分阶段流动单元模型的建立及剩余油预测.pdf

文章编号 1000 -07472007 02 -0216 -06 分阶段流动单元模型的建立及剩余油预测 以别古庄油田京 11 断块为例 彭仕宓 1, 周恒涛1, 2, 李海燕1, 张文胜3, 胡海涛4 1. 中国石油大学北京资源与信息学院; 2. 中国石油吉林油田公司; 3. 中国石油华北油田公司; 4. 中国石油长庆油田公司 基金项目 国家重大基础研究/ 9730项目前期研究专项2002CCA00700 摘要 针对别古庄油田京 11 断块已经进入高含水期、 产量递减较快、 储集层非均质性严重的开发现状, 以取心井岩心分析 资料为基础, 优选了与储集层岩性、 物性及渗流特征相关的宏观、 微观参数, 应用聚类分析和判别分析相结合的方法, 将储 集层划分为 4 类流动单元。在此基础上, 根据各开发时期油田的含水特征, 分 3 个开发阶段 开发初期、 中期、 后期 , 选用 截断高斯模拟方法, 建立了不同含水期流动单元的三维模型, 研究了注水开发过程中流动单元的变化, 并结合开发后期剩 余油饱和度的计算对剩余油分布进行了预测。研究表明 在不同开发阶段, 剩余油分布与储集层流动单元类型关系密切, 在开发后期, 工区 3、 4类流动单元储集层是剩余油分布的相对富集区域。图 8 表 1 参 15 关键词 京 11 断块; 高含水期; 流动单元; 流动分层指数; 剩余油; 聚类分析 中图分类号 T E323 文献标识码 A Phased flow unit model establishment and remaining oil prediction An example from Jing 11 block in Bieguzhuang Oilfield PENG Sh- i mi1, ZHOU H eng -tao1, 2, LI H a- i yan1, ZHANG Wen - sheng3, HU Ha- i tao4 1. School of Resources and Inf ormation, China University of Petroleum, Beij ing 102249, China; 2. Jilin Oilf ield Company, PetroChina, J ilin 138000, China; 3. H uabei Oilf ield Company , PetroChina, H ebei 062552, China; 4. Changqing Oilf ield Company , PetroChina, Xi an 710021, China Abstract The Jing 11 block in Bieguzhuang Oilfield has entered the high water -cut period, the production decline is quick and the reservoir heterogeneity is serious. Based on the core data analysis, the reservoir is divided into four kinds of flow units using the cluster and discriminatory s andthe optimized macroscopic and microscopic parameters related to reservoir lithology, physical property and interstitial flow. Flow unit models are therefore established corresponding to different development periods initial, intermediate and late according to the water saturation characteristics, and the change of the flow units is studied. The distribution of the remaining oil in the block is then predicted with the remaining oil calculation in the development tail. The study indicates that in different development periods,the distribution has a close relationship with flow unit types, and in the late period of development, the flow units of types 3 and 4 are the richer accumulation areas of remaining oil. Key words Jing 11 block; high water -cut period; flow unit; flowing interval index; remaining oil; cluster analysis 0 引言 别古庄油田位于冀中坳陷廊固凹陷河西务构造带 南端, 牛驼镇凸起以北。油田是由两条封闭性大断层 控制的断鼻型构造油气藏, 地层较平缓, 含油层系为古 近系沙河街组沙四段, 断层对沉积和油气运移聚集具 有控制作用, 是划分油田边界的断层。储集层为薄 中厚层岩屑质长石粉 粗粉砂岩夹少量细砂岩。成分 以石英为主 40 61 , 长石次之 25 39 , 分 选较好, 胶结物以泥质胶结为主, 胶结疏松, 胶结类型 以接触 -孔隙式为主, 黏土矿物以高岭石为主, 具少量伊 利石。储集层物性具有高孔隙、 中渗透的特征, 孔隙度 平均值为 29. 6, 渗透率平均值为 258. 7mD。目前别 古庄油田已经进入高含水期, 产量递减较快, 储集层非 均质性严重。随着油田注水开发的深入, 储集层的物 性及微观孔隙特征都可能发生相应的变化, 因此有必 要分阶段开展流动单元的定量研究, 为解决剩余油分 布认识不清的问题及改善油藏的开发效果提供科学的 地质依据。 1 储集层流动单元划分 1. 1 流动单元的概念 流动单元概念首先由 Hearn C L 提出 [ 1] 。他认 为, 流动单元是横向和垂向连续分布的储集带, 其内影 216 石 油 勘 探 与 开 发 2007年 4月 PETROLEUM EXPLORAT ION AND DEVELOPMENT Vol. 34 No. 2 响流体流动的岩石物理性质在各处都相似, 并且岩石 的特点在各处也相似。Ebanks 等学者将这一概念应 用于储集层的表征和评价[ 2]。实际上, 流动单元是指 一个油砂体及其内部因受边界限制、 由不连续薄隔挡 层、 各种沉积微界面、 小断层及渗透率差异等因素造成 的渗流特征相同、 水淹特征一致的储集单元。它是储 集层岩性、 物性、 微观孔喉特征的综合反映, 是渗透率 模型的延伸和发展。 1. 2 储集层流动单元的划分方法 流动单元研究方法有 6 种 沉积相 或露头 划分 法、 孔隙度 -渗透率划分法、 岩性 -物性划分法、 流动分层 指数划分法、 利用存储系数与传导系数划分法及动态 划分方法[ 3 -10]。本文在储集层沉积微相研究和小层对 比的基础上, 对储集层中的泥质夹层进行识别, 作为阻 挡流体流动的渗流屏障, 建立渗流屏障分布模型; 将岩 性 -物性划分法与流动分层指数划分法相结合进行流动 单元划分。 1. 3 流动单元划分的步骤 本文流动单元的划分首先从取心井研究入手, 通 过岩心分析获得大量有关储集层岩性、 物性及渗流特 征的宏观、 微观参数。采用聚类分析和逐步判别分析 相结合的方法, 综合各种参数对流动单元进行划分和 评判。用聚类分析法, 可将岩心分析参数归属到不同 的群组中。再应用逐步判别分析法, 从众多的储集层 参数中筛选出既能反映流动单元的类别, 又相对独立 的参数, 建立各类流动单元的判别函数。对于非取心 井, 可利用测井资料与岩心分析资料的相关分析, 求取 判别流动单元所需参数, 并进行判别分析, 确定非取心 井流动单元的类型。在完成各井流动单元的划分与判 别之后, 展开流动单元的井间预测, 建立全区流动单元 分布模型。 1. 4 取心关键井流动单元的划分 1. 4. 1 表征流动单元的参数的确定及求取 由于流动单元的形成主要由沉积相、 储集层岩石 物理特征、 成岩作用以及岩石的微观孔隙结构[ 11]等多 方面因素共同控制。因此, 表征流动单元的参数应尽 可能地反映上述地质因素。结合油藏实际, 本次流动 单元研究选用孔隙度、 渗透率、 泥质含量、 粒度中值、 最 大孔喉半径和流动分层指数 6 个参数进行流动单元的 定量划分。其中, 反映岩性特征的参数为泥质含量、 粒 度中值; 反映储集层物性特征的参数是孔隙度、 渗透率; 反映储集层微观孔隙结构特征的参数是最大孔喉半径; 流动分层指数则是把岩石孔隙结构和矿物地质特征、 孔 喉特征结合起来判定孔隙几何特征的一个参数。 孔隙度、 渗透率、 泥质含量和粒度中值都可以从岩 心分析及测井二次处理直接得到。 由上述分析, 最大孔喉半径可以由下面的公式计 算得到 见图 1 。 Rd 8. 8263 lnK 13. 083 R 0. 90081 图 1 最大孔喉半径与渗透率交会图 流动分层指数是划分流动单元的的一个重要参 数。由 Kozeny -carman 方程变形后得出 FZI RQI / z2 其中 RQI K/ z 1- 要在非取心井中求取 FZI, 需先求取 RQI。根据 汤姆公式 K 0. 1364. 4/ Sirr23 又由 Waxman - Smits 模型 Sw 2 RwF Rt 1 RwB QV Sw 4 根据岩电试验确定地层因素 F a/ 2, 则 4 式可 改写为[ 12] 2 aRw Sw 2 B QV F Sw- 1 Rt 05 解这个关于含水饱和度的一元二次方程, 有 Sw aRw 2 2 - B QV F B QV F 2 4 FRwRt 6 对于束缚水饱和度, 则有 Sirr aRw 2 2 - B QV F B QV F 2 4 FRwRt 7 217 2007 年 4 月 彭仕宓 等 分阶段流动单元模型的建立及剩余油预测 以别古庄油田京 11断块为例 把 7 式代入 3 式, 则有 K 0. 136 8. 4 aRw 2 - B QV F B QV F 2 4 FRwRt 2 8 对 8 式变形则有 K / 0. 136 3. 7 aRw 2 - BQV F BQV F 2 4 FRwRt - 1 9 由此可见, 流动分层指数是地层孔隙度、 地层电阻 率、 地层水电阻率、 阳离子交换量和地层因素等参数的 函数。但在高含水开发区块, 地层混合液电阻率难以 求准, 因此直接用上式计算流动分层指数十分困难。 由于京 11 断块均为常规测井资料, 即只有深探测 电阻率 RT 、 冲洗带电阻率 Rxo 、 0. 4m 电阻率 Re 、 自然电位 SP、 自然伽马GR 及声波时差 t 资料。 通过取心井测井曲线与流动分层指数的相关对应分 析, 利用多元回归的方法建立流动分层指数的关系式。 即有 FZI f RT, Re, Vsh, t exp[0. 095 15RT- 0. 055 3Re 0.038 15100- Vsh 0. 004 58t- 0. 46lnRT 0. 290 9lnRe 0. 075 38ln100- Vsh 1. 78lnt - 14. 844] 10 其中 R 0. 9067, N 307 1. 4. 2 关键井流动单元的聚类划分 应用聚类分析划分关键井流动单元。对取心井段 岩心样品分析数据进行聚类分析, 可以得到反映样品 之间亲疏关系的聚类谱系图。在聚类分析开始时, 假 设每个样品自成一类, 然后将相关系数最近的类合并, 使类的数目逐渐减少, 直到所有的样品合为一类为止。 通过聚类分析将取心井段的岩心样品分为 4 类。每类 代表一种流动单元类型。同时也得到了参加聚类分析 的每个样品应归属到哪一个类群, 亦即流动单元的类 别。这是建立各类流动单元判别函数的基础。图 2 为 J617 井取心段流动单元划分结果。流动单元的类型主 要由层内占主导和优势地位的样品点的类别来确定。 这样就划分出了具有/ 层0规模的流动单元。 图 2 J617 井流动单元划分结果 从图中可看出 不同流动单元之间存在明显差异。 表 1 为各类流动单元参数的均值统计。由表可以看 出, 尽管各类流动单元孔隙度差别不大, 但反映储集层 渗透能力的渗透率、 粒度中值、 泥质含量、 最大孔喉半 径和流动分层指数则差别比较大, 反映了不同流动单 元在渗透能力上的差异。 218 石油勘探与开发 油气田开发 Vol. 34 No. 2 1类流动单元 储集层质量好、 渗透率高, 平均渗透 率大于 200mD, 流动分层指数大于 2. 5Lm, 是工区最好 的储集层流动单元, 流体易流动。 表 1 不同流动单元各参数平均值 流动单元 K mDVsh Md mmRd mmFZILm 131. 88 250. 1410. 350. 068 50. 067 472. 56 230. 13 123. 5813. 250. 052 80. 055 471. 85 327. 4554. 3218. 190. 043 80. 047 551. 4 424. 1221. 6827. 340. 021 80. 035 950. 78 2类流动单元 储集层物性较好, 参与聚类的样本, 平均渗透率 100mD 左右, 流动分层指数为 1. 85Lm 左 右, 流体在其中的流动性较好。 3类流动单元 储集层物性中等, 平均渗透率约 54mD, 流动分层指数为 1. 4Lm 左右, 流体在其中流动 性较差。 4类流动单元 储集层物性相对最差, 平均渗透率 约 20mD, 流动分层指数小于 1Lm, 流体在其中流动性 相对最差。 此外, 本次研究将泥岩定义为第 5 类流动单元。 1. 5 非取心井流动单元的定量识别 在取心井流动单元划分的基础上, 对上述聚类分 析的结果进行判别分析, 应用逐步判别分析的方法, 建 立各类流动单元的判别函数, 从而为实现非取心井的 流动单元的定量划分奠定基础。逐步判别分析在聚类 分析的基础上, 以聚类分析的结果作为学习样本, 通过 数理统计分析与计算, 建立 1 类到 4 类流动单元的判 别函数 Y1 14. 318- 0. 252K 1. 278Vsh 893. 956Md 112. 652FZI - 5473. 438Rd- 152. 358 Y2 14. 501- 0. 259K 1. 065Vsh 898. 353Md 119. 428FZI - 5641. 421Rd- 153. 095 Y3 15. 775- 0. 273K 1. 281Vsh 1111. 900Md 123. 631FZI - 5947. 204Rd- 191. 792 Y4 15. 729- 0. 227K 1. 18Vsh 1065. 225Md 130. 417FZI - 6215. 125Rd- 197. 401 将每一个样本的 6 个参数代入判别函数, 以计算 值最大的一组作为其储集层流动单元的归属类型。 对于非取心井, 利用求取的储集层参数包括孔隙 度、 渗透率、 泥质含量、 粒度中值、 最大孔喉半径以及流 动分层指数计算其判别函数值。应用上述得出的判别 函数对全区3 个开发时期的199 口井 4 个油组22 个小 层进行流动单元的识别, 从而得出各井各小层的流动 单元类型。 2 流动单元模型的建立 2. 1 流动单元的井间预测 在随机建模中, 对于连续型变量, 例如孔隙度、 渗 透率等一般采用序贯模拟的方法进行井间预测, 而流 动单元属于一种离散型变量, 还具有一定的地质分布 特征和规律, 因此, 本次利用截断高斯随机模拟方法研 究流动单元的分布。该方法具有其他方法不可比拟的 优点 ①使用的参数较少, 计算量小, 速度快; ②可以在 模拟中考虑地质因素, 也可以包含其他外部信息; ③不 但可以考虑同一类型内部的相关性, 而且可以考虑不 同类型之间的相关性, 这正是地质事件的主要特征; ④ 可以对模拟结果进行限制, 使之与井点数据相吻合, 并 且可以将诸如地质记录、 试井等有关信息引入模型; ⑤ 从方法论的角度来看, 指示值的理论变差函数与交互 变差函数是相容的。 在对单井流动单元划分的基础上, 以工区内各井 流动单元的划分结果为约束条件, 应用截断高斯模拟 方法进行了井间预测, 从而建立起研究区流动单元的 空间分布模型。 2. 2 流动单元三维模型 流动单元模型是由许多流动单元块体镶嵌组合而 成的模型。在砂岩储集层中流动单元的发育特征和空 间分布受控于沉积作用、 成岩作用和构造作用的综合 效应; 在垂向上常由隔、 夹层 沉积和成岩的 及微地质 界面所分隔; 在侧向上则受沉积微相、 单砂体、 储集层 内部结构、 不连续薄夹层、 物性非均质和断层遮挡等因 素限制; 在空间上被分割成相互嵌接的块体单元, 每个 块体都是具有一定物性变化范围和相似结构的相对均 质单元, 各自具有相对独立的地质特征和渗流能力。 在油田高含水后期开采阶段建立流动单元模型, 能够 实现对储集层的精细定量描述与合理粗化, 并保持其 原始结构和参数变化的非均质性, 从而准确模拟油藏 开发动态和剩余油空间分布, 有效地指导油田进一步 开发调整。 本次流动单元模型建立的基础数据是前述应用判 别分析函数获得的全区各井各小层的流动单元类型, 应用 Petrel 软件分 3 批井网建立了不同开发时期 初 期、 中期、 后期 的流动单元模型。 随着油田注水开发不断深入, 各小层的 1、 2 类流 动单元显著增加, 且其连续性较好。根据京 11 断块油 藏流动单元模型主力小层的水平切片分析, 不同的单 砂体具有不同的储集层质量, 因而划分为不同的流动 单元; 由于单砂体不同的部位具有不同的渗流能力和 219 2007 年 4 月 彭仕宓 等 分阶段流动单元模型的建立及剩余油预测 以别古庄油田京 11断块为例 岩石物理特征, 同一单砂体的不同部位也可划分为不 同的流动单元。例如 开发初期, Ⅰ3 小层 见图 3 图 5 的流动单元以 3类流动单元为主, 1、 2类流动单元主 要分布在断层的两侧。开发中期和后期, 1、 2 类流动单 元明显增加, 从平面上看, 以 1、 2 类流动单元为主。 图 3 开发初期Ⅰ3 流动单元水平切片 图 4 开发中期Ⅰ3 流动单元水平切片 图 5 开发后期Ⅰ3 流动单元水平切片 3 剩余油富集规律分析 3. 1 沉积微相控制流动单元的分布 本次流动单元的划分, 主要是在地层沉积时间单 元对比的基础上, 研究各单砂体的沉积微相和孔隙度、 渗透率等参数的分布规律, 应用判别函数划分出不同 类型的流动单元。通过沉积微相与流动单元的叠合图 见图 6 进行分析, 1、 2 类流动单元多分布于滩砂、 坝 砂微相中储集性较好的区域, 孔隙度一般大于 28, 渗 透率大于 90mD, 平面上多呈块状不规则展布。3、 4 类 流动单元多分布于滩砂、 坝砂沉积微相中储集性较差 的区域以及席状砂中, 孔隙度一般为 25左右, 渗透率 平均为 40mD 左右, 平面展布不规则。 图 6 Ⅰ3 小层流动单元与沉积微相叠合图 3. 2 流动单元对剩余油分布的控制 不同类型的流动单元具有不同的渗流能力, 注水 见效方向和水淹扩大区多沿物性好、 流动能力强的流 动单元方向流动, 特别是长期注水会沿此方向形成高 渗流通道, 从而使通道附近水淹程度高, 驱油效率高, 而其他方向水淹程度低或未水淹, 从而形成剩余油富 集区 [ 12] 。 1 类流动单元 此类流动单元物性好, 采出程度高, 一般稳产期短, 在开发后期地层压力下降较快, 会使邻 近低级次流动单元的流体向其中渗流, 从而影响邻近 低级次流动单元的开采。 2 类流动单元 储集物性较好, 相对 1 类流动单元 采出程度低, 到油田开发后期水淹比较严重, 不利于油 田挖潜。 3 类流动单元 其储集性和渗流能力均不如 1、 2 类 流动单元, 水淹程度较低, 油气较不易采出, 是油田开 发后期挖潜的主要目标。 4 类流动单元 储集物性与渗流能力最差, 水淹程度 低, 剩余油比较富集, 因而该类储集层具有一定潜力。 因此,平面上剩余油富集区多分布于储集层有利微 相带与流动单元级别低的 3、 4类流动单元交会的区域。 3. 3 应用流动分层指数预测剩余油分布 别古庄油田京 11 断块的岩心分析资料 见图 7 表 明, 随流动分层指数的增大, 剩余油饱和度亦增大。而 当流动分层指数增到一定程度后, 随流动分层指数增 大, 剩余油饱和度有所降低。将初期含油饱和度和后 期剩余油饱和度随流动分层指数变化的趋势线 见图 7 进行比较可以看出, 流动分层指数值越高, 则初期含 油饱和度与后期剩余油饱和度差别越大, 相应的油层 动用程度越高。据此建立流动分层指数计算剩余油饱 和度的公式 Sor exp[- 0.1037lnFZI 2 0. 6797lnFZI 3. 4092] 220 石油勘探与开发 油气田开发 Vol. 34 No. 2 R 0. 9107, N 8911 图 7 岩心分析流动分层指数与剩余油饱和度关系图 影响剩余油分布的因素[ 13 -15]有沉积微相、 岩性、 物 性及流动单元等, 测井曲线是这些因素的综合响应, 因 此建立在测井资料基础之上的流动分层指数值也同样 是这些因素的综合响应。 根据流动分层指数计算别古庄油田京 11 断块剩 余油饱和度, 建立开发后期剩余油饱和度的三维模型, 平面建模精度为 25m 25m, 纵向分辨率为 0. 5m。从 三维模型可以得到剩余油饱和度的水平切片。图 8 为 Ⅰ3 小层剩余油饱和度水平切片, 由图可见, 剩余油饱 和度高值区主要分布在 J416 井 J511 井区和 J427 井 区。据此进行开发调整, 该断块自然递减由 20 降至 13. 12 , 水驱可采储量增加 67 万 t。 图 8 开发后期Ⅰ3 小层剩余油饱和度水平切片 4 结论 储集层物性、 微观孔隙结构和非均质性随着油田 注水开发发生动态变化, 建立不同开发时期储集层流 动单元模型能够反映储集层在注水过程中的变化规 律, 是深化储集层地质认识的基础。 优选孔隙度、 渗透率、 泥质含量、 粒度中值、 最大孔 喉半径、 流动分层指数等参数作为流动单元的划分标 准, 应用聚类分析和判别分析的方法, 定量划分了流动 单元, 并选用截断高斯模拟方法, 建立了不同含水期流 动单元的三维模型。 沉积微相类型控制着储集层流动单元的类型, 1、 2 类流动单元多分布于滩砂、 坝砂微相中储集性较好的 区域, 平面上多呈块状不规则展布。3、 4类流动单元多 分布于滩砂、 坝砂沉积微相中储集性较差的区域以及 席状砂中。沉积微相类型是流动单元分布的主控 因素。 在不同开发阶段, 剩余油分布与储集层流动单元 类型关系密切。应用流动分层指数计算了别古庄油田 京 11断块开发后期的剩余油饱和度, 并建立了剩余油 饱和度的三维模型, 指出了开发后期剩余油富集的井 区。开发后期, 3、 4 类流动单元储集层是剩余油分布的 相对富集区域。 符号注释 Rd 最大孔喉半径, Lm; K 渗透率, mD; R 相关系 数; RQI 油藏品质指数, Lm; 孔隙度, f; z 孔隙体积 与颗粒体积之比, f; FZI 流动分层指数,Lm; Sirr 束缚水饱 和度, ; Sw 地层含水 饱和度, ; Rw 地层水电 阻率, 8 m; Rt 地层 电阻 率, 8 m; F 地 层因 素, 无因 次; QV 单位孔隙体积阳离子交换量, f; B 系数, 无因次; a 与岩石有关的比例系数, 无因次; Vsh 泥质含量, ; Md 粒 度中值, mm; N 样品数; Sor 剩余油饱和度, 。 下转第 251 页 221 2007 年 4 月 彭仕宓 等 分阶段流动单元模型的建立及剩余油预测 以别古庄油田京 11断块为例 [ 12] Hariharan P R, Judge R A. 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