三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動(dòng)性特征

李 帥，楊勝來(lái)，王 爽，高鑫遠(yuǎn)，張 政，焦 寶，于家義

(1.中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.長(zhǎng)慶油田分公司 第五采油廠，陜西 西安 710200； 3.吐哈油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009)

引 言

近年來(lái)，三塘湖盆地二疊系條湖組致密沉凝灰?guī)r油藏成為了中國(guó)乃至世界上第一個(gè)勘探開發(fā)成功的凝灰?guī)r類致密油藏[1-2]，該油藏的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)極大地豐富了國(guó)內(nèi)外致密油藏勘探開發(fā)的內(nèi)涵，具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值[3-4]。

作為一類正處于開發(fā)早期、潛力巨大的新型致密油藏，明確儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和流體可動(dòng)性對(duì)于確定其儲(chǔ)集能力[5-7]、滲流能力[8-10]、開發(fā)方式和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)[11-12]等具有重要意義。目前，學(xué)者們關(guān)于致密油藏的孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動(dòng)性已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，如馬銓錚等[13]采用鑄體薄片、掃描電鏡等研究了蘆草溝組致密儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型和孔隙分布特征。黃興等[14]基于高壓壓汞和核磁共振等研究了致密油藏微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)水驅(qū)油的影響。周尚文等[15]利用高壓壓汞和核磁共振分析了致密油藏可動(dòng)流體飽和度。郭和坤等[16]運(yùn)用核磁共振和氣水高速離心法分析了致密油藏的孔隙結(jié)構(gòu)類型及可動(dòng)流體飽和度特征。前人在致密油藏孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動(dòng)性方面已經(jīng)取得大量成果，但仍存在以下問(wèn)題：①未對(duì)新型致密沉凝灰?guī)r油藏開展孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動(dòng)性的系統(tǒng)研究；②較少系統(tǒng)研究致密油藏孔隙結(jié)構(gòu)、流體可動(dòng)性及二者關(guān)系；③研究致密油藏孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動(dòng)性的方法相對(duì)單一。

鑒于此，本文以三塘湖盆地二疊系條湖組致密沉凝灰?guī)r油藏井下真實(shí)巖心為對(duì)象，采用多種實(shí)驗(yàn)手段分析了巖心的孔隙結(jié)構(gòu)、流體可動(dòng)性及二者關(guān)系，以期為系統(tǒng)認(rèn)識(shí)致密沉凝灰?guī)r儲(chǔ)層特征及開發(fā)方案的制定提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)巖心為具有代表性的井下真實(shí)巖心，取芯深度為2 644.18～2 712.34 m，共計(jì)13塊，編號(hào)依次為Z1─Z13。巖心直徑2.470～2.529 cm，長(zhǎng)度1.744～7.762 cm。巖心滲透率(0.026～0.125)×10-3μm2，平均為0.06×10-3μm2，孔隙度介于14.09%～22.64%，平均為18.29%。實(shí)驗(yàn)用油為煤油，室溫20 ℃時(shí)黏度為1 mPa·s，密度為0.795 kg/m3。實(shí)驗(yàn)用水根據(jù)地層水類型配制而成，為NaHCO3型，礦化度為9 000 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

巖心孔隙度、滲透率和高壓壓汞測(cè)試分別采用113型氦孔隙度儀、112型空氣滲透率儀和Poremaster PM-33-13壓汞儀；電鏡掃描采用COXEM-EM-30 Plus超高分辨率臺(tái)式掃描電鏡；鑄體薄片由北京日月石礦業(yè)有限公司制作完成，并采用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察和鑒定；離心機(jī)采用YXL-14B巖心分析離心機(jī)；核磁共振儀采用SPEC-PMR型核磁共振巖心分析儀；長(zhǎng)巖心水驅(qū)實(shí)驗(yàn)中，驅(qū)替泵為ISCO泵，中間容器、壓力傳感器、恒溫箱、高壓夾持器和液體計(jì)量裝置等均由江蘇海安石油科研儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

巖心孔隙度、滲透率和高壓壓汞測(cè)試參照SY/T5336—2006和 SY/T5346—2005，鑄體薄片和掃描電鏡測(cè)試參照SY/T6103—2004，核磁共振測(cè)試參照SY/T6490—2014。離心法結(jié)合核磁共振測(cè)試巖心可動(dòng)性的步驟為：①測(cè)試巖心完全飽和地層水時(shí)的核磁信號(hào)量及T2譜曲線；②測(cè)試巖心離心后的核磁信號(hào)量及T2譜曲線；③對(duì)比巖心離心前后核磁信號(hào)量的變化，求取巖心可動(dòng)流體飽和度及核磁T2截止值；④利用巖心核磁T2值與孔隙半徑r的關(guān)系，求取巖心可動(dòng)流體孔隙半徑下限。長(zhǎng)巖心水驅(qū)實(shí)驗(yàn)采取逐級(jí)升壓法，主要記錄不同壓差下的產(chǎn)液規(guī)律及最小水驅(qū)壓力梯度。

2 結(jié)果分析

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 鑄體薄片

鑄體薄片測(cè)試結(jié)果既可以反映巖石礦物組成，也可以反映巖石孔隙特征。Z1和Z2的鑄體薄片測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1知，條湖組致密巖心為(沉)凝灰?guī)r，礦物組成相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括凝灰質(zhì)、方解石和石英，基本不含黏土礦物。Z1和Z2的面孔率分別為6%和8%，孔隙主要由構(gòu)造縫、氣泡狀結(jié)構(gòu)和基質(zhì)微孔組成，其中Z1發(fā)育1條構(gòu)造縫，縫內(nèi)完全充填了方解石，Z2發(fā)育2條構(gòu)造縫，但縫內(nèi)未見(jiàn)方解石充填。沉凝灰?guī)r內(nèi)同樣可見(jiàn)大量的氣泡狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)充填著大量方解石單晶，而基質(zhì)內(nèi)既可見(jiàn)呈團(tuán)狀的鈣質(zhì)膠結(jié)，也可見(jiàn)漂浮分布的、呈次棱角狀-次圓狀、粒度多為粉砂的石英顆粒，基質(zhì)內(nèi)也發(fā)育了大量未充填的微孔。

圖1 鑄體薄片圖像

2.1.2 掃描電鏡

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)是觀察巖心微觀孔隙特征最直接有效的方法。Z3的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 掃描電鏡測(cè)試結(jié)果

圖2(a)為巖心端面局部放大500倍后的圖像，由圖可以明顯觀察到較為致密的基質(zhì)孔隙和數(shù)量較少但尺度相對(duì)較大的裂縫。圖2(b)是將該端面繼續(xù)放大1 000倍，此時(shí)裂縫形態(tài)相對(duì)較為清晰，但基質(zhì)孔隙仍然較為致密，無(wú)法清晰觀察。圖2(c)是將基質(zhì)部分繼續(xù)放大2 000倍觀察，此時(shí)部分孔隙呈明顯的氣泡狀結(jié)構(gòu)。圖2(d)是將裂縫部分放大了5 000倍，此時(shí)可以清楚地看到裂縫內(nèi)的方解石分布。圖2(e)─2(h)是分別將基質(zhì)部分放大5 000倍、6 000倍、7 000倍和10 000倍，可以看出當(dāng)觀測(cè)尺度足夠小時(shí)，基質(zhì)孔隙又可細(xì)分為更小的微尺度裂縫和微孔隙，但此時(shí)巖心的孔隙尺度已經(jīng)達(dá)到了微納米級(jí)。因此，整體而言，致密沉凝灰?guī)r孔隙主要由較大尺度的構(gòu)造縫、氣泡狀結(jié)構(gòu)以及微納米尺度的基質(zhì)微孔組成，其中基質(zhì)微孔體積在總孔隙體積中的比例最大，并處于絕對(duì)的主導(dǎo)地位。

2.1.3 高壓壓汞

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)是觀察巖心進(jìn)/退汞和孔喉分布特征的重要手段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 毛管壓力曲線

由圖3知，6塊巖心進(jìn)汞曲線的中間段不僅跨度大而且均較為平緩，說(shuō)明巖心內(nèi)孔隙分布集中，而分選系數(shù)介于0.976～1.174，平均僅為1.048，說(shuō)明巖心的孔隙分選性良好。巖心排驅(qū)壓力4.124～5.499 MPa，平均為4.354 MPa，孔喉半徑平均值0.060～0.081 μm，平均為0.069 μm，孔喉半徑中值0.065～0.090 μm，平均為0.073 μm，說(shuō)明巖心孔隙尺度整體屬于微納米級(jí)。巖心進(jìn)汞效率介于98.3%～98.9%，平均為98.6%，表明壓汞法能較為準(zhǔn)確地反映致密沉凝灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)，但巖心退汞效率30.6%～39.2%，平均為34.0%，說(shuō)明巖心孔隙內(nèi)毛管力滯留效應(yīng)非常明顯，這也是造成礦場(chǎng)壓裂液及注入水返排率低的重要原因。

不同巖心的孔喉半徑分布頻率及其滲透率貢獻(xiàn)曲線如圖4所示。

圖4 各孔喉的分布頻率及對(duì)滲透率貢獻(xiàn)率

由圖4知，巖心Z4、Z5、Z6和Z7中分布最多的孔隙尺度是0.063 μm，該尺度在各巖心總孔隙體積中的占比依次為28.0%，30.1%、38.8%和36.6%，在巖心Z8和Z9中，孔隙尺度0.063 μm和0.1 μm占巖心總孔隙體積的比例接近。結(jié)合本研究之前的多塊巖心測(cè)試數(shù)據(jù)知，致密沉凝灰?guī)r孔隙中占據(jù)巖心孔隙體積最多的孔隙尺寸是0.063 μm。對(duì)滲透率而言，在巖心Z4、Z5、Z6、Z8和Z9中，貢獻(xiàn)最大的孔隙半徑是0.1 μm，貢獻(xiàn)率依次為48.5%，54.9%、41.6%、59.4%和50.4%，在Z7中孔隙尺度為0.063 μm和0.100 μm對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)相近。因此，致密沉凝灰?guī)r中分布最多的孔隙尺度是0.063 μm，但對(duì)滲透率貢獻(xiàn)最大的孔隙尺度是0.100 μm。

2.1.4 核磁共振

核磁共振在測(cè)試和表征致密巖心孔隙結(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。Z7、Z8和Z9充分飽和地層水后的核磁共振T2譜曲線如圖5所示。

由圖5知，致密沉凝灰?guī)r巖心核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2值主要集中在0.1 ～ 10 ms，各巖心核磁信號(hào)總量較為穩(wěn)定，且T2譜曲線形態(tài)均呈單峰，說(shuō)明巖心均質(zhì)性相對(duì)較好，孔隙分布較為集中。概括而言，致密沉凝灰?guī)r是一類礦物組成相對(duì)簡(jiǎn)單，孔隙整體較為致密但均質(zhì)性較好的儲(chǔ)集體。

圖5 巖心核磁共振T2譜曲線

2.2 流體可動(dòng)性特征

核磁共振技術(shù)同樣在表征致密巖心流體可動(dòng)性、 各類孔喉的產(chǎn)液規(guī)律及剩余油分布特征等方面具有廣泛用途，但核磁共振測(cè)試結(jié)果的橫坐標(biāo)是該巖心的弛豫時(shí)間，而非孔隙半徑。因此，要利用核磁共振技術(shù)確定各類孔隙內(nèi)含油量的變化就必須首先建立巖心孔隙半徑r與其核磁共振弛豫時(shí)間T2的關(guān)系，其基本步驟包括[17]：①將巖心壓汞數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到不同孔隙半徑r的累計(jì)分布頻率；②將巖心核磁共振測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到不同核磁弛豫時(shí)間T2的累計(jì)分布頻率；③對(duì)所有在相同累計(jì)分布頻率處的孔隙半徑r和其核磁弛豫時(shí)間T2進(jìn)行冪函數(shù)擬合，利用擬合的函數(shù)即可得到巖心核磁弛豫時(shí)間T2與其孔隙半徑r的關(guān)系。以巖樣Z7為例，其擬合過(guò)程和結(jié)果如圖6所示。

由圖6(b)知，巖心lnr和lnT2具有極好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.965 8，說(shuō)明致密沉凝灰?guī)r巖心孔隙半徑r和橫向弛豫時(shí)間T2之間具有良好的冪函數(shù)關(guān)系，二者的換算關(guān)系為

r=C×(T2)n。

(1)

兩邊求對(duì)數(shù)得

lnr=lnC+nlnT2。

(2)

根據(jù)圖6(b)中l(wèi)nr和lnT2的擬合關(guān)系式得

圖6 核磁弛豫時(shí)間T2與孔隙半徑r的換算過(guò)程及結(jié)果

lnr=0.778 2 lnT2-3.376 3，

(3)

進(jìn)一步換算得

r=0.034 2×(T2)0.778 2。

(4)

圖6(c)是利用式(4)將巖心Z7的核磁共振T2值換算為對(duì)應(yīng)的孔隙半徑，然后與壓汞實(shí)測(cè)的孔隙半徑分布頻率圖進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果。圖6(c)表明兩條曲線的形態(tài)特征、數(shù)值大小均呈良好的一致性，尤其是當(dāng)孔隙半徑大于0.063 μm時(shí)(該區(qū)間為主要的滲流區(qū)間)，兩條曲線基本重合，轉(zhuǎn)換精度極高。因此，后續(xù)在致密沉凝灰?guī)r孔隙半徑r和其核磁共振T2值轉(zhuǎn)化時(shí)均利用此式。

2.2.1 可動(dòng)孔隙半徑下限

核磁共振結(jié)合離心法測(cè)試巖心T2截止值是描述致密巖心流體可動(dòng)性的主要方法之一。在核磁共振曲線中，小于核磁T2截止值的流體為束縛流體，大于核磁T2截止值的流體為可動(dòng)流體，各巖心的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 巖心離心前后核磁信號(hào)的變化

由圖7中巖心離心前后的核磁數(shù)據(jù)、核磁T2截止值概念及式(4)得，巖心Z10、Z11、Z12和Z13的核磁T2截止值依次為1.847 8 ms、0.982 1 ms、1.734 7 ms和1.968 4 ms，平均為1.633 0 ms，可動(dòng)流體飽和度依次為44.47%、57.44%、51.26%和50.09%，平均為50.81%，可動(dòng)孔隙半徑下限依次為0.055 1 μm、0.033 7 μm、0.052 5 μm和0.057 9 μm，平均為0.049 8 μm。

2.2.2 有效滲流孔喉半徑下限

在高壓壓汞實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)滲透率的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的孔隙半徑即為該巖心的有效滲流孔喉半徑下限。各巖心的孔隙半徑與其滲透率累計(jì)貢獻(xiàn)率曲線如圖8所示。

圖8 有效滲流孔喉半徑下限

由圖8知，各巖心的滲透率累計(jì)貢獻(xiàn)率曲線在不同的孔隙半徑區(qū)間內(nèi)變化幅度明顯不同，呈現(xiàn)“兩頭慢，中間快”的特點(diǎn)。由此可將巖心的孔隙劃分為三個(gè)區(qū)間，分別是小孔隙(0～0.063 μm)、中孔隙(0.063～0.160 μm)和大孔隙(0.160～0.250 μm)。在此標(biāo)準(zhǔn)下，則致密沉凝灰?guī)r的滲透率主要由中孔隙提供，大孔隙和小孔隙的貢獻(xiàn)相對(duì)較少，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是致密沉凝灰?guī)r的孔隙分布相對(duì)較為集中，即巖心孔隙主要集中在中孔隙，而大孔隙和小孔隙的體積占總孔隙體積的比例較小，同時(shí)流體在小孔隙中的流動(dòng)較為困難也是造成小孔隙對(duì)滲透率貢獻(xiàn)較小的原因之一。當(dāng)滲透率的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90%時(shí)，由圖8知，巖心Z4、Z6、Z7和Z9的有效滲流孔喉半徑下限均為0.063 μm，而Z5和Z8的有效滲流孔喉半徑下限比0.063 μm稍大一些，但與0.063 μm非常接近。因此，整體而言，致密沉凝灰?guī)r的有效滲流孔喉半徑下限是0.063 μm。

2.2.3 水驅(qū)壓力梯度下限

長(zhǎng)度為0.43 m的組合長(zhǎng)巖心水驅(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 長(zhǎng)巖心水驅(qū)適應(yīng)性評(píng)價(jià)

由表1知，當(dāng)壓力梯度小于等于3.75 MPa/m時(shí)，長(zhǎng)巖心內(nèi)流體完全無(wú)法被驅(qū)動(dòng)，而只有當(dāng)壓力梯度大于等于7.25 MPa/m時(shí)才能驅(qū)動(dòng)。根據(jù)室內(nèi)及礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)知，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)100 m的井距，按此壓力梯度，則注采井之間的驅(qū)替壓差至少要在100 MPa以上才能實(shí)現(xiàn)有效水驅(qū)，而這顯然不現(xiàn)實(shí)。因此，致密沉凝灰?guī)r油藏基質(zhì)孔隙內(nèi)的原油依靠常規(guī)水驅(qū)難以動(dòng)用，必須采取擴(kuò)大壓裂規(guī)模、縮短井距、超破裂壓力注水或吞吐置換等工藝進(jìn)行增產(chǎn)。整體而言，致密沉凝灰?guī)r孔隙的流體可動(dòng)性較差，水驅(qū)壓力梯度下限為7.25 MPa/m，平均可動(dòng)流體飽和度僅為50%，且低于10 nm級(jí)別的孔隙基本難以動(dòng)用。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)流體可動(dòng)性的影響

巖石的礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)是決定其流體可動(dòng)性的主要因素。由于致密沉凝灰?guī)r的礦物成分相對(duì)簡(jiǎn)單，且不含黏土礦物，因此，孔隙結(jié)構(gòu)應(yīng)是決定其流體可動(dòng)性的主要因素。前面的孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試已經(jīng)表明，致密沉凝灰?guī)r孔隙分布集中，均質(zhì)性較好，因此巖心平均孔隙半徑應(yīng)是制約其流體可動(dòng)性的關(guān)鍵因素。巖心滲透率、可動(dòng)孔隙半徑下限和排驅(qū)壓力等參數(shù)也可直接或間接地反映巖心平均孔隙半徑。一般而言，巖心滲透率越大，其平均孔隙半徑越大，而巖心可動(dòng)孔隙半徑下限越低，排驅(qū)壓力越小，其平均孔隙半徑越大。巖心平均孔隙半徑、滲透率、可動(dòng)孔隙半徑下限及排驅(qū)壓力與其可動(dòng)流體飽和度的關(guān)系如圖9所示。

由圖9知，在特定的平均孔隙半徑、滲透率、可動(dòng)孔隙半徑下限和排驅(qū)壓力區(qū)間內(nèi)，巖心可動(dòng)流體飽和度與其滲透率、平均孔隙半徑呈現(xiàn)良好的正相關(guān)趨勢(shì)，而與可動(dòng)孔隙半徑下限和排驅(qū)壓力呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，這充分說(shuō)明平均孔隙半徑是影響致密沉凝灰?guī)r流體可動(dòng)性的關(guān)鍵因素，尤其在圖9(a)中，巖心平均孔隙半徑與可動(dòng)流體飽和度之間的擬合系數(shù)達(dá)到1，更是直接說(shuō)明了平均孔隙半徑對(duì)致密沉凝灰?guī)r流體可動(dòng)性的重要影響。因此，致密沉凝灰?guī)r的流體可動(dòng)性主要取決于巖心的平均孔隙半徑，而巖心較低的流體可動(dòng)飽和度正是由于其平均孔隙半徑太小。

圖9 巖心可動(dòng)流體飽和度與孔隙參數(shù)的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r由凝灰質(zhì)、方解石和石英組成?？紫额愋桶?gòu)造縫、氣泡狀結(jié)構(gòu)和基質(zhì)微孔，其中基質(zhì)微孔是主要的儲(chǔ)集空間，其分選性良好。巖石內(nèi)分布最多的孔隙尺度是0.063 μm，但對(duì)滲透率貢獻(xiàn)最大的孔隙尺度是0.1 μm。

(2)三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r的平均可動(dòng)流體飽和度為50.81%，平均可動(dòng)孔喉半徑下限為0.049 8 μm，平均有效滲流孔喉半徑下限為0.063 μm，水驅(qū)壓力梯度下限為7.25 MPa/m。

(3)三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r油藏流體可動(dòng)性差的根本原因在于儲(chǔ)層巖石的平均孔隙半徑太小，流體滲流阻力太大。