姚涇利 王懷廠 裴 戈 袁曉明 張 輝

1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探部

鄂爾多斯盆地東部上古生界石盒子組8段、太原組是該區(qū)天然氣勘探的主要目的層，其滲透率普遍小于1mD，儲(chǔ)集層孔喉特征為中、小孔—細(xì)、微喉型組合，為低孔隙度、低滲透率的致密砂巖儲(chǔ)層［1－6］，單井產(chǎn)量低，制約著該區(qū)規(guī)模儲(chǔ)量的提交和氣田的大規(guī)模有效開(kāi)發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)盒8段、太原組致密砂巖氣藏普遍存在超低含水飽和度現(xiàn)象（指儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度的狀態(tài)［7］）。氣藏存在低含水飽和度現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致在鉆井、壓裂等各種作業(yè)過(guò)程中工作液、濾液侵入量和侵入速度增加，水鎖傷害加重。因此深化對(duì)超低含水飽和度氣藏的成藏機(jī)理研究，對(duì)制訂合理的儲(chǔ)層保護(hù)和壓裂改造的工藝措施、提高相同儲(chǔ)層物性條件的儲(chǔ)層氣相滲透率、提高單井產(chǎn)量和促進(jìn)該地區(qū)天然氣規(guī)模儲(chǔ)量的提交有著重要意義。

1 致密砂巖氣藏的超低含水飽和度現(xiàn)象

1.1 儲(chǔ)層的原始含水飽和度

儲(chǔ)層原始含水飽和度由密閉取心井確定。通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析盆地東部3口密閉取心井盒8段、太原組的138個(gè)原始含水飽和度數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，盒8段、太原組的原始含水飽和度主要分布在40%以下，累計(jì)頻率可達(dá)83.1%，平均含水飽和度為26.7%（圖1），具有較低的原始含水飽和度特征。

圖1 盒8段、太原組原始含水飽和度頻率分布圖（樣品數(shù)為138個(gè)）

1.2 儲(chǔ)層的束縛水飽和度

應(yīng)用氣水相滲和核磁共振2種實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法測(cè)試束縛水飽和度。氣水相對(duì)滲透率曲線在水相滲透率為0處對(duì)應(yīng)的含水飽和度即為束縛水飽和度，圖2為Sh16井太原組砂巖儲(chǔ)層的氣水相對(duì)滲透率曲線，可以確定該砂巖儲(chǔ)層的束縛水飽和度為29.73%。

圖2 Sh16井太原組砂巖儲(chǔ)層氣水相對(duì)滲透率曲線圖（井深為2 790.6m）

核磁共振可動(dòng)流體實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層孔隙流體中氫核信號(hào)的觀測(cè)，可以直接測(cè)量巖石中流體特性，并能獲得儲(chǔ)層有效孔隙度、自由流體和束縛流體體積、孔隙結(jié)構(gòu)等地質(zhì)信息［8－12］。巖心樣品飽和流體后置于均勻分布的靜磁場(chǎng)中，流體中的氫核（1H）會(huì)被磁場(chǎng)極化，產(chǎn)生磁化矢量，此時(shí)對(duì)樣品施加一定頻率的射頻場(chǎng)，就會(huì)產(chǎn)生核磁共振；撤掉射頻場(chǎng)就會(huì)接收到氫核在孔隙中做弛豫運(yùn)動(dòng)幅度隨時(shí)間以指數(shù)函數(shù)衰減的信號(hào)。核磁共振信號(hào)衰減的快慢采用橫向弛豫時(shí)間T2來(lái)描述，飽和流體的巖樣進(jìn)行核磁共振T2測(cè)試時(shí)，T2弛豫時(shí)間的大小取決于流體分子受孔隙固體表面作用力的強(qiáng)弱，因此利用核磁共振T2譜可對(duì)巖樣孔隙內(nèi)流體的賦存狀態(tài)進(jìn)行分析，能夠定量測(cè)試出可動(dòng)流體飽和度及束縛流體飽和度。圖3為Sh16井太原組砂巖儲(chǔ)層核磁共振實(shí)驗(yàn)的T2弛豫時(shí)間譜圖，可以確定，該砂巖儲(chǔ)層的束縛水飽和度為28.33%。

圖3 Sh16井太原組砂巖儲(chǔ)層T2弛豫時(shí)間譜圖（井深為2 790.6m，1psi＝6.895kPa）

1.3 儲(chǔ)層原始含水飽和度與束縛水飽和度的比較

選取鄂爾多斯盆地東部的Sh16、Sh60井和M41井盒8段、太原組的10塊密閉取心樣品，開(kāi)展氣水相滲、核磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將密閉取心所測(cè)試的儲(chǔ)層原始含水飽和度與采用氣水相滲、核磁共振實(shí)驗(yàn)所確定的束縛水飽和度進(jìn)行了對(duì)比。

對(duì)比結(jié)果顯示，10塊密閉取心樣品的原始含水飽和度值平均為18.3%（表1），針對(duì)同一塊樣品，應(yīng)用核磁共振法測(cè)試出的束縛水飽和度和應(yīng)用相滲法測(cè)試出的束縛水飽和度均大于原始含水飽和度，應(yīng)用核磁共振法測(cè)試出的平均束縛水飽和度為47.9%，應(yīng)用相滲法測(cè)試出的平均束縛水飽和度為38.0%，原始含水飽和度比應(yīng)用相滲法測(cè)試出束縛水飽和度低6.9%～37.0%，平均要低19.7%，表明該區(qū)盒8段、太原組致密砂巖氣藏存在超低含水飽和度現(xiàn)象。

表1 鄂爾多斯盆地東部盒8段、太原組束縛水飽和度與原始含水飽和度對(duì)比結(jié)果表

2 超低含水飽和度氣藏的形成機(jī)理

2.1 溫度、壓力影響

氣藏形成跨越相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間，地層條件下氣藏中天然氣中的含水量取決于地層的溫度和壓力。在氣藏形成初期，溫度和壓力較低，但隨著埋藏深度增加，溫度壓力升高，天然氣攜水的能力不斷增強(qiáng)（表2），據(jù)Bennion［13］等研究，27.57MPa、100℃時(shí)天然氣蒸發(fā)和攜帶水的能力為1 136.7g／m3，而在1.013 MPa、15.6℃時(shí)的能力僅為14.0g／m3，隨著溫度、壓力的增大，天然氣攜水的能力顯著增加。

表2 不同溫度、壓力條件下天然氣的攜水能力表

儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度分布顯示（圖4），鄂爾多斯盆地東部上古生界天然氣藏具有2期充注成藏的特征：第Ⅰ期充注儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度介于95～120℃，包裹體形成古壓力介于20～28MPa，第Ⅱ期充注儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度介于135～160℃，包裹體形成古壓力介于50～60MPa。

圖4 盒8段儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度分布圖（樣品數(shù)為210個(gè)）

將2期充注成藏期的溫度、壓力投影至不同溫壓條件下天然氣飽和水蒸氣含量圖版上發(fā)現(xiàn)（圖5），在第Ⅰ充注期天然氣的攜水量介于5 000～7 000g／km3，在第Ⅱ充注期天然氣的攜水量介于10 000～12 000g／km3，第Ⅱ期充注的天然氣攜水量是第Ⅰ期的近2倍，表明隨著溫度、壓力的增大天然氣攜水的能力顯著增加，儲(chǔ)層中有更多的束縛水被蒸發(fā)氣化，不斷隨著天然氣的運(yùn)移攜帶出儲(chǔ)層，增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性［14］，有利于超低含水飽和度氣藏的形成。

圖5 不同溫壓條件下天然氣飽和水蒸氣含量圖（1atm、15.5 ℃，1atm＝0.101 3MPa）

2.2 干氣的充注

水在煤中的賦存狀態(tài)分為外在水分、內(nèi)在水分以及同煤中礦物質(zhì)結(jié)合的結(jié)晶水。煤層工業(yè)分析水分含量是指煤層中的內(nèi)在水分，內(nèi)在水分是指吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部毛細(xì)孔中的水。通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地東部煤層工業(yè)分析水分含量與有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)（表3），在Ro＞1.2%時(shí)，煤中水分含量明顯降低，預(yù)示著后期烴源巖中生成的天然氣中水蒸氣的含量越少，并處在欠飽和狀態(tài)，而該區(qū)上古生界煤系烴源巖演化程度普遍達(dá)到高成熟和過(guò)成熟階段，在天然氣成藏后期會(huì)有更多的干氣注入儲(chǔ)層，導(dǎo)致儲(chǔ)層中的束縛水蒸發(fā)遷移，有利于形成超低含水飽和度氣藏。

2.3 氣藏的泄露逸散

晚白堊世，鄂爾多斯盆地大面積回返抬升，強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升導(dǎo)致上覆地層發(fā)生剝蝕，破壞了盒8段、太原組氣藏早期存在的運(yùn)聚平衡［15］；同時(shí)強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的斷裂活動(dòng)，在上古生界形成斷層和裂縫，盒8段、太原組氣藏中先期成藏的天然氣必然沿著地層剝蝕厚度大、應(yīng)力釋放大以及斷層和裂縫發(fā)育區(qū)向上發(fā)生泄露逸散，束縛水被蒸發(fā)汽化后隨著氣藏泄露逸散而帶出儲(chǔ)層，有利于超低含水飽和度氣藏的形成。

2.4 超低含水飽和度氣藏的成藏過(guò)程

致密砂巖超低含水飽和度的形成過(guò)程如圖6所示，圖6－a為儲(chǔ)層早成巖期的機(jī)械壓實(shí)階段，此時(shí)干酪根未成熟，儲(chǔ)層孔喉中100%飽含地層水；圖6－b為儲(chǔ)層的可動(dòng)水排出階段，此時(shí)隨著干酪根成熟度的增加，生成的天然氣注入儲(chǔ)集層，驅(qū)替儲(chǔ)層的可動(dòng)水，儲(chǔ)層的含水飽和度接近于儲(chǔ)層的束縛水飽和度；圖6－c為束縛水蒸發(fā)氣化階段，此時(shí)隨著溫度壓力的增大和干氣的注入，使儲(chǔ)層的束縛水被蒸發(fā)氣化，不斷隨著天然氣的運(yùn)移攜帶出儲(chǔ)層，從而形成超低含水飽和度氣藏。

3 超低含水飽和度氣藏存在的地質(zhì)意義

3.1 超低含水飽和度儲(chǔ)層易產(chǎn)生水鎖傷害

在氣層勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于鉆井液、壓裂液等外來(lái)流體侵入儲(chǔ)層，使儲(chǔ)層含水飽和度增加，導(dǎo)致氣相滲透率降低的現(xiàn)象，稱為水鎖傷害，亦稱為水鎖效應(yīng)［16－18］，致密砂巖儲(chǔ)層中水鎖效應(yīng)尤為突出［19］。

只要進(jìn)入儲(chǔ)層的水相流體的飽和度超過(guò)儲(chǔ)層水相流體的原始飽和度，就會(huì)引起儲(chǔ)層水鎖傷害。通過(guò)密閉取心含水飽和度與常規(guī)取心含水飽和度對(duì)比發(fā)現(xiàn)：太原組和盒8段密閉取心含水飽和度一般低于40%（圖7、圖8）；在不同滲透率區(qū)間，密閉取心含水飽和度均小于常規(guī)取心含水飽和度，表明鄂爾多斯盆地東部致密儲(chǔ)層普遍存在吸水現(xiàn)象及水基鉆井液的傷害，鉆井過(guò)程就已普遍存在著水鎖傷害。

圖6 致密砂巖氣藏超低含水飽和度的形成過(guò)程圖

圖7 盒8段滲透率與含水飽和度關(guān)系圖

圖8 太原組滲透率與含水飽和度關(guān)系圖

3.2 永久性水鎖傷害評(píng)價(jià)

對(duì)于超低含水飽和度儲(chǔ)層由于儲(chǔ)層吸水，一部分外來(lái)流體成為儲(chǔ)層的束縛水，地層條件下難以用壓差驅(qū)替的方式解除，而形成永久性水鎖［20－21］。

外來(lái)流體侵入儲(chǔ)層后使儲(chǔ)層的含水飽和度增大，在地層壓力下天然氣驅(qū)替水使儲(chǔ)層含水飽和度逐漸下降，以至于到達(dá)束縛水飽和度（Swir），這部分水鎖稱為暫時(shí)性水鎖［20－21］，可以用壓差驅(qū)替的方式解除；但對(duì)于超低含水飽和度儲(chǔ)層，由于儲(chǔ)層吸水，一部分外來(lái)流體成為儲(chǔ)層的束縛水，地層條件下不能用壓差驅(qū)替的方式解除，這部分水鎖稱其為永久性水鎖。

在通常所做的氣水相滲實(shí)驗(yàn)中，最大只作到束縛水飽和度下的氣相滲透率，在認(rèn)識(shí)到超低含水飽和度現(xiàn)象和形成機(jī)理后，筆者利用密閉取心巖樣，在氣水相滲實(shí)驗(yàn)中做出束縛水飽和度下的氣相滲透率后（該巖樣原始含水飽和度為10.19%，束縛水飽和度為44.71%），應(yīng)用加熱（蒸發(fā)部分束縛水）、稱重的方法，做出了原始含水飽和度下的氣相滲透率（圖9），并根據(jù)下式評(píng)價(jià)了永久性水鎖傷害。

圖9 Mi41井盒8段氣水相對(duì)滲透率曲線圖（井深：2 459.8m）

式中DR永久為永久性水鎖引起的滲透率損害率（永久性水鎖指數(shù)）；Kwi為原始含水飽和度下巖樣的氣測(cè)滲透率，mD；Kwir為束縛水飽和度下巖樣的氣測(cè)滲透率，mD。

10塊巖心樣品的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示（表4），永久性水鎖滲透率傷害率最小為26.6%，最大為47.8%，平均為35.4%；原始含水飽和度下氣相滲透率是束縛水飽和度下氣相滲透率的1.4～1.9倍，平均為1.6倍。因此設(shè)法預(yù)防和解除永久性水鎖傷害，恢復(fù)原始含水飽和度下的氣相滲透率，對(duì)提高相同儲(chǔ)層物性條件的儲(chǔ)層氣相滲透率和提高單井產(chǎn)量有著重要的意義。

3.3 水鎖傷害的預(yù)防與補(bǔ)救措施

對(duì)于致密砂巖超低含水飽和度氣藏，為降低和解除永久性水鎖傷害，建議采取以下儲(chǔ)層保護(hù)和補(bǔ)救措施：

1）盡量避免使用水基工作液：使用無(wú)水的氣體類(lèi)流體作為工作液，如空氣、N2、CO2、氣態(tài)烴。使用含水量低的泡沫也可以減輕水鎖損害。

2）盡量減少、甚至避免水基工作液侵入：屏蔽暫堵技術(shù)、非滲透泥漿體系和成膜技術(shù)。

3）采用欠平衡作業(yè)：可以減緩濾液進(jìn)入地層，降低濾失量。

4）注入醇：降低體系的表面張力，降低毛細(xì)管阻力。易于氣化排除，有助于攜帶地層水一起排出，易于返排，降低含水飽和度。

5）注入干氣［22］：通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的干氣（已脫水）或氮?dú)庾⑷?，可使圈閉帶的水蒸發(fā)遷移。

表4 鄂爾多斯盆地東部主要層系儲(chǔ)層永久水鎖傷害評(píng)價(jià)結(jié)果表

6）地層熱處理：將熱氣注入地層，可以使圈閉帶的水產(chǎn)生超臨界干燥萃取。

4 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地東部上古生界盒8段、太原組砂巖為普遍低孔隙度、低滲透率的致密砂巖。應(yīng)用氣水相滲、核磁共振2種實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法所測(cè)定的束縛水飽和度均高于密閉取心測(cè)定的原始含水飽和度值，表明盒8段、太原組致密砂巖氣藏存在超低含水和度現(xiàn)象。

2）氣藏形成過(guò)程中由于溫度、壓力增大，隨著烴源巖在過(guò)成熟演化階段干氣的注入，天然氣的攜水能力不斷增加，束縛水不斷蒸發(fā)氣化，并隨著天然氣的大規(guī)模運(yùn)移及氣藏后期的泄漏散失而帶出儲(chǔ)層，從而形成超低含水飽和度氣藏。

3）超低含水飽和度儲(chǔ)層由于儲(chǔ)層吸水，易形成永久性水鎖，制訂合理水鎖傷害的預(yù)防與補(bǔ)救措施，對(duì)提高相同儲(chǔ)層物性條件的儲(chǔ)層氣相滲透率和提高單井產(chǎn)量有著重要意義。

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