東海西湖凹陷致密砂巖氣藏高含水特征及產(chǎn)水機(jī)理探討

鐘 韜 夏 瑜 劉創(chuàng)新 單理軍 高紅艷

中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司

關(guān)鍵字 西湖凹陷 致密砂巖氣藏 高含水特征 產(chǎn)水特征 產(chǎn)水機(jī)理

0 引言

致密砂巖氣藏幾乎遍布世界所有產(chǎn)氣盆地，我國(guó)致密砂巖氣藏也具有分布范圍廣、地質(zhì)儲(chǔ)量大的特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)通常將絕對(duì)滲透率小于或等于1 mD，孔隙度小于或等于12%，含水飽和度大于等于40%的氣藏定義為致密氣藏[1]。近年來(lái)西湖凹陷已成為東海陸架盆地油氣勘探開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，古近系始新統(tǒng)平湖組和漸新統(tǒng)花港組是主要目的層系。三角洲沉積體系的普遍發(fā)育使得砂巖儲(chǔ)層分布廣泛[2]，但由于儲(chǔ)層埋深大，成巖演化程度高，導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化，氣藏類型以致密氣藏為主，并且探井壓裂測(cè)試以及開(kāi)發(fā)階段氣藏產(chǎn)水現(xiàn)象普遍，產(chǎn)水問(wèn)題嚴(yán)重制約著西湖凹陷致密砂巖氣藏的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)，氣藏高含水特征及地質(zhì)成因機(jī)理不清，產(chǎn)水機(jī)理尚不明確。鄂爾多斯盆地、四川盆地致密砂巖氣藏開(kāi)發(fā)均存在出水問(wèn)題，不少學(xué)者針對(duì)致密砂巖氣藏孔隙水的賦存狀態(tài)及產(chǎn)水特征進(jìn)行了研究[3-6]。本文從巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)和“雙飽和度”測(cè)井評(píng)價(jià)方法入手，分析氣藏高含水特征，并明確氣藏高含水地質(zhì)成因，最后探討氣藏產(chǎn)水機(jī)理，為西湖凹陷致密氣藏經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)和有效防水治水提供依據(jù)。

1 氣藏基本特征

西湖凹陷致密砂巖氣藏儲(chǔ)層沉積微相以辮狀河三角洲平原分流河道為主，砂巖縱向多期疊置，橫向連片分布，砂巖厚度20～60 m，巖石類型主要為長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖。氣藏儲(chǔ)層孔隙度8%～12%，地面空氣滲透率0.1～1.0 mD。氣藏類型主要為背斜型邊水氣藏，氣藏壓力系數(shù)1.1～1.5，天然氣組分以甲烷為主，不含凝析油，氣井自然產(chǎn)能一般＜0.5h104m3/d，絕大多數(shù)氣井需要經(jīng)過(guò)壓裂改造才能獲得工業(yè)氣流。

2 氣藏高含水特征

致密砂巖氣藏儲(chǔ)層孔隙中的原生水由束縛水和可動(dòng)水組成，束縛水包含黏土礦物吸附水以及微細(xì)孔喉內(nèi)由毛細(xì)管力束縛的毛細(xì)管水，可動(dòng)水則主要賦存于較大孔喉內(nèi)。利用核磁共振實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層束縛水飽和度已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，一般而言致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜且喉道細(xì)小，從而具有較高的束縛水飽和度[7]。西湖凹陷致密砂巖巖芯樣品飽含水核磁共振實(shí)驗(yàn)T2譜具有明顯的“雙峰”分布特征（圖1），左峰面積代表束縛流體含量，右峰面積代表可動(dòng)流體含量，左峰和右峰面積相當(dāng)，表明致密砂巖微細(xì)孔喉比例較高，且經(jīng)離心后左峰的分布范圍及面積變化較小，說(shuō)明被微細(xì)孔喉所控制的流體難以流動(dòng)，造成束縛水含量高，而離心后右峰面積減小明顯，說(shuō)明賦存于大孔喉中的流體可流動(dòng)性強(qiáng)。根據(jù)26個(gè)樣品核磁共振實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（圖2），顯示致密砂巖束縛水飽和度均大于40%，說(shuō)明西湖凹陷致密砂巖氣藏儲(chǔ)層中具有高束縛水飽和度特征。束縛水飽和度隨著滲透率降低而明顯升高，絕對(duì)滲透率＜0.1 mD的樣品，束縛水飽和度普遍＞60%，含氣飽和度上限值最高僅為40%，基本無(wú)開(kāi)發(fā)價(jià)值；絕對(duì)滲透率介于0.1～1.0 mD的樣品，束縛水飽和度介于40%～61%，含氣飽和度上限值最高為60%，具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。

圖1 西湖凹陷致密砂巖典型核磁共振分布特征

圖2 核磁共振實(shí)驗(yàn)分析致密砂巖滲透率與束縛水飽和度關(guān)系

在利用核磁共振實(shí)驗(yàn)確定束縛水飽和的基礎(chǔ)上，再利用“雙飽和度”方法評(píng)價(jià)致密氣藏的可動(dòng)水飽和度，其原理為：①根據(jù)核磁共振技術(shù)測(cè)定的束縛水飽和度建立其與孔隙度和滲透率之間的關(guān)系模型；②根據(jù)建立的模型結(jié)合常規(guī)測(cè)井計(jì)算的物性參數(shù)得出束縛水飽和度曲線；③將常規(guī)測(cè)井解釋出的原始含水飽和度與束縛水飽和度疊合，如果兩條曲線出現(xiàn)分異則表明存在可動(dòng)水，其差值為可動(dòng)水飽和度。通過(guò)“雙飽和度”模型計(jì)算，西湖凹陷致密砂巖氣藏具有高可動(dòng)水飽和度特征（表1），可動(dòng)水飽和度普遍大于10%，某些氣藏可動(dòng)水飽和度甚至超過(guò)20%。

表1 西湖凹陷典型組致密砂巖氣藏測(cè)井計(jì)算含水飽和度結(jié)果

因此，西湖凹陷致密砂巖氣藏高含水特征主要體現(xiàn)為“雙高”特征，即高束縛水飽和度和高可動(dòng)水飽和度。參考國(guó)內(nèi)陸上致密砂巖氣藏產(chǎn)水量與可動(dòng)水飽和度的關(guān)系[8]，含有可動(dòng)水是造成氣藏出水的主要原因，當(dāng)可動(dòng)水飽和度大于6%，氣藏會(huì)不同程度產(chǎn)水（圖3）。據(jù)此分析認(rèn)為，西湖凹陷致密氣藏較高的可動(dòng)水飽和度是造成氣藏產(chǎn)水的重要原因。

圖3 可動(dòng)水飽和度與氣井產(chǎn)水量關(guān)系（引自文獻(xiàn)[7]）

3 氣藏高含水地質(zhì)成因

前人研究認(rèn)為當(dāng)孔喉半徑小于0.2 μm后，毛細(xì)管阻力會(huì)快速增大，天然氣充注時(shí)氣相難以進(jìn)入其控制的孔隙內(nèi)[4]。壓汞實(shí)驗(yàn)分析表明，西湖凹陷致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)具有孔喉總體細(xì)小、微細(xì)孔喉發(fā)育的特征， 3個(gè)典型樣品的孔喉半徑均＜1 μm，并且以＜0.5 μm的微細(xì)孔喉為主，其中孔喉半徑＜0.2 μm的微細(xì)孔喉占總孔喉的比例為30%～45%，微細(xì)孔喉保存了大量的原生地層水不能被后期天然氣驅(qū)替而形成束縛水（圖4）。因此，儲(chǔ)層微細(xì)孔喉發(fā)育決定了西湖凹陷致密砂巖氣藏高束縛水飽和度的特征。

圖4 西湖凹陷典型致密砂巖樣品壓汞孔喉分布特征

根據(jù)天然氣成藏時(shí)間與儲(chǔ)層成巖演化關(guān)系分析，花港組主成藏期為中成巖階段A期末至中成巖階段B期，而此時(shí)儲(chǔ)層已較致密。天然氣成藏時(shí)，首先進(jìn)入大喉道控制的孔隙中，如果氣源充足，天然氣將逐漸進(jìn)入較小喉道控制的孔隙。應(yīng)用儲(chǔ)層中含烴包裹體豐度（GOI）值可以反映油氣在儲(chǔ)層中的運(yùn)聚范圍和充注強(qiáng)度[9]， GOI大于5%為充注強(qiáng)度大的油氣層，GOI介于2%～5%為充注強(qiáng)度相對(duì)較低的油氣層，GOI小于2%則為充注強(qiáng)度弱的油（氣）水同層或水層。包裹體分析測(cè)得西湖凹陷致密砂巖中含烴包裹體豐度（GOI）為1%～4%，說(shuō)明致密砂巖成藏時(shí)，由于儲(chǔ)層較致密，天然氣充注程度不高，僅能充注進(jìn)入大孔喉中并以以分散狀氣泡的形式分布于其中，大孔喉中未被驅(qū)替的地層水由于所受毛管力較小而成為可動(dòng)水，與天然氣形成氣水互封狀態(tài)。

4 氣藏產(chǎn)水特征及機(jī)理討論

4.1 氣藏產(chǎn)水特征

近年來(lái)西湖凹陷針對(duì)致密砂巖氣層的探井壓裂測(cè)試除一口井外，均不同程度出水，單井壓后出水量14～205 m3/d不等。另外，大多數(shù)探井壓裂效果并不理想，除了H-2氣田H-2-1井壓裂后獲得了較好的產(chǎn)能，其他井壓裂后產(chǎn)能并未獲得明顯提高。該井H8氣藏壓裂測(cè)試段利用“雙飽和度”模型解釋的可動(dòng)水飽和度曲線圖5，計(jì)算可動(dòng)水飽和度為4.1%～15.2%，平均10.9%，類比圖3可動(dòng)水飽和度與產(chǎn)水量關(guān)系，可動(dòng)水飽和度在10%左右應(yīng)該有25～40 m3的日產(chǎn)水量，這與該井H8層壓裂后產(chǎn)氣量5.33h104m3/d，產(chǎn)水量達(dá)到41 m3/d的實(shí)際情況相吻合。

圖5 H2-1井H8層 雙飽和度 測(cè)井解釋結(jié)果

而致密氣藏開(kāi)發(fā)階段具有壓裂后即見(jiàn)水、氣水同出、產(chǎn)水量長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的特征。以T-5井H5氣藏為例，氣藏平均孔隙度10.3%，平均滲透率0.78 mD，由于儲(chǔ)層致密，該井加砂壓裂前常規(guī)射孔完井不能生產(chǎn)，2009年11月加砂壓裂，初期產(chǎn)氣量可達(dá)7.3h104m3/d，但壓裂后立即見(jiàn)水，平均產(chǎn)水量＜10 m3/d，生產(chǎn)壓差6～8 MPa，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較短，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間不到1年（圖6）。

4.2 產(chǎn)水機(jī)理探討

西湖凹陷致密儲(chǔ)層較大孔喉中可動(dòng)水與天然氣呈互封狀態(tài)，在測(cè)試及生產(chǎn)過(guò)程中，由于氣藏和井筒形成壓差，天然氣會(huì)急劇膨脹并推動(dòng)與之共存的可動(dòng)水流通并向井筒流動(dòng)，形成氣水同出的生產(chǎn)特征，而且壓差越大，可動(dòng)水越容易流動(dòng)。從H-2氣田H8氣藏相對(duì)滲透率曲線可以看出（圖7），樣品a滲透率0.647 mD，其臨界水飽和度為53.2%，樣品b滲透率0.453 mD，其臨界水飽和度為55.3%，而該氣藏含水飽和度為59.8%，含水飽和度高于臨界水飽和度，在壓差的驅(qū)動(dòng)下，氣藏內(nèi)的可動(dòng)水隨天然氣一起流動(dòng)，形成氣水同出。另外，浮力是天然氣成藏的主要?jiǎng)恿Γ鴾y(cè)試及開(kāi)發(fā)過(guò)程中生產(chǎn)壓差遠(yuǎn)大于成藏時(shí)的浮力，比如通過(guò)浮力計(jì)算公式算得H-2氣田H8氣藏成藏時(shí)天然氣浮力僅為0.35 MPa，因而成藏時(shí)浮力無(wú)法驅(qū)替的微細(xì)孔喉中的部分束縛水在測(cè)試及生產(chǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)化為可動(dòng)水，而且生產(chǎn)壓差越大，束縛水轉(zhuǎn)化為可動(dòng)水的比例越大，加劇氣井產(chǎn)水程度。

圖6 T-5井H5氣藏生產(chǎn)曲線特征

圖7 西湖凹陷H-2氣田H8氣藏相對(duì)滲透率曲線

西湖凹陷目前的致密氣藏開(kāi)發(fā)井生產(chǎn)壓差普遍為6～12 MPa，而且生產(chǎn)壓差越大，氣井水氣比越高（表2）。葉禮友等[10]通過(guò)對(duì)致密砂巖氣藏滲流規(guī)律研究認(rèn)為，氣、水兩相滲透率受壓力梯度影響，隨著壓力梯度的增加，水相滲流能力升高，氣相滲流能力降低。張偉等[11]通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地蘇東致密氣藏產(chǎn)水原因及控水生產(chǎn)研究，認(rèn)為隨著生產(chǎn)壓差增大，水氣比逐漸增大，如果生產(chǎn)壓差大于7 MPa，氣井產(chǎn)水量會(huì)迅速增大，穩(wěn)產(chǎn)期縮短，調(diào)整生產(chǎn)壓差為5～7 MPa后氣井穩(wěn)產(chǎn)期明顯延長(zhǎng)。西湖凹陷致密砂巖氣藏與蘇里格氣田東部致密砂巖氣藏有相似的地質(zhì)特征（表2），因此借鑒國(guó)內(nèi)含水致密砂巖氣藏的研究認(rèn)識(shí)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[10-11]，認(rèn)為控制合理的生產(chǎn)壓差能有效降低高含水致密砂巖氣藏大量產(chǎn)水的風(fēng)險(xiǎn)并提高氣井穩(wěn)產(chǎn)期，建議針對(duì)西湖凹陷部分生產(chǎn)壓差較大且水氣比高的井，可適當(dāng)降低生產(chǎn)壓差，合理配產(chǎn)，盡可能延長(zhǎng)氣井穩(wěn)產(chǎn)期。

5 結(jié)論

西湖凹陷致密砂巖氣藏高含水特征主要表現(xiàn)為高束縛水飽和度以及高可動(dòng)水飽和度，儲(chǔ)層微細(xì)孔喉發(fā)育以及成藏時(shí)天然氣充注程度低是造成氣藏高含水的主要地質(zhì)成因。目前西湖凹陷致密砂巖氣藏生產(chǎn)壓差過(guò)大是導(dǎo)致氣藏大量產(chǎn)水的重要原因，建議適當(dāng)降低生產(chǎn)壓差，降低產(chǎn)水對(duì)氣井穩(wěn)產(chǎn)的影響，延長(zhǎng)氣井穩(wěn)產(chǎn)期。

表2 西湖凹陷致密氣藏與蘇里格氣田東區(qū)氣藏特征對(duì)比