多參數約束的致密砂巖儲層滲透率預測方法
——以川西拗陷中江氣田沙溪廟組為例

蔡李梅,葉素娟,付　菊,南紅麗,蒙　欣

(中國石化西南油氣分公司 勘探開發研究院，成都 610041)

在通常的儲層分類評價中，一般采用孔隙度作為主要評價指標來確定有效儲層并對儲層進行分類評價[1-5]。在孔隙結構相對簡單的地區，評價結果與實際生產情況有較好的匹配性；但是，對于孔隙結構復雜的儲層，以孔隙度為基礎的評價結果通常與實際生產狀況具較大差異。因此，需要采用能夠綜合反映儲層的儲滲、運聚和產出能力的滲透率作為基本評價指標，開展基于滲透率的致密砂巖儲層精細評價。由此可見，滲透率單井、平面的準確預測至關重要。

前人針對致密非均質砂巖已嘗試運用多種方法建立滲透率預測方法和模型[6-13]。目前，針對致密非均質砂巖儲層滲透率的預測方法和模型主要基于流動單元分類[6]、砂巖組構分類[7]、分形理論[8]以及神經網絡理論[9]等。這些方法主要從巖石物理參數(孔隙度、滲透率、儲層質量指數RQI等)出發，通過分析這些參數的典型測井響應特征，采用不同的統計學方法建立多測井參數的滲透率預測模型。這些方法主要存在3方面的問題：①沒有分析控制滲透率的主要地質因素，當巖石物理參數與測井曲線間沒有明顯相關性時，難以建立可靠的滲透率預測模型。②微裂隙可以明顯改善致密砂巖儲層的滲透性；但是，微裂隙通常不具有典型的測井、地震響應特征，導致裂縫預測一直是儲層研究中的難點。③這些方法主要針對單井，普遍僅具有單井(點)滲透率可預測性，不具備平面可預測性；而滲透率的平面準確預測卻正是致密砂巖儲層精細預測、評價的關鍵。

本次研究從影響致密砂巖儲層滲透率的地質主控因素出發，在總結影響滲透率的地質主控因素基礎上，開展各項因素測井敏感參數及地震響應特征分析，并建立相應的測井及地震預測模型，最終實現地震-地質約束的多參數滲透率綜合預測(圖1)，為基于滲透率的非均質致密砂巖儲層的精細評價奠定基礎。

1　區域地質背景

中江氣田位于四川盆地西部、川西拗陷東斜坡帶地區，東臨川中古隆起，西臨成都凹陷，南接龍泉山構造帶，北接梓潼凹陷，區內整體構造形態為“三隆夾一凹”特征，總面積達2 350 km2(圖2)。

中江氣田取得油氣成果的層系從上到下分別為上侏羅統蓬萊鎮組、中侏羅統上沙溪廟組、下沙溪廟組及下侏羅統自流井組大安寨段，通過近5年的勘探開發取得了豐碩的成果。目前，沙溪廟組完鉆井共189口，前后有80口井投入試采，累計產氣逾10億立方米。氣田經歷了勘探階段、水平井試驗與初步建產、新層系評價與建產、擴大評價等階段，隨著開發進程的不斷深入，研究目標也越來越復雜，勘探風險逐步增大。2018年主要勘探評價目標還是在沙溪廟組。通過最新一輪的清理，該地區潛在資源量為數百億立方米，仍具有勘探潛力。因此，研究優質儲層的精細預測和評價是很有必要的。

圖1　多參數約束的致密砂巖儲層滲透率預測技術流程圖Fig.1　Flow chart for permeability prediction technique based on multi-parameter constrains

圖2　川西拗陷中江氣田構造分布圖Fig.2　Structural map of the Zhongjiang gas field in western Sichuan Basin

2　儲層基本特征

根據中江氣田沙溪廟組2 408塊巖石薄片鑒定結果統計，儲層巖石類型以巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖為主，占總樣品數的90.4%(圖3)。砂巖中石英的平均質量分數(w)為56.2%，長石的平均質量分數為22.9%，巖屑的平均質量分數為20.9%，成分成熟度為1.28。

圖3　中江氣田沙溪廟組砂巖碎屑組成Fig.3　Clastic compositions of sandstones of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas fieldⅠ.石英砂巖； Ⅱ.長石石英砂巖； Ⅲ.巖屑石英砂巖； Ⅳ.長石砂巖； Ⅴ.巖屑長石砂巖；Ⅵ.長石巖屑砂巖； Ⅶ.巖屑砂巖

鏡下薄片觀察及X射線衍射分析結果表明，研究區沙溪廟組砂巖填隙物以碳酸鹽膠結物和黏土礦物為主，少量硅質膠結物。碳酸鹽膠結物主要為方解石，平均質量分數為2.32%，白云石少量；黏土礦物平均質量分數為11.21%，主要為綠泥石，其次為高嶺石、伊利石等。巖石粒度以中、細粒為主，粗粒少量；巖石接觸關系以接觸式、接觸-孔隙式為主；顆粒分選性為好-中等；磨圓度中等-較差，以次棱角狀為主。

根據中江氣田沙溪廟組3 490塊巖心物性分析資料統計(圖4)，砂巖孔隙度(q)呈偏畸的正態分布，孔隙度平均為8.40%，其中孔隙度為9%～12%的占總樣品數的52.0%；砂巖滲透率(K)呈明顯的正態分布，滲透率平均為0.132×10-3μm2，其中滲透率為(0.08～0.32)×10-3μm2的占總樣品數的61.0%。因而從儲層物性總體特征來看，沙溪廟組屬于低孔特低滲致密儲層。

從中江氣田沙溪廟組儲層孔-滲關系圖(圖5)可以看出，大部分樣品孔滲關系較好，隨著孔隙度的增大滲透率有明顯變好的趨勢，儲層類型以孔隙型為主，儲層的儲集和滲透能力依賴于基質孔隙與喉道；但是也有部分樣品孔-滲相關性較差，表現在同樣的孔隙度情況下，滲透率有著數量級的差別，表明儲層中也發育有微裂縫。

3　影響滲透率的地質主控因素

對中江氣田沙溪廟組1 075塊樣品的巖心孔滲數據及普通薄片鑒定數據統計分析，綜合對比相同孔隙度下不同滲透率樣品點的碎屑組分、粒度、分選性等巖石學特征以及微裂縫發育程度，認為影響滲透率的因素主要包括孔隙度、巖石粒度及微裂縫的發育程度。

3.1　碎屑組分含量

沙溪廟組砂巖骨架顆粒中石英的質量分數主要為40%～60%(占總樣品數的91.4%)，長石的質量分數主要為30%～50%(占總樣品數的86.8%)，巖屑的質量分數主要為10%～30%(占總樣品數的95.1%)。巖性共有5類，以巖屑長石砂巖為主，占76.6%；其次為長石巖屑砂巖，占13.8%；長石砂巖、巖屑砂巖及巖屑石英砂巖共占9.6%。通過相同孔隙度下不同碎屑組分含量與滲透率的關系對比(圖6)，認為碎屑組分含量與滲透率相關性較差，可見碎屑組分含量的差別對滲透率影響較小。

圖4　中江氣田沙溪廟組儲層孔隙度、滲透率頻率分布直方圖Fig.4　Histogram showing porosity and permeability frequency for the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

圖5　中江氣田沙溪廟組孔-滲散點圖Fig.5　Scatter diagram for the porosity and permeability of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

圖6　中江氣田沙溪廟組不同碎屑組分含量與孔滲關系圖Fig.6　Relationship between rock composition and porosity-permeability of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

3.2　巖石粒度

研究區沙溪廟組砂巖以中粒為主，占59.7%；其次為細粒，占39.1%；粗粒僅占1.2%。不同粒度樣品的孔滲統計分析表明(圖7)，3種粒度的砂巖表現出不同的孔滲關系曲線，中、粗粒砂巖孔滲相關性較好，細粒砂巖的孔滲相關性較差；且在相同的孔隙度下，滲透率與粒度呈現明顯的正相關關系，粒度越粗的砂巖滲透率越好。從中江氣田沙溪廟組壓汞數據(表1)可以看到，粒度較粗的砂巖其中值半徑更大，孔隙喉道更粗。薄片鑒定數據也表明，粒度較粗的砂巖其膠結物及泥質含量更低(圖8)，有利于孔喉的保存?？梢?，巖石粒度是影響滲透率的重要因素之一。

3.3　分選性

研究區沙溪廟組結構成熟度中等，分選性基本為好和中等，分別占總樣品數的75.7%、24.1%；磨圓度相差不大，為次棱角狀。從不同分選性的砂巖與孔滲關系圖可看到(圖9)，相同的孔隙度情況下，分選性與滲透率沒有明顯的相關性，對滲透率影響較小。

3.4　微裂縫發育程度

3.4.1微裂縫對滲透率的影響

微裂縫包括成巖縫、構造動力縫及異常壓力縫。成巖縫是在成巖過程中形成的微裂縫，包括壓實作用、脫水收縮作用形成的收縮縫和溶蝕或壓溶作用形成的貼?？p。構造動力縫是在構造運動影響下，由于構造應力變化引起巖石破裂而形成的裂縫。異常壓力縫是由于異常高壓，致使礦物顆粒發生破裂而形成的微裂縫[14-16]。顯微鏡下可見沙溪廟組儲層中發育成巖縫、構造動力縫等(圖10)，它們的存在極大地提高了局部井區儲層的滲透率，如A3井2 525.4 m深度發育成巖縫，A19井1 959.58 m深度發育構造動力縫，巖樣的滲透率分別為2.427×10-3μm2、1.479×10-3μm2，比研究區沙溪廟組儲層滲透率的平均值(0.132×10-3μm2)高了一個數量級。

圖7　中江氣田沙溪廟組不同粒度砂巖的孔滲散點圖Fig.7　Relationship between grain size and porosity-permeability of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

表1　中江氣田沙溪廟組不同粒度砂巖的孔隙結構參數表Table 1　Parameters of pore textures for different grain size sandstones of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

圖8　中江氣田沙溪廟組不同粒度砂巖的填隙物含量對比圖Fig.8　Relationship between grain size and interstitial filling content of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

圖9　中江氣田沙溪廟組不同分選性砂巖孔滲散點圖Fig.9　Relationship between the sorting characteristics and porosity-permeability of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

3.4.2裂縫發育控制因素

研究表明，裂縫發育程度主要受巖性、巖層厚度和斷層、褶皺等構造因素的控制。結合研究區沙溪廟組砂巖中微裂縫的發育特征，通過裂縫發育的地質主控因素分析可知，微裂縫發育主要受砂體構型及到斷層的距離共同影響。

a.砂體構型

中江氣田沙溪廟組主要發育水下分流河道沉積微相，砂體以復合分流河道砂體為主。砂體疊置關系對儲層滲透率有著重要的影響，因此本次研究開展砂體構型分析。復合分流河道單砂體識別主要從垂向和橫向進行，垂向分期采用電性法識別單砂體厚度，平面分界采用單井對比結合地震方法。在垂向單砂體劃分基礎上，按照砂體垂向疊置關系，將砂體構型分為兩大類，即復合型和均一型。復合型構型主要由于水動力頻繁變化、河道遷移變化所致。均一型構型則由河道的進積、退積疊置和側積疊置形成。

通過開展不同砂體構型的孔隙度與滲透率相關性可知(圖11)，研究區砂體中復合型砂體構型具有較好的孔滲相關性，且儲層滲透率較均一型砂體要高。

圖10　中江氣田沙溪廟組裂縫顯微照片Fig.10　Photomicrographs showing fracture of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field(A)成巖縫，q=4.84%，K=2.427×10-3μm2,A3井，深度2 525.4 m，50×，單偏光；(B)構造動力縫，q=12.49%，K=1.479×10-3μm2，A19井，深度1 959.58 m，50×，單偏光

b.到斷層的距離

研究裂縫發育區與斷層的距離發現，裂縫發育區主要分布在斷層附近。 據到烴源斷層的距離與砂體裂縫發育密度相關圖可知(圖12)， 到斷層的距離與裂縫發育程度呈較明顯的負相關關系，距離斷層越近裂縫密度越大，呈近斷層裂縫發育的特征。

圖11　中江氣田沙溪廟組不同砂體構型儲層孔-滲相關圖Fig.11　Relationship between sandstone configuration and porosity-permeability of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

圖12　中江氣田沙溪廟組砂體到斷層的距離與裂縫發育密度相關圖Fig.12　Relationship between the distance from sand body to the fault and the fracture density of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

鑄體薄片鏡下觀察也表明，近斷層發育的復合型砂體相對更發育微裂縫。A2井2 606.08 m深度的砂體為復合型構型，到斷層的垂向距離為1.2 km，鏡下見3條微裂縫貫穿薄片(圖13-A)；而A19井2 659.60 m深度的砂體為均一型構型，到斷層的垂向距離為5.1 km，鏡下未見微裂縫(圖13-B)。同樣的孔隙度下，前者滲透率為955×10-3μm2，后者滲透率僅為0.378×10-3μm2。

4　滲透率預測模型

在前述影響滲透率主控因素研究的基礎上，開展了以下幾方面工作：①建立了孔隙度、粒度的測井及地震預測模型，完成孔隙度、粒度的單井、平面預測。②建立了可以綜合表征裂縫發育程度的裂縫發育指數計算模型，完成了裂縫發育程度的單井、平面預測。③建立了基于孔隙度、粒度及裂縫發育指數的地震-地質約束的多參數滲透率綜合預測模型，實現高精度的致密砂巖儲層滲透率單井、平面預測。

4.1　孔隙度、粒度的測井、地震模型

以46個實測樣品的孔隙度(q)、粒度中值(Dm)為基礎，通過多元線性回歸方法，分析實測孔隙度、粒度中值與測井參數的相關性，分別選擇聲波測井值AC(Δt)、ΔGR(Δγ)建立了孔隙度、粒度中值測井解釋模型

q=0.4853 Δt-26.725

圖13　中江氣田沙溪廟組微裂縫顯微照片Fig.13　Photomicrographs showing fractures in the Shaximiao Formation(A)砂體構型為復合型，到斷層的距離1.2 km，發育微裂縫，q=11.32%，K=955×10-3μm2，A2井，深度2 606.08 m，50×，單偏光； (B)砂體構型為均一型，到斷層的距離5.1 km，裂縫不發育，q=11.0%， K=0.19×10-3μm2，A19井，深度3 073.76 m，50×，單偏光

Dm=2.7943 Δγ+1.7207

其中Δγ=(γ-γmin)/(γ-γmax)。

通過分析實測孔隙度、粒度中值與地震參數如振幅、波阻抗(Z)的相關性，結合相帶精細刻畫以及地質統計學巖性反演結果，優選波阻抗值建立了孔隙度、粒度中值的地震預測模型

q=-0.0020Z+30.4138

Dm= -1.1×10-4Z+3.096

4.2　裂縫發育程度預測模型

由于微裂縫不具有典型的測井、地震響應特征，導致裂縫預測一直是儲層研究中的難點。前人針對構造成因的裂縫預測已進行過研究[17-20]，但其方法在微裂縫相對發育的致密儲層中適應性較差。

本次采用地質、地震數據共同開展裂縫發育程度的綜合預測研究。前述地質分析表明，裂縫發育主要受砂體構型及到斷層的距離等因素共同影響，同時，裂縫及斷層發育區具有“高相干、高曲率” 的特征；因此，本次研究優選了相干、曲率等地震參數，結合砂體構型、到斷層的距離等分析，完成了微裂縫的地震-地質綜合預測。

通過多元線性回歸統計方法，確定了砂體構型(T)、到斷層的距離(d)、相干(i)和曲率(κ)等參數的權重系數，建立了表征裂縫發育程度的復合參數——裂縫發育指數(IFD)的計算模型

IFD=-35.219+0.0747T-0.010353d+36.7045i+380.245κ

式中：對應均一型和復合型構型，T分別取值1和2；d為井點到斷層的垂直距離；相干(i)及曲率(κ)為地震預測值。

4.3　滲透率預測模型及應用效果

在上述孔隙度、粒度中值及裂縫發育指數計算的基礎上，通過多參數擬合方法，建立了滲透率的綜合預測模型

K=exp(1.9412+0.25645q-4.11463Dm+2.50071IFD)

采用上述模型對研究區沙溪廟組砂巖46個已知滲透率樣品進行了多參數滲透率計算，并與孔隙度單一參數滲透率計算結果進行對比，對比分析表明，多參數預測模型計算滲透率與實測滲透率具有更好的一致性 (圖14、圖15)。

圖14　多參數預測滲透率與實測滲透率交匯圖Fig.14　Cross plot for the predicted permeability and measured permeability based on multi-parameter prediction model

圖15　多參數預測滲透率、單一參數預測滲透率與實測滲透率對比圖Fig.15　Comparison of multi-parameter permeability prediction model,single permeability prediction model and measured permeability

5　結 論

a.川西拗陷中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏屬于低孔、特低滲致密砂巖儲層，儲層中微裂隙較發育且非均質性較強，導致砂巖的孔、滲相關性較差。

b.通過開展滲透率與碎屑組分、粒度、分選性及微裂縫發育程度的相關性分析，提出影響滲透率的因素主要包括孔隙度、巖石粒度及微裂縫的發育程度。

c.在建立孔隙度、粒度中值、裂縫發育指數預測模型的基礎上，通過多元線性回歸統計方法，建立了多參數滲透率綜合預測模型。與孔隙度單一參數預測模型計算結果相比，新模型計算結果與實測滲透率具有更好的一致性。

d.通過本研究形成的地震-地質約束的多參數滲透率綜合預測方法，提高了致密砂巖儲層滲透率單井、平面預測的精度，為基于滲透率的儲層精細評價奠定了基礎。