基于流动单元改进的渗透率解释模型

廖东良, 吴海燕

(中石化石油工程技术研究院, 北京 100101)

0 引 言

1984年Hearn等[1]在研究美国怀俄明州Hartog Draw油田Shannon储层时,发现不同储层部位的质量不同,对生产动态的控制作用也不尽相同,由此提出了流动单元(Flow Unit)的概念。Hearn在把Shannon砂岩储层划分为中心坝相、坝缘相Ⅰ、坝缘相Ⅱ、坝间相和生物扰动粉砂岩相的基础上,认为由于受沉积作用和埋藏成岩作用的影响,每种相的岩石物性变化很大,即同一相带不同部位储层质量不同,但在该相带内岩性特点相似,影响流体流动的岩石物理性质也相似。据此把Shannon砂岩划分为5个流动单元,并把流动单元定义为横向和垂向连续的储层。

自Hearn提出储层流动单元的概念以后,很多学者应用这一概念开展了储层表征或储层评价研究,并对流动单元概念和划分方法进一步补充和完善。Ebanks[2]认为流动单元是根据影响流体在岩石中流动的地质和物性变化进一步细分出的岩体;Amaefule等[3]认为流动单元是给定岩石中水力特征相似的层段,流动单元是影响流体流动的油藏物理性能恒定不变的岩石体积。水力特征即为孔隙几何单元,岩心资料提供了影响孔隙几何形状的各种沉积和成岩因素的信息;反过来孔隙几何形状特征的变化,可以用来定义具有相似流动特征的流动单元。按照流动单元的概念,一个储油层可以划分为若干个岩石物理性质各异的流动单元块体,在同一流动单元内部,影响流体流动的地质参数相似,不同的流动单元之间表现出岩石物理性质的差异性,并认为流动分层指标IFZ是最好的划分参数。因此,流动单元对渗透率解释方法比以前用实验数据建立的单一渗透率解释模型具有更高的准确性。

1 流动单元定义

流动单元的发育特征和空间分布状况主要受原始沉积作用、构造作用、成岩作用的影响和控制。因此,流动单元是储层岩石物性特征的综合反映。一个储层可以划分为若干个岩石物理性质各异的流动单元,在同一流动单元内部,影响流体流动的地质因素相同,具有相同的水动力学特征和渗流特征。根据流动单元理论,流动单元指数可以表示为储层品质指数与地层孔隙度之间的关系

IFZ=IRQφZ=1fgτSVgr

(1)

式中,IFZ为流动单元指数,该指数越大则流动性质越好;IRQ为储层品质指数,IRQ=0.0314Kφ;φZ为孔隙体积与固体体积之比,φZ=φ1-φ;fg为形状因子;τ为曲折度;SVgr为比表面。

岩石相、沉积微相是影响储层流动单元质量差异的主要地质因素。因此不同沉积微相、岩石相储层具有不同的流动单元。通常情况下,岩相越粗流动单元质量越好,IFZ数值越大;岩相越细流动单元质量越差,IFZ数值越小。

2 流动单元的划分方法

一个单砂体可以由一个流动单元组成,也可以由多个流动单元组成[4]。如果砂体内均质性较强,则该砂体是由多个流动单元组成,由于砂体内的岩性、孔隙结构、压实程度和沉积过程等的不同,把该砂体划分为多个流动单元。

在划分流动单元的方法上,Rodriguez等[5]认为流动单元的划分方法用相带或相带组合划分,并提出了用相带及组合划分流动单元的7个步骤,这是一种定性的研究方法。Guangming Ti等[6]在研究阿拉斯加北斜坡Endicott油田储层流动单元时提出了一种较为有意义的定量化研究方法,即利用累计频率进行划分的方法。

流动单元的划分方法通常有2种方法,一种是通过聚类分析或神经网络模式识别方法;另一种是利用累计频率划分方法。文中采用第2种方法划分。由于同一种流动单元具有相似的岩石物理性质,渗流特征基本相似,虽然同一种流动单元孔隙结构相似,其孔隙度和渗透率大小不一定完全相同,而是满足相似的变化规律,所以这些相似孔隙结构的IFZ在累计频率曲线上表现为直线,流动单元划分时将IFZ在累计频率上呈直线变化的区间分为同一个流动单元。IFZ值变化范围最大,说明其流动单元性质变化大,孔隙结构也更复杂。罗家油田沙二段孔隙度—渗透率关系如图1所示,其孔隙结构相对简单。IFZ流动单元指数越小,则孔隙越复杂,或孔隙比表面越大,在孔隙内流动越困难;IFZ数值越大,流动性越好。根据IFZ累计频率图将罗家油田划分为5种流动单元(见图2),这5种流动单元正好对应滩坝砂中的5种沉积微相,分别是坝主体、坝侧缘、滩脊、滩席和滩坝间沉积微相。该研究结果与Hearn的结论一致,因此流动单元与沉积微相存在对应关系,流动单元从1到5对应沉积微相为坝主体、滩脊、坝侧缘、滩席和滩坝间,每种沉积微相或流动单元内岩性和孔隙结构相似,但不同流动单元之间不同。

图1 罗家油田沙二段K—φ关系图

图2 罗家油田沙二段IFZ累计频率划分图

利用沾化凹陷罗家油田岩心实验数据划分的5个流动单元,这5个流动单元对应的孔隙度—渗透率关系图如图3所示,在双对数图下如图4所示。比较图4和图1可见,图4中不同流动单元下由于孔隙结构相同或相似,因此孔隙度、渗透率之间的关系更好。

图3 不同流动单元φ—K关系图

图4 罗家油田φ—K关系图

3 基于流动单元的渗透率解释模型

由式(1)看出,流动单元指数由孔隙曲折度、孔隙形状因子和孔隙比表面决定,因此越复杂的孔隙结构将导致流动单元指数越低,渗透性越差,相反越简单的孔隙结构渗流性越好。根据式(1)的定义,流动单元的渗透率模型可以表示为

(2)

由于同一流动单元之间孔隙结构相同或相似,同一流动单元中IFZ的数值相差不大,因此式(2)在不同的流动单元中可以表达为

K=aφb

(3)

式中,a、b为对应图3中不同流动单元的回归系数。

不同流动单元下系数a、b不同,从图3得出每种流动单元的孔隙度渗透率关系相关性系数达到0.582～0.908,平均达到0.774,而不分流动单元的孔渗关系相关性系数为0.672(见图1),因此应用流动单元划分方法可使地层渗透率的求解精度进一步提高。

4 改进的渗透率解释模型

对式(1)取对数得到式(4)。从式(4)看出,IRQ—φZ双对数坐标系上截距为IFZ,表示每个流动单元流动性和孔隙结构好坏;斜率为1,表示不同流动在该图上应该为一组斜率为1的平行直线。

lgIRQ=lgφZ+lgIFZ

(4)

但从划分流动单元后的IRQ—φZ对数关系图(见图5)看出,实际斜率并不为1,图5中5个流动单元对应式(4)的指数分别为1.020 4、1.038 1、0.817 8、0.957 5、0.710 4,这与式(4)中IRQ—φZ在双对数坐标下斜率为1相矛盾。原因可能是流动单元内孔隙结构存在一定的差异,使IFZ的数值相差较大;也可以是划分流动单元类型时采用人工画曲线,造成了划分流动单元类型时,选择数据存在一定的误差。

图5 流动单元IRQ—φZ关系对比

图6 改进的IFZ累计频率关系图

m=b1+b2+…+b55

(5)

式中,b1～b5分别为图5中5个流动单元φZ对应的指数。

lgIRQ=mlgφZ+lgIFZ

(6)

把m代入式(2),得到修正后不同流动单元下的渗透率解释模型

0.03142φ2m+1(1-φ)2

(7)

5 改进后效果分析

把修正指数代入式(6),得到改进后的IRQ—φZ关系为

lgIRQ=0.9088lgφZ+lgIFZ

(8)

利用修正后的不同流动单元数据制作IRQ—φZ双对数坐标图(见图7),在修正后的IRQ—φZ双对数坐标下分析发现,5个流动单元回归线是一组平行线,与式(9)的定义完全一致,说明修正工作能有效地符合统一流动单元内孔隙结构相同或相似。改进前流动单元IRQ—φZ曲线相关系数平均为0.596 6(见图5),改进后大部分流动单元类型的相关系数得到提高(见图7),改进后的IRQ—φZ曲线平均相关系数平均提高到0.686 9,说明划分流动单元的可靠性得到提高。由于修正前、后流动单元划分的对应孔渗数据不同,因此改进后的孔渗关系图(见图8)与改进前(见图3)有所不同,但改进后更符合流动单元的定义。

图7 改进的流动单元IRQ—φZ关系图

图8 改进的流动单元φ—K关系图

利用修正系数m代入式(8)得到改进后的渗透率解释模型,IFZ为图7中对应的截距,式(8)中对应5个流动单元的IFZ分别为3.462、1.685、0.852 6、0.485 9和0.225 1,因此可以方便地建立5个流动单元的渗透率计算模型。如图8中所示,每种流动单元的孔渗关系相关性系数达到0.635～0.868之间,平均达到0.773,改进后的渗透率解释精度并没有降低。

罗家油田滩坝砂存在5种沉积微相对应为5种流动单元,测井解释过程中只有有效地识别出地层的沉积微相,就可以快速建立较准确的对应不同沉积微相和流动单元渗透率计算模型(见表1)。

表1 改进后不同流动单元对应的渗透率解释模型表

6 结 论

(1) 流动单元指数由孔隙形状、迂曲度和岩石颗粒比表面决定,同一个地层根据流动单元指数可能划分为一个或多个流动单元,每个流动单元内地层岩性和孔隙结构相似,不同流动单元之间岩性和孔隙结构不同。

(2) 应用流动单元方法进行流动单元划分,不同的流动单元对应为不同的沉积微相,流动单元指数越高,则储层流动性能越好。

(3) 应用流动单元方法建立的渗透率解释模型能大大地提高渗透率的解释符合率,虽然同一个流动单元物性相差很大,但他们之间的流动性能基本相同,该方法也适用于其他的地层。

(4) 改进后的渗透率模型不仅更符合流动单元的定义,而且更方便地建立不同流动单元的渗透率解释模型。

参考文献:

[1] Hearn C L, Ebanks W J Jr, Tye R S, et al. Geological Factors Influencing Reservoir Performance of the Hartzog Dra Field, Wyoming [J]. J Petrol Tech, 1984, 36: 1335-1344.

[2] Ebanks W J Jr. Flow Unit Concept-integrated Approach to Reservoir Description for Engineering Projects [J]. AAPG Annual Meeting, AAPG Bulletin, 1987, 71(5): 551-552.

[3] Amaefule J O, Altunbay M. Enhanced Reservoir Description: Using Core and Log Data to Identify Hydraulic(flow) Units and Predict Permeability in Uncored Intervals/Well [C]∥the 68th Annual SPE Conference and Exhibition, SPE 26436, Houston, Texas, Oct 2-5, 1993: 205-220.

[4] 陈欢庆, 胡永乐, 闫林, 等. 储层流动单元研究进展 [J]. 地球学报, 2010, 30(6): 875-884.

[5] Rodriguez A, Maraven S A. Facies Modeling and the Flow Unit Concept as a Sedimentological Tool in Reservoir Description: A Case Study [C]∥The 63rd Annual SPE Technical Conference and Exhibition, SPE 18154, Houston, Tesas, Oct, 2-5, 1988: 465-472.

[6] Guangming Ti, Baker Hughes INTEQ, Ogbe D O, et al. Use of Flow Units as a Tool for Reservoir Description: A Case Study [J]. SPE Formation Evaluation, 1995, 10(2): 122-128.

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