靳文奇 杜書恒 路向偉 吳志宇 師永民,?

?

基于應(yīng)力隔夾層劃分的特低滲儲層剩余油挖潛——以鄂爾多斯盆地白于山地區(qū)延長組儲層為例

靳文奇1杜書恒2,3路向偉4吳志宇1師永民2,3,?

1. 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第一采油廠, 延安 716000; 2. 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871; 3. 北京大學(xué)石油與天然氣研究中心, 北京 100871; 4. 中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第六采油廠, 西安 710299; ? 通信作者, E-mail: sym@vip.163.com

基于鄂爾多斯盆地白于山地區(qū)延長組長 4+5 特低滲儲層壓裂縫分布規(guī)律性不強、預(yù)測難度大的問題, 采用傳統(tǒng)工程地質(zhì)方法與特殊測井、常規(guī)測井、沉積微相研究相結(jié)合的方法, 通過建立油藏三維空間展布的地層巖石力學(xué)模型, 開展隨井間儲層和應(yīng)力場變化的全縫長壓裂數(shù)值模擬, 得到較精確的壓裂縫全縫長幾何形態(tài)參數(shù), 據(jù)此認為應(yīng)力隔夾層將作為一種新的開發(fā)地質(zhì)屬性對壓裂縫縱向延伸和水驅(qū)波及范圍起主導(dǎo)控制作用, 并提出開發(fā)調(diào)整措施。研究結(jié)果可為提高低滲儲層的開發(fā)決策效率、提高剩余油采出程度提供科學(xué)依據(jù)。

鄂爾多斯盆地; 隔夾層; 壓裂縫; 地質(zhì)建模

壓裂縫展布預(yù)測對提高低滲透儲層的產(chǎn)能意義重大, 國內(nèi)外學(xué)者針對全球不同油田儲層的壓裂縫分布規(guī)律提出一系列預(yù)測理論和方法。部分學(xué)者運用新一代網(wǎng)格技術(shù)(PEBI 網(wǎng)格)模擬壓裂裂縫, 可以真實地還原壓裂裂縫形態(tài)[1-3]。有學(xué)者將裂縫參數(shù)轉(zhuǎn)化為三維可視圖像, 展示的仍是由經(jīng)典模型得到的、由裂縫參數(shù)轉(zhuǎn)化而來的、井筒兩翼對稱分布的裂縫[4-7]。少數(shù)學(xué)者通過力學(xué)分析, 依據(jù)流?固耦合效應(yīng)、巖石材料的非線性效應(yīng)以及裂縫擴展的動態(tài)效應(yīng), 建立低滲透油層水力壓裂三維裂縫的動態(tài)擴展力學(xué)模型, 運用有限元方法求解, 實現(xiàn)低滲透油層三維裂縫形成過程的動態(tài)描述[8-9]。

有關(guān)鄂爾多斯盆地特低滲儲層壓裂縫的預(yù)測, 目前缺乏適用的方法。文獻[10?14]采用理想模型, 對井筒周圍的巖石力學(xué)參數(shù)進行理想化處理, 即井筒周圍的參數(shù)是均質(zhì)的, 主要目的是研究各個參數(shù)對裂縫最終形態(tài)的影響。

本研究側(cè)重于建立井筒附近及井間巖石力學(xué)參數(shù)三維模型和應(yīng)力三維模型, 通過精確地描述地質(zhì)現(xiàn)象, 使壓裂設(shè)計時的地質(zhì)基礎(chǔ)更加真實, 從而取得地下裂縫的分布情況, 并在此基礎(chǔ)上研究基于應(yīng)力隔夾層劃分的特低滲儲層剩余油挖潛。

鄂爾多斯盆地白于山地區(qū)延長組儲層物性差, 原始含水飽和度高(約53.5%), 應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜, 應(yīng)力方向不穩(wěn)定, 壓裂縫分布隨機性較大, 注水開發(fā)過程中易發(fā)生多方向水竄、水淹, 開發(fā)決策難度大、效率低, 亟須厘清儲層壓裂縫全方位展布規(guī)律, 為開發(fā)選層提供依據(jù)。本文選取該類儲層的典型區(qū)塊, 提出一種新的壓裂縫預(yù)測方法。

1 單井砂巖組劃分

白于山位于陜北地區(qū)長 4+5 期的三角洲前緣亞相帶內(nèi), 主要的沉積微相為水下分流河道與分流間灣相沉積。

結(jié)合研究區(qū)目的層特征, 大量搜集野外及室內(nèi)資料, 通過取芯井詳細的巖芯描述和室內(nèi)測井沉積相的劃分, 并結(jié)合巖芯分析資料, 適當(dāng)考慮接觸關(guān)系和次級關(guān)系, 對這些測井曲線的形態(tài)、幅度以及它們之間的組合形態(tài)進行研究。

考慮到聲波時差和自然伽馬曲線受巖層的物性、流體等多種因素影響, 本研究選用二者組合來區(qū)別巖性, 給出研究區(qū)砂層劃分標準(圖 1), 總結(jié)研究區(qū)長4+5油層組測井相特征。

具體思路為: 畫出縱橫連井沉積剖面圖, 建立研究區(qū)沉積相序演化格架, 再根據(jù)上述測井曲線相模式, 結(jié)合單砂體厚度平面變化趨勢, 進行平面微相組合, 確定相帶邊界, 對該區(qū)沉積微相開展精細剖析。

2 連井砂巖組對比

巖相單元細分與對比是油氣藏開發(fā)的基礎(chǔ), 直接決定判斷剩余油分布規(guī)律的準確程度[15-18]。鄂爾多斯盆地白于山地區(qū)低滲透油藏儲層屬于典型的三角洲前緣相沉積, 古地貌平緩, 水流穩(wěn)定, 砂體展布方向性明顯, 呈北東?南西向展布。油層組內(nèi)部由兩個三級正旋回組成, 對應(yīng)長 4+51和長 4+52兩個砂巖組。砂巖組內(nèi)部又由若干個多期形成的單砂體相互切疊, 形成側(cè)向復(fù)合砂體, 導(dǎo)致層內(nèi)及平面上非均質(zhì)性增強。

對單砂體構(gòu)型結(jié)果進行剖析(圖 2), 發(fā)現(xiàn)白于山地區(qū)小層內(nèi)鈣質(zhì)夾層發(fā)育, 且分布不穩(wěn)定。另外, 由于一個單砂體反映一個結(jié)構(gòu)單元, 圖 2 反映出長4+5 油藏巖體存在較多的結(jié)構(gòu)面。由于結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體結(jié)合部位的巖體力學(xué)性質(zhì)差異大, 預(yù)計將對應(yīng)力及壓裂縫擴展起到一定的控制作用。

3 特殊聲波測井與巖體力學(xué)性質(zhì)

為進一步揭示儲層內(nèi)部的非均質(zhì)性, 建立較精確的三維空間展布的油藏巖體力學(xué)模型, 我們采用側(cè)向復(fù)合砂體單一河道識別技術(shù), 進行厚層塊狀非均質(zhì)油藏解剖, 將研究的主力油層長 4+52進一步分為長 4+521小層、長 4+522小層、長 4+523小層和長4+524小層(圖3)。

選取 Y40-251 井開展交叉偶極子陣列聲波測井, 對測井資料進行解釋和各種巖體力學(xué)性質(zhì)計算。處理結(jié)果(圖 3)顯示, 最大水平主應(yīng)力方向約為 NE45°, 縱向剖面上頂/底部應(yīng)力隔層厚度大, 分布穩(wěn)定, 增加了長 4+5 油層結(jié)構(gòu)體的完整性; 油層和小層內(nèi)部單砂體之間應(yīng)力夾層非常發(fā)育, 分布不穩(wěn)定, 增加了巖體內(nèi)部應(yīng)力分布的非均質(zhì)性。

綜合該井縱向應(yīng)力分布情況, 選取該單井目的層段實測平均破裂壓力 35 MPa 為界, 高于 35 MPa部分識別為應(yīng)力隔夾層, 其指示意義為: 超過平均破裂壓力后巖石不易發(fā)生破裂, 且壓裂過程中裂縫的縱向延伸會因為應(yīng)力隔夾層的存在而受到嚴格限制。研究區(qū)其余各單井均存在相應(yīng)的平均破裂壓力, 可依據(jù)其實測值劃分出應(yīng)力隔夾層。棕色填充的面積表示應(yīng)力隔夾層發(fā)育的相對程度(即該應(yīng)力隔夾層對裂縫縱向延伸阻擋的相對程度), 造成縱向水淹程度的不同, 為剩余油挖潛指明方向。

以 Y40-251 井(圖 3)為例, 可看出應(yīng)力隔夾層的分布與自然伽馬曲線、密度曲線以及比奧特系數(shù)曲線對應(yīng)良好, 基本上呈正相關(guān)關(guān)系。從機理上剖析, 歸一化后的自然伽馬值可反映泥質(zhì)的相對含量, 數(shù)值越大, 指示泥質(zhì)含量越高; 成巖作用過程將導(dǎo)致泥巖或鈣質(zhì)巖類壓實程度遠遠高于砂巖, 因此泥巖或含鈣質(zhì)夾層的泥巖密度常常顯示異常高值; 比奧特系數(shù)是反映孔隙大小與分布對巖石可壓縮性影響程度的物理量, 數(shù)值越大, 代表孔隙剛度越大, 巖石越不容易壓縮及破裂。同時, 由于泥巖或者含鈣質(zhì)夾層的泥巖能干性小于砂巖, 易發(fā)生塑性流動或變形而不易發(fā)生脆性破裂, 因此, 如果泥巖在儲層中呈穩(wěn)定條帶狀分布, 將導(dǎo)致形成壓裂的“隔夾層”, 其隔擋作用的實質(zhì)在于與相鄰砂巖儲層段的應(yīng)力差較大, 因而限制了裂縫在縱向上的延伸。

4 三維精細儲層模型建立

基于常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù), 結(jié)合交叉偶極子陣列聲波測井資料, 設(shè)置模型的,,網(wǎng)格精度分別為5 m, 5 m 和 0.5 m, 借鑒文獻[19?22]中的建模方法, 建立三維精細儲層地質(zhì)及巖體力學(xué)模型(圖4)。

白于山地區(qū)生產(chǎn)井、注水井均為直井, 沿最大水平主應(yīng)力方向穿過井筒, 切出截面屬性模型, 將屬性模型中的值輸入壓裂計算軟件, 得到各屬性在網(wǎng)格化界面上的分布圖。根據(jù)儲層地質(zhì)模型 5 m × 5 m × 0.5 m的網(wǎng)格精度, 導(dǎo)入壓裂模擬軟件中的網(wǎng)格精度為橫向 5 m, 縱向 0.5 m。以上模型將用于開展全縫長壓裂縫模擬, 得到壓裂縫較為真實的展布形態(tài)[23-27], 并最終揭示應(yīng)力隔夾層對于剩余油挖潛的意義。

5 應(yīng)力隔夾層劃分意義剖析

以Y40-251井延長組儲層為例。由于應(yīng)力隔夾層對裂縫的延伸構(gòu)成限制, 因此針對綜合柱狀圖(圖 3)顯示的中間存在隔夾層的儲層段設(shè)計兩處壓裂層段: 1650.0~1655.0 m (中部存在厚度為0.5 m的隔夾層)和1660.5~1668.0 m (中部存在厚度為0.4 m的隔夾層)。有充分的理由認為, 當(dāng)兩層段分別壓裂時, 由于應(yīng)力隔夾層的存在, 會導(dǎo)致隔夾層上下儲層壓裂規(guī)模不均, 因而造成上下儲層動用程度產(chǎn)生較大差異, 剩余油賦存位置將集中于儲層改造程度較低的層段, 可為下一步挖潛指明方向。

首先對需要模擬的儲層單元進行拆分, 然后進行壓裂縫預(yù)測, 再結(jié)合現(xiàn)場生態(tài)動態(tài), 檢驗預(yù)測結(jié)果的可靠性。按照隔夾層分布位置, 將每個層段分別剖分為兩個層段: 層段 1650.0~1655.0 m 剖分成1650.0~1652.5 m (層段 A)和 1653.0~1655.0 m (層段B)(中部隔夾層厚 0.5 m); 層段1660.5~1668.0 m剖分為 1660.5~1664.5 m (層段 C)和 1664.9~1668.0 m (層段 D)(中部隔夾層厚 0.4 m)。將截切出的相應(yīng)單井的剖面模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入相同網(wǎng)格化精度的壓裂模擬程序中, 設(shè)計混砂比、排量等參數(shù), 預(yù)測壓裂縫全縫長展布情況[28-29](圖5)。

從圖 5 可以看出, 由于隔夾層上下物性及巖石力學(xué)性質(zhì)的差異, 造成兩層段壓裂時, 隔夾層上方儲層壓裂縫的長度和開度較大, 儲層改造程度較大; 下方裂縫長度和開度較小, 儲層動用程度較低。

為進一步驗證模擬結(jié)果的可靠性, 將 A 和 C 兩層段分別采取橋塞隔開, 先后對 B 和 D 層段采取重復(fù)壓裂。經(jīng)礦場實際生產(chǎn)狀況及產(chǎn)液剖面測井結(jié)果驗證, 生產(chǎn)狀況良好。

6 結(jié)論

1) 傳統(tǒng)壓裂縫預(yù)測方法不能滿足中國陸相低滲、特低滲儲層的預(yù)測精度要求, 測井、地質(zhì)模型與生產(chǎn)動態(tài)相結(jié)合的全縫長壓裂數(shù)值模擬方法將大大提高預(yù)測精度。

2) 應(yīng)力隔夾層作為一種新的開發(fā)地質(zhì)屬性, 將對壓裂縫縱向延伸和水驅(qū)波及范圍起主導(dǎo)控制作用, 可據(jù)此提出開發(fā)調(diào)整措施。

3) 與傳統(tǒng)物性隔夾層相比, 應(yīng)力隔夾層劃分應(yīng)與產(chǎn)能分析、油藏數(shù)值模擬等常規(guī)方法相結(jié)合, 才能達到提高剩余油挖潛精度的目的。

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Revelation on Remaining Oil Excavation from Stress Interlayer Division in Special Low Permeability Reservoir: Take Yanchang Formation of Baiyushan Reservoir in Ordos Basin as an Example

JIN Wenqi1, DU Shuheng2,3, LU Xiangwei4, WU Zhiyu1, SHI Yongmin2,3,?

1. The First Oil Production Plant, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Yan’an 716000; 2. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 3. Oil and Gas Institute, Peking University, Beijing 100871; 4. The Sixth Oil Production Plant, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi’an 710299; ? Corresponding author, E-mail: sym@vip.163.com

As to Chang 4+5 formation of special low-permeability Baiyushan reservoir in Ordos Basin reservoir, the hydraulic fracture distribution is not regular and difficult to predict. The method of traditional engineering geology and special logging, conventional well logging, micro facies research were combined.Through the establishment of three-dimensional rock mass mechanics model of reservoir, the full length fracturing numerical simulation was carried out with the change of stress field. More accurate geometry parameters of fractures were got, stress interlayer insulation could be regarded as a kind of new development of geological property which would play an important role in fracture extension, then the development adjustment measures are put forward. The conclusion would provide an important scientific basis on decision-making efficiency in low permeability reservoir development and improve the residual oil recovery degree.

Ordos Basin; interlayer insulation; pressure fracture; geological modeling

10.13209/j.0479-8023.2016.097

TE348

國家科技重大專項(2016ZX05013005-009)資助

2015-08-27;

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網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-11-07