碳酸鹽巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征及儲滲能力研究
——以鄂爾多斯盆地靖邊氣田下古馬五1+2儲層為例

賈浪波,劉海鋒,薛云龍,李 琳,韓豫鋒,文遠(yuǎn)超,高 東,謝 姍,田 敏,白鐵峰

(1.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院,陜西 西安 710018; 2.中國石油長慶油田分公司 采氣一廠,陜西 靖邊 718500)

引 言

碳酸鹽巖儲層一般受巖性、構(gòu)造以及卡斯特巖溶作用影響,成巖作用較為復(fù)雜,形成的儲集空間主要包括溶蝕孔隙、溶洞和裂縫[1-3]。孔隙結(jié)構(gòu)是指儲集層中孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及連通關(guān)系[4-5]。碳酸鹽巖中強非均質(zhì)性、不規(guī)則和多尺度的孔隙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致儲層滲流特征差異較大,開發(fā)難度大[6-7]。因而能否準(zhǔn)確全面表征該類儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu),對于油氣田的勘探開發(fā)具有重要意義[5,8]。前人已對不同類型油氣藏的孔隙結(jié)構(gòu)開展了大量研究,高樹生等[9]對四川盆地龍王廟組碳酸鹽巖儲集層進(jìn)行了一定研究。然而,對于卡斯特巖溶作用形成的孔洞縫發(fā)育較為復(fù)雜的碳酸鹽巖儲層,其孔隙結(jié)構(gòu)和滲流能力還未有系統(tǒng)研究。

鄂爾多斯盆地具有萬億方天然氣資源規(guī)模,開發(fā)潛力巨大[10-13],靖邊氣田從2003年起,50×108m3產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)20 a,目前進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)后期,80%以上氣井接近系統(tǒng)壓力,穩(wěn)產(chǎn)形勢嚴(yán)峻,但其采出程度僅20%[14-15]。采出程度比較低的原因是馬五1+2氣藏氣井產(chǎn)氣主要貢獻(xiàn)來源于主力產(chǎn)氣層馬五13,其中次產(chǎn)層馬五12、馬五14和馬五22儲量占比58%,但產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率僅15%。因而弄清馬五1+2主次產(chǎn)層孔隙結(jié)構(gòu)和滲流特征,落實次產(chǎn)層的儲氣產(chǎn)氣能力,可以為下一步次產(chǎn)層開發(fā)提供重要依據(jù),同時對于彌補靖邊氣田遞減和有效開發(fā)碳酸鹽巖儲層具有重要指導(dǎo)意義。

本文在前人研究基礎(chǔ)上,運用多種分析測試和模擬試驗手段,對靖邊氣田下古馬五1+2碳酸鹽巖儲集層樣品進(jìn)行研究分析。首先是通過巖心、薄片觀察確定儲集層的巖性特征和儲集空間類型,再結(jié)合高壓壓汞、CT掃描和核磁共振表征不同類型儲層儲集空間結(jié)構(gòu)特征,最后通過氣源充注物理模擬試驗,模擬了不同類型儲層的滲流能力,形成了一套較為完整的孔隙結(jié)構(gòu)表征和滲流能力研究方法,對于靖邊氣田下古次產(chǎn)層開發(fā)和支撐氣田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯奧陶系沉積時期,盆地受中央古隆起影響,盆地東、西屬于不同的海域,東部屬于華北海沉積,西部屬于祁連海沉積[16],研究區(qū)位于東部華北海,主要發(fā)育膏鹽巖沉積組合[16-17]。奧陶系末期,加里東運動使華北地臺抬升,本次研究目的層馬家溝組地層暴露地表經(jīng)歷風(fēng)化淋濾,形成巖溶風(fēng)化殼儲層[18-19]。靖邊氣田位于陜西省榆林市、延安市,區(qū)域構(gòu)造位置為伊陜斜坡,工區(qū)面積為667 km2(圖1)[20-21]。馬家溝組自下而上有6個巖性段馬一至馬六段沉積,馬六段灰?guī)r沉積由于剝蝕作用僅在局部零星發(fā)育[22,23]。馬五自上而下總共有10個巖性段,主要產(chǎn)氣層馬五1+2主要為泥-粉晶白云巖、泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r及蒸發(fā)巖,沉積相類型為蒸發(fā)潮坪、澡屑灘沉積[12,24],馬五1+2自下而上為馬五22、馬五21、馬五14、馬五13、馬五12和馬五11,其中馬五13為主力產(chǎn)層,其他為次產(chǎn)層。

圖1 鄂爾多斯盆地區(qū)域構(gòu)造圖及馬五段綜合地層柱狀圖Fig.1 Regional structure map of Ordos Basin and comprehensive stratigraphic histogram of Ma 5 member

2 儲層類型劃分及不同類型儲層特征

儲層儲滲能力差異制約儲層產(chǎn)氣能力,碳酸鹽巖儲滲能力差異主要是儲集空間類型(孔、洞和縫)的差異導(dǎo)致的。因而有效開發(fā)次產(chǎn)層首先要研究主次產(chǎn)層儲滲能力,確定主次產(chǎn)層儲集空間的差異。

2.1 儲集空間特征

靖邊氣田下古儲層儲集空間類型多樣,通過對巖心和鑄體薄片進(jìn)行觀察,其中主產(chǎn)層馬五13發(fā)育大量溶蝕孔洞、晶間溶孔(圖2(a)、圖2(d)),次產(chǎn)層馬五12發(fā)育針孔、膏?？?、溶孔、裂縫(圖2(b)、2(e)、2(f)),次產(chǎn)層馬五14儲層整體致密(圖2(c))。通過對薄片的觀察,靖邊下古馬五1+2為溶孔-裂縫型儲層,主產(chǎn)層馬五13溶蝕作用最強,儲層條件最好。次產(chǎn)層儲層條件整體相比馬五13較差,整體致密(圖2(c)),局部發(fā)育溶洞型、溶孔裂縫型好儲層(圖2(b),2(e)和2(f))。

圖2 靖邊氣田下古馬五1+2巖心及鑄體薄片特征Fig.2 Features of cores and casting thin sections from Lower Paleozoic Ma 51+2 in Jingbian Gasfield

2.2 儲層類型劃分

碳酸鹽巖發(fā)育的儲集空間主要為孔、洞和縫,靖邊下古馬五1+2儲層為溶孔-裂縫型儲層?；趦影l(fā)育的儲集空間類型將下古碳酸鹽巖儲層劃分為縫洞、孔縫、孔隙和裂縫型4種類型(圖3)?？p洞型儲層儲集空間主要為溶蝕孔洞與裂縫(圖3(a)和圖3(e)), 孔縫型儲層儲集空間主要為溶孔和裂縫(圖3(b)和圖3(f)), 裂縫型儲層儲集空間主要以裂縫為主(圖3(c)和圖3(g)),孔隙型儲層整體致密,儲集空間為晶間孔(圖3(d)和3(h))。

圖3 靖邊氣田下古馬五1+2不同類型儲層巖心和薄片特征Fig.3 Core and thin section characteristics of different types of reservoirs in Lower Paleozoic Ma 51+2 of Jingbian Gasfield

通過對不同小層儲層類型進(jìn)行劃分,各小層均發(fā)育這4種儲集空間類型,不同小層儲集空間存在很大差異,其中主力產(chǎn)層馬五13儲層主要發(fā)育縫洞型和孔縫型,次產(chǎn)層馬五11儲層類型主要為裂縫型和孔隙型,馬五12儲層類型主要為縫洞型和裂縫型,馬五14主要為裂縫型和孔隙型,馬五22也主要為裂縫型和孔隙型(圖4)。對于不同類型儲層孔隙結(jié)構(gòu)主要通過高壓壓汞、CT掃描和核磁共振進(jìn)行表征。

圖4 靖邊氣田下古馬五1+2不同小層不同類型儲層比例Fig.4 Proportion of different types of reservoirs in different sublayers of Lower Paleozoic Ma 51+2,Jingbian Gasfield

2.3 基于高壓壓汞實驗的不同類型儲層特征表征

在對儲層進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行高壓壓汞實驗分析,通過對不同類型的多條毛管壓力曲線進(jìn)行對比,綜合得到4種不同類型儲層的典型毛管壓力曲線(圖5)?？p洞型和孔縫型儲層儲集空間最大,進(jìn)汞飽和度最大,其中縫洞型儲層平臺段較長且寬,分選較好,進(jìn)汞飽和度為72%,排驅(qū)壓力相對較小為0.289 MPa,平均孔喉半徑為1.73 μm,說明該種類型儲層孔喉粗大,分布均勻,連通性較好,儲集滲流能力最強;孔縫型儲層平臺段也比較長,說明分選也較好,進(jìn)汞飽和度76%,排驅(qū)壓力0.612 MPa,平均孔喉半徑0.56 μm,該類型儲層孔喉相對較大,整體分布較為均勻,連通性較好,儲集滲流能力也比較強,相比縫洞型儲層略差;裂縫型平臺段較短,進(jìn)汞飽和度為33%,排驅(qū)壓力9 MPa,平均孔喉半徑0.21 μm,該類型儲層孔喉較小,分選較差,儲集能力較弱,滲流能力中等;孔隙型儲層細(xì)歪度,進(jìn)汞飽和度僅為12%,排驅(qū)壓力3.6 MPa,平均孔喉半徑0.11 μm,說明該類型儲層整體較為致密,僅發(fā)育一些小的孔隙,儲集滲流能力最差,基本不具備開發(fā)價值。其中縫洞型、孔縫型儲層最好,其次為裂縫型儲層,孔隙型儲層最差。

圖5 靖邊氣田下古馬五1+2不同類型儲層高壓壓汞曲線特征Fig.5 Characteristics of high-pressure mercury injection curves for different types of reservoirs in Lower Paleozoic Ma 51+2 of Jingbian Gasfield

2.4 基于CT掃描的不同類型儲層特征表征

根據(jù)巖心觀察,選取4類典型儲層進(jìn)行CT掃描實驗分析。為了能夠精確刻畫不同尺度孔喉結(jié)構(gòu)特征,本次采取“最大球法”在三維數(shù)字巖心中進(jìn)行孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提取。建立4種類型儲層的三維孔隙結(jié)構(gòu)模型,對比分析孔喉結(jié)構(gòu)特征。

圖6是4種儲層孔隙結(jié)構(gòu)的“球棍”模型,球代表孔隙大小,棍代表喉道,球棍的大小分別描述儲層的儲集空間大小,每個球連接棍的個數(shù)表示孔喉配位數(shù)。綜合圖6和圖7可以分別得出:縫洞型儲層裂縫和溶蝕孔洞較為發(fā)育,孔隙半徑多為5～8 μm,喉道半徑多為2～6 μm,配位數(shù)最高平均為3.27,大孔隙和溶洞分布均勻,微裂縫溝通了孤立的儲集空間,儲集空間以溶洞和大孔隙為主,滲流通道主要為裂縫,儲集和滲流能力最強;孔縫型儲層儲集空間主要為裂縫和孔隙,孔隙半徑多為5～10 μm,喉道半徑多為2～6 μm,配位數(shù)平均為2.65,孔隙和裂縫分布均勻,滲流通道為裂縫,儲集滲流能力整體比較好,但相對縫洞型稍弱;裂縫型儲層主要發(fā)育微裂縫,孔隙半徑多為5～7 μm,喉道半徑為4～6 μm,配位數(shù)平均為2.53,該種類型儲層儲集空間較小,滲流通道主要為微裂縫,具有一定滲流能力,但是儲氣能力較差;孔隙型儲層主要發(fā)育孤立的孔隙,孔隙半徑為3～6 μm,喉道半徑為2～5 μm,配位數(shù)平均為2.4,由于該種類型儲層發(fā)育的都是孤立孔隙,孔隙體積也比較小,缺乏裂縫進(jìn)行溝通,基本都是無效孔隙,儲集滲流能力均很差,基本不具備開發(fā)價值。

圖6 靖邊氣田下古馬五1+2不同類型儲層CT三維孔隙結(jié)構(gòu)模型Fig.6 CT 3D pore structure models of different types of reservoirs in Lower Paleozoic Ma 51+2 of Jingbian Gasfield

圖7 靖邊氣田下古馬五1+2不同類型儲層孔喉半徑及配位數(shù)分布特征Fig.7 Distribution characteristics of pore throat radius and coordination number of different types of reservoirs in Lower Paleozoic Ma 51+2 of Jingbian Gasfield

2.5 基于核磁共振的不同類型儲層特征表征

本次核磁共振主要采用ReCore2500型核磁共振巖心分析儀, 對100%飽和水及離心后的標(biāo)準(zhǔn)巖樣塞進(jìn)行核磁共振T2譜測試。通過選取不同類型儲層典型樣品進(jìn)行核磁共振實驗,結(jié)果顯示馬五1+2儲層整體以單峰或者弱雙峰為主,不同類型儲層存在明顯差異。如圖8所示縫洞型儲層孔隙分布較為集中,明顯弱雙峰結(jié)構(gòu),馳豫時間為3～40 ms,信號幅度也最高,說明該類型儲層孔喉規(guī)模較大,參考T2譜經(jīng)驗截止值10 ms,可動流體相最多,連通性最好,儲滲能力較強;孔縫型儲層孔隙分布也相對較為集中,明顯弱雙峰結(jié)構(gòu),馳豫時間為0.4～20 ms,信號幅度也比較強,說明該種類型儲層孔喉規(guī)模也相對較大,參考T2譜截止值10 ms,也存在相當(dāng)一部分可動流體,連通性較好,儲滲能力相對較強;裂縫型儲層為單峰結(jié)構(gòu),馳豫時間為0.5～9 ms,信號幅度較弱,說明該類型儲層儲集空間相對較小,參考T2譜截止值10 ms,僅有一小部分可動流體,儲層非均質(zhì)性較強,儲滲能力相對較差;孔隙型儲層也為單峰結(jié)構(gòu),馳豫時間為0.2～5 ms,信號幅度僅為1 200,說明該類型儲層儲集空間較小,參考T2譜截止值10 ms,說明該類型儲層幾乎不存在可動流體,儲層發(fā)育孔隙幾乎都為不連通死孔隙,連通性比較差,儲滲能力最差,與前面認(rèn)識基本一致。

圖8 靖邊氣田馬五1+2不同類型儲層核磁共振T2譜特征Fig.8 Characteristics of NMR T2 spectra of different types of reservoirs in Lower Paleozoic Ma 51+2 of Jingbian Gasfield

3 不同類型儲層滲流特征

除過以上孔隙結(jié)構(gòu)定量表征實驗,為了研究制約主次產(chǎn)層產(chǎn)能的因素,本次選取不同類型儲層典型樣品,設(shè)計了充注物理模擬試驗,在實驗室條件下模擬不同類型儲層在地下充注和開采過程。共設(shè)計3套充注方案,方案①為單層驅(qū)替,目的模擬不同滲透率樣品在地層壓力條件下充注程度;方案②為氣源充注方案,模擬地下充注過程,研究同一氣源條件下,不同類型儲層充注特征;方案③為分層合采方案,模擬隨著開采進(jìn)行,不同類型儲層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)率變化(表1)。

表1 不同類型儲層驅(qū)替實驗設(shè)計方案Tab.1 Design of displacement experiment schemes for different types of reservoirs

3.1 不同類型儲層充注特征

首先用方案①對不同滲透率樣品飽和水后進(jìn)行氣源充注,圖9(a)為模擬在地層壓力30 MPa條件下分別對不同滲透率樣品進(jìn)行充注的研究結(jié)果,從中可見在滲透率小于0.02×10-3μm2時,隨著滲透率增大,含氣飽和度升高較快,在滲透率大于0.02×10-3μm2時,隨滲透率增大,含氣飽和度升高較慢,而且在0.02×10-3μm2時,對應(yīng)含氣飽和度可以達(dá)到60%,說明0.02×10-3μm2是氣源充注的一個明顯儲層物性界限值,在滲透率小于0.02×10-3μm2條件下,滲透率對儲層充注影響程度較大,滲透率大于0.02×10-3μm2條件下,滲透率對儲層充注程度影響較弱,同時在地下高壓條件下,滲透率大于0.02×10-3μm2條件下,儲層均可以得到有效充注。圖9(b)為研究不同滲透率樣品在不同壓力條件下充注特征,從中可見充注壓力為0.5～5.0 MPa時,K>0.02×10-3μm2的儲層含氣飽和度可達(dá)20%～53%,K<0.02×10-3μm2的儲層含氣飽和度為0;充注壓力為5～30 MPa時,K>0.02×10-3μm2的儲層含氣飽和度可達(dá)35%～75%,K<0.02×10-3μm2的儲層含氣飽和度為15%～30%?？梢?.02×10-3μm2和5 MPa可以作為重要參考值,在研究區(qū)K>0.02×10-3μm2時和充注壓力大于5 MPa條件下,儲層充注條件較好,含氣飽和度較高。

圖9 不同滲透率儲層充注特征Fig.9 Charging characteristics of reservoirs with different permeability

選取不同類型儲層不同滲透率樣品采用方案②進(jìn)行充注,模擬在同一氣源條件下,不同類型儲層充注特征,該實驗巖心充注與方案①各巖心充注程度相近,如圖10所示在同一氣源等壓充注時,氣量大部分流入縫洞型和孔縫型等高滲巖心,通過中等巖心(裂縫型和孔隙型儲層)的氣源增加較為緩慢,最終占比可能不超過10%。

圖10 雙管并聯(lián)不同類型儲層充注過程巖心流速變化Fig.10 Changes of core flow velocity in two parallel pipe filling process of different types of reservoirs

基于以上充注方案①和方案②,滲透率是制約儲層充注的關(guān)鍵因素,尤其是對于滲透率小于0.02×10-3μm2的樣品,含氣飽和度較低,儲層含氣性比較差,在同一氣源充注過程中,氣體優(yōu)先進(jìn)入縫洞型和孔縫型等高孔滲儲層,裂縫型和孔隙型儲層進(jìn)入氣體占比較少,含氣性較差。

3.2 不同類型儲層開采特征

選取不同類型儲層典型樣品開展方案③模擬地下分層合采過程,在等氣量衰竭開采過程中,生產(chǎn)初期優(yōu)質(zhì)儲層縫洞型儲層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)最高,可以達(dá)到92%,隨著生產(chǎn)進(jìn)行,縫洞型儲層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)逐漸降低,孔縫型和裂縫型儲層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)逐漸升高(圖11)。

圖11 三管并聯(lián)不同類型儲層等氣量衰竭生產(chǎn)各巖心流速占比Fig.11 Proportion of core flow velocity in isogas depletion production process of different types of reservoirs

4 靖邊氣田開發(fā)方向

通過以上孔隙結(jié)構(gòu)表征實驗可以看出縫洞型和孔縫型儲層平均孔喉半徑最大,分選最好,平均孔喉配位數(shù)較高,可動流體多,連通性好,儲滲能力強,裂縫型儲層儲集空間小,儲滲能力較差,孔隙型儲層主要為孤立孔隙,可動流體少,儲滲條件最差。結(jié)合馬五13小層中縫洞型、孔縫型儲層占比最大(72%),明確馬五13產(chǎn)能最高的主控因素是縫洞型和孔縫型有利儲層占比最高(圖4)。從圖4中也可以看出次產(chǎn)層中也發(fā)育一定比例縫洞型和孔縫型有利儲層,因此次產(chǎn)層下一步開發(fā)重點是尋找這種有利儲層。結(jié)合充注實驗可以看出在K>0.02×10-3μm2和P>5 MPa條件下儲層可以得到有效充注,通過并聯(lián)開采實驗可以看出次產(chǎn)層后期貢獻(xiàn)有上升趨勢,這些實驗均說明次產(chǎn)層具有一定充注能力,同時具有較好開發(fā)潛力。

5 結(jié) 論

(1)靖邊下古馬五1+2儲層為溶孔-裂縫型儲層,基于儲集空間類型差異,整體可以劃分縫洞、孔縫、孔隙和裂縫型4種類型儲層。

(2)基于高壓壓汞、CT掃描和核磁共振對4種類型儲層孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,縫洞型和孔縫型儲層平均孔喉半徑相對較大,且分選較好,平均孔隙配位數(shù)較高,可動流體多,連通性好,儲滲能力最好;裂縫型儲層儲集空間較小,儲滲能力相對較差;孔隙型儲層主要為孤立孔隙,可動流體較少,儲滲條件最差。

(3)通過對不同類型儲層進(jìn)行充注實驗,結(jié)果表明在K>0.02×10-3μm2和P>5 MPa條件下儲層可以得到有效充注。氣源充注過程中,氣體優(yōu)先進(jìn)入縫洞型、孔縫型高滲儲層,孔隙型和裂縫型儲層含氣量較差,氣源開采過程中,縫洞型儲層初期產(chǎn)氣貢獻(xiàn)較高,后期孔縫型和裂縫型儲層產(chǎn)氣貢獻(xiàn)逐漸升高。

(4)馬五13縫洞型和孔縫型儲層占比最高,是其產(chǎn)能最高,成為主產(chǎn)層的根本原因,但次產(chǎn)層中也發(fā)育一定比例的有利儲層,下一步開發(fā)次產(chǎn)層的重點是尋找縫洞型和孔縫型儲層發(fā)育區(qū)。