川中地區(qū)侏羅系大安寨段儲(chǔ)層可動(dòng)用性滲流實(shí)驗(yàn)

李秀清 鄒 娟 李雪松 白 蓉 豐 妍 張 芮 張少敏 李育聰

中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)能源需求量急劇增加，致密油作為非常規(guī)油氣的一種，已逐漸成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)新熱點(diǎn)，對(duì)世界能源供應(yīng)的重要性日益增加[1-2]。致密油不同于常規(guī)油氣資源，其具有儲(chǔ)層低孔低滲、生油層分布廣、致密儲(chǔ)層與生油巖緊密接觸且連續(xù)等特點(diǎn)，頁(yè)巖油的可動(dòng)用性評(píng)價(jià)對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)量和生產(chǎn)至關(guān)重要[3-4]。

四川盆地作為中國(guó)重要的含油氣盆地之一，川中地區(qū)處于四川盆地中部的“川中古隆中斜平緩構(gòu)造帶”北部，東、西分別以華鎣山和龍泉山基底大斷裂為界，大地構(gòu)造上稱為“川中陸核”[5]。川中致密油儲(chǔ)層經(jīng)歷了復(fù)雜的“沉積→致密化→溶蝕或構(gòu)造”作用過(guò)程，儲(chǔ)層普遍含油且非均質(zhì)性極強(qiáng)，儲(chǔ)層空間類型多樣，是典型的致密儲(chǔ)層[6-8]。陶士振等運(yùn)用流體包裹體、場(chǎng)發(fā)射和環(huán)境掃描電鏡、納米CT和成藏物理模擬等方法，開展了四川盆地侏羅系石油運(yùn)移、聚集機(jī)理和富集規(guī)律研究，結(jié)果顯示該致密儲(chǔ)層非達(dá)西滲流特征明顯，具有啟動(dòng)壓力梯度[9]。馮軍等通過(guò)核磁共振和驅(qū)替萃取實(shí)驗(yàn)表明，致密儲(chǔ)集層流體啟動(dòng)壓力梯度、可動(dòng)流體飽和度與儲(chǔ)集層物性及孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[10]。由此可見，弄清川中不同類型儲(chǔ)層之間流體的可動(dòng)用性差異顯得尤為重要。

核磁共振（NMR）技術(shù)基于流體弛豫特征，可以準(zhǔn)確表征巖石微觀結(jié)構(gòu)，是評(píng)價(jià)致密油儲(chǔ)層流體可動(dòng)用性的重要方法之一[11]。與壓汞、氣體吸附等方法相比，核磁共振技術(shù)可以快速、無(wú)損、準(zhǔn)確地測(cè)定巖樣中的可動(dòng)流體飽和度以及定量給出巖樣孔隙結(jié)構(gòu)分布特征圖[11-13]。李揚(yáng)等對(duì)川中致密灰?guī)r儲(chǔ)層進(jìn)行飽和水核磁共振T2譜測(cè)量，將該儲(chǔ)層核磁共振T2譜特征劃分為單峰、雙峰（左峰占優(yōu)和右峰占優(yōu)）和近似三峰4種類型[14]。劉允隆利用核磁共振技術(shù)對(duì)川中致密灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在致密儲(chǔ)層中T2幾何平均值可作為特征參數(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，在微孔、介孔中存在較大量的流體[15]。

客觀評(píng)價(jià)大安寨段不同儲(chǔ)層類型可動(dòng)用性評(píng)價(jià)的定量研究，為川中原油后續(xù)勘探開發(fā)指明方向。本文以川中介殼灰?guī)r儲(chǔ)層、含泥質(zhì)介殼灰?guī)r儲(chǔ)層和頁(yè)巖夾石灰?guī)r儲(chǔ)層為研究對(duì)象，采用啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)和核磁共振分析技術(shù)相結(jié)合，開展頁(yè)巖油可動(dòng)用性評(píng)價(jià)，明確不同儲(chǔ)層之間頁(yè)巖油可動(dòng)用性差異。

1 地質(zhì)概況

川中地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置隸屬于四川盆地“川中古隆中斜平緩構(gòu)造帶”及“川北古中坳陷低緩帶的東部”。川中地區(qū)歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以升降運(yùn)動(dòng)為主，形成沉積蓋層構(gòu)造變異幅度小，褶皺平緩，繼承性較強(qiáng)的區(qū)域構(gòu)造背景。川中地區(qū)下侏羅統(tǒng)是四川盆地的主要含油層系，沉積環(huán)境以濱湖—淺湖為主，自下而上可以進(jìn)一步劃分為四段，即珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段及大安寨段，其中大安寨段、東岳廟段和涼高山組發(fā)育黑色生烴層，大安寨段生烴潛力最大。大安寨沉積期湖盆沉積分布最為廣泛，湖盆中心在儀隴—平昌一帶，自上而下可分為大一、大二和大三等3個(gè)亞段，大一、大三亞段主要發(fā)育濱—淺湖高能介殼灘體；大二亞段主要發(fā)育淺湖—半年深湖泥頁(yè)巖。受湖平面頻繁變化的影響，大安寨段巖性具有“灰—泥—灰”式的組合特征，大一亞段為灰色泥灰?guī)r和介殼灰?guī)r，厚度25～35 m；大二亞段頁(yè)巖沉積于最大湖侵期，黑色、灰黑色頁(yè)巖與薄層介殼灰?guī)r不等互層或夾層，厚度15～35 m；大三亞段為灰色泥灰?guī)r夾薄層黑色頁(yè)巖，厚度10～15 m（圖1）[16]。

圖1 研究區(qū)下侏羅統(tǒng)綜合柱狀圖

2 大安寨段油氣地質(zhì)特征

2.1 儲(chǔ)層地球化學(xué)特征

川中地區(qū)大安寨段發(fā)育的烴源巖主要是半深湖—深湖相沉積的灰黑—黑色泥頁(yè)巖，頁(yè)巖有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)顯示：大安寨段殘余有機(jī)碳含量分布在0.09%～3.96%，平均值為1.36%，達(dá)到了較好生油類型階段。大安寨段生烴潛量（S1+S2）含量分布在0.55～12.88 mg/g，平均值為5.76 mg/g，有機(jī)質(zhì)豐度中等—好。大安寨段泥頁(yè)巖氯仿瀝青“A”含量平均值為0.22%，處于較好烴源巖階段。綜合研究表明，四川盆地大安寨段湖相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到了好烴源巖條件、有機(jī)質(zhì)類型較為合適、具有較強(qiáng)的生油氣能力，形成頁(yè)巖油氣資源的潛力較大。

2.2 儲(chǔ)層巖相組合及物性

大安寨段頁(yè)巖層系中各類巖相組合在空間分布上變化復(fù)雜，夾層、互層發(fā)育頻繁，根據(jù)大安寨段沉積微相發(fā)育特征，大安寨段主要發(fā)育塊狀介殼灰?guī)r巖相組合、頁(yè)巖與介殼互層巖相組合、頁(yè)巖夾介殼灰?guī)r巖相組合、純頁(yè)巖巖相組合等4類巖相組合。其中塊狀介殼灰?guī)r段主要包含塊狀灰褐色晶粒介殼灰?guī)r與含泥介殼灰?guī)r；頁(yè)巖與介殼灰?guī)r呈分米級(jí)互層，主要發(fā)育在灘夾灘間沉積微相中；頁(yè)巖夾介殼，頁(yè)巖與介殼灰?guī)r呈厘米級(jí)互層；純頁(yè)巖巖相組合主要為紋層含介殼灰?guī)r以及純泥頁(yè)巖巖石類型。整體上純頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度介于3.95%～10.38%，平均值6.02%，滲透率為0.002 9～31.894 6 mD，均值為2.211 7 mD，介殼灰?guī)r（含泥質(zhì)介殼灰?guī)r）孔隙度介于0.67%～2.60%，平均值1.19%，滲透率為0.001 2～0.016 4 mD，均值為0.006 1 mD；頁(yè)巖夾介殼灰?guī)r組合層段孔隙度介于2.01%～7.26%，平均值4.08%，滲透率為0.002 7～3.599 5 mD，平均為0.308 8 mD。與同區(qū)的致密介殼灰?guī)r相比，頁(yè)巖的物性明顯優(yōu)于石灰?guī)r[17]。

鏡下薄片、掃描電鏡分析等資料確認(rèn)，大安寨段儲(chǔ)層發(fā)育有機(jī)孔溶蝕孔、黏土礦物晶間孔及微裂縫等，儲(chǔ)集空間類型多樣，主要以微米—納米級(jí)孔隙為主。介殼灰?guī)r主要發(fā)育黏土礦物晶間孔、粒間及粒內(nèi)溶孔，頁(yè)巖夾介殼灰?guī)r主要發(fā)育溶蝕孔、黏土礦物晶間孔、有機(jī)孔及微裂縫，少量粒間及粒內(nèi)溶孔；純頁(yè)巖巖相組合主要發(fā)育黏土礦物晶間孔、有機(jī)孔及微裂縫。整體上有機(jī)孔較少，無(wú)機(jī)孔相對(duì)有機(jī)孔較多。

2.3 儲(chǔ)層巖性礦物組成

根據(jù)川中地區(qū)侏羅系大安寨段取心段及野外剖面的巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡及X射線衍射分析表明，川中地區(qū)大安寨段泥頁(yè)巖主要礦物為黏土礦物、石英和方解石，其次是斜長(zhǎng)石及黃鐵礦等。介殼灰?guī)r和泥質(zhì)介殼灰?guī)r其成分主要為方解石，其次為石英、黏土礦物。方解石含量介于25%～78.4%，平均含量為34.08%；石英含量介于5.6%～58.3%，平均含量為27.48%；黏土礦物含量介于8.5%～46.69%，平均含量為26.94%（圖2）。

圖2 川中地區(qū)大安寨段不同巖性礦物組分布圖

3 不同巖性可動(dòng)性比較

3.1 啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用巖心分別取自介殼灰?guī)r儲(chǔ)層、含泥質(zhì)介殼灰?guī)r儲(chǔ)層和頁(yè)巖夾石灰?guī)r儲(chǔ)層，共12塊。選取黏度為3.5 mPa·s的原油分別對(duì)巖心進(jìn)行啟動(dòng)壓力梯度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 氣泡法測(cè)啟動(dòng)壓力梯度實(shí)驗(yàn)流程圖

將所測(cè)得的啟動(dòng)壓力梯度與巖心滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制到直角坐標(biāo)圖上，如圖4所示。隨巖心滲透率的增加，啟動(dòng)壓力梯度逐漸降低，并沒有因?yàn)閹r心類型的不同，而出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，說(shuō)明啟動(dòng)壓力梯度與儲(chǔ)層巖性無(wú)關(guān)。

圖4 啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系圖

由圖5可以看出，3類巖心啟動(dòng)壓力梯度均與滲透率滿足冪函數(shù)關(guān)系，巖心滲透率增大到一定值后，隨著滲透率的增加啟動(dòng)壓力梯度逐漸減??；當(dāng)巖心滲透率降低到一定值后，隨著巖心滲透率降低，啟動(dòng)壓力梯度急劇上升。由此可見，對(duì)于致密油藏，地層滲透率對(duì)啟動(dòng)壓力梯度的影響非常顯著。

圖5 不同類型儲(chǔ)層啟動(dòng)壓力梯度與滲透率的關(guān)系圖

3.2 核磁共振實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)使用AniMR-150型核磁共振設(shè)備進(jìn)行巖心掃描，所用巖心分別取自介殼灰?guī)r儲(chǔ)層、含泥質(zhì)介殼灰?guī)r儲(chǔ)層和頁(yè)巖夾灰?guī)r儲(chǔ)層，巖心物性參數(shù)見表2，所用地層水按照按蓮13井配制，水質(zhì)分析見表3。實(shí)驗(yàn)時(shí)將巖心飽和地層水后，進(jìn)行NMR掃描，如圖6所示；將巖心烘干后，用純度為99%的重水飽和實(shí)驗(yàn)巖心，再用黏度為1.5 mPa·s的油模擬驅(qū)替重水建立束縛水，達(dá)到原始條件；利用重水分別在不同驅(qū)替壓差下驅(qū)替巖心，期間在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處對(duì)樣品進(jìn)行NMR掃描，如圖7所示。

圖6 巖心飽和地層水NMR實(shí)驗(yàn)結(jié)果（孔徑分布）

圖7 巖心在不同驅(qū)替壓差下NMR實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

表2 巖心物性參數(shù)表

表3 地層水質(zhì)分析表

本次實(shí)驗(yàn)可動(dòng)油飽和度的計(jì)算是直接與巖心初始飽和油量進(jìn)行比較，換算到實(shí)際可動(dòng)油飽和度需要再乘以真實(shí)含油飽和度。換算公式為：

式中Aoi、Ao1、Ao2、Ao4分別表示飽和油狀態(tài)、壓差1 MPa、2 MPa、4 MPa下的油相面積；Sor1、Sor2、Sor4分別表示壓差1 MPa、2 MPa、4 MPa下的可動(dòng)油飽和度。

統(tǒng)計(jì)不同類型巖心在不同驅(qū)替壓差下的可動(dòng)油飽和度以及在驅(qū)替壓差4 MPa時(shí)巖心不同孔隙類型的可動(dòng)油飽和度，結(jié)果見表4。當(dāng)驅(qū)替壓差為4 MPa時(shí)，含泥質(zhì)介殼灰?guī)r類巖心平均可動(dòng)油飽和度為17.3%，介殼灰?guī)r類巖心平均可動(dòng)油飽和度為41.7%，頁(yè)巖夾灰?guī)r類巖心平均可動(dòng)油飽和度為46.4%。

表4 巖心在不同驅(qū)替壓差下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

如圖8所示，同樣滲透率條件下，當(dāng)驅(qū)替壓差從1 MPa增大到4 MPa時(shí)，頁(yè)巖夾灰?guī)r可動(dòng)油飽和度增大幅度較大，其次是介殼灰?guī)r，含泥質(zhì)條帶介殼灰?guī)r，由此得出：驅(qū)替壓差對(duì)含泥質(zhì)介殼灰?guī)r類巖心的影響程度較小，對(duì)頁(yè)巖夾石灰?guī)r類與含泥質(zhì)條帶介殼灰?guī)r類巖心的影響程度較大。

圖8 低滲巖心可動(dòng)油飽和度與驅(qū)替壓差的關(guān)系圖

4 頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響因素

4.1 孔隙類型對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響

選取三類巖心樣品中具有代表性的樣品，對(duì)比它們的孔徑分布（圖9），可以看出：含泥質(zhì)介殼灰?guī)r和頁(yè)巖夾灰?guī)r類樣品主要是左峰占優(yōu)，巖心中小孔隙更加發(fā)育。介殼灰?guī)r樣品左峰峰值最低，右峰峰值最高；說(shuō)明樣品巖性對(duì)巖心孔徑分布影響較大，頁(yè)巖夾灰?guī)r、含泥質(zhì)介殼灰?guī)r類樣品小孔隙更加發(fā)育，介殼灰?guī)r類樣品大孔隙分布更好。

圖9 三種類型巖心樣品孔徑分布對(duì)比圖

根據(jù)頁(yè)巖油儲(chǔ)集層微觀孔喉分類[18]，結(jié)合川中地區(qū)頁(yè)巖油儲(chǔ)層的發(fā)育情況，以0.1為界，1.0～0.1 μm為中孔喉，介于0～0.1 μm為小孔喉。川中地區(qū)大安寨段不同孔喉的可動(dòng)油統(tǒng)計(jì)分析，如圖10所示，含泥質(zhì)介殼灰?guī)r類樣品小孔平均可動(dòng)油占比39.7%，中孔喉占比60.3%，可動(dòng)油來(lái)自中—小孔喉；介殼灰?guī)r類樣品小孔平均可動(dòng)油占比17.9%，中孔喉占比82.1%，可動(dòng)油主要來(lái)自中孔喉；頁(yè)巖夾介殼灰?guī)r類7號(hào)低滲巖心小孔可動(dòng)油占比93.8%，中孔喉占比6.2%，8號(hào)和9號(hào)巖心小孔喉平均可動(dòng)油占比25%，中孔喉占比75%。綜上所述，巖心樣品可動(dòng)油的來(lái)源與樣品巖性有很大關(guān)系，含泥質(zhì)介殼灰?guī)r可動(dòng)油來(lái)自中孔喉和小孔喉，介殼灰?guī)r可動(dòng)油主要來(lái)自中孔喉，低滲介殼頁(yè)巖可動(dòng)油主要來(lái)自小孔喉，中、高滲介殼頁(yè)巖可動(dòng)油主要來(lái)自中孔喉。

圖10 不同類型巖心不同孔隙可動(dòng)油飽和度圖

4.2 儲(chǔ)層礦物成分對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性影響

對(duì)比分析頁(yè)巖熱解參數(shù)S1的含量與黏土礦物含量與石英含量關(guān)系（圖11、圖12），關(guān)系表明：石英含量與頁(yè)巖可動(dòng)S1含量具有一定的正相關(guān)關(guān)系[19]，隨著石英含量的增加，頁(yè)巖含油量增大，流動(dòng)性變好；黏土礦物含量增高，頁(yè)巖可動(dòng)S1含量降低，黏土含量的增大，頁(yè)巖油吸附作用越強(qiáng)，而孔隙度逐漸變小，頁(yè)巖含油量變小，流動(dòng)性變差。

圖11 黏土礦物含量與S1關(guān)系圖

圖12 石英含量與可動(dòng)S1關(guān)系圖

大安寨段礦物含量分布（圖13）表明：泥頁(yè)巖中黏土礦物含量介于44.4%～70.8%，平均含量為59%。黏土礦物中以伊利石為主，其次是高嶺石和綠泥石、伊/蒙混層，其中伊/蒙混層介于13%～35%，平均含量為23.17%。介殼灰?guī)r和泥質(zhì)介殼灰?guī)r中黏土礦物中以伊利石為主，其次是高嶺石和綠泥石，伊/蒙混層；其中伊/蒙混層含量介于10%～15%，平均含量13.8%。頁(yè)巖中的黏土礦物水化膨脹會(huì)影響儲(chǔ)層的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響流體的流動(dòng)性[20-21]。

圖13 川中地區(qū)大安寨段不同巖性黏土礦物含量分布圖

黏土含量和碳酸鹽礦物含量與伊蒙混層含量關(guān)系圖（圖14）表明[22]：大安寨段頁(yè)巖中的黏土礦物高，碳酸鹽礦物含量較低，不利于黏土礦物中伊蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)化。介殼灰?guī)r和頁(yè)巖夾石灰?guī)r的儲(chǔ)層，黏土礦物含量越低，碳酸鹽礦物含量越高，越有利于黏土礦物中伊蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)化，對(duì)流體的流動(dòng)性更加有利。

圖14 黏土含量和碳酸鹽礦物含量與伊蒙混層關(guān)系圖

5 結(jié) 論

1）3類儲(chǔ)層巖心啟動(dòng)壓力梯度與儲(chǔ)層巖性無(wú)關(guān)，隨滲透率增大而減小，且與滲透率滿足冪函數(shù)關(guān)系。

2）含泥質(zhì)介殼灰?guī)r類巖心平均可動(dòng)油飽和度為17.3%，介殼灰?guī)r類巖心平均可動(dòng)油飽和度為41.7%，頁(yè)巖夾石灰?guī)r類巖心平均可動(dòng)油飽和度為46.4%。

3）驅(qū)替壓差對(duì)介殼灰?guī)r類巖心可動(dòng)性影響程度較小，對(duì)頁(yè)巖夾石灰?guī)r類與含泥質(zhì)條帶介殼灰?guī)r類巖心的影響程度較大，尤其對(duì)頁(yè)巖夾石灰?guī)r類低滲巖心，增大驅(qū)替壓差，可以大幅度地提高可動(dòng)性。

4）巖性對(duì)巖心孔徑分布影響較大，含泥質(zhì)介殼灰?guī)r類樣品小孔喉更加發(fā)育，介殼灰?guī)r類樣品大孔喉分布更好。

5）含泥質(zhì)介殼灰?guī)r可動(dòng)油來(lái)自中—小孔喉，介殼灰?guī)r可動(dòng)油主要來(lái)自中孔喉，低滲介殼頁(yè)巖可動(dòng)油主要來(lái)自小孔喉，而中、高滲介殼頁(yè)巖主要來(lái)自中孔喉。

6）頁(yè)巖中礦物成分對(duì)原油吸附能力差異性大，黏土礦物吸附能力明顯高于白云石、方解石；黏土礦物含量越低，儲(chǔ)層流體的可動(dòng)性越好。