断层泥比率法在储气库断层侧向封闭性定量评价中的应用——以中原文23储气库为例

0 引 言

断层封闭性研究是地下储气库建设的重要内容,尤其是对于在文23气田基础上建设的中原文23储气库,断层的侧向封闭与否对注采方案的制定至关重要。在漫长的地质历史中,断层的开启是绝对的,而断层的封闭是相对的^[1,2,3]。因此,断层封闭性往往是相对比较而言。对断层的封闭性研究,目前常用的评价方法包括定性分析与定量评价,油气勘探实践表明,任何单一的方法均有其局限性,需要采用多种方法综合判定。

文23气田构造复杂,断层发育多,密度大。依据断层发育展布特征,可见文23气田划分为主块、东块、西块、南块4个断块区,其中仅主块为储气库注采气动用区,主块内又进一步划分13个井区。主块的边界断层已被勘探实践证明对天然气具有较强的侧向封堵能力,主块内部13个井区的分井区断层的封闭性差异较大,它直接影响着储气库注采方案的制定与井位部署。本文通过应用断层泥比率法评价断层封闭性,提高了断层封闭性的评价精度。

1 断层泥比率法适应性评价

断层泥比率法是由Yielding等^[4]提出的,指划过断层上某点的地层厚度与该套地层中泥质含量的乘积累加之和与相应断距百分比,计算式为:

SGR= ∑(VshiΔZi)D

式中:SGR为断层泥比率,%;ΔZ_i为第i层地层厚度,m;V_shi为第i层地层的泥质含量,%;D为垂直断距,m。

断层泥比率法是综合考虑断层断距、走向、倾向、所断移地层对断裂带内细粒物质供给影响的一种算法。有研究表明^[5],SGR值与断裂带内细粒物质具有较好的线性关系,随着SGR值增大,细粒物质也增多,反映断层侧向封闭能力增强。同时,断层泥比率法定量评价的是断层停止活动后断裂带的封闭能力,即圈闭原始状态下的断层封闭性。

根据文23储气库运行参数设计,为了不破坏气藏的封闭条件,储气库方案设计的最大储气压力以不超过原始地层压力为宜,一般选取气藏的原始地层压力作为储气库的上限压力,断层泥比率法评价结果可以满足储气库断层对压力的要求。

2 断层泥比率法符合率验证

任何定量评价方法在应用中都会存在一定误差,因此在方法应用前需先进行符合率验证。在文23储气库主块断层封闭性定量评价中,需通过不断校正参数,降低误差,最终达到精准评价断层封闭性的目的。

2.1 定量评价现状

根据前人研究成果,文23储气库主块内部发育断层21条,共划分为13个井区。利用生产动态数据、气水关系数据和井漏数据已经确知封闭性的断层共有7条。为了精确评价主块整体的封闭性及主块内部各井区之间的连通情况,需要精确评价主块内部所有断层特别是井区边界断层的封闭能力。

为了保证评价结果的真实可靠,作者利用已经确知封闭性的7条断层来验证断层泥比率法在文23储气库中应用的精度。依据断层断距、延伸距离等将已经确知封闭性的7条断层拆分成12条(表1),以目前的算法模型和数据体对这12条断层进行评价,发现结果误差较大,12条断层中有5条断层评价结果与实际不相符,符合率仅60%,精度偏低。如果以目前的算法模型和数据体对储气库断层封闭性进行整体评价,必然造成评价结果失真,不能真实反映文 23储气库主块内部断层封闭性状态。因此,在应用断层泥比率法评价主块内部断层封闭性前,需要先对算法模型和数据体进行改进,才能提高其评价精度。

2.2 原因查找

对断层泥比率法评价封闭性的机理、影响因素、评价参数等展开分析,发现主要有3点原因导致文 23储气库断层封闭性评价结果的精度低。

(1)现有断层泥比率法评价标准过于笼统,开启-封闭门限值不合理。现评价标准以SGR<50%为开启,SGR>50%为封闭。评价结果与实际不相符的5条断层,都是实际封闭的断层评价结果却为开启,反映出断层开启-封闭门限值过高。

(2)垂直断距的确定方法不正确。现有垂直断距在3个假设前提下确定:一是地震上读取的断层落差即为铅直断距;二是全区块地层产状为水平;三是未考虑断层面倾角。实际上,落差不仅与地层断距、地层产状有关,而且与断层面倾角有关。只有断层倾角为90°或地层倾角为0,即断层面直立或地层水平时,落差等于铅直断距。这显然不符合文 23储气库实际情况。

(3)泥岩层厚度计算方法精确率低。目前泥岩层厚度的确定方法为:一是确定计算断点,一般定为砂层组顶;二是求取目标断层邻近井砂层组的平均泥质含量;三是泥岩层厚度为砂层组厚度与泥质含量均值的乘积。实际上(图1),泥岩层厚度=DV_sh平均(D为断距窗口,V_sh平均为断距窗口D范围内泥质含量平均值)^[5]。由于断距窗口不等同于砂层组厚度,现有泥岩层厚度计算方法精确率低。

3 断层泥比率法应用中存在问题的改进

针对以上3个影响评价结果的原因,分别制定了改进措施。

3.1 加强相似区块评价标准的对比分析

(1)系统总结了文 23储气库断层两盘岩性以及配置、断层力学性质、产状、断距、埋深等特征。研究区断层两侧岩性以气砂-盐接触、气砂-泥接触、气砂-气砂接触和气砂-水接触为主,且断层以张性断裂为主,断层分布密度大,主块内部断层断距一般20~90 m,地层埋深在2 700~3 000 m。

(2)通过查阅文献资料,选取吕延防等^[1,5-6]提出的评价标准作为本区块断层泥比率评价法的评价标准(表2)。

由表2可以看出,断层是封闭还是开启的门限值为25%~30%,只要断层的断层泥比率值超过30%即说明断层具有一定封闭能力,进一步将封闭性评价标准细分为差、中等、较好、好4个等级,更能详细说明封闭程度。

3.2 地震结合地层倾角结果综合厘定垂直断距

(1)基于文 23气田三维地震数据,建立文 23储气库三维构造模型,精确落实主块内部发育的全部断层,计算每条断层落差。

(2)统计文 23储气库井地层倾角数据,分析文 23储气库主块地层产状特征。地震结合地层倾角测井数据(表3)表明:气田中部和西部地层西倾,东部地层呈东倾。断层作用使气田中部具两个构造高点:北高点在XW 103井附近,地层倾角达到30°,南高点在WC 105井一带,地层倾角在15°左右。这说明文 23储气库地层倾角变化很大,对垂直断距求取影响大。

(3)结合三维构造模型和地层产状数据,利用下列公式^[7]求取断层垂直断距(图2),得到断层要素统计表(表4)。

地层倾向与断层倾向相反:

AB=ADtanβ+tanαtanβcosα

地层倾向与断层倾向相同:

AB=ADtanβ-tanαtanβcosα

式中:AB为垂直断距,m;AC为铅直断距,m;AD为断层落差,m;AF为水平地层断距,m;DE为平错,m;α为地层倾角,(°);β为断层倾角,(°)。

由表4可以看出,7条断层中就有3条断层的落差与垂直断距不同,占比43%。可见地震上读取的断层落差与实际垂直断距之间有较大差异,利用地层产状和断层产状的相互校正,显著提高了垂直断距计算的准确性。

3.3 求取滑过计算断点的泥质含量(V_shi)

(1)优选出紧邻各断层的井,以该井钻遇的地层的泥质含量代表断层一盘的泥质含量(表5)。

(2)利用各单井的自然伽马(GR)曲线值,按下列公式^[8,9,10]计算目标断点的泥质含量(V_shi),按照测井测量步长0.125 m逐点计算单层厚度,计算所取单层总层数为断距窗口厚度除以测量步长0.125 m;求得断距窗口范围内的泥质含量平均值后,与断距窗口厚度相乘,即得到所评价断距窗口内的泥岩层厚度(表6)。ΔGR计算公式^[11,12]中GC是与地层有关的经验系数,本区块取值3.7。

V_shi= 2GCΔGR-12GC-1

ΔGR= GR-GRminGRmax-GRmin

以W 31断层计算结果为例,由表6可以看出,按照测井数据的测量步长0.125 m逐点计算出的断距窗口内泥岩层厚度比整体计算出的泥岩层厚度大,增加值一般在3~5 m。实际泥岩层厚度增大,使定量评价结果SGR值增大,恰好解释了初始评价中SGR值偏小,最终评价结论不准确的原因。这也反映出泥岩层厚度计算方法精确率低是造成初始评价封闭性定量评价结果不准确的关键因素。

4 断层泥比率法在文 23储气库中的应用

对断层封闭性定量评价中存在的问题进行改进后,应用于文 23储气库主块内部所有断层的封闭性评价中,并得到了具体评价结果。

4.1 W 23-31断层评价

W 23-31断层位于主块内部东北部,为W 103井区和W 31井区的分界断层,其中W 23-43井位于W 103井区,W 23-31井位于W 31井区。从这两口单井的地层压力对比图来看(图3),W 23-31井E s46砂层组测得的地层压力在25.16~31.78 MPa之间,平均值27.25 MPa;而W 23-43井E s46砂层组测得的地层压力在36.05~38.13 MPa之间,平均值37.51 MPa,E s46砂层组两井间地层压力差值高达10.26 MPa,两井压力系统具有较大差异。这表明,作为两个井区分界断层的W 23-31断层北部是封闭的。

W 23-31断层北部的断层泥比率法评价结果见表7。可以看出初始评价结果中,该断层的SGR值介于30%~55%之间,评价结果E s41-2砂层组为封闭的,E s43-7砂层组是开启的,这显然与实际情况不相符。改进措施实施后,该断层的SGR值介于30%~68%之间,依据改进措施实施后提出的评价标准,得出W 23-31断层北部整体上封闭,这与实际情况相吻合。

具体到各砂层组:E s41-3、E s47砂层组评价结果为封闭性较好,E s44-5砂层组评价结果为封闭性差,E s46砂层组评价结果为封闭性中等。从W 23-31断层北部排替压力分析图来看亦能反映此结果(图4):

E s41-3、E s47砂层组断层岩排替压力基线明显高于储层岩排替压力基线,E s44-5砂层组断层岩排替压力基线虽高于储集层岩,但两条基线差距不大,E s46砂层组断层岩排替压力基线与储集层岩排替压力基线差距介于前面两种情况的中间状态,认为断层封闭性为中等程度。这表明,断层泥比率法在各个砂层组的评价结果与排替压力法评价结果基本吻合,封闭性结论是可信的。

以上结果表明经过算法模型的改进,采用新的评价标准能够很好地反映断层封闭性能,划分为4个封闭性等级更能精确描述断层封闭性能;同时改进后的垂直断距求取值和泥岩层厚度求取值使断层泥比率法评价结果精准度提高了,达到了精确定量评价断层封闭性的目的。

4.2 确知封闭性的7条断层的二次评价

对主块内部已确知其封闭性的7条断层进行断层泥比率法二次评价,评价结果与实际情况全部吻合(表8),符合率达到100%,表明改进后的算法模型符合文 23储气库实际特征,评价结果可信。

从表8可以看出,XW 106断层北部和该断层南部的SGR值在30%~32%之间,封闭等级为差,与实际情况也是吻合的。XW 106断层为W 106井区和W 109井区分界断层,1999年6月W 109井区部署3口生产井,主产层位E s33-5砂层组,平均地层压力22.2 MPa,但W 106井区平均地层压力31.1 MPa,两井区压力差达8.9 MPa,说明XW 106断层具有一定封闭性;W 106井为W 106井区第一口生产井,1999年7月投产,生产层位E s42-5砂层组,投产时测静压31.13 MPa,低于原始地层压力39 MPa,说明W 106井区被动用,与主块有一定连通性,可见XW 106断层又具有一定连通性。

综上认为,XW 106断层具有一定封闭性,但其封闭性差,介于开启-封闭之间。

4.3 未知封闭性的14条断层评价

7条确知封闭性断层的SGR评价结果表明,改进后的算法模型和数据体能够保证文 23储气库断层封闭性评价符合率,可以用来评价主块内部其他14条未知封闭性的断层(表9)。通过对主块内部所有断层的封闭性评价得到:主块内部整体不具有封闭性,但主块内部存在3个相对封闭的空间,分别是W 106井区、W 103井区、W 23-5井区。在下步储气库库容的落实、注采方案制定中,要关注这3个相对封闭区间的影响。

5 结 论

断层泥比率法在文 23储气库主块内部断层封闭性评价中应用表明,需先验证该方法在研究区的适应性和符合率;垂直断距计算中需综合考虑地层产状和断层产状。泥岩层厚度计算是在断距窗口范围内求取,断距窗口内的逐点计算地层数等于断距窗口厚度除以测量步长0.125 m。方法改进后对已知封闭性的7条断层开展二次评价验证,评价结果符合率达到100%。将改进后方法应用于主块内部全部断层封闭性评价,结果表明主块内部整体连通,但存在3个相对封闭空间,在后期库容落实和注采方案制定中,需考虑相对封闭空间的影响。

应用断层泥比率法定量评价主块内部断层封闭性解决了以往仅定性分析的局限性,达到了定量与定性相互验证,综合评价断层封闭性的目的,评价结果精度高,能够指导文 23储气库二期工程井位部署和后期注采气阶段注采方案制定等,对文 23储气库工程顺利进行具有重要的指导意义。

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参考文献

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