鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊盒8段致密砂巖儲(chǔ)層天然氣低產(chǎn)原因剖析

徐延勇，韓旭，張兵，陸小霞

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011）

0 引 言

2018年中國(guó)天然氣消費(fèi)量同比增長(zhǎng)16.6%，對(duì)外依存度達(dá)到45.3%，天然氣能源安全形勢(shì)嚴(yán)峻。中國(guó)致密氣分布廣泛、資源豐富，開(kāi)發(fā)致密氣是增加天然氣自給能力，保障能源安全的重要途徑之一［1］。

為了提高致密氣產(chǎn)量，學(xué)者們基于鄂爾多斯、塔里木、四川等盆地致密氣探索，指出致密氣藏具有低資源豐度、低孔隙度、低滲透率、異常壓力、高含水飽和度等特點(diǎn)［2-3］，并針對(duì)致密氣特點(diǎn)，開(kāi)展了一系列致密氣開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究，包括精細(xì)氣藏描述、井網(wǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、鉆完井以及增產(chǎn)改造等［4-5］。然而，由于致密氣藏具有強(qiáng)非均質(zhì)性，各區(qū)致密儲(chǔ)層既有共性又有特殊性，實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)必須厘清儲(chǔ)層基本特征，并制定相應(yīng)的鉆井、壓裂、排采措施。本次研究對(duì)象位于鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊，盒8段為區(qū)內(nèi)主力儲(chǔ)層，致密砂巖氣儲(chǔ)量豐富，約占地質(zhì)資源總量的13%。前期勘探工作表明，該儲(chǔ)層壓裂試氣效果不佳，直井平均產(chǎn)氣量為5 000 m3/d，水平井單井產(chǎn)氣量不足10 000 m3/d，難以有效動(dòng)用資源量，嚴(yán)重制約該區(qū)規(guī)模性開(kāi)發(fā)。因此，盒8段致密砂巖層氣井低產(chǎn)原因是當(dāng)前區(qū)塊高效開(kāi)發(fā)亟待查明的關(guān)鍵問(wèn)題。在此背景下，本次研究力爭(zhēng)通過(guò)目標(biāo)儲(chǔ)層分析，查明儲(chǔ)層特性，明確儲(chǔ)層敏感性，據(jù)此優(yōu)化工程施工，包括鉆井工藝、壓裂液工藝、返排制度等，以期提高研究區(qū)盒8段單井產(chǎn)量。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶上（圖1），氣藏類型屬構(gòu)造背景下的巖性氣藏［6-7］。近年來(lái)，致密砂巖氣的勘探工作取得顯著成效，上古生界石盒子組盒8段是該區(qū)塊的主要目的層，受沉積環(huán)境影響，盒8段呈現(xiàn)網(wǎng)狀或交織狀分流河道沉積特征，分流河道沉積占主導(dǎo)，分流河道間沉積相對(duì)不發(fā)育，多期河道彼此疊置形成巨厚型砂［8-9］。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育3條主河道，砂體呈近南北向展布，且厚度較大，一般為2.8～42.3 m，平均22.3 m，連續(xù)性較好，為致密砂巖氣富集提供了有利條件。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)薄片鑒定資料，盒8段儲(chǔ)層巖石類型主要為巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖（圖2）。儲(chǔ)層石英平均體積分?jǐn)?shù)68.50%，巖屑平均體積分?jǐn)?shù)24.60%，長(zhǎng)石平均體積分?jǐn)?shù)6.90%。由巖心觀察結(jié)果可知，盒8段儲(chǔ)層以中-粗粒砂巖為主，粗-巨粒砂巖次之，分選磨圓度中等-好，多為次棱角狀、次棱角-次圓狀、次圓狀。

受沉積物源影響，盒8段巖屑平均體積分?jǐn)?shù)24.60%。巖屑組分以變質(zhì)巖巖屑為主，其中石英巖巖屑和片巖巖屑占49.37%，火成巖巖屑次之，其中酸性噴發(fā)巖約占22.15%（表1）。石英類顆粒體積分?jǐn)?shù)明顯偏低，平均體積分?jǐn)?shù)31.31%，塑性組分（片巖、泥巖、云母）體積分?jǐn)?shù)較高，平均40.48%（表2）。

表2 研究區(qū)碎屑顆粒體積分?jǐn)?shù)Tab.2 Detrital grains content in the study area %

X-衍射分析表明，盒8段黏土礦物較多，平均占比為20%，主要有高嶺石、伊利石、綠泥石、伊利石/蒙皂石（I/S）混層4類。其中I/S混層占比最大，約為37.47%，其次高嶺石，為30.47%。黏土礦物組合類型為伊利石/蒙皂石+伊利石+高嶺石+綠泥石。

2.2 物性特征

盒8段儲(chǔ)層整體表現(xiàn)為典型的“低孔、低滲”特征。由163塊巖心測(cè)試結(jié)果可知，孔隙度主要分布在4%～6%間，呈正態(tài)分布，平均孔隙度為5.53%；滲透率為（0.1～0.5）×10-3μm2，平均0.184×10-3μm2；孔隙度和滲透率具有一定的線性相關(guān)性，但部分低孔隙度儲(chǔ)層仍表現(xiàn)出較好的滲透性（圖3）。

圖3 儲(chǔ)層物性特征Fig.3 Physical property of the reservoir

儲(chǔ)層滲透率的變異系數(shù)和突進(jìn)系數(shù)是表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性的重要參數(shù)［10-11］。研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層變異系數(shù)為0.121～53.578，平均3.517；突進(jìn)系數(shù)為1.00～7.04，平均2.495，表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

2.3 孔隙特征

由于后期較強(qiáng)烈的壓實(shí)、膠結(jié)等作用改造，盒8段原生孔隙大量減少，后期溶蝕、交代作用等產(chǎn)生的次生孔隙為儲(chǔ)層的主要孔隙類型。由常規(guī)薄片、鑄體薄片和掃描電鏡觀察結(jié)果可知，溶孔是盒8段主要儲(chǔ)集空間類型，主要包括粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔，其中粒間溶孔又以膠結(jié)物溶孔為主，約占總孔隙的60%。長(zhǎng)石溶孔也較常見(jiàn)，但發(fā)育程度不高，對(duì)儲(chǔ)層有效孔隙度的貢獻(xiàn)一般小于1%，對(duì)儲(chǔ)集性能改善作用不明顯（圖4）。

圖4 儲(chǔ)層主要孔隙類型Fig.4 Main types of pores in the reservoir

儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)主要由孔隙和喉道組成，喉道是連通兩個(gè)孔隙的狹窄通道，對(duì)儲(chǔ)層的滲流能力起著決定性作用［12-13］。由壓汞試驗(yàn)結(jié)果可知，盒8段儲(chǔ)層排驅(qū)壓力為0.36～2.11 MPa，平均1.05 MPa；中值壓力為10.10～92.90 MPa，均值為45.93 MPa。總體表現(xiàn)為高排驅(qū)壓力和中值壓力，儲(chǔ)層滲透性較差。最大進(jìn)汞飽和度為19.80%～74.60%，平均47.52%，退汞效率平均為21.57%，反映儲(chǔ)層滲透性較差且孔隙之間的連通性較差。分選系數(shù)均值為2.19，儲(chǔ)層表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性（表3）。綜上，盒8段儲(chǔ)層總體表現(xiàn)為高排驅(qū)壓力、細(xì)孔喉、強(qiáng)非均質(zhì)性等特點(diǎn)。

表3 儲(chǔ)層壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Tab.3 Results of the pressured-mercury testing on the reservoir

毛管壓力特征曲線顯示，平臺(tái)不明顯，以陡斜式為主，缺少與縱軸平行的束縛水飽和度，孔喉分選差，屬于低滲、特低滲型毛管壓力曲線（圖5）。

3 儲(chǔ)層敏感性評(píng)價(jià)

3.1 速敏性分析

速敏是指由于流體流動(dòng)速度變化引起儲(chǔ)層巖石中微粒運(yùn)移，堵塞喉道，導(dǎo)致巖石滲透率或有效滲透率下降的現(xiàn)象。通常采用臨界流速和滲透率降低程度（即損害率）2個(gè)參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層速敏性進(jìn)行評(píng)價(jià)［14］。

速敏試驗(yàn)結(jié)果表明，巖樣的平均速敏損害率達(dá)45%，屬于中等偏強(qiáng)速敏。由于所取樣本有限，并不能說(shuō)明損害程度與原始滲透率有直接關(guān)系，因此以滲透率損害率超過(guò)20%（滲透率比值低于80%）時(shí)的上一試驗(yàn)流速作為此試驗(yàn)的臨界流速［15］。本次試驗(yàn)的臨界流速約為0.1 mL/min（圖6）。此外，盒8段巖石學(xué)特征分析結(jié)果表明，

儲(chǔ)層含黏土礦物較多，其中高嶺石占30.47%，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，高嶺石顆粒更容易被沖刷、運(yùn)移，形成橋堵，引起儲(chǔ)層速敏。兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了本研究?jī)?chǔ)層速敏較強(qiáng)。

3.2 水敏性分析

與地層不配伍的外來(lái)流體進(jìn)入儲(chǔ)層后，引起儲(chǔ)層中黏土礦物膨脹、分散、遷移、堵塞，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層滲透率下降，稱為水敏［16-17］。盒8段水敏、鹽敏和黏土膨脹試驗(yàn)結(jié)果顯示（表4），平均水敏滲透率損害率為78.6%，巖樣表現(xiàn)出強(qiáng)水敏性。并且，從鹽度反應(yīng)而言，降低鹽水礦化度極易產(chǎn)生滲透率損害。X-ray衍射分析結(jié)果顯示，研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層含黏土礦物中I/S混層占比最大，約為37.47%，是造成儲(chǔ)層強(qiáng)水敏的主要原因。

表4 水敏試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Tab.4 Analyses of the water sensitivity testing

式中：Dw為水敏滲透率損害率，%；Kw為水敏試驗(yàn)中去離子水對(duì)應(yīng)的巖樣滲透率，10-3μm2；Ki為水敏試驗(yàn)中初始流體對(duì)應(yīng)的巖樣滲透率，10-3μm2。

3.3 應(yīng)力敏感性分析

應(yīng)力敏感性是指施加一定有效應(yīng)力時(shí)，巖樣的物性參數(shù)隨應(yīng)力變化而改變的性質(zhì)［18-19］。對(duì)于低滲透儲(chǔ)層，應(yīng)力敏感性對(duì)滲透率損害比對(duì)孔隙度的損害更大［20-21］。應(yīng)力敏感性引起的滲透率損害是不可逆的，通常采用應(yīng)敏滲透率損害率作為應(yīng)力敏感性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：Dk3為應(yīng)力恢復(fù)至第一個(gè)應(yīng)力點(diǎn)后產(chǎn)生的滲透率損害率；K′1為第一個(gè)應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巖樣滲透率，10-3μm2；K1r為應(yīng)力恢復(fù)至第一個(gè)應(yīng)力點(diǎn)后的巖樣滲透率，10-3μm2。

盒8段應(yīng)力敏感性試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果顯示，應(yīng)力敏感性引起的滲透率損害率為31.48%～53.83%，平均42.67%，巖樣表現(xiàn)為中等偏弱的應(yīng)力敏感性（表5，圖7）。

圖7 應(yīng)力壓敏性試驗(yàn)曲線Fig.7 Curves of the stress sensitivity testing

表5 應(yīng)力敏感性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Tab.5 Analyses the stress sensitivity testing

4 低產(chǎn)原因分析

4.1 儲(chǔ)層物性較差，地質(zhì)條件受限

研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層巖心孔隙度主要為4%～6%，平均5.53%，滲透率主要為0.1～0.5 mD，平均0.184 mD；三軸覆壓平均孔隙度為4.42%，三軸覆壓平均滲透率為0.07 mD，僅為地面滲透率的10%。由此，地層條件下儲(chǔ)層更趨于致密，表現(xiàn)出明顯的“低孔、低滲”特征。此外，盒8段儲(chǔ)層也表現(xiàn)出高排驅(qū)壓力、細(xì)孔喉、強(qiáng)非均質(zhì)性等特點(diǎn)。巖石組成中塑性組分（片巖、泥巖、云母）含量較高，平均高達(dá)40.48%。這一系列特征決定了儲(chǔ)層地質(zhì)條件受限是造成單井產(chǎn)量低的原因之一。

4.2 儲(chǔ)層敏感性強(qiáng)，工藝尚需深入研究

儲(chǔ)層中含有黏土礦物較多，平均占比20%，其中以高嶺石和伊蒙混層為主，占黏土礦物總量的67.94%。此類黏土礦物導(dǎo)致儲(chǔ)層呈現(xiàn)較強(qiáng)的速敏及強(qiáng)水敏特征。此外，儲(chǔ)層也表現(xiàn)出強(qiáng)壓敏特征。因此，為了提高氣井產(chǎn)量，在現(xiàn)場(chǎng)施工操作中，需嚴(yán)格控制鉆井液配伍性和鉆井周期、壓裂液配方和壓裂返排時(shí)間、放噴油嘴及試氣、試采階段井底壓差等，減少儲(chǔ)層損害（表6）。

表6 不同液體體系下的巖心損害程度Tab.6 Core damage degrees under different liquid systems

5 結(jié) 論

（1）研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層表現(xiàn)出典型的低孔、低滲、高排驅(qū)壓力和中值壓力、較強(qiáng)非均質(zhì)性等特征，在此基礎(chǔ)上儲(chǔ)層表現(xiàn)出中等偏強(qiáng)速敏、強(qiáng)水敏、中等偏弱應(yīng)力敏感性，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)氣井低產(chǎn)。

（2）儲(chǔ)層巖石類型以巖屑石英砂巖為主，塑性組分含量較高且以黏土礦物為主，導(dǎo)致儲(chǔ)層表現(xiàn)出強(qiáng)水敏、應(yīng)力敏感性及速度敏感性，對(duì)儲(chǔ)層壓裂作業(yè)改造帶來(lái)較大影響。

（3）在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，需綜合考慮儲(chǔ)層特性，使用高效清潔壓裂液體系，減少壓裂返排過(guò)程中對(duì)儲(chǔ)層的損害，同時(shí)控制排采速度在0.1 mL/min以下，提高氣井產(chǎn)量，有效釋放盒8段產(chǎn)能。