及粉砂巖[3,5]。由于構造相對平緩,北部物源供給充足,河道頻繁擺動,砂體大面積展布[3,5-6,9],向上河道多期疊置,按照旋回自上而下進一步劃分為盒8下1-1、盒 8下1-2、盒 8下1-3、盒 8下2-1、盒 8下2-2、盒8下2-3共 6 個單層[16,19]。
為定量刻畫砂體規模,優化井位部署,提高氣藏采收率,2012年在蘇里格氣田中區開辟了SSF密井網試驗區。經過2個輪次的加密,2016年試驗區基本成型。試驗區面積62 km2,完鉆井68口,平均井排距350~600 m,是蘇里格氣田目前井網密度最大的井區。同時,為進一步確定砂體規模及井間砂體連通關系,陸續開展干擾試井試驗、投產前地層靜壓測試(以下簡稱地層靜壓)等動態監測工作,積累了豐富的動靜態資料。
在開展干擾試井前,共開展了地層靜壓測試21井次。測試結果表現出2個明顯特征:①與原始地層壓力(30.6 MPa)相比,加密井地層靜壓顯著降低。21口井地層靜壓平均為22.6 MPa,16口井小于24 MPa,說明該區儲層井間連通性很普遍,加密井均受到相鄰早期投產井泄壓影響;②各井地層靜壓下降幅度存在明顯差異。SSF-7井地層靜壓為29.4 MPa,與原始地層壓力相比下降幅度僅3.8%。而SSF-17井,降幅達50%。表明井間雖然普遍連通,但連通程度具有較強的不均衡性。其原因在于,辮狀河自身沉積機制造成整個盒8下亞段儲層砂體規模大、沉積物粒度粗,但受其內部沉積構型特征(如落淤層、灘道相間的沉積格局[14])以及后期壓實作用、成巖作用的影響,儲層表現出“普遍連通、局部通而不暢乃至連而不通”的“泛連通體”特征[20-21]。
值得注意的是,因為天然氣具有較強的可壓縮性,同時,儲層致密,壓降信號在地下儲層中傳播速度十分緩慢,壓力響應通常需要長時間才可以觀察得到。SSF密井網區早期井大部分是2007年投產,至加密井開展投產前地層靜壓測試之時,這批井已經生產了7~8年時間;且投產前地層靜壓測試結果反映的是多口鄰井采氣的綜合效應,儲層內部壓力傳播方向無法準確判斷。因此,必須要結合沉積地質、射孔情況開展進一步分析。
蘇里格氣田SSF密井網區干擾試井試驗分2個輪次開展:第1輪2013年5—9月,第2輪2017年7月—2018年12月,累計開展井距(指東西向)干擾試驗8口井,排距(指南北向)干擾試驗13組,共21口井(圖1),選擇SSF-H井等4口井作為激動井,研究觀察井的干擾響應。

圖1 SSF密井網區干擾試井圖
本次研究的基本思路是:首先,利用射孔資料,結合干擾試井響應特征,進行干擾響應信息挖掘;其次,以測井資料為基礎,開展儲層構型單元識別;最后,在辮狀河沉積模式指導下,以干擾響應為約束,對構型單元進行空間組合,定量表征砂體規模。
在分析過程中,充分結合區域地質特征及前人的相關研究成果,遵循以下基本原則:①心灘砂體平面呈紡錘形[3,7-10,22],長軸方向與河道方向(主要古水流方向)基本一致,近南北向展布。②平面上辮狀河“灘道相間、寬灘窄道”的沉積格局[14,16],辮流水道可以分為3種充填—砂質充填、泥質充填、半砂質充填[23]。砂質充填、半砂質充填可以溝通相鄰的兩個心灘砂體,泥質充填則起到阻隔作用。③井間不存在干擾響應,若激動井與觀察井有同層射孔,則認為在該層位激動井與觀察井未鉆遇同一單砂體。④井距(指東西向)范圍內存在干擾響應,并不一定意味著激動井與觀察井鉆遇同一心灘砂體,有可能是兩井間存在砂質充填辮流水道[23],造成兩井連通。⑤排距(指南北向)范圍內存在干擾響應,則激動井與觀察井相鄰兩口井鉆遇同一心灘砂體概率較大。
試驗井組中,不論是激動井,還是觀察井,普遍存在多層射孔的情況,因此干擾響應是激動井與觀測井之間多層系“泛連通”砂體對壓力波動信號的綜合反映,干擾響應與地層連通不具有明確的對應關系,這給利用干擾響應判斷砂體連通情況帶來較大的困難。因此,在運用干擾試井資料前,應結合地層劃分、古流向、射孔,對干擾響應進行逐一分析,挖掘有效信息,將干擾響應信號落實到具體的層位上,為砂體連通性判斷奠定基礎。
蘇里格氣田氣井多數存在有效砂體多層發育的情況,因此多層射孔及合采是非常普遍的。當相鄰的兩口井存在多層射孔的情況下,應當綜合井距、隔夾層分布、射孔層位距離等因素綜合進行考慮,一般存在以下情況:①激動井與觀察井僅存在同層射孔情況的,若見干擾響應,優先判斷存在同層連通;若未見干擾響應,則認為激動井與觀察井鉆遇不同的心灘砂體,且心灘之間存在泥質充填的辮流水道,同層不連通。②激動井與觀察井僅存在鄰層射孔(是指兩口井的射孔層位是相鄰層位)情況的,若存在干擾響應,優先判斷存在鄰層連通。若未見干擾響應,同時河道下切明顯、砂體疊置程度高的,則認為較低層位與干擾井組中的另一口同一層位之間存在泥質辮流水道,阻礙了砂體連通。③激動井與觀察井同時存在同層射孔及鄰層射孔情況的,優先考慮同層連通性。④激動井與觀察井存在多個同層射孔的,首先根據壓降傳播速率的大小判斷是單一層連通,還是多層連通;其次,結合沉積模式,判斷射孔層位是否屬于同一個單砂體,若屬于同一個單砂體則認為該層連通。
定義壓降傳播速率如下:

式中p1表示激動井開井時觀察井井底壓力,MPa;p2表示試驗結束開井時觀察井井底壓力,MPa;L表示激動井與觀察井之間的距離,m;t表示試驗的時間,d。
按照上述標準,對4個干擾井組進行了分析判斷(表1)。根據干擾響應信號的不同以及井組間射孔層位,可以將井間連通關系分為以下幾種類型:①同層連通型;②同層不連通型;③鄰層連通型;④鄰層不連通型;⑤多層連通型。

表1 基于干擾試井儲層連通綜合分類表
3.3.1 構型單元及測井識別
儲層構型指不同級次儲層構成單元的形態、規模、方向及其疊置關系[12,14]。復合砂體級次構型(6級構型)解剖相當于常規的小層沉積相研究,屬于沉積相復合體,其成因是由于異旋回控制,垂向上具有多個旋回或者期次[24],其邊界是多個沉積相的包絡線,不具有物理界面;而更加精細的單一河道構型(5級構型)、單砂體構型(4級構型)則是更為精細的沉積相研究,其成因是由于自旋回控制,垂向上只有1個旋回或者1個期次,各個沉積相具有明確的物理界面,研究的方法和目標更注重定量化分析[24](圖2)。

圖2 儲層構型單元測井特征圖
儲層參照馬志欣等[14,24-26]的構型分級方案,并結合蘇里格氣田地質特征及生產需求,將辮狀河分為辮狀河道、河道間2種構型單元,辮狀河道亞相分為心灘、辮流水道2種構型單元(4級構型單元)。
3.3.1.1 心灘
心灘是辮狀河沉積的主要單元[14,16],是多次洪水事件中砂體垂向疊加形成的。巖性以粗—中砂巖為主。平面呈紡錘狀,剖面呈底平頂凸狀。層理以槽狀交錯層理、板狀交錯層理為主。GR測井曲線呈高幅度箱形、齒化箱形、漏斗形等特征。
3.3.1.2 辮流水道
辮流水道是辮狀河中常年流水的通道,巖性以細—粉砂、泥巖為主,小型槽狀交錯層理、平行層理發育。平面形態呈交織窄條帶狀,環繞在心灘周圍,橫剖面呈底凸頂平狀。GR曲線呈中高幅度指形、鐘形、齒化鐘形,正韻律特征明顯。辮流水道充填通常分為2類:砂質充填、泥質充填[27]。
3.3.2 構型單元空間組合模式及判識方法
模式擬合是儲層構型表征中重要的方法論,構型單元的空間組合模式直接影響了儲層構型表征結果。因此構建與研究區沉積特征類似的沉積模式是儲層構型表征的首要任務。基于蘇里格盒8段沉積特征,結合沉積露頭、現代沉積、巖心及前人的相關研究成果等資料,建立了相應的構型模式(圖3),作為構型表征的理論指導模式。
圖3-a為5級構型單元空間組合模式,分為4種類型,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為河道—河道模式,Ⅳ為河道—河道間—河道模式[28]。圖3-b為5級構型單元空間組合模式,其主要特征為心灘分布在河道內部,心灘與心灘之間被水道所分割,呈現“灘道相間、寬灘窄道”的基本特征[29]。

圖3 不同級次構型單元空間組合模式圖
馬志欣等[14,16]提出了一套以“測井響應特征、落淤層發育位置以及垂向微相疊置模式”為標志的心灘砂體空間定位方法,能夠有效提高辮狀河儲層構型表征精度,其主要原理如下:①測井響應特征法:心灘砂體的形成受垂向加積、順流前積共同作用,故心灘迎水面與背水面沉積物粒度具有明顯差異。迎水面粒度較粗,垂向變化小,自然伽馬曲線(以下簡稱GR曲線)以箱型為主,而背水面則較細且有向上變粗的趨勢,曲線形態以漏斗形為主(圖4)。②落淤層發育位置法:受水動力條件影響,落淤層常常發育在心灘尾部。因此落淤層可以作為一種直接證據,確定心灘空間位置(圖4)。③微相疊置特征法:心灘不同部位具有不同的微相疊置特征。心灘主體部位泛濫平原疊置在心灘上部,心灘邊部辮流水道疊置在心灘上部。

圖4 測井解釋及落淤層判斷砂體空間位置原理圖
本次研究利用上述方法,結合干擾響應特征,進行儲層構型表征及砂體規模分析。
3.3.3 儲層構型表征及砂體規模分析
3.3.3.1 心灘構型及規模分析
如圖5-a所示,在盒8下2-2單層,SSF-17井GR曲線呈箱型,單層內僅可見心灘微相,落淤層不發育,表明該井位于心灘迎水面部位。而SSF-P井發育2個落淤層,垂向上辮流水道疊置在心灘上,表明該井位于心灘背水面。同時以SSF-P為激動井、以SSF-17為觀察井的干擾井組中,SSF-17井底壓力由15.24 MPa 降至 14.52 MPa,表明兩井連通。
綜合分析認為SSF-P、SSF-17井鉆遇同一個心灘,心灘長度大于543 m。
SSF-5井GR曲線呈箱型,說明鉆遇心灘砂體迎水面。以SSF-P為激動井、以SSF-5井為觀察井的干擾井組中,SSF-5井井底壓力呈上升趨勢,表明SSF-P、SSF-5兩井不連通,故此推斷兩井中間存在泥質充填的辮流水道,阻斷了兩井連通。
SSF-H井GR曲線呈箱型,發育2個落淤層,亦可判斷該井鉆遇心灘砂體背流面部位,由此推斷SSF-H、SSF-17井鉆遇心灘不屬于同一個心灘,兩井中間存在辮流水道;以SSF-H井為激動井、以SSF-17井為觀察井的干擾井組中,SSF-17井底壓力上升,意味著在盒8下2-2單層,兩井不連通,故推斷兩井中間的辮流水道為泥質充填,阻斷了兩井連通。
綜上所述,SSF-P、SSF-17井鉆遇同一個心灘,心灘長度大于543 m,該心灘平均厚度5.1 m,則長厚比大于106∶1。
3.3.3.2 河道構型及規模分析
如圖5-b所 示, 在 盒8下2-1單層,SSF-12與SSF-13井GR曲線均為箱型曲線,SSF-H井中部發育明顯的落淤層,GR曲線回返明顯,故判斷SSF-12與SSF-13井均鉆遇心灘砂體前部(迎流面),SSF-H井鉆遇心灘尾部(背流面)。因古水流方向為近南北向,與3口井剖面近乎垂直,所以3口井鉆遇心灘應分屬于3個不同的心灘砂體。同時觀察井SSF-12、SSF-13井井底壓力出現明顯的下降,說明三者在盒8下

圖5 基于干擾響應的構型單元空間組合圖
2-1單層互相連通。因此可以推測SSF-12井與SSF-H井、SSF-13井與SSF-H井之間分別存在一個砂質充填的辮流水道,溝通了3個心灘砂體。自西向東呈現出了:心灘(SSF-12)—砂質水道—心灘(SSF-H)—砂質水道—心灘(SSF-13)這種“灘道相間”沉積格局,且這3口井砂體厚度及砂體頂部高程沒有明顯差異,由此可以推斷出,SSF-12、SSF-H、SSF-13井屬于同一條辮狀河河道。故河道寬度大于SSF-12、SSF-13井之間的距離,即河道寬度大于943 m。SSF-12、SSF-H、SSF-13井平均砂體厚度為6.5 m,則河道寬厚比大于145∶1。
利用上述方法對4個井組逐一進行分析,識別出4個心灘砂體(井組號:1、6、10、17)(表2),由于這4個井組與古水流方向近平行,故每個井組間的激動井與觀察井之間的井距可以視為心灘長度,平均視心灘長度650.3 m。由于心灘砂體不可能在井外馬上尖滅,故該值可作為心灘砂體長度的下限值。識別出3個河道(井組號:2~3、8~9、11~12),這3個井組與古水流方向近垂直,故每個井組間的激動井與觀察井之間的井距可以視為河道寬度,平均視河道寬度1 010.0 m,該值可以作為河道寬度的下限值。
結合構型分析結果與干擾試井定量分析結果,建立了4種不同砂體的連通模式:a.單砂體內部連通;b.井間砂質辮流水道連通;c.河道下切連通;d.不同層河道下切+砂質水道造成連通。
3.4.1 單砂體內部連通
這種連通方式是表現為兩口井鉆遇同一個心灘砂體(圖6-a),干擾壓降信號在井間速率最快,這種連通模式多出現在近平行古水流方向(表2)。如在以SSF-H為激動井的5口干擾井中(1~5號),1號為近平行古水流方向的單砂體內部連通模式,干擾壓降信號自激動井SSF-H向觀察井SSF-16的傳遞速率最快,為0.003 6 MPa/(km·d),而其他類型的連通模式(2~5號)傳遞速率則相對較低。以同一口井為激動井的干擾井組中普遍存在類似現象。

表2 干擾試井響應定量分析及砂體規模表
3.4.2 井間砂質辮流水道連通
這種連通方式表現為兩口井鉆遇兩個心灘砂體(圖6-c),但由于心灘砂體之間存在砂質充填的辮流水道,導致兩個砂體存在一定程度的連通性,這種連通模式多出現在近垂直古水流方向(表2)。如在以SSF-P為激動井的7口干擾井中(10~16號),SSF-2、SSF-6井(11、12號)為井間砂質辮流水道連通模式,在SSF-2、SSF-6井可以觀測到來自激動井SSF-P井的干擾壓降信號,但傳播速率相對單砂體內部連通模式較低。井間砂質辮流水道連通模式下干擾壓降傳遞速率反映了井間砂質充填的程度,SSF-2井傳播速率比SSF-6井要高,故推斷SSF-P與SSF-6井間的辮流水道砂質含量要高于SSF-P與SSF-2井間的砂質含量。

圖6 砂體連通模式圖
3.4.3 河道下切連通
這種連通方式表現為后一期沉積河道對前一期河道形成下切,造成垂向上兩個相鄰的層相互連通。河道下切連通又分兩種情況:一種是兩口井分別在兩期河道鉆遇兩個心灘,兩個心灘直接下切連通(圖6-b);另一種是,在同1口井兩期河道鉆遇兩個心灘,前一期河道的心灘與另外1口井之間通過井間砂質辮流水道連通(圖6-d)。這類連通模式的壓降傳遞速率比前兩種相對要小(表2)。
從表2可以看出,在干擾的井組中,砂體連通以單砂體內部連通、井間砂質辮流水道連通兩種模式為主,約占總數的83.3%,河道下切連通模式所占比例很小。
2015年在SSF密井網區北部順古流向方向部署2口水平井,目的層均為盒8下2-1單層。綜合測井、錄井等資料,在SSF-B-H1水平段識別出2個心灘(圖7),巖性以灰白色中—粗砂巖為主,GR值介于25~60 API,全烴平均值9.2%。心灘1號長度約870 m,心灘2號長度約176 m。兩個心灘中間存在1個長度約63 m的辮流水道,巖性以砂質泥巖為主,GR值介于60~150 API,全烴平均值0.4%。在SSF-C-H1水平段識別出1個心灘,心灘長度約787 m,其巖性、GR值、全烴值與SSF-B-H1鉆遇心灘相近。心灘之后存在1個砂質辮流水道,巖性以細砂巖—砂質泥巖為主,GR值介于50~130 API,全烴平均值3.3%。利用水平井解剖所得到的心灘規模以及心灘與辮流水道分布特征與構型表征結果具有較好的一致性。

圖7 水平井構型單元規模圖
河流沉積背景下的致密砂巖儲層非均質性極強,不僅體現在巖相的變化上,而且在沉積相序關系及微幅構造方面都比較突出,大大增加了三維地質建模的難度。經過多種建模方法的對比,前人探索形成了“確定+隨機”的分級建模思路,并在此指導下,利用儲層構型表征成果,采用“基于目標+多點地質統計學”的方法建立了儲層構型模型,為四級構型單元定量表征提供了便捷實現的途徑。但實際應用過程中,受直定向井資料局限以及基于目標方法中要素分布按比例嵌套的隨機性影響,構造和構型模型的精度無法滿足井位優化部署的需求。因此重新梳理了建模思路和方法,對影響模型精度的因素和過程進行精簡優化,沿用前人的研究思路,仍采用“確定+隨機”的分級建模思路(圖8):首先利用儲層構型表征成果,確定性對五級構型單元進行刻畫。在河道相模型約束下,利用直井、水平井資料,輔以4級構型單元表征規模參數(表3)為依據調整變差函數,采用序貫指示模擬的隨機方法建立巖相模型。需要指出的是,為消除水平井資料統計時砂巖概率偏高的誤區,變差函數調試過程中,砂巖概率與垂向變程通過直井資料獲取,主次方向變程通過直井與水平井資料共同獲取,最終建立的巖相模型精度得到明顯提高,對以水平井規模開發為主且井網復雜的工區建模具有重要意義。

圖8 基于構型表征結果的三維地質建模流程圖

表3 基于構型表征的砂體規模參數表
利用工區新完鉆的3口直定向井對模型精度驗證分析。將新井置于模型,實鉆厚度與預測厚度基本吻合,主要誤差體現在小層構造面的整體抬升或下降,層面誤差范圍0~4 m,平均誤差1.8 m。為消除構造因素對儲層預測的影響,利用3口新井分層數據對模型更新,然后采用單元網格匹配的方法(n=397)將測井解釋與巖相模型預測的砂體進行對比。3口井符合率分別為達91.3%、76.8%、78.6%,平均符合率82.3%,表明該模型精度較高。
利用三維地質模型對儲層及各屬性參數的開展空間預測,優化井位部署。首先利用建立的NTG(有效厚度)模型,分單層輸出厚度平面圖,然后將單層疊加求和,形成主力層位的有效厚度平面圖。基于有效厚度平面分布及井網控制程度優選甜點區進行井位部署,同時考慮縱向厚度,優化井型。如圖9所示,在盒8下有效厚度平面分布圖中,所在區域疊加厚度約15 m,在現有井網條件下,南側具有部署直定向井和水平井的空間,隨后將模型過井切片,厚度較為集中,適合水平井開發,優化部署2口水平井;同時利用模型,對水平井軌道進行設計優化[30]。沿水平段方向進行切片,同時參考多個屬性剖面,在砂巖概率剖面上沿高概率(大于70%)、在含氣飽和度剖面上沿高值(大于60%)進行靶點設計優化,充分考慮儲層的空間疊置關系,確保實鉆效果。

圖9 甜點區水平井部署圖
在模型中,將部署直井完鉆剖面與模型預測結果進行對比,若預測精度較高,可直接利用模型進行隨鉆指導,降低井位實施風險;在水平井隨鉆地質導向過程中,實時更新數據,依據鄰井及局部巖性變化標志,預測目的層位置,指導精準入靶。入靶后對構造模型進行修正,根據模型預判實鉆過程中儲層變化、泥巖夾層、含氣飽和度低值區等情況,及時調整軌跡,有效保障水平井實施效果[31-32]。同時通過模型預測的水平段穿越有效厚度位置,為優化射孔提供地質依據。
1)干擾試井與測井、錄井資料相結合,開展儲層構型解剖,能夠更加精確的確定不同級別砂體規模及連通關系。
2)蘇里格氣田SFF密井網區視河道寬度下限約1 010.0 m,視心灘砂體長度下限約 650.3 m。
3)辮流水道分為泥質充填、砂質充填2類,充填類型對相鄰心灘砂體連通性起到直接作用。泥質充填對相鄰心灘砂體間流體滲流起到阻隔作用,砂體充填能夠溝通相鄰心灘砂體。
4)依據表征結果,建立了4種井間砂體連通模式。其中單砂體內部連通、井間砂質辮流水道連通2種模式為主要連通模式。在激動井為同一口井的干擾井組中,單砂體內部連通模式壓降傳播速度最快,連通性最好,井間砂質辮流水道連通次之,河道下切連通相對少見。
5)基于儲層構型表征結果,為三維地質建模提供有效地質約束,顯著提高模型精度。利用地質模型開展井位優化部署及水平井軌道設計,并進行井位動態跟蹤和隨鉆地質導向,實際應用效果較好。