謝倩, 劉尚奇, 王瑞峰, 楊軒宇

(中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083)

自20世紀90年代,已有學者對注水開發(fā)模式下油藏儲層動態(tài)變化開展了大量研究工作,注入水的長期浸泡和沖刷作用使儲層中的巖石顆粒、黏土礦物等發(fā)生物理化學反應(yīng),導致儲層參數(shù)發(fā)生變化[1-2],形成局部優(yōu)勢滲流通道,注入水沿優(yōu)勢通道無效或低效循環(huán),平面、層間及層內(nèi)矛盾加劇[3-4],剩余油分布整體高度分散、局部相對富集,地下滲流場較開發(fā)初期發(fā)生很大變化[5],依據(jù)初始儲層物性參數(shù)已不能有效指導開發(fā)后期工作。

縱觀有關(guān)儲層物性時變分析與應(yīng)用相關(guān)文獻,對于如何有效定量表征儲層參數(shù)變化規(guī)律,早期主要為儲層物性變化機理研究,逐漸側(cè)重儲層微觀及宏觀參數(shù)變化特征,但仍以定性為主,后發(fā)展到半定量、定量研究[4-13],將定量的物性時變規(guī)律引入主流數(shù)值模擬軟件,實現(xiàn)數(shù)值模擬精細化應(yīng)用。該研究的重點是明確不同地質(zhì)和開發(fā)因素對儲層參數(shù)影響的定量規(guī)律,建立動態(tài)地質(zhì)模型,實現(xiàn)油田實際應(yīng)用。目前多數(shù)研究方法存在考慮影響因素有限,且依賴取心資料,而一孔之見難以代表全區(qū)域,人為主觀影響較大,以及宏觀與微觀物性變化研究缺乏明確聯(lián)系等難點?，F(xiàn)通過分別對儲層微觀、宏觀物性參數(shù)時變研究方法及現(xiàn)狀進行梳理和分類總結(jié),以期啟發(fā)相關(guān)研究者利用新手段建立微觀與宏觀參數(shù)量化關(guān)系,綜合研究不同地質(zhì)、流體、開發(fā)因素下的儲層參數(shù)時變規(guī)律。在此基礎(chǔ)上精確模擬和預(yù)測水驅(qū)油藏優(yōu)勢滲流通道及剩余油分布,從而對油田后期分層注水、優(yōu)化措施等精細化開發(fā)具有重要指導意義。

1 儲層微觀物性時變規(guī)律研究現(xiàn)狀

1.1 室內(nèi)實驗及取心資料分析法

利用不同含水階段油井密閉取心井、巖心水驅(qū)油實驗等資料,對儲層物性參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及儲層滲流特征變化規(guī)律等進行分析研究是目前最常規(guī)的研究方法之一。其中儲層微觀物性參數(shù)包括孔喉半徑(Rmax、Ravg、Rmain、R50)、孔喉比、孔喉形狀及配位數(shù)、分選系數(shù)Sp、變異系數(shù)Skp、峰態(tài)Kp和歪度等[8-9]。

大慶油田、勝利油田經(jīng)過長期注水開發(fā),積累了大量礦場資料,多位學者通過各開發(fā)區(qū)塊不同開發(fā)階段的密閉取心井資料,綜合利用掃描電鏡、鑄體薄片、核磁共振、驅(qū)油實驗和生產(chǎn)動態(tài)、壓汞實驗等方法對孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、儲層物性以及巖性參數(shù)的變化進行分析,儲層微觀參數(shù)變化特質(zhì)具備較高的一致性[8-14]?？傮w上,長期注水沖刷主要影響巖石骨架和孔隙結(jié)構(gòu),不同油藏的物性變化規(guī)律及變化幅度有一定差異,但在一定范疇內(nèi),其變化趨勢具有一致性。對于高滲巖樣(氣測滲透率Ka=2 300 mD),沖刷后巖樣的孔隙度、粒度中值等參數(shù)均有增加趨勢(圖1),分選系數(shù)、泥質(zhì)含量、粉砂含量等明顯減少[10],平均孔喉半徑、孔喉半徑中值增加,中大孔喉個數(shù)增加,直觀上影響了滲透率,滲透率貢獻率也隨之增加,低滲透儲層物性則趨于變差[13]。

圖1 不同滲透率儲層水驅(qū)前后孔喉半徑變化[13]Fig.1 Changes in pore throat radius of the reservoirs with different permeability before and after water flooding[13]

1.2 三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模擬模型

傳統(tǒng)的滲流研究多為宏觀研究,如對孔隙度、滲透率、潤濕性等展開分析,其不足之處是不能確定多孔介質(zhì)內(nèi)部的物理、化學變化特征。Fatt[15]在1956年最先提出網(wǎng)絡(luò)模型概念,后被廣泛用于描述和研究儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與滲流特性[16-27]。

孔隙網(wǎng)絡(luò)模型是將多孔介質(zhì)中復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)抽象為理想的幾何形狀,可進一步分為隨機網(wǎng)絡(luò)模型和真實巖心的網(wǎng)絡(luò)模型[17]。構(gòu)建隨機網(wǎng)絡(luò)模型只需按巖心孔喉數(shù)據(jù)在規(guī)則的網(wǎng)格中隨機分布孔隙和喉道,而不需要借助任何實驗數(shù)據(jù),其在研究儲層參數(shù)變化的內(nèi)在機理時優(yōu)勢明顯[18]。李振泉等[19]建立了油水兩相流三維網(wǎng)絡(luò)模擬模型,討論了不同儲層潤濕性下孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)對剩余油分布規(guī)律的影響,并給出模擬驅(qū)替過程中含水飽和度、絕對滲透率和相對滲透率等計算方法。徐暉等[20]建立了考慮微粒運移的三維網(wǎng)絡(luò)模擬模型,利用有限差分求解方法,量化分析了長期水驅(qū)砂巖油藏孔喉結(jié)構(gòu)變化規(guī)律,并與實驗結(jié)果進行對比,驗證模型的可靠性。馮其紅等[21]、肖康等[22]通過考慮孔喉內(nèi)微粒的脫落、運移、堵塞及由優(yōu)勢通道引起的附加壓力損耗,建立了動態(tài)的三維網(wǎng)絡(luò)模型,從機理上研究了影響優(yōu)勢通道發(fā)育的主要孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù),并模擬得到不同膠結(jié)程度、注采強度下孔隙度、滲透率的變化規(guī)律。

隨機網(wǎng)絡(luò)模型中的孔喉參數(shù)是通過分布函數(shù)隨機賦值,難以開展實際應(yīng)用[17]。而基于真實巖心的網(wǎng)絡(luò)模型則能最大限度地模擬實際巖心的孔喉大小和空間分布,由于構(gòu)建過程需要借助實驗,成本較為昂貴,國內(nèi)受設(shè)備和技術(shù)條件所限,研究薄弱,因此在進一步用于解剖水驅(qū)油藏儲層微觀物性參數(shù)變化規(guī)律方面研究也相應(yīng)較少[23]。但經(jīng)過多年探索,重構(gòu)數(shù)字巖心及構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的技術(shù)和算法得到快速發(fā)展[24-27],未來關(guān)于數(shù)字巖心構(gòu)建的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型勢必會成為儲層孔隙結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律研究的有力工具。

1.3 孔隙結(jié)構(gòu)分形表征

法國數(shù)學家Mandelbrot等[28]提出并創(chuàng)立了分形幾何理論,認為孔隙大小指數(shù)分布與分形維數(shù)存在一種冪律關(guān)系,Katz等[29]通過大量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)砂巖孔隙空間以及孔隙表面都具有很好的分形特性,在一定孔隙半徑范圍內(nèi)可以用分形維數(shù)來表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征。研究表明,砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)介于2～3,分形維數(shù)越大,儲層孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,非均質(zhì)性越強[30]。國內(nèi)外學者先后提出了利用分形維數(shù)描述孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和變化規(guī)律,并建立了孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的分形表征模型[31-33]。

利用分形理論研究非常規(guī)儲層巖性特征是近幾年研究的熱點[34-35],但用于定量表征長期水驅(qū)砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的變化規(guī)律較少。王天琦等[36]綜合利用巖樣壓汞資料和測井資料獲取Df(孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù))、孔隙度、滲透率等物性參數(shù),利用聚類分析回歸Df預(yù)測模型,該方法簡單,但測井解釋的孔隙度、滲透率精度有限。文華[23]利用大慶喇薩杏油田巖心驅(qū)替實驗和壓汞實驗資料,回歸了水驅(qū)前后滲透率、最大孔喉半徑和孔喉半徑中值與分形維數(shù)的關(guān)系曲線(圖2),并計算不同含水率下的孔喉分形維數(shù),建立了儲層孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)動態(tài)演化的數(shù)學模型。掃描圖像也可直觀反映孔隙結(jié)構(gòu),目前利用掃描圖像分析孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的研究尚處于起步階段,但也是孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)定量化表征的方向之一。

圖2 分形維數(shù)與滲透率關(guān)系曲線[23]Fig.2 Relationship curve between fractal dimension and permeability[23]

2 儲層宏觀物性時變規(guī)律研究現(xiàn)狀

2.1 滲透率時變分析

儲層宏觀參數(shù)變化定量分析需要解決兩個問題,一是儲層宏觀參數(shù)如何變化,二是確定時變表征參數(shù)。油藏數(shù)值模擬不直接采用微觀參數(shù),而是通過宏觀參數(shù)(滲透率、孔隙度、相滲曲線等)反映儲層物性時變現(xiàn)象[37]。這一方面國內(nèi)研究較多,不同開發(fā)階段孔滲數(shù)據(jù)獲取方法主要包括:密閉取心資料分析、巖心水驅(qū)油實驗、測井儲層評價、試井資料解釋。密閉取心資料可以直接獲得水洗后儲層物性數(shù)據(jù);巖心驅(qū)替實驗與壓汞實驗交替進行的分析方法,可研究巖樣在不同沖刷倍數(shù)下宏觀物性參數(shù)的變化規(guī)律;測井儲層評價法可分析不同階段完鉆井的孔隙度、滲透率、泥質(zhì)含量等變化特點,研究相應(yīng)物性參數(shù)隨水驅(qū)開發(fā)過程的演化模式[38]。

大量實驗和礦場資料顯示,水驅(qū)開發(fā)過程中,孔隙度變化不大,一般都在測量誤差范圍之內(nèi)[1],滲透率則因儲集層物性差異而具有各自不同的變化規(guī)律[13](圖3)。

圖3 巖心水驅(qū)后滲透率變化率與原始滲透率的關(guān)系[13]Fig.3 Relationship between the change rate of permeability and original permeability of water flooded cores[13]

儲層物性時變的表征方法可劃分為單因素法、多因素法、水驅(qū)強度表征法,其中水驅(qū)強度表征法能體現(xiàn)注水沖刷作用,更為客觀,且易應(yīng)用于數(shù)值模擬中[37]。在物性時變表征的研究中,早期根據(jù)勝利油區(qū)利用礦場密閉取心井資料統(tǒng)計回歸得到滲透率變化倍數(shù)與含水率的關(guān)系[39],但并未體現(xiàn)滲透率變化的根本原因;利用過水倍數(shù),即累積注入量與孔隙體積之比,作為表征參數(shù),體現(xiàn)了注水沖刷對各宏觀參數(shù)的影響,可實現(xiàn)連續(xù)性和方向性表征[40-48]。但計算出的過水倍數(shù)受網(wǎng)格大小影響大,姜瑞忠等[42]、魏峰[45]、趙平起等[46]分別提出面通量、累計面通量、有效驅(qū)替通量等概念,其中面通量可以解決網(wǎng)格大小問題,有效驅(qū)替通量在面通量的基礎(chǔ)上考慮孔隙度,可以準確描述注入水的真實流速,流速越大,作用在巖石顆粒上的壓力梯度越大,巖石顆粒越容易脫落并運移,孔喉變化越顯著。金忠康等[47]則是將上述過水倍數(shù)轉(zhuǎn)換為含水飽和度變化量,并利用商業(yè)軟件實現(xiàn)滲透率時變數(shù)值模擬。

總體看,目前物性時變主要根據(jù)室內(nèi)水驅(qū)油實驗和密閉取心井資料進行分析(表1),但大部分油田巖樣分析數(shù)據(jù)有限,參數(shù)點可能存在較大波動,不足以形成可靠規(guī)律;利用分形理論進行儲層物性變化定量描述,也需要基于不同水驅(qū)階段巖心壓汞實驗數(shù)據(jù);測井評價法中不同階段鉆完井測井解釋滲透率也基于初始孔滲關(guān)系,其數(shù)據(jù)精度可靠性有限。綜上,目前對滲透率定量時變參數(shù)表征精確度不夠,能直觀反映滲透率變化參數(shù)數(shù)據(jù)點不足。

表1 調(diào)研油田滲透率時變規(guī)律總結(jié)Table 1 Variation laws of permeability in water-flooding reservoir

2.2 相滲曲線時變分析現(xiàn)狀

國內(nèi)外大量研究表明,經(jīng)過長時間注水開發(fā),儲層巖石表面吸附原油能力降低,巖石潤濕性向親水方向增強,殘余油飽和度降低,等滲點右移,兩相流動區(qū)間增大[1,49-51]。為實現(xiàn)相滲曲線定量、連續(xù)時變表征,需要獲取隨開發(fā)過程不斷變化的相滲曲線。由于直接測定相滲曲線昂貴耗時,且難以代表整個油藏,前人在間接獲取相滲曲線方法上研究頗多,總結(jié)為如下3類方法。

(1)礦場資料回歸統(tǒng)計。劉顯太[40]對勝利油區(qū)中高滲透砂巖油藏相對滲透率曲線進行統(tǒng)計分析,回歸得到了端點變化值與滲透率變化倍數(shù)以及油、水相滲透率與絕對滲透率的關(guān)系。王守磊等[52]、呂棟梁等[53]通過交替條件期望法對多個影響相滲曲線的儲層物性參數(shù)進行多元回歸,根據(jù)相滲曲線冪函數(shù)式,建立了相滲曲線4個端點以及特征參數(shù)表征模型。

(1)

(2)

式中:Krw為水相相對滲透率;Kro為油相相對滲透率;Krw(Sor)為殘余油飽和度下的水相相對滲透率;Kro(Swi)為束縛水飽和度下的油相相對滲透率;Sw為含水飽和度;Swi為初始含水飽和度;Sor為殘余油飽和度;m為水相指數(shù);n為油相指數(shù)。

(2)動態(tài)資料反演。油田開發(fā)到中后期,多位學者提出利用動態(tài)數(shù)據(jù)計算相滲曲線,根據(jù)不同水驅(qū)曲線適應(yīng)條件的差異,分別利用甲、乙、丙、丁、俞啟泰、張金慶水驅(qū)特征曲線及新型近似理論水驅(qū)曲線,結(jié)合相滲曲線經(jīng)驗公式,推導出油水相指數(shù)、殘余油飽和度的數(shù)學表達式,并計算相滲曲線[54-57]。

(3)機器學習算法仿真預(yù)測。李春雷等[58]提出機器學習算法獲取實時、準確的相滲曲線,充分利用現(xiàn)場測井曲線資料,優(yōu)選敏感參數(shù),結(jié)合相滲曲線特征點數(shù)據(jù),構(gòu)建水驅(qū)儲層相滲曲線預(yù)測樣本集,優(yōu)選機器學習算法對油水相相對滲透率進行預(yù)測,并從地質(zhì)因素和端點值進行約束優(yōu)化,實現(xiàn)高精度相滲曲線的智能生成。

在如何連續(xù)表征相滲曲線的動態(tài)變化問題上,目前主要是將相滲曲線的時變問題轉(zhuǎn)換為相滲曲線端點及油水相指數(shù)的時變[41]。礦場資料回歸統(tǒng)計及機器學習算法預(yù)測兩種方法均基于不同儲層物性參數(shù)獲取相滲曲線,具有多解性,且難以直接應(yīng)用到數(shù)值模擬中,動態(tài)資料反演法計算的是某一開發(fā)階段的相滲曲線,未能實現(xiàn)相滲曲線變化的連續(xù)表征。

2.3 數(shù)值模擬軟件模擬物性時變發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外主流數(shù)值模擬軟件主要包括斯倫貝謝Petrel RE平臺、CMG軟件以及tNavigator。2017年斯倫貝謝Petrel RE平臺及Intersect模擬器可利用Python語言實現(xiàn)儲層物性變化的分區(qū)動態(tài)表征[59]。CMG軟件從影響微粒運移的因素、數(shù)值模型中微粒的類型、與微粒運移和溫度有關(guān)的潤濕性變化等幾方面模擬微粒運移。tNavigator軟件利用過水倍數(shù),表征流體對儲層的沖刷程度,對可變參數(shù)滲透率、傳導率、相滲曲線進行時變模擬,并允許設(shè)置時變參數(shù)上限值,防止其溢出理論范圍。

2.4 儲層物性時變研究技術(shù)展望

傳統(tǒng)巖心分析、室內(nèi)驅(qū)替實驗等方法在應(yīng)用過程中存在手段單一、局限性大等問題,而基于實際巖心或數(shù)字巖心的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、孔隙分形表征等技術(shù)具有可重復(fù)性及預(yù)測性,在非常規(guī)油氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)描述中廣泛研究與應(yīng)用[34,60-61],其也是研究水驅(qū)砂巖油藏儲層物性時變行之有效的方法。此外,儲層物性時變影響因素眾多,現(xiàn)場應(yīng)用多基于具體油田巖心分析結(jié)果進行統(tǒng)計回歸,且僅考慮了部分因素,難以有效推廣。近年來大數(shù)據(jù)、機器學習算法等在油氣行業(yè)快速發(fā)展,為綜合考慮開發(fā)、地質(zhì)等多因素影響下的儲層物性參數(shù)變化預(yù)測提供了新手段。

在儲層物性時變理論應(yīng)用到實際油田開發(fā)過程中,商業(yè)數(shù)值模擬軟件的逐步完善,使得通過建立油藏動態(tài)地質(zhì)模型精細模擬和預(yù)測優(yōu)勢通道及剩余油分布易于實現(xiàn),從而為油田開發(fā)調(diào)整、分采分注、優(yōu)化措施等提供更加可靠的依據(jù)。同時,儲層物性時變理論在水驅(qū)砂巖油藏中實現(xiàn)應(yīng)用,又將進一步深入推動其他各類油藏儲層物性的時變研究。

3 結(jié)論

(1)掃描電鏡、鑄體薄片、核磁共振、密閉取心井分析、壓汞實驗、驅(qū)油實驗是研究長期注水沖刷對儲層物性參數(shù)影響的主要手段,該類方法可分析黏土礦物的分布、巖石骨架、孔隙結(jié)構(gòu)等微觀參數(shù)的變化,進而分析宏觀物性參數(shù)孔隙度、滲透率的變化。

(2)基于真實巖心構(gòu)建的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可最大限度地模擬實際目標巖心的孔喉大小和空間分布,具有可重復(fù)性、可控制性的特點,而在描述儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)中引入分形幾何理論,將宏觀與微觀結(jié)合實現(xiàn)物性時變的定量表征。兩種方法目前尚處于發(fā)展階段,也是未來研究儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向。

(3)密閉取心資料分析、巖心水驅(qū)實驗是獲取儲層宏觀參數(shù)定量時變規(guī)律最直接且主要手段,但其只能代表油藏局部物性變化,巖心數(shù)量有限時,能直觀反映滲透率變化的數(shù)據(jù)點不足。

(4)相滲曲線形態(tài)隨注水沖刷發(fā)生明顯變化,其定量、連續(xù)時變表征可通過相滲曲線特征參數(shù)的連續(xù)時變實現(xiàn),但仍受經(jīng)驗公式及回歸擬合精度的影響。