徐家圍子斷陷沙河子組致密儲層分級評價

王曉蓮

(中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163712)

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徐家圍子斷陷沙河子組致密儲層分級評價

王曉蓮

(中國石油大慶油田有限責任公司，黑龍江 大慶 163712)

針對徐家圍子斷陷沙河子組致密儲層孔隙結構、物性下限與油層分級標準亟待研究的需要，應用掃描電鏡、低溫N2吸附、核磁共振等多項技術，開展致密儲層微觀孔隙結構和流體可動性研究，明確了致密儲層孔隙類型、孔喉特征及組合關系，建立了儲層孔隙結構與可動流體飽和度的關系。在此基礎上，采用束縛水膜厚度法、可動性拐點法和試氣產(chǎn)能法，建立了沙河子組致密氣儲層物性下限和儲層分級評價標準，該研究為下步致密儲層致密化成因、成巖演化序列和優(yōu)質(zhì)儲層甜點預測奠定了堅實的基礎。

致密儲層；孔隙結構；束縛水膜；儲層分級；徐家圍子斷陷；沙河子組

0 引 言

隨著近幾年國內(nèi)外致密油氣的成功勘探，徐家圍子斷陷沙河子組內(nèi)部與源巖緊密互層的致密砂質(zhì)礫巖和砂巖儲層引起廣泛關注，已成為大慶油田天然氣勘探的主要對象，是繼深層火山巖之后提交天然氣地質(zhì)儲量的重要接替領域[1-3]。以往深層天然氣勘探主要以營城組火山巖和沉積巖為主要目的層，沙河子組只作為其烴源巖開展研究，尚未系統(tǒng)開展過致密儲層孔隙結構和儲層分級評價研究。

致密油氣儲層評價的核心是優(yōu)選具有商業(yè)價值的優(yōu)質(zhì)儲層[4]。利用掃描電鏡、恒速壓汞、低溫N2吸附等多項技術，聯(lián)合標定核磁共振得到致密巖樣全尺度孔隙體積分布，明確了致密儲層微觀孔隙結構特征及其與儲層可動流體飽和度關系。在此基礎上，應用束縛水膜法確定了沙河子組致密氣儲層物性下限，并綜合應用巖心實驗和試氣資料建立了儲層分級評價標準。

1 孔隙結構特征及可動性評價

研究致密儲層孔隙結構特征不僅可以明確儲層孔隙類型和孔喉分布特點，而且是揭示致密油氣富集規(guī)律和可動性的基礎[5]。由于致密儲層發(fā)育納米級孔喉系統(tǒng)，傳統(tǒng)孔隙表征方法已不能滿足致密儲層精細表征需要，須采用高精度實驗儀器，如低溫N2吸附、高壓(恒速)壓汞、核磁共振等設備[6-7]，根據(jù)不同儀器分析測量范圍，得到致密巖樣全尺度孔隙體積分布，實現(xiàn)納米級別孔隙結構精細表征。

1.1 孔隙類型及孔喉分布特征

由偏光顯微鏡、掃描電鏡等可知，沙河子組致密儲層主要發(fā)育“三微”孔隙類型：溶蝕微孔、晶間微孔和微裂隙。由于巖石成分成熟度低，巖漿巖巖屑和長石等不穩(wěn)定組分含量高(占65%以上)，且與優(yōu)質(zhì)源巖緊鄰互層，使得儲層中粒內(nèi)、粒間溶蝕孔隙發(fā)育；原生孔隙由于儲層埋深大，壓實作用強，很難見到完整的原生粒間孔，僅見部分殘余原生粒間孔；雜基中的晶間孔較為發(fā)育，主要為黏土礦物晶間微孔；微裂隙發(fā)育規(guī)模小，主要為成巖縫和構造縫。由沙河子組不同類型孔隙面孔率分布可知，溶蝕微孔最為發(fā)育，面孔率主要集中在2%～6%；晶間孔及微裂縫發(fā)育一般，面孔率主要分布在0～1%。徐家圍子斷陷不同地區(qū)儲層的孔隙類型也具有差異性，安達—宋站地區(qū)以粒內(nèi)巖屑溶蝕為主，而徐西和徐東地區(qū)則以粒間溶蝕和微裂縫為主。

聯(lián)合低溫N2吸附[8]和壓汞實驗資料得到復合累計孔隙度曲線，用其標定核磁共振弛豫時間和孔隙半徑轉(zhuǎn)換關系，得到巖石樣品全尺度不同孔徑的孔隙體積分布。根據(jù)39塊樣品聯(lián)測實驗結果統(tǒng)計，沙河子組致密儲層孔徑多呈雙峰狀，且小孔部分體積明顯高于大孔，其分布范圍主要集中在10～100 nm，表明沙河子組致密儲層孔徑窄小，以納米級孔隙為主；孔喉類型以片狀、彎片狀和管束型為主，孔隙和喉道半徑比為43～332，平均為109，明顯高于常規(guī)儲層，表現(xiàn)出微孔、極細喉特征。喉道半徑是控制致密儲層滲透率的主要因素，隨著最大連通喉道半徑的增大，滲透率將迅速增加?；诤闼賶汗瘜嶒灲Y果，將孔隙和喉道間組合關系劃分為：孔隙型、孔喉型和喉道型。由樣品統(tǒng)計可知，沙河子組致密儲層以喉道型和孔喉型為主，孔隙型發(fā)育較少。

1.2 孔隙結構與可動流體飽和度關系

儲層可動性定量評價是致密儲層評價的重點，而核磁共振是目前研究可動流體分布最重要的手段[9]。通過對徐家圍子斷陷39塊巖石樣品進行飽和、離心狀態(tài)下核磁共振T2譜測定，確定不同巖樣的T2譜截止值，進而得到可動流體飽和度參數(shù)。由實驗結果可知，沙河子組巖樣T2譜截止值為2.01～285.11 ms，分布范圍較廣，表明不同巖樣孔隙結構差異較大，儲層非均質(zhì)性強，不能采用相同截止值來確定所有樣品的可動流體飽和度。

由孔隙半徑幾何均值、最大連通喉道半徑與可動流體飽和度的關系(圖1)可知，孔隙半徑幾何均值與可動流體飽和度關系較分散，整體呈較弱的正相關，說明孔隙半徑并不是制約可動性的主要因素。但孔隙半徑與可動流體飽和度關系呈“兩分型”：當孔隙半徑幾何均值小于0.04 μm時，可動流體飽和度達到最小，且基本不隨孔隙半徑增加而增大；當孔隙半徑幾何均值大于0.04 μm時，孔隙半徑幾何均值越大，可動流體飽和度越高，說明較大的孔徑是獲得高可動流體飽和度的前提。與孔隙半徑幾何均值相比，最大連通喉道半徑與可動流體的正相關性較強。當最大連通喉道半徑小于0.4 μm時，可動流體飽和度變化速率慢；當喉道半徑大于0.4 μm時，可動流體飽和度增加速率明顯變大。因此，孔隙半徑和喉道半徑共同制約著致密儲層的可動性，前者控制可動流體賦存量，后者決定了可動流體量的大小。

圖1 可動流體飽和度與孔隙半徑幾何均值、最大連通喉道半徑關系

2 致密儲層物性下限確定

由文獻[10-11]可知，油氣能否在致密儲層中自由流動，取決于孔喉內(nèi)束縛水膜厚度和甲烷分子吸附層厚度與孔喉半徑的關系。當孔喉半徑小于束縛水膜厚度與油氣吸附層厚度之和時，油氣不能通過喉道進入孔隙內(nèi)聚集成藏，也很難從孔隙內(nèi)流出，此時對應的喉道半徑即為臨界喉道半徑。應用臨界喉道半徑與儲層孔滲值關系即可確定致密儲層的物性下限。

根據(jù)孔喉連通情況及流體可動性，將地層水劃分為微孔隙水、可動流體和束縛水。微孔隙水是與較小喉道或未與喉道連通的孔隙中的水，且不可動；可動流體與束縛水都是指與較大喉道連通的孔隙中的水，且大多數(shù)可動，但束縛水形成于巖石顆粒表面，其厚度即為束縛水膜厚度[12-14]。根據(jù)核磁共振和高壓壓汞的測量原理，建立了束縛水膜厚度計算方法。首先，由核磁離心轉(zhuǎn)速為6 000 r/min和氣水界面張力為0.072 8 N/m等參數(shù)確定該實驗條件下所對應的可動孔喉半徑為50 nm，則：

(1)

式中：VSW為束縛水膜體積，μm3；V巖為巖心樣品體積，μm3；φ為有效孔隙度，%；SHg50為孔喉半徑等于50 nm時的累計進汞飽和度，%；SNMR為核磁可動水飽和度，%。

其次，假設巖石孔隙為理想球狀，且實際地層中孔喉半徑在一定范圍內(nèi)變化，在計算過程中必須考慮孔喉半徑的分布函數(shù)，則：

(2)

式中：A50為孔喉半徑大于50 nm時的孔隙總表面積，μm2；r為核磁孔喉半徑，μm；Dφ為孔喉半徑分布函數(shù)，μm3。

此外，需要考慮從孔隙總表面積A50中消除微孔隙水表面積。利用連通孔隙體積(束縛水+可動水)占總孔隙體積的比例，即孔喉半徑為50 nm時所對應的累計進汞飽和度SHg50和孔喉半徑大于50 nm核磁飽和度ST50的比值，進而求取束縛水膜對應的表面積Airr。最后根據(jù)束縛水體積含量VSW及其表面積Airr的比即可得到單塊樣品的束縛水膜厚度。

(3)

式中：Airr為束縛水表面積，μm2；ST50為孔徑大于50 nm的核磁飽和度，%。

應用上述方法對沙河子組巖石樣品進行束縛水膜厚度的確定。由實驗結果可知，單塊樣品的水膜厚度為4.76～35.47 nm，分布范圍較大，平均值較難反映樣品的整體性。采用斜率法建立束縛水膜體積和表面積的散點關系，最終確定的水膜厚度約為21.57 nm；同時考慮到甲烷分子被穩(wěn)定吸附的喉道尺寸臨界值約為20 nm，因此，綜合確定沙河子組致密儲層臨界喉道半徑下限為40 nm。根據(jù)最大連通喉道半徑與滲透率關系以及滲透率與孔隙度關系(圖2)，可以確定致密儲層物性下限。當最大連通喉道半徑為40 nm時，對應的致密儲層滲透率下限值為0.02×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖對應的孔隙度分別為2.7%和4.5%。

圖2 沙河子組最大連通喉道半徑與滲透率、孔隙度和滲透率間關系

3 致密儲層分級評價標準

壓汞和核磁聯(lián)測資料表明，對于相同孔隙度致密巖樣，孔隙結構不同，其可動流體飽和度差別較大[15]。在確定儲層物性下限的基礎上，根據(jù)大孔比例-可動性拐點法和試氣產(chǎn)能法，聯(lián)合孔喉組合關系、孔隙類型等綜合確定致密儲層的分級評價標準。

3.1 大孔比例-可動性拐點法

對于致密儲層，控制巖石可動性的關鍵因素是整個孔隙系統(tǒng)在不同孔徑大小范圍內(nèi)的孔隙度組分百分比。可動流體主要賦存于大孔部分，小孔部分以束縛水為主，當平均孔徑大于40 nm時，儲層可流動量明顯改善。因此，確定孔徑大于40 nm的孔隙組分百分比與可流動性間的關系，是決定沙河子組致密儲層分級評價標準的關鍵。

將飽和狀態(tài)下核磁T2譜轉(zhuǎn)化為孔徑分布，編制了大于40 nm孔隙占總孔隙的比例與核磁可動飽和度間關系圖(圖3)。由圖3可知，致密儲層可動流體飽和度整體隨大孔所占比例的增加而增大，且存在著明顯的拐點，即大孔比例小于70%時，可動流體飽和度基本在20%以下；當大孔比例大于70%時，可動流體飽和度急劇增加，可動流體飽和度最高可達60%。該拐點可以作為致密儲層分級的界限。由圖1可知，可動流體飽和度20%時其對應的最大臨界喉道半徑為0.4 μm；由圖2可知，0.4 μm喉道半徑對應的滲透率為0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖對應的孔隙度下限值分別為5.6%和7.5%。再結合樣品喉道半徑分布曲線特征、孔喉組合關系及孔隙類型等，將高于儲層物性下限的致密儲層分為Ⅰ類和Ⅱ類儲層。

圖3 可動流體飽和度與大于40nm孔隙所占比例關系

3.2 試氣產(chǎn)能法

試氣產(chǎn)能法是確定致密儲層分級評價最直接、最可靠的手段。由于已試氣層取心資料少，利用測錄井綜合解釋成果，統(tǒng)計試氣層段對應的孔隙度和滲透率，根據(jù)試氣強度確定儲層分級界限。將單層單位厚度的試氣產(chǎn)能劃分為大于1 000、100～1 000 m3/(d·m)和小于100 m3/(d·m)。對于砂質(zhì)礫巖致密儲層(圖4a)，當孔隙度小于2.7%，滲透率小于0.02×10-3μm2時，錄井氣測無顯示，綜合解釋為干層，儲層試氣強度小于100 m3/(d·m)的數(shù)據(jù)點均位于該區(qū)域，劃分為無效儲層；當孔隙度大于5.6%，滲透率大于0.06×10-3μm2時，儲層試氣強度大于1 000 m3/(d·m)的數(shù)據(jù)點均落在該區(qū)域，可定為Ⅰ類儲層；無效和Ⅰ類儲層之間的區(qū)域，試氣強度明顯弱于Ⅰ類儲層，劃分為Ⅱ類儲層。對于含礫砂巖致密儲層(圖4b)，采用相同方法可確定Ⅰ類和Ⅱ類儲層物性界限，即孔隙度為7.5%、滲透率為0.06×10-3μm2。

圖4 單層試氣強度與物性關系

3.3 致密儲層分級評價標準確定

將試氣產(chǎn)能法確定的分級界限與可動性拐點法、束縛水膜法確定的界限進行對比，在考慮了儲層的巖性、物性、孔隙類型、最大連通喉道半徑、可動性和試氣產(chǎn)能等指標的基礎上，確定了沙河子組致密儲層分級評價標準(表1)。

Ⅰ類儲層滲透率大于0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度界限分別為5.6%和7.5%，其孔隙類型主要為溶蝕孔和殘留粒間孔組合，微裂縫發(fā)育的更佳；進汞曲線偏向粗歪度、排驅(qū)壓力較小，最大連通喉道半徑大于0.4 μm；該類型儲層孔喉結構最好，可動流體飽和度值較高，常溫下核磁共振測試可動流體飽和度普遍高于20%，單位厚度試氣產(chǎn)能普遍大于1 000 m3/(d·m)。

表1 徐家圍子斷陷沙河子組致密層分類參數(shù)特征

Ⅱ類儲層滲透率為0.02×10-3～0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度界限分別為2.7%和4.5%。該類型儲層孔隙結構中等，孔隙類型以溶蝕孔和晶間孔組合為主，殘留粒間孔很難見到，微裂縫的發(fā)育可極大改善該類儲層的滲透性。進汞曲線偏向細歪度、排驅(qū)壓力較大，最大連通喉道半徑為0.04～0.40 μm，喉道半徑主峰多小于0.1 μm；該類型儲層可動流體飽和度值為10%～20%，單位厚度試氣產(chǎn)能普遍小于1 000 m3/(d·m)。

無效儲層的滲透率小于0.02×10-3μm2，該類儲層孔喉結構最差，孔隙類型以晶間孔為主，局部發(fā)育微裂縫和少量溶蝕孔，雜基和碳酸鹽巖膠結物含量較高。該類儲層進汞曲線排驅(qū)壓力大，最大連通喉道半徑小于0.04 μm；儲層中可動流體飽和度最低，普遍低于10%，試氣多為干層。

4 結 論

(1) 徐家圍子斷陷沙河子組為微孔、微喉型儲層，納米級孔隙較發(fā)育，可動流體主要集中在大于100 nm的大孔中；粒間孔和溶蝕孔組合的致密儲層孔喉結構最佳，溶蝕孔和晶間孔及微裂縫組合孔喉結構次之。

(2) 采用束縛水膜厚度法確定了沙河子組致密儲層臨界喉道半徑下限為40 nm，對應的滲透率下限值為0.02×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度下限值分別為2.7%和4.5%。

(3) 聯(lián)合大孔比例-可動性拐點法、試氣產(chǎn)能法分巖性確定了沙河子組致密儲層分級評價標準，I類和II類儲層滲透率劃分界限為0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度界限分別為5.6%和7.5%。

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編輯 劉 巍

20160106；改回日期：20160328

中國石油天然氣股份有限公司科學研究與技術開發(fā)攻關項目“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開發(fā)關鍵技術研究與現(xiàn)場試驗”(2012E-2603)

王曉蓮(1979-)，女，工程師，2002年畢業(yè)于吉林大學經(jīng)濟信息管理專業(yè)，現(xiàn)從事沙河子組致密氣儲層評價工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.027

TE122

A

1006-6535(2016)03-0113-05