張鵬飛，盧雙舫，李文浩，胡　瑩，薛海濤，李　倩，張　晗

[1.中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東 青島 266580；2.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580]

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江漢盆地新溝嘴組頁巖油儲層物性下限

張鵬飛1,2，盧雙舫1，李文浩1,2，胡瑩1,2，薛海濤1，李倩1,2，張晗1,2

[1.中國石油大學(xué)(華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東 青島 266580；2.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580]

江漢盆地新溝嘴組泥質(zhì)白云巖層系鉆獲頁巖油，開辟了該地區(qū)油氣勘探的新領(lǐng)域。弄清區(qū)內(nèi)頁巖油富集與分布規(guī)律，對有效儲層物性下限的研究具有重要意義。根據(jù)研究區(qū)巖心實測孔隙度、滲透率和高壓壓汞資料，綜合應(yīng)用經(jīng)驗統(tǒng)計法、壓汞曲線法和最小流動孔喉半徑法，確定了江漢盆地南部新溝嘴組不同深度段(778～890,959～1 070,1 378～1 478,2 093～2 200 m)的頁巖油儲層物性下限，并建立了物性下限值與深度的相關(guān)性方程。結(jié)果表明：不同研究方法確定的物性下限值不同?？傮w上，壓汞曲線法和最小流動孔喉半徑法確定的物性下限值較高，經(jīng)驗統(tǒng)計方法確定的物性下限值較低。隨著儲層埋深的增加，不同方法確定的物性下限之間的差異減小。多種方法綜合運(yùn)用能夠降低物性下限的不確定性。研究區(qū)頁巖油儲層物性下限值隨著深度的增加逐漸降低，其中孔隙度下限值隨著深度的增加呈指數(shù)函數(shù)遞減，滲透率下限值隨著深度的增加呈冪函數(shù)遞減。

物性下限；泥質(zhì)白云巖；頁巖油；新溝嘴組；江漢盆地

有效儲層是指能夠儲存和滲流流體，且在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下能夠產(chǎn)出流體的巖層。確定有效儲層的關(guān)鍵是對其下限標(biāo)準(zhǔn)的研究，物性下限是儲層分類評價及儲量計算的重要參數(shù)，對油氣勘探和開發(fā)具有重要意義[1-4]。物性下限是指儲集層中有效儲層所具有的最小孔隙度和滲透率，通常用孔隙度和滲透率的某個值來表征[5-7]。

2012年江漢盆地南部丫角-新溝低凸起新溝嘴組泥質(zhì)白云巖層系頁巖油勘探獲得重大突破，有6口直井和4口水平井獲得工業(yè)油流。此后，江漢盆地南部各凹陷新溝嘴組泥質(zhì)白云巖層系頁巖油探井均見油氣顯示或工業(yè)油流，頁巖油勘探取得了一定的成效。然而，目前江漢盆地頁巖油勘探開發(fā)尚處于初級階段，對有效儲層物性及微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究較為薄弱，缺乏對有效儲層物性下限的相關(guān)研究，這嚴(yán)重制約了江漢盆地頁巖油勘探工作。明確有效儲層物性下限及其與深度關(guān)系，不僅有助于認(rèn)識研究區(qū)頁巖油富集機(jī)理與分布規(guī)律，也可為研究區(qū)頁巖油“甜點(diǎn)”預(yù)測提供依據(jù)。鑒于此原因，本文以江漢盆地南部頁巖油相對富集的丫角—新溝低凸起和陳沱口凹陷為目標(biāo)，根據(jù)孔隙度、滲透率和高壓壓汞資料，應(yīng)用經(jīng)驗統(tǒng)計法、壓汞曲線法和最小流動孔喉半徑法，探討了新溝嘴組不同深度段頁巖油儲層物性下限值分布特征，并擬合了其與深度的回歸方程，為江漢盆地頁巖油勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1　地質(zhì)背景

江漢盆地位于中揚(yáng)子地臺中部，北鄰秦嶺-大別造山帶，南近江南-雪峰隆起區(qū)，西至黃陵背斜，面積約為28 760 km2，是在古生界海相碳酸鹽巖、碎屑巖及中生界陸相含煤碎屑巖基底之上，經(jīng)燕山運(yùn)動、喜馬拉雅運(yùn)動發(fā)展起來的內(nèi)陸斷陷鹽湖盆地[8]。江漢盆地可劃分為潛江、江陵、陳沱口、沔陽等11個凹陷帶和岳口低凸起、丫角-新溝低凸起、通?？谕蛊鸬?個凸起帶，共計15個二級構(gòu)造單元[9](圖1)。

江漢盆地是一個多旋回沉積盆地，白堊紀(jì)-新近紀(jì)盆地周緣地勢呈現(xiàn)繼承性的西北高、東南低的特點(diǎn)，沉積物源主要來自西北方向，沉積地層最大厚度過萬米，具有明顯的旋回性和韻律性[10]。新溝嘴組是江漢盆地重要的含油層系，其沉積期盆地西北部砂巖發(fā)育，東南部泥質(zhì)白云巖、泥巖、泥膏巖發(fā)育，砂巖較少，平面上由北向南形成了三角洲-湖泊沉積體系。其下段為主要的含油層系，自下而上分為Ⅲ油組、泥隔層、Ⅱ油組、Ⅰ油組和大膏層，泥隔層和大膏層區(qū)域內(nèi)分布穩(wěn)定，為良好的區(qū)域性蓋層，Ⅲ油組和Ⅰ油組砂巖發(fā)育，發(fā)育砂巖油氣藏。Ⅱ油組巖性以泥質(zhì)白云巖為主，夾泥巖等，膠結(jié)物以白云質(zhì)、灰質(zhì)為主，粘土成分為伊利石和綠泥石，屬于特低孔超低滲儲層[11]，為江漢盆地主要的頁巖油發(fā)育層位之一。

2　有效儲層物性下限

2.1經(jīng)驗統(tǒng)計法

經(jīng)驗統(tǒng)計法是美國巖心公司常用的確定儲層物性下限的方法，其利用單層物性數(shù)據(jù)，以低孔隙度(滲透率)段累計儲(產(chǎn))能丟失5%為界限計算有效儲層物性下限，但未給出詳細(xì)的累計儲產(chǎn)能計算過程或計算所需參數(shù)較難獲取[12-16]。董雪梅等[17]根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特征及資料豐富程度提出了相應(yīng)的累計儲產(chǎn)能丟失計算公式及過程，但并不適用于研究區(qū)。因此，筆者以其計算方法和過程為基礎(chǔ)，提出了適合研究區(qū)且計算更為簡潔的累計儲產(chǎn)能計算公式及過程。

圖1　江漢盆二級構(gòu)造單元劃分

為了使分析得到的物性下限值更為精確，本文采用間隔1%建立孔隙度分布直方圖，并計算相應(yīng)的累計頻率曲線。應(yīng)用巖心分析數(shù)據(jù)計算累計儲能曲線時，假設(shè)取心井取樣的體積及間隔相同，儲能則可簡化為每個孔隙度區(qū)間的孔隙度之和。

將取心井所有樣品的孔隙度值進(jìn)行排序，按間隔1%建立孔隙度分布直方圖，計算累計頻率曲線，根據(jù)公式(1)計算各孔隙度區(qū)間儲能：

(1)

式中：fj為第j個孔隙度區(qū)間的儲能，%；Φi為第j孔隙度區(qū)間第i個樣品的孔隙度，%；m為第j個孔隙度區(qū)間的樣品個數(shù)。

計算各孔隙度區(qū)間的儲能頻率：

(2)

式中：Aj為第j個區(qū)間的儲能頻率，%；fj為第j個區(qū)間樣品儲能，%；n為劃分的孔隙度區(qū)間總個數(shù)。

由公式(3)計算各區(qū)間累計儲能頻率，根據(jù)計算結(jié)果繪制累計儲能丟失曲線：

(3)

式中：Ak為1到k(1≤k≤n)區(qū)間的累計儲能頻率，%；Aj為第j個區(qū)間的儲能頻率，%。

將計算的Ak與對應(yīng)的孔隙度分布區(qū)間繪制成曲線，縱坐標(biāo)為累計頻率，橫坐標(biāo)為孔隙度，確定孔隙度下限時，對應(yīng)的累計儲能丟失率可從累計儲能丟失曲線上直接讀取。采用相同的方法即可建立滲透率累計頻率分布曲線和累計產(chǎn)能丟失曲線(圖2)。

根據(jù)研究區(qū)巖心實測孔隙度和滲透率分析數(shù)據(jù)分別建立了778～890，959～1 070，1 378～1 478和2 093～2 200 m四個深度段的孔隙度累計頻率、累計儲能丟失曲線和滲透率累計頻率、累計產(chǎn)能丟失曲線。以累計儲能丟失曲線5%為界限，首先確定了四個深度段的孔隙度下限值，并讀出相應(yīng)的孔隙度累計頻率值；以各深度段確定的累計孔隙度頻率值為界限，根據(jù)滲透率累計頻率分布曲線確定各深度段的滲透率下限值。各深度段孔隙度和滲透率下限值分別為15.6%和0.084×10-3μm2，8.0%和0.025×10-3μm2，7.5%和0.026×10-3μm2及3.5%和0.020×10-3μm2。

2.2壓汞曲線法

不同孔隙結(jié)構(gòu)儲層，其物性下限值不同，高壓壓汞是研究儲層孔隙結(jié)構(gòu)的有效方法之一，高壓壓汞實驗可提供一系列孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠從不同角度表征儲層物性下限[15,18]?？紫督Y(jié)構(gòu)參數(shù)排驅(qū)壓力和中值壓力是儲層孔喉大小的宏觀體現(xiàn)[19]。因此，對于有效儲層與非有效儲層，建立排驅(qū)壓力與孔隙度和中值壓力與孔隙度的關(guān)系，利用排驅(qū)壓力、中值壓力評價有效儲層與非有效儲層，根據(jù)拐點(diǎn)，可定性評價儲層物性下限[15]。

根據(jù)研究區(qū)高壓壓汞實驗資料分別建立了四個深度段的頁巖油儲層排驅(qū)壓力、中值壓力與孔隙度交會圖，根據(jù)拐點(diǎn)確定了各深度段的孔隙度下限，其值分別為19.4%，10.4%，9.0%和3.6%(圖3)。根據(jù)研究區(qū)頁巖油儲層孔隙度與滲透率相關(guān)性方程(K=0.007 7e0.167 2Φ，圖4)分別計算了不同深度段與孔隙度下限對應(yīng)的滲透率下限，其值分別為0.197×10-3，0.044×10-3，0.035×10-3和0.014×10-3μm2。

2.3最小流動孔喉半徑法

儲集層孔隙度和滲透率是微觀孔隙結(jié)構(gòu)的宏觀體現(xiàn)，油氣等流體在儲集層中能否流動主要取決于巖石的孔喉大小，能夠儲集和滲流油氣的最小孔喉通道稱為油氣最小流動孔喉半徑[13,20-21]。毛細(xì)管壓力曲線可以準(zhǔn)確地表征巖石孔喉半徑大小，通常以其確定儲集層最小流動孔喉半徑。根據(jù)巖心高壓壓汞實驗結(jié)果建立孔喉半徑與孔隙度交會圖，確定的最小流動孔喉半徑下的孔隙度值即為孔隙度下限值。

2.3.1確定平均毛細(xì)管壓力曲線

“J”函數(shù)法是以高壓壓汞實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)確定巖石孔喉特征的方法[22]。實驗室測定的毛細(xì)管壓力曲線只能表征油藏某點(diǎn)的儲層特征，同時毛細(xì)管壓力曲線受到孔隙度和滲透率的影響。因此，為了準(zhǔn)確表征儲層毛細(xì)管壓力曲線，本文采用Leverett提出的“J”函數(shù)法計算頁巖油儲層“J”函數(shù)分布曲線：

(4)

式中：J(Sw)為“J”函數(shù)，無量綱；pc為毛細(xì)管壓力，MPa；σ為界面張力，N/m；θ為潤濕角，(°)；K為滲透率，10-3μm2；Φ為孔隙度，%。

采用“J”函數(shù)法分別對778～890，959～1 070，1 378～1 478和2 093～2 200 m深度段的頁巖油儲層壓汞資料進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的“J”函數(shù)分布曲線(圖5a)。根據(jù)各深度段孔隙度和滲透率平均值，計算得到各深度段的“J”因子C分別為0.960 2，0.666 1，0.941 6和0.746 9。利用“J”函數(shù)曲線，即可換算得到不同深度段的儲層平均毛細(xì)管壓力曲線(圖5b)：

(5)

圖2　江漢盆地新溝嘴組頁巖油儲層儲產(chǎn)能丟失曲線

圖3　江漢盆地新溝嘴組頁巖油儲層孔隙度與排驅(qū)壓力、中值壓力相關(guān)性

圖4　江漢盆地新溝嘴組頁巖油儲層孔隙度與 滲透率相關(guān)性(埋深778～2 200 m)

2.3.2Wall法確定最小流動孔喉半徑

Wall法將儲集層孔隙空間劃分為等孔隙體積空間，計算各孔隙體積空間對滲透率的貢獻(xiàn)值和累計滲透能力[23]。Wall公式為：

(6)

(7)

式中：ΔKi為第i個等孔隙體積空間滲透能力，%；∑K為累計滲透能力，%；i為等孔隙體積空間序號，無量綱；rj為等孔隙體積空間相應(yīng)的孔喉半徑，μm。

根據(jù)Wall公式，以累計滲透能力達(dá)到99.99%時的等孔隙體積空間所對應(yīng)的孔喉半徑為儲集層最小流動孔喉半徑。根據(jù)平均毛細(xì)管壓力曲線采用Wall法計算了四個深度段的頁巖油儲層最小流動孔喉半徑，分別為0.005 7,0.005 7,0.009 5和0.004 8 μm。

2.3.3確定物性下限

以各深度段巖心高壓壓汞測試分析資料為基礎(chǔ)，建立孔喉半徑與孔隙度交會圖，確定不同深度段孔喉半徑與孔隙度相關(guān)性方程，即可確定最小流動孔喉半徑對應(yīng)的孔隙度下限值，進(jìn)一步根據(jù)孔滲相關(guān)性方程即可求取滲透率下限值，以此得到各深度段的孔隙度、滲透率下限，分別為17.9%和0.153×10-3μm2、11.0%和0.048×10-3μm2,10.2%和0.042×10-3μm2,2.1%和0.011×10-3μm2。

經(jīng)驗統(tǒng)計法、壓汞曲線法和最小流動孔喉半徑法確定的同一深度段物性下限值有所差異，總體上壓汞曲線法，最小流動孔喉半徑法確定的物性下限較高，經(jīng)驗統(tǒng)計法確定的物性下限較低，但均呈現(xiàn)隨深度的增加而遞減趨勢(表1)。為了獲取新溝嘴組頁巖油儲層各埋藏深度下的有效儲層物性下限值，并消除各方法計算儲層物性下限的不確定性，對各方法求得的物性下限值與其對應(yīng)的埋深進(jìn)行相關(guān)性分析(圖6)，建立了物性下限值與埋深的相關(guān)性方程。其中孔隙度下限值與埋深的相關(guān)性方程為：

圖5　江漢盆地新溝嘴組頁巖油儲層“J”函數(shù)曲線(a)和平均毛細(xì)管壓力曲線(b)

深度/m孔隙度下限值/%滲透率下限值/(10-3μm2)經(jīng)驗統(tǒng)計法壓汞曲線法最小流動孔喉半徑法經(jīng)驗統(tǒng)計法壓汞曲線法最小流動孔喉半徑法778～89015.619.417.90.0840.1970.153959～10708.010.411.00.0250.0440.0481378～14787.59.010.20.0260.0350.0422093～22003.53.62.10.0200.0140.011

圖6　江漢盆地新溝嘴組頁巖油儲層物性下限與深度關(guān)系

(8)

滲透率下限值與深度的相關(guān)性方程為：

Kc=43 787H-1.95

(9)

式中:Φc為孔隙度下限值，%；Kc為滲透率下限值，10-3μm2；H為儲層埋藏深度，m。

3　結(jié)論

1) 江漢盆地新溝嘴組頁巖油儲層778～2 200 m不同深度段不同方法確定的物性下限值不同，總體上經(jīng)驗統(tǒng)計法確定的物性下限值較低，壓汞曲線法和最小流動孔喉半徑法確定的物性下限值較高，隨著儲層深度段的增加各方法確定的物性下限差異減小，應(yīng)采用多種方法綜合分析確定儲層物性下限以降低不同方法確定物性下限的不確定性。

2) 研究區(qū)新溝嘴組頁巖油儲層物性下限隨著深度的增加逐漸減小，利用回歸分析建立了有效儲層物性下限值與深度的定量關(guān)系，其中孔隙度與埋深呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系(Φc=40.89e0.001H)，滲透率與埋深呈冪函數(shù)關(guān)系(Kc=43 787H-1.95)。

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(編輯董立)

Lower limits of porosity and permeability of shale oil reservoirs in the Xingouzui Formation,Jianghan Basin

Zhang Pengfei1,2,Lu Shuangfang1,Li Wenhao1，2,Hu Ying1,2,Xue Haitao1,Li Qian1,2,Zhang Han1,2

(1.UnconventionalOil&GasandRenewableEnergyResearchInstitute,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;2.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)

Shale oil resources found in the argillaceous dolomite in the Xingouzui Formation of the Jianghan Basin has opened up a new domain for petroleum exploration.The study on the lower limit of prosity and permeability of effective reservoirs is significant to reveal accumulation and distribution of shale oil in the Basin.According to the porosities,permeabilities and mercury intrusion capillary porosimetry of cores, the lower limits of prosity and permeability of shale oil reservoirs in different depths (778～890、959～1 070、1 378～1 478、2 093～2200 m) in the Xingouzui Formation in the southern part of the Basin were determined using the empirical statistics,mercury curve and minimal pore throat radius methods.Moreover,the relationships between the lower limits and depths were established.The preliminary findings of this study include the followings:(1) the lower limits determined by the different methods are various;(2) the lower limits determined by the mercury curve and minimal pore throat radius are greater,while that determined by the empirical statistic method are smaller;(3) the errors of lower limits obtained from the different methods decrease with increasing depths,so that a variety of methods should be used to reduce the uncertainty of the lower limits.The lower limits of shale oil reservoirs in the study area reduce with the increase of depths.The lower limits of porosity (permeability) decrease with increasing depth in an exponent (power exponent) manner.

lower limit of prosity and permeability，argillaceous dolomite，shale oil，Xingouzui Formation，Jianghan Basin

2015-01-05;

2015-12-20。

張鵬飛(1990—)，男，博士研究生，非常規(guī)油氣儲層表征。E-mail:zhangpengfeiupc@163.com。

高校自主創(chuàng)新科研計劃項目(13CX05013A)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金項目(41330313)；國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41402122)。

0253-9985(2016)01-0093-08

10.11743/ogg20160113

TE122.2

A