部分連通交叉斷層的特征參數(shù)及對(duì)典型曲線(xiàn)影響研究

曾　楊， 康曉東， 唐恩高， 王旭東

(1.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100028； 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京　100028)

0　引言

由于儲(chǔ)層巖石性質(zhì)在滲透率、孔隙度上常常表現(xiàn)為非均質(zhì)性，這種巖石在物性上大的差異常常導(dǎo)致斷層的形成.斷層的存在最早是通過(guò)地震測(cè)量來(lái)識(shí)別，后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)試井分析的壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)反映來(lái)識(shí)別斷層，在此之后學(xué)者們對(duì)斷層的研究也就逐漸豐富[1-3].

由于斷層的種類(lèi)很多，從連通性上可分為封閉斷層和部分連通斷層，國(guó)內(nèi)外學(xué)者Tiab D[4-6]、Yielding G等[7]、Allan U S[8]、Ispas V等[9]、張旭等[10]對(duì)斷層的試井研究大都集中在封閉斷層，而對(duì)非封閉斷層的研究相對(duì)較少；廖新維[11]認(rèn)為部分連通斷層實(shí)際上是油層性質(zhì)在平面上線(xiàn)性不連續(xù)的分布，因此他們最先對(duì)此類(lèi)部分連通邊界進(jìn)行研究；劉啟國(guó)等[12]和羅建新等[13]在劉啟國(guó)研究的基礎(chǔ)上提出了將斷層視為線(xiàn)性垂直半滲透邊界并且忽略斷層內(nèi)部的儲(chǔ)集能力；Anisur等[14]提出了復(fù)合油藏中存在部分連通斷層的試井解釋模型，但是他所求得模型的解是實(shí)空間的積分形式并且含有誤差函數(shù)等特殊函數(shù)，不便于考慮井儲(chǔ)和表皮系數(shù)；張望明等[15]引入偏移函數(shù)的概念建立了存在一條線(xiàn)性局部連通斷層邊界的復(fù)合油藏試井解釋模型；李傳亮[16]提出了不完全鏡像反映新方法來(lái)研究非封閉斷層的試井解釋問(wèn)題.

上述學(xué)者的研究并沒(méi)有同時(shí)考慮兩條交叉的部分連通斷層的影響，且一些求解方法比較復(fù)雜.鑒于此，通過(guò)沿用Yaxley提出的斷層“特殊傳導(dǎo)率”的概念，在點(diǎn)源函數(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)鏡像反映法建立了存在兩條以不同角度(120 °/90 °/60 °等)交叉的部分連通斷層試井模型，利用計(jì)算機(jī)編程繪制了典型曲線(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上分析部分連通交叉斷層的特征參數(shù)及其對(duì)典型曲線(xiàn)的影響.

1　滲流物理模型

針對(duì)無(wú)限大地層中存在兩條以不同角度(120 °/90 °/60 °等)交叉的部分連通斷層的情形，如圖1所示，建立數(shù)學(xué)模型，假設(shè)條件如下：

(1)部分連通斷層兩邊為均質(zhì)油藏，巖石特性及滲透率相同；

(2)油藏流體為單相微可壓縮液體，壓縮系數(shù)及粘度保持不變，流動(dòng)服從達(dá)西定律；

(3)部分連通斷層兩側(cè)的儲(chǔ)層厚度相同；

(4)激動(dòng)井為定產(chǎn)量線(xiàn)源；

(5)引入“特殊傳導(dǎo)率”的概念考慮兩個(gè)儲(chǔ)層區(qū)域之間部分連通斷層連通性的好壞，部分連通斷層邊界的流體漏失量與通過(guò)的瞬時(shí)壓力成正比；

(6)忽略重力和毛管力的影響.

(a)120 °的夾角斷層

(b)90 °的夾角斷層

(c)60 °的夾角斷層圖1　井位于不同角度交叉斷層之間的示意圖

2　數(shù)學(xué)模型的建立及求解

2.1　角度為120 °的部分連通夾角斷層

根據(jù)圖1所建立的坐標(biāo)系和上述假設(shè)條件，引入如下無(wú)因次變量.

無(wú)因次壓力：

(1)

無(wú)因次時(shí)間：

(2)

無(wú)因次距離：

(3)

斷層的特殊傳導(dǎo)率：

(4)

式(1)～(4)中：pwD—無(wú)因次井底流壓，無(wú)量綱；tD—無(wú)因次時(shí)間，無(wú)量綱；bD—無(wú)因次距離，無(wú)量綱；αA—斷層的特殊傳導(dǎo)率，無(wú)量綱；pi—原始地層壓力，MPa；pw—井底流壓，MPa；k—地層滲透率，mD；kf—斷層滲透率，mD；h—地層厚度，m；lf—斷層寬度，m；q—井流量，m3/d；μ—流體粘度，mPa·s；φ—地層孔隙度，小數(shù)；Ct—地層綜合壓縮系數(shù)，MPa-1；rw—井半徑，m；b—井距斷層的距離，m.

根據(jù)鏡像反應(yīng)原理，激動(dòng)井有兩口鏡像井，一口鏡像井的強(qiáng)度為Aq，另外一口強(qiáng)度為Bq，因此利用疊加原理，可以推導(dǎo)得出此種情況下的生產(chǎn)井井底壓力為：

(5)

其中，

式(5)中：Y—距離系數(shù)，無(wú)量綱；αA1—較近斷層的特殊傳導(dǎo)率，無(wú)量綱；αA2—較遠(yuǎn)斷層的特殊傳導(dǎo)率，無(wú)量綱.

2.2　角度為90 °的部分連通夾角斷層

根據(jù)鏡像反應(yīng)原理，可以得到強(qiáng)度分別為Aq、Bq、ABq的三口井，其中最后一口井的鏡像反映是兩個(gè)方向的疊加，兩個(gè)方向的強(qiáng)度分別為ABq/2，總和即為ABq，利用疊加原理，可以推導(dǎo)得出此種情況下的生產(chǎn)井井底壓力為：

(6)

式(6)中：各符號(hào)的意義及A、B的表達(dá)式與前面相同.

2.3　角度為60 °的部分連通夾角斷層

根據(jù)鏡像反應(yīng)原理，激動(dòng)井共有5口鏡像井，它到每口鏡像井的距離可通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何運(yùn)算得到.通過(guò)鏡像反應(yīng)，可以得到強(qiáng)度分別為Aq、Bq、ABq、ABq、(AB2+BA2)q/2的五口井.值得注意的是，最后一口井的鏡像反應(yīng)強(qiáng)度是兩個(gè)方向的疊加，一個(gè)方向的強(qiáng)度為AB2q/2，另外一個(gè)方向的強(qiáng)度為BA2q/2，因此該井的總強(qiáng)度為(AB2+BA2)q/2.利用疊加原理，可以推導(dǎo)得出此種情況下的生產(chǎn)井井底壓力為：

(7)

式(7)中：各符號(hào)的意義及A、B的表達(dá)式與前面相同.

3　斷層的特征參數(shù)及其對(duì)典型曲線(xiàn)的影響

根據(jù)求得的實(shí)空間井底壓力表達(dá)式，首先對(duì)壓力與時(shí)間的函數(shù)pwD(tD)進(jìn)行Laplace數(shù)值變換，然后運(yùn)用Duhamel原理考慮井儲(chǔ)和表皮，最后采用Stehfest數(shù)值反演方法對(duì)其進(jìn)行拉氏逆變換，可得到實(shí)空間內(nèi)考慮井儲(chǔ)和表皮的無(wú)因次井底壓力數(shù)值解，從而可以繪制不同角度交叉的部分連通斷層的井底壓力響應(yīng)典型曲線(xiàn)，分析斷層的特征參數(shù)及其對(duì)典型曲線(xiàn)的影響.

3.1　特殊傳導(dǎo)率αA的影響

以?shī)A角為120 °為例，為了更清楚地反映壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)的變化，圖2用壓力導(dǎo)數(shù)半對(duì)數(shù)圖更詳細(xì)地說(shuō)明了特殊傳導(dǎo)率對(duì)典型曲線(xiàn)的影響，井到斷層的無(wú)因次距離bD=300，距離系數(shù)Y=10.

圖2中不同的曲線(xiàn)代表了以下不同的油藏特征.特殊傳導(dǎo)率越小，斷層的連通性越差，反之，特殊傳導(dǎo)率越大，斷層的連通性越好.如曲線(xiàn)A，當(dāng)αA1<0.000 1，αA2<0.000 1時(shí)，距離較近的斷層和距離較遠(yuǎn)的斷層都趨于封閉斷層，經(jīng)過(guò)井儲(chǔ)和徑向流階段后，壓力波首先傳播到距離較近的斷層，壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)由0.5水平線(xiàn)上升到值為1的水平線(xiàn)，反映出一條封閉邊界的特征，當(dāng)壓力波逐漸傳播到距離較遠(yuǎn)的斷層時(shí)，壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)逐漸從值為1的水平線(xiàn)上升到值為1.5水平線(xiàn)，反映出兩條夾角為120 °封閉的交叉斷層的特征.反之，如曲線(xiàn)I，當(dāng)αA1>1 000，αA2>1 000時(shí)，兩條斷層都趨于完全連通，經(jīng)過(guò)井儲(chǔ)和徑向流階段后壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)恒定為0.5水平線(xiàn)，反映出無(wú)限大均質(zhì)油藏中線(xiàn)源井的特征.

圖2　特殊傳導(dǎo)率對(duì)壓力導(dǎo)數(shù)半對(duì)數(shù)曲線(xiàn)的影響

3.2　夾角θ的影響

圖3表示的是夾角θ對(duì)存在部分連通交叉斷層邊界的壓力及壓力導(dǎo)數(shù)典型曲線(xiàn)的影響.從圖3可以看出，θ主要影響壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)第三個(gè)水平段的高低，θ越小，相應(yīng)的壓降越大，壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)則越靠上，第三個(gè)水平段的位置就越高.

圖3　不同θ影響下的壓力和壓力導(dǎo)數(shù)典型曲線(xiàn)

3.3　距離系數(shù)Y的影響

圖4以?shī)A角為120 °為例，表示了Y值對(duì)存在部分連通交叉斷層邊界的壓力及壓力導(dǎo)數(shù)典型曲線(xiàn)的影響.從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)井儲(chǔ)和徑向流階段后，由于距離較近的一條斷層特殊傳導(dǎo)率αA1=0.15，因此壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)先表現(xiàn)為上翹，當(dāng)壓力波傳過(guò)這條斷層并且還未到達(dá)第二條斷層時(shí)，壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)表現(xiàn)為一條水平線(xiàn)，該水平線(xiàn)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于井到第二條斷層的距離，即距離系數(shù)Y的值，Y值越大，井到第二條斷層的距離越遠(yuǎn)，水平線(xiàn)持續(xù)時(shí)間就越長(zhǎng)，壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)出現(xiàn)再次上翹的時(shí)間越晚.

圖4　不同Y值影響下的壓力和壓力導(dǎo)數(shù)典型曲線(xiàn)

3.4　滲漏系數(shù)R的影響

為了更清楚的理解漏失斷層的特征，可引入一個(gè)漏失系數(shù)對(duì)這種類(lèi)型的斷層特征進(jìn)行描述，漏失系數(shù)跟斷層的漏失量以及斷層的特殊傳導(dǎo)率有一定的關(guān)系，其定義如下：

(8)

當(dāng)存在兩條部分連通交叉斷層時(shí)，較近一條斷層的滲漏系數(shù)R1定義同前，較遠(yuǎn)一條斷層的滲漏系數(shù)R2定義如下：

(9)

圖5展示了不同R值對(duì)典型曲線(xiàn)的影響，其中第一條斷層的滲漏系數(shù)R1一定，第二條斷層的滲漏系數(shù)R2取不同值，當(dāng)R2=0時(shí)，表明第二條斷層基本完全連通，當(dāng)R2=0.63時(shí)，表明第二條斷層部分連通，當(dāng)R2=1時(shí)，表明第二條斷層完全封閉.

為了找出滲漏系數(shù)R與特殊傳導(dǎo)率之間的關(guān)系，可分以下三種情況來(lái)進(jìn)行討論：

(1)當(dāng)?shù)谝粭l斷層基本完全連通時(shí)(αA1>1 000)，根據(jù)前面的公式計(jì)算不同αA2值所對(duì)應(yīng)的R2的值；

(2)當(dāng)?shù)谝粭l斷層部分連通時(shí)(αA1=0.2)，根據(jù)前面的公式計(jì)算不同αA2值所對(duì)應(yīng)的R2的值；

(3)當(dāng)?shù)谝粭l斷層基本完全封閉時(shí)(αA1=0)，根據(jù)前面的公式計(jì)算不同αA2值所對(duì)應(yīng)的R2的值.

圖5　不同R值影響下的壓力和壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)

圖6　滲漏系數(shù)R與特殊傳導(dǎo)率αA之間的關(guān)系

(10)

則：

(11)

4　結(jié)論

(1)建立了存在兩條以不同角度交叉的部分連通斷層邊界的試井解釋新模型，采用鏡像反應(yīng)方法和疊加原理進(jìn)行求解，求解方法簡(jiǎn)單.

(2)斷層的“特殊傳導(dǎo)率”越小，斷層的連通性越差；夾角θ主要影響壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)第三個(gè)水平段的高低，θ越小壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)則越靠上；Y值越大，井到第二條斷層的距離越遠(yuǎn)，壓力導(dǎo)數(shù)曲線(xiàn)出現(xiàn)再次上翹的時(shí)間越晚；滲漏系數(shù)R越小，斷層的連通性越好.

(3)引入“特殊傳導(dǎo)率”的概念，推導(dǎo)了特殊傳導(dǎo)率與滲漏系數(shù)的反比關(guān)系式.