許勝利 張 雨 李 輝 張志虎 羅青桂 李文元

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

0 引言

氣藏中含氣飽和度的分布影響水平井軌跡設(shè)計(jì)、壓裂方案設(shè)計(jì)、壓后產(chǎn)能及含水率、壓裂效果等。隨著各油氣田對(duì)低滲—致密氣資源投入開發(fā)，特別是壓裂措施的普遍應(yīng)用，對(duì)儲(chǔ)層中含氣飽和度定量分布預(yù)測(cè)的精度要求越來(lái)越高。但是，由于低滲—致密氣層含氣飽和度在30%～100%時(shí)地震AVO響應(yīng)特征差異較小，造成僅利用地震手段難以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣藏內(nèi)30%～100%含氣飽和度分布的定量有效預(yù)測(cè)，嚴(yán)重制約了編制開發(fā)方案的科學(xué)性及針對(duì)低滲—致密氣藏的開發(fā)效果。

對(duì)于氣藏內(nèi)已鉆井所處構(gòu)造位置之上含氣飽和度的定量預(yù)測(cè)的精度，直接影響到開發(fā)井水平段的設(shè)計(jì)分布及開發(fā)效果。因此，針對(duì)低滲—致密砂巖氣層含氣飽和度分布的定量預(yù)測(cè)非常重要，需要通過(guò)研究尋找一種有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層內(nèi)含氣飽和度精細(xì)定量分布預(yù)測(cè)的新方法，為低滲—致密氣藏的高效開發(fā)服務(wù)[1]。

1 低滲—致密儲(chǔ)層含氣飽和度預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 地震反演預(yù)測(cè)

儲(chǔ)層地震AVO特征[2-4]正演表明：低滲—致密儲(chǔ)層含氣飽和度在0～30%之間變化時(shí)，AVO特征變化明顯；而含氣飽和度在30%～100%變化時(shí)，AVO特征近于無(wú)變化，這種微弱變化信息多數(shù)情況下完全淹沒于泥巖及噪音組成的背景之中（圖1）。從地震含氣飽和度預(yù)測(cè)成果（圖2）中可以看出，利用地震可以對(duì)含氣性進(jìn)行定性預(yù)測(cè)[5-6]（圈閉中含氣與否）或含氣飽和度半定量的預(yù)測(cè)[7-8]，而對(duì)于氣藏中含氣飽和度分布的定量預(yù)測(cè)存在較大的困難[9-10]。雖然，有關(guān)于利用地震疊前同時(shí)反演對(duì)低滲—致密儲(chǔ)層含氣飽和度預(yù)測(cè)的室內(nèi)試驗(yàn)性成功文獻(xiàn)[11]，但鮮有實(shí)際應(yīng)用的成功案例。

圖1 不同含氣飽和度地震AVO特征正演圖

圖2 含氣飽和度地震預(yù)測(cè)圖

1.2 常規(guī)插值方法預(yù)測(cè)

現(xiàn)階段對(duì)于氣藏內(nèi)含氣飽和度分布的預(yù)測(cè)，在地質(zhì)、油藏專業(yè)上主要利用多個(gè)已鉆井點(diǎn)的含氣飽和度并考慮構(gòu)造相對(duì)位置高低而進(jìn)行的井間插值和外延[12]，該方法存在的不足是已鉆井點(diǎn)構(gòu)造海拔以上的純氣區(qū)的范圍和過(guò)渡帶的含氣飽和度變化規(guī)律無(wú)法有效確定，造成對(duì)已鉆井點(diǎn)海拔高度之上含氣飽和度的預(yù)測(cè)存在較大的誤差等。

綜上所述，現(xiàn)有針對(duì)低滲—致密砂巖氣層含氣飽和度定量預(yù)測(cè)技術(shù)存在嚴(yán)重的不足，需進(jìn)行針對(duì)低滲—致密儲(chǔ)層含氣飽和度定量預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

2 多參數(shù)下低滲—致密儲(chǔ)層含氣飽和度定量預(yù)測(cè)

氣藏內(nèi)含氣飽和度的空間分布受包括氣藏充滿度、儲(chǔ)層孔隙度、孔喉半徑及構(gòu)造位置等因素的影響。在研究的過(guò)程中充分應(yīng)用地震解釋成果、地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果、鉆井成果等進(jìn)行綜合分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低滲—致密氣藏含氣飽和度的定量分布的刻畫。

2.1 毛細(xì)管壓力與水柱高度

2.1.1 巖石中毛細(xì)管壓力與水柱高度

巖石物理學(xué)中，對(duì)儲(chǔ)層巖石的毛細(xì)管壓力研究時(shí)，人們將毛管壓力定義為兩相界面上的壓力差，其數(shù)值等于界面兩側(cè)非濕相的壓力減去濕相壓力[13-16]。根據(jù)上述定義，則得：

同時(shí)結(jié)合毛細(xì)管公式：

則有：

式中pc為毛細(xì)管壓力，MPa；Δρ為氣液密度差，g/cm3；g為重力加速度，cm/s2；h為毛細(xì)管壓力支撐的最大水柱高度，km；σ為氣—液兩相界面張力，N/m；r為毛管半徑，μm；θ為水與巖石的潤(rùn)濕接觸角，(o)。

在毛細(xì)管壓力與重力之間得到平衡時(shí)，得出毛細(xì)管壓力支撐的最大水柱高度與毛細(xì)管半徑、氣—液兩相密度差成反比，與附著張力（σcosθ）成正比。

2.1.2 巖石毛管力與孔隙度的關(guān)系

假設(shè)理想巖石孔隙物理模型：圓柱體巖石（圖3），長(zhǎng)度單位為cm，圓柱截面半徑為R、截面積為S、截面上毛細(xì)管總數(shù)為M、單個(gè)毛細(xì)管半徑為r且平直無(wú)彎曲。

圖3 理想圓柱體巖石模型圖

式（4）～（8）中S為圓柱體截面積，cm2；R為圓柱體截面圓半徑，cm；r為毛細(xì)管半徑，μm；Δρ為氣—水兩相的密度差，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；h為毛細(xì)管壓支撐的最大水柱高度，km；為孔隙度；θ為水與巖石的潤(rùn)濕接觸角，(o)；σ為氣—水兩相界面張力，N/m2；n為單位平方截面積上分布毛細(xì)管的數(shù)量，個(gè)數(shù)/cm2。

從公式（8）可知：低滲-致密砂巖氣藏毛管壓力支撐的水柱高度主要與儲(chǔ)層孔隙度及單位截面積毛細(xì)管數(shù)量有關(guān)，其主要與孔隙度平方根呈反比關(guān)系，這為尋找氣藏形成的純氣區(qū)的高度與孔隙度的關(guān)系提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

2.2 低滲—致密氣藏形成純氣區(qū)的最小閉合高度

2.2.1 總孔隙度與有效孔隙度

總孔隙度或絕對(duì)孔隙度是巖樣所有孔隙空間體積之和與該巖樣總體積的比值，可通過(guò)多種方法進(jìn)行計(jì)算獲得；有效孔隙度是指那些互相連通的，且在一定壓差下（大于常壓）允許流體在其中流動(dòng)的孔隙總體積與巖石總體積的比值[20-21]。孔隙度的測(cè)量或計(jì)算方法有：直接測(cè)量法（薄片、壓汞法及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法）和間接法（地震與測(cè)井的解釋計(jì)算方法），測(cè)量或計(jì)算總孔隙度的方法較多[22-23]，不再贅述。

對(duì)于純凈砂巖而言,其有效孔隙度接近總孔隙度。通過(guò)總孔隙度與有效孔隙度比值的引入，可知低滲—致密氣藏的含氣飽和度低于100%。

2.2.2 低滲—致密砂巖氣藏形成純氣區(qū)的最小閉合高度

通過(guò)公式（8）可知形成生產(chǎn)純氣區(qū)時(shí)所需要的圈閉閉合高度與孔隙度平方成反比，并結(jié)合對(duì)東海某研究區(qū)低滲—致密氣藏（孔隙度8%～11%）、國(guó)內(nèi)中具代表性的川東上三最統(tǒng)須家河組（孔隙度7%～9%）、蘇里格（平均孔隙度9.6%）等不同地區(qū)、不同區(qū)塊的20多個(gè)低滲—致密氣藏中圈閉高度、地震預(yù)測(cè)含氣邊界海拔高度、生產(chǎn)井構(gòu)造相對(duì)位置及生產(chǎn)含水率、儲(chǔ)層平均有效孔隙度及總孔隙度等參數(shù)，得出生產(chǎn)純氣的氣藏分布區(qū)與圈閉高度的關(guān)系，通過(guò)模型回歸（圖4），得出低滲氣藏形成純氣區(qū)的高度（Ho）與孔隙度的關(guān)系式：

圖4 形成純氣區(qū)所需的圈閉高度與孔隙度大小的模型回歸圖

式（9）中a、b、c為調(diào)節(jié)因子，為常數(shù)值，默認(rèn)取值分別為10、600、60；Ho為形成純氣區(qū)所需的圈閉最小閉合高度，m；為平均有效孔隙度。

通常，低滲—致密砂巖不含裂縫時(shí)有效孔隙度可代表儲(chǔ)層的物性（孔隙度、滲透率）。因此，可利用有效孔隙度預(yù)測(cè)低滲—致密氣藏形成純氣區(qū)的高度。 如針對(duì)低滲—致密砂巖氣藏，在不發(fā)育有效天然裂縫的條件下，當(dāng)氣藏儲(chǔ)層平均有效孔隙為5%、10%、15%時(shí)形成生產(chǎn)純氣區(qū)分布的最小圈閉幅度分別為230 m、100 m和30 m。

2.3 低滲—致密砂巖儲(chǔ)層含氣飽和度計(jì)算

針對(duì)某一低滲—致密砂巖氣藏的含氣飽和度分布，利用公式（9）獲得形成純氣區(qū)所需的圈閉最小閉合幅度的基礎(chǔ)上，低滲—致密砂巖（孔隙度小于11%，滲透率小于1.0 mD））氣藏中某一點(diǎn)的含氣飽和度（Sg）可表示如下形成。

①當(dāng)Hx-HGW大于Ho時(shí)，其位于純氣區(qū)為：

②當(dāng)0≤Hx-HGW≤Ho時(shí)，其位于氣—水過(guò)渡帶內(nèi)為：

③當(dāng)Hx≤HGW時(shí)，其位于氣-水界面之下的純水區(qū)為：

式（10）～（12）中Hx為圈閉中某一點(diǎn)處的海拔，m；HGW為氣—水界面海拔（或圈閉漏失點(diǎn)海拔），m；Ho為低滲氣藏形成生產(chǎn)純氣區(qū)的高度，m；Sg為圈閉中海拔為Hx點(diǎn)的含氣飽和度（小于1）；為巖石有效孔隙度與總孔隙度之比（小于 1）。

通過(guò)以上公式和成果可以有效地實(shí)現(xiàn)氣藏中任一點(diǎn)的含氣飽和度的定量計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，利用地震手段確定構(gòu)造分布和定性預(yù)測(cè)氣藏分布范圍及氣—水界海拔；并利用地質(zhì)和巖石物理方法確定油水界面、儲(chǔ)層有效孔隙度和總孔隙度等，綜合以上得到的多個(gè)參數(shù)信息，并利用以上方法和公式，可首先對(duì)未知的圈閉進(jìn)行是否油氣成藏判定，接著利用地震含氣性預(yù)測(cè)成果獲知?dú)獠爻錆M度，進(jìn)而可以利用公式（10）～（12）實(shí)現(xiàn)定量描述油藏內(nèi)含氣飽和度的空間分布特征。

3 應(yīng)用

低滲—致密砂巖儲(chǔ)層含氣飽和度定量預(yù)測(cè)技術(shù)在中國(guó)東海致密砂巖氣及山西臨興等的低滲-致密砂巖氣的開發(fā)中得到了有效應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。如在東海某一低滲—致密砂巖氣田，針對(duì)常規(guī)地震含氣性的定性預(yù)測(cè)成果（圖5a、圖6a）存在的不能定量化預(yù)測(cè)含氣飽和度分布的不足，依據(jù)儲(chǔ)層平均有效孔隙度為9.4%、有效孔隙度與總孔隙度之比約為0.9，可知：該區(qū)形成生產(chǎn)純氣區(qū)分布的圈閉幅度需108 m；氣層最大含氣飽和度約為90%；利用地震疊前反演確定氣層分布范圍為圈閉溢出點(diǎn)之上即氣藏高度119 m且大于該區(qū)形成純氣區(qū)的圈閉幅度108 m，并在該區(qū)形成純氣區(qū)和大范圍的氣—水過(guò)渡帶；利用公式（10）～（12）獲得該區(qū)含氣飽和度的定量分布（圖5b、圖6b）。

圖5 縱向上地震常規(guī)和新方法下含氣飽和度預(yù)測(cè)對(duì)比圖

圖6 平面上地震常規(guī)和新方法下含氣飽和度預(yù)測(cè)對(duì)比圖

在該氣田的開發(fā)中，利用新的含氣飽和度定量預(yù)測(cè)成果，更好的確定了含氣飽和度大于40%的有利氣藏開發(fā)區(qū)分布范圍和規(guī)模（約為原認(rèn)識(shí)的三分之一），更好的規(guī)劃開發(fā)規(guī)模、指導(dǎo)水平井軌跡的部署、壓裂方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化壓裂規(guī)模，有效的避開壓裂后大量出水的含氣飽和度小于40%的區(qū)域，提高了針對(duì)低滲—致密砂巖氣藏開發(fā)井的成功率。

4 結(jié)論

1）通過(guò)研究毛細(xì)管壓力大小與巖石孔隙度呈反比關(guān)系，并結(jié)合不同地區(qū)已知的低滲—致密砂巖氣藏含氣飽和度與孔隙度和構(gòu)造相對(duì)位置的關(guān)系，獲得不同低滲—致密砂巖儲(chǔ)層條件下形成純氣區(qū)的最小圈閉幅度，其對(duì)于無(wú)井區(qū)圈閉含氣性評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。

2）在獲得不同儲(chǔ)層條件下形成生產(chǎn)純氣區(qū)分布的最小圈閉幅度的基礎(chǔ)上，通過(guò)文中的條件判別和公式計(jì)算，可以解決地震含氣性預(yù)測(cè)無(wú)法定量化預(yù)測(cè)的難題，實(shí)現(xiàn)了低滲—致密砂巖氣藏含氣飽和度分布的定量化預(yù)測(cè)。

3）利用上述多參數(shù)下低滲—致密儲(chǔ)層含氣飽和度定量預(yù)測(cè)技術(shù)能夠識(shí)別純氣區(qū)平面分布范圍及壓裂大量出水的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，更準(zhǔn)確地判定氣藏可采儲(chǔ)量并指導(dǎo)開發(fā)井水平段的部署并規(guī)避高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，進(jìn)而降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

4）針對(duì)裂縫性低滲—致密砂巖氣藏，裂縫的存在使儲(chǔ)層滲透性在平面和空間上具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，其含氣飽和度的定量預(yù)測(cè)更為復(fù)雜并需進(jìn)一步深入的研究。