录井工程  2019 , 30 (2): 100-105 https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-9803.2019.02.020

地质研究

隔层特征及其在油田开发中的建设性作用

赵杰, 王亚洲, 王国维, 汪刚, 戴明辉

① 中国石油华北石油管理局有限公司河北储气库分公司
② 中国石油华北油田分公司第四采油厂

Barrier layer characteristics and constructive effect in oilfield development

Zhao Jie, Wang Yazhou, Wang Guowei, Wang Gang, Dai Minghui

中图分类号:  TE132.1

文献标识码:  A

责任编辑:  Zhao JieWang YazhouWang GuoweiWang GangDai Minghui

收稿日期: 2019-05-16

网络出版日期:  2019-06-25

版权声明:  2019 《录井工程》杂志社 《录井工程》杂志社 所有

基金资助:  中国石油华北油田分公司项目“廊固凹陷产能建设方案研究与实施”(编号:2017-HB-B13)

作者简介:

作者简介 赵杰 工程师,1986年生,2013年毕业于成都理工大学地质学(沉积学)专业,获得地质学(沉积学)硕士学位,现在中国石油华北油田分公司河北储气库分公司主要从事油气勘探与开发综合研究工作。通信地址:065007 河北省廊坊市广阳区万庄镇石油矿区河北储气库分公司。电话:15222822436。E-mail:zjzhaojie@163.com

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摘要

在油田开发中往往只重视对储集层的研究,而对非渗透性的隔层所发挥的建设性作用研究力度不足。为此,以州16断块Es3油藏开发案例入手,在录井、测井、地震相、岩心及开发数据综合分析基础上,对断块隔层成因、岩电物性特征、发育特点及规模以及隔层的建设性作用开展了研究。结果表明:隔层为形成州16断块非均质多油层油藏和实现后期油藏开发提供了先天物质基础;隔层岩电、物性特征揭示了隔层具有的非渗透性导致阻渗作用是对断块油藏开发建设性作用的核心机理,可作为井组分注分采良好隔板层;隔层发育特点及规模则反映出隔层厚度在压裂改造中起着阻渗及抗压作用,为有效压裂及压后增产提供了保障。

关键词: 隔层 ; 建设性作用 ; 压裂改造 ; 开发单元 ; 分注与分采 ; 阻渗 ; 非渗透性

Abstract

In the development of oilfields,only the research on reservoirs is often emphasized,but the research on the constructive effects of impermeable barrier layers is insufficient. For this reason,starting with the case of the oil reservoirs in the middle of the third member of Shahejie formation in Zhou 16 fault block,based on the comprehensive analysis of mud logging,well logging,seismic facies,core and development data,the genesis of barrier layers in the fault block,the characteristics of litho-electric and physical properties,growing characteristics and scale,and the constructive effects of the barrier layers are studied. The results show that the barrier layers provide an innate material basis for the formation of the heterogeneous multi-oil layer reservoirs in Zhou 16 fault block and the realization of later reservoir development. The characteristics of litho-electric and physical properties of the barrier layers reveal that the permeability of barrier layers makes the impermeability be the core mechanism of the constructive role for fault block reservoir development,which can be used as a good barrier layer for separate injection and separate production of the well group. The growing characteristics and scale of the barrier layers reflect that the thickness of the barrier layers plays the role of preventing water infiltration and compression resistance in fracturing reconstruction,which provides a guarantee for effective fracturing and increased production after fracturing.

Keywords: barrier layer ; constructive effect ; fracturing ; development unit ; separate injection and separate production ; permeability ; impermeability

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赵杰, 王亚洲, 王国维, 汪刚, 戴明辉. 隔层特征及其在油田开发中的建设性作用[J]. 录井工程, 2019, 30(2): 100-105 https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-9803.2019.02.020

Zhao Jie, Wang Yazhou, Wang Guowei, Wang Gang, Dai Minghui. Barrier layer characteristics and constructive effect in oilfield development[J]. Mud Logging Engineering, 2019, 30(2): 100-105 https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-9803.2019.02.020

0 引 言

油田开发过程中,层系划分、井网部署及分注分采方案编制和压裂酸化优化设计等,除了对储集层及油层开展研究外,还必须对隔(夹)层物性特征、发育特点及规模等进行精细分析研究,才能使方案具有可操作性。本文以琥珀营油田州16断块开发为例,分析隔层在油田开发中的影响及建设性作用,以期在类似复杂断块油藏开发中产生积极效应。

1 隔层定义及成因

裘怿楠把不渗透的岩层称为隔层,把低渗透的缓冲层称为夹层。因考虑有效区分隔层和缓冲层需要精确完善的渗透率指标,所以笔者对这两类岩层暂未做明显区别,统称为隔层[1]。隔层在含油气盆地内非均质多油层油田内广泛发育。

州16断块位于渤海湾盆地廊固凹陷固安-旧州构造带中北部、旧州断层上升盘。该断块主力开发层系为古近系沙河街组沙三中亚段(后文将沿用E s3),沉积环境以扇三角洲-滨浅湖相为主,主要发育有扇三角洲前缘水下分流河道砂微相和席状砂微相砂体[2],储集层类型主要为中孔低渗型长石砂岩,而E s3隔层发育则主要受沉积过程中不同期次扇三角洲前缘分流间湾微相、前扇三角洲亚相及滨浅湖相沉积环境影响。

2 隔层的特征

通过开展断块隔层岩电、物性特征,发育特点和规模研究,旨在为断块高效开发提供地质依据。

2.1 隔层岩电、物性特征

区域地层对比揭示州16断块E s3隔层岩性以碎屑岩类灰色泥岩为主,粉砂质泥岩次之,局部夹薄层钙质泥岩。剖面上与渗透性储集层灰色粉砂岩、细砂岩等呈现为等厚-不等厚互层分布特征[3]。因此,本文所说的隔层主要是指泥岩层,其微观特征表现为碎屑颗粒细-极细,孔径小[4],粒度分析数据反映隔层粒度中值范围为0.01~0.095 mm,平均值约为0.033 mm。岩心样品X射线衍射实验结果表明,岩石组构中黏土矿物成分以高岭石、伊利石为主,绿泥石及蒙脱石次之(表1)。

表1   Z 16-41x井X射线衍射分析岩石矿物成分含量 %

   

层位高岭
绿泥
伊利
蒙皂
伊/蒙
间层
间层
426.014-38.055
Es341407.012-41.057
476.513-39.556
Es341144.01171--
Es341427.010-41.055

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以Z 16-41x井为例,X射线衍射分析岩石矿物成分含量显示高岭石平均含量37%,绿泥石平均含量6.1%,伊利石平均含量29.7%,蒙皂石平均含量28.2%。

鉴于隔层对SPGR测井较为敏感的特性,对州16断块内多口井的测井响应特征分析认为泥岩隔层SP通常为大段基线或微幅度指状或齿状特点,整体反映为极低-无渗透性岩层,而隔层GR变化幅度大,GR值较高,普遍大于90 API,最高可达140 API,区间波动主要因地层中黏土矿物相对含量多少而增减[5,6,7,8]。通过进行隔层样品岩心物性统计,明确了其渗透率值范围区间为0.01~1 mD,具有强致密性特点。局部尚存的弱渗透性也仅是不具连通性或连通性差的微束缚孔隙,在较大压差条件下难以使封存流体流动。据此,以渗透率1 mD作为州16断块E s3隔层的物性上限。

2.2 隔层发育特点

隔层空间发育规模因受先天不同沉积环境影响,往往表现出与储集层类似的明显非均质性特征,常见分布特点主要有四类:连续分布型、局部分布型、均匀分布型、条带状分布型[4]。州16断块E s3隔层发育由于受沉积不同期次扇三角洲前缘分流间湾微相、前扇三角洲亚相及滨浅湖相沉积环境影响,经地震及地层对比资料分析认为,其隔层发育规模呈现为横向发育相对稳定连续(地震同相轴呈现为平行-亚平行连续反射)及纵向泥地比高的特点。

2.3 隔层发育规模

据断块内68口井录、测井资料对比证实,E s33段地层厚度达360~560 m,泥地比为61%~69%;E s341段地层厚度为460~530 m,泥地比为55%~67%。在油田开发中,隔层发育情况主要通过隔层分布频率PK(每米储集层内非渗透性泥质隔层的个数)及隔层分布密度DK(每米储集层内非渗透性泥质隔层的合计厚度与层厚的比值)进行表征。通过地质学统计法分析,得知州16断块E s3隔层的PK值范围为1.63~2.35 个/m,DK值范围为0.42~0.55,呈现出区域发育规模较大的特点。从生油角度认为,隔层发育厚度大,相同条件下其顶底储集层赋存的成熟烃类物质相对含量则较高,含油饱和度相对较大,这些具一定规模效应发育的隔层势必将对于断块下步开发调整产生重要影响。

3 隔层对油田开发的影响

隔层在油田开发中的影响作用客观存在,隔层主要在开发层系划分、井网部署、分注分采、压裂优化四方面存在较大影响。

3.1 开发层系划分标志

钻井证实,州16断块总体为砂泥岩互层的地层组合结构。其中,E s3与E s3分界于厚达数百米灰色泥岩段。E s3地层依据隔层发育状态,自上而下又分为E s33、E s341、E s342三个小段。在结合储集层四性关系基础上,确定E s33、E s341小段为断块主要油层开发单元,进一步以内部隔层为界又细分油层组、砂层组及单油层,为明确断块主力生产层系及整体开发奠定下步研究基础。

3.2 井网部署依据

断块主要采用200~250 m井距、不规则三角形井网、反七点法面积注水开发方式。井震结合及精细地层对比揭示出井间砂体断缺泥岩封堵及沉积微相变化下的储隔层转换存在,导致出现井组内注水难及注采不受效现象,影响井网调整部署。明确井间隔层是否发育成为井网部署依据之一。

3.3 分注分采方案编制前提

分注相对于笼统注水,是精细注水的具体举措。由于州16断块E s3储集层具有中等偏强-强水敏特性(水敏指数为0.67~0.84),采用笼统注水则极易加剧层间矛盾[9,10,11,12,13,14]。要实现分注分采,隔层发育是必要条件之一。隔层相比储集层,具有先天的空间非渗透性、较强稳定性且地层不易出砂优势,是分注与分采良好隔板层,也是人工下入井筒环空封隔器的有利岩层,是实施分注分采方案编制的重要前提。

3.4 压裂优化设计要素

据岩心样品分析及电测解释统计,州16断块E s3储集层物性因整体表现为中孔低渗(平均孔隙度为24.3%,平均有效渗透率仅为41.4 mD)特征,对油层原始状态常规开采难度大,人工压裂成为措施增油重要手段之一。但是,断块内底水油藏发育,压裂后易造成水窜[15,16,17]。例如,2009年因对油井Z 16-11x井E s341段多套单油层压裂导致水淹油层,综合含水率由0快速攀升至100%,后经数次卡水无效,影响出油量4 t/d,已关井至今。分析认为被压裂层段下伏隔层偏薄,厚度仅为4 m,且处于厚达数十米的油水同层及含油水层(典型油水界面标志)之上,在压裂过程中,隔层遭受较大破裂压力(Z 16-11x井破裂压力为39.37 MPa),在压差的作用下被剪切破坏发生快速底水锥进和水淹油层。因此,隔层为压裂优化设计必须考虑的要素之一。

4 隔层在油田开发中的建设性作用

在油田开发中,因受效益指标影响,技术人员往往将诸多技术聚焦于储集层研究,而隔层相关研究不足,某种程度上已经限制了油田效益开发。因隔层研究欠缺,导致水驱及压裂增油失败或效果差的案例时有发生。以下将从隔层作为油田开发先天物质基础、隔储配置关系、井组分注分采良好隔板层、储集层压裂良好屏障四方面,阐述隔层在油田开发中的建设性作用。

4.1 油田开发先天物质基础

隔层具有烃源层和盖层的双重身份,是油田开发先天成藏基础。其中,烃源岩样品类型及演化程度控制着油气类型和分布,而盖层是否具有封闭性则对油气保存意义重大。

4.1.1 良好生油岩

隔层作为烃源岩(暗色泥岩层),是油田开发先天物质基础。烃源岩成熟与否,是决定油品质与开发的关键,关键在于隔层生烃能力。州16断块发育着石炭-二叠系(C-P)与E s3多套烃源岩。据样品化验得知,廊固凹陷烃源岩的有机质类型以偏腐殖的混合型(Ⅱ2型)为主。其中,Es3段烃源岩热演化程度较高,E s3、E s3在古近系所有层段中有机质丰度最高,Ro(镜质体反射率)在0.7%左右,优质烃源岩分布的中心为琥珀营北部,TOC(有机碳)最高值达到2.8%,最大厚度超过60 m,是廊固凹陷的主力烃源层。此外,通过油气成藏模拟方法,计算廊固凹陷各烃源层的累计生烃量(图1),结果表明E s4及E s3生烃量最大,其他层段次之。

图1   廊固凹陷各烃源层累计生烃量

   

4.1.2 隔层的封闭性

隔层作为盖层,其良好的封闭性主要表现为垂向上(纵向上)和侧向上的封闭。因隔层整体反映为极低-无渗透性特性,空间上可对油气保存具有封堵性。在垂向上,不同沉积期次的泥岩层由于受到上覆岩体的压实作用,具有较高的地层破裂压力和非渗透性,可对下伏储集层起到封盖作用。侧向上,表现为两方面:

(1)隔层与构造断裂匹配下的封闭性,包括因素主要有三个:一是断层两盘的岩性对接关系,由于泥岩的孔渗性差,比砂岩具有更高的排替压力,当砂岩与泥岩对置时,隔层一般表现为侧向封闭;二是断裂带内的泥岩涂抹情况,在地层埋藏较深的情况下,泥岩层一般表现为塑性,断层两盘在断移过程中,泥岩被粉碎成黏土,在其上下盘断壁间被削截的砂岩层上形成一个糜棱岩化的泥岩隔层,即泥岩涂抹;三是断裂带内的填充物,如果填充物以泥质为主,也可形成侧向封闭。

(2)沉积相变下的透镜体,隔层也起到封闭作用。两种封闭方式均起到了阻挡油气运移,保存油气的作用。

4.2 隔层与储集层空间配置关系

从州16断块E s3油气成藏角度看,隔层与储集层空间配置主要呈现为下生上储、自生自储、旁生侧储及复合样式。E s3是下生上储或自生自储式储盖组合砂岩上倾尖灭油藏,E s3为下生上储式储盖组合。综合生储盖等条件,认为E s3是最有利的储盖组合。E s3亚段又可细分为上、下两套储盖组合:上储盖组合以E s3上部的泥岩作为盖层,其下的E s3中部扇三角洲前缘砂体作为储集层;下储盖组合以E s3下部的泥岩作为盖层,其下的扇三角洲前缘砂体作为储集层。E s3储盖组合以E s3上部厚达100~200 m的泥岩作为盖层,E s3下部扇三角洲前缘分流水道砂体作为储集层。隔层与储集层空间共生配置关系特征显著,从而形成了州16断块非均质多油层油藏。

4.3 井组分注分采良好隔板层

岩电综合特征表明,隔层受自身黏土矿物组构影响,粒径细,具有的非渗透性导致阻渗作用是对断块油藏开发建设性作用的核心机理,可作为井组分注分采良好隔板层,促进油田主力开发层系有序高效开发。

油田开发采用的笼统注水合注方式在一定阶段条件下可以实现高效开发,期间因受储集层层间/内、平面非均质性影响,会加剧层间矛盾,引发水淹等问题。相比而言,分注分采作为精细注水开发方式,则可实现增油及延长生产周期的目的。

例如,对断块内两个井组单元Z 16-40x井以及Z 16-44井进行分注(表2)作业,主要是采用长度为1.13 m、型号Y 341-114封隔器,坐封到稳定泥岩隔层发育段的井筒环空,且分注方式灵活多样。在相同生产周期条件下,两井组分注分采期间共计累产油量16 316 t,较合采累产油多5 788 t,充分反映出分注与分采效果较好。

表2   州16断块Es3合注与分注效果对比

   

油层组水井油井分注方式水井隔层
厚度/m
合注
累产油/t
分注
累产油/t
分注比合注
增油/t
Es341Ⅰ-ⅢZ 16-44Z 16-2
Z 16-8
两级三段5.5
46.0
7 97811 6753 697
Es341Ⅰ-ⅢZ 16-40xZ 16-43一级两段24.62 5504 6412 091

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4.4 储集层压裂良好屏障

隔层厚度在压裂改造中起着阻渗及抗压作用,为有效压裂及压后增产提供了保障。

对州16断块内水力压裂油井效果统计(表3)对比发现,隔层发育为压裂效果好的基础条件之一。从油气开发角度考虑,隔层因厚度相对较大,其阻渗及抗压作用相对较强[18,19,20],压裂层顶底隔层厚度达10 m及以上,层间干扰矛盾未出现,压裂效果较好。以油井Z 16-2x井为例,因隔层顶底厚度达30 m,压后由低产井一跃成为高产井,延长了单井安全生产周期,且累增油9 000余吨。由此可见,隔层在压裂效果中具有建设性意义,主因是具一定厚度规模的隔层在储集层压裂改造中发挥了阻渗及抗压(Z 16-2x井破裂压力高达42.87 MPa)的天然屏障作用,保障了致密油层具有针对性的有效压裂及压后增效。

表3   州16断块Es3油井压裂前后产能统计结果

   

井号顶隔层厚/
m
底隔层厚/
m
压裂层数压裂前
产能/(t·d-1)
压裂后
产能/(t·d-1)
累计增
油量/(104 t)
压裂后
效果评价
Z 16-2x303121.89.00.900 3
Z 16-23x121022.35.00.501 0较好
Z 16-7x32.547.020.00.264 6
Z 16-11x2444.000.000 0

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5 结 论

通过对州16断块E s3油藏非渗透性隔层的研究,取得了如下3点认识:

(1)隔层为形成州16断块非均质多油层油藏和实现后期油藏开发提供了先天物质基础。

(2)隔层具有的非渗透性导致阻渗作用是对断块油藏开发建设性作用的核心机理,为井组分注分采良好隔板层。

(3)隔层厚度在压裂改造中起着阻渗及抗压作用,为有效压裂及压后增产提供了保障。

这些作用都在油田开发过程中产生了效益。

The authors have declared that no competing interests exist.


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