地层边界现象在试井资料上的特征及其应用

2000年青海油田勘探开发会议材料地层边界现象在试井资料上的特征及其应用编写人：张彩庆青海石油管理局井下作业公司二○○○年一月二十六日一前言青海油田地处柴达木盆地中西部，所发现的油气大多数在第三、四系地层之中，经过喜山运动形成目前这种压扭性断陷盆地，由于这种特殊的沉积环境和构造运动，使得在许多构造和油田上形成了众多的断裂,油气分布受断裂控制比例较大，同时受岩性或岩性与断裂复合控制的油藏也很常见,这给油气的勘探和开发带来了很多困难,确定这些断裂的具体位置、形状、性质等具有重大意义。对一个油藏或储层来说，研究其断裂（断层）、边水等边界的具体位置、形状、性质等参数具有更现实的意义。过去，勘探领域中对储层边界的研究是大多是通过地震、随钻录井、测井等资料来进行确定的，但它们对边界的性质和类型有时很难讲的清楚。试井中的探边测试技术会较好的解决上述问题，探边测试技术，在各项参数比较合理的情况下，能够获得施工作业井与地层边界之间的距离、边界类型、边界形状等信息，通过对地震资料和钻井资料综合分析研究，对油藏的认识会更加清楚。探边试井是随着高精度的井下电子压力计的出现而兴起的，国外油田开始应用于70年代，国内油田开始应用于80年代。探边试井在青海油田应用较晚，从95年才开始应用，而且探边试井的数量也很有限。虽然从95年至今有目的的探边试井只有4次，但在地层测试和常规压力恢复试井中无目的而测到边界的情况却很常见，这无疑对我们的工作是一个有力的促进，同时这些探到的边界资料（20多井次边界资料）为这几年的勘探工作提供了决策上的重要依据。二探边试井原理探边试井主要利用油气田勘探开发中广泛使用的不稳定试井方法，即改变油气井的工作制度，以引起地层中压力重新分布，当重新分布的压力波及到油藏中的某种边界时，井筒中压力出现微小的异常变化，从井筒中测量井底压力随时间的变化，根据这一变化结合产量等资料，分析处理取得油藏边界的性质，数量，距工作井的距离，油藏形状等边界资料。通常在开井后稳定生产时从井底取得压力不断降落的资料中或生产一段时间后进行关井测取压力恢复过程中压力不断上升的资料中（即压降试井或压恢试井）分析边界的情况。边界现象来源于多种原因，对所测得井底压力曲线形状的影响是很复杂的，但多数主要影响压力曲线的晚期或后期的形状。主要边界现象有如下几种因素：a.在井筒附近存在断层或油层尖灭等不渗透边界；b.由边水或注入水形成的定压边界；c.油层存在有气顶或底水，气层具有边、底水；d.平面上分布有流体性质的变化造成的不同的影响区；e.平面非均质分布。以上每种类型的影响，又可表现为多种不同的形式，比如断层的影响，可能是单一断层，也可能是多种形式的断层组，甚至是封闭系统。上面各种类型的边界，还可以互相组合，如三边是不渗透的断层边界，另一边是边水供给。另外还有地层本身的多样性。2.1基本理论：探边试井的理论基础就同试井理论一样，是在物质的状态方程、能量守恒定理、达西定律的基础上，流体通过多孔介质流动的传导性偏微分方程式作为理论基础，再加上各种内、外界条件建立数学模型，通过Laplace变换等方法，形成各种条件下的各类油藏数学模型，对这些数学模型赋予一定的定量条件，便可得到一系列试井解。探边试井理论就是在这种基本试井理论基础上，运用镜象井反映法，把“边界”这种特殊问题转化为一般的问题，用建立于无限大地层的势的叠加方法来解，形成各种形式的边界解。由于试井理论及其推演的数学公式十分冗繁，再加上各种内，外边界及地层的非均质性，形成试井模型种类繁多（达上千种），仅由于地层外边界的类型、形状、数量的不同，再加上各种类型的相互组合，其解析解达几百种之多，在此不一一列述。因此，关于边界在试井资料中的详细理论和解析方法以及冗长的数学推导在这里不进行深入的探讨边界现象在诊断曲线上的特征试井资料的特征分析方法较多，应用的最多最好的为双对数、压力导数曲线组合。由于对试井压力资料做双对数、导数处理后得到的双对数、压力导数曲线组合是现代试井解释方法中最常用、诊断性最好的曲线，尤其是压力导数极强的敏感性（一般，压力分析、单对数分析等不明显而常被忽略的微小变化，经压力导数处理而会有明显的反映），在曲线上具有非常明显的表现特征，很易识别，从而使的试井解释更准确，因此，将双对数、压力导数组合曲线常常被称为“诊断曲线”。边界现象在试井资料上的特征受多种因素的影响，不同的边界距离、边界性质、边界形状等在资料上有不同的反映，油藏的性质不同、处理资料的解释方法不同在不同的试井曲线上表现出不同的特征。但各种边界总是影响试井曲线的晚期或后期（也有一些距井很近的边界，有时会影响到中期）。这里主要针对常见的几种边界现象（不渗透边界、渗漏边界和恒压边界等），以均质油藏模型为例来简略的说明边界在“诊断曲线”上的表现特征。首先，介绍一下均质无限大油藏在诊断曲线上的特征，如下图所示，在曲线的早期段，由于受井筒储集的影响，双对数、压力导数曲线均呈现出斜率为1的直线段（即45°线上升）；曲线中、后期段，由于油藏流体进入无限作用径向流动，压力导数曲线上呈现一条水平直线段（即0.5直线）；在早期与中期段之间，由于受井筒附近表皮效应的影响形成一过渡段。晚期段中期段过渡段早期段晚期段中期段过渡段早期段双对数曲线双对数曲线压力导数曲线压力导数曲线0.50.5线具有井筒储集和表皮效应的无限大均质油藏在诊断曲线上的特征示意图2.2.1不渗透边界不渗透边界在油藏中一般是指封闭性断层或油层尖灭。在柴达木盆地中断层极为常见，有时会形成断块式油藏。不论是怎样组成形式的不渗透边界，对井的压力动态的影响总是使它变化加快，从而使压力导数上升。但是当开井生产相当长时间后的关井恢复，出现封闭断块的影响时，压力趋于平均地层压力，压力动态减缓，压力导数下降并趋于零，如图所示。非封闭不渗透边界非封闭不渗透边界封闭性边界封闭性边界不渗透边界在诊断图上的特征A．单一不渗透边界特征这里拟定不渗透边界离井有一定距离，在断层反映到来之前，流动已出现径向流（导数为0.5的水平线）。由于压力波及到不渗透边界后，压力受它的影响，使压力反映加快，压力导数曲线上升一个台阶到1.0，即导数值上升0.5。不渗透边界不渗透边界1.0线0.51.0线0.5线井单一不渗透边界示意图单一不渗透边界在诊断图上的特征Ｂ.楔形不渗透边界特征楔形不渗透边界的表现形式与单一不渗透边界的表现形式基本相同，但不同的是压力导数会以1/2斜率很快的上升，上升的导数值将与楔形两边界之间的夹角（θ）有关。如图所示。不渗透边界不渗透边界井井360/2θ360/2θ1/2斜率0.5线θ1/2斜率0.5线θ楔形不渗透边界示意图楔形不渗透边界在诊断图上的特征直角不渗透边界是楔形不渗透边界中两边界形成直角（即θ=90°）的特殊现象，其压力导数值达到2.0水平线。如图所示不渗透边界不渗透边界2.02.0线井井0.50.5线直角不渗透边界示意图直角不渗透边界在诊断图上的特征C.两条平行的不渗透边界特征由于在两条平行不渗透边界形成的一个窄长通道上，随着时间的增加，在距井较远的地方，逐渐形成了拟线性流。因此到后期压力在双对数坐标上逐渐形成近似1/2斜率的直线，同时，压力导数也呈现为1/2斜率的直线，逐渐与压力曲线平行。不渗透边界不渗透边界1/2斜率1/2斜率井井平行不渗透边界示意图平行不渗透边界在诊断图上的特征D.方形，多边形，圆形等封闭油藏特征对于全封闭油藏，生产井关井时，断块中的压力渐渐趋于平衡，并接近于平均地层压力，此时压力导数将很快下降，并趋于０，如图所示。封闭边界反映封闭边界反映0.5线封闭油藏边界在诊断图上的特征示意图2.2.2渗漏边界特征渗漏边界一般出现在断层之中。断层另外一侧的储集层与测试井所在层之间发生渗漏现象，使压力波及到断层另一侧，呈现出一些不同的特征曲线。但到目前这方面的研究甚少，这里只简单介绍以下三种情况。两侧厚度相同的渗漏断层特征井压力导数曲线上表现为曲线首先上升后再下降至0.5线，上升的幅度与断层的传导性有关，但它不越过1.0线。如图所示。井断层断层0.5线0.5线两侧等厚渗漏断层示意图两侧等厚渗漏断层在诊断图上的特征越过断层厚度增加的渗漏断层特征在径向流直线段过后，压力导数曲线将出现下降势态，并且在低于0.5线的某一值上出现水平线。如图所示。断层井断层井0.5线0.5线越过断层厚度增加的渗漏断层示意图越过断层厚度增加的渗漏断层在诊断图上的特征示意图越过断层厚度减小的渗漏断层特征这种现象的出现将会使压力导数曲线上升后再下降，但其上升和下降的幅度在0.5-1.0之间，具体的幅度与断层的传导性和越过断层后地层的厚度有关。如下图所示。井井断层断层1.0线1.0线0.5线0.5线越过断层厚度减小的渗漏断层示意图越过断层厚度减小的渗漏断层在诊断图上的特征示意图2.2.3恒压边界特征恒压边界一般出现在油藏的边水、底水及同层附近有注水井的情况下。在试井过程中，一旦恒压边界被感应到以后，压力导数曲线会出现下降趋势。但下降趋势比封闭边界较缓慢。如图所示。油水界面（恒压边界）井油水界面（恒压边界）井油层油层恒压边界反映恒压边界反映0.5线0.5线边水边水边水型恒压边界示意图恒压边界在诊断图上的特征示意图2.3处理方法由于这些主要是影响压力数据所显示曲线形状的晚期或后期的边界信息，其影响幅度相当的小，在单纯的时间——压力曲线上很难分辨，因此对所测的时间——压力数据做特殊的处理，以增加分辨率。一般有单对数、双对数、压力导数、变流量叠加函数、重整压力、积分压力、Y函数、压力历史拟合等处理方法，但常用的有单对数，双对数和压力导数分析处理法。但这些常用的分析方法由于与实际情况的针对性不同，和研究人员的出发点不同，而且有不同的画法，如单对数法有Homer法、MDH法、SVPF法、MBH法、Mashat法等。因此，在资料的处理过程中，应用各种不同的方法进行相互补充，相互验证，使处理结果尽可能与实际情况相符。在探边试井资料的处理中，我们选用了广泛被试井专家们承认并运用的几种方法，即半对数法（Horner法）、双对数法（Gringarten法）、压力导数法（Bourdet法）、变流量叠加函数法、压力历史拟合检验等方法。三探边试井作业工艺技术探边试井作业在工艺技术方面，特别要求的技术就是井下压力计的有关性能，其次为地面设施的保障。3.1压力计要求探边试井后期，由于压力波动很小，在井筒中边界的反映相当小，尤其是距工作井较远的一些边界。因此要求压力计要有较好的敏感性能，即较高的分辨率和精度。一般情况下，分辨率要达到0.0005Mpa，精度达到±0.1%FS,这种要求机械压力计是无法达到的。因此，在探边试井中均选用高精度的电子压力计进行作业。在通常的探边试井中，其压力计的分辨率要求达到δP＝0.0458•m（m=2.12×10-3qBu/(kh)）若在特殊情况下，如较长时间的测压和压力波动小的地区，再增加一个数量级的分辨率，即δP＝0.00458•m。对压力计精度的要求为：△＝δP/0.1×Pmax（Pmax为压力计的最大量程）在此项目的开展过程中，我们选用的压力计Panex-2550系列电子压力计，精度为0.25/10000，分辨率为0.05Psi，可测取10万个数据点，可以满足探边试井的要求。3．2测压方式目前，在探边试井时采用的方式有地面直读式和井下存储式两类，通常探边试井大多采用地面直读设备进行试井。地面直读试井有比较多的优点：在试井过程中，压力，温度数据可直接在地面仪表上显示，因此测试人员可根据测试资料适时终止或延长测试时间；采样速率可根据需要由地面仪表控制调节；可以随时掌握仪器在井下的工作状态，可避免因仪器故障而造成的损失；工作时间可无限长。井下存储式压力计则无上述优点，它的一切工作状态都靠下井前的一系列指令所完成，下井后则无法更改其工作制度，而且工作时间受到井下电源的影响。但它的优点是地面设备简单，施工费用低。因此利用井下存储式电子压力计进行探边试井作业时，为了最大程度的保证达到作业目的，必须认真分析现有的动、静态资料，合理的选择地层参数及流体物性参数，预测出能够探测出边界的时间，较好的设计出测压前放喷的流量及下井测压的一系列指令。3．3试井方式探边试井方式一般有两种，即压降法试井和压恢法试井，压降法试井虽然广泛用于矿场实际，但它的运用严重的下列因素的限制：测试进行的时间比到达拟稳态需要更长的时间，这样的生产时间对低渗透油井显然是不实际的；测试期间的产量必须维持常值生产，这么长的生产时间稳定某一产量必然是十分困难的；对于大泄油体，在拟稳态流动期压力变化的速率太小而难以测量（因为孔隙体积反比于压降速率）。从矿场的实际情况看，常常很难实现平稳的压力降落，因此，现场多采用压力恢复法进行探边作业。四电子压力计探边试井的应用实例自95年以来，在柴达木盆地的11个油田或构造上共探测到不同类型的地层边界达20多条（见附表），从这20多条边界资料的情况分析，80%以上为不渗透边界，90%以上的油藏类型为均质油藏。在开展电子压力计探边试井的过程中，有目的的专门探边试井进行了4井次，在南八仙构造的仙6井、仙8井各进行了1井次，在跃东构造的跃东118井进行1井次，乌5-3井进行1井次。其它的边界资料是在常规压力恢复试井时取得的。所探测到的边界中，有单一不渗透边界、楔形不渗透边界、多个不渗透边界、多种类型边界组合等。下面就对具有代表性的资料加以分析说明。4．1单一不渗透边界所探测到的单一不渗透边界的比例较大，约占50%以上。下面以跃东118井和砂中3井为例，说明探测情况。在跃东118井的E1+2地层中，对3525.00-3539.20m井段，厚度6.1m/2层进行探边作业。作业前该井进行了试采，累计产出油661方，平均日产油5.7方/日，探边试井作业共进行692.28小时，取得了完整的资料。在诊断图上，经向流动段后紧跟着出现不渗透边界的干扰，导数曲线出现上翘，导数值达到1.0线，结合单对数叠加曲线分析（经向流直线段后又出现第二直线段，其斜率为第一直线段的2倍），为典型的单一不渗透边界的特征，根据多种方法计算，边界与作业井之间的距离为124米。砂中3井所探测得到的边界是在DST测试的2关井压力恢复资料中获得的。该井测试井段为2291.00-2294.00m，厚度3.00m/1层，根据管内回收折算日产液5.02方/日（其中油0。01方/日），对一、二开井流量根据流压曲线进行了细分，通过多种方法处理，得到统一的资料，距井21米处有一不渗透边界。在诊断图上，压力导数曲线上翘，达到近1.0线。4．2楔形不渗透边界楔形不渗透边界在南八仙构造的仙8井和狮子沟构造的狮新28井出现了两例，现述如下：仙8井是南八仙构造上的一口评价井。98年3月22日~4月17日用MFE地层测试工具、跨隔测试工艺、三开二关工作制度对1544.80-1552.40m井段进行地层测试工作。二开时地层产液流至地面，三开井求产时油产量下降而气产量增加，而且地层不产水，为此决定延长三开井时间（实际三开10120分钟），并且三开井结束时下电子压力计地面关井进行探边试井，探边共计关井361.1小时。此次地层测试和探边试井均取得了优质的压力恢复数据。探边试井资料在诊断图上表现为早、中期曲线形态与地层测试二关曲线形态基本一致，反映具有井筒储集和表皮的复合地层模型情况，是明显的地层非均质性的表现，晚期导数曲线以1/2斜率持续上升，且延续时间较长（占探边关井时间一半以上），反映夹角较小的楔形不渗透边界情况，作业井距楔形两边界的距离分别为40米和101米。在地层测试资料中，由于关井时间较短，出现的边界反映现象也较短。只探测到一条边界，距井距离为42米。由于这种楔形边界的存在，而且夹角小，当生产时间较长时，能量供给有限，对于低渗透地层,关井后地层压力恢复缓慢，且难以达到原始地层压力。在该次探边试井过程中地层压力一直处于长时间的上升趋势，探边结束时恢复压力尚未达到最大（探边试井实测最高恢复压力值明显偏低，地层测试实测最大关井压力16.694Mpa/1541.24m探边最大关井压力11.46Mpa/1480m）。狮新28井是狮了沟裂缝油藏中的一口定向开发井，钻至4000米以下时遇着油气显示，至4401米时停钻决定进行中途测试，对裸眼段4050~4150米地层进行评价。测试制度为二开二关（一开井65分钟、一关井240分钟、二开井1100分钟、二关井3353分钟），二开井时求产，日产油215方、气16680方。本次测试对二关压力恢复资料进行处理，在诊断图上，早期反映典型的纯井储（曲线斜率为1），井储结束后过渡时间不长出现径向流直线显示，紧接着导数曲线下掉至0.25线附近，表现出双重介质地层模型，是狮子沟E13微裂缝性油藏的特点，晚期导数曲线以斜率1抬升至3.0附近形成水平线趋势，反映出楔形不渗透边界特征，测试井距楔形两边的距离分别为192米和219米，夹角约60°。由于地层有界，油藏控制面积不大。两条断层的存在已得到其它地质资料的证实。4．3多个不渗透边界存在多个不渗透边界现象，在南八仙构造的仙3井的试井资料中有所出现。仙3井是南八仙构造上的一口老井，该井的重新试油工作开创了南八仙油气田勘探、开发的新局面。该井1076.0~1082.6m井段（厚度3.6m/1层），解释结论：气层，岩性：粉砂岩。96年3月19日—3月27日对该层进行了压力恢复试井，试井前用4、6、8、10mm工作制度对该层进行了44.5小时的放喷求产工作，压力恢复共关井185.36小时，取得了的较好的压力等数据。从诊断图上看，早期和过渡段数据具有明显的井储和表皮效应，导数曲线下凹达到0.5水平线（径各流反映）后迅速以斜率1抬升至双对数曲线以上，反映出地层存在不渗透边界，而且从曲线抬升的幅度和持续的时间以及抬升后期趋势来看，地层距测试井周围存在圆形或方形或多边形等的不渗透边界，但油藏是不封闭的。经数值模拟计算出6条不渗透边界，井距边界最小距离为200米。如图示。本层有关边界的结果已由本井附近所钻的仙1-2井等3口浅井未钻遇工业油气流的事实所证实。4．4多种类型边界组合多种类型边界的组合在压力诊断图上会形成比较复杂的形态，其具体的分析比较困难，因此在处理资料时尽量参考其它地质资料进行分析、判断。在南八仙构造仙6井的905.80-909.40m层段的探边试井资料中表现出的特征就是由恒压边界和不渗透边界两种边界组合的现象。仙6井是南八仙构造北断块高部位的一口评价井，对905.80-909.40m层段进行探边试井前，用3mm油咀放喷求产17.67小时（日产油51.8方），5mm油咀求产70.03小时（日产油103.88方），7mm油咀求产8小时（日产油106.5方），求产结束后用5mm油咀放喷58.52小时后下两支压力计进行探边试井，总关井探边试井作业时间497.5小时，取得了合格的压力数据。根据诊断图分析，早期曲线斜率为1，说明关井初期存在变井储效应，过渡段曲线结束后未出现明显的径向流，导数曲线持续下掉至0.5水平线以下达到0.1线，说明探到恒压边界，致使压力导数曲线下掉；导数曲线掉至0.1水平线后开始以斜率1抬升至1.0水平线附近，说明受到不渗透边界的影响，致使压力导数曲线抬升，恒压边界和不渗透边界与测试井的距离分别为315m和605m。这两条边界的存在，由该井后期的生产所证实。本层探边试井结束后，该井立刻投入生产，生产至98年2月初油产量大幅度下降，地层出水，至98年3月初本层组只产少量水和天然气。于98年3月4日~3月12日对该层进行了一次压力恢复试井工作。测得地层压力大幅度降低（地层中部压力由探边时的11.87Mpa降低到压力恢复时的6.429Mpa，降低率为46%）。说明由于该井周围不渗透边界和恒压边界的存在，地层渗透性能好（K:506mD），长时间大产量生产，地层能量供给不足，边水突进，导致油产量大幅度下降，地层出水，地层压力降低。在乌南油田99年经过资料复查，在乌4井断块浅部解释出部分气层，为了解其分布规律，试油4口井，在乌5-3井的试气过程中，Ⅱ层组（井段：1001.40-1005.00m，厚3.60m/1层）φ6.0mm油嘴求产获得27365方/日的工业气流，经过3053分钟的放喷求产后，进行了探边试井。这次探边试井共用时间20日，经过初步资料处理，共探测到边界3条，其中两条不渗透边界，一条恒压边界，边界至井距离为：两条不渗透边界距离分别为410米和1015米，一条恒压边界距离为840米。这三条边界在地层测试所下电子压力计和探边试井所下压力计得到的资料上均有相同的反映，诊断曲线上表现出明显的特征。此资料目前尚未于地质、物探地震资料进行对比。五成果，总结及存在的问题通过我公司近几年来的探边试井工作，为青海油田在各个探区的勘探工作提供了