南凡馳,林良彪,余瑜,陳朝兵,慕尚超,王泓波,姬冠華,馬俊民
(1.成都理工大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,四川 成都 610059;2.成都理工大學沉積地質(zhì)研究院,四川 成都 610059;3.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西 西安 710065;4.陜西省油氣成藏地質(zhì)學重點實驗室,陜西 西安 710065;5.中國石化西北分公司采油一廠,新疆 烏魯木齊 830011;6.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠,陜西 榆林 719000)
儲層微觀非均質(zhì)性是指儲層填隙物類型、數(shù)量分布、孔隙結(jié)構(gòu)、孔喉分布特征以及裂縫發(fā)育情況等微觀特征的變化[1],通常從成巖程度、礦物成分、分選系數(shù)和膠結(jié)物含量等方面來進行表征。儲層微觀非均質(zhì)性對于孔喉連通性、結(jié)構(gòu)表征、油氣富集能力、儲層評價等方面研究具有重要意義,許多專家學者對此做了大量探索和研究工作[2-6]??偨Y(jié)前人研究成果,目前關于儲層微觀非均質(zhì)性的研究方法主要有3種:①基于鑄體薄片數(shù)據(jù),以樣品中的礦物含量、膠結(jié)物含量、面孔率、易溶礦物含量等為切入點,建立相應的評價參數(shù)來定量評價儲層微觀非均質(zhì)性[7-9],如曹江駿提出的膠結(jié)溶蝕指數(shù)和成巖綜合指數(shù)[10-11],陳朝兵提出的充填指數(shù)和抗溶蝕指數(shù)[12]。②基于高壓壓汞和恒速壓汞等實驗獲得的可以表征儲層相關性質(zhì)的參數(shù)來進行定量評價[7]。其中,高壓壓汞實驗在儲層孔喉結(jié)構(gòu)表征方面可行性較高、成本較低且應用比較成熟,前人基于高壓壓汞實驗相關參數(shù)也提出了一些非均質(zhì)性評價標準[13-14],如臧士賓基于高壓壓汞相關參數(shù)和曲線形態(tài)提出了均質(zhì)系數(shù)和主要流動空間百分數(shù)[13]。③基于學科交叉并在實驗分析的基礎上,結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡和Matlab等數(shù)學方法或者編程來定量評價儲層的微觀非均質(zhì)性[15-16]。王衛(wèi)紅利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡、多項Logistic回歸、融合評價方法對儲層非均質(zhì)性進行評價[15];盧晨剛利用Matlab編程,提出鑄體薄片提取面孔率的新方法,進而提出非均質(zhì)指數(shù)U來定量評價儲層非均質(zhì)性[16]。
雖然前人對儲層微觀非均質(zhì)性定量表征做過大量研究,提出了眾多的參數(shù),但大都集中在用一種參數(shù)或從一種角度出發(fā)對非均質(zhì)性進行定量評價,將諸多因素綜合起來評價儲層微觀非均質(zhì)性的研究較少,或者提出的方案太過復雜,在生產(chǎn)實踐中操作難度較大?;诖?,本文以鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)三疊系延長組6段(長6段)和合水地區(qū)長8段為例,以前人提出的儲層微觀非均質(zhì)性定量評價參數(shù)和高壓壓汞數(shù)據(jù)為基礎,利用向后篩選策略分別對兩種儲層進行綜合評價參數(shù)的提取。以此提出綜合性更強、更全面、更準確的儲層微觀非均質(zhì)性定量評價參數(shù),同時論證數(shù)學方法在解決地質(zhì)問題上的可行性。
鄂爾多斯盆地面積約25×104km2[17],伊陜斜坡是鄂爾多斯盆地內(nèi)分布范圍最廣的構(gòu)造單元,位于盆地中部,內(nèi)部構(gòu)造作用比較弱。華慶地區(qū)和合水地區(qū)位于伊陜斜坡的西南部(圖1),發(fā)育有大量的東西向鼻狀隆起[18]。鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組自下而上可分為長10段—長1段。在長10段—長1段沉積期,內(nèi)陸湖盆演化階段經(jīng)歷了湖盆擴張—縮小—消亡的水進—水退過程[19]。長8段沉積期(長8期)湖盆繼續(xù)擴張,但長8中期-末期湖盆經(jīng)歷了先縮減而后繼續(xù)擴張的發(fā)育階段,因此在長8中期-末期,三角洲體系相對發(fā)育,砂體沉積厚度大[20]。湖盆縮減階段主要發(fā)生在長6—長4+5期,長6期為湖盆開始萎縮的早期階段,湖盆中心(包括華慶地區(qū))仍處于三角洲-湖泊環(huán)境,砂體沉積規(guī)模大,形成了有利的油氣儲集體[21-23]。
圖1 華慶地區(qū)和合水地區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Map showing the structural locations of Huaqing and Heshui areas
根據(jù)Folk的砂巖分類標準[24],華慶地區(qū)長6段儲層(長6儲層)巖性主要為淺灰色、灰褐色巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖,其次為巖屑砂巖、石英砂巖和長石砂巖。合水地區(qū)長8儲層巖性主要為淺灰色、灰褐色長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖(圖2)。
圖2 鄂爾多斯盆地長6和長8儲層測井曲線及巖心特征Fig.2 Logging curves and core photos showing the characteristics of Chang 6 and 8 reservoirs,Ordos Basin
華慶地區(qū)長6儲層碎屑顆粒以次棱角狀為主,分選中等-好,成分成熟度差-中等,接觸方式以點-線接觸為主。膠結(jié)物類型以孔隙式膠結(jié)和加大孔隙式膠結(jié)為主,還包括少量薄膜-孔隙、孔隙-基底、壓嵌-孔隙式膠結(jié)。合水地區(qū)長8儲層顆粒接觸方式以線接觸為主,其次為點-線接觸、點接觸,凹-凸接觸(占1.70%)與縫合線接觸(占0.80%)發(fā)育極少。碎屑顆粒磨圓以次棱角狀為主(占91.58%)。分選中等-好,成分成熟度差-中等。膠結(jié)物類型以孔隙式膠結(jié)和加大孔隙式膠結(jié)為主,還包括少量薄膜-孔隙、孔隙-基底、壓嵌-孔隙式膠結(jié)。
華慶地區(qū)長6儲層孔隙類型主要包括粒間孔、溶蝕孔、晶間微孔和微裂隙(圖3)。其中粒間孔體積分數(shù)主要分布在0~15.00%,平均體積分數(shù)為1.52%;溶蝕孔主要包括粒間溶孔、長石溶孔和巖屑溶孔,其中粒間溶孔體積分數(shù)較小,分布在0~3.00%,平均體積分數(shù)為0.07%,長石溶孔體積分數(shù)的分布范圍較大,分布在0~6.20%,平均體積分數(shù)為0.66%;巖屑溶孔體積分數(shù)主要分布在0~2.00%,平均體積分數(shù)為0.12%。
合水地區(qū)長8儲層平均面孔率為2.56%,孔隙類型主要包括粒間孔、溶蝕孔、晶間孔和微裂隙。其中粒間孔平均體積分數(shù)為1.57%,溶蝕孔主要包括粒間溶孔、長石溶孔和巖屑溶孔,其中粒間溶孔體積分數(shù)較小,平均體積分數(shù)為0.05%;長石溶孔體積分數(shù)較大,平均體積分數(shù)為0.86%;巖屑溶孔平均體積分數(shù)為0.79%。
受成巖作用影響,華慶地區(qū)長6儲層和合水地區(qū)長8儲層還發(fā)育有少量成巖縫(圖3)。
圖3 華慶地區(qū)長6儲層和合水地區(qū)長8儲層孔隙類型鏡下特征照片F(xiàn)ig.3 Thin section images showing the microscopic characteristics of pores in diverse types in the Chang 6 and 8 reservoirs in Huaqing and Heshui areas,respectively
在高壓壓汞毛管壓力數(shù)據(jù)的基礎上,計算儲層孔喉半徑和進汞梯度,繪制儲層孔喉半徑分布圖(圖4a,b)。華慶地區(qū)長6儲層孔喉半徑存在兩個峰值,主要分布在0.01~0.05μm和0.08~0.20μm兩個區(qū)間;合水地區(qū)長8儲層孔喉半徑存在一個峰值,主要分布在0.08~0.30μm。
華慶地區(qū)長6儲層孔隙度均值為9.6%,合水地區(qū)長8儲層孔隙度均值為10.9%;這兩套儲層的滲透率都主要分布在小于0.5×10-3μm2的區(qū)間,只有少量樣品的滲透率大于0.5×10-3μm2。華慶地區(qū)長6儲層樣品的滲透率較合水地區(qū)長8儲層更多地分布在小于0.5×10-3μm2的區(qū)間,而在滲透率大于0.5×10-3μm2的區(qū)間,合水地區(qū)長8儲層則分布更多(圖4c,d)。
圖4 華慶地區(qū)長6儲層和合水地區(qū)長8儲層孔喉半徑及物性分布Fig.4 Map showing distributions of pore throat radius,porosity and permeability of the Chang 6 and 8 reservoirs in Huaqing and Heshui areas,respectively
向后篩選策略是變量不斷被剔除出回歸方程,并對剩余變量再次進行檢驗,以此反復,直到確定最優(yōu)參數(shù)組合并建立回歸方程的過程。本文主要基于薄片、掃描電鏡、高壓壓汞等實驗手段獲得儲層的巖石礦物成分、孔隙類型、毛管壓力和汞飽和度等數(shù)據(jù),利用SPSS軟件,提出相關參數(shù)用于對儲層微觀非均質(zhì)性進行定量表征。對于華慶地區(qū)長6儲層,利用相關數(shù)據(jù),對前人提出的儲層微觀非均質(zhì)性定量評價參數(shù)進行厘定;之后利用SPSS軟件對各參數(shù)進行因子分析,優(yōu)選出能夠較好反映儲層微觀非均質(zhì)性的參數(shù);最后采用向后篩選策略,建立回歸方程,確定綜合評價參數(shù)以定量表征儲層微觀非均質(zhì)性。對于合水地區(qū)長8儲層,則利用高壓壓汞參數(shù)采用向后篩選策略分別對滲透率和孔隙度建立回歸方程,確定綜合評價參數(shù)以定量表征儲層微觀非均質(zhì)性。
在前人對儲層微觀非均質(zhì)性評價的基礎上,對現(xiàn)有部分參數(shù)的計算公式進行了統(tǒng)計(表1)。通過SPSS軟件對9個參數(shù)與孔隙度和滲透率的相關性開展研究,可以給出檢驗統(tǒng)計量的值落在不同分布中的概率值P(無量綱),若顯著性水平(α)為0.05,當P≤0.05,則認為非均質(zhì)性參數(shù)對孔隙度和滲透率產(chǎn)生了顯著影響。以Pearson相關性和顯著性(雙側(cè))概率P值作為標準,對已有表征儲層非均質(zhì)性的參數(shù)進行厘定,認為同時滿足在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關和概率P≤0.05的參數(shù)與儲層非均質(zhì)性有較強的相關性。篩選出中值壓力、分選系數(shù)、顆粒非均質(zhì)性、膠結(jié)溶蝕指數(shù)、成巖綜合指數(shù)、充填指數(shù)和抗溶蝕指數(shù)等7個參數(shù)(表2)。
表1 儲層微觀非均質(zhì)性評價方法參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of parameters for microscopic reservoir heterogeneity evaluation
表2 華慶地區(qū)長6儲層微觀非均質(zhì)性評價參數(shù)與孔隙度、滲透率相關性Table 2 Correlation between parameters of microscopic reservoir heterogeneity evaluation and porosity,permeability of the Chang 6 reservoir in Huaqing area
在數(shù)據(jù)分析中,一個樣本通常會用很多變量來描述,而且這些變量之間往往存在某種聯(lián)系,如儲層微觀非均質(zhì)性定量評價通常包括填隙物含量、碎屑顆粒成分、成巖作用等多種參數(shù)。因子分析就是要找出各變量之間的聯(lián)系,進而減少變量個數(shù),是降維所采用的主要方法之一。在減少變量的同時,又不會有大量信息的丟失,有利于對多維數(shù)據(jù)的理解[25-27]。
因子分析產(chǎn)生的碎石圖的理想模型是Cattell在1966年提出來的[28]。它是由幾段折線組合而成,從頭到尾,折線不同部位的曲率逐漸降低,一般保留曲線在開始變陡之前的那些因子[29-30]。碎石圖解方法以特征值為縱軸,成分為橫軸,將每個成分所解釋的方差按照從大到小的順序排列起來,顯著性下降或產(chǎn)生斷裂的“拐角”點,稱之為曲線的“肘”。利用碎石圖可以直觀評估保留的因素包含的原始信息量。也就是說,前面陡峭的部分說明特征值大,包含的信息多,后面平坦的部分意味著特征值小[31-38]。華慶地區(qū)長6儲層孔隙度和滲透率碎石圖顯示,當評價參數(shù)分別為2,3,4個時,曲線均發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折(圖5),說明主成分個數(shù)為2,3,4個時,均能對儲層孔隙度和滲透率進行較好的評價。
圖5 華慶地區(qū)長6儲層孔隙度和滲透率碎石圖Fig.5 Scree plot showing the porosity and permeability of Chang 6 reservoir in Huaqing area
為了明確不同數(shù)量的參數(shù)組合對非均質(zhì)性的影響,同時考慮到影響儲層非均質(zhì)性的因素包括碎屑顆粒大小、分選性、成巖程度、膠結(jié)物含量及類型等,以7個參數(shù)為一組,利用向后篩選策略經(jīng)過6步完成回歸方程的建立,在此過程中建立了6個回歸模型,最終方程為第六個模型。在向后篩選的過程中,分選系數(shù)、顆粒非均質(zhì)性、中值壓力、膠結(jié)溶蝕指數(shù)、成巖綜合指數(shù)的概率P值遠大于0.05,軟件從模型中剔除這5個參數(shù),剩余2個參數(shù)。
線性回歸中的相關系數(shù)R2(無量綱)可以表征回歸直線對觀測值的擬合程度,衡量的是預測值對真值的擬合程度,其值越接近1越好。隨著篩選的進行,標準估計誤差逐漸減小,調(diào)整的R2逐漸增大,第六次標準估計的誤差最小。向后篩選策略是變量不斷被軟件剔除出回歸方程的過程,通過SPSS軟件自動完成相關變量的選擇,最后建立回歸模型[39-40]。首先,所有變量全部引入回歸方程,并對回歸方程進行各種檢驗。然后,在回歸系數(shù)顯著性檢驗不顯著的一個或多個變量中,剔除t檢驗值最小的變量,并重新建立回歸方程和進行各種檢驗。以此類推,對導入的參數(shù)全部進行檢驗,最后,若新建回歸方程中所有變量的回歸系數(shù)檢驗都顯著,則回歸方程建立結(jié)束。從用向后篩選策略建立方程的過程看,隨著解釋變量的不斷減少,回歸方程的擬合優(yōu)度不斷提高[41-45]。
利用向后篩選策略共經(jīng)過6步完成回歸方程的建立,依次剔除不顯著的變量,保留常量、填隙物充填指數(shù)C(無量綱)和抗溶蝕指數(shù)K(無量綱)。這與前文碎石圖所表征的參數(shù)個數(shù)相對應。各方程系數(shù)如表3示,最終選擇模型6對儲層微觀非均質(zhì)性進行綜合評價,評價方程為:
表3 華慶地區(qū)長6儲層各回歸模型中各參數(shù)對應系數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of parameter coefficients in each regression model of Chang 6 reservoir in Huaqing area
式中:N為儲層微觀非均質(zhì)性綜合定量評價參數(shù),無量綱。
利用生成的綜合評價指數(shù)N與長6儲層滲透率做相關性分析,相關系數(shù)為0.947,兩者為顯著相關,相關性較單個參數(shù)評價儲層微觀非均質(zhì)性明顯提高,說明與單個參數(shù)比,綜合評價指數(shù)N對儲層滲透率具有更好的評價意義。
利用SPSS軟件對高壓壓汞實驗的10個參數(shù)與孔隙度和滲透率的相關性開展分析,挑選出α在0.01條件下雙側(cè)相關的參數(shù),與孔隙度顯著相關的參數(shù)有孔隙體積、孔喉半徑均值、分選系數(shù)、中值壓力、中值半徑、排驅(qū)壓力和退汞效率;與滲透率顯著相關的參數(shù)有孔喉半徑均值、分選系數(shù)、中值壓力、中值半徑和排驅(qū)壓力。采用向后篩選策略對相關參數(shù)與孔隙度、滲透率分別做線性回歸分析,最終確定的模型與孔隙度和滲透率具有較好的相關性,相關系數(shù)分別為0.735和0.745。
采用向后篩選策略,針對合水地區(qū)長8儲層,利用高壓壓汞相關參數(shù),以孔隙度為參考標準建立了儲層微觀非均質(zhì)性綜合評價參數(shù)Gk(無量綱),模型為:
以滲透率為參考依據(jù),利用高壓壓汞數(shù)據(jù)建立了儲層微觀非均質(zhì)性綜合評價參數(shù)為Gs(無量綱),模型為:
3.3.1 參數(shù)N的適用性
利用華慶地區(qū)長6儲層大量數(shù)據(jù)對上述得出的綜合評價指數(shù)N與滲透率的關系做驗證。N與本次研究所用樣品整體滲透率的相關性呈明顯的三段S形特征(圖6a),每一段與滲透率都具有較好的相關性,相關系數(shù)分別為0.981 2,0.949 6和0.772 4。第一段表征的綜合評價指數(shù)N的范圍在0.58~0.69,滲透率介于(0.026~0.25)×10-3μm2(圖6b);第二段表征的綜合評價指數(shù)N的范圍在0.69~0.71,滲透率范圍在(0.25~8.59)×10-3μm2(圖6c);第三段表征的綜合評價指數(shù)N的范圍在0.71~0.73,滲透率介于(8.59~10.11)×10-3μm2(圖6d)。
圖6 華慶地區(qū)長6儲層綜合評價指數(shù)N與滲透率關系Fig.6 Relationship between comprehensive evaluation index N and permeability of Chang 6 reservoir in Huaqing area
根據(jù)綜合評價指數(shù)N將儲層微觀非均質(zhì)性劃分為3個等級:當綜合評價指數(shù)N小于0.69時,儲層為強微觀非均質(zhì)性;當綜合評價指數(shù)N介于0.69~0.71時,儲層為中等微觀非均質(zhì)性;當綜合評價指數(shù)N大于0.71時,儲層為弱微觀非均質(zhì)性。據(jù)統(tǒng)計,華慶地區(qū)長6儲層綜合評價指數(shù)N的最大值為0.48,屬于第一段,為強微觀非均質(zhì)性。
3.3.2 參數(shù)Gk和Gs的適用性
利用華慶地區(qū)長6儲層和合水地區(qū)長8儲層大量樣品數(shù)據(jù),分別對Gk和Gs進行驗證,兩者相關性均較好。其中,華慶地區(qū)長6儲層孔隙度與Gk的相關系數(shù)為0.892 5,滲透率與Gs的相關系數(shù)為0.938 8;合水地區(qū)長8儲層孔隙度與Gk的相關系數(shù)為0.567 0,滲透率與Gs的相關系數(shù)為0.718 7(表4)。說明兩個參數(shù)可以分別與孔隙度和滲透率建立關系,進而對儲層的非均質(zhì)性做出較為準確的評價。
表4 鄂爾多斯盆地儲層微觀非均質(zhì)性綜合評價參數(shù)Gk和Gs檢驗表Table 4 Test of Gk and Gs,parameters for comprehensive evaluation of microscopic reservoir heterogeneity
根據(jù)不同數(shù)據(jù)點在圖中的分布,將儲層的微觀非均質(zhì)性劃分為3類:當Gs<-2,Gk<6時,儲層為強非均質(zhì)性;當Gs=-2~5,Gk=6~14時,儲層為中等非均質(zhì)性;當Gs>5,Gk>14時,儲層為弱非均質(zhì)性。
綜合來看,本文提出的綜合評價參數(shù)N,Gk和Gs均能較好地定量評價儲層微觀非均質(zhì)性,相較單因素評價參數(shù),與孔隙度或滲透率的相關性均有較大幅度的提升,說明因子分析和向后篩選策略等數(shù)學方法在解決地質(zhì)問題上具有較好的可行性。從利用華慶地區(qū)長6儲層數(shù)據(jù)對綜合評價參數(shù)N,Gk和Gs的驗證結(jié)果來看,以填隙物充填指數(shù)和抗溶蝕指數(shù)為基礎提取的綜合指數(shù)N相較于以高壓壓汞參數(shù)為基礎提取的綜合評價參數(shù)Gk和Gs,對儲層微觀非均質(zhì)性的評價更加準確,同時也說明要解決地質(zhì)問題的復雜性和不確定性,利用簡單的單因素分析法很難達到目的。
儲層微觀非均質(zhì)性通常受沉積相、砂體厚度、隔夾層發(fā)育程度、巖石成分、礦物含量、膠結(jié)物含量、孔隙結(jié)構(gòu)和孔喉分布特征等多種因素控制,定量評價儲層微觀非均質(zhì)性難度較大。本文主要依托于薄片數(shù)據(jù)和高壓壓汞數(shù)據(jù),采用數(shù)學方法綜合評價儲層微觀非均質(zhì)性,利用軟件對相應參數(shù)進行整合,減小了人為主觀因素的影響,使評價參數(shù)更加客觀,評價結(jié)果更加準確。雖然對缺少相應數(shù)據(jù)的區(qū)域應用較為有限,但是基于儲層微觀非均質(zhì)性評價的復雜性,這些數(shù)據(jù)的獲取又是不可或缺的,通過對這些數(shù)據(jù)的處理來提高儲層微觀非均質(zhì)性評價的準確性是非常有必要的。目前該方法在地質(zhì)上的應用還處于初步探索階段,只適用于已有相關數(shù)據(jù)的區(qū)域,對于缺少相關數(shù)據(jù)的區(qū)域還需要利用更易獲得的數(shù)據(jù)進行更深入的研究。
1)華慶地區(qū)長6儲層和合水地區(qū)長8儲層巖石類型均以巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主,儲集空間以粒間孔和溶蝕孔為主。華慶地區(qū)長6儲層孔喉半徑存在2個峰值,主要分布在0.01~0.05μm和0.08~0.20μm兩個區(qū)間,孔隙度均值為9.6%;合水地區(qū)長8儲層孔喉半徑存在1個峰值,主要分布在0.08~0.30μm,孔隙度均值為10.9%。滲透率主要分布區(qū)間小于0.5×10-3μm2。
2)針對華慶地區(qū)長6儲層,利用向后篩選策略提出綜合評價指數(shù)N,用于對儲層微觀非均質(zhì)性進行評價。將儲層微觀非均質(zhì)性劃分為3個等級:當N<0.69時,儲層為強微觀非均質(zhì)性;當N=0.69~0.71時,儲層為中等微觀非均質(zhì)性;當N>0.71時,儲層為弱微觀非均質(zhì)性。華慶地區(qū)長6儲層綜合評價指數(shù)N的最大值為0.48,為強微觀非均質(zhì)性。
3)基于高壓壓汞參數(shù),針對合水地區(qū)長8儲層,采用向后策略對相關參數(shù)與孔隙度和滲透率的相關性分別做線性回歸分析,將儲層的微觀非均質(zhì)性劃分為3類:當Gs<-2,Gk<6時,儲層為強非均質(zhì)性;當Gs=-2~5;Gk=6~14時,儲層為中等非均質(zhì)性;當Gs>5,Gk>14時,儲層為強非均質(zhì)性。
4)綜合評價參數(shù)N,Gk和Gs與儲層的孔隙度和滲透率均有較好的相關性,相關性較單個評價參數(shù)明顯增強,可以用來定量評價儲層微觀非均質(zhì)性,總體而言N的評價效果較Gk和GS更好。向后篩選策略在華慶地區(qū)長6儲層和合水地區(qū)長8儲層微觀非均質(zhì)性定量評價中的應用取得了較為理想的結(jié)果,進而印證了數(shù)學方法在解決地質(zhì)問題上的可行性。