南堡凹陷4号构造中深层储层可压性综合评价

田晓冬，魏博，梁忠奎，彭洪立，贺忠文，张陈珺，苗秀英

1.中国石油冀东油田分公司勘探开发研究院，河北 唐山 063004 2.中国石油集团测井有限公司地质研究院，陕西 西安 710077

南堡凹陷是华北地台基底上，经中、新生代构造运动发育起来的一个“北断南超”的箕状凹陷[1]，古近系东营组沉积期，凹陷南部为沉降中心，4号构造带为有利储层主要发育区之一[2]，东营组二段(以下简称东二段)、东营组三段(以下简称东三段)为冀东油田储量升级和产能建设的主要含油层系，沉积环境为扇三角洲前缘亚相，发育水下分流河道、分流间湾、河口坝等[3]。

研究区为4号构造东二段、东三段中深层砂岩储层，储层主要埋深3 000～4 000 m，具有明显的薄互层特点，通常不具有自然产能或低效自然产能，压裂改造是研究区低渗透薄互层油气藏开发过程中非常有效的技术手段。前人开展研究主要集中在沉积相、控制因素及成藏等方面，对储层孔隙结构及储层可压性缺乏深入研究，影响了下一步勘探开发。笔者以岩石物理实验和测井资料为基础，综合考虑储层储集品质和工程品质的影响，开展了南堡凹陷4号构造中深层储层可压性综合评价，建立了可压性评价模型，有效指导了压裂选层工作。

1 储层储集品质评价

1.1 孔隙结构

为了便于评价南堡4号构造中深层储层孔隙结构，按照油气评价方法中碎屑岩储层孔隙度类型划分表(SY/T 6285—2011)[4]对实验样品进行初步分类。Ⅰ类样品(中孔)：15%≤φ(孔隙度)<25%；Ⅱ类样品(低孔)：10%≤φ<15%；Ⅲ类样品(特低孔)：5%≤φ<10%；Ⅳ类样品(超低孔)：φ<5%。整理分析了4类样品的物性、黏土、粒度、扫描电镜、铸体薄片等岩心实验资料，明确了影响研究区孔隙结构的主控因素。研究区孔隙度分布范围为2.3%～20.8%，平均14.3%，渗透率分布范围为0.002～258.0 mD(见图1)，储层类型主要为中、低孔低渗型储层，孔隙度、渗透率具有较好的相关性。

图1 孔隙度、渗透率频率分布图Fig.1 Frequency distribution of porosity and permeability

黏土含量分布范围为2.3%～50.1%，平均含量13.9%，黏土类型以伊蒙混层为主(52.9%)，其次为高岭石(29.1%)，还含有少量绿泥石(9.1%)和伊利石(8.9%)(见图2)。

图2 黏土含量频率分布图Fig.2 Frequency distribution of clay content

粒度实验资料表明，Ⅰ类样品以巨砂、粗砂为主，粒径较大，粉砂和黏土小颗粒组分含量小于10%，Ⅳ类样品以细砂、极细砂为主，基本不含中粗砂等大颗粒组分，由Ⅰ类到Ⅳ类样品大颗粒组分减少，粒度逐渐变细，表明颗粒组分越细，孔隙结构越差(见图3)。

图3 粒度组分频率分布图Fig.3 Frequency distribution of particle size components

基于扫描电镜和铸体薄片(见图4)实验数据分析，Ⅰ类到Ⅳ类样品颗粒接触性质由漂浮状、点接触逐渐向线接触、凹凸接触、缝合接触变化，大颗粒组分明显减少且颗粒间堆积更加紧密，孔隙类型以粒间溶孔和粒内溶孔为主，颗粒间充填黏土矿物增多，喉道半径减小，面孔率降低，储层孔隙结构变差。

图4 4类样品铸体薄片图Fig.4 Thin sections of four types of sample castings

综合分析铸体薄片、扫描电镜等岩石物理实验数据，得出南堡4号构造中深层储层孔隙结构主控因素为后期成岩作用。成岩作用是决定砂体储集性能的关键因素[4]，成岩作用类型有压实、胶结和溶蚀作用。压实作用是造成研究区砂岩原生孔隙大量丧失的主要原因，主要表现为颗粒间点线、缝合接触，原生孔隙减小，颗粒堆积紧密，严重影响了储层的储集和渗流能力；胶结作用主要表现为黏土矿物胶结，黏土矿物充填孔隙空间，使储层物性变差；溶蚀作用是产生次生孔隙、改善储层孔隙结构的重要成岩作用，长石、岩屑等组分被酸性流体溶蚀，提供了大量的孔隙空间[5-8]。

1.2 储层储集指数

研究表明，压汞数据与储层孔隙结构具有很好的对应关系，广泛用于储层分类方法研究[9]。本次研究基于压汞实验数据分析排驱压力、分选系数等参数与孔隙度、渗透率的相关性，选取相关性较高的平均孔喉半径rm、分选系数s、中值孔喉半径rpc50、最大孔喉半径rpd等4个参数表征岩石微观渗流能力，结合表征储层储集能力的φ，建立储层储集指数，各参数相关性见表1。

表1 压汞参数与孔隙度、渗透率相关性统计表

由于4项压汞参数对孔隙度、渗透率的影响程度难以判定，需要在量化基础上综合分析各参数影响，本次研究利用层次分析法较为准确地定量分析各参数所占权重[10]。层次分析法(AHP)是一种典型的将决策者对于决策事件的决策思维进行量化的过程，可有效将各压汞参数对于储层物性影响程度转化为可以量化的权重值，实现微观孔隙结构的准确表征[11-13]。层次分析法的一个重要特点是用两两参数重要程度之比的形式表示出相应重要性程度等级，表2为SAATY给出的9个重要性等级及其赋值[9]。构建储层储集指数目的为综合表征储层储集性和渗透性，各压汞参数主要反映储层渗透性，储集性通过孔隙度来表征，因此孔隙度相对其他参数来说最重要，各压汞参数通过表1相关性分析表明，rm与孔渗相关性最高，s和rpc50次之，rpd相关性最差，因此通过参数间两两比较建立判断矩阵，如表3所示。

表2 判断矩阵取值量化表[9]

表3 物性评价的判断矩阵

P=0.4φ+0.27rm+0.16s+0.11rpc50+0.06rpd

(1)

图5为储层物性指数P与孔隙度、渗透率交会图，R2分别为0.7929、0.7361，同表1压汞参数与孔、渗相关性比较，物性指数与渗透率相关性差别不大，与孔隙度相关性明显提高。表明物性指数在不影响表征微观孔喉特征的同时，大大提高了对岩石储集性质的表征能力，反映储层宏观物性特征更加全面和准确。

图5 P与φ、K交会图Fig.5 Cross plot of reservoir physical property index with porosity and permeability

通过岩心归位，在常规测井曲线质量控制与分析的基础上，结合相关性分析优选声波时差Δt、密度ρ、自然伽马qAPI等三条常规测井曲线与岩心建立的储层物性指数P进行线性回归分析，得到由常规测井资料计算的储层物性指数P1：

P1=-0.126qAPI+0.045Δt—24.574ρ+59.67

(2)

研究表明，储层储集品质除受储层孔隙度、渗透率影响外，还受储层厚度和含油饱和度影响。研究区普遍存在砂泥岩薄互层现象，储层累计厚度大但有效厚度小，因此需要确定目的层有效厚度下限标准。本次研究以压汞、孔渗等岩心分析资料为基础，基于统计规律分别应用最小孔喉半径法、J函数法、最小曲率半径法、累积储能丢失法计算目的层有效厚度下限。

1)最小孔喉半径法。在孔隙或喉道壁上有一层吸附能力很强的束缚水膜，并且具有较强的抗剪切能力，在生产压差下难以运移出去。水湿性碎屑岩颗粒表面附着水膜厚度约为0.1 μm，大于0.1 μm为有效喉道。作平均孔喉半径与渗透率关系图，取rm=0.1 μm时对应的渗透率为渗透率下限，再通过孔渗关系计算孔隙度下限，得出渗透率下限为0.64 mD，孔隙度下限为10.1%。

2)J函数法。压汞毛细管压力曲线是研究储层岩石微观孔隙结构的重要资料，曲线的不同进汞压力区间对应不同孔喉半径区间，每个区间对于渗透率都有各自的贡献值，随着进汞压力越来越大，孔喉半径越来越小，当某个孔喉半径对于渗透率的累计贡献达到99.99%时，即可求得最小流动孔喉半径。实验室条件下的压汞资料是单一样品孔隙结构的反映，为了综合反映储层的微观孔隙结构特征，需要将性质相同的毛细管压力曲线平均为一条能代表储层综合特征的毛细管压力曲线。LEVERETT等提出了不受物性影响的J函数公式：

(3)

式中：J(Sw)为J函数；pc为压汞进汞压力(毛细管压力)，MPa；θ为润湿接触角，(°)；σ为流体表面张力，N/m。

计算J函数后，利用Purcell法求取最小流动孔喉半径，计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

计算最小流动孔喉半径后再通过交会图法求得对应的孔隙度下限和渗透率下限，计算得到孔隙度下限为9.2%，渗透率下限为0.51 mD。

3)最小曲率半径法。曲线的曲率是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大，曲率的倒数是曲率半径。在中值压力与孔隙度交会图中，趋势线明显分为前后两个阶段，第一阶段随着孔隙度的增大，中值压力迅速减小，下降到一定程度后过渡到第二阶段，即随着孔隙度的增大，中值压力趋于稳定。计算曲率半径最小的点即曲线的拐点，拐点对应的孔隙度为孔隙度下限，再由孔渗关系得到渗透率下限，计算得出孔隙度下限为9.5%，渗透率下限为0.59 mD。

4)累积储能丢失法。该方法的核心是以岩心的孔隙度和渗透率数据为基础，统计各参数频率分布规律，计算累积储能和产能丢失曲线，以低孔渗段累积储渗能力丢失占总累积的5%为界限确定孔隙度下限值。其中孔隙度储流能力Qφi公式为：

(7)

式中：φi为区间i的孔隙度，%；Hi为区间i的储层有效厚度，m。

当储流能力丢失占总累积的5%时，对应的孔隙度下限为8.4%，渗透率下限为0.43 mD。

综合上述4种方法统计结果见表4，为减小误差，对4种方法取平均值，得到研究区孔隙度下限为9.3%，渗透率下限为0.54 mD，对应的储层物性指数下限为0.068，因此定义P1>0.068时，对应的储层厚度为储层有效厚度。

表4 有效厚度下限统计表

基于岩电实验和地层水分析资料，利用阿尔奇公式计算储层含油饱和度。因储层储集品质与物性指数、有效厚度、含油饱和度为正相关关系，综合3个参数构建储层储集指数IS评价储集品质：

IS=P1·H·So

(8)

式中：H为储层有效厚度，m；So为储层含油饱和度，%。

2 储层工程品质评价

测井资料评价储层工程品质主要利用阵列声波纵横波数据计算弹性模量和泊松比，进而得到脆性指数和断裂韧性表征工程品质[14-15]。由于阵列声波数据有限，如何准确建立横波曲线计算模型成为储层工程品质评价的关键环节。目前计算横波主要有Xu-White模型、经验公式、回归分析和规划求解4种方法[16-19]。笔者经过对比分析上述4种方法的计算结果，确定选取精度最高的规划求解法计算横波时差。

2.1 横波时差计算

利用规划求解法计算横波曲线，选取有实测阵列声波数据的NP4-A井进行建模。作横波时差(Δts)与常规测井曲线的相关性分析，优选相关性较高的补偿中子孔隙度(φnc)、密度(ρ)、声波时差(Δt)和自然伽马(qAPI)作为输入变量，定义各参数初始系数a，b，c，d和常数项e为任意常数，得到计算横波时差(Δts，c)的初始计算式(式(9))。基于研究区8口井的实测阵列声波数据相关性分析，Δts与Δt、φnc、qAPI呈正相关，与ρ呈负相关，因此加入限定条件，a>0，b<0，c>0，d>0；利用规划求解模型，将系数和常数项a，b，c，d，e设置为可变参数，计算Δts，c与Δts的差值，设置差值平方和取得最小值为优化目标，结合限定条件求得数据的最佳函数匹配，得到Δts，c最优解(式(10))：

Δts，c=aφnc+bρ+cΔt+dqAPI+e

(9)

Δts，c=1.2φnc-21.4ρ+0.37Δt+0.08qAPI+63.95

(10)

图6为NP4-A井计算横波时差(Δts，c)与实测横波时差(Δts)的对比图，可以看出，两者具有很好的一致性，计算精度较高，同时实测纵波时差(Δtp)、Δt两条曲线表明，常规测井声波时差与阵列声波纵波时差基本重合，可以用Δt代替Δtp计算岩石力学参数。

图6 计算横波与实测横波对比图Fig.6 Comparison of calculated and measured S-waves

分别基于Xu-White模型法、规划求解法、回归分析法和经验公式法计算横波时差和泊松比，计算结果对比如图7所示，对比发现规划求解法计算的横波时差和泊松比精度最高。

图7 不同方法计算结果对比图Fig.7 Comparison of calculation results by different methods

总结分析4种方法的优缺点，Xu-White模型法同时考虑到岩石基质性质、孔隙度及孔隙形状、孔隙饱和流体性质的影响[20]，物理意义比较明确，但该模型计算过程较为复杂，且需要输入的基础参数太多，部分参数只能选取近似值，影响最终计算结果；经验公式法计算简单、快速、所需参数少，但受地区影响太大，计算结果误差较大，不能够推广使用；回归分析法计算简单、误差相对较小，但该方法单纯基于数据统计原理，只适用于单井计算，邻井推广时误差较大；规划求解法可根据各参数实际物理意义及参数间相关性建立约束条件，不断优化求得最优解，模型计算精度高。

2.2 储层工程指数构建

利用规划求解法计算得到的横波时差，结合常规声波、密度测井资料通过式(11)、(12)计算泊松比和岩石弹性模量：

(11)

(12)

式中：μ为泊松比，1；E为弹性模量，GPa。

测井评价中主要采用岩石弹性参数计算法和岩石矿物组分计算法计算岩石脆性指数，本次研究选取Rickman弹性参数法对岩石脆性指数IB进行计算：

(13)

式中：Emax、Emin分别为弹性模量最大值、最小值，GPa；μmax、μmin分别为泊松比最大值、最小值，1。

利用自然伽马qAPI计算泥质含量Vsh：

(14)

式中：qAPI，max、qAPI，min分别为自然伽马最大值、最小值，API。

结合弹性模量E、泥质含量Vsh计算抗拉强度S和断裂韧性指数IK：

(15)

IK=0.0059S3+0.923S2+0.517S-0.3322

(16)

陈治喜，李华阳等[21-22]研究表明，脆性指数表征岩石起裂的难易程度，脆性指数越大，对压裂反应越灵敏，形成的裂缝网格越复杂；断裂韧性指数表征岩石受外力作用后抵抗该裂隙继续向前扩展的能力，可反映储层压裂的难易程度，断裂韧性越小，形成的裂缝网络越复杂，裂缝形成之后越容易向前延伸[23]。一般来讲，脆性指数越高，断裂韧性指数越低，越有利于裂缝的形成和延伸，越容易形成复杂缝网。因此，构建储层工程指数IE对工程品质进行评价：

(17)

3 可压性综合评价

结合储层储集指数和储层工程指数，开展南堡凹陷4号构造中深层储层可压性综合评价。表5为石油天然气控制储量计算方法中给出的产能分类标准(Q/SY 01179—2019表C.3产能分类)[24]，整理研究区压裂井生产数据，根据生产情况按照标准进行分类，并定义中产、高产为压裂有效，低产为压裂低效，特低产为压裂无效。

表5 产能分类标准

计算各井压裂层段的储层储集指数和储层工程指数，按照压裂有效层、压裂低效层和压裂无效层进行分类，作储层储集指数IS和储层工程指数IE交会的可压性综合评价图版如图8所示。由图8可知，储层储集指数、储层工程指数越大，对应的压裂效果越好，且三类储层存在明显界限，根据图9中三类层的分布情况，建立可压性综合评价图版。根据可压性综合评价图版建立可压性评价标准：IS>1.5且IE>1.2时为压裂有效；IS<0.7或IE<0.8时为压裂无效；其他范围为压裂低效。

对南堡4号构造6口压裂井应用上述图版进行分类(见图9)，其中5口井位于压裂低效区，1口井位于压裂有效区。根据生产情况，5口井压后日产量在5～11 m3，表现为压裂低效，1口井压后日产量16 m3，表现为压裂有效，压裂后产能结果与压裂前图版法评价结果相符，对比情况如表6所示。

表6 压后产能与压前分类结果统计表

4 结论

1)基于铸体薄片、粒度等岩心实验资料分析结果，南堡凹陷4号构造中深层储层孔隙结构主控因素为后期成岩作用，应用层次分析法构建储层物性指数表征孔隙结构，并建立储层有效厚度评价标准，综合储层物性指数、储层有效厚度和储层含油饱和度构建储层储集指数。

2)对比分析Xu-White模型、经验公式、回归分析、规划求解4种计算横波的方法，应用规划求解法计算横波时差，结合密度、声波时差、自然伽马等常规测井曲线计算弹性模量、泊松比等力学参数，进而得到储层脆性指数和断裂韧性指数，构建储层工程指数。

3)基于储层储集指数和储层工程指数的研究，以南堡凹陷4号构造中深层压裂井的生产资料为基础，建立储层储集指数-储层工程指数可压性综合评价图版，并建立可压性评价标准，经验证压裂前图版分类结果与压裂后产能结果相符。