油藏数值模拟百科

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开发地质(1)

2011-08-01 16:56:46 本文行家:急躁彭三爷

1.前言 开发地质学是地质学的一门分支学科,主要研究已知油藏的油气勘探和生产。开发地质师的职责是:(1)确定剩余油气的开发井位;(2)了解储层物性和生产层位的横向连续性,有助于解释现有的井动态;(3)确定油气地质储量及其不确定性;(4)探寻额外储量,包括现有井产油后遗漏的产层,更浅部或更深部的产层以及现有油田的扩边井或者新油田的发现。 该课程首要目的是增长学员的见识、向学员提供实用的工

1. 前言
开发地质学是地质学的一门分支学科,主要研究已知油藏的油气勘探和生产。开发地质师的职责是:(1)确定剩余油气的开发井位;(2)了解储层物性和生产层位的横向连续性,有助于解释现有的井动态;(3)确定油气地质储量及其不确定性;(4)探寻额外储量,包括现有井产油后遗漏的产层,更浅部或更深部的产层以及现有油田的扩边井或者新油田的发现。
该课程首要目的是增长学员的见识、向学员提供实用的工具,使学员成为更优秀的开发地质师。开发地质师和勘探地质学家不同,勘探地质学家总是用很少的数据提出一个宽泛的油气区带概念,从而精选出远景区。而开发地质师一般有更多的数据,能做出更细致的描述,而且必须思考一些勘探地质学家没有考虑的细节问题(表1-1罗列了这些问题)。该课程虽没有涉及所有问题,但它提供了一些基本技巧和哲学思想来帮助学员开展工作,从而达到回答所有问题的目标。
该课程的另一目的是帮助学员了解如何建立地质细胞模型,包括如何综合利用其他学科的信息以及了解建立这些模型所需的时间。关于地质细胞建模通常有一套常规流程,显示了不同的任务及其相互关系。但针对每一个具体项目,其流程图都必须作些改动,但它还是为地质细胞建模提供了一个基本的模板。
地质细胞模型已经成为地质学家获取数据、解释数据的主要工具。这些模型也包含了石油物理学家、地球物理学家和油藏工程师们提供的信息,可以用于开发计划、储层可视化和地质导向井。为了建立这些模型,地质学家必须要在许多重要领域有所专长,包括如下六个方面,这也是本次学习的重点:
 沉积体系:了解储层中砂体可能的几何形态、横向连续性和储层物性。
 层序地层学:了解关键层面的性质、它们在储层中是如何相互关联的以及它们对液体流动的阻碍隔挡作用。
 储层地球物理学:确定储层构造、断层作用和井间区域的属性变化。
 地质统计学:使用随机技术建立参数的分布,如相类型、孔隙度和渗透率。
 毛细管压力:在模型中分配含水饱和度,并把它与岩石性质变化相联系。
 地质细胞建模:了解建模方法、流程,及油藏工程师等如何使用这些结果。
2. 非海相碎屑沉积体系
2a.引言
非海相碎屑沉积体系包括低弯度曲流河、高弯度曲流河、风积和冲积扇沉积环境(图2a-1)。高弯度曲流河体系能形成良好的储层,因为它们净毛比高,颗粒粗大,呈席状分布。低弯度曲流河体系的净毛比总是比高弯度曲流河体系低,并且砂体大小和横向延伸有限。风积储层也是优良的储层,因为它们清洁、分选性好。与之相反,冲积扇储层相对罕见,因为它们的颗粒大小、分选度和粘土的含量差别很大。
本章解释了砂岩和页岩如何在各种环境中沉积并保存,以及如何在岩心和测井中识别。同时也讨论了不同砂体类型的规模、形状和连续性,及其内部影响储层流体流动的主要非均质性。
2b.低弯度曲流河体系
低弯度曲流河体系包括砂岩和砾岩沉积,一般粉砂和泥的含量较少,是由一系列低度弯曲到中度弯曲河流流经海滨平原时形成的。与高弯度曲流河体系相比,它具有多个河道。与辫状体系相比,它的河道之间没有永久性心滩(图2b-1)。
河流体系中的砂岩和砾岩沉积集中在沙坝,这些沙坝包括纵向、侧向和横向的沙坝(图2b-2)。纵向沙坝的长轴平行于流向,而横向沙坝则于流向垂直并向下游移动。侧向沙坝沿河岸排列,在洪水期被淹没,表面沉积粗粒物质。除了这些基本的沙坝类型,还识别和归类出很多其它类型(图2b-3)。这些沙坝并不静止,而会迁移,并且随时间的推移,遭受破坏或增长(图2b-4)。沙坝的上游部分堆积颗粒粗大的砂砾,测井特征为块状,而下游部分堆积细粒的砂和粉砂,为向上变细的测井特征(图2b-5)。
低弯度曲流河体系主要由块状、席状或扁平的砂体组成,具有相对较高的侧向连续性。它们被不连续的粉砂质砂岩层分隔,有时也被不连续薄层页岩所分隔。最常见的页岩类型为泛滥平原页岩、河道充填页岩和覆盖在各种沙坝之上的薄层页岩。其中最重要的是泛滥平原页岩,其侧向延伸可达数百米。页岩连续性的主控因素是后期河流作用的侵蚀,会形成侧向不连续的渗透性夹层而不是隔层。表2b-1小结了低弯度曲流河体系的典型储层特征。
低弯度曲流河砂岩储层为世界石油储层的重要组成部分。据评估,至少有300亿桶剩余证实石油储量和400,000亿立方英尺剩余证实天然气储量。其中阿拉斯加北坡的普拉德霍湾油田是一个很好的例子,它是北美最大的油田(图2b-6),有120亿桶的可采石油储量和470,000亿立方英尺的天然气。下部储层由非均质的三角洲前缘和下三角洲平原砂岩组成,而上部则由较为均质的低弯度曲流河砂岩和砾岩组成,其间夹有泛滥平原、废弃河道和上覆页岩。除了页岩,重要的非均质储层还有开放骨架砾岩。它们以侧向延伸的砾质沙坝形式发育,由于在二次采油时吸收了大部分注入的水或气,会成为高渗透层。
2c.高弯度曲流河体系
高弯度曲流河体系是河道长度与谷底直线距离比值超过1.5的河流体系。相对较低的坡度,较高的沉积物悬浮载荷和河床载荷的比值,粘性的河岸物质和相对稳定的排泄区,有利于形成高弯度曲流河。现今河道体系迁移的侧向距离称为河道带宽度,而河道带本身包含在一个更大的泛滥平原内部(图2c-1)。河道带随时间在泛滥平原上的迁移,可以切断部分现行河道(图2c-2)。
高度弯曲河道带中最重要的储层砂体是边滩(图2c-3)。边滩发育在环状弯曲河道的内侧,在那里河流速度较低,砂粒可以沉积下来。相反,在另一侧河流速度快,侵蚀加剧的一侧,称为侵蚀岸。边滩以基底突变,向上变细为特征,并被含有植根泥层覆盖(图2c-4)。在砂体内部,总是从下到上由粗的沙砾层向槽状交错层理、平行层理以及波状层理转变(图2c-5)。
高弯度曲流河体系的第二种砂体类型是决口扇(图2c-6)。决口扇是洪水期河流冲破堤岸在泛滥平原上沉积形成的。决口扇主要由悬浮物质沉积而成,因此比边滩沉积粒度更细,粉砂质含量更高。其整体形状为叶状,因此其垂直于流向剖面砂体呈透镜状,而平行于流向的截面呈三角形(图2c-7)。
除了边滩和决口扇以外,高弯度曲流河体系的其他要素包括天然堤,沼泽,牛轭湖和泛滥平原沉积物。天然堤是邻近河道且被加高的地区,包括粉砂岩和极细砂岩等河滩沉积物。向边部逐步过渡为更细的泛滥平原相粉砂和粘土,以及黑色的富含有机泥土的沼泽(图2c-8)。泛滥平原沉积物在岩心中具有红色被氧化的特征,而沼泽物质则是含植根的泥岩和煤。牛轭湖呈新月形,水体静止,位于废弃河道(牛轭)的弯曲部分(图2c-9)。细粒的粉砂和粘土(废弃河道充填物)最终填满了这些湖。
在高弯度曲流河体系内,边滩和河道发育的砂岩渗透率最高(图2c-10)。决口扇的渗透率基本上都要低1~2个数量级,而堤岸和泛滥平原沉积物则被认为没有储集性。这些类型的砂体是否值得钻探或开采,关键是要确定砂体的连通程度。在净毛比低的储层中,砂体可能不连通,或者只沿着河道延伸方向局部连通(图2c-11)。
随着净毛比的增加,连通性将增加,因而,不仅所有的砂体可以传递压力,也可以使用注水这样的二次采油技术有效地采出油气,其关键是因为这样体系的砂体足够富集,且有足够的储集空间,这些砂体下切交错叠置在一起,形成一个大区域内横向连通复合河道带(图2c-12)。这就产生了更多的含沙区域,这些区域可以通过地震成图,给钻井定位(图2c-13)。大部分高弯度曲流河体系很复杂,包含复合的砂体,区域延伸的砂体到孤立的砂体。德克萨斯东南的Stratton油田就是一个很好的例子,借助地震数据,可以解释出其含有多种砂体类型(图2c-14)。
表2c-1小结了高弯度曲流河体系储层的典型特征,以及如何从其他沉积体系(包括低弯度曲流河体系)中识别它们。显然,低弯度曲流河体系和高弯度曲流河体系是两个极端,某些河流体系同时显示了上述两种体系的特点(图2c-15)。只有综合了足够岩心、测井和地震数据,才能了解这些体系的真实特性。
2d.风积体系
在北海二叠系赤底统组,墨西哥湾侏罗纪地层和其他很多地区,都有风积物和沙丘产出油气的现象。风积储层一般没有其它沉积体系那么厚,但因为清洁、分选性好,所以品质很高。沙漠大约覆盖了地球陆地表面的20%,但风积沙丘(图2d-1)大约只覆盖了沙漠的四分之一,而其他区域则由冲积扇,油气带,多石平原和侵蚀高地组成。这些沙丘形状各异,受风向和风速控制(图2d-2)。
在风积体系中,沙砾主要通过三种主要方式运输:跳跃,悬移和滚动(图2d-3)。到目前为止,跳跃是主要的运输方式,大概占了90%。跳跃是一个颗粒通过碰撞和弹跳顺风移动的复杂过程。跳跃颗粒形成相对高密度层,在每个沙丘的缓倾斜面(迎风)上移动,沉积在沙丘陡倾斜面(背风)。跳跃颗粒有四种沉积方式:颗粒沉降、风成波状迁移、崩塌和粘附(图2d-4)。一般来说,保存下来的主要层理构造是崩塌和风成波痕沉积。
大部分风成沙丘的层理受大规模交错层理控制(图2d-5)。一系列移动沙丘的横截面(图2d-6)显示,保存下来的部分只代表了原始沙丘高度的一部分。平坦的表面分隔了保存下来的沙丘层,这些沙丘层一般1~2米厚。控制沙丘体系内部层理的主要因素是沉积时的潜水面高度(图2d-7)。潜水面高度的改变保存了沙丘,而且能产生整个地区的水平切面,称为超级表面。当潜水面高度与地表面相当或高于地表面时,细粒粉沙,藻席和蒸发沉积物,可能在湖泊垄间的潮湿部分堆积(图2d-8)。取决于潜水面高度和含沙量的变化,潮湿的风积体系会变干,反之亦然(图2d-9)。
风积体系说明了从岩心栓到整个储层的储层性质的区别。在岩心栓尺度,颗粒大小和排列的不同能导致孔隙度和渗透率的剧烈变化。图2d-10显示了来自岩心栓的渗透率值与微渗透仪测量值的比较。微渗透仪测量值的范围可从小于0.5毫达西到38.5毫达西,说明在这些岩石类型的内部,单一的岩心栓难以获得渗透性变化的数据。在层理尺度,沙席和垄间沉积物的颗粒大小不同,都产生了品质很高的储层和渗透障(图2d-11)。这些障碍的存在使储层内部产生了复杂的流体流动模式(图2d-12)。表2d-1小结了风积体系储层的典型特征以及如何从其他沉积体系中识别它们。
2e.冲积扇体系
冲积扇是具有方向性的地貌单元,从沿着山前的点源开始,向下方扩展,颗粒大小逐渐变细,分选性逐渐提高。冲积扇最明显的特征是它们的形态。负载沉积物的流体从山前的点源开始沿弧向向下扩展,形成了它们特有的形状(图2e-1)。由于冲积扇坡度相对较陡(基本是2~12度),横穿冲积扇有300~2,000多米的地形起伏。
冲积扇的类型包括:截止于静止水体的扇三角洲、受地形限制的河流流向无限制的洼地而形成的终端扇(图2e-2)和一系列冲积扇在山前接合形成的山麓冲积平原。具有储层性质的砂体基本上都位于冲积扇的边缘,而盆地边缘断层和这些沉积物的下倾尖灭形成了很好的圈闭机制(图2e-3)。
当陡峭基岩斜坡受侵蚀产生大量松散的泥沙和岩石碎块(崩积物)时,冲积扇就开始形成。由于降雨和冰雪融水作用,这些物质变得不稳定并向山下滑动。这个过程混合了沉积物、空气和水,使滑塌转变成为重力流。重力流在冲积扇上快速移动,直到和倾角降低导致混合物剪切力超过向下的重力,发生沉积作用。由于重力流减速很快,最终形成的沉积物分选差,而且呈块状或者平面的层状。
冲积扇主要由两种类型的重力流形成:泥石流和径流。泥石流含有大量沙和漂砾碎屑的流体,被水和粘土组成的泥浆所携带(图2e-4)。大型泥石流能达到6英尺厚,并且覆盖整个冲积扇。泥石流扇倾角恒定,大约5~15度,下超到基底沉积物上(图2e-5)。泥石流主要形成在崎岖的,半干旱地区(包括冰川和火山碎屑岩地区),。
径流以底载荷和悬浮载荷的形式携带沙和砾石向下游流动,以漫流或河流的形式沉积(图2e-6)。漫流扇以泛滥的、汹涌的、不受限制的水流为特征,在冲积扇上不断蔓延。河流扇包括河道充填物和相应的与非永久性河道体系相关的河滩沉积物。这些类型的冲积扇倾角基本都是2~8度,并且沿下倾方向倾角降低。它们的末梢部分盆地底面的沉积物互相贯穿,形成坡积裙(图2e-7)。在含抗风化岩石的高地,终年排泄的冲积扇主要受漫流和河流作用控制。
现代河流冲积扇的一个很好的例子是阿拉斯加斯科特冰川冲积扇,它显示了冲积扇下部坡度减小,并随着冲积扇过渡到低弯度曲流河体系,沉积物颗粒变小(图2e-8)。另一个很好的例子是尼泊尔和印度的Kosi冲积扇,它显示了冲积扇向下游从砾质辫状河不断转变为顺直河道、微弯曲河道的几何变化(图2e-9)。
泥石流沉积物特征为碎屑支撑、块状混杂堆积。漫流沉积物一般是沉积10~30厘米厚的沙砾岩互层。河流沉积物包括粗粒的向上变粗河道充填、纵向沙坝和加积的河床。可以预见,大部分冲积扇不能被简单地划分为哪种种类型,而是包含不同种类沉积物的多种沉积相类型(图2e-10)。
冲积扇沉积属于偶然发生的灾难性事件,在此一段很长时间间隔内,主要为次要沉积作用。在地表,水塘淤积、植物生长、生物掘穴和地表侵蚀产生了粉砂岩透镜体、土壤、生物扰动地层,以及覆盖在冲积扇表面的风选碎屑薄层滞留沉积。如果后来流过的流体没有完全把它们侵蚀掉,就被保存下来。水下扇包括还原条件下生成的绿色或黑色页岩和水下遗迹化石,向末端逐步转变为浊积岩。
扇三角洲是最好的油气储层的其中之一,因为它经过被海水作用改造,改善了储层品质。图2e-11显示了一个进积型三角洲的层序,从细粒的陆棚砂岩递变为三角洲平原上的砂砾岩。阿拉斯加的Copper河三角洲是现代三角洲的一个很好例子(图2e-12和2e-13)。这个冲积扇的边缘已经被潮汐流和海浪强烈改造。扇三角洲储层的例子很多,加利福尼亚中新统的Potter砂岩就是其中一例(图2e-14)。用蒸汽驱油作用于储层中的泥石流沉积和浊积岩,以便开采重油。这种储层还包括很多由泥质砂岩和粉砂岩形成的夹层和隔层。当沙砾供给很少的时期,随后又被河道和滑塌侵蚀(如图2e-14的沉积模型所示),在整个扇三角洲的表面都能形成这些障碍。
表2e-1总结了冲积扇体系的储层特征,并且包括了对垂直剖面、砂体几何形态、横向连续性和储层品质的观测。
3.浅海和深海沉积体系
3a.引言
浅海沉积体系包括三角洲沉积和临滨砂体,而深海沉积体系的特点是具有海底扇砂体。三角洲形成于一条携带大量沉积物的河流注入集水盆地的地方。如果沉积物的沉积速率超过波浪和潮汐的疏散能力就会形成三角洲。临滨体系主要是三角洲砂体沿海岸线改造和运移而形成的。临滨砂体形成于浪基面(水深约为10米)以上到路上海水作用最高位置的狭窄高能环境。深海沉积体系是指随沉积物重力流运移到大陆架边缘外深水环境的沉积砂体。
本章内容将解释砂岩和页岩在这些环境中是怎样沉积并保存的,怎样从岩心和测井数据中识别它们。本章还讨论了不同砂体类型的规模、形状、连续性以及影响储层流体流动的关键的非均质性。
3b.三角洲沉积体系
三角洲是由河流体系进入静止水体时形成于海岸线的凸出部分(图3b-1)。由于河流体系携带的大部分沉积物是在盆地中沉积,而三角洲是巨厚沉积物堆积的重要位置。三角洲的沉积相类型取决于河流、波浪和潮汐的不同作用。因此,三角洲可分为河控、浪控和潮控三角洲,以及它们的综合作用类型(图3b-2)。三角洲砂体主要沉积在分流河道、分流河口坝和决口扇(图3b-3)。非生产层沉积相包括与分流间湾及废弃的分流河道相相关的粉砂岩和泥岩。
图3b-4为一个进积型河控三角洲的剖面,其中上三角洲平原包括边滩和决口扇沉积,沉积相类型与高弯度曲流河体系相似。在下三角洲平原,由于河流受海洋作用的影响,沉积体系以河道充填和河口坝沉积为主。河口坝沉积是由于河流汇入湖泊或海洋时水流速度的迅速降低而形成的巨型裙状沉积砂体。随着三角洲向海推进(进积作用),分流河道通常会切割河口坝(剖面B-B’,图3b-4)。
分流河口坝在测井剖面上呈现向上变粗、变厚的特征(图3b-5)。由于其沉积物倾泻到静止水体,分选性通常比分流河道砂体差。分流河口坝可含有大量由河流搬运来的有机物质。分流河道充填沉积在测井资料中以明显的侵蚀基底和块状向上变细为特征(图3b-6)。通常底部为槽状交错层理砂岩,向顶部渐变为面状层理和波痕层理。这种砂岩可夹杂河流在低流量期形成的薄层页岩。
决口扇沉积与高弯度曲流河沉积体系相似(图3b-7)。相比河口坝或分流河道沉积,决口扇沉积为粒度更细、粉砂质含量更高、更薄层的砂岩。因此,它们的渗透性比河口坝或分流河道沉积砂岩小1~2个数量级。河流冲开天然堤形成决口扇,并在邻近分流间湾形成砂岩沉积。因此,决口扇砂岩通常被黑灰色的分流间湾页岩所包围。
在浪控或潮控三角洲中,分流河道充填和河口坝沉积转换为临滨砂岩或潮汐坝。河控三角洲具有“鸟足状”几何外形,浪控三角洲具有沿海岸线平行分布的几何外形,潮控三角洲则包括与海岸线垂直的砂坝。图3b-8是尼日尔三角洲的示意图,它同时受波浪和潮汐作用的影响。这些作用有助于形成更纯净、分选性更好的砂岩,但同时也可以将砂岩沿海岸线或者向深海搬运,破坏三角洲。
随着三角洲向前进积,河口坝砂岩沉积在前三角洲粉砂岩和陆棚泥岩之上(图3b-9)。该进积作用产生了一个包含顶积层、斜积层和底积层的剖面几何形态(图3b-10)。这被称为斜坡沉积,是代表性的进积型三角洲。这说明三角洲不是由平坦的,席状砂岩组成,而是由大陆架沉积物之上的向海倾斜的薄层砂岩组成。在对比这些砂岩时必须反映这种几何形态。美国阿拉斯加普拉德霍湾油田Romeo 段就是一个很好的对比格架的例子(图3b-11)。它显示该砂岩由一系列雁形排列的、退覆的河控三角洲楔组成。
三角洲沉积体系具朵状外形,包含分流河道、河口坝和决口扇砂岩,因而易于识别。大部分砂岩位于河口坝,向下倾方向堆叠。被波浪或潮汐作用分选后形成的砂岩,其储层品质最好。分流河道区带可包括快速进积形成的狭窄带状砂体(沉积物补给大于盆地下沉速率)及加积形成的席状砂体(沉积物补给和盆地沉降速率平衡)。
分流河道沉积通常在沉积倾向上具有很好的横向连续性,而在沉积走向上连续性不好。然而在某些地区,分流河道切割了与其相关的河口坝,无论在沉积倾向还是走向上其横向连续性都较好。表3b-1总结了这方面内容及三角洲储层的其他特点,这些对开发地质专家来说非常重要。

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参考资料:
[1] 油气田开发地质基础
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