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三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r儲層孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動性特征

2022-04-01 11:38楊勝來高鑫遠于家義
關鍵詞:巖心油藏滲透率

李 帥,楊勝來,王 爽,高鑫遠,張 政,焦 寶,于家義

(1.中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 2.長慶油田分公司 第五采油廠,陜西 西安 710200; 3.吐哈油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 哈密 839009)

引 言

近年來,三塘湖盆地二疊系條湖組致密沉凝灰?guī)r油藏成為了中國乃至世界上第一個勘探開發(fā)成功的凝灰?guī)r類致密油藏[1-2],該油藏的經(jīng)濟有效開發(fā)極大地豐富了國內(nèi)外致密油藏勘探開發(fā)的內(nèi)涵,具有重要的理論和實踐價值[3-4]。

作為一類正處于開發(fā)早期、潛力巨大的新型致密油藏,明確儲層孔隙結(jié)構(gòu)和流體可動性對于確定其儲集能力[5-7]、滲流能力[8-10]、開發(fā)方式和生產(chǎn)動態(tài)[11-12]等具有重要意義。目前,學者們關于致密油藏的孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動性已經(jīng)進行了大量的研究,如馬銓錚等[13]采用鑄體薄片、掃描電鏡等研究了蘆草溝組致密儲層的儲集空間類型和孔隙分布特征。黃興等[14]基于高壓壓汞和核磁共振等研究了致密油藏微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對水驅(qū)油的影響。周尚文等[15]利用高壓壓汞和核磁共振分析了致密油藏可動流體飽和度。郭和坤等[16]運用核磁共振和氣水高速離心法分析了致密油藏的孔隙結(jié)構(gòu)類型及可動流體飽和度特征。前人在致密油藏孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動性方面已經(jīng)取得大量成果,但仍存在以下問題:①未對新型致密沉凝灰?guī)r油藏開展孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動性的系統(tǒng)研究;②較少系統(tǒng)研究致密油藏孔隙結(jié)構(gòu)、流體可動性及二者關系;③研究致密油藏孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動性的方法相對單一。

鑒于此,本文以三塘湖盆地二疊系條湖組致密沉凝灰?guī)r油藏井下真實巖心為對象,采用多種實驗手段分析了巖心的孔隙結(jié)構(gòu)、流體可動性及二者關系,以期為系統(tǒng)認識致密沉凝灰?guī)r儲層特征及開發(fā)方案的制定提供依據(jù)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗巖心為具有代表性的井下真實巖心,取芯深度為2 644.18~2 712.34 m,共計13塊,編號依次為Z1─Z13。巖心直徑2.470~2.529 cm,長度1.744~7.762 cm。巖心滲透率(0.026~0.125)×10-3μm2,平均為0.06×10-3μm2,孔隙度介于14.09%~22.64%,平均為18.29%。實驗用油為煤油,室溫20 ℃時黏度為1 mPa·s,密度為0.795 kg/m3。實驗用水根據(jù)地層水類型配制而成,為NaHCO3型,礦化度為9 000 mg/L。

1.2 實驗儀器

巖心孔隙度、滲透率和高壓壓汞測試分別采用113型氦孔隙度儀、112型空氣滲透率儀和Poremaster PM-33-13壓汞儀;電鏡掃描采用COXEM-EM-30 Plus超高分辨率臺式掃描電鏡;鑄體薄片由北京日月石礦業(yè)有限公司制作完成,并采用偏光顯微鏡進行觀察和鑒定;離心機采用YXL-14B巖心分析離心機;核磁共振儀采用SPEC-PMR型核磁共振巖心分析儀;長巖心水驅(qū)實驗中,驅(qū)替泵為ISCO泵,中間容器、壓力傳感器、恒溫箱、高壓夾持器和液體計量裝置等均由江蘇海安石油科研儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 實驗步驟

巖心孔隙度、滲透率和高壓壓汞測試參照SY/T5336—2006和 SY/T5346—2005,鑄體薄片和掃描電鏡測試參照SY/T6103—2004,核磁共振測試參照SY/T6490—2014。離心法結(jié)合核磁共振測試巖心可動性的步驟為:①測試巖心完全飽和地層水時的核磁信號量及T2譜曲線;②測試巖心離心后的核磁信號量及T2譜曲線;③對比巖心離心前后核磁信號量的變化,求取巖心可動流體飽和度及核磁T2截止值;④利用巖心核磁T2值與孔隙半徑r的關系,求取巖心可動流體孔隙半徑下限。長巖心水驅(qū)實驗采取逐級升壓法,主要記錄不同壓差下的產(chǎn)液規(guī)律及最小水驅(qū)壓力梯度。

2 結(jié)果分析

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1.1 鑄體薄片

鑄體薄片測試結(jié)果既可以反映巖石礦物組成,也可以反映巖石孔隙特征。Z1和Z2的鑄體薄片測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1知,條湖組致密巖心為(沉)凝灰?guī)r,礦物組成相對簡單,主要包括凝灰質(zhì)、方解石和石英,基本不含黏土礦物。Z1和Z2的面孔率分別為6%和8%,孔隙主要由構(gòu)造縫、氣泡狀結(jié)構(gòu)和基質(zhì)微孔組成,其中Z1發(fā)育1條構(gòu)造縫,縫內(nèi)完全充填了方解石,Z2發(fā)育2條構(gòu)造縫,但縫內(nèi)未見方解石充填。沉凝灰?guī)r內(nèi)同樣可見大量的氣泡狀結(jié)構(gòu),其內(nèi)充填著大量方解石單晶,而基質(zhì)內(nèi)既可見呈團狀的鈣質(zhì)膠結(jié),也可見漂浮分布的、呈次棱角狀-次圓狀、粒度多為粉砂的石英顆粒,基質(zhì)內(nèi)也發(fā)育了大量未充填的微孔。

圖1 鑄體薄片圖像

2.1.2 掃描電鏡

掃描電鏡實驗是觀察巖心微觀孔隙特征最直接有效的方法。Z3的掃描電鏡測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 掃描電鏡測試結(jié)果

圖2(a)為巖心端面局部放大500倍后的圖像,由圖可以明顯觀察到較為致密的基質(zhì)孔隙和數(shù)量較少但尺度相對較大的裂縫。圖2(b)是將該端面繼續(xù)放大1 000倍,此時裂縫形態(tài)相對較為清晰,但基質(zhì)孔隙仍然較為致密,無法清晰觀察。圖2(c)是將基質(zhì)部分繼續(xù)放大2 000倍觀察,此時部分孔隙呈明顯的氣泡狀結(jié)構(gòu)。圖2(d)是將裂縫部分放大了5 000倍,此時可以清楚地看到裂縫內(nèi)的方解石分布。圖2(e)─2(h)是分別將基質(zhì)部分放大5 000倍、6 000倍、7 000倍和10 000倍,可以看出當觀測尺度足夠小時,基質(zhì)孔隙又可細分為更小的微尺度裂縫和微孔隙,但此時巖心的孔隙尺度已經(jīng)達到了微納米級。因此,整體而言,致密沉凝灰?guī)r孔隙主要由較大尺度的構(gòu)造縫、氣泡狀結(jié)構(gòu)以及微納米尺度的基質(zhì)微孔組成,其中基質(zhì)微孔體積在總孔隙體積中的比例最大,并處于絕對的主導地位。

2.1.3 高壓壓汞

高壓壓汞實驗是觀察巖心進/退汞和孔喉分布特征的重要手段。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 毛管壓力曲線

由圖3知,6塊巖心進汞曲線的中間段不僅跨度大而且均較為平緩,說明巖心內(nèi)孔隙分布集中,而分選系數(shù)介于0.976~1.174,平均僅為1.048,說明巖心的孔隙分選性良好。巖心排驅(qū)壓力4.124~5.499 MPa,平均為4.354 MPa,孔喉半徑平均值0.060~0.081 μm,平均為0.069 μm,孔喉半徑中值0.065~0.090 μm,平均為0.073 μm,說明巖心孔隙尺度整體屬于微納米級。巖心進汞效率介于98.3%~98.9%,平均為98.6%,表明壓汞法能較為準確地反映致密沉凝灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu),但巖心退汞效率30.6%~39.2%,平均為34.0%,說明巖心孔隙內(nèi)毛管力滯留效應非常明顯,這也是造成礦場壓裂液及注入水返排率低的重要原因。

不同巖心的孔喉半徑分布頻率及其滲透率貢獻曲線如圖4所示。

圖4 各孔喉的分布頻率及對滲透率貢獻率

由圖4知,巖心Z4、Z5、Z6和Z7中分布最多的孔隙尺度是0.063 μm,該尺度在各巖心總孔隙體積中的占比依次為28.0%,30.1%、38.8%和36.6%,在巖心Z8和Z9中,孔隙尺度0.063 μm和0.1 μm占巖心總孔隙體積的比例接近。結(jié)合本研究之前的多塊巖心測試數(shù)據(jù)知,致密沉凝灰?guī)r孔隙中占據(jù)巖心孔隙體積最多的孔隙尺寸是0.063 μm。對滲透率而言,在巖心Z4、Z5、Z6、Z8和Z9中,貢獻最大的孔隙半徑是0.1 μm,貢獻率依次為48.5%,54.9%、41.6%、59.4%和50.4%,在Z7中孔隙尺度為0.063 μm和0.100 μm對滲透率的貢獻相近。因此,致密沉凝灰?guī)r中分布最多的孔隙尺度是0.063 μm,但對滲透率貢獻最大的孔隙尺度是0.100 μm。

2.1.4 核磁共振

核磁共振在測試和表征致密巖心孔隙結(jié)構(gòu)方面具有獨特優(yōu)勢。Z7、Z8和Z9充分飽和地層水后的核磁共振T2譜曲線如圖5所示。

由圖5知,致密沉凝灰?guī)r巖心核磁共振橫向弛豫時間T2值主要集中在0.1 ~ 10 ms,各巖心核磁信號總量較為穩(wěn)定,且T2譜曲線形態(tài)均呈單峰,說明巖心均質(zhì)性相對較好,孔隙分布較為集中。概括而言,致密沉凝灰?guī)r是一類礦物組成相對簡單,孔隙整體較為致密但均質(zhì)性較好的儲集體。

圖5 巖心核磁共振T2譜曲線

2.2 流體可動性特征

核磁共振技術(shù)同樣在表征致密巖心流體可動性、 各類孔喉的產(chǎn)液規(guī)律及剩余油分布特征等方面具有廣泛用途,但核磁共振測試結(jié)果的橫坐標是該巖心的弛豫時間,而非孔隙半徑。因此,要利用核磁共振技術(shù)確定各類孔隙內(nèi)含油量的變化就必須首先建立巖心孔隙半徑r與其核磁共振弛豫時間T2的關系,其基本步驟包括[17]:①將巖心壓汞數(shù)據(jù)進行歸一化處理,得到不同孔隙半徑r的累計分布頻率;②將巖心核磁共振測試數(shù)據(jù)進行歸一化處理,得到不同核磁弛豫時間T2的累計分布頻率;③對所有在相同累計分布頻率處的孔隙半徑r和其核磁弛豫時間T2進行冪函數(shù)擬合,利用擬合的函數(shù)即可得到巖心核磁弛豫時間T2與其孔隙半徑r的關系。以巖樣Z7為例,其擬合過程和結(jié)果如圖6所示。

由圖6(b)知,巖心lnr和lnT2具有極好的相關性,相關系數(shù)R2達到了0.965 8,說明致密沉凝灰?guī)r巖心孔隙半徑r和橫向弛豫時間T2之間具有良好的冪函數(shù)關系,二者的換算關系為

r=C×(T2)n。

(1)

兩邊求對數(shù)得

lnr=lnC+nlnT2。

(2)

根據(jù)圖6(b)中l(wèi)nr和lnT2的擬合關系式得

圖6 核磁弛豫時間T2與孔隙半徑r的換算過程及結(jié)果

lnr=0.778 2 lnT2-3.376 3,

(3)

進一步換算得

r=0.034 2×(T2)0.778 2。

(4)

圖6(c)是利用式(4)將巖心Z7的核磁共振T2值換算為對應的孔隙半徑,然后與壓汞實測的孔隙半徑分布頻率圖進行對比的結(jié)果。圖6(c)表明兩條曲線的形態(tài)特征、數(shù)值大小均呈良好的一致性,尤其是當孔隙半徑大于0.063 μm時(該區(qū)間為主要的滲流區(qū)間),兩條曲線基本重合,轉(zhuǎn)換精度極高。因此,后續(xù)在致密沉凝灰?guī)r孔隙半徑r和其核磁共振T2值轉(zhuǎn)化時均利用此式。

2.2.1 可動孔隙半徑下限

核磁共振結(jié)合離心法測試巖心T2截止值是描述致密巖心流體可動性的主要方法之一。在核磁共振曲線中,小于核磁T2截止值的流體為束縛流體,大于核磁T2截止值的流體為可動流體,各巖心的測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 巖心離心前后核磁信號的變化

由圖7中巖心離心前后的核磁數(shù)據(jù)、核磁T2截止值概念及式(4)得,巖心Z10、Z11、Z12和Z13的核磁T2截止值依次為1.847 8 ms、0.982 1 ms、1.734 7 ms和1.968 4 ms,平均為1.633 0 ms,可動流體飽和度依次為44.47%、57.44%、51.26%和50.09%,平均為50.81%,可動孔隙半徑下限依次為0.055 1 μm、0.033 7 μm、0.052 5 μm和0.057 9 μm,平均為0.049 8 μm。

2.2.2 有效滲流孔喉半徑下限

在高壓壓汞實驗中,當滲透率的累計貢獻率達到90%時所對應的孔隙半徑即為該巖心的有效滲流孔喉半徑下限。各巖心的孔隙半徑與其滲透率累計貢獻率曲線如圖8所示。

圖8 有效滲流孔喉半徑下限

由圖8知,各巖心的滲透率累計貢獻率曲線在不同的孔隙半徑區(qū)間內(nèi)變化幅度明顯不同,呈現(xiàn)“兩頭慢,中間快”的特點。由此可將巖心的孔隙劃分為三個區(qū)間,分別是小孔隙(0~0.063 μm)、中孔隙(0.063~0.160 μm)和大孔隙(0.160~0.250 μm)。在此標準下,則致密沉凝灰?guī)r的滲透率主要由中孔隙提供,大孔隙和小孔隙的貢獻相對較少,出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是致密沉凝灰?guī)r的孔隙分布相對較為集中,即巖心孔隙主要集中在中孔隙,而大孔隙和小孔隙的體積占總孔隙體積的比例較小,同時流體在小孔隙中的流動較為困難也是造成小孔隙對滲透率貢獻較小的原因之一。當滲透率的累計貢獻率達到90%時,由圖8知,巖心Z4、Z6、Z7和Z9的有效滲流孔喉半徑下限均為0.063 μm,而Z5和Z8的有效滲流孔喉半徑下限比0.063 μm稍大一些,但與0.063 μm非常接近。因此,整體而言,致密沉凝灰?guī)r的有效滲流孔喉半徑下限是0.063 μm。

2.2.3 水驅(qū)壓力梯度下限

長度為0.43 m的組合長巖心水驅(qū)實驗結(jié)果如表1所示。

表1 長巖心水驅(qū)適應性評價

由表1知,當壓力梯度小于等于3.75 MPa/m時,長巖心內(nèi)流體完全無法被驅(qū)動,而只有當壓力梯度大于等于7.25 MPa/m時才能驅(qū)動。根據(jù)室內(nèi)及礦場經(jīng)驗知,對于現(xiàn)場100 m的井距,按此壓力梯度,則注采井之間的驅(qū)替壓差至少要在100 MPa以上才能實現(xiàn)有效水驅(qū),而這顯然不現(xiàn)實。因此,致密沉凝灰?guī)r油藏基質(zhì)孔隙內(nèi)的原油依靠常規(guī)水驅(qū)難以動用,必須采取擴大壓裂規(guī)模、縮短井距、超破裂壓力注水或吞吐置換等工藝進行增產(chǎn)。整體而言,致密沉凝灰?guī)r孔隙的流體可動性較差,水驅(qū)壓力梯度下限為7.25 MPa/m,平均可動流體飽和度僅為50%,且低于10 nm級別的孔隙基本難以動用。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)對流體可動性的影響

巖石的礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)是決定其流體可動性的主要因素。由于致密沉凝灰?guī)r的礦物成分相對簡單,且不含黏土礦物,因此,孔隙結(jié)構(gòu)應是決定其流體可動性的主要因素。前面的孔隙結(jié)構(gòu)測試已經(jīng)表明,致密沉凝灰?guī)r孔隙分布集中,均質(zhì)性較好,因此巖心平均孔隙半徑應是制約其流體可動性的關鍵因素。巖心滲透率、可動孔隙半徑下限和排驅(qū)壓力等參數(shù)也可直接或間接地反映巖心平均孔隙半徑。一般而言,巖心滲透率越大,其平均孔隙半徑越大,而巖心可動孔隙半徑下限越低,排驅(qū)壓力越小,其平均孔隙半徑越大。巖心平均孔隙半徑、滲透率、可動孔隙半徑下限及排驅(qū)壓力與其可動流體飽和度的關系如圖9所示。

由圖9知,在特定的平均孔隙半徑、滲透率、可動孔隙半徑下限和排驅(qū)壓力區(qū)間內(nèi),巖心可動流體飽和度與其滲透率、平均孔隙半徑呈現(xiàn)良好的正相關趨勢,而與可動孔隙半徑下限和排驅(qū)壓力呈現(xiàn)良好的負相關趨勢,這充分說明平均孔隙半徑是影響致密沉凝灰?guī)r流體可動性的關鍵因素,尤其在圖9(a)中,巖心平均孔隙半徑與可動流體飽和度之間的擬合系數(shù)達到1,更是直接說明了平均孔隙半徑對致密沉凝灰?guī)r流體可動性的重要影響。因此,致密沉凝灰?guī)r的流體可動性主要取決于巖心的平均孔隙半徑,而巖心較低的流體可動飽和度正是由于其平均孔隙半徑太小。

圖9 巖心可動流體飽和度與孔隙參數(shù)的關系

3 結(jié) 論

(1)三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r由凝灰質(zhì)、方解石和石英組成??紫额愋桶?gòu)造縫、氣泡狀結(jié)構(gòu)和基質(zhì)微孔,其中基質(zhì)微孔是主要的儲集空間,其分選性良好。巖石內(nèi)分布最多的孔隙尺度是0.063 μm,但對滲透率貢獻最大的孔隙尺度是0.1 μm。

(2)三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r的平均可動流體飽和度為50.81%,平均可動孔喉半徑下限為0.049 8 μm,平均有效滲流孔喉半徑下限為0.063 μm,水驅(qū)壓力梯度下限為7.25 MPa/m。

(3)三塘湖盆地致密沉凝灰?guī)r油藏流體可動性差的根本原因在于儲層巖石的平均孔隙半徑太小,流體滲流阻力太大。

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