延安氣田北部山1段儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)對可動流體賦存的影響

劉江斌,李文厚,吳小斌,崔宏俊,高其宇

(1.延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境工程學(xué)院, 陜西 延安 716000;2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069;3.陜西延長石油油氣勘探公司 采氣一廠,陜西 延安 716000)

致密砂巖氣為非常規(guī)天然氣勘探的重要領(lǐng)域[1]，中國致密砂巖的大氣田主要分布在鄂爾多斯盆地、四川盆地和塔里木盆地[2]。蘇里格氣田和大牛地氣田的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著鄂爾多斯盆地上古生界天然勘探取得重大突破,經(jīng)過不斷的創(chuàng)新和發(fā)展,建成了中國最大的整裝氣田——蘇里格氣田[3],形成以二疊系石盒子組盒8段為主要層段的上古生界致密砂巖氣的生產(chǎn)格局[4]。延長油田的天然氣探區(qū)位于陜北斜坡的東南部,隨著勘探工作的不斷深入，在上古生界石盒子組和山西組取得了突破[5]。延安氣田處于延長石油天然氣探區(qū)的中部,目前已建成以山西組山2段為主要產(chǎn)層的天然氣開發(fā)模式,天然氣穩(wěn)產(chǎn)面臨較大壓力。延安氣田山1段儲量的動用程度不高,但其開采難度大,流體賦存特征認(rèn)識不足,直接制約著山1段致密砂巖氣的開發(fā)。因此，急需對其開展深入研究,以明確孔隙中流體的賦存特征,進(jìn)一步指導(dǎo)天然氣的高效開發(fā)。

致密儲層的孔喉尺寸小，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強[6],儲層孔隙結(jié)構(gòu)的精細(xì)刻畫成為致密儲層研究的關(guān)鍵內(nèi)容。目前已形成的場發(fā)射掃描電鏡、聚焦離子束場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡、CT掃描、氣體吸附、高壓/恒速壓汞等技術(shù)，有力地推動了致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)的研究。恒速壓汞技術(shù)在表征致密儲層的孔隙、喉道特征等精細(xì)分析方面得到了較好的應(yīng)用,相比常規(guī)高壓壓汞有著明顯的優(yōu)勢[7-10]。核磁共振技術(shù)用來表征致密儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)和流體特征,是表征孔隙流體賦存特征的重要手段,其反映出的可動流體飽和度對致密油氣的開發(fā)有著重要意義[11]。核磁共振技術(shù)具有直觀、迅速的優(yōu)勢,在評價可動流體賦存特征方面得到了良好應(yīng)用[12-15]?？蓜恿黧w賦存特征方面的研究成果認(rèn)為，孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、黏土礦物、次生孔隙的發(fā)育、壓實作用等因素影響著可動流體的賦存狀態(tài)[16]。目前，對鄂爾多斯盆地可動流體賦存特征的研究主要集中在中生界延長組,對古生界致密砂巖儲層的研究相對較少,特別對延安氣田山1段儲層的可動流體的賦存特征仍缺乏研究。因此，選取延安氣田北部典型區(qū)塊為研究對象,通過鑄體薄片、掃描電鏡、恒速壓汞、核磁共振等實驗方法,分析其儲層的巖石學(xué)特征、孔隙類型、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、可動流體賦存特征,研究儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)對可動流體賦存的影響,以期準(zhǔn)確有效地評價儲層,進(jìn)一步指導(dǎo)該區(qū)塊致密砂巖氣的勘探開發(fā)工作。

1 儲層巖石學(xué)特征

鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了早古生代海相沉積時期[17],逐步進(jìn)入由海陸過渡相到陸相的晚古生代時期,二疊系山西期自北向南依次發(fā)育河流相、三角洲平原相、三角洲前緣相[18-19]。延安地區(qū)二疊紀(jì)山西期發(fā)育三角洲前緣相,水下分流河道砂體為良好的儲集體。

延安氣田北部山1段儲層主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖,砂巖以中粒為主,次棱—次圓狀,顆粒分選較好,膠結(jié)方式為孔隙膠結(jié)。黏土礦物為主要的膠結(jié)物,其次為方解石、鐵方解石及少量硅質(zhì)。X衍射(XRD)結(jié)果表明，黏土礦物主要為伊利石,其次為綠泥石,高嶺石和伊/蒙間層礦物含量較少。伊/蒙間層比僅為10%,表明儲層成巖作用進(jìn)入了中成巖B期。儲層孔隙度為1.03%～10.15%,平均為5.6%;儲層滲透率為(0.01～11.98)×10-3μm2,平均為0.16×10-3μm2。

2 儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)

2.1 孔隙及喉道類型

樣品鑄體薄片顯示，山1儲層以溶蝕孔、晶間孔和微裂隙為主,原生粒間孔隙較少,平均面孔率在0.1%～2.8%,平均面孔率為1.6%,平均孔徑約為15 μm。溶蝕孔主要為巖屑溶孔(見圖1A)、粒間溶孔(見圖1B)及少量的長石溶孔。晶間孔(見圖1C)以高嶺石的晶間孔最為常見,如圖1F所示,高嶺石充填粒間孔,其礦物間形成晶間孔。薄片顯示，微裂隙多以斷續(xù)狀分布(見圖1D),縫寬基本上小于10 μm,偶見云母礦物受擠壓形成的微裂隙(見圖1E)。鑄體薄片及掃描電鏡顯示，研究區(qū)發(fā)育縮頸型喉道、片狀及彎片狀喉道。

A 巖屑溶孔(樣品1)；B 粒間溶孔(樣品3)；C 晶間孔(樣品1)；D 微裂隙(樣品6)；E 微裂隙(樣品4)；F 高嶺石充填孔隙(樣品5)

2.2 孔隙、喉道分布特征

恒速壓汞技術(shù)通過均勻進(jìn)汞時的壓力漲落來記錄和反映喉道和孔隙特征,分別獲得喉道、孔隙的毛管壓力曲線,在此基礎(chǔ)上計算孔隙、喉道參數(shù)及孔喉比[20]。本次測試共選用6個樣品,測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，其喉道半徑為0.3～24.34 μm,集中在0.4～1μm,主流喉道半徑為0.64～2.21 μm,平均喉道半徑為0.55～1.48 μm;孔隙半徑5～450 μm,集中分布在80～200 μm,平均孔隙半徑為113.32～190.81 μm。結(jié)合致密儲層的孔喉分類可知[21],其儲層具有中—大孔隙、微細(xì)喉道的特征。其總進(jìn)汞飽和度為47.55%～67.44%,平均孔喉比為141.48～320.44,孔喉比變化較大。平均喉道半徑、平均孔隙半徑與儲層物性的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，其平均喉道半徑、平均孔隙半徑與儲層孔隙度相關(guān)性較差,平均孔隙半徑與滲透率具有一定相關(guān)性,而平均喉道半徑與儲層滲透率相關(guān)性好,表明喉道為影響儲層滲流的主要因素。儲層滲流與儲層孔隙度相關(guān)性差,主要原因在于山1儲層的溶蝕孔和微裂隙發(fā)育,尤其是微裂隙在增加孔隙空間方面不明顯,卻能夠極大改善儲層的滲透性。此外，樣品孔喉比變化大可能與溶蝕孔和微裂隙發(fā)育有關(guān),溶蝕孔的發(fā)育，局部增加了孔隙空間,進(jìn)而加劇了孔隙與喉道的差異。

圖2 平均喉道、孔隙半徑與儲層物性的關(guān)系

表1 恒速壓汞及核磁共振結(jié)果

考慮到溶蝕及微裂隙對儲層的影響,依據(jù)恒速壓汞結(jié)果及鑄體薄片觀察，大致可將其劃分為晶間孔-溶蝕孔型、微裂隙型和溶蝕孔型。晶間孔-溶蝕孔型以樣品1、樣品5為代表。樣品1的喉道分布見圖3,其呈單峰,峰值對應(yīng)的喉道半徑為0.4 μm,主要集中在0.3～0.7 μm,主流喉道半徑為0.80 μm,平均喉道半徑為0.57 m,發(fā)育微細(xì)喉道;其孔隙分布呈多峰狀,可能與溶孔發(fā)育有關(guān),主要集中在95～165 μm,其平均孔隙半徑為128.46 μm;平均孔喉比為279.73。鑄體薄片分析此類儲層發(fā)現(xiàn)，其主要發(fā)育溶蝕孔、晶間孔,粒間溶蝕孔，微裂隙較少。樣品1鑄體薄片顯示，其巖屑溶孔為0.3%,晶間溶孔為0.2%;樣品5中除了0.3%的晶間孔,含0.1%的微裂隙。此類儲層微裂隙相對較少,儲層滲透性一般,孔喉比相對穩(wěn)定,平均孔喉比為275.63～279.73。

微裂隙型以樣品2、樣品4、樣品6為典型。樣品2的喉道分布如圖3所示,呈單峰分布,分布較寬(0.3～4.5 μm),主要集中在0.4～2.1 μm,主流喉道半徑為2.21 μm,平均喉道半徑為1.48 m;孔隙分布呈多峰狀,主要集中在90～145 μm,平均孔隙半徑為124.00 μm;平均孔喉比為141.48。儲層主要發(fā)育微裂隙,且連通性較好。溶蝕孔較少發(fā)育,造成儲層孔隙空間較小,孔隙與喉道差異較小,進(jìn)而造成其孔喉比相對較低,而由于微裂隙的溝通,該儲層滲透性能良好。樣品2的鑄體薄片僅見微裂隙發(fā)育,其體積分?jǐn)?shù)約為0.15%,微裂隙聯(lián)通性略好,面孔率低。樣品6中可見少量晶間孔及巖屑溶孔,仍以微裂隙為主,其體積分?jǐn)?shù)為0.5%。此類儲層發(fā)育微細(xì)、細(xì)喉道,儲集空間有限,儲層滲透性最好,局部受溶蝕孔影響,孔喉比變化明顯,平均孔喉比為141.48～320.11。

圖3 不同樣品的喉道半徑與孔隙半徑分布

溶蝕孔型以樣品3為代表,喉道分布如圖3所示,仍為單峰分布,主要集中在0.3～0.8 μm,0.3 μm的喉道占較高比例,主流喉道半徑為1.01 μm,平均喉道半徑為0.68 m;孔隙分布呈多峰狀,主要集中在55～155 μm,在55～85 μm仍占較多比例,與樣品1和樣品2明顯不同,此類孔隙對增加孔隙空間有重要意義。其平均孔隙半徑為124.00 μm;平均孔喉比為141.48。此類儲層主要發(fā)育溶蝕孔,溶蝕孔為巖屑溶孔、粒間溶孔及少量長石溶孔,溶蝕孔體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到為2.3%,晶間孔為0.2%,微裂隙為0.3%,面孔率最高,可達(dá)到2.8%。微裂隙連續(xù)性較差,原生粒間孔保存不好。喉道以縮頸喉道為主,儲層儲集性能最好,滲透性中等。

3 可動流體賦存特征

核磁共振技術(shù)根據(jù)流體氫原子核的磁性及與其在外加磁場下的響應(yīng)特征,經(jīng)過實驗測定、建立和分析不同的馳豫時間表現(xiàn)出的T2譜，從而研究儲層的孔隙及流體特征[22]。核磁共振數(shù)據(jù)還有另一個重要參數(shù)T2——馳豫時間截止值,當(dāng)馳豫時間大于T2截止值時,孔隙內(nèi)流體為可動流體,當(dāng)馳豫時間小于T2截止值時,孔隙內(nèi)流體為不可動流體,即為束縛流體[23]。T2截止值一般通過飽和地層水條件下的離心實驗獲得。通過離心實驗得出的研究區(qū)儲層的T2截止值為34 ms,6個樣品可動流體飽和度為14.82%～ 55.16 %,平均為32.23%(見表1)。樣品7的流體飽和度為18.9%,樣品8可動流體飽和度達(dá)到33%。樣品4反映的微裂隙型儲層可動流體飽和度達(dá)到最大。依據(jù)可動流體飽和度的評價標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)的儲層基本為中等、較差儲層,僅樣品4達(dá)到較好的標(biāo)準(zhǔn)。研究區(qū)儲層的T2譜分布如圖4所示,主要為單峰型和雙峰型。單峰型(樣品1、樣品4)未出現(xiàn)明顯臺階,主峰越偏左,可動流體飽和度越低(樣品1);主峰越偏右,可動流體飽和度越高(樣品4)。樣品大多呈雙峰型,頻譜分布較寬,曲線起伏明顯,均以左峰為主峰,左高右低。左峰越偏左,可動流體飽和度越低(樣品7)。樣品3和樣品8的左峰位于樣品7的右側(cè),因而可動流體飽和度要高于樣品7。樣品5雖然左峰與樣品7位置相當(dāng),但頻譜分布較為均勻,主峰優(yōu)勢不明顯,可動流體飽和度仍達(dá)到一定水平。

圖4 山1儲層樣品T2譜分布

4 孔隙結(jié)構(gòu)對可動流體賦存的影響

基于恒速壓汞及核磁共振測試,可研究不同儲層孔隙、喉道的發(fā)育對可動流體飽和度的影響。研究區(qū)儲層可動流體飽和度與平均喉道半徑呈較好的正相關(guān),與平均孔隙半徑呈一定程度的正相關(guān)(見圖5)。圖5表明，喉道和孔隙會對可動流體飽和度產(chǎn)生影響,而喉道為影響可動流體飽和度的關(guān)鍵參數(shù)。3種不同類型的儲層平均喉道半徑越大,可動流體飽和度越高。尤其以微裂隙型儲層可動流體飽和度最高,較大喉道的發(fā)育極大地降低了束縛水飽和度。微裂隙型儲層≥1.5 μm以上的喉道所占的比例明顯高于其他儲層,樣品4半徑≥1.5 μm的喉道體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到11%,而樣品樣1和樣品3的中半徑≥1.5 μm的喉道(細(xì)喉以上)體積分?jǐn)?shù)分別為2.81%和6.44%。裂隙型儲層可動流體飽和度高，其主要原因在于大于1.5 μm以上的喉道發(fā)育,盡管含量不高,卻能夠提高儲層的流動性能,降低流動阻力,進(jìn)而降低束縛水含量。同時，樣品4中，半徑≤0.3 μm的微喉道體積分?jǐn)?shù)約為8.58%，樣品2中含量更低，樣品1和樣品3中，半徑≤0.3 μm的微喉道的體積分?jǐn)?shù)約為15.7%以上，這表明半徑≤0.3 μm的微喉道占比越低，可動流體飽和度越高。同種類型的儲層如樣品1和樣品5中表現(xiàn)尤為明顯，可動流體飽和度差別的原因在于微喉道的發(fā)育。樣品5中,半徑≤0.3 μm的微喉道體積分?jǐn)?shù)約11.89%，低于樣品3中的占比，可動流體飽和度略高。儲層中，半徑≤0.3 μm的微喉道空間細(xì)小，連通復(fù)雜，毛管阻力增大，不利于流體流動，此類孔隙越發(fā)育，儲層束縛水飽和度就越高。晶間孔-溶蝕孔型及溶蝕孔型儲層，細(xì)喉以上的喉道占比較少,而微喉道含量較高,特別是局部溶蝕及細(xì)小晶間孔更是加劇了喉道的復(fù)雜性,因而可動流體飽和度偏低。

由圖5C可知，研究區(qū)儲層的平均孔喉比與可動流體飽和度呈負(fù)相關(guān),平均孔喉比越小,可動流體飽和度越高。其原因在于，平均孔喉比越大,孔隙與喉道尺寸差別就越大,流體進(jìn)出喉道的阻力也越大,流體不容易流動,易形成束縛水;反之，孔喉比越小,孔隙與喉道尺寸相當(dāng),流動阻力降低,可動流體飽和度增加。相對分選系數(shù)用來表征孔喉的分選性,致密砂巖中，分選系數(shù)越大，表明儲層中大孔隙的比例相對增高[24-25]。由圖5D可知，研究區(qū)儲層的相對分選系數(shù)與可動流體飽和度呈較好的正相關(guān)性,相對分選系數(shù)越高，可動流體飽和度越高，這表明大孔隙有利于流體的流動,改善了滲流能力,降低了束縛水的含量。

圖5 山1儲層孔喉參數(shù)與可動流體飽和度

5 結(jié)論

1)延安氣田北部山1段儲層主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖, 溶孔、晶間孔和微裂隙為主要的孔隙類型, 發(fā)育縮頸型喉道以及片狀、彎片狀喉道。

2)延安氣田北部山1段儲層樣品具有中—大孔隙、微細(xì)喉道的特征,喉道、孔隙的發(fā)育主要影響儲層的滲透性,喉道為影響儲層滲透性的關(guān)鍵因素,微裂隙及溶蝕影響孔隙、喉道的發(fā)育。研究區(qū)儲層可劃為晶間孔-溶孔型、微裂隙型、溶蝕孔型,微裂隙型儲層喉道半徑大,喉道頻譜分布寬,滲透性最好。

3)延安氣田北部山1段儲層可動流體飽和度為14.82%～55.16 %,平均為32.23%,微裂隙型儲層樣品可動流體飽和度最高。喉道半徑、孔隙半徑、孔喉比及分選性影響可動流體飽和度,以喉道半徑影響最為顯著,平均喉道半徑越大,特別是半徑≥1.5 μm的喉道占比越高,可動流體飽和度越高;半徑≤0.3 μm的微喉道比例越高,可動流體飽和度越低。分選系數(shù)越高,可動流體飽和度越高。