低滲透儲層四維地質模型研究
——以坪橋前山二區長6為例

王 強, 劉文強, 田偉偉

（陜西延長石油<集團>有限責任公司研究院, 陜西西安 710075）

低滲透油田在注水開發過程中, 隨著地下流體性質的變化, 儲層物性、非均質性和微觀孔隙結構都會發生動態變化, 物性變化尤為明顯。而儲層的物性及其非均質性又是控制剩余油分布最直接的地質因素, 因此建立反映低滲透儲層性質動態變化的四維地質模型對于提高油田開發效果顯得尤為重要。坪橋前山自2010年開始規模注水開發, 經過長時間的注水開采, 長6儲層屬性發生微觀和宏觀的變化。這些儲層宏觀的非均質性和微觀屬性的變化導致剩余油分布更加不均勻, 給油藏的穩產帶來挑戰。因此必須深入研究開發中后期儲層參數的動態演化規律, 建立儲層四維模型的理論、方法, 建立起剩余油的分布模式, 從而指導該油田開發以提高其采收率。

1 四維地質模型建立思路和方法

建立儲層四維地質模型一直是油藏工程師所努力想要實現的目標。近年來, 國內外學者對儲層四維地質模型進行了研究[1-5], 并取得了一定效果。儲層四維地質建模是基于儲層三維屬性靜態模型, 以時間為軸, 形成不同開發階段各項屬性參數的三維可視化模型。由于低滲透油田開發過程中儲層的敏感性和相應資料獲取的局限性, 使得四維地質模型的建立有很大難度, 特別是很難有效預測儲層剩余油分布。目前儲層四維建模的方法主要是應用注水開發前后的巖芯分析資料建立不同時期儲層參數的測井解釋模型, 分別求取注水開發前后的儲層參數, 再通過隨機建模分別建立注水開發前后的儲層參數三維地質模型, 以此達到建立四維地質模型的目的。但是該方法無法實現對儲層參數變化規律的預測, 并且沒有考慮低滲透油田開發過程中存在的較為明顯的應力敏感效應。再者兩種常規的測井手段電阻率測井和核測井確定儲層剩余油飽和度有一定的局限性[6]。為了解決這個問題, 揭示低滲透儲層物性在注水開發過程中的變化規律, 筆者以坪橋前山二區長6油層為例, 利用低滲透儲層巖石應力敏感性來求取中含水期井點的孔隙度、滲透率參數, 并提出利用巖芯測試的油水相對滲透率資料和日常生產動態數據來確定剩余油飽和度的實用方法。最后基于地質建模軟件Petrel, 應用隨機模擬技術, 優選模型與模擬參數, 預測不同開發階段儲層參數的井間分布, 從而建立起儲層參數動態變化的四維地質模型。

2 地質概況

坪橋前山二區位于陜甘寧盆地的中部, 處于陜西省安塞縣坪橋鎮境內。區內構造簡單, 地層平緩, 無斷層發育, 地層傾角約0.7°, 為一東高西低的單斜構造, 屬于典型的巖性油氣藏。含油儲層為三疊系延長組長61、長62、長63油層, 油藏埋深1000～1460m, 油層厚度85～95m, 屬內陸淡水湖泊河控三角洲沉積體系。油層孔隙度8%～14%, 有效滲透率（0.1～3）×10-3mD, 含油飽和度39%～65%, 屬特低孔特低滲砂巖儲層。在該區常規鉆井需經壓裂后才能獲得工業油流, 單井產量一般2～3t/d, 屬典型的低孔、低滲、低產的“三低”油田。此類低滲透儲層在注水開發過程中儲層物性、孔隙結構、非均質性會發生動態變化, 儲層的地質模型也會隨著開發的進程而發生變化, 因此深入地開展不同時期不同儲層參數的三維建模研究, 建立儲層四維模型, 對該油田的下步調整挖潛具有十分重要的意義。

3 儲層四維地質模型的建立

3.1 不同開發階段儲層參數的計算

（1）開發初期儲層參數的計算。坪橋前山二區長61～長63油層開發初期孔隙度（φ）、滲透率（K）和含油飽和度（So）的測井解釋模型如下：

①孔隙度測井解釋模型：

式中：AC——聲波；

R——相關系數；

Rw——地層水電阻率, 為0.07Ω·m；

Rt——地層電阻率；

a、b、m、n——分別取值4.1123、1.0136、1.2820、1.6249。

由式（1）、式（2）和式（3）可求得開發初期井點處孔隙度、滲透率和含油飽和度值。

（2）中高含水期儲層參數的計算。

①孔隙度、滲透率。隨著注水開發過程的進行, 注入水不斷地流入地層, 導致地層壓力不斷變化。油層具有彈性和塑性二重性, 但低滲儲層由于巖石礦物成熟度較低, 成巖作用較強, 壓實程度較大, 因而其壓應力以塑性變形為主。所以壓力對低滲透油層影響特別強烈。因此利用低滲透儲層巖石應力敏感性來求取中含水期的孔隙度、滲透率參數。

變圍壓實驗和變內壓實驗是目前普遍應用的評價儲層巖石應力敏感性的方法[7-8]。此次研究分別對研究區杏2001井和杏2003井取芯進行了恒內壓變圍壓、恒圍壓變內壓實驗。實驗結果如圖1～圖2所示。當有效應力增加時, 長6油組孔隙度、滲透率隨有效應力增大都呈下降趨勢, 且滲透率下降幅度略大于孔隙度（圖1、圖2）。在有效應力下, 長6油組孔隙度損失率為1.51%～2.99%, 平均1.95%。巖石孔隙度與有效應力成二次三項式遞減關系；滲透率與有效應力成指數遞減關系。

圖1 有效應力與孔隙度關系曲線（杏2001井118號樣）

圖2 有效應力與滲透率關系曲線（杏2003井36號樣）

根據應力敏感性實驗結果可以得到孔隙度與有效應力的關系式：

式中：P——地層壓力, MPa；

Pi——原始地層壓力；

φi——開發初期井點原始孔隙度；

φ——中高含水期孔隙度；

Ki——開發初期井點滲透率；

K——中高含水期滲透率；

b——應力敏感指數, 取0.0174。

根據公式（4）和式（5）, 統計坪橋前山二區的靜壓測試資料, 做研究區的地層壓力分布等值線圖, 結合前山的原始地層壓力, 可求得研究區中含水期井點孔隙度、滲透率的值。

②飽和度。目前常用電阻率測井和核測井兩種測井手段來確定儲層剩余油飽和度。但這兩種手段都有一定的局限性：對于電阻率測井, 既無法準確確定地層水混合液電阻率；也無法在套管完井中應用, 不能動態監測地層剩余油分布。對于核測井, 其測量條件苛刻探測深度淺、作業復雜, 成本較大。在這種背景下, 此次研究利用常規日常生產數據確定產層剩余油飽和度及其分布。實際上, 生產數據（產水率）直接反映產層流體各相比例和性質, 通過油水相對滲透率作為橋梁將生產數據和產層參數（含水飽和度）聯系起來, 進而利用日常生產數據確定產層的剩余油飽和度及其分布。

假設油藏注采達到平衡, 油井處于穩定生產期, 產層中流體是不可壓縮的, 即流量為常數；產層壓力大于孔隙中流體泡點壓力, 即產層只有油和水為可動流體, 且流動方向相同；水驅油是在垂向平衡下進行的, 且產層為水平方向, 忽略重力效應；因此井眼附近流體流動情況可以用一維徑向流模型來描述。

應用徑向流達西定律, 油水同時流動時, 忽略毛管壓力沿徑向變化時, 地面水的質量分流量公式為：

因此, 中高含水期含油飽和度的求解思路：先利用油藏的歸一化相滲曲線數據（圖3）根據式（7）進行擬合回歸, 得到油藏相對滲透率曲線特征參數a、C值；再利用日常生產數據計算地面產水率fw；最后將原油的高壓物性數據（表1）帶入式（9）即可得到中高含水期的含油飽和度：

表1 坪橋前山二區原油高壓物性數據

圖3 坪橋前山二區歸一化相滲曲線

3.2 儲層四維地質模型的建立

（1）儲層沉積特征。坪橋前山地區長6為三角洲前緣亞相沉積, 主要發育有水下分流河道、水下分流河道側緣、水下分流間灣3種微相類型。儲層以灰色、淺灰色細砂巖為主, 顆粒磨圓度較差, 分選中等, 嚴格受沉積微相控制, 目的層平面及縱向物性差異較大, 非均質性嚴重, 層間矛盾突出。工區層理類型比較豐富, 以三角洲前積作用形成的板狀交錯層理為主, 水平層理、塊狀層理次之, 較發育槽狀交錯層理；同時可見到發育較好的沖刷構造、滯留沉積。

（2）相控隨機建模。結合長6油層地質研究和井網部署情況, 此次建模中定義的網格大小為20m×20m×0.65m。以各井點開發初期和中高含水期的孔、滲、飽數據為已知條件, 應用相控隨機建模的方法, 建立了開發初期及中高含水期儲層參數的四維模型。

首先以小層沉積微相平面展布圖為約束條件建立沉積微相確定性模型（圖4）；其次統計不同微相內各物性參數的分布特征, 并進行正態分布轉換和消除異常值處理；再分析和選擇變差函數的類型, 確定主變程、次變程和垂直變程；最后對不同沉積微相下的物性參數采用序貫高斯模擬的方法進行物性參數的隨機模擬并將模擬結果進行合并, 從而得到相控物性參數分布模型[9-10]。從相控前后儲層參數分布情況（圖5）可見, 非相控模擬的結果中孔隙度高值區在研究區內隨機分布, 在水下分流間灣的地方還有較高的孔隙度, 顯然不符合地下實際情況。由此可以看出, 通過相控方法所建立的儲層參數模型更能反映地下含油氣儲層的屬性分布規律。

圖5 長621小層相控前后孔隙度分布

對比開發初期、中高含水期的三維地質模型變化, 可以發現長621孔隙度在全區變化幅度小, 通過一段時間的注水開發基本保持不變；滲透率在全區總體減小, 在注水井附近局部增大；含油飽和度在全區明顯降低, 剩余油多富集在水下分流河道側翼。

（3）剩余油分布規律。影響剩余油分布的因素主要有沉積微相和儲層非均質性：邊緣相帶的儲層物性差、水淹程度低, 剩余油相對較富集；層間、層內、平面非均質性都會導致注入水沿著高滲透層注入, 低滲透層相對剩余油富集。從圖6可以看出, 由于水下分流河道側翼物性差, 非均質性強, 注水難以波及, 在水下分流河道的側翼局部見剩余油富集；再者, 縱向上粒度韻律、滲透率非均質程度、非滲透夾層造成高滲透方向水洗程度高, 剩余油飽和度低, 低滲透方向剩余油相對富集。因此呈正韻律模式的水下分流河道下部水淹程度大, 剩余油富集在砂體上部。將四維模型與同期進行剩余油飽和度測試的生產井進行對比后發現, 模型中相應生產井的剩余油飽和度與剩余油測試結果差別不大。可見, 建立的剩余油分布模型與生產實際情況是比較接近的。

圖6 中高含水期長621小層含油飽和度平面分布

（4）礦場應用及效果。根據建立的長6儲層四維地質模型, 針對剩余油富集區域, 對該區油井的長621剩余油的挖潛方案做了調整。由圖7可以看出, 長621小層砂體上部補射后, P198-4井產油量由0.26t/d上升至0.59t/d, P300-5井產油量由0.22t/d上升至0.77t/d, 增油效果明顯。可見, 通過建立四維地質模型得到的剩余油分布規律的方法是可行有效的。

圖7 P198-4和P300-5生產曲線

4 結束語

（1）不同開發階段儲層參數的求取是建立四維地質模型的關鍵。

（2）儲層滲透率受儲層巖石應力敏感性影響的變化幅度要大于孔隙度。

（3）提出了利用巖芯相滲資料和日常生產數據建立含油飽和度和地面產水率關系式的方法, 用地面產水率算出剩余油飽和度, 為儲層剩余油分布規律研究提供了一種新的思路。

（4）與目前常規的儲層四維建模方法相比, 本文所建模型不僅考慮了低滲透儲層的應力敏感性, 還克服了常規測井手段確定剩余油飽和度的局限性, 能實現對儲層參數變化規律的預測, 對油田剩余油挖潛具有重要的指導意義。