致密砂砾岩气藏储层评价

2022-01-25冯动军李王鹏

化工设计通讯 2022年1期

冯动军李王鹏

（中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083）

自1971年，我国发现川西中坝气田之后，也开始进行致密砂砾岩含气领域的研究[1]，并先后发现了苏里格、新场、大牛地等一批致密砂砾岩气田。近年来，针对致密砂砾岩储层的研究呈现出持续快速发展的态势，发表了许多这方面的研究成果。目前，国内的致密砂岩气藏研究主要集中在鄂尔多斯盆地上古生界及四川盆地川西坳陷三叠系须家河组两大致密含气区[2-3]。

目前，致密砂砾岩气藏天然气产量已成为天然气供应的一支重要力量，并将继续成为储量和产量增长的亮点。就探明储量而言，致密砂砾岩气藏是中国最具现实勘探开发意义的非常规天然气领域[4]。在能源需求日益紧张的今天，致密砂砾岩气藏在我国的能源结构中正发挥着越来越重要的角色，已成为一种重要的天然气来源[5]。认识低渗致密储层的特点及控制因素，查明相关致密砂砾岩油气藏的成因，并对其进行有效评价和预测，已成为我国油气勘探开发二次创业的重要任务。本文主要从岩石学角度总结国内外致密气藏储层评价的研究成果，并就其发展趋势进行分析，以期对国内致密砂砾岩气藏储层的评价研究起到参考借鉴作用。

1 致密砂砾岩气藏定义及特征

国内外针对致密砂砾岩气藏的研究较少，因此，其定义可借助致密砂岩气藏的定义。致密砂岩气藏最初的定义可追溯到1978年美国天然气政策法案，其中，规定只有砂岩储层对天然气的渗透率等于或小于0.1×10-3μm2时的气藏才可被定义为致密砂岩气藏。美国联邦能源管理委员会在20世纪80年代曾对低渗透储集层，特别是低渗透含气砂岩和致密性进行过定量规范，按FERC标准，气藏气层段平均渗透率等于或小于0.1×10-3μm2的，属于低渗透储集层，也可称为致密含气砂岩[6]。英国将储层渗透率小于1×10-3μm2的气藏定义为致密气藏，德国将储层渗透率小于0.6×10-3μm2的气藏定义为致密气藏。此外，部分学者（如Stephen A.Holditch）认为致密砂岩气藏是指需经大型水力压裂改造措施，或者是采用水平井、多分支井，才能产出工业气流的砂岩储层。国内一般将基质渗透率低于0.1×10-3μm2的储层称为低渗致密储层或称致密储层。致密砂岩与深盆气藏、盆地中心气藏及持续聚集型气藏有着密切的关系[7]。

砂砾岩体主要发育于断陷陡坡带，其形成的沉积过程和构造背景决定了砂砾岩体油气藏的特殊性。砂砾岩具有近源、快速堆积、埋藏深、低孔低渗、孔隙结构复杂、非均质性强、气水倒置及地层压力异常等特点，导致储层有效性难以划分，给储层综合评价带来困难。同时由于其岩性组成复杂，对其油气水层的识别和孔隙度、渗透率的准确测井解释也存在较大困难。

总之，致密气藏具有渗透率低，自然产能低[8-11]，经过大型水力压裂，或者采用水平井、多分支井，才能产出工业气流等特点。故致密气藏是覆压基质渗透率小于或等于0.1×10-3μm2的砂岩气层，单井一般无自然产能或自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和技术措施下（包括压裂、水平井、多分支井等）可以获得工业天然气产量的气藏。

2 致密砂砾岩储层评价研究现状

目前，国内储层评价方法主要体现在：

1）基于储层宏观常规参数的评价；

2）基于储层微观参数与动态数据相结合的评价；

3）基于数学方法的综合定量评价[12]。

从上述储层评价方法中可以看出，前2种方法为多参数综合定性与半定量评价，依据的是评价参数的分级标准，即各类储层评价参数的界限值。由于不同研究者对各类储层分级标准有着不同认识，因此，分析评价结果就会随着研究者的不同而有一定差异。另外，评价参数的不同也会造成储层评价结果在一定程度上的不一致。第三种方法基本上为定量评价，存在的主要问题是评价过程中的权重或分类标准主要是人为划定，主观因素的影响比较大。

2.1 基于储层宏观常规参数的评价

宏观常规评价参数主要有沉积相、孔隙度、渗透率、储集空间类型、有效储层厚度，砂地比等。国内外大量碎屑岩气藏的正常砂岩储层研究表明，孔渗之间有明显的正相关性，即渗透率随孔隙度增大而增大；并且这类砂岩的孔喉较粗，毛细管压力很小。对于高孔渗的正常砂岩储层而言，国内外常采用以孔隙度为主参数、渗透率为辅参数进行分类，如我国学者罗蛰潭、裘亦楠等人提出的砂岩储层分类方法，一直是我国高孔渗油气储层评价的重要手段。

但大量事实表明，针对致密砂砾岩储层仅采用孔渗等常规参数难以有效确定致密砂岩的储渗能力。常规储层评价方法有两个方面的不足：一是常规储层评价方法，常以孔隙度、渗透率物性参数作为主要评价指标，但对致密砂岩而言，要成为有效储层首先取决于砂岩的孔喉结构，因致密砂岩的孔喉结构普遍具有很高毛细管压力；二是常规储层评价注重砂岩储层自身物性，是一种静态的方法，而缺少对砂岩储层环境条件的考虑，未重视砂岩与环境之间的动态制约关系。

2.2 基于储层微观参数与动态数据相结合的评价

主要采用的微观评价参数有恒速和常规压汞所取得的孔喉半径均值、中值半径、主流喉道半径、排驱压力、总孔隙和总喉道进汞饱和度，以及核磁共振所取得的可动流体百分数和束缚水饱和度。动态评价参数有启动压力梯度、临界压力梯度、有效驱动因子及阀压梯度等。

杨正明等[13]利用恒速压汞、核磁共振和低渗透物理模拟实验研究手段，研究了低渗透含水气藏特点，将喉道半径、束缚水饱和度和临界压力梯度这三个重要参数作为低渗透率含水气藏储层评价的指标参数。研究结果表明，对于不同渗透率的低渗透气藏岩心，其孔道半径基本相同，而喉道半径不同。渗透率与束缚水饱和度有很好的相关关系，在不同的气驱水过程中，其束缚水饱和度是可变的。在含水饱和度很小时，气体渗流符合达西规律，当含水饱和度达到一定值时，气体渗流表现为非线性渗流特性，存在临界拟压力梯度或临界压力梯度。这三个参数不仅对计算低渗透率含水气藏的天然气可采储量有重要作用，而且也对低渗透率气藏渗流规律的研究和气田开发方案设计有重要意义。

张仲宏等[14]分析了可动流体百分数与渗透率和驱油效率的关系，研究了特低渗透岩心在不同围压下可动流体百分数的变化规律，并对不同特低渗透开发区块进行可动流体百分数测试。研究结果表明，可动流体百分数是评价储层渗流能力及开发潜力的一个重要物性参数，可用可动流体百分数预测特低渗透油藏开发效果。对于特低渗油藏，可动流体百分数是一个比孔隙度和渗透率更能表征储层渗透率的参数。不同的围压，其可动流体百分数和束缚水饱和度是不同的。对不同特低渗透开发区块进行了可动流体百分数测试，测试结果表明，用可动流体百分数预测特低渗透储层开发效果与油田现场实际开发效果一致，也验证了可动流体百分数概念的可行性。以可动流体百分数、主流喉道半径、拟启动压力梯度、原油黏度和黏土矿物含量五个表征参数构建了低渗透油气藏五元综合分类系数，计算了大庆、吉林和长庆低渗透油田的30个区块的储层综合分类系数，并将其与所对应的采油强度进行对比，储层综合分类系数与采油强度有很好的相关性。根据储层综合分类系数大小，可以将储层进行分类，结合各油区渗透率与综合分类系数的对应关系，确定了各油区的储层分类结果，明确了三大油区低渗透油藏开发攻关的目标方向。

2.3 基于数学方法的综合定量评价

储层综合定量评价就是在储层评价参数选取的基础上，对储层的多个影响因素进行综合评价，最终得到一个综合评价指标，并依据它来对储层进行分类，解决了储层单因素评价过程中常常出现的评价结果相互交叉、不唯一的问题。

一般选用的综合评价指标计算公式为：

式中REI为储层综合评价指标，Xi为储层评价参数，ai为储层评价参数的权系数，n为储层评价参数的个数。显然，只要求出权系数ai，则综合评价指标REI就可以计算出来。权系数是某一评价因素在决定总体特征时所占有的重要性程度[15]，确定权系数的方法主要有灰色系统理论法、主成分分析法、层次分析法及模糊数学法。

2.3.1 灰色系统理论法

灰色系统理论法是通过灰色关联分析来寻求系统中各因素的主要关系，找出影响各项评价指标的重要因素，从而掌握事物的主要特征。晁会霞等[16]在白豹油田中首先利用特征选择算法对评价参数进行筛选，然后根据灰色关联分析确定各影响因素的权重，进而运用最大值标准化法确定各项参数的评价分数，最后计算各项参数综合得分，在此基础上，运用聚类分析进行储层分类评价，对储层评价结果进行统计分析，所划分的各类储层特征明显，与研究区储层实际特征具有很好的一致性。最大限度地应用计算机手段对油气储层进行精细评价和综合解释具有定量化、地质意义明确等优点，有一定应用价值。马杨洋等[17]采用由未知到已知的灰色理论处理方法，根据因素之间发展态势的相似或相异程度，衡量因素之间差异、归属和定量关系。从而提取信息，确定和提供系统的特征性参数，采用特征性参数去白化灰色系统，实现了文中油田文15断块油气储层综合评价研究。

2.3.2 主成分分析法

主成分分析法是一种多变量的分析方法，为达到分析简化的目的，将数目较多的变量作线性组合，合并成几个主要的新变量-主成分，这样以较少数目的主成分代表地质变量变化的主要信息，既极大地精简压缩了数据，又再现了原始数据件的相关关系及其内在的成因联系。该方法应用的实例较少，彭仕宓等[18]在对辽河油田冷东-雷家地区沙河街组砾质扇三角洲储层评价中，首先在储层宏观非均质性和微观孔隙结构研究基础上，求取了反映储层特征的13项参数，然后应用主成分分析方法，对储层进行了分类评价。评价结果表明，各类储层的分布规律性强，为下一步编制开发方案，合理划分开发层系奠定了可靠的地质基础，进一步证明主成分分析方法在砂砾岩储层评价中的实用价值及可行性。

2.3.3 层次分析法

层次分析法是根据具体的研究问题将一个复杂的系统分解为若干层次或子系统，建立层次结构，构造判断矩阵，进而确定系统中各因素的相对重要性。张持坤[19]利用聚类分析选取了渗透率、孔隙度、储量丰度、启动压力、平均孔隙半径、流度6个参数，结合低渗透储层特征，应用层次分析方法对朝阳沟油田扶杨油层进行储层评价，采用累积概率曲线对评价指标进行分类，进而确定了分类界限，评价结果符合朝阳沟油田低渗透储层特征。

2.3.4 模糊数学法

20世纪60年代，模糊数学[20]在综合评价中得到了较为成功的应用，产生了特别适用于对主观或定性指标进行综合评价的模糊综合评价方法。魏漪等[21]以长庆G油田L井区的典型低渗透油层为研究对象，针对其储层的影响因素多，关系复杂等特点，应用模糊数学的方法，在已取得的储层的17项参数的基础上，对其进行了多因素综合评价。研究筛选出13项影响储层评价的主要因素，采用模糊数学的方法，利用SPSS分析软件，对G油田H储层进行了综合评价。最终筛选出了5个贡献最大的因子，并将储层分为3大类。该方法对储层分类具有很高的可靠性，其分析评价结果与单井试油结果的符合率达90%以上。基于综合评价的结果，对G油田H油藏进行开发，实施效果较好。

国外已发表文献中关于储层评价的方法与国内储层评价方法有较大差别。宏观的储层评价方法主要通过地球物理和非地球物理方法来识别“甜点”（即有利储层发育区）；微观方法主要包括储层物性参数和成岩作用模型等两种方法，储层物性参数方法主要是利用试验取得的能更准确反映储层性质的新参数进行储层性质分析，成岩作用模型方法主要是通过成岩作用定量模型分析成岩作用对储层性质影响。

3 致密砂砾岩储层评价发展趋势

3.1 由单一宏观参数向宏观与微观相结合方向发展

为了准确地评估和开发致密气藏，需要从岩心、测井和钻（录）井以及试井分析中获取数据进行定性和半定量评价。相对常规气藏而言，评价致密砂岩气藏需要的数据更多。地质学家和工程师需要研究和建立测井与岩心相关曲线，以便使用最简单的测井方法评价致密气藏。例如可以建立孔喉半径、可动流体百分数等参数与测井曲线的关系，以便能够全井段评价储层。同时还需要建立孔喉半径、可动流体百分数等参数与地震资料的相关关系，以便研究储层微观特征在平面上的展布。

3.2 由定性向定量方向发展

大量的生产实践表明，单纯用宏观与微观参数对储层进行定性分类评价是片面的，评价方法的选择必须符合研究地区的地质特征，为勘探开发决策提供依据，另外还要具备综合性及定量化。对碎屑岩储层的定义、分类等应该从目前的开发开采工艺实际出发，采用富有成效的技术手段，拓宽储层范围，将储层分类归结到成因分类上来，实现对储层分类方案从定性描述到定量评价的转变，从宏观到微观的定量描述，同时又要兼顾到宏观及微观两个方面，在不同的油气藏描述阶段，针对当前的研究目的及意义，分阶段做好储层评价工作。

3.3 由静态向动静结合方向发展

越来越多的生产实践证明，单纯用静态参数进行致密储层评价存在很多不足。致密砂岩储层的有效性主要取决于孔喉结构，而致密砂岩的孔喉结构普遍具有很高的毛细管压力。因此，致密储层的有效性与地层流体压力之间具有相互制约的动态关系，即地层流体压力越大，成为有效砂岩储层所需喉道半径越小；反之，砂岩喉道半径越大，成为有效储层所需地层压力越小。同时，低渗透储层由于孔道微细，流体在渗流过程中受到固液作用的影响很大，呈现非线性渗流现象，其中拟启动压力梯度是其主要特征，拟启动压力梯度是岩心中平均毛管半径所对应的压力梯度，它是储层渗流能力评价的一个重要参数。因此，在以后的致密储层评价中要充分利用动态数据（如拟启动压力梯度、有效驱动因子、地层流体压力行等）进行致密储层评价。