龍安林 馬宏宇 魯珊珊 丁繼偉 蔣文博 曾雪梅 熊 宇

（1.中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736200；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

目前，測井巖性識別已經(jīng)從常規(guī)測井方法發(fā)展到應(yīng)用地層元素測井、元素掃描測井等新技術(shù)。在解釋方法上常用多元統(tǒng)計(jì)回歸、交會圖、多礦物模型、最優(yōu)化算法，以及主成分分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)方法［3-4］。圖形聚類分析方法可很好地解決非線性問題，表現(xiàn)出較好的自適應(yīng)性和準(zhǔn)確性，在油氣田開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文將改進(jìn)的圖形聚類分析方法（MRGC）引入巖性識別過程中，考慮到巖性對儲層物性的控制作用，在巖性識別基礎(chǔ)上建立物性參數(shù)解釋模型。

水淹層定量解釋的核心參數(shù)是含水飽和度和產(chǎn)水率，水淹儲層飽和度的求取關(guān)鍵是混合地層水電阻率的確定，前人多采用模擬油藏條件的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)方法［5-6］，但是和實(shí)際油層水驅(qū)開發(fā)相比，室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)有2個(gè)弊端：一是注入水與巖心束縛水之間的離子交換作用非常微弱；二是地層巖石骨架中的氯化鹽被混合液溶解，其作用體現(xiàn)不出來。本文從測井曲線信息出發(fā)，利用影響因素校正后的自然電位曲線求取混合地層水電阻率，進(jìn)而計(jì)算儲層的目前含水飽和度。目前產(chǎn)水率的求取主要還是基于相滲實(shí)驗(yàn)，但分流量方程形式較為復(fù)雜，各項(xiàng)系數(shù)確定難，本文基于相滲實(shí)驗(yàn)建立了簡化實(shí)用的產(chǎn)水率預(yù)測模型，應(yīng)用于水淹解釋中見到了良好效果。

1 巖性識別標(biāo)準(zhǔn)

巖性識別是儲層精細(xì)描述的重要內(nèi)容，是進(jìn)行儲層參數(shù)解釋、沉積相類型劃分、非均質(zhì)性研究的基礎(chǔ)性工作。針對尕斯庫勒油藏開發(fā)歷程長、儲層巖性多樣、成分復(fù)雜的特點(diǎn)，在不同巖性不同測井系列的測井響應(yīng)特征分析基礎(chǔ)上，優(yōu)選測井曲線關(guān)鍵參數(shù)，采用多分辨率圖形聚類分析方法建立巖性識別標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 不同巖性測井響應(yīng)特征

圖1 不同巖性測井響應(yīng)對比Fig.1 Comparison of logging response of different lithology

1.2 測井巖性識別

利用曲線交會圖方法進(jìn)行巖性識別是常用方法，但是存在一定局限性。交會圖法利用的曲線信息較少，交會數(shù)據(jù)必須具有明顯的分界，在巖性相對富集區(qū)域效果欠佳。采用改進(jìn)的基于多分辨率圖形聚類分析方法（MRGC）避免了以上問題，其算法核心原理是從訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)和需要預(yù)測的巖性新數(shù)據(jù)項(xiàng)中提取特征值，將這些特征值轉(zhuǎn)換到向量空間，并將這2組數(shù)據(jù)進(jìn)行集中比較，從中找出與待預(yù)測數(shù)據(jù)項(xiàng)最為接近的m個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，并對其平滑處理以得到最終的預(yù)測結(jié)果［7-9］。

利用5口取心井巖心樣本數(shù)據(jù)，在分析巖性測井響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，優(yōu)選自然伽馬、自然電位、聲波時(shí)差、密度、深側(cè)向電阻率曲線作為樣本曲線，進(jìn)行曲線方波化；采用向量空間模型，將優(yōu)選的方波化測井曲線和巖性分析樣品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為若干個(gè)特征組成的空間形式(t1，t2，…，tm)；再將各個(gè)特征樣本在曲線數(shù)據(jù)上賦予的數(shù)值填充到向量空間中。

最終一個(gè)樣本數(shù)據(jù)dj的數(shù)學(xué)表示形式為wj(w1j，w2j，…，wmj，…，w|T|j)，其中wmj表示的是tm在樣本數(shù)據(jù)dj上的值，|T|表示特征向量的維數(shù)。當(dāng)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)向量化后，可以通過空間中兩個(gè)樣本特征向量的幾何尺度表征來確定其相似性，一般采用歐幾里德距離來表示，公式為

式中：sim（X，Y）——?dú)W幾里德距離；X，Y——數(shù)據(jù)向量；xi，yi——兩個(gè)樣本特征向量中的數(shù)據(jù)。

通過式（1）可以計(jì)算待預(yù)測的巖性數(shù)據(jù)特征向量和訓(xùn)練樣本所有特征向量的距離，利用高斯函數(shù)將距離轉(zhuǎn)換為權(quán)重，根據(jù)距離的遠(yuǎn)近對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行貢獻(xiàn)值補(bǔ)償，公式為

式中：P——最終的預(yù)測結(jié)果；Si——m個(gè)最近鄰中的第i個(gè)；Wi，Wj——Si對應(yīng)的權(quán)重值。

該方法主要考慮曲線形態(tài)、密度、相關(guān)性來確定數(shù)據(jù)所屬類別，更能有效識別巖性。運(yùn)用驗(yàn)證井X1井的取心資料，對比巖心描述與模型預(yù)測數(shù)據(jù)（圖2），該方法巖性識別符合率達(dá)到88.1%。

圖2 X1井取心井巖心描述與模型預(yù)測對比Fig.2 Comparison between core description and model prediction of X1 coring well

2 參數(shù)模型及油水識別標(biāo)準(zhǔn)

儲層參數(shù)計(jì)算與油水層識別是測井解釋評價(jià)的重要研究內(nèi)容。受取心、試油等資料的數(shù)量和質(zhì)量限制，尕斯庫勒油藏勘探初期建立的儲層參數(shù)模型考慮的影響因素較為單一，細(xì)化程度不夠，精度不能滿足后期精細(xì)開發(fā)地質(zhì)需求，如孔隙度相對誤差9.1%，原始含油飽和度平均絕對誤差5.3%。此外，隨著開發(fā)的深入，勘探初期的油水識別標(biāo)準(zhǔn)不再適用，油藏油水分布需重新認(rèn)識。在研究測井響應(yīng)特征規(guī)律基礎(chǔ)上，通過細(xì)分小層、細(xì)化測井系列等工作提高儲層參數(shù)測井解釋精度。

2.1 參數(shù)測井解釋模型

該地區(qū)檢查井的儲層巖性分析表明，Ⅰ、Ⅲ油層組巖性較為均勻，以粉砂、細(xì)砂巖為主，很少含礫，Ⅱ、Ⅳ油層組發(fā)育含礫砂巖、礫巖，尤以Ⅳ5油層組更明顯。

依據(jù)該地區(qū)測井解釋經(jīng)驗(yàn)及巖心數(shù)據(jù)與測井曲線交會圖分析，優(yōu)選對物性比較敏感的曲線建立解釋模型。應(yīng)用16口取心井170層資料，分引進(jìn)和JD-581系列，分別對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ1—Ⅳ4、Ⅳ5油層組，利用反映物性的聲波時(shí)差、密度曲線，同時(shí)考慮了泥質(zhì)含量對儲層孔滲的影響，加入了自然伽馬相對值校正項(xiàng)，建立了油藏儲層有效孔隙度、空氣滲透率及束縛水飽和度模型，模型精度滿足儲量規(guī)范的要求。通過劃分不同系列和細(xì)分小層，新模型精度均有所提高（表1）。

表1 儲層參數(shù)模型及精度對比Table 1 Reservoir parameter model and accuracy

2.2 油水識別標(biāo)準(zhǔn)

E31油藏Ⅰ1—Ⅳ4油層組的儲層巖性以砂巖、粉砂巖為主，而Ⅳ5油層組的儲層巖性以礫巖、含礫砂巖為主，這兩類儲層的物性差異大、電性測井響應(yīng)規(guī)律不同，因此針對這兩類油層分別建立油水層解釋標(biāo)準(zhǔn)。此外，考慮到油藏開發(fā)過程中測井采集系列的變化，需分別考慮不同測井系列建立不同的標(biāo)準(zhǔn)。引進(jìn)系列優(yōu)選出自然電位、深感應(yīng)電阻率等曲線，JD-581系列優(yōu)選出自然電位、6 m梯度視電阻率、0.45 m梯度視電阻率曲線，對不同油層組、不同厚度類型分別建立了尕斯庫勒油田E31油藏油水層判別標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2 尕斯庫勒油田油水層解釋標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Interpretation criteria of oil and water layers in Gaskule Oilfield

3 水淹層測井解釋

3.1 曲線影響因素校正

目前含水飽和度的準(zhǔn)確計(jì)算是提高水淹解釋精度的基礎(chǔ)，根據(jù)前人研究成果，阿爾奇公式仍然適用于水淹儲層飽和度解釋［10］，關(guān)鍵是各項(xiàng)參數(shù)的確定，飽和度公式為

式中：Sw——目前含水飽和度，%；a、b——系數(shù)；Rwz——地層水混合液電阻率，Ω·m；Rt——原狀地層電阻率，Ω·m；?e——有效孔隙度，%；m——膠結(jié)指數(shù)；n——飽和指數(shù)。

其中地層混合液電阻率值Rwz是目前水飽和度計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)，主要受礦化度的影響，其計(jì)算公式為

其中：VSSP——地層靜自然電位，mV；Rmf——鉆井液濾液電阻率，Ω·m；K*——自然電位系數(shù)。

對于水驅(qū)開發(fā)儲層，注入水會導(dǎo)致地層水礦化度發(fā)生變化。而在常規(guī)測井信息中，自然電位曲線能反映水淹后地層混合液礦化度的變化，是目前常規(guī)測井資料計(jì)算地層混合液電阻率的依據(jù)［11-12］。通常在鉆井液性能基本不變及地層壓力正常的情況下，自然電位測井主要受縱向?qū)雍穹直媛省ね梁?、地層水礦化度的影響，通過層厚校正、泥質(zhì)含量校正，將測井響應(yīng)資料補(bǔ)償校正成只有礦化度為主要影響因素的“純砂巖”響應(yīng)值［10-12］，其自然電位異常幅度的變化將主要反映地層水礦化度的差異，從而利于該信息進(jìn)行儲層水淹的定量分析，并為飽和度準(zhǔn)確計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

層厚是影響自然電位異常幅度的一個(gè)主要因素。在砂泥巖地層中，當(dāng)?shù)貙雍穸茸儽r(shí)，地層截面變小，根據(jù)自然電位響應(yīng)機(jī)理，相當(dāng)于地層有效電阻增大，導(dǎo)致自然電位降低。根據(jù)砂泥巖地層模型理論模擬，自然電位異常幅度隨儲層厚度減小而減小，當(dāng)層厚與井徑比值大于等于4時(shí)，層厚的影響可忽略不計(jì)。為減小層厚對儲層自然電位異常幅度的影響，根據(jù)電位測井原理，建立層厚與井徑比值和校正系數(shù)之間的關(guān)系（圖3）。

圖3 自然電位測井層厚校正圖版Fig.3 Layer thickness correction chart of SP logging

儲層巖性是影響自然電位異常幅度的另一個(gè)主要因素。在砂泥巖剖面井中，以大段泥巖處的自然電位曲線作為基線，在自然電位曲線上出現(xiàn)異常變化的多為砂質(zhì)巖層。當(dāng)目的層為純砂巖時(shí)，它與圍巖交界處的VSSP達(dá)到其最大值VSSPmax。儲層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加，將使總自然電動(dòng)勢減小，自然電位異常幅度減小。根據(jù)自然電位原理確定自然電位校正因子的表達(dá)式為

式中：ΔVSP——自然電位校正因子，mV；VSPmax、VSPmin——自然電位的最大值與最小值，mV；φsh——泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；c——與地層年代有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3.2 水淹定量解釋標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)水率作為判斷油層水淹程度最重要的指標(biāo)，是評價(jià)水淹油藏剩余潛力、確定剩余可采儲量的重要參數(shù)。

Park Jone等［13］國外學(xué)者提出了關(guān)于近似估算泥質(zhì)砂巖的相對滲透率關(guān)系式：

式中：Krw、Kro——水和油的相對滲透率，%；Sw、Swi——分別為儲層目前含水飽和度和束縛水飽和度；a*、b*、c*——分別為本地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

在油水兩相滲透區(qū)中，油水同時(shí)流動(dòng)，而且都服從達(dá)西線性滲透定律時(shí)，若不考慮油水重力差和毛管力的作用，可得到產(chǎn)水率的分流量方程［13］，公式為

式中：fw——產(chǎn)水率，%；μw、μo——水和油的黏度，Pa·s。

將式（6）、式（7）代入式（8）得到產(chǎn)水率的公式為

可以看出，儲層產(chǎn)水率fw與束縛水飽和度Swi、可動(dòng)水飽和度ΔS(Sw-Swi)之間存在一定的隱函數(shù)關(guān)系，而研究區(qū)巖心樣品相滲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同滲透率區(qū)間可動(dòng)水飽和度與產(chǎn)水率具有較好一致性規(guī)律，所以可以按滲透率將儲層分為幾類建立可動(dòng)水飽和度與產(chǎn)水率的定量關(guān)系。

當(dāng)滲透率小于60×10-3μm2時(shí)，計(jì)算公式為

當(dāng)滲透率大于等于60×10-3μm2且小于等于100×10-3μm2時(shí)，計(jì)算公式為

當(dāng)滲透率大于100×10-3μm2時(shí)，計(jì)算公式為

利用式（9）—式（11），根據(jù)可動(dòng)水飽和度計(jì)算產(chǎn)水率，再以產(chǎn)水率10%、40%、80%作為分界線將水淹級別劃分為4個(gè)等級，即未水淹、弱水淹、中水淹和強(qiáng)水淹，實(shí)現(xiàn)儲層水淹級別的劃分。

4 應(yīng)用效果

圖4 井X2新增潛力解釋結(jié)果Fig.4 New potential interpretation of Well X2

以井X2為例，該井位于構(gòu)造軸部，經(jīng)多年開發(fā)日產(chǎn)油量降至0.1 t，Ⅰ5a、Ⅰ5b與Ⅰ6b3個(gè)小層勘探初期解釋為干層，二次測井解釋評價(jià)孔隙度8.0%～11.1%，平均滲透率8.1×10-3μm2，含油飽和度55.5%，綜合解釋為差油層，兩層合并射孔作業(yè)日產(chǎn)油3.17 t，驗(yàn)證測井二次解釋結(jié)果的合理性。此外，為滿足研究區(qū)剩余油評價(jià)需要，上述解釋方法應(yīng)用于加密調(diào)整井的測井解釋。

利用12口新調(diào)整井動(dòng)態(tài)資料進(jìn)行水淹層解釋后驗(yàn)證，在14個(gè)射開小層中，測井水淹解釋結(jié)論與動(dòng)態(tài)資料符合的小層數(shù)為11個(gè)，水淹解釋符合率為78.6%（表3）

表3 動(dòng)態(tài)資料水淹層解釋結(jié)論（部分）Table 3 Comparison of interpretation of water swept layers of dynamic data(partial)

5 結(jié)論

（1）采用改進(jìn)的基于多分辨率圖形聚類分析方法（MRGC）建立巖性識別標(biāo)準(zhǔn)，儲層巖性識別精度較高，巖性識別符合率達(dá)到88.1%，為儲層沉積相帶的劃分及非層內(nèi)砂體構(gòu)型研究提供支撐。

（2）在研究測井響應(yīng)特征規(guī)律基礎(chǔ)上，通過細(xì)分小層、細(xì)化測井系列的方式精細(xì)建立測井解釋模型，提高了儲層參數(shù)和油水識別精度，滿足了開發(fā)井測井二次精細(xì)評價(jià)的要求。

（3）利用經(jīng)過影響因素校正的自然電位計(jì)算地層水電阻率來求取目前水飽和度，結(jié)合室內(nèi)滲流理論建立的產(chǎn)水率模型，水淹解釋精度可以滿足剩余油評價(jià)需求。

（4）綜合巖性、儲層參數(shù)、油水分布及水淹層解釋成果，為油藏精細(xì)描述及剩余潛力分析提供技術(shù)支撐。