川東黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段改建儲氣庫的儲層類型及控制因素

羅 鑫,郝 靖,葉 茂,馮 亮,歐陽沐鯤,陳義才,崔永斌,趙良孝

(1.中國石油西南油氣田公司 重慶氣礦,重慶 400021;2.中國石油西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院,成都 610041;3.成都創(chuàng)源油氣技術(shù)開發(fā)有限公司,成都 610500)

儲氣庫是儲氣地質(zhì)體、儲氣庫各類井、地面各類設(shè)施為一體的儲氣系統(tǒng),是天然氣供應(yīng)鏈中重要組成部分,對天然氣調(diào)峰安全保供具有重要作用［1］。根據(jù)儲氣庫建設(shè)利用的地質(zhì)構(gòu)造與其中儲存流體性質(zhì)不同可分為氣藏、水層、油藏、鹽穴、礦坑等類型,其中,氣藏型儲氣庫是目前全球最主要的地下儲氣庫類型。其工作氣量約占全球各類儲氣庫總工作氣量的75%,而中國氣藏型儲氣庫約占90%［2-4］。2011年,中國石油西南油氣田公司針對川渝地區(qū)天然氣輸氣季節(jié)調(diào)峰和事故應(yīng)急等突發(fā)事件,把黃草峽氣田嘉陵江組枯竭氣田納入首輪選址評價,并且先后歷經(jīng)了選址、預(yù)可研、先導(dǎo)試驗、可研4個階段。為了使黃草峽枯竭氣田改建的儲氣庫能夠滿足強注強采、反復(fù)注采的生產(chǎn)要求,目前改建儲氣庫進入注采井位部署階段。本文應(yīng)用測井資料從儲集空間、儲層類型識別及儲層控制因素等進行綜合研究,為合理部署儲氣庫的注采井位提供依據(jù),同時對于川東地區(qū)類似的碳酸鹽巖儲氣庫建庫具有借鑒意義。

1 地質(zhì)概況

黃草峽氣田位于重慶市長壽區(qū)、涪陵區(qū)境內(nèi),距長壽城區(qū)東南方向約10.6 km,屬于川東丘陵區(qū)。黃草峽構(gòu)造為北東-南西走向線型高陡背斜,北端東南翼緩,西北翼陡;中段東南翼陡,西北翼緩;南端兩翼基本對稱。構(gòu)造存在東西兩個高點,東高點為改建儲氣庫區(qū)(圖1),其構(gòu)造特征及圈閉要素見表1。黃草峽構(gòu)造鉆探工作始于1980年1月開鉆的草1井,主要獲氣層位為嘉二2-嘉二1和嘉一段,1983年5月投入生產(chǎn),改建儲氣庫區(qū)內(nèi)鉆井12口,提交探明地質(zhì)儲量29.26×108m3,至2016年9月枯竭關(guān)井,累產(chǎn)氣19.62×108m3。

圖1 黃草峽構(gòu)造儲氣庫位置及嘉二段—嘉一段地層柱狀圖Fig.1 Location of Huangcaoxia structure underground gas storage and the stratigraphic column of T3j1 and T3j2 members

表1 黃草峽構(gòu)造嘉二3底界構(gòu)造圈閉要素Table 1 Trap factors of Huangcaoxia structure at bottom boundary of T3j2 members

黃草峽氣田嘉陵江組自下而上分為4個段(嘉一段、嘉二段、嘉三段、嘉四段),其中,嘉二段又分為嘉二1、嘉二2、嘉二3共3個亞段。嘉陵江組發(fā)育2套儲層,即嘉二1-嘉二2和嘉一儲層。嘉二2-嘉二1儲層的巖石成分以云巖、灰質(zhì)白云巖為主,夾石膏,泥質(zhì)含量很低,巖石結(jié)構(gòu)較粗。嘉一段含少量泥質(zhì),儲層以紋層狀細粉晶灰?guī)r為主,見少量鮞?；?guī)r,所含粒屑主要為球粒、砂屑及線文藻,局部見極薄層的針孔灰?guī)r。

2 儲滲空間類型及測井識別

2.1 儲滲空間類型

根據(jù)黃草峽構(gòu)造450余個巖心樣品物性測試結(jié)果統(tǒng)計,嘉二2儲層巖心孔隙度平均值為5.85%,嘉二1-嘉一儲層孔隙度較低,平均值為1.43%。巖心觀察和薄片鑒定發(fā)現(xiàn),嘉二-嘉一段儲層儲集空間類型為孔隙、裂縫和洞穴。

孔隙主要發(fā)育于嘉二2亞段,包括各種粒間、粒內(nèi)、晶間孔,嘉二1亞段-嘉一段除個別井局部有較好的溶蝕性孔隙層,絕大多數(shù)都屬于致密的非儲層巖體,基質(zhì)孔隙極不發(fā)育。嘉二2亞段儲層各種孔隙多經(jīng)后期溶蝕改造形成溶孔,其中粒間溶孔為粒間膠結(jié)物被部分溶蝕形成的孔隙或沿原生粒間孔溶蝕擴大;粒內(nèi)溶孔為鮞粒及生屑選擇性溶解作用形成的孔隙,主要發(fā)育在白云巖、灰質(zhì)云巖中。嘉二2亞段儲層晶間孔和晶間溶蝕擴大孔主要發(fā)育于粉晶云巖。

黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段儲層裂縫都十分發(fā)育,基本為構(gòu)造縫,產(chǎn)狀以立縫為主,局部發(fā)育平縫和斜交縫,裂縫寬度一般為0.2～0.5cm,被亮晶方解石半充填(圖2)。巖心觀察統(tǒng)計表明,嘉二1亞段-嘉一段儲層的裂縫比嘉二2的裂縫更為發(fā)育。

圖2 黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段巖心裂縫發(fā)育特征Fig.2 The fracture development character of T3j1 and T3j2 cores in Huangcaoxia structure

黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段儲層的洞穴以中、小洞為主,多為孔隙被溶蝕擴大而成,部分為膏質(zhì)溶蝕而成,亮晶方解石局部充填(圖3、圖4)。嘉二1亞段-嘉一段的洞穴比嘉二2亞段較為發(fā)育,尤以嘉一段的溶蝕洞穴更為發(fā)育,多為沿裂縫溶蝕而成,部分為沿層面溶蝕而成。

圖3 嘉二2巖心膏質(zhì)溶洞Fig.3 Paste cave in T3j2 members core

圖4 草2井嘉二2膏質(zhì)灰?guī)r薄片膏溶孔洞Fig.4 The paste cave in T3j2 gypsum limestone

2.2 孔、洞、縫測井識別

儲層孔隙的常規(guī)測井響應(yīng)具有良好的正相關(guān)性,縫、洞的常規(guī)測井響應(yīng)具有各種不同特征的非相關(guān)性［5-8］。如表2所示,黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段儲層的三孔隙度曲線分別為聲波時差(AC)、體積密度(DEN)和補償中子(CNL),其中,可以利用聲波時差計算聲波孔隙度,利用體積密度計算密度孔隙度,而補償中子等同于中子孔隙度,圖形向下彎曲指示孔隙度增大的方向;電阻率曲線分別為深側(cè)向電阻率(LLD)和淺側(cè)向電阻率(LLS),圖形向下彎曲指示電阻率降低的方向。

利用常規(guī)測井曲線進行孔、洞、縫識別時,有時容易造成誤判,而孔、洞、縫在成像測井圖上的特征更加直觀而清晰,對孔、洞、縫的識別效果更好。

碳酸鹽巖中的孔隙不可能像砂巖中定義的孔隙嚴格,實際上常包括一些小的溶蝕孔洞［9］。嘉二-嘉一段儲層的孔隙在動態(tài)成像測井圖上仍呈較均勻分布、大小相近的小黑點,但黑點大小不代表孔徑的大小(圖5-A)。因此,只用動態(tài)圖很難將孔隙層與致密層分開,必須同時觀測靜態(tài)圖。致密層靜態(tài)圖的電阻率高于孔隙層,其色度明顯比孔隙層色度淺(圖5-B)。

黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段張開縫和泥質(zhì)充填縫在成像測井圖上為黑色條紋;被不導(dǎo)電礦物全充填的裂縫在成像圖上為白色條紋,其形狀取決于裂縫的產(chǎn)狀:垂直縫為平行于井軸的豎直條帶,水平縫為垂直于井軸的水平條帶,斜交縫為正弦波形條帶(圖5-c)。未完全充填的溶洞或被泥質(zhì)充填的溶洞在成像測井圖上為黑色斑塊,形狀多呈球狀或橢球狀;被不導(dǎo)電礦物全充填的溶洞為白色斑塊。

3 儲層類型及其測井響應(yīng)

根據(jù)孔、洞、縫的結(jié)構(gòu)及搭配關(guān)系,將黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段改建儲氣庫的儲層類型分為4類:孔隙型、裂縫型、孔隙-裂縫型、裂縫-溶洞型。

3.1 孔隙型儲層

黃草峽構(gòu)造嘉二2發(fā)育孔隙型儲層,其儲集空間和滲流通道均以白云石晶體的基質(zhì)孔隙為主,以小型孔洞為輔,孔隙度>4%,滲透率>1×10-3μm2。實際上,在碳酸鹽巖儲層中,很難找到純粹的孔隙型儲層,因為常與各類粒間和粒內(nèi)溶蝕孔洞并存［10］。測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為三孔隙度曲線均呈圓弧形增大,且具有良好的相關(guān)性;電阻率曲線呈圓弧形降低,氣層的深淺側(cè)向電阻率具有正差異,而水層的深淺側(cè)向電阻率具有負差異或無差異(圖6-A)。

圖6 黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段儲層類型及測井響應(yīng)特征Fig.6 Reservoir types and logging response characteristics of T3j1 and T3j2 members in Huangcaoxia structure

3.2 裂縫型儲層

裂縫型儲層以裂縫為主,儲集空間和滲流通道均以裂縫為主,孔隙度一般>1.5%,滲透率>1×10-3μm2。嘉二-嘉一段裂縫型儲層的測井響應(yīng)表現(xiàn)為聲波時差、中子孔隙度無明顯增大異常,但低角度裂縫可造成聲波時差跳波,密度曲線呈鋸齒狀起伏;電阻率曲線呈尖刺狀降低,深淺側(cè)向電阻率在高角度裂縫呈正差異,低角度裂縫呈負差異或無差異［11］(圖6-B)。

3.3 孔隙-裂縫型儲層

孔隙-裂縫型儲層的孔隙與裂縫并存,但相互分離,孔隙是主要的儲集空間,裂縫是主要的滲流通道,孔隙度一般>4%,滲透率>1×10-3μm2?？紫杜c裂縫具有不同的流體賦存狀態(tài),在原狀油氣層中,裂縫基本被油氣充滿,飽和度可達90%以上,而孔隙的油氣飽和度則隨孔隙結(jié)構(gòu)的變化和裂縫發(fā)育程度的不同而具有很大的差異,一般在50%～80%的范圍內(nèi)變化［12］。在鉆井過程中,由于鉆井液對裂縫的深侵入,測井儀器探測范圍內(nèi)的裂縫基本被鉆井液充滿;但在孔隙中,由于鉆井液呈切割式侵入而基本保持原始的含油氣狀態(tài)［13］。

黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段孔隙-裂縫型儲層特有測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為聲波時差、中子孔隙度增大,密度曲線呈鋸齒狀起伏,電阻率曲線在圓弧形降低的背景上間斷出現(xiàn)尖刺狀降低,差異性質(zhì)取決于裂縫的產(chǎn)狀(圖6-C)。

3.4 裂縫-孔洞型儲層

裂縫與孔洞并存且相互連通的儲層為裂縫-孔洞型儲層［14-17］。在黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段發(fā)育的孔洞或沿裂縫分布,或沿層面分布,或沿層面與裂縫交會處分布,因此,裂縫和孔洞既是儲集空間又是滲流通道。裂縫-孔洞型儲層與單一的裂縫型儲層不同之處是,儲集空間和滲流通道均得以大幅提升,儲集性能更好,孔隙度>3%,滲透率>1×10-3μm2。該類儲層測井響應(yīng)表現(xiàn)為三孔隙度曲線呈強烈的非相關(guān)性,一般情況下,中子孔隙度增大,聲波時差增大與否取決于縫洞的連通性,密度呈不規(guī)則的起伏;電阻率曲線特征主要受裂縫產(chǎn)狀及發(fā)育程度的控制,即電阻率曲線起伏越大就越好(圖6-D)。

4 儲層發(fā)育主控因素

黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段為開闊臺地淺灘沉積為主,儲層發(fā)育受到后期成巖改造和構(gòu)造作用控制。

4.1 白云石化作用

早期基質(zhì)孔是白云巖儲層規(guī)?；l(fā)育的基礎(chǔ),白云石化作用發(fā)生階段是影響基質(zhì)孔埋藏演化與保存的關(guān)鍵因素［18］。黃草峽構(gòu)造嘉二2儲層206塊巖心樣品的分析結(jié)果表明,當(dāng)白云石質(zhì)量分數(shù)<50%時,孔隙度為0～3.5%;當(dāng)白云石質(zhì)量分數(shù)為50%～70%時,孔隙度為0～7.0%,孔隙度具有隨白云石質(zhì)量分數(shù)增加而增加的趨勢;當(dāng)白云石質(zhì)量分數(shù)>75%時,孔隙度急劇上升,可達19.0%;當(dāng)白云石質(zhì)量分數(shù)量達到80%～90%時,孔隙度增至最大,其峰值可基本保持在19.0%～20.0%(圖7)。

圖7 黃草峽構(gòu)造嘉二儲層孔隙度與白云石質(zhì)量分數(shù)關(guān)系Fig.7 The relationship between reservoir porosity anddolomite mass fraction of T3j2 member in Huangcaoxia structure

由此可見,儲層孔隙度與白云石質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)一種量群分布關(guān)系,其原因如下:當(dāng)白云石質(zhì)量分數(shù)低于50%時,隨著白云石化程度增強,孔隙度基本不變,甚至略有下降,這是因為白云石散布于灰泥質(zhì)中,白云石質(zhì)量分數(shù)越高,占據(jù)灰泥質(zhì)的孔隙也越多;當(dāng)白云石質(zhì)量分數(shù)>50%時,隨著白云石化程度增強,孔隙度逐漸增大,直到白云石質(zhì)量分數(shù)達到80%～90%時,孔隙度達到最大。在白云石化過程中,當(dāng)儲層巖石骨架由灰泥質(zhì)支撐變?yōu)榘自剖w支撐,既可阻止壓實作用對孔隙的減少,又可使孔隙度較高的白云石替代孔隙度較低的灰泥質(zhì);但是當(dāng)白云石質(zhì)量分數(shù)>90%,則與過多的白云石沉淀并形成結(jié)晶附著于孔壁或充填于孔隙內(nèi),導(dǎo)致儲層孔隙度和滲透率都將迅速減小。

4.2 構(gòu)造曲率變化率

前人研究結(jié)果表明,地層褶皺形成的正向曲率越大,越容易產(chǎn)生裂縫［19］。黃草峽構(gòu)造嘉二-嘉一段的構(gòu)造褶皺曲率變化率大小與裂縫發(fā)育程度的關(guān)系更為密切,即正向曲率越大,曲率的變化率越大,越容易產(chǎn)生裂縫。因為曲率大小只描述了巖層在均勻受力作用下變形程度的大小,而曲率變化率卻進一步描述了在同一構(gòu)造應(yīng)力作用下,巖層不同部位受力大小的差異。顯然,相同構(gòu)造應(yīng)力均勻作用于巖層上時,各部位所受的力要小于非均勻作用于巖層上某些發(fā)生應(yīng)力集中部位所受的力,這正是構(gòu)造曲率發(fā)生變化的部位。因此,在其他條件相同時,這些部位更容易產(chǎn)生裂縫,如構(gòu)造的肩部,高點處、斷鼻高點轉(zhuǎn)折處,最有利于發(fā)育裂縫(圖8)。

4.3 巖性及現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力

國內(nèi)外實驗研究結(jié)果表明,巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)及埋藏深度對裂縫發(fā)育程度都會產(chǎn)生較大的影響［20］。在脆性巖石中,以石英脆性最強而容易發(fā)育裂縫,白云巖、石英砂巖、鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖脆性逐漸減弱,而灰?guī)r脆性相對較弱,其裂縫發(fā)育指數(shù)相對較低;泥質(zhì)和膏巖屬于延性巖石,因此在地層中的含量越高,延性越強,可明顯降低地層的裂縫發(fā)育程度［21］。對于同一類巖石,粒度越小,破裂后產(chǎn)生的裂縫密度越大;對于成分和結(jié)構(gòu)相同的巖石,隨著埋藏深度的增加,其延性會增強,越不容易形成裂縫(圖9)。

由此可見,黃草峽構(gòu)造嘉二2亞段白云巖比灰?guī)r更易發(fā)育裂縫;而嘉一段粒度更細的灰?guī)r比嘉二2亞段粒度較粗的白云巖和灰?guī)r更容易發(fā)育裂縫。綜合這兩方面的因素,嘉二2亞段白云巖和嘉一段灰?guī)r的裂縫都較發(fā)育,而嘉二2亞段灰?guī)r的裂縫發(fā)育程度較低。

此外,喜馬拉雅期構(gòu)造運動產(chǎn)生的最大水平主應(yīng)力對地下天然裂縫的有效性也會產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)最大水平主應(yīng)力方向與裂縫走向的夾角小于45°時,有利于裂縫的張開而增加其有效性;反之,當(dāng)最大水平主應(yīng)力方向與裂縫走向的夾角大于45°時,裂縫趨于閉合會降低其有效性。草儲1井的成像測井資料分析結(jié)果表明,最大水平主應(yīng)力方向為68°～248°,而以立縫為主的天然裂縫的走向為82°～262°,兩者夾角僅14°,有利于裂縫的張開,裂縫的有效性增強(圖10)。

圖10 草儲1井嘉一段最大水平主應(yīng)力方向與天然裂縫走向Fig.10 The direction of the maximum horizontal principal stress and the strike of the natural fractureFrom T3j1 in Caochu-1 well

4.4 埋藏巖溶作用

碳酸鹽巖的埋藏巖溶作用可在局部地區(qū)改善儲層物性,形成優(yōu)質(zhì)儲層,對儲層物性的優(yōu)化起決定性作用［22］。黃草峽構(gòu)造從嘉二3亞段到嘉二1亞段同時存在泥巖和石膏,為埋藏巖溶提供了3個有利條件:①形成相對封閉的環(huán)境;②泥巖中的蒙脫石在逐漸向伊利石、高嶺石轉(zhuǎn)化過程中脫水,為巖溶提供水源;③易溶的石膏、硬石膏被水溶解后,大量硫酸根進入水中,增強了水的酸性,提高了對碳酸鹽巖的溶解度,尤其對嘉一段灰?guī)r地層的溶蝕。

嘉二-嘉一段的溶蝕孔洞存在3種分布狀態(tài):沿裂縫分布、沿層面分布、孤立的膏溶孔洞。在這3類溶蝕孔洞中,以沿裂縫分布的孔洞最多且洞較大,連通性最好;其次,沿層面分布的孔洞相對較少一些,連通性較差;而膏溶孔洞最少、最小,連通性最差,這是由于分散狀石膏與地下水有更大的接觸面積,故更容易溶蝕,而較大的團塊狀和結(jié)核狀石膏則不易被溶蝕,即石膏的差異溶解作用。

5 結(jié) 論

a.黃草峽構(gòu)造陵江組主要發(fā)育嘉二2和嘉二1-嘉一兩套儲層,儲集空間以孔隙、裂縫和洞穴為主;嘉二1-嘉一儲層類型為裂縫型和裂縫-孔洞型,嘉二2儲層類型為孔隙型、裂縫型、孔隙-裂縫型。

b.黃草峽儲氣庫嘉陵江組儲層發(fā)育的主要控制因素包括白云石化作用、構(gòu)造曲率變化率、巖性及現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力、埋藏巖溶作用。白云巖化程度控制了儲層孔隙度大小,同時影響裂縫發(fā)育程度;構(gòu)造曲率變化率決定了裂縫發(fā)育部位;巖性和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力影響裂縫發(fā)育程度及有效性;埋藏巖溶作用與溶蝕孔洞的發(fā)育程度密切相關(guān)。

c.黃草峽儲氣庫嘉陵江組嘉二2和嘉二1-嘉一段裂縫型儲層,在構(gòu)造高部位發(fā)育好、層數(shù)多、厚度大,沿構(gòu)造軸線往低部位變差。