火成岩影响的砂岩油藏井底压力动态分析

高鹏宇 曹龙 孟中华 吴春新 马栋

摘 要：由于火成岩的侵入，常规砂岩地层不仅在宏观上被火成岩改造和分割，而且砂岩的微观孔隙结构也因复杂的物理化学作用而发生改变.储层强烈的平面和纵向非均质性给试井解释带来了困难.基于渗流力学理论和数学物理方法，针对砂岩储层的非均质性特征，建立了任意多层与多区复合的试井模型，并对影响井底压力动态的主要因素进行了分析.结果表明：高渗透层的复合特征与边界条件主要反映在系统流动阶段初期，低渗透层的复合特征与边界条件主要反映在系统流动阶段晚期，当储层边界为封闭或定压时，压力导数曲线将发生相应的上翘或下掉.实例分析证明了模型的可靠性与实用性，研究成果为同类油藏的试井解释提供了理论支持.

关键词：火成岩；砂岩油藏；试井分析；多层多区复合模型；压力动态

中图分类号：TE353

文献标志码： A

文章编号：2096-398X（2023）04-0097-07

Abstract：Due to the intrusion of igneous rocks，conventional clastic formations are not only divided and modified by igneous rocks on a macroscopic scale but the pore structure of sandstones is also altered by complex physicochemical effects on a microscopic scale.The strong planar and longitudinal inhomogeneity of the reservoir poses difficulties for well test interpretation.Based on the theory of seepage mechanics and mathematical-physical methods，a well test model with arbitrary combinations of multi-layer and multi-zone composite features is established for the non-homogeneous characteristics of sandstone reservoirs.The main factors affecting the bottom-hole pressure dynamics are analyzed.The results show that the composite reservoir characteristics and boundary conditions of the high permeability layer are mainly reflected at the early stage of the system flow phase，while those of the low permeability layer is mainly reflected at the late stage of the system flow phase.When the reservoir boundary is closed or at constant pressure，the pressure derivative curve will undergo an upward or downward shift in response.The case analysis proves the reliability and practicality of the model，and the research results provide theoretical support for the interpretation of test wells in similar reservoirs.

Key words：igneous rock；sandstone reservoir；well test analysis；multi-iayer multi-zone composite model；pressure dynamics

0 引言

BZ油田位于渤海湾盆地南部，黄河口凹陷中洼南斜坡带，是渤海湾地区有利的油气富集区，目前产能规模已达百万吨.油田新生代晚期地层受大规模火山活动影响，火山喷发期次多，形成了火成岩与碎屑岩混杂的地质体.火成岩的侵入使常规陆相碎屑岩被强烈改造，形成了受沉积和火山共同控制的具有强烈非均质性的复杂砂岩油藏［1］.以地震和井资料为基础开展的储层研究，受限于资料精度，其研究结果有时很难精细化的指导油田开发［2］.常规的多层和复合油藏试井模型很难适应同时具有复杂纵向与平面非均质性的特殊砂岩储层.为了解决油田储层边界识别和地层参数反演的问题，亟需针对这种多层多区复合油藏试井模型开展研究.

Lefkovits等［3］提出的渗流模型为多层油藏渗流研究奠定了基础，Tariq等［4］在Lefkovits等人的研究基础上，推導了考虑井筒储集和表皮效应的多层油藏井底压力在拉普拉斯空间下的解，但当该模型求解层数大于2时，存在适用性差的问题.Lolon等［5］针对无层间窜流的多层油藏，基于各层压降关系求解了井底压力在拉普拉斯空间下的近似解.Gao等［6］针对具有不同边界条件的双层油藏进行了研究.Kuchuk等［7］基于格林函数求解了多区线性复合油藏的井底压力在拉普拉斯空间下的解.Ambastha等［8］研究了拟稳态条件下三区径向复合油藏模型的解析解.李顺初等［9］对两区复合油藏在不同边界条件下的拉普拉斯空间解进行了研究.贾英兰［10］建立了两区和三区复合油藏在多层情况下的解析模型，但是该模型只适用于特定的两区或三区复合油藏.

BZ油田砂岩油藏的特殊性在于：一方面，沉积周期与火山活动周期之间存在着复杂的时空匹配关系［11］，另一方面，火成岩通过压力、热和化学等作用使围岩发生复杂的物理化学变化，导致砂岩的矿物成分和孔隙发生改变.面对油藏的复杂特性，本文建立了考虑多层和多区复合特征任意组合的试井模型，研究了多层砂岩储层在不同边界与非均质条件下的压力分布特征，为类似油藏的试井资料解释提供了指导.

1 火成岩侵入模式及影响

1.1 主要侵入模式

国内外研究人员对发育火山的沉积盆地进行了大量考察和研究，丰富的研究成果揭示了火山机构在沉积盆地内的形成机制和发育模式.由于岩浆与围岩的应力差，造成围岩的剪切或拉伸，并通过一系列的应力薄弱区形成穿过沉积盆地的复杂岩浆网络（图1）.

大量针对发育火成岩沉积盆地的综合研究明确了沉积盆地中火成岩的主要侵入类型［14-16］：

（1）火山/热液喷口

火山或热液喷口是岩浆或其他喷发物穿过地壳到达地表的主要通道，纵向上通常具有上大下小的锥形结构.

（2）岩床

岩床是平行于沉积地层发育的火成岩侵入体，通常横向发育，在围岩接触面形成尖灭.

（3）蝶形岩脉

蝶形岩脉一般沿纵向发育，表现为中心较厚，向顶端及两翼逐渐变薄，平面上通常具有弧形特征的火成岩岩墙.

（4）席状岩脉

席状岩脉是沿纵向发育的火成岩岩墙，整体上厚度变化不大，具有较好的纵向继承性.

（5）火山锥/岩盖

火山锥/岩盖是岩浆在压力的作用下，在向上侵入围岩的过程中，由于自身能量消减或围岩压力过大而发生终止，形成的局部隆起.

1.2 火成岩侵入体对围岩的影响

火成岩侵入体对砂岩的影响主要表现为：（1）在宏观上，由于火成岩的侵入（如岩床、岩盖等），使连片沉积的砂岩地层形成类似尖灭的中断；纵向发育的侵入体（如蝶形岩脉、席状岩脉），对连片沉积砂岩地层进行切割或分隔［17，18］.由BZ油田地震剖面（图2）可以看出，横向和纵向发育的火成岩侵入体在宏观结构上对常规碎屑岩沉积地层的改造；（2）在微观上，由于火成岩的侵入，砂岩受到压力、化学和热作用的影响，一系列复杂的物理化学变化使火成岩侵入体一定范围内的砂岩发生物性改变［19-21］.通常这种改变是向孔隙度、渗透率减小的方向发展［22，23］.

2 模型研究

2.1 物理模型

综合考虑火成岩侵入体对砂岩储层的改造作用，试井模型需要考虑：（1）辫状河三角洲沉积形成的多层特征，即平面上稳定发育的泥岩隔层将连片发育的砂岩分隔为上下不连通的小层；（2）受不同类型的侵入体影响，各砂岩小层由于物性变化，具有相对独立的边界和复合特征.通过建立多层多区复合油藏模型（图3），模拟受火成岩侵入体影响的砂岩储层内的压力响应特征.

模型假设：各层之间被稳定隔层隔开，各层物性参数为常数；原油和岩石微可压缩，且压缩系数恒定；考虑表皮和井筒储集效应的影响；各层等温流动，不考虑毛管力和重力；开井后各层流体瞬间完成混合.

2.2 数学模型

根据图3所示物理模型和假设条件，以基本渗流力学理论为依据，推导多层多区复合油藏试井解释模型.

对上述差分方程组进行数值迭代求解可以得到井底压力随时间变化的动态响应，同时根据无因次量纲定义对模拟结果进行无量纲化.

3 压力动态特征分析

模型考虑火山活动中复杂的物理化学过程对围岩物性造成的影响，通过差分方程计算得到井底压力随时间变化值，绘制无因次压力和压力导数随无因次时间变化的关系曲线.为便于分析，将多层油藏简化为高/低渗双层［24］，并以此为基础讨论两重复合油藏不同影响因素下井底压力的动态响应特征.

根据模型研究可知，井底压力变化的早期流动阶段主要受井筒储集系数和表皮系数控制，不反映被测试地层的任何特征.井储和表皮响应阶段之后为两层共同流动的系统流动阶段，其中高渗透层由于物性较好是主力产出层，系统流动阶段初期井底压力响应主要受高渗透层物性变化及边界特征控制.系统流动阶段晚期高渗透层压力响应接近尾声，此时主要反映低渗透层的压力变化，井底压力特征主要受低渗透层物性变化及边界特征控制.

3.1 边界条件的影响

各层边界条件不同，井底压力动态响应将表现出不同的特征（图4）.高渗透层边界条件对井底压力动态的影响如图4（a）所示，高渗层为主要贡献层，改变其边界条件对压力和压力导数曲线的影响较大.当高渗透层外边界的能量水平逐渐升高，系统流动阶段初期即表现出压力和压力导数曲线整体向下偏移.低渗透层边界条件对井底压力动态的影响如图4（b）所示，低渗层为次要贡献层，改变其边界条件对压力曲线的影响较小，但是压力导数曲线对低渗透层边界条件较为敏感.当低渗透层外边界的能量水平逐渐升高，系统流动阶段晚期的压力导数曲线将逐渐由上翘变为下掉.

3.2 纵向非均质性的影响

以不同储层渗透率的变化讨论油藏纵向非均质性.高/低低渗透层渗透率的取值对曲線形态的影响如图5所示.由图5（a）可知，随着高渗透层渗透率的升高，压力响应曲线中段的压力和压力导数曲线逐渐向下偏移.由图5（b）可知，随着低渗透层渗透率的升高，压力响应曲线末段的压力和压力导数曲线逐渐向下偏移.

3.3 平面非均质性的影响

以不同储层流度比的变化讨论油藏平面非均质性.高/低渗透层内外区流度比的取值对曲线形态的影响如图6所示.由图6（a）可知，随着高渗透层内外区流度比的升高，压力响应中段的压力和压力导数曲线逐渐向上偏移，而压力响应末段的压力导数曲线逐渐向下偏移.由图6（b）可知，随着低渗透层内外区流度比的升高，压力响应末段的压力导数曲线逐渐向下偏移.

4 應用实例分析

X32井是BZ油田东营组的一口油井.该井在目的层钻遇储层79.4 m，其中东营组三段Ⅰ油组储层29.9 m，东营组三段Ⅱ油组储层49.5 m.该井投产初期日产油204 m3/d，但递减速度快.X32井投产38天后关井进行压力恢复测试.

利用建立的多层多重复合油藏模型对X32井压力恢复数据进行解释，试井拟合曲线如图7所示，参数拟合结果如表1所示.

X32井试井解释结果为：井筒储集系数0.11 m3/MPa；Ⅰ油组储层表皮系数4.9，渗透率419 mD，1区与2区流度比为15.3，2区与3区流度比为8.7，距离封闭边界98 m；Ⅱ油组储层表皮系数7.3，渗透率39 mD，1区与2区流度比为7.2，距离定压边界304 m.

根据X32井试井解释结果，并综合地震、地质认识，认为X32井位于因火成岩侵入体形成的断块内，优质储层范围有限，且纵向上小层间渗透率级差较大，但是低渗透层储层具备一定的横向展布范围，计划通过压裂措施提高该井产能.

X32井压裂后日产油稳定在60 m3/d，产能较压裂前提高2.8倍，取得了较好的增产效果.对比X32井压裂前后累产油与地层压力关系曲线（图8），可以看出曲线斜率的绝对值在压裂后出现明显的减小，表明压裂裂缝有效提高了X32井的井控程度，验证了解释结论的可靠性.

5 结论

（1）BZ油田砂岩储层由于受火山活动与沉积作用共同控制，具有极强的平面和纵向非均质性，针对砂岩储层的复杂非均质性特点，建立了考虑多层与多区复合的试井模型.该模型可实现任意多层与多区组合的试井解释，满足复杂非均质性油藏参数反演与边界解释的需求.

（2）多层多区复合油藏试井模型的研究表明：井筒储集阶段，压力及其导数曲线是一条斜率为1的直线；进入系统流动阶段后，高渗透层为主力贡献层，低渗透层为次要贡献层，系统流动阶段的初期和晚期分布反映高渗透层和低渗透层的复合储层特征与边界条件；当油藏边界为封闭边界，压力导数曲线将发生上翘，当油藏边界为定压边界，压力导数曲线将发生下掉.

（3）试井模拟结果与实际测试数据吻合较好，表明建立的试井解释模型适用于被火成岩影响的复杂砂岩油藏，为此类复杂油藏的试井解释提供了方法和理论依据.

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【责任编辑：蒋亚儒】

基金项目：国家科技重大专项项目（2016ZX05058）；中海石油（中国）有限公司重点科研项目（CNOOC-KJ135 ZDXM36 TJ03TJ）

作者简介：高鹏宇（1986—），男，河北张家口人，工程师，研究方向：油田开发及提高采收率