鄂爾多斯盆地蘇里格氣田東區(qū)儲(chǔ)層含氣物性下限分析

陳占軍，任戰(zhàn)利，王樹慧，劉　平，薛　雯，鄧亞仁，祁　凱，曹展鵬

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安　710069； 2.大陸動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710069；3.中國石油 長慶集團(tuán)分公司 蘇里格氣田研究中心，西安　716000)

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鄂爾多斯盆地蘇里格氣田東區(qū)儲(chǔ)層含氣物性下限分析

陳占軍1,2，任戰(zhàn)利1,2，王樹慧3，劉平3，薛雯3，鄧亞仁1,2，祁凱1,2，曹展鵬1,2

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安710069； 2.大陸動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710069；3.中國石油 長慶集團(tuán)分公司 蘇里格氣田研究中心，西安716000)

摘要：以鄂爾多斯盆地蘇里格氣田東區(qū)的勘探開發(fā)資料為基礎(chǔ)，根據(jù)儲(chǔ)層含油氣物性下限的定義與特點(diǎn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法與成藏機(jī)理方法對(duì)東區(qū)儲(chǔ)層含氣物性下限進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，2種方法得出的儲(chǔ)層含氣物性下限值基本接近，盒8段儲(chǔ)層含氣的孔隙度下限為2.223%，滲透率下限為0.005 7×10-3μm2；山1段儲(chǔ)層含氣的孔隙度下限為1.605%，滲透率下限為0.004 4×10-3μm2，含氣物性下限與充注動(dòng)力負(fù)相關(guān)，盒8段含氣物性下限大于山1段。通過實(shí)測資料尋找含氣物性下限附近的儲(chǔ)層，對(duì)連續(xù)取樣進(jìn)行含氣飽和度測定，分析表明，物性在含氣物性下限附近的儲(chǔ)層含氣飽和度極低，物性高于含氣物性下限的儲(chǔ)層含氣飽和度顯著升高。理論分析結(jié)果與取心實(shí)測結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：含氣物性下限；充注動(dòng)力；成藏機(jī)理；上古生界；蘇里格氣田；鄂爾多斯盆地

蘇里格氣田東部盒8段、山1段是重要的天然氣藏勘探開發(fā)層系，目的層段大面積發(fā)育致密砂巖氣藏，一般具有低孔、低滲透、低豐度的特征(圖1)。氣藏的含氣層系多、空間分布復(fù)雜、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，部分層段產(chǎn)量較低[1-2]。

由于氣藏控制因素復(fù)雜，區(qū)帶間成藏要素的差異性較大，所以氣藏的精細(xì)分布、儲(chǔ)層含氣性以及物性下限等仍需深入研究。

圖1　鄂爾多斯盆地蘇里格氣田東區(qū)地理位置Fig.1　Location of the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

1研究現(xiàn)狀

目前，儲(chǔ)層“物性下限”方面研究成果較多，部分觀點(diǎn)指在現(xiàn)有技術(shù)條件、開發(fā)手段與油氣經(jīng)濟(jì)條件下，儲(chǔ)層能夠產(chǎn)出具有商業(yè)價(jià)值油氣流的物性參數(shù)下限[3-4]，稱為“有效儲(chǔ)層物性下限”[5]； 也有觀點(diǎn)認(rèn)為“物性下限”包括地質(zhì)體產(chǎn)油產(chǎn)氣下限和產(chǎn)出具有工業(yè)價(jià)值的油氣物性下限2種[6]。產(chǎn)油產(chǎn)氣的“物性下限”又被稱為“儲(chǔ)層流動(dòng)的物性下限”[7]或“開發(fā)下限”[8]；同時(shí)，為區(qū)分成藏期油氣進(jìn)入儲(chǔ)層所需的最低物性，“成藏的物性下限”又被一些學(xué)者描述為“儲(chǔ)層臨界物性”[9]。所以“物性下限”在國內(nèi)目前沒有統(tǒng)一的定義。

本文將商業(yè)油氣流的儲(chǔ)層物性下限表述為“工業(yè)下限”；將具有產(chǎn)油產(chǎn)氣能力的物性下限表述為“流動(dòng)下限”；將成藏期油氣進(jìn)入儲(chǔ)層所需的最低物性表述為“含油氣下限”。

工業(yè)下限與流動(dòng)下限國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究工作，理論較為成熟；而儲(chǔ)層的含油氣下限受儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)與充注動(dòng)力雙重控制，具有動(dòng)態(tài)特征，目前尚無定論。本文依據(jù)實(shí)測資料，分析蘇里格氣田東區(qū)石盒子組盒8段與山西組山1段儲(chǔ)層在充注動(dòng)力與地層應(yīng)力條件下的含氣物性下限，以期為勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

2含油氣物性下限的確定

含油氣物性下限是儲(chǔ)層含油氣與不含油氣的物性界限，即在一定的成藏條件下，物性高于某值的儲(chǔ)層含有油氣，物性低于該值的儲(chǔ)層不含油氣或油氣含量急劇減小。

2.1統(tǒng)計(jì)法

按照含油氣物性下限含義，對(duì)蘇里格氣田東區(qū)儲(chǔ)層物性與含氣飽和度作交會(huì)圖，確定盒8段儲(chǔ)層含氣與不含氣的滲透率界限為0.004 3×10-3μm2，山1段為0.004 1×10-3μm2(圖2)。

蘇里格氣田東區(qū)儲(chǔ)層含油氣的孔隙度下限根據(jù)孔滲交會(huì)圖版確定。但研究發(fā)現(xiàn)，以孔隙度約5%左右為分界，物性相對(duì)較好的儲(chǔ)層與物性相對(duì)較差的儲(chǔ)層孔滲交會(huì)關(guān)系不一致(圖3)，而本文研究的對(duì)象為儲(chǔ)層含氣物性下限，所以采用物性下限附近的交會(huì)關(guān)系(表1)，以此計(jì)算含氣滲透率下限所對(duì)應(yīng)的孔隙度含氣下限。盒8段的對(duì)應(yīng)孔隙度下限為2.022%，山1段為1.549%。

2.2成藏機(jī)理法

在成藏期充注動(dòng)力條件下，如果儲(chǔ)層的最大孔喉能夠充注，則其物性高于含氣物性下限；如果最大孔喉不能充注，則其物性低于含氣物性下限。充注動(dòng)力越大，含氣的物性下限就越低，二者具有動(dòng)態(tài)相關(guān)性，該研究可分為3個(gè)步驟：

圖2　蘇里格氣田東區(qū)盒8段和山1段儲(chǔ)層滲透率與含氣性的關(guān)系Fig.2　Permeability vs. gas saturation of He8 and Shan1 reservoirs in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

圖3　蘇里格氣田東區(qū)盒8段和山1段儲(chǔ)層孔滲關(guān)系Fig.3　Porosity vs. permeability of He8 and Shan1 reservoirs in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin表1　蘇里格氣田東區(qū)盒8段和山1段 儲(chǔ)層物性下限附近孔滲交會(huì)參數(shù)Table 1　Correlative parameters of porosity and permeability of He8 and Shan1 reservoirs with physical properties close to the lowest limit for gas-bearing capacity in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

儲(chǔ)層工業(yè)儲(chǔ)層段a值b值含氣物性下限段a值b值相關(guān)性盒8段0.0100.3770.000381.196山1段0.0150.4390.000531.326K=a·eb·φ

注：K為滲透率，φ為孔隙度。

2.2.1成藏期充注動(dòng)力恢復(fù)

由于鄂爾多斯盆地主體具有大面積生烴，蒸發(fā)式排烴，彌漫式充注的特點(diǎn)。按照源—儲(chǔ)生排烴的空間配置可確定其充注模式為：(1)烴源巖生烴使源巖地層壓力升高，處于流體勢(shì)的高值部位，儲(chǔ)層處于流體勢(shì)的相對(duì)低值部位；(2)油氣生成之后從源巖向外圍地層(主要是向上部)排烴，流體勢(shì)由于排烴泄壓向外逐漸減??；(3)儲(chǔ)層接受充注并獲得部分流體勢(shì)，在聚集成藏的同時(shí)，其流體勢(shì)高于更外圍的地層，繼續(xù)向上排出流體并消耗流體勢(shì)泄壓。因此，儲(chǔ)層接受的充注動(dòng)力一般小于下伏巖層而大于上覆巖層，可采用上下限定與逼近的方法求出(圖4 )。

為研究盒8段與山1段成藏期的充注動(dòng)力，需在現(xiàn)今的地層中尋找能夠表征成藏期源儲(chǔ)流體勢(shì)的地質(zhì)記錄特征，這一特征需要符合以下限定要求：①記錄的地層流體壓力異常是生烴期產(chǎn)生的；②記錄的地層流體壓力異常與流體勢(shì)的產(chǎn)生是生烴造成的；③記錄的地層流體壓力與生排烴的流體勢(shì)是一致的；④記錄的流體勢(shì)特征能夠保存至今。研究認(rèn)為鄂爾多斯盆地泥巖壓實(shí)記錄可滿足上述研究的限定條件。

圖4　鄂爾多斯盆地上古生界成藏充注模式Fig.4　Accumulation charging mode of the Upper Paleozoic reservoirs, Ordos Basin

在地質(zhì)歷史演化過程中，隨著地層沉降累積、厚度增加，泥巖地層骨架承受應(yīng)力增大，內(nèi)部孔隙受到擠壓，孔隙水排出、孔隙度減小，所以泥巖的受壓實(shí)程度與孔隙度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。如果泥巖有機(jī)質(zhì)豐度高且處于生烴窗內(nèi)，產(chǎn)生烴類流體(或受水熱增壓等作用)使原有孔隙內(nèi)的流體壓力增大，相應(yīng)的泥巖骨架應(yīng)力受到流體壓力的分擔(dān)而減小，在相對(duì)較小的骨架應(yīng)力下，泥巖的壓實(shí)程度受到限制，原始的孔隙度得到較好的保留，就會(huì)偏離正常的壓實(shí)趨勢(shì)。

該原理下反映出：泥巖偏離正常壓實(shí)曲線的孔隙度實(shí)際上受骨架應(yīng)力大小的控制，骨架應(yīng)力大小受流體壓力的影響，流體壓力(尤其是過剩壓力)的大小又受生烴、水熱增壓及其演化速度等的控制。在地史條件下，源巖生烴強(qiáng)度越高，孔隙內(nèi)的流體壓力就相應(yīng)越大，其過剩流體壓力(流體勢(shì))就越大，充注動(dòng)力就越強(qiáng)，源巖內(nèi)孔隙度對(duì)正常壓實(shí)趨勢(shì)線的偏離程度就越大。據(jù)此可以用泥巖偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)(即過剩壓力)的程度表征充注動(dòng)力的大小。

鄂爾多斯盆地上古生界氣藏的主成藏期為早白堊世，該時(shí)期盆地處于快速沉降階段，泥巖尚未正常壓實(shí)，受生烴的有機(jī)質(zhì)熱解、水熱增壓等作用，進(jìn)一步壓實(shí)受到阻礙，地層因生烴造成的地層流體壓力異常(過剩壓力)被泥巖的壓實(shí)程度記錄。在成藏期后盆地進(jìn)入抬升階段，不再出現(xiàn)大規(guī)模沉降，泥巖沒有受到更深程度的壓實(shí)，成藏期的壓實(shí)特征保存至今。根據(jù)盆地演化史可知，①、②、④項(xiàng)均已滿足；依據(jù)泥巖壓實(shí)的方法[10-11]，對(duì)本區(qū)典型井——Z-EW井的成藏期過剩壓力提供的充注動(dòng)力計(jì)算，其結(jié)果滿足并驗(yàn)證③項(xiàng)條件(圖5)。

圖5　鄂爾多斯盆地Z-EW井成藏期地層過剩壓力Fig.5　Excess pressure in reservoir during accumulation period in well Z-EW, Ordos Basin

根據(jù)Z-EW井縱向上充注動(dòng)力分布的研究結(jié)果，結(jié)合本區(qū)的生烴強(qiáng)度背景，認(rèn)為盒8段的充注動(dòng)力約為12.5 MPa，山1段約為14.5 MPa。

2.2.2充注動(dòng)力與含氣物性下限關(guān)系研究

對(duì)充注動(dòng)力與含氣物性下限關(guān)系研究基于以下3點(diǎn)認(rèn)識(shí)：(1)Harbert[12]研究了不同粒徑的沉積物中油氣的排替壓力，其結(jié)果與壓汞法測量的排替壓力基本相同，說明用進(jìn)汞壓力模擬充注動(dòng)力是可行的；(2)壓汞實(shí)驗(yàn)法[13]表明，進(jìn)汞壓力與孔喉半徑具有對(duì)應(yīng)關(guān)系；(3)Purcell[14]在毛管壓力曲線的基礎(chǔ)上研究了不同喉道半徑區(qū)間的儲(chǔ)層滲透能力及其對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)分布，認(rèn)為大孔喉對(duì)滲透率起主要且決定性的貢獻(xiàn)。

所以進(jìn)汞排驅(qū)壓力(充注動(dòng)力)決定了能夠充注的最大孔喉，而最大孔喉又決定了儲(chǔ)層的物性。據(jù)此可以建立排驅(qū)壓力(充注動(dòng)力)與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性的相關(guān)關(guān)系，并用之表征成藏期充注動(dòng)力條件下儲(chǔ)層的含氣物性下限值。

根據(jù)研究區(qū)121塊壓汞樣品建立排替壓力與對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖6)。該結(jié)果反映了不同排驅(qū)壓力(充注動(dòng)力)下能夠進(jìn)汞(或被充注)的最低滲透率，即不同充注動(dòng)力條件下的含氣滲透率下限。

2.2.3含氣物性下限及對(duì)應(yīng)地面物性

根據(jù)上述充注動(dòng)力—物性關(guān)系(圖6)、孔滲交會(huì)關(guān)系的研究成果(表1)，確定盒8段充注壓力為12 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的滲透率為0.004 2×10-3μm2，孔隙度為2.009%；山1段充注壓力為14.5 MPa時(shí)，滲透率為0.003 2×10-3μm2，孔隙度為1.351%。

但是，油氣充注是在地層中進(jìn)行，所以該方法研究得到的直接結(jié)果是地層應(yīng)力狀態(tài)下的含油氣物性下限值，而一般我們所測得的是地面物性，為此需將地下物性轉(zhuǎn)換為地面物性。由于儲(chǔ)層經(jīng)歷了較長的地質(zhì)歷史埋深，各部位骨架應(yīng)力已達(dá)到均衡，因而在移至地面后樣品各部位的形變反彈基本一致，孔喉結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生根本性變化。

圖6　蘇里格氣田排驅(qū)壓力(充注動(dòng)力)—儲(chǔ)層物性關(guān)系Fig.6　Correlation between displacement pressure(charging force) and reservoir physical properties in the Sulige gas field

研究時(shí)首先運(yùn)用巖石應(yīng)力回彈的方法，將地下的孔隙度下限值轉(zhuǎn)化為地面孔隙度下限值。基于樣品地層與地表狀態(tài)下的孔喉結(jié)構(gòu)比例不變，所以地層狀態(tài)下的孔—滲交會(huì)關(guān)系與地面狀態(tài)下孔—滲關(guān)系相似，均為圖3所示的孔—滲交會(huì)關(guān)系圖版。因此再運(yùn)用孔—滲交會(huì)關(guān)系圖版(圖3)讀出地面孔隙度下限值所對(duì)應(yīng)的滲透率，該值即地下滲透率對(duì)應(yīng)的地面滲透率下限值。

姚愛華[15]對(duì)不同油氣田巖樣研究，認(rèn)為樣品地面孔隙度與地下孔隙度具有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

(1)

式中：φR為地下孔隙度；φS為地面孔隙度；ρNOB為樣品骨架應(yīng)力。

式(1)可變換為：

(2)

前人關(guān)于鄂爾多斯盆地演化史的研究成果表明[16-17]，蘇里格氣田東區(qū)的剝蝕厚度約為800 m，結(jié)合Z-EW井成藏期地層過剩壓力，計(jì)算出區(qū)域成藏期流體壓力與儲(chǔ)層骨架應(yīng)力(表2)。

將骨架應(yīng)力代入公式(2)，從而將成藏期地層狀態(tài)下的孔隙度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的地面孔隙度，盒8段為2.424%，山1段為1.660%。再將該值代入表1、圖3孔—滲交會(huì)關(guān)系圖版，得出相應(yīng)的地面狀態(tài)下盒8段含氣滲透率下限值為0.007 0×10-3μm2，山1段為0.004 7×10-3μm2。

原本含油氣物性下限研究還應(yīng)考慮成藏后成巖作用引起的物性變化，但本區(qū)成藏后儲(chǔ)層含烴流體性質(zhì)不活躍，一方面早期酸性流體已消耗殆盡，溶蝕作用受到抑制；另一方面含烴流體抑制石英加大與碳酸鹽的膠結(jié)等堿性成巖作用，所以本文采用了“因氣藏充注形成之后成巖作用相對(duì)不活躍，引起的物性變化不大”這一觀點(diǎn)[18-19]。

3結(jié)果對(duì)比及檢驗(yàn)

3.1研究結(jié)果對(duì)比

2種研究方法獲得的儲(chǔ)層含氣物性下限對(duì)比見表3。

分析認(rèn)為，2種方法的研究結(jié)果相差不大。山1段的下限值小于盒8段，與充注機(jī)理相符合。對(duì)研究結(jié)果取平均值，盒8段含氣的孔隙度下限為2.223%，滲透率下限為0.005 7×10-3μm2；山1段含氣的孔隙下限為1.605%，滲透率下限為0.004 4×10-3μm2。

3.2研究結(jié)果檢驗(yàn)

鑒定結(jié)果顯示，含氣儲(chǔ)層中連續(xù)采集的樣塊，其物性在含氣物性下限附近的樣塊對(duì)應(yīng)含氣飽和度較低，物性高于含氣物性下限的樣塊含氣飽和度顯著升高，實(shí)測結(jié)果與研究結(jié)果基本一致(表4)。

4結(jié)論

通過統(tǒng)計(jì)法與成藏機(jī)理法分析了蘇里格氣田東區(qū)盒8段、山1段儲(chǔ)層的含氣物性下限，認(rèn)為含氣物性下限與充注動(dòng)力具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，盒8段獲得的充注動(dòng)力小于山1段，含氣的物性下限大于山1段。盒8段含氣的孔隙度下限值為2.223%，滲透率下限值為0.005 7×10-3μm2；山1段含氣的孔隙度下限值為1.605%，滲透率下限值為0.004 4×10-3μm2。

表2　蘇里格氣田東區(qū)古今地層骨架應(yīng)力對(duì)比Table 2　Ancient and present rock skeleton stress in the eastern Sulige gas field

表3　蘇里格氣田東區(qū)2種方法研究 含氣物性下限結(jié)果的對(duì)比Table 3　Lowest limits for physical property of reservoirs in the eastern Sulige gas field calculated with statistical and accumulation mechanism methods

表4　蘇里格氣田東區(qū)儲(chǔ)層物性下限附近連續(xù)樣品實(shí)測物性與含氣飽和度Table 4　Measured physical property and gas saturation of samples from reservoirs with physical properties close to the lowest limit for gas-bearing capacity, eastern Sulige gas field

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(編輯徐文明)

文章編號(hào)：1001-6112(2016)04-0521-07

doi：10.11781/sysydz201604521

收稿日期：2015-10-16；

修訂日期：2016-06-14。

作者簡介：陳占軍(1982—)，男，在讀博士，從事油氣成藏與開發(fā)研究。E-mail：john_wudy@163.com。 通信作者：任戰(zhàn)利(1961—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，從事盆地?zé)嵫莼放c油氣成藏及評(píng)價(jià)研究。E-mail：renzhanl@nwu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41372128)、西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科技部專項(xiàng)(BJ08133-1)和國家重大專項(xiàng)(2011ZX05005-004-007HZ) 資助。

中圖分類號(hào)：TE122.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Lowest limit for the gas-bearing capacity of reservoirs in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

Chen Zhanjun1,2, Ren Zhanli1,2, Wang Shuhui3, Liu Ping3, Xue Fen3, Deng Yaren1,2, Qi Kai1,2, Cao Zhanpeng1,2

(1.Department of Geology, Northwest University, Xi’an, Shaanxi 710069, China;2.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China;3.Petro-ChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi716000,China)

Abstract:According to the definition and characteristics of the lowest limit for reservoir gas-bearing capacity, we carried out statistical and accumulation mechanism studies in the eastern Sulige gas field in the Ordos Basin. The two methods reached a similar conclusion. The lowest limits for the porosity and permeability of the eighth member of Shihezi Formation (He8) are 2.223% and 0.005 7×10-3μm2, respectively. The lowest limits for the porosity and permeability of the first member of Shanxi Formation (Shan1) are 1.605% and 0.004 4×10-3μm2, respectively, which are both higher than those of He8. The lowest limit for reservoir gas-bearing capacity is negatively related to charging force. We collected samples from the reservoirs with physical properties close to the lowest limit, and tested their gas saturation. The gas saturation of the reservoirs with physical properties close to the lowest limit is extremely low, and obviously increases in reservoirs with better physical properties. Theoretical analyses are consistent with coring results.

Key words:lowest limit for gas-bearing capacity; charging force; accumulation mechanism; Upper Paleozoic; Sulige gas field; Ordos Basin