油气藏水文勘探法及其应用.pdf

油 气藏水 文勘探 法及其 应用 杨寿山 编著 石 油 工 业 出 版 社 内 容 提 要 本书适 应我 国石油 工业加 速发 展需要, 阐 明了油 气藏 水文勘 探法的 中国 古代发 明、 世界 现代 体系和 重要 特点, 包括干 扰试 井、脉 冲试 井、垂 向试 井和三 维试井 。概 述了压 力波 物理 学原 理、理 论解 释图版 、水文 勘探 曲线特 征和 解释方 法。 综合了 中国、 前苏 联、美 国和 其他 国家在 油气 田勘探 开发 中应用 水文 勘探法 的 34 个 实例, 反 映了 从 40 年 代 到 90 年 代油 气 藏 水文 勘探法 应用 成果、 实践经 验和 技术水 平。 本书主 要供 从事油 气田勘 探开 发的地 质和 工程技 术人 员阅读, 亦可 供主 管科研 生产 的领 导干 部工作 中借 鉴和大 中专院 校师 生参考 。 图书在版编目 CIP 数据 油气藏水文勘探法及其应用 / 杨寿山编著. 北京 石油工业出版社, 1997 . 12 ISB N 7 - 5021 - 2065 - 3 Ⅰ . 油⋯ Ⅱ . 杨⋯ Ⅲ . 油气藏 - 水文地质勘探 Ⅳ . P618 . 130 . 8 中国版本图书馆 CIP 数据核字 97 第 13562 号 石 油工 业出版 社出版 100011 北京安 定门 外安华 里二 区一号 楼 石油 工业出 版社 印刷厂 排版 印刷 新华 书店 北京发 行所发 行 * 7871092 毫 米 16 开本 11 印张 278 千 字 印 1 - 1000 1997 年 12 月北 京第 1 版 1997 年 12 月北 京第 1 次印刷 ISB N7 - 5021 - 2065 - 3 / T E1741 定 价 28 . 00 元 序 杨寿山教授是我在大庆相识的一位老石油。一位为石油事业发展饱经风霜 的老科技工作者。他于 1928 年出生于河南林县, 1950 年毕业于西北大学物理 系。一出校门, 就与石油结下了不解之缘, 四十多年辗转于玉门、大庆、江汉、 胜利等油田, 从事油田开发试验油藏工程研究, 以及油田开发设计和地质技术 管理等工作。为玉门油田挖潜增产, 为大庆油田的分层开采, 为江汉油田的高 产稳产和胜利油田稠油上产, 洒下了辛勤汗水, 作出了重要贡献。当他从一线 退下来, 曾找我谈起, 要把他几十年的工作经验进行总结, 继续为发展我国石 油工业服务。我为此而感动, 并鼓励他完成此愿。两年后, 足有尺高的一叠手 抄的书稿, 送给了我, 并约我为此书写序。说实在的, 杨教授是新中国石油战 线的前辈, 我有幸作为本书第一位求知者, 受益非浅, 愿把一点感受记录于后。 油气藏水文勘探法是探测和研究地下油气藏静态特征和动态规律的水动力 学试井方法。它利用或创造激动、观察条件, 了解井与井之间、层与层之间, 甚至含油区、含气区与含水区之间的相应关系。从这一点出发, 作者对油气藏 水文勘探法的原理、由来及发展, 特别是基于对国内外从 40 年代到 90 年代 34 个油气藏水文勘探法应用范例, 论证了现代油气藏水文勘探法的内容。作者从 大量实践活动中, 指出现代油藏水文勘探法应包括干扰试井、脉冲试井、垂向 试井和三维试井, 四位一体组合成配套的现代水文勘探科学技术体系。 事实上, 早在 1500 年前, 我国古代人民就已发现地下储水层相互连通, 井 与井之间有水动力联系。直到 20 世纪 30 年代到 40 年代, 由前苏联和美国学者 通过科学试验和理论研究, 把油气藏水文勘探法转入矿场应用。本书论述了这 一历史发展过程。 任何科学方法的立论, 都是有其理论基础的。本书充分论述了油气藏水文 勘探法的理论基础是压力波物理学, 并且在原来压力波物理学理论基础上, 进 一步综合归纳成四条原理, 即压力波传播迭加原理、镜象映射原理、边界压力 反应原理和椭圆定位原理。这样, 与波动力学、地下渗流力学、几何光学和解 析几何学的相关原理对应更加明确, 更具普遍意义。 为了使油气藏水文勘探法更有效地应用于实际, 作者系统总结了国内外油 气藏在不同探测方式条件下的水文勘探曲线反应特征, 归纳成 20 种典型类型, 为矿场定性解释水文勘探试井成果提供了新的简便类比方法, 使本书更具实际 应用价值。本书还汇集了油气田在不同地理环境和地质条件下, 在不同勘探开 发阶段, 借助不同仪器设备, 采用不同探测方式进行水文勘探的实践经验, 扩 大了水文勘探法应用领域, 不仅应用于油气田开发阶段, 也应用于勘探阶段; 不仅应用于砂岩油气藏, 也应用于其它岩性油气藏; 不仅可在陆上油气田应用, 也可在海上油气田应用; 既可用于研究地质问题, 又可用于解决工程问题。 总之, 这本书是作者几十年理论研究和不断实践的结晶, 凝聚着作者的心 血和对石油事业发展的期盼。希望在油气田勘探开发实践中推陈出新, 扩大应 用成效。 老有所为, 志在千里。杨教授仍在继续耕耘, 他告诉我, 还准备写一本 油气田地质开发力学 的书, 将他的全部智慧、经验奉献给社会主义祖国的石 油事业。我似乎又看见夕阳染红了天, 将对我国油气田现代化高效开发提供新 的科学依据。 1997 年 2 月 11 日 前 言 在我国油气田勘探开发实践中, 既有古代人民在采盐水井和天然气井中应用水文勘探法 的悠久历史渊源, 又有新中国在油气田上应用水文勘探法的成功经验, 解决了许多地质、工 程方面疑难问题, 为新油气田滚动勘探开发部署和老油气田合理开发调整, 提供了重要科学 依据, 见到显著成效。 随着世界石油工业的发展, 油气藏水文勘探法日益得到广泛应用。В . П . 雅科甫列夫在 油气层水文勘探 专著中阐述了前苏联 40 年代应用油气藏水文勘探法的矿场经验和科学原 理; 50 年代以来, 国内外石油专家们又在专题论文和著作有关章节中介绍了许多应用油气 藏水文勘探法的新成果和科技新发展; 但是至今尚未看到系统总结性的新专著, 在学科概念 和专业术语方面也很不统一。1993 年当笔者撰写的“水文勘探法在中国油田开发中的应用” 一文在 石油学报 刊登后, 已引起石油界关注, 国外已有专业期刊摘登, 国内已有矿场同 行复印, 表明系统总结国内外应用水文勘探法的实践经验和科技进展, 很适合当前油气田勘 探开发的需要。为此进一步综合了国内外油气田应用水文勘探法的丰富经验和科学理论, 构 成配套的现代应用科学技术体系, 经过几年努力, 编写成 油气藏水文勘探法及其应用 这 本新的专著, 包括干扰试井、脉冲试井、垂向试井和三维试井的最新成果, 有继承, 有发 展, 希望能扩大水文勘探法应用领域, 为加速我国油气田勘探开发现代化发展提供有益借 鉴。 在本书编写和出版过程中, 中国石油天然气总公司教授级高级工程师、科技局石宝珩局 长给予了鼎力支持和热情鼓励, 对书稿进行了系统审阅指正, 并撰写了精僻的序言; 总公司 总经理助理、大庆石油管理局丁贵明局长和总公司勘探局张文昭副局长给予了热情鼓励和宝 贵指导。在此特向总公司石油界专家石宝珩同志、丁贵明同志、张文昭同志致以衷心的感 谢 在本书调研组稿和编写加工过程中, 江汉石油管理局有关领导和江汉石油勘探开发研究 院有关领导对我的学术著译给予了关心和鼓励; 在文献检索、资料整理、标准单位换算、图 幅复制和清稿打字过程中, 江汉研究院许多同志作了大量辅助工作。在此谨向有关领导和同 志们表示诚挚的感谢 由于笔者专业水平有限, 希望广大石油工作者对书中错误和不当之处, 提出批评指正。 杨寿山 1997 年 5 月 目 录 绪论 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 水文勘探法的发展历史 1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 水文勘探法现代体系 2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 水文勘探法重要特点 3 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一章 油气藏水文勘探压力波物理原理 6 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 压力波传播基本特点 6 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 压力波传播弹性公式 9 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 压力波传播反应原理 10 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二章 干扰试井 13 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 干扰试井探测方式 13 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 干扰试井主要用途 14 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 干扰试井解释方法 15 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三章 脉冲试井 28 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 脉冲试井探测方式 29 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 脉冲试井主要用途 30 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 脉冲试井解释方法 30 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四章 垂向试井 38 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 垂向试井探测方式 39 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 垂向干扰试井 39 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 垂向脉冲试井 41 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五章 三维试井 52 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 三维试井探测方式 52 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 三维干扰试井 52 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 三维脉冲试井 54 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六章 水文勘探曲线反应特征 55 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 水文勘探曲线特征影响因素 55 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 水文勘探曲线特征认识过程 56 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 水文勘探曲线特征类型分析 57 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七章 中国油气田应用水文勘探法实例 64 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 边缘注水开发油田干扰试井, 采取控制局部水舌有效对策 64 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 横切割注水试验区干扰试井, 了解见水层位水线形成特点 66 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 陡构造低渗透油藏干扰试井, 选择多盐断块油田注水方式 69 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 稠油断块油藏干扰试井, 评价常规注水开发效能 71 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 断层交错区块干扰试井, 确定开发系统注采井别 74 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 变质岩古潜山油藏脉冲试井, 测算详探试采阶段地质储量 76 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七节 超覆型古潜山油藏干扰试井, 研究不同类型储层接触关系 79 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八节 海域火山岩油藏干扰试井, 检验储层特性和驱动类型 82 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第九节 狭长构造白云岩气藏干扰试井, 编制多层组气田整体开发方案 84 ⋯⋯⋯⋯⋯ 第十节 低渗透大气田干扰试井, 探测储层区域分布特征 85 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八章 前苏联油气田应用水文勘探法实例 89 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 抽稀井网试验油田干扰试井, 大规模探测油藏不渗透边界 89 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 复杂岩性多层油田干扰试井, 统筹不同层系注水开发井网 91 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 地台型边外注水油田干扰试井, 适应断层透镜体优化布井方案 93 ⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 沥青质泥岩裂缝油藏脉冲试井, 测算双重孔隙介质弹性系数比 95 ⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 高粘度原油油藏干扰试井, 确定储层内稠油流变特性 98 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 巨厚灰岩裂缝油藏干扰试井, 验证储层区间层间连通关系100⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七节 相邻气田之间干扰反应观察, 结合气流动态复核气藏储量103⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八节 砂岩油层与喷泉远距水文勘探, 探测供源区与迳流区水力联系106⋯⋯⋯⋯⋯ 第九章 美国油气田应用水文勘探法实例108⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 多条断层切割油田脉冲试井, 验证断层密封预测注水动态108⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 疏松砂层断块油藏脉冲试井, 测定孔隙压缩性与细粒堵塞111⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 低渗透层水力压裂区脉冲试井, 测算诱发裂缝方位和延伸长度114⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 化学剂驱油试验区脉冲试井, 观察注聚合物油层渗流特性117⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 裂缝性碳酸盐岩油藏干扰试井, 评价储层特性和制订开发规划121⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 海上盐丘区气藏干扰试井, 检验地震勘探断层密封性125⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七节 风成砂丘沉积储层干扰试井, 考虑凝析气藏保持压力规划127⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八节 海侵滨面沉积砂岩干扰试井, 进行凝析气藏多层特性描述130⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第十章 其他国家油气田应用水文勘探法实测135⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 高渗透大油田脉冲试井, 改善整体模拟油藏描述135⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 页岩局部遮挡油藏脉冲试井, 指导储层高压注气混相驱油141⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 分流河道砂水淹区脉冲试井, 研究油藏三次采油饱和条件145⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 顶部侵蚀老油田脉冲试井, 搞清油藏形状和流体通道149⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 高渗透断块油田干扰试井, 考虑储油层水驱波及效率151⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 介壳灰泥岩油藏垂向试井, 测定淋滤储层垂向渗透率153⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七节 多层砂岩断块油藏三维试井, 评价储层纵向横向非均质性156⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八节 塔礁边底水驱油藏三维试井, 揭示礁体综合地质物理特性160⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献165⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 绪 论 油气藏水文勘探法是根据压力波物理学原理进行多井试井、三维试井, 探测和研究油气 藏静态特征和动态规律的新型水动力学试井方法。水文勘探法的主要优点是能够突破一般方 法观察取资料的局限, 利用或创造激动、观察条件, 了解井与井之间、层与层之间, 以及含 油区、含气区与含水区之间的相应关系, 研究解决油气田勘探开发中的地质疑难问题。在解 决某些特殊问题方面, 应用水文勘探法比用其它勘探开发方法或工程技术手段相对经济一 些, 时间周期短, 情况落实准确。因而水文勘探法可以与地质基础、地震测量、矿场地球物 理测井、岩心分析、生产测试、重复地层测试、常规试井、开发动态分析和油气藏数值模 拟、电子计算机优化处理等现代科学技术有机配合, 综合解释, 相辅相成, 合理应用。但又 各有其适用条件和特殊功能, 并不能互相代替。 根据国内外文献调查, 目前中国国内已有 14 个油气区推广应用了水文勘探法; 国外已 二十二个产油国家推广应用了水文勘探法, 包括欧、亚、美、非、澳五大洲辽阔分布的油气 田和地热田, 充分表明水文勘探法在油气藏勘探开发中的有效性和重要作用。 第一节 水文勘探法的发展历史 根据中国和世界石油工业发展史考证, 水文勘探法作为一门应用科学, 是由中国古代人 民在采盐水井和天然气井中首先发明和应用的, 而于 20 世纪 30 年代到 40 年代, 才由前苏 联和美国学者们通过科学试验和理论研究, 把油气藏水文勘探法转入矿场应用。随着新中国 石油工业的飞速发展, 我国石油工作者在油气田勘探开发中承先启后, 进一步扩大了水文勘 探法应用领域, 不断提高应用成效和科学技术水平。 在申力生主编的 中国石油工业发展史 和李德生院士编著的 石油勘探地下地质学 中, 都引证了我国古代人民进行水文勘探的历史文献依据。早在公元 265～420 年期间, 我 国晋朝时期, 盛宏之所著 荆州记 一书中就有“浚一井则众井水皆动”的记载, 说明早在 1500 年以前, 我国人民已经发现地下储水地层是连通的, 井与井之间有水动力联系。当新 掘成一口井采水时, 就会引起周围许多井中水的波动。这种波动就是“水力传导”或“压力 波传播”的概念, 成为世界上水文勘探法产生最早的萌芽。 到了我国明末清初时期, 即 1644 年前后, 这种对地下水层水动力联系的朴素认识便转 入实际应用阶段。根据 川盐纪要 中记载“最初, 有人凿井百数十丈, 尚不见功, 验其 土质色泽, 则与他井异, 以水化之, 则咸量较黑水尤重, 由是知为盐崖之发现。日以淡水灌 入井中, 复以寻常汲卤之法汲而煎之。⋯⋯未几甲井入水而水不见, 乙井不必入水, 水反源 源而来, 推而至于丙、丁, 莫不如是。⋯⋯一日, 某井户以粗糠和水入井试之, 果由他井汲 出, 因知盐崖融化, 逐渐沟通。遂公司商议, 于四十余眼盐崖井中, 只以一、二井专司灌水 ⋯⋯” 。这一历史记载表明, 早在 350 年以前, 我国四川自流井一带人民在灌水采盐卤过程 中, 早已采用向井中灌“粗糠和水”的办法验证各井之间的水动力联系, 了解各井间裂缝的 连通性, 当时叫做“通腔” , 实际上是用粗糠作指示剂, 用水作载体来验证水文勘探法的有 1 效性。综合起来, 至少总结了甲井、乙井、丙井和丁井等 4 口井的试验观察成果, 推广应用 到 40 多口灌水采盐井中, 这是结合生产实践用水文勘探法进行多井试井的一种尝试和创举。 约在 200 多年前我国清朝时期, 四川地区在开发自流井气田时就建立了科学的技术档 案, 用以记录钻井过程中地下地层的变化和见油、气、水的迹象。每口井建有井口簿, 称 “岩口簿” , 在这些井口簿上记录有关于地层裂缝的描述, 明确记载了“立缝见火” 、 “横缝见 水”的特点, 说明在 200 多年前, 我国人民已经能从地下流体动态来判断地层静态结构特 征。井中出水是反映有水平裂缝的标志, 井中出气能点火是反映有垂向裂缝的标志, 实际上 是根据地下水力传导信息借以判断地层裂缝系统纵向和横向分布特征, 联系到井和地层的相 应关系。从历史唯物主义和辩证唯物主义的观点衡量, 中国古代人民最早进行了水文勘探试 验, 在中国古代科学技术发明史上谱写了光辉的篇章, 对世界石油工业的发展和油气藏水文 勘探法的形成和创立作出了杰出贡献。 第二节 水文勘探法现代体系 人类历史上任何科学技术的发明创造都是与社会生产实践相联系的。尽管中国古代人民 早已发明和应用了水文勘探法, 长期以来并未引起人们足够重视和推广应用。直到 20 世纪 上半叶, 随着世界石油工业的发展, 水文勘探法才逐步在油气藏勘探开发中扩大应用, 并且 向科学化、现代化发展。 在 1934 年, 前苏联雅可甫列夫 В .Π . Я к о в л е в 提出了“勘探油层和自流水层的一种 新的地球物理勘探方法, 叫做水文勘探法” , 以压力波物理学为理论基础, 以激动井对观察 井的压力干扰为试验依据, 用以研究勘探开发油气藏系统中的水动力联系和不渗透边界等问 题, 在进行室内甘油实验、水力积分仪实验、淡水喷泉液面观察和矿场试验基础上, 写成 油气层水文勘探 专著, 论述了压力波物理学原理, 列举了 40 年代前苏联油田应用水文勘 探法实例。 在 1935 年, 美国赛斯 C . V. Th e i s “第一次对油藏任意点上, 由于改变产量而引起的 不稳定状态, 压力随时间的变化提出了解法” 。1941 年雅各布 C . E . Ja c o b “应用干扰一词 来描述由于其它井的产量变化而引起的关井压力变化” , 把采用这种方式的试井命名为“干 扰试井” 。1949 年麦斯盖特 M. M u s k a t 在 采油物理原理 专著中, 从研究合理井距出 发, 引用了 40 年代美国城市供水井之间干扰试验和油田内早期出油探井与后来新钻生产井 之间相互干扰的观察试验实例。 1944 年在我国玉门老君庙油田已发现了油井之间的干扰现象。当在 L 油层顶部钻 51 号 井和 52 号井时, 发现构造顶部西侧低部位相距 600 m的 12 号井产出泥浆, 据推测这些井之 间油层有裂缝连通, 这是应用水文勘探法原理研究我国油田动态的开端。根据 1954 年进行 顶部注气试验时的注气反应曲线, 进一步证实了这种认识。 在 40 年代, 美国文献中所述的“干扰试井法”就是中国和前苏联所应用的水文勘探法。 1966 年, 约翰森 C . R. Jo h o s o n 等在美国单层含盐水砂岩和油气层矿场试验基础上, 提出了“脉冲试井法” , 作为“描述井间储层流动特性的一种新方法” , 利用激动井多次、短 期脉冲激动, 在观察井测得相应压力数据, 计算油层动态参数, 可以弥补干扰试井延续时间 长、区域性背景压力影响大等缺点, 首先在美国油田推广应用。“脉冲试井”实际上是对 “干扰试井”激动方式的一种改进, 但也有其局限性, 对于渗透率特低、井距很大, 而井间 2 压力干扰反应周期相当长的情况不完全适应。 经过长期矿场实践, 世界上产油国家针对不同油气田的具体情况, 分别采用了“干扰试 井法”或“脉冲试井法” ; 甚至两种方法并用。 “干扰试井”和“脉冲试井”统称为“多井试 井”或“多井水文勘探” , 构成水文勘探法的基本内容。还有一种更广义的提法, 把用压力 恢复曲线求油藏边界和油藏动态参数的不稳定试井法称为“单井试井”或“单井水文勘探” 。 确切地说, 水文勘探法是由不稳定试井法延伸出来而又独立发展起来的一种新方法, 而在进 行水文勘探过程中, 也结合应用了压力恢复曲线和压力降落曲线两种形式。目前矿场习惯上 把测单井压力恢复曲线求油气藏边界的试井称为“探边测试”或“探边试验” , 表示与“多 井试井”或“多井水文勘探”的区别。 1969 年, 伯恩斯 W. A. Jr. Bu r n s 提出了“确定垂向渗透率的新的单井试井法” , 把油 气藏水文勘探法的基本原理应用于同一井眼中两组不同孔眼层段之间的试井。因此相邻井之 间的多井试井用来确定油气层在横向上的性质, 有时称为“水平试井” ; 而在同一井眼中不 同孔眼层段之间的试井, 则用来确定厚层内或分层间的垂向渗透率, 因而称为“垂向渗透率 试井”或“垂向试井” , 首先在美国油田推广应用。 1982 年, 达克 L . P . Da k e 首次介绍了用重复地层测试器 R F T 进行分层垂向和水 平脉冲试井法。1985 年, 拉萨特 T . La s s e t e r 等用三维模拟装置解释重复地层测试器测量 的双层脉冲试井成果, 得出井间区域内垂向渗透率和水平渗透率, 推测出断块几何形状。 1986 年, 布恩 G . Bu n n 和拉萨特把重复地层测试干扰试井与数值模拟模型、三维地震测 量、矿场地球物理测井和岩心分析资料结合起来, 进行综合分析, 论述了“考莫朗特油田三 维试井的设计、实施和解释” , 首先在英国北海域油田推广应用, 成为用水文勘探法结合现 代科学技术研究油藏地质结构的最新范例。 从油气藏水文勘探法的萌芽、形成和发展历史来看, 有一个由初级到高级, 由观察井间 干扰到主动进行矿场试验; 由平面到垂向, 再到三维油藏描述的发展过程。但是尽管派生出 各种不同的激动和观察方式, 都没有超越压力波物理学理论的应用范畴, 因此统一采用“油 气藏水文勘探法”这一术语比较符合客观实际, 既科学, 又全面。概括起来, 现代“油气藏 水文勘探法”应当包括“干扰试井” 、 “脉冲试井” 、 “垂向试井”和“三维试井” , 四位一体, 组合成配套的现代水文勘探科学技术体系。 第三节 水文勘探法重要特点 1949 年新中国成立后, 随着大批新油气田的发现和投产, 老油气田转入科学正规开发, 水文勘探法在我国油气田勘探开发中日益得到广泛应用。 1955 年在玉门油区老君庙油田用水文勘探观察边缘注水效果, 控制水舌; 1961 年在大 庆油区萨尔图油田用水文勘探观察在内部横切割注水条件下排液井见水动态, 验证套管外窜 槽; 1967 年在胜利油区胜坨油田用水文勘探研究断块油田地层连通性, 为注水开发提供依 据; 1970 年在江汉油区王场油田用水文勘探侦察陡构造油藏水力传导特性, 分析注水地质 条件; 1978 年在河南油区双河 油田用水文勘探验证 断层系统的 密封性, 确定注 采井别; 1980 年在四川油气区相国寺气田用水文勘探探测狭长构造气藏远距井间储层连通关系, 指 导整体开发; 1982 年在渤海油区 428 西油田用水文勘探了解火山岩油藏油层连通状况, 判 别油藏驱动类型; 1984 年在辽河油区东胜堡油田用水文勘探进行变质岩潜山油藏储层评价, 3 落实详探阶段地质储量。80 年代后期到 90 年代, 相继在华北、江苏、新疆、长庆、滇黔桂 和冀东油区应用水文勘探法研究解决新油气田滚动勘探开发过程中的特殊问题, 都取得了显 著成效。根据我国油气田勘探开发中应用水文勘探法的成功经验, 结合国外油气田应用水文 勘探法的典型实例, 总结出应用水文勘探法的几个重要特点。 1 . 水文勘探法可应用于油气田勘探开发各个阶段 从进行区域水文地质调查, 寻找新油气田开始, 就可以应用水文勘探法。进行水文勘探 最理想的条件是至少有两口对应井, 一口作为激动井, 另一口作为观察井, 以便了解井与井 之间储层是否连通和连通层特性。如果二者不可兼得, 至少要有一口观察井, 可以利用地面 喷泉或地下潜水面变化作为天然激动源, 观察其与油气田有关的水动力联系。 在油气田详探阶段、试采阶段、一次采油阶段、二次采油阶段和三次采油阶段, 都有应 用水文勘探法的成功实例, 包括改进储层描述、探测断层和不渗透边界、取得储层动态参 数、研究井网井距和开发层系, 为测算油气藏地质储量、编制油气田开发设计和调整方案、 开展三次采油试验、了解增产措施作用范围等问题提供可靠依据。 2 . 水文勘探法可应用于研究各种复杂类型油气藏 水文勘探法是一种水力侦察性手段, 对各种地质物理特性的油气藏都能使用, 包括多层 砂岩、裂缝性碳酸盐岩、淋滤性介壳灰泥岩、白云岩、白垩岩、火山岩、变质岩、沥青质裂 缝性泥岩、鳞片状细层页岩等各种类型油气藏都有应用水文勘探法的成功实例。 3 . 水文勘探法可以突破其它勘探开发方法的界限 水文勘探法所利用的压力波传导是一种快速的动能传导, 它比在一定压差条件下同一流 体的渗流运动和不同流体的界面移动要快得多; 而应用压力波直射、反射、折射和吸蚀的信 息, 却可以探测地层中流体渗流的通道和不渗透屏障、连通孔隙介质的特性和不同流体界面 的位置。用水动力学方法测算井间储层性质, 常会受到非均质性或相变影响而出现异常, 或 存在不确定性; 如果靠钻井来弄清储层区域性变化或流体动态, 不但不经济, 而且是无法控 制的; 用矿场地球物理测井解释资料进行地层连通对比, 有时受到井间错层尖灭、小断裂或 岩性物性变化影响, 难以解释某些特殊矛盾; 用地震测量可以确定大断层的位置, 但不能确 定断层的密封性; 用不稳定试井法可以探测出井周围不渗透边界的存在, 也不能确定不渗透 边界的位置和密封性, 但是应用水文勘探法却可以确定断层或不渗透边界的方位和密封性; 用岩心分析研究双重孔隙介质的导流能力和储油能力相当困难, 而用水文勘探法能有效地提 供评价双重介质储层的产能与储层参数和基质与裂缝的弹性系数比。因此水文勘探法可以弥 补其它勘探开发手段的不足, 使能配套解决地质疑难问题, 减少许多假设和不确定性, 直接 得出验证结论。 4 . 水文勘探试验一般要求有高精度微差压力仪器 水文勘探科学技术的进步, 依赖于测试压力仪器精度的提高。为了保证在各种复杂的地 下、地面条件下使水文勘探一次成功, 要求按照难度大的情况考虑。对于井间距离远、油层 渗透率低的油气藏, 必须用高精度微差压力计, 才能反应出微弱的压力波干扰信号。许多油 气田由于受仪器精度限制, 所以应用水文勘探法不如应用常规试井法广泛。随着水文勘探法 应用成效日益显著, 许多矿区已配备了高精度仪器设备, 进一步在油气田生产过程中推广应 用水文勘探法, 与常规试井方法配合, 及时研究解决油气田地质开发问题。因为配备一套精 密测压装置, 比购置其它生产设备费用要少得多, 而进行水文勘探对改进油气田开发策略得 到的效益却大得多, 可以达到“事半功倍” 。对于井距较小而渗透率较高的油气藏, 用常规 4 的压力计同样可以观察到压力干扰反应, 不一定为等待高精度仪器而延迟应用水文勘探法进 程, 需要具体分析, 灵活应用。 5 . 水文勘探试验始终与油气田生产息息相关 在某些情况下, 可以利用油气井试采、注水井试注或压裂酸化增产措施施工的开关井激 动条件, 进行水文勘探, 既解决了油气田地质开发问题, 又不影响正常生产。但是在很多情 况下由于特殊原因, 必须创造条件, 才能进行水文勘探, 包括对激动井或观察井进行必要的 井下作业, 对观察井及邻井必要的关井等, 会在一定程度上影响油气田产量, 因而进行水文 勘探的时机最好选择在油气田详探和试采阶段, 这样解决的问题比较关键, 探测范围大而影 响生产小。在油气田投产后, 进行水文勘探的区域一般应在重点井组或生产试验区内, 用局 部的水文勘探成果指导全油气田开发调整。尽管水文勘探试验在某种程度上影响油气田产 量, 但它却是直接为油气田增储上产服务的重要手段, 这就是油气藏水文勘探法不断扩大应 用领域的主要原因。 6 . 进行水文勘探要求精心作好试验设计 试验设计是指导水文勘探顺利进展, 达到预期目标的重要环节。根据岩心分析、试油和 试井资料, 对进行水文勘探的地面、地下条件要作周密考虑, 对仪器设备要作好充分准备, 对试验延续时间和可能出现的问题要有初步预测, 要作好最顺利和最困难两种可能性打算, 这样可以有计划有步骤地调节试验进程, 做到“胸中有数” 。有时发现压力反应比预计的要 快, 可以成倍缩短试验时间; 有时发现意外情况, 需要改变试验程序或中途延长观察时间, 甚至需要重复验证, 务必达到试验目的。 7 . 水文勘探法必须结合有关油气田地质研究成果综合应用 水文勘探法有独立解决某些特殊问题的优点, 但是在大多数情况下必须与用各种先进科 学技术手段得出的油气田地质研究成果结合, 进行综合解释, 才能得出中肯的结论。在很多 情况下水文勘探验证的结果与地质解释和动态分析判断的结论是一致的, 水文勘探只是起到 澄清疑点和“画龙点睛”的作用; 在另一些情况下, 得出的结论会有矛盾, 甚至完全相反, 这就需要反复推敲, 重新认识, 也可能会使矛盾统一, 得出更全面的正确结论; 必要时宁可 改变探测方式, 重新试验, 进一步落实, 该肯定的肯定, 该否定的否定, 不留“尾巴” 。国 内外油气田有许多用水文勘探数据与三维地震、数值模拟、地质分析和生产动态综合解释的 实例, 使水文勘探法在油气田勘探开发中发挥更大的作用。 根据上述水文勘探法的特点, 适应我国油气田勘探开发增储上产和高效开发的需要, 调 查研究了国内外文献中上百个油气田水文勘探试验成果、应用成效、先进科学技术和实践经 验。本书向广大石油专业工作者介绍油气藏水文勘探法在勘探开发中的应用成效, 旨在集思 广益, 进一步扩大水文勘探法的应用领域, 为我国石油工业实现新的飞腾提供有益借鉴。 5 第一章 油气藏水文勘探压力波物理原理 油气藏水文勘探法的理论基础是压力波物理学。在基础物理学科中, 与水文勘探法有关 的是波动力学和光学。波动力学研究的范围较广, 包括水波、声波、光波、无线电波、地震 波等; 光学研究的范围有几何光学和物理光学。前苏联学者雅可甫列夫于 20 世纪 30 年代到 40 年代, 为了研究和解释油气藏水文勘探机理, 吸取了水文地质学、地球物理学、地下水 动力学、波动力学和几何光学中有关原理和定律, 通过室内科学实验和矿场生产试验, 创立 和逐步形成了压力波物理学这门新兴应用科学。随着世界石油工业的发展, 从 50 年代以来, 随着世界石油工业的发展, 从 50 年代以来, 许多石油科技工作者在水文勘探试验技术和解 释方法方面又有所改进和发展, 但在压力波传播机理方面仍有些需要补充和完善。因此, 本 章以原作者“压力波的物理学要点”为基础, 尽量吸收有关文献中现代科学的新概念、新方 法和新理论, 总结我国油气田进行水文勘探的矿场实践经验和科学机理研究的新认识, 综合 进行论述。 第一节 压力波传播基本特点 众所周知, 油气层的水力学机理, 主要是流体在不稳定运动中的水力机理。如果油层中 流体和岩石是绝对刚体, 则在任何距离上压力变化的传递会以无限大的速度在瞬息间发生, 在油气层中可以维持一种符合于达西定律和相应排量下的压力。实际上, 油层中流体和岩石 是可压缩的, 因此在油层中任何一部分发生压力变化, 其沿油层传递的压力变化并不是瞬息 的, 而是有一定有限的速度。由于油层中流体和岩石具有弹性, 所以即使在渗透性很好的油 气层中, 油井中的液面位置或压力水平并不等于油层无弹性时按达西定律所测算的结果。只 有全面了解流体不稳定运动的渗流物理原理和运动规律, 才能根据油井中静液面或压力变化 预测油藏动态, 判断油藏大小和几何形状, 探测不渗透边界分布和油层的其他物理性质。 一、压力波传播井下液面观察 1933 年雅可甫列夫用自制液面仪观察了井与井之间压力波的传播, 提出了几点认识。 1 在距离激动井 100～200 m的观察井中, 用液面仪探索到渗透性油层中的压力变化, 是在激动井改变排量发送冲击波后, 隔几秒钟到几分钟就开始的。这种压力降落的传播速 度, 与以天数或以星期数计算的说法出入很大, 但是比声速要慢许多倍。 2 在观察压力反应的井中, 压力增长与时间的关系曲线, 不是平常简谐振动的正弦曲 线形式。 3 压力传播是一次冲击所发生的, 不是一连串的完全周期性振动, 而仅仅是单一的半 波, 与物理学上的其他弹性波 声波、震波等 不同。 根据观察结果认为在充满自流水层孔隙的液体中, 压力变化的传播, 既不同于声波, 也 不同于水力冲击波及其他的波, 而是一种完全新的弹性半波。为了要着重这种压力变化在机 理上呈波纹状, 借以提示它在实用上的可能性, 命名为“压力波” 。这种微振波可以用来观 察生产层是否有不渗透边界存在, 也可以用于作油层对比, 测定油藏的刚性程度和孔隙空间 6 的容积, 以及油藏相互之间的连通性等。于是根据压力波传播机理, 提出了这种新型地球物 理勘探法, 命名为“水文勘探” 。 二、压力波传播油层模型试验 在实际矿场进行水文勘探中, 不可能全面观察压力波的传播过程, 只能在一口井或几口 单井中观察油层静止压力的变化, 这种变化是由于开采同一油层的另一口井或几口井的产量 有了某些改变而引起的。关于地层的性质, 只能根据电测资料、岩心分析资料, 结合自喷井 和抽油井的产量作某种程度的判断。在这些井中所测得的液面、压力和产量随时间的变化曲 线, 是