油藏流体非均质性主控地质因素 储层非均质性的研究方法

一、油源差异

油气源岩的差异是造成油藏中原油组成变化的最根本的因素之一。临盘油区的原油来自临南洼陷沙三段，由于烃源岩沉积相带的变化、生物类型的不同及其一系列的后生演化，不同地区烃源岩生成的油气具有明显的区别。临南洼陷沙三段烃源岩以街1—夏38—夏102井一线为界，分成南、北两个油源区。北部油源区陆源有机质输入比例较大，原地水生生物物源相对较少，烃源岩中4-甲基甾烷较少；而南部油源区沙三段属半深-浅湖相带，沉积环境较为稳定，沉积速率较低，有机质以水生藻类等为主，烃源岩中4-甲基甾烷含量较高。而混合来源地区则兼具两种油源特征。这造成了临南洼陷周围原油表现出平面上的宏观非均质性（图3-37）。

二、成藏过程

油气成藏过程也会造成油藏流体组成的差异性，其主要机理包括：①接受不同期次、成熟度差异明显的油藏流体的充注；②油气运移过程中地质色层效应引起成分分馏；③储层非均质性造成油藏流体优化注入的差异以及由此造成的混合消除非均质性的相对长期性。

1.多期油气充注

油气充注对原油非均质性的影响可以这样来理解：烃源岩中的有机质在热演化过程中，生成的油气化学组成及性质是不断变化的。石油最初是以枝状通过排替压力最小的孔隙进入油藏，当运移进入的油气范围增大时，油气驱动压差增大，使得油气向较小的孔隙充注并把残余地层水排出。如果新生成的油气从源岩排出，并从圈闭的一侧注入，则它将如同一系列波阵面那样向圈闭内部推进，从而在横向和纵向上取代先前注入的油气。油气的物理和化学性质随着源岩成熟度的增长而发生变化，在油气充注过程中，第二个油源变得更加成熟，这样造成在油藏充注过程完成时，无论是接受不同期石油充注的油藏，还是接受多期混合的油藏，必然存在着原油非均质性。

前面划分出的三大类石油族群中，均由于存在成熟度的差异可进一步区分出不同的组群。这种成熟度族群内的变化包括两个方面，即平面上同层位油藏距离油源区远近不同和纵向上距离油源层远近不同，因而造成接受渐进性成熟的流体产生组分非均质性。

此外，油气流体的多期次向储层充注也是重要的流体非均质性成因。如曲10井沙三段油层剖面上的两个包裹体也反映了两期油气充注过程（图3-38）。本井上部储层1451.74～1457.74m储层抽提物很少，但包裹体烃类较多，其4-甲基甾烷较少，正构烷烃主峰碳为C₂₉，OEP值为1.61，C₂₉甾烷20S/（20S+20R）和C₂₉甾烷ββ/（αα+ββ）值分别为0.42和0.36，与曲9-71井包裹体相似，为同期形成的包裹体。而本井下部储层1497.41～1505.72m另一包裹体4-甲基甾烷却很丰富，与规则甾烷相当，正构烷烃主峰碳数为C₂₃，OEP值仅1.05，C₂₉甾烷20S/（20S+20R）和C₂₉甾烷ββ/（αα+ββ）值分别为0.42和0.38，与储层原油相似。这说明存在两期油气充注过程，而且第一期油气充注成藏以后散失。因为如果第一期油气保存下来，则第二期充注的油气只能对第一期油气进行稀释，不会使储层流体有很大的变化，难以形成与第一期烃类成分有较大不同的第二期包裹体。

图3-37 临盘油区原油萜烷（上部6个）与甾烷（下部6个）对比图

图3-38 曲堤油田曲10井油砂抽提物和包裹体色谱、色-质对比图

2.运移地质色层效应

油气运移过程中一般会产生地层色层效应，导致沿运移方向油气密度增加、重质组分减少、含氮化合物含量减少。夏38井和临南油田夏52-213井原油色谱的对比就说明了这一认识。夏38井位于生油洼陷中心部位，为自生自储型油藏，其原油组成代表了未进行远距离二次运移的原始状态原油；而临南油田的原油一般进行了较长距离的二次运移。通过对比发现（图3-39），原生原油中的大部分中、高碳数正构烷烃在二次运移过程中残留在疏导系统中，由此导致了大部分油藏成藏时油气组成与原始组成之间存在明显差异。如果油藏规模较大，则在同一油层的不同部位也会导致这种地质色层效应，从而形成油藏内部的非均质性。

然而由于成藏后油气次生变化的影响，通常宏观上会表现出与地质色层效应相反的现象，这主要是由于运聚成藏后气态烃等轻质组分的散失、原油生物降解以及水洗作用的影响造成的，有时也有火山岩等引起异常高地温的影响。临南洼陷及其周围原油密度的变化规律（图3-40），即是因此而造成的。

3.储层非均质性

储层的非均质性一方面引起油藏流体优先充注的选择性，另一方面使得这种非均质性短期内不易混合均一化。同一储层的不同位置接受充注的油气可能是不同期的，如果储层非均质较强，原油的非均质性会存在相当长的时间，这在临南油田夏32块和夏52块表现都很明显。同一油藏中，纵向上不同储层之间油气组成差别也是非常明显的。由于油气向储层中充注的次序是优质储层优先，因而先成藏，原油成熟度较低；而孔渗性较差的储层成藏较晚，油气成熟度较高。油层之间的这种原油组成的差异，由于储层之间存在隔层限制了原油的混合而将存在相当长的时期（图3-41）。

图3-39 夏38井原油色谱与夏52-213井原油色谱对比

图3-40 临南洼陷及其周围原油密度等值线图

夏52块X52-X12井为沙三中亚段Ⅳ油层和Ⅴ₂油层合采井。通过分析单层原油得知，Ⅳ油层物性好、原油成熟度较低、成藏较早，而Ⅴ₂油层充注较晚，两油层原油迄今仍具有明显的成分差异。从分别代表Ⅳ油层的X52-213井和代表Ⅴ₂油层的X52-422井比较来看，气相色谱外貌以及萜烷系列化合物的分布非常相似，甾烷系列化合物的分布总体形态相似，最明显的区别是4-甲基甾烷相对含量的高低不同，其C₂₇ααα（20R）胆甾烷及C₂₉（20S）重排胆甾烷含量也有较大差别（图3-42）。从色谱指纹分布上看，二者的区别就更加明显，一些指纹化合物的含量高低变化很明显（图3-43）。

图3-41 夏52块沙三段油层剖面示意图

图3-42 X52-213井与X52-422井甾、萜烷指纹化合物对比两种C₂₆三环萜具不同结构

图3-43 X52-213井与X52-422井气相色谱指纹对比

三、成藏后次生变化

油藏流体进入圈闭成藏后，随着油藏内条件的变化也会引起组分的非均质性。主要机理包括：生物降解与水洗作用改造，油藏内温度、压力的变化和流体-岩石相互作用等方面。

1.生物降解和水洗改造

本区原油成藏后较明显的改造作用就是生物降解和水洗作用。生物降解的结果，程度轻微的会出现基线“UCM”鼓包，中等者正构烷烃含量剧减，严重者饱和烃系列几乎完全消失。这在临盘油田和曲堤油田中多有实例。

水洗作用的结果是使原油中的易溶组分，如苯和甲苯等低分子量的芳烃化合物被优先除去。水洗程度严重时，原油中汽油馏分明显降低，芳烃的碳同位素也有明显的变化。例如曲斜9井（Ng³+Es⁴）和曲10井、曲10-斜6井（Es⁴）就受到一定程度的水洗。

2.温度、压力的变化

因油藏埋藏深度不同而导致的温度和压力的变化，也是影响油藏非均质性的因素之一。一般情况下，油藏内的温度是相对均一的，其对油藏流体非均质性的影响基本上可以忽略。更为常见的是油藏内的油气组成在重力作用下进行的分异。例如夏509井，油层内部随着井深增加和压力加大，Σ（C₁₃—C₁₅）/Σ（C₂₂—C₂₄）值明显减小。

3.流体-岩石相互作用

油藏流体（包括石油、天然气、地层水）和岩石、微生物间发生的化学、生物化学反应，以及这些反应对储层物性、原油性质、矿物润湿性变化等的影响称之为流体-岩石相互作用。上述反应以水-岩反应最为普遍，包括几种物理、化学过程：①矿物溶解、沉淀；②离子交换、吸附/解析；③流体混合；④压力下降或沸腾引起的气体分离；⑤有机质-无机质相互作用。目前研究较多的有机-无机相互作用是有机酸地球化学、烃类氧化作用和储层润湿性变化等。

由于无机矿物、地层水体以及微生物等因素的千变万化，储层中烃类和岩石之间的相互作用是非常复杂的，从而也使油藏中的油气在成藏以后不断发生变化。不同位置这种变化的强弱将会引起烃类组成的非均质性进一步加剧。

在油田开发方面，随着油藏注水开发技术的发展，储层非均质性研究得到了重视，人们越来越认识到储层非均质性特征是影响注水波及效益和油气采收率的重要因素。20世纪80年代，人们依据层序地层学原理，应用地震、钻井、露头资料以及有关的沉积环境和岩相对等时地层格架内的有利储集相带及生储盖组合进行综合解释，各种储层横向预测技术也应运而生，从而大大提高了区域储层研究的精度。同时，随着各种新的测井技术的发展及其在地质学中的广泛应用，发展了测井地质学，人们充分应用测井和岩心信息，对井内储层岩相、储层物性及储层裂缝进行系统的解释。储层成岩作用及次生孔隙带预测研究也取得了进一步的发展，人们通过有机、无机相互作用研究次生孔隙的形成机理，从而逐步发展了储层地球化学。
近年来，非均质性研究取得了很大的进展，在认识上也有了很大的飞跃。人们从不同角度研究不同规模的储层非均质特征及其对油田二次、三次采油的影响。为了进行准确的油藏数值模拟、优化开采方案及预测剩余油分布，储层地质学家的一项重要任务便是建立三维储层地质模型。此时，地质统计学特别是随机模拟技术在储层建模中得到了广泛应用，定量储层沉积学研究也开始发展起来。
1985年以来，Andrew D.Mill和Douglas W.Jordan等人分别提出了用沉积界面和结构要素分析法分层次研究露头和现代沉积中河流相砂体的成因类型、内部建筑结构和非均质等级的思想。第十三届国际沉积学大会明确指出研究砂体几何学、内部建筑结构、不渗透薄夹层的空间变化是储层非均质研究的主要内容，并且认为研究沉积界面体系是搞清砂体内部建筑结构的关键。我国已经投入开发的河流相储层是一个复杂的非均质体系，在纵向上具有多级次的旋回性，平面有复杂的微相组合，非均质特征也表现出明显的层次性。河流相非均质的研究必须采用分层次解剖的思想，应用露头和现代沉积研究的方法来描述地下河流相储层。
目前，国内外储层评价研究的显著特点是紧密围绕油气勘探开发的需要，发展多学科综合研究，即综合地震、测井、试井和沉积地质学、数学地质学、计算机等各种技术手段多专业协同合作。在勘探开发前期河流相储层的研究所要解决的问题：①开发早期砂体预测问题，在资料少的情况下定量地表征储层，建立三维储层地质模型，以便更精确地找到目的开发层；②井间砂体对比、砂体连续性与连通性等非均质性问题；③砂体非均质性与流体流动非均质性关系；④不同尺度间储层描述、建模协同性问题。
根据储层非均质性的研究层次及研究内容的侧重点，研究方法主要包括3类：
1）地质研究方法：该方法以高分辨率层序地层学原理为指导，在等时地层格架内的砂层划分对比基础上建立以过程沉积学为基础的沉积微相研究以及砂体展布研究。
2）储层微观研究：该方法基于现代测试分析成果，主要研究储层的微观孔隙、孔隙结构、成岩作用对非均质展布的控制。
3）参数展布的研究：主要研究参数包括：①物性参数变化为主线的非均质参数，如渗透率的变异系数、突进系数、级差、孔隙度和孔喉半径等；②表征砂体厚度及分布的非均质参数，如平均砂层厚度、分层系数和砂岩密度等；③表征储层中夹层分布变化的非均质参数，如夹层频率、夹层密度。
无论按哪种方法来刻画储层非均质程度，都是为了更好地了解储集单元中的流体分布及其渗流特征。本书采用综合研究方法，将上述3种方法融为一体，并贯穿于不同的研究尺度。

20世纪50年代初期，苏联科学院院士密尔钦科曾著有《油矿地质学》，它曾经是我国石油院校的专业课教材，其主要研究内容是，在油气藏范围内油气层的地质问题，最终归结到油气储量计算。1979年，P.A.迪基［3］著有《石油开发地质学》，它是美国塔尔萨（Tulsa）大学的高年级地质学教材，其主要研究内容包括从沉积环境一直到油气采收率的提高，涉及面宽，但不够深入。1983年，由陈立官主编，马正、程光瑛等［4］参编的《油气田地下地质学》出版，它是我国自行编写的第一部地下地质的高等院校教材。全书编写了钻井地质、油气水层的判断、地层对比、地下构造研究、储层研究、油气储量计算等章节，非常适合中国油气田的实际情况。1987年，由陈碧珏主编［5］的《油矿地质学》出版，该书是我国石油院校使用的统编教材，它系统介绍了地质录井、地层测试、油气水层判识、地层对比、储集物性、构造研究和储量计算等内容。上述两本教材基本奠定了油矿地质的框架。1989年，中国科学院院士李德生［6］著有《石油勘探地下地质学》，该书介绍了钻井地质技术、地下地层和构造的解释，以及国内外已发现油气田的评价实例，它作为石油地质勘探技术干部进修培训的教材，曾培训了一批后来的储层地质专家。
1992年，由裘怿楠、薛叔浩等［7］编著的《油气储层评价技术》总结了十多年来国内外的实践经验，将储层评价划分为单井、区域、开发和敏感性四个部分，提出了评价内容和技术方法。1996年，由吴元燕、徐龙、张昌明等［8］编著的首部《油气储层地质》出版，该书从油气田发现到开发对储层研究提出的要求出发，从宏观到微观、从定性到定量、从描述到评价，建立储层地质模型，并介绍利用地震、测井、地层测试等资料研究储层的方法。同年，裘怿楠、陈子琪主编［9］的《油藏描述》出版，这本书虽然属于中国油藏管理技术手册，但它从构造、流体和储层各级非均质性的描述，到油藏地质模型的建立，都分别进行了详细的介绍。特别是针对我国石油地质的特点，突出了陆相储层和复杂断块油藏的描述方法。手册中附有大量的图例、表格和常用计算公式，可供实际操作时参考。1997年由唐泽尧主编［10］的我国第一部《气田开发地质》出版，这本书以我国已投入开发的150个气田、500个气藏开发的地质实践为对象，系统论述了天然气开发地质理论和开发地质技术，内容包括气田构造、储集层、气田流体、压力和温度、气藏地质特征、开发地震、地球物理测井、气层物性测试、气藏描述和天然气储量计算技术。它既具有我国气田特色，又吸收了现代新理论和新技术，是对我国40年天然气开发经验的系统总结。1998年，方少仙、侯方浩［11］出版了《石油天然气储层地质学》，该书作为高等学校教材系统地介绍了沉积岩石学特征、主要物理性质、沉积环境、相及储集岩发育特征、储层孔隙及孔隙结构特征、储层在成岩阶段发生的成岩变化、储层形成的控制因素以及储层的非均质性等。1999年，文献［12］作者根据多年授课内容并参考了上述教材和专著，编写了《油气储层评价》一书，内容包括了沉积、测井、物性、地震预测、岩溶和裂缝型储层、储层建模和储层模拟等多门学科的先进技术方法，对油气储层进行详细的描述和精确的预测，为勘探布井以及剩余油分布提供准确的油气藏地质模型。
上述专著和教材概括了油气储层地质所要研究的众多内容，为油气储层地质的归纳和提高打下了坚实的基础。
油气储层地质学作为研究生教材的提出来自于生产实践，广大石油地质工作者在长期工作中，认识到油气储层是勘探开发中的主要研究对象，没有油气储层就没有一切。在油田现场，最早流行的是储层的四性对比（即电性、物性、岩性和含油气性），20世纪80年代，一部分学者提出，储层地质研究应该以四性研究为中心，而四性研究中应以物性和孔隙结构为核心；另一部分学者则认为，沉积、成岩是形成现今储层的最重要成因，因此，储层地质学应以沉积学为基础。20世纪80年代是油气储层地质学迅速发展并得到公认的时期，原中国石油天然气总公司将油气储层研究提高到中国石油工业的第三次革命的高度，使一大批石油地质工作者投入到储层研究的行列，发表了许多优秀的论文和专著，油气储层地质研究的学术空气十分活跃，并一直延续至今。
不论研究的重点是什么，油气储层地质学的主要内容应包括：油气藏的构造地质、储层沉积学、孔隙演化和成岩作用、储集物性和孔隙结构、测井地质解释、储层综合预测、储层地质模型、建模和三维可视化表述技术，以及储层所含流体及其动态特征等等。它包含了多门学科，并且在储层解释中涉及许多工程技术方法，因此，作为油气储层地质研究者，不仅要精通地质，而且要懂得有关的工程技术，还需要具有熟练的计算机技术。总之，他应是一个综合能力很强的地质工作者。

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