張 兵, 周龍剛, 王應(yīng)斌, 潘新志, 萬(wàn) 歡, 石雪峰, 謝英剛

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116; 2. 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100016; 3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 300452)

鄂爾多斯盆地是我國(guó)重要能源基地。2015年，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司對(duì)盆地東北緣氣藏的控制因素和富集條件進(jìn)行研究，在下石盒子組盒8段及太原組太2段取得勘探突破。2018年以來(lái)，圍繞高產(chǎn)井部署開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井，落實(shí)最優(yōu)產(chǎn)能及儲(chǔ)量可動(dòng)用性。

相對(duì)于常規(guī)氣藏的邊、底水分布，致密氣藏氣水分布規(guī)律復(fù)雜。多位學(xué)者[1-4]在研究蘇里格、四川廣安(須家河組)等致密砂巖氣田時(shí)認(rèn)為，致密砂巖儲(chǔ)層物性差，氣藏水體呈局部連續(xù)分布，無(wú)明顯的氣水分布界面，水化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)、同位素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為上述氣田致密砂巖產(chǎn)水為地層水[4-5]。

臨興地區(qū)致密氣井普遍產(chǎn)水，與盆地內(nèi)致密氣田相比，產(chǎn)水早，水氣比高，由于該區(qū)靠近盆地邊緣，處于地表水-地下水補(bǔ)給、徑流、排泄區(qū)。該研究針對(duì)臨興地區(qū)致密氣井產(chǎn)水是否受地表水影響及出水來(lái)源進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)概況

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，橫跨晉西撓折帶和伊陜斜坡兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，地層自東向西呈單斜，如圖1所示[6]。致密氣勘探目的層主要發(fā)育于上古生界，其中本溪組—山西組含煤地層是該區(qū)烴源巖，Ro一般不超過(guò)1.1%，區(qū)域上烴源巖成熟度受紫金山火成巖影響呈環(huán)形分布[6]，太原組、石盒子組發(fā)育該區(qū)主要致密氣儲(chǔ)層，經(jīng)過(guò)近幾年勘探，垂向上多套地層測(cè)試獲得工業(yè)氣流，顯示出良好的開(kāi)發(fā)潛力。

區(qū)內(nèi)致密氣井測(cè)試、試生產(chǎn)階段普遍產(chǎn)水，其中先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)2017年水平井水氣比為3.1 m3/104m3，明顯高于蘇里格、大牛地等氣田，加之致密儲(chǔ)層自身特點(diǎn)，產(chǎn)水后對(duì)儲(chǔ)層傷害大，產(chǎn)氣量迅速下降，導(dǎo)致產(chǎn)能無(wú)法有效釋放，影響區(qū)塊開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural sketch of Ordos Basin

2 區(qū)域水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)出露三疊系地層，古生界目的層在東部盆地邊緣有出露，如圖2所示。研究區(qū)位于黃河?xùn)|岸，區(qū)內(nèi)無(wú)常年徑流，東北部的南川河、薇汾河等黃河支流多年平均流量一般<3 m3/s，徑流量較小，季節(jié)性變化明顯。根據(jù)區(qū)塊東部煤田勘探資料，區(qū)域上地下水分為3大類(lèi)：巖溶水、碎屑巖類(lèi)裂隙水以及松散巖類(lèi)孔隙水。

巖溶水主要指寒武系、奧陶系碳酸鹽巖地層地下水，研究區(qū)巖溶水屬于天橋泉域，興縣東北部大面積出露的碳酸鹽巖地層可接受大氣降水入滲補(bǔ)給、黃河及其支流的滲漏補(bǔ)給?？傮w上由北、東、南向保德北部的天橋、龍口方向匯流，系統(tǒng)西部，巖溶水隔水邊界埋深一般小于1 000 m。由于黃河沿背斜軸部發(fā)育，切穿上馬家溝組部分含水層，使巖溶水沿黃河沿岸溢出成泉。圖3所示為天橋泉域水文地質(zhì)剖面圖[7]。巖溶水系統(tǒng)邊界位于興縣附近，位于研究區(qū)以外，研究區(qū)馬家溝組地層埋深大于2 000 m，深部馬家溝組地層不受巖溶地下水補(bǔ)、徑、排影響。

圖2 研究區(qū)地層出露及地表水系分布Fig.2 Stratigraphic exposure and surface water distribution in the study area

圖3 天橋泉域水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeological profile of Tianqiao spring area

碎屑巖類(lèi)裂隙水指石炭系、二疊系和三疊系砂巖裂隙水，是研究區(qū)的主要產(chǎn)水層。區(qū)內(nèi)垂向上有多套隔水層分布，包括石炭系本溪組8號(hào)和9號(hào)煤至底部鋁土泥(頁(yè))巖隔水層，二疊系下統(tǒng)太原組、山西組泥巖隔水層，二疊系中統(tǒng)上、下石盒子組泥巖隔水層，二疊系上統(tǒng)石千峰組上部泥巖隔水層組，以及三疊系泥巖隔水層組。致密砂巖勘探目的地層埋深一般>1 500 m，垂向上、側(cè)向上均無(wú)法獲得地表水有效補(bǔ)給。

圖4 臨興-神府區(qū)塊離子平均百分比Fig.4 Average percentage of ions for Linxing-Shenfu block

圖5 三交北區(qū)塊離子平均百分比Fig.5 Average percentage of ions for Sanjiaobei block

綜上分析，研究區(qū)主體致密砂巖目的層橫向上遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)，縱向上埋深大，發(fā)育多套隔水層，不受地表水、中淺部地下水補(bǔ)給和運(yùn)移的影響。

3 致密砂巖產(chǎn)水化學(xué)特征

對(duì)比研究區(qū)東部、研究區(qū)、盆地內(nèi)地層產(chǎn)出水化學(xué)特征可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)致密砂巖產(chǎn)出水化學(xué)特征與盆地內(nèi)部接近，與盆地邊緣受地表水影響的中、淺部地下水截然不同。反應(yīng)區(qū)內(nèi)致密砂巖儲(chǔ)層目前與地表水無(wú)聯(lián)系，地層水化學(xué)特征是原始地層沉積水在成藏過(guò)程中經(jīng)過(guò)壓實(shí)、水巖相互作用、蒸發(fā)濃縮作用、混合等作用的結(jié)果。

首先，臨興地區(qū)致密砂巖產(chǎn)水水型與盆地內(nèi)蘇里格、子洲等氣田一致，顯示封閉狀態(tài)。隨地層“變老”平均礦化度呈升高趨勢(shì)， 如圖6所示。

圖6 臨興地區(qū)不同地層致密砂巖產(chǎn)水礦化度變化Fig.6 Variation of water producing salinity of tight sandstone in different strata in Linxing area

圖7 保德、三交北地層水礦化度與關(guān)系Fig.7 Relationship between water salinity and for Baode and Sanjiaobei formation water

圖8 臨興地區(qū)地層水礦化度與關(guān)系[8]Fig.8 Relationship between water salinity and for Linxing formation water

臨興地區(qū)上古生界地層水鈉氯系數(shù)以小于0.5為主，油氣藏未見(jiàn)明顯破壞，如圖9所示[8]。縱向上地層埋深增大脫硫系數(shù)呈降低趨勢(shì)，如圖10所示[8]。變質(zhì)系數(shù)呈增大趨勢(shì)，如圖11所示[8]，顯示下部地層封閉性要好于上部。

圖9 研究區(qū)不同地層(段)鈉氯系數(shù)對(duì)比Fig.9 Comparison of sodium chloride coefficient of different strata (sections) in the study area

圖10 研究區(qū)不同地層(段)脫硫系數(shù)變化Fig.10 Variation of desulfurization coefficient in different strata (sections) in the study area

圖11 研究區(qū)不同地層(段)變質(zhì)系數(shù)變化Fig.11 Variation of metamorphic coefficient of different strata (sections) in the study area

通過(guò)區(qū)域水文地質(zhì)分析和采出水礦化度、水化學(xué)類(lèi)型、脫硫系數(shù)和變質(zhì)系數(shù)對(duì)比分析，認(rèn)為該區(qū)的產(chǎn)出水以地層原生水為主。

4 產(chǎn)出水賦存狀態(tài)分析

地層水根據(jù)其賦存狀態(tài)可分為束縛水、毛細(xì)管水和可動(dòng)水[1, 9, 10]。一般儲(chǔ)層物性差、孔喉半徑小、毛管力大，地層水以束縛水狀態(tài)存在；孔、滲較好，充注條件好的情況下，易形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，未充注成藏的儲(chǔ)層內(nèi)則含有大量自由可動(dòng)水。

根據(jù)壓裂裂縫可溝通范圍，結(jié)合測(cè)井含水飽和度解釋結(jié)果，結(jié)合儲(chǔ)層含水性預(yù)測(cè)結(jié)果，總結(jié)研究區(qū)致密砂巖壓后產(chǎn)水在儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)。

1)儲(chǔ)層存在大量可動(dòng)水

可動(dòng)水飽和度實(shí)驗(yàn)結(jié)果和氣井產(chǎn)水特征顯示，可動(dòng)水飽和度與氣井產(chǎn)水具有明顯正相關(guān)關(guān)系，可動(dòng)水低于6%的氣井基本不產(chǎn)水[9]。大面積分布的可動(dòng)水一般位于遠(yuǎn)離烴源巖的儲(chǔ)層，這類(lèi)儲(chǔ)層由于壓實(shí)作用弱，物性一般好于下部?jī)?chǔ)層，但與烴源巖距離遠(yuǎn)，缺乏有效的運(yùn)移通道，增加了充注成藏難度，導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)大量可動(dòng)水未被“驅(qū)替”。

例如X-6井千5段，孔隙度9.3%，滲透率1.03 mD，測(cè)井解釋可動(dòng)水飽和度高達(dá)12.2%～16.4%，該段壓裂后雖然獲得工業(yè)氣流，但壓裂返排率高達(dá)96.77%，且測(cè)試結(jié)束時(shí)產(chǎn)液8.65 m3/d，顯示該層含大量可動(dòng)水，為氣水同產(chǎn)。

壓裂后溝通臨近層的可動(dòng)水。臨興地區(qū)致密氣由于儲(chǔ)層物性差，大多需要壓裂才能獲得產(chǎn)能。統(tǒng)計(jì)顯示，壓裂裂縫主體縫高為10～40 m，大部分為20～40 m，如圖12所示。大約相當(dāng)于研究區(qū)段級(jí)別地層的厚度，若壓裂裂縫溝通范圍內(nèi)含有高含水層，則壓裂后臨近儲(chǔ)層出水會(huì)對(duì)產(chǎn)氣儲(chǔ)層造成“污染”，導(dǎo)致產(chǎn)氣下降。

圖12 臨興區(qū)塊壓裂裂縫主體縫高分布頻率直方圖Fig.12 Distribution frequency histogram of main fracture height in Linxing block

X-4井測(cè)試太原組太2段，根據(jù)小層劃分對(duì)比測(cè)試段位于太2-4-1、太2-4-2兩小層，如圖13所示。該段射孔產(chǎn)氣量大于105m3/d，2015年日產(chǎn)氣量降至2×104m3/d，不出液，顯示射孔段儲(chǔ)層可動(dòng)水少；2016年進(jìn)行了壓裂改造，雖然產(chǎn)氣量有所提升，但日產(chǎn)水量急劇上升至15 m3/d，且產(chǎn)水穩(wěn)定。地層對(duì)比發(fā)現(xiàn)X-4井周?chē)?-4-1儲(chǔ)層比較薄，無(wú)法供給如此大的水量，太2-4-2為主要產(chǎn)氣層，這兩層先期射孔產(chǎn)氣未產(chǎn)水，該井太2-5為干層，根據(jù)小層砂體含水飽和度預(yù)測(cè)結(jié)果，其位于高含水區(qū)邊緣，壓裂溝通本層導(dǎo)致該井產(chǎn)水量劇增。

2)儲(chǔ)層中的毛管水

根據(jù)毛管壓力曲線(xiàn)公式，毛管力與孔喉半徑呈反比，隨生產(chǎn)壓差逐漸放大，氣體運(yùn)移驅(qū)動(dòng)，部分毛管水會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為可動(dòng)水，進(jìn)而運(yùn)移至井筒產(chǎn)出，通過(guò)毛管壓力實(shí)驗(yàn)，如圖14所示，可以看出毛管壓力3 MPa時(shí)含水飽和度明顯整體低于1.5 MPa時(shí)，顯示一部分毛管水轉(zhuǎn)化為可動(dòng)水排出。該地區(qū)氣層埋深為1 500～2 000 m，儲(chǔ)層壓力系數(shù)0.85～0.95 MPa/100 m，生產(chǎn)井井口壓力普遍低于5 MPa，生產(chǎn)壓差為7.75～14.00 MPa，遠(yuǎn)高于毛管水轉(zhuǎn)化為自由水的壓力。因此部分井產(chǎn)出水在儲(chǔ)層為毛管水，通過(guò)放大生產(chǎn)壓差之后，很快轉(zhuǎn)化為自由水產(chǎn)出。

圖13 X-4井太2段小層劃分圖Fig.13 Division of small layers in Taiyuan2 member of well X-4

圖14 研究區(qū)某井不同壓力下毛管壓力曲線(xiàn)Fig.14 Capillary pressure curve of a well in the study area under different pressures

5 對(duì)致密氣開(kāi)發(fā)的啟示

通過(guò)以上分析可見(jiàn)，研究區(qū)致密砂巖產(chǎn)水主要有測(cè)試目的層可動(dòng)水、壓裂溝通臨近層水和毛管水轉(zhuǎn)化可動(dòng)水等3個(gè)來(lái)源。儲(chǔ)層內(nèi)水的賦存狀態(tài)與其孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)儲(chǔ)層物性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)孔喉中值半徑隨孔隙度增大呈上升趨勢(shì)，根據(jù)孔隙度和平均中值半徑可將儲(chǔ)層分為3類(lèi)，如圖15所示。根據(jù)儲(chǔ)層分類(lèi)結(jié)果及地層水賦存狀態(tài)，宜采用“避可動(dòng)、控轉(zhuǎn)化、限壓裂”的總體防水方案。

圖15 臨興區(qū)塊儲(chǔ)層孔隙度與孔喉中值半徑關(guān)系Fig.15 Relationship between reservoir porosity and median radius of pore throat in Linxing block

5.1 避可動(dòng)

Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層孔滲物性好，近源巖成藏時(shí)往往有自然產(chǎn)能，遠(yuǎn)離源巖且充注較差時(shí)，則含有大量可動(dòng)水，開(kāi)采初期便產(chǎn)水且水量大、水氣比高，穩(wěn)產(chǎn)周期短。“避可動(dòng)”主要是指通過(guò)測(cè)井解釋可動(dòng)水飽和度，識(shí)別高可動(dòng)水儲(chǔ)層，避免測(cè)試或與下部?jī)?chǔ)層合采，污染下部“好”儲(chǔ)層。同時(shí)，受儲(chǔ)層橫向非均質(zhì)性影響，源內(nèi)、近源巖砂體也存在“透鏡體”式分布的高可動(dòng)水砂體，也需要通過(guò)地質(zhì)、物探手段進(jìn)行識(shí)別預(yù)測(cè)，鉆井過(guò)程中盡量規(guī)避含水砂體。動(dòng)用該類(lèi)儲(chǔ)層的氣井往往易積液，需要長(zhǎng)周期的強(qiáng)化排水措施才能保證氣井生產(chǎn)。

5.2 控轉(zhuǎn)化

Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層可分為Ⅱ-1、Ⅱ-2兩個(gè)亞類(lèi)，Ⅱ-1類(lèi)相較Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層孔隙度、孔喉中值半徑減小，儲(chǔ)集能力有所下降，Ⅱ-2類(lèi)大孔隙、孔喉中值半徑小，含有大量“細(xì)頸瓶”孔，孔隙連通性差，毛管水含量高，Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層水主要以毛細(xì)管水為主，是“控轉(zhuǎn)化”的主要目標(biāo)。

根據(jù)孔徑結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層類(lèi)型，通過(guò)控制生產(chǎn)壓差、適當(dāng)調(diào)低配產(chǎn)系數(shù)，盡量避免生產(chǎn)早期大量毛管水轉(zhuǎn)化可動(dòng)水產(chǎn)出，導(dǎo)致氣相滲透率損失，近井筒儲(chǔ)層污染，導(dǎo)致氣井穩(wěn)產(chǎn)周期變短。動(dòng)用該類(lèi)儲(chǔ)層的氣井生產(chǎn)后期若出現(xiàn)積液現(xiàn)象，由于毛管水產(chǎn)量有限，可采用間歇性的泡排等措施進(jìn)行生產(chǎn)。

5.3 限壓裂

壓裂作為致密砂巖儲(chǔ)層獲得工業(yè)產(chǎn)能的主要儲(chǔ)改措施之一，為天然氣的產(chǎn)出建立通道的同時(shí)，也為孤立的可動(dòng)水、毛管水產(chǎn)出提供了便利的滲流條件，從氣井產(chǎn)氣、產(chǎn)水的角度壓裂是把“雙刃劍”，因此需明確壓裂適用的儲(chǔ)層類(lèi)型及條件。

對(duì)于射孔高產(chǎn)或配產(chǎn)達(dá)到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量下限的氣井，建議不壓裂，待產(chǎn)量遞減至經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量下限后再根據(jù)剩余儲(chǔ)量情況決定是否壓裂。

對(duì)于低孔、低孔喉中值半徑的Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層，儲(chǔ)集能力差、充注難度大，孔隙內(nèi)以毛管水、束縛水為主，難以形成好儲(chǔ)層，改造后對(duì)氣井產(chǎn)氣無(wú)貢獻(xiàn)，甚至產(chǎn)水起反效果。水平井壓裂時(shí)根據(jù)儲(chǔ)層鉆遇情況，應(yīng)優(yōu)化壓裂段數(shù)及壓裂規(guī)模，在避開(kāi)高含水、高可動(dòng)水區(qū)時(shí)，盡量不動(dòng)用無(wú)效的Ⅲ類(lèi)儲(chǔ)層。

6 結(jié)論

1)從區(qū)域水文地質(zhì)條件及地層水化學(xué)特征分析，臨興地區(qū)致密氣井產(chǎn)水為成藏后滯留地層內(nèi)的原生水。從來(lái)源上分析，致密砂巖氣井產(chǎn)出水包含儲(chǔ)層內(nèi)充注成藏后剩余的可動(dòng)水及孔隙喉道內(nèi)的毛管水。

2)利用孔隙度和孔喉中值半徑劃分儲(chǔ)層類(lèi)型，結(jié)合地層水賦存狀態(tài)的差異，建議對(duì)3類(lèi)儲(chǔ)層分別采取“避可動(dòng)、控轉(zhuǎn)化、限壓裂”的開(kāi)發(fā)對(duì)策，以提高致密氣田的采收率及開(kāi)發(fā)效益。