劉江斌,李文厚,吳小斌,崔宏俊,高其宇

(1.延安大學 石油工程與環(huán)境工程學院, 陜西 延安 716000;2.西北大學 地質學系,陜西 西安 710069;3.陜西延長石油油氣勘探公司 采氣一廠,陜西 延安 716000)

致密砂巖氣為非常規(guī)天然氣勘探的重要領域[1]，中國致密砂巖的大氣田主要分布在鄂爾多斯盆地、四川盆地和塔里木盆地[2]。蘇里格氣田和大牛地氣田的發(fā)現(xiàn)，標志著鄂爾多斯盆地上古生界天然勘探取得重大突破,經過不斷的創(chuàng)新和發(fā)展,建成了中國最大的整裝氣田——蘇里格氣田[3],形成以二疊系石盒子組盒8段為主要層段的上古生界致密砂巖氣的生產格局[4]。延長油田的天然氣探區(qū)位于陜北斜坡的東南部,隨著勘探工作的不斷深入，在上古生界石盒子組和山西組取得了突破[5]。延安氣田處于延長石油天然氣探區(qū)的中部,目前已建成以山西組山2段為主要產層的天然氣開發(fā)模式,天然氣穩(wěn)產面臨較大壓力。延安氣田山1段儲量的動用程度不高,但其開采難度大,流體賦存特征認識不足,直接制約著山1段致密砂巖氣的開發(fā)。因此，急需對其開展深入研究,以明確孔隙中流體的賦存特征,進一步指導天然氣的高效開發(fā)。

致密儲層的孔喉尺寸小，孔隙結構復雜，非均質性強[6],儲層孔隙結構的精細刻畫成為致密儲層研究的關鍵內容。目前已形成的場發(fā)射掃描電鏡、聚焦離子束場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡、CT掃描、氣體吸附、高壓/恒速壓汞等技術，有力地推動了致密儲層孔隙結構的研究。恒速壓汞技術在表征致密儲層的孔隙、喉道特征等精細分析方面得到了較好的應用,相比常規(guī)高壓壓汞有著明顯的優(yōu)勢[7-10]。核磁共振技術用來表征致密儲層微觀孔隙結構和流體特征,是表征孔隙流體賦存特征的重要手段,其反映出的可動流體飽和度對致密油氣的開發(fā)有著重要意義[11]。核磁共振技術具有直觀、迅速的優(yōu)勢,在評價可動流體賦存特征方面得到了良好應用[12-15]。可動流體賦存特征方面的研究成果認為，孔隙結構、滲透率、黏土礦物、次生孔隙的發(fā)育、壓實作用等因素影響著可動流體的賦存狀態(tài)[16]。目前，對鄂爾多斯盆地可動流體賦存特征的研究主要集中在中生界延長組,對古生界致密砂巖儲層的研究相對較少,特別對延安氣田山1段儲層的可動流體的賦存特征仍缺乏研究。因此，選取延安氣田北部典型區(qū)塊為研究對象,通過鑄體薄片、掃描電鏡、恒速壓汞、核磁共振等實驗方法,分析其儲層的巖石學特征、孔隙類型、微觀孔隙結構、可動流體賦存特征,研究儲層微觀孔隙結構對可動流體賦存的影響,以期準確有效地評價儲層,進一步指導該區(qū)塊致密砂巖氣的勘探開發(fā)工作。

1 儲層巖石學特征

鄂爾多斯盆地經歷了早古生代海相沉積時期[17],逐步進入由海陸過渡相到陸相的晚古生代時期,二疊系山西期自北向南依次發(fā)育河流相、三角洲平原相、三角洲前緣相[18-19]。延安地區(qū)二疊紀山西期發(fā)育三角洲前緣相,水下分流河道砂體為良好的儲集體。

延安氣田北部山1段儲層主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖,砂巖以中粒為主,次棱—次圓狀,顆粒分選較好,膠結方式為孔隙膠結。黏土礦物為主要的膠結物,其次為方解石、鐵方解石及少量硅質。X衍射(XRD)結果表明，黏土礦物主要為伊利石,其次為綠泥石,高嶺石和伊/蒙間層礦物含量較少。伊/蒙間層比僅為10%,表明儲層成巖作用進入了中成巖B期。儲層孔隙度為1.03%～10.15%,平均為5.6%;儲層滲透率為(0.01～11.98)×10-3μm2,平均為0.16×10-3μm2。

2 儲層微觀孔隙結構

2.1 孔隙及喉道類型

樣品鑄體薄片顯示，山1儲層以溶蝕孔、晶間孔和微裂隙為主,原生粒間孔隙較少,平均面孔率在0.1%～2.8%,平均面孔率為1.6%,平均孔徑約為15 μm。溶蝕孔主要為巖屑溶孔(見圖1A)、粒間溶孔(見圖1B)及少量的長石溶孔。晶間孔(見圖1C)以高嶺石的晶間孔最為常見,如圖1F所示,高嶺石充填粒間孔,其礦物間形成晶間孔。薄片顯示，微裂隙多以斷續(xù)狀分布(見圖1D),縫寬基本上小于10 μm,偶見云母礦物受擠壓形成的微裂隙(見圖1E)。鑄體薄片及掃描電鏡顯示，研究區(qū)發(fā)育縮頸型喉道、片狀及彎片狀喉道。

A 巖屑溶孔(樣品1)；B 粒間溶孔(樣品3)；C 晶間孔(樣品1)；D 微裂隙(樣品6)；E 微裂隙(樣品4)；F 高嶺石充填孔隙(樣品5)

2.2 孔隙、喉道分布特征

恒速壓汞技術通過均勻進汞時的壓力漲落來記錄和反映喉道和孔隙特征,分別獲得喉道、孔隙的毛管壓力曲線,在此基礎上計算孔隙、喉道參數及孔喉比[20]。本次測試共選用6個樣品,測試結果如表1所示。由表1可知，其喉道半徑為0.3～24.34 μm,集中在0.4～1μm,主流喉道半徑為0.64～2.21 μm,平均喉道半徑為0.55～1.48 μm;孔隙半徑5～450 μm,集中分布在80～200 μm,平均孔隙半徑為113.32～190.81 μm。結合致密儲層的孔喉分類可知[21],其儲層具有中—大孔隙、微細喉道的特征。其總進汞飽和度為47.55%～67.44%,平均孔喉比為141.48～320.44,孔喉比變化較大。平均喉道半徑、平均孔隙半徑與儲層物性的關系如圖2所示。由圖2可知，其平均喉道半徑、平均孔隙半徑與儲層孔隙度相關性較差,平均孔隙半徑與滲透率具有一定相關性,而平均喉道半徑與儲層滲透率相關性好,表明喉道為影響儲層滲流的主要因素。儲層滲流與儲層孔隙度相關性差,主要原因在于山1儲層的溶蝕孔和微裂隙發(fā)育,尤其是微裂隙在增加孔隙空間方面不明顯,卻能夠極大改善儲層的滲透性。此外，樣品孔喉比變化大可能與溶蝕孔和微裂隙發(fā)育有關,溶蝕孔的發(fā)育，局部增加了孔隙空間,進而加劇了孔隙與喉道的差異。

圖2 平均喉道、孔隙半徑與儲層物性的關系

表1 恒速壓汞及核磁共振結果

考慮到溶蝕及微裂隙對儲層的影響,依據恒速壓汞結果及鑄體薄片觀察，大致可將其劃分為晶間孔-溶蝕孔型、微裂隙型和溶蝕孔型。晶間孔-溶蝕孔型以樣品1、樣品5為代表。樣品1的喉道分布見圖3,其呈單峰,峰值對應的喉道半徑為0.4 μm,主要集中在0.3～0.7 μm,主流喉道半徑為0.80 μm,平均喉道半徑為0.57 m,發(fā)育微細喉道;其孔隙分布呈多峰狀,可能與溶孔發(fā)育有關,主要集中在95～165 μm,其平均孔隙半徑為128.46 μm;平均孔喉比為279.73。鑄體薄片分析此類儲層發(fā)現(xiàn)，其主要發(fā)育溶蝕孔、晶間孔,粒間溶蝕孔，微裂隙較少。樣品1鑄體薄片顯示，其巖屑溶孔為0.3%,晶間溶孔為0.2%;樣品5中除了0.3%的晶間孔,含0.1%的微裂隙。此類儲層微裂隙相對較少,儲層滲透性一般,孔喉比相對穩(wěn)定,平均孔喉比為275.63～279.73。

微裂隙型以樣品2、樣品4、樣品6為典型。樣品2的喉道分布如圖3所示,呈單峰分布,分布較寬(0.3～4.5 μm),主要集中在0.4～2.1 μm,主流喉道半徑為2.21 μm,平均喉道半徑為1.48 m;孔隙分布呈多峰狀,主要集中在90～145 μm,平均孔隙半徑為124.00 μm;平均孔喉比為141.48。儲層主要發(fā)育微裂隙,且連通性較好。溶蝕孔較少發(fā)育,造成儲層孔隙空間較小,孔隙與喉道差異較小,進而造成其孔喉比相對較低,而由于微裂隙的溝通,該儲層滲透性能良好。樣品2的鑄體薄片僅見微裂隙發(fā)育,其體積分數約為0.15%,微裂隙聯(lián)通性略好,面孔率低。樣品6中可見少量晶間孔及巖屑溶孔,仍以微裂隙為主,其體積分數為0.5%。此類儲層發(fā)育微細、細喉道,儲集空間有限,儲層滲透性最好,局部受溶蝕孔影響,孔喉比變化明顯,平均孔喉比為141.48～320.11。

圖3 不同樣品的喉道半徑與孔隙半徑分布

溶蝕孔型以樣品3為代表,喉道分布如圖3所示,仍為單峰分布,主要集中在0.3～0.8 μm,0.3 μm的喉道占較高比例,主流喉道半徑為1.01 μm,平均喉道半徑為0.68 m;孔隙分布呈多峰狀,主要集中在55～155 μm,在55～85 μm仍占較多比例,與樣品1和樣品2明顯不同,此類孔隙對增加孔隙空間有重要意義。其平均孔隙半徑為124.00 μm;平均孔喉比為141.48。此類儲層主要發(fā)育溶蝕孔,溶蝕孔為巖屑溶孔、粒間溶孔及少量長石溶孔,溶蝕孔體積分數可達到為2.3%,晶間孔為0.2%,微裂隙為0.3%,面孔率最高,可達到2.8%。微裂隙連續(xù)性較差,原生粒間孔保存不好。喉道以縮頸喉道為主,儲層儲集性能最好,滲透性中等。

3 可動流體賦存特征

核磁共振技術根據流體氫原子核的磁性及與其在外加磁場下的響應特征,經過實驗測定、建立和分析不同的馳豫時間表現(xiàn)出的T2譜，從而研究儲層的孔隙及流體特征[22]。核磁共振數據還有另一個重要參數T2——馳豫時間截止值,當馳豫時間大于T2截止值時,孔隙內流體為可動流體,當馳豫時間小于T2截止值時,孔隙內流體為不可動流體,即為束縛流體[23]。T2截止值一般通過飽和地層水條件下的離心實驗獲得。通過離心實驗得出的研究區(qū)儲層的T2截止值為34 ms,6個樣品可動流體飽和度為14.82%～ 55.16 %,平均為32.23%(見表1)。樣品7的流體飽和度為18.9%,樣品8可動流體飽和度達到33%。樣品4反映的微裂隙型儲層可動流體飽和度達到最大。依據可動流體飽和度的評價標準,研究區(qū)的儲層基本為中等、較差儲層,僅樣品4達到較好的標準。研究區(qū)儲層的T2譜分布如圖4所示,主要為單峰型和雙峰型。單峰型(樣品1、樣品4)未出現(xiàn)明顯臺階,主峰越偏左,可動流體飽和度越低(樣品1);主峰越偏右,可動流體飽和度越高(樣品4)。樣品大多呈雙峰型,頻譜分布較寬,曲線起伏明顯,均以左峰為主峰,左高右低。左峰越偏左,可動流體飽和度越低(樣品7)。樣品3和樣品8的左峰位于樣品7的右側,因而可動流體飽和度要高于樣品7。樣品5雖然左峰與樣品7位置相當,但頻譜分布較為均勻,主峰優(yōu)勢不明顯,可動流體飽和度仍達到一定水平。

圖4 山1儲層樣品T2譜分布

4 孔隙結構對可動流體賦存的影響

基于恒速壓汞及核磁共振測試,可研究不同儲層孔隙、喉道的發(fā)育對可動流體飽和度的影響。研究區(qū)儲層可動流體飽和度與平均喉道半徑呈較好的正相關,與平均孔隙半徑呈一定程度的正相關(見圖5)。圖5表明，喉道和孔隙會對可動流體飽和度產生影響,而喉道為影響可動流體飽和度的關鍵參數。3種不同類型的儲層平均喉道半徑越大,可動流體飽和度越高。尤其以微裂隙型儲層可動流體飽和度最高,較大喉道的發(fā)育極大地降低了束縛水飽和度。微裂隙型儲層≥1.5 μm以上的喉道所占的比例明顯高于其他儲層,樣品4半徑≥1.5 μm的喉道體積分數可達到11%,而樣品樣1和樣品3的中半徑≥1.5 μm的喉道(細喉以上)體積分數分別為2.81%和6.44%。裂隙型儲層可動流體飽和度高，其主要原因在于大于1.5 μm以上的喉道發(fā)育,盡管含量不高,卻能夠提高儲層的流動性能,降低流動阻力,進而降低束縛水含量。同時，樣品4中，半徑≤0.3 μm的微喉道體積分數約為8.58%，樣品2中含量更低，樣品1和樣品3中，半徑≤0.3 μm的微喉道的體積分數約為15.7%以上，這表明半徑≤0.3 μm的微喉道占比越低，可動流體飽和度越高。同種類型的儲層如樣品1和樣品5中表現(xiàn)尤為明顯，可動流體飽和度差別的原因在于微喉道的發(fā)育。樣品5中,半徑≤0.3 μm的微喉道體積分數約11.89%，低于樣品3中的占比，可動流體飽和度略高。儲層中，半徑≤0.3 μm的微喉道空間細小，連通復雜，毛管阻力增大，不利于流體流動，此類孔隙越發(fā)育，儲層束縛水飽和度就越高。晶間孔-溶蝕孔型及溶蝕孔型儲層，細喉以上的喉道占比較少,而微喉道含量較高,特別是局部溶蝕及細小晶間孔更是加劇了喉道的復雜性,因而可動流體飽和度偏低。

由圖5C可知，研究區(qū)儲層的平均孔喉比與可動流體飽和度呈負相關,平均孔喉比越小,可動流體飽和度越高。其原因在于，平均孔喉比越大,孔隙與喉道尺寸差別就越大,流體進出喉道的阻力也越大,流體不容易流動,易形成束縛水;反之，孔喉比越小,孔隙與喉道尺寸相當,流動阻力降低,可動流體飽和度增加。相對分選系數用來表征孔喉的分選性,致密砂巖中，分選系數越大，表明儲層中大孔隙的比例相對增高[24-25]。由圖5D可知，研究區(qū)儲層的相對分選系數與可動流體飽和度呈較好的正相關性,相對分選系數越高，可動流體飽和度越高，這表明大孔隙有利于流體的流動,改善了滲流能力,降低了束縛水的含量。

圖5 山1儲層孔喉參數與可動流體飽和度

5 結論

1)延安氣田北部山1段儲層主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖, 溶孔、晶間孔和微裂隙為主要的孔隙類型, 發(fā)育縮頸型喉道以及片狀、彎片狀喉道。

2)延安氣田北部山1段儲層樣品具有中—大孔隙、微細喉道的特征,喉道、孔隙的發(fā)育主要影響儲層的滲透性,喉道為影響儲層滲透性的關鍵因素,微裂隙及溶蝕影響孔隙、喉道的發(fā)育。研究區(qū)儲層可劃為晶間孔-溶孔型、微裂隙型、溶蝕孔型,微裂隙型儲層喉道半徑大,喉道頻譜分布寬,滲透性最好。

3)延安氣田北部山1段儲層可動流體飽和度為14.82%～55.16 %,平均為32.23%,微裂隙型儲層樣品可動流體飽和度最高。喉道半徑、孔隙半徑、孔喉比及分選性影響可動流體飽和度,以喉道半徑影響最為顯著,平均喉道半徑越大,特別是半徑≥1.5 μm的喉道占比越高,可動流體飽和度越高;半徑≤0.3 μm的微喉道比例越高,可動流體飽和度越低。分選系數越高,可動流體飽和度越高。