王曉蓮

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163712)

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徐家圍子斷陷沙河子組致密儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)

王曉蓮

(中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163712)

針對(duì)徐家圍子斷陷沙河子組致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)、物性下限與油層分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)亟待研究的需要，應(yīng)用掃描電鏡、低溫N2吸附、核磁共振等多項(xiàng)技術(shù)，開(kāi)展致密儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)和流體可動(dòng)性研究，明確了致密儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型、孔喉特征及組合關(guān)系，建立了儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)與可動(dòng)流體飽和度的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，采用束縛水膜厚度法、可動(dòng)性拐點(diǎn)法和試氣產(chǎn)能法，建立了沙河子組致密氣儲(chǔ)層物性下限和儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該研究為下步致密儲(chǔ)層致密化成因、成巖演化序列和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層甜點(diǎn)預(yù)測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

致密儲(chǔ)層；孔隙結(jié)構(gòu)；束縛水膜；儲(chǔ)層分級(jí)；徐家圍子斷陷；沙河子組

0 引 言

隨著近幾年國(guó)內(nèi)外致密油氣的成功勘探，徐家圍子斷陷沙河子組內(nèi)部與源巖緊密互層的致密砂質(zhì)礫巖和砂巖儲(chǔ)層引起廣泛關(guān)注，已成為大慶油田天然氣勘探的主要對(duì)象，是繼深層火山巖之后提交天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量的重要接替領(lǐng)域[1-3]。以往深層天然氣勘探主要以營(yíng)城組火山巖和沉積巖為主要目的層，沙河子組只作為其烴源巖開(kāi)展研究，尚未系統(tǒng)開(kāi)展過(guò)致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)研究。

致密油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的核心是優(yōu)選具有商業(yè)價(jià)值的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[4]。利用掃描電鏡、恒速壓汞、低溫N2吸附等多項(xiàng)技術(shù)，聯(lián)合標(biāo)定核磁共振得到致密巖樣全尺度孔隙體積分布，明確了致密儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其與儲(chǔ)層可動(dòng)流體飽和度關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用束縛水膜法確定了沙河子組致密氣儲(chǔ)層物性下限，并綜合應(yīng)用巖心實(shí)驗(yàn)和試氣資料建立了儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 孔隙結(jié)構(gòu)特征及可動(dòng)性評(píng)價(jià)

研究致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征不僅可以明確儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型和孔喉分布特點(diǎn)，而且是揭示致密油氣富集規(guī)律和可動(dòng)性的基礎(chǔ)[5]。由于致密儲(chǔ)層發(fā)育納米級(jí)孔喉系統(tǒng)，傳統(tǒng)孔隙表征方法已不能滿(mǎn)足致密儲(chǔ)層精細(xì)表征需要，須采用高精度實(shí)驗(yàn)儀器，如低溫N2吸附、高壓(恒速)壓汞、核磁共振等設(shè)備[6-7]，根據(jù)不同儀器分析測(cè)量范圍，得到致密巖樣全尺度孔隙體積分布，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別孔隙結(jié)構(gòu)精細(xì)表征。

1.1 孔隙類(lèi)型及孔喉分布特征

由偏光顯微鏡、掃描電鏡等可知，沙河子組致密儲(chǔ)層主要發(fā)育“三微”孔隙類(lèi)型：溶蝕微孔、晶間微孔和微裂隙。由于巖石成分成熟度低，巖漿巖巖屑和長(zhǎng)石等不穩(wěn)定組分含量高(占65%以上)，且與優(yōu)質(zhì)源巖緊鄰互層，使得儲(chǔ)層中粒內(nèi)、粒間溶蝕孔隙發(fā)育；原生孔隙由于儲(chǔ)層埋深大，壓實(shí)作用強(qiáng)，很難見(jiàn)到完整的原生粒間孔，僅見(jiàn)部分殘余原生粒間孔；雜基中的晶間孔較為發(fā)育，主要為黏土礦物晶間微孔；微裂隙發(fā)育規(guī)模小，主要為成巖縫和構(gòu)造縫。由沙河子組不同類(lèi)型孔隙面孔率分布可知，溶蝕微孔最為發(fā)育，面孔率主要集中在2%～6%；晶間孔及微裂縫發(fā)育一般，面孔率主要分布在0～1%。徐家圍子斷陷不同地區(qū)儲(chǔ)層的孔隙類(lèi)型也具有差異性，安達(dá)—宋站地區(qū)以粒內(nèi)巖屑溶蝕為主，而徐西和徐東地區(qū)則以粒間溶蝕和微裂縫為主。

聯(lián)合低溫N2吸附[8]和壓汞實(shí)驗(yàn)資料得到復(fù)合累計(jì)孔隙度曲線，用其標(biāo)定核磁共振弛豫時(shí)間和孔隙半徑轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到巖石樣品全尺度不同孔徑的孔隙體積分布。根據(jù)39塊樣品聯(lián)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，沙河子組致密儲(chǔ)層孔徑多呈雙峰狀，且小孔部分體積明顯高于大孔，其分布范圍主要集中在10～100 nm，表明沙河子組致密儲(chǔ)層孔徑窄小，以納米級(jí)孔隙為主；孔喉類(lèi)型以片狀、彎片狀和管束型為主，孔隙和喉道半徑比為43～332，平均為109，明顯高于常規(guī)儲(chǔ)層，表現(xiàn)出微孔、極細(xì)喉特征。喉道半徑是控制致密儲(chǔ)層滲透率的主要因素，隨著最大連通喉道半徑的增大，滲透率將迅速增加。基于恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將孔隙和喉道間組合關(guān)系劃分為：孔隙型、孔喉型和喉道型。由樣品統(tǒng)計(jì)可知，沙河子組致密儲(chǔ)層以喉道型和孔喉型為主，孔隙型發(fā)育較少。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)與可動(dòng)流體飽和度關(guān)系

儲(chǔ)層可動(dòng)性定量評(píng)價(jià)是致密儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，而核磁共振是目前研究可動(dòng)流體分布最重要的手段[9]。通過(guò)對(duì)徐家圍子斷陷39塊巖石樣品進(jìn)行飽和、離心狀態(tài)下核磁共振T2譜測(cè)定，確定不同巖樣的T2譜截止值，進(jìn)而得到可動(dòng)流體飽和度參數(shù)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，沙河子組巖樣T2譜截止值為2.01～285.11 ms，分布范圍較廣，表明不同巖樣孔隙結(jié)構(gòu)差異較大，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，不能采用相同截止值來(lái)確定所有樣品的可動(dòng)流體飽和度。

由孔隙半徑幾何均值、最大連通喉道半徑與可動(dòng)流體飽和度的關(guān)系(圖1)可知，孔隙半徑幾何均值與可動(dòng)流體飽和度關(guān)系較分散，整體呈較弱的正相關(guān)，說(shuō)明孔隙半徑并不是制約可動(dòng)性的主要因素。但孔隙半徑與可動(dòng)流體飽和度關(guān)系呈“兩分型”：當(dāng)孔隙半徑幾何均值小于0.04 μm時(shí)，可動(dòng)流體飽和度達(dá)到最小，且基本不隨孔隙半徑增加而增大；當(dāng)孔隙半徑幾何均值大于0.04 μm時(shí)，孔隙半徑幾何均值越大，可動(dòng)流體飽和度越高，說(shuō)明較大的孔徑是獲得高可動(dòng)流體飽和度的前提。與孔隙半徑幾何均值相比，最大連通喉道半徑與可動(dòng)流體的正相關(guān)性較強(qiáng)。當(dāng)最大連通喉道半徑小于0.4 μm時(shí)，可動(dòng)流體飽和度變化速率慢；當(dāng)喉道半徑大于0.4 μm時(shí)，可動(dòng)流體飽和度增加速率明顯變大。因此，孔隙半徑和喉道半徑共同制約著致密儲(chǔ)層的可動(dòng)性，前者控制可動(dòng)流體賦存量，后者決定了可動(dòng)流體量的大小。

圖1 可動(dòng)流體飽和度與孔隙半徑幾何均值、最大連通喉道半徑關(guān)系

2 致密儲(chǔ)層物性下限確定

由文獻(xiàn)[10-11]可知，油氣能否在致密儲(chǔ)層中自由流動(dòng)，取決于孔喉內(nèi)束縛水膜厚度和甲烷分子吸附層厚度與孔喉半徑的關(guān)系。當(dāng)孔喉半徑小于束縛水膜厚度與油氣吸附層厚度之和時(shí)，油氣不能通過(guò)喉道進(jìn)入孔隙內(nèi)聚集成藏，也很難從孔隙內(nèi)流出，此時(shí)對(duì)應(yīng)的喉道半徑即為臨界喉道半徑。應(yīng)用臨界喉道半徑與儲(chǔ)層孔滲值關(guān)系即可確定致密儲(chǔ)層的物性下限。

根據(jù)孔喉連通情況及流體可動(dòng)性，將地層水劃分為微孔隙水、可動(dòng)流體和束縛水。微孔隙水是與較小喉道或未與喉道連通的孔隙中的水，且不可動(dòng)；可動(dòng)流體與束縛水都是指與較大喉道連通的孔隙中的水，且大多數(shù)可動(dòng)，但束縛水形成于巖石顆粒表面，其厚度即為束縛水膜厚度[12-14]。根據(jù)核磁共振和高壓壓汞的測(cè)量原理，建立了束縛水膜厚度計(jì)算方法。首先，由核磁離心轉(zhuǎn)速為6 000 r/min和氣水界面張力為0.072 8 N/m等參數(shù)確定該實(shí)驗(yàn)條件下所對(duì)應(yīng)的可動(dòng)孔喉半徑為50 nm，則：

(1)

式中：VSW為束縛水膜體積，μm3；V巖為巖心樣品體積，μm3；φ為有效孔隙度，%；SHg50為孔喉半徑等于50 nm時(shí)的累計(jì)進(jìn)汞飽和度，%；SNMR為核磁可動(dòng)水飽和度，%。

其次，假設(shè)巖石孔隙為理想球狀，且實(shí)際地層中孔喉半徑在一定范圍內(nèi)變化，在計(jì)算過(guò)程中必須考慮孔喉半徑的分布函數(shù)，則：

(2)

式中：A50為孔喉半徑大于50 nm時(shí)的孔隙總表面積，μm2；r為核磁孔喉半徑，μm；Dφ為孔喉半徑分布函數(shù)，μm3。

此外，需要考慮從孔隙總表面積A50中消除微孔隙水表面積。利用連通孔隙體積(束縛水+可動(dòng)水)占總孔隙體積的比例，即孔喉半徑為50 nm時(shí)所對(duì)應(yīng)的累計(jì)進(jìn)汞飽和度SHg50和孔喉半徑大于50 nm核磁飽和度ST50的比值，進(jìn)而求取束縛水膜對(duì)應(yīng)的表面積Airr。最后根據(jù)束縛水體積含量VSW及其表面積Airr的比即可得到單塊樣品的束縛水膜厚度。

(3)

式中：Airr為束縛水表面積，μm2；ST50為孔徑大于50 nm的核磁飽和度，%。

應(yīng)用上述方法對(duì)沙河子組巖石樣品進(jìn)行束縛水膜厚度的確定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，單塊樣品的水膜厚度為4.76～35.47 nm，分布范圍較大，平均值較難反映樣品的整體性。采用斜率法建立束縛水膜體積和表面積的散點(diǎn)關(guān)系，最終確定的水膜厚度約為21.57 nm；同時(shí)考慮到甲烷分子被穩(wěn)定吸附的喉道尺寸臨界值約為20 nm，因此，綜合確定沙河子組致密儲(chǔ)層臨界喉道半徑下限為40 nm。根據(jù)最大連通喉道半徑與滲透率關(guān)系以及滲透率與孔隙度關(guān)系(圖2)，可以確定致密儲(chǔ)層物性下限。當(dāng)最大連通喉道半徑為40 nm時(shí)，對(duì)應(yīng)的致密儲(chǔ)層滲透率下限值為0.02×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖對(duì)應(yīng)的孔隙度分別為2.7%和4.5%。

圖2 沙河子組最大連通喉道半徑與滲透率、孔隙度和滲透率間關(guān)系

3 致密儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

壓汞和核磁聯(lián)測(cè)資料表明，對(duì)于相同孔隙度致密巖樣，孔隙結(jié)構(gòu)不同，其可動(dòng)流體飽和度差別較大[15]。在確定儲(chǔ)層物性下限的基礎(chǔ)上，根據(jù)大孔比例-可動(dòng)性拐點(diǎn)法和試氣產(chǎn)能法，聯(lián)合孔喉組合關(guān)系、孔隙類(lèi)型等綜合確定致密儲(chǔ)層的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 大孔比例-可動(dòng)性拐點(diǎn)法

對(duì)于致密儲(chǔ)層，控制巖石可動(dòng)性的關(guān)鍵因素是整個(gè)孔隙系統(tǒng)在不同孔徑大小范圍內(nèi)的孔隙度組分百分比?？蓜?dòng)流體主要賦存于大孔部分，小孔部分以束縛水為主，當(dāng)平均孔徑大于40 nm時(shí)，儲(chǔ)層可流動(dòng)量明顯改善。因此，確定孔徑大于40 nm的孔隙組分百分比與可流動(dòng)性間的關(guān)系，是決定沙河子組致密儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

將飽和狀態(tài)下核磁T2譜轉(zhuǎn)化為孔徑分布，編制了大于40 nm孔隙占總孔隙的比例與核磁可動(dòng)飽和度間關(guān)系圖(圖3)。由圖3可知，致密儲(chǔ)層可動(dòng)流體飽和度整體隨大孔所占比例的增加而增大，且存在著明顯的拐點(diǎn)，即大孔比例小于70%時(shí)，可動(dòng)流體飽和度基本在20%以下；當(dāng)大孔比例大于70%時(shí)，可動(dòng)流體飽和度急劇增加，可動(dòng)流體飽和度最高可達(dá)60%。該拐點(diǎn)可以作為致密儲(chǔ)層分級(jí)的界限。由圖1可知，可動(dòng)流體飽和度20%時(shí)其對(duì)應(yīng)的最大臨界喉道半徑為0.4 μm；由圖2可知，0.4 μm喉道半徑對(duì)應(yīng)的滲透率為0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖對(duì)應(yīng)的孔隙度下限值分別為5.6%和7.5%。再結(jié)合樣品喉道半徑分布曲線特征、孔喉組合關(guān)系及孔隙類(lèi)型等，將高于儲(chǔ)層物性下限的致密儲(chǔ)層分為Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層。

圖3 可動(dòng)流體飽和度與大于40nm孔隙所占比例關(guān)系

3.2 試氣產(chǎn)能法

試氣產(chǎn)能法是確定致密儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)最直接、最可靠的手段。由于已試氣層取心資料少，利用測(cè)錄井綜合解釋成果，統(tǒng)計(jì)試氣層段對(duì)應(yīng)的孔隙度和滲透率，根據(jù)試氣強(qiáng)度確定儲(chǔ)層分級(jí)界限。將單層單位厚度的試氣產(chǎn)能劃分為大于1 000、100～1 000 m3/(d·m)和小于100 m3/(d·m)。對(duì)于砂質(zhì)礫巖致密儲(chǔ)層(圖4a)，當(dāng)孔隙度小于2.7%，滲透率小于0.02×10-3μm2時(shí)，錄井氣測(cè)無(wú)顯示，綜合解釋為干層，儲(chǔ)層試氣強(qiáng)度小于100 m3/(d·m)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于該區(qū)域，劃分為無(wú)效儲(chǔ)層；當(dāng)孔隙度大于5.6%，滲透率大于0.06×10-3μm2時(shí)，儲(chǔ)層試氣強(qiáng)度大于1 000 m3/(d·m)的數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在該區(qū)域，可定為Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層；無(wú)效和Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層之間的區(qū)域，試氣強(qiáng)度明顯弱于Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層，劃分為Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層。對(duì)于含礫砂巖致密儲(chǔ)層(圖4b)，采用相同方法可確定Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層物性界限，即孔隙度為7.5%、滲透率為0.06×10-3μm2。

圖4 單層試氣強(qiáng)度與物性關(guān)系

3.3 致密儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定

將試氣產(chǎn)能法確定的分級(jí)界限與可動(dòng)性拐點(diǎn)法、束縛水膜法確定的界限進(jìn)行對(duì)比，在考慮了儲(chǔ)層的巖性、物性、孔隙類(lèi)型、最大連通喉道半徑、可動(dòng)性和試氣產(chǎn)能等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，確定了沙河子組致密儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層滲透率大于0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度界限分別為5.6%和7.5%，其孔隙類(lèi)型主要為溶蝕孔和殘留粒間孔組合，微裂縫發(fā)育的更佳；進(jìn)汞曲線偏向粗歪度、排驅(qū)壓力較小，最大連通喉道半徑大于0.4 μm；該類(lèi)型儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)最好，可動(dòng)流體飽和度值較高，常溫下核磁共振測(cè)試可動(dòng)流體飽和度普遍高于20%，單位厚度試氣產(chǎn)能普遍大于1 000 m3/(d·m)。

表1 徐家圍子斷陷沙河子組致密層分類(lèi)參數(shù)特征

Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層滲透率為0.02×10-3～0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度界限分別為2.7%和4.5%。該類(lèi)型儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)中等，孔隙類(lèi)型以溶蝕孔和晶間孔組合為主，殘留粒間孔很難見(jiàn)到，微裂縫的發(fā)育可極大改善該類(lèi)儲(chǔ)層的滲透性。進(jìn)汞曲線偏向細(xì)歪度、排驅(qū)壓力較大，最大連通喉道半徑為0.04～0.40 μm，喉道半徑主峰多小于0.1 μm；該類(lèi)型儲(chǔ)層可動(dòng)流體飽和度值為10%～20%，單位厚度試氣產(chǎn)能普遍小于1 000 m3/(d·m)。

無(wú)效儲(chǔ)層的滲透率小于0.02×10-3μm2，該類(lèi)儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)最差，孔隙類(lèi)型以晶間孔為主，局部發(fā)育微裂縫和少量溶蝕孔，雜基和碳酸鹽巖膠結(jié)物含量較高。該類(lèi)儲(chǔ)層進(jìn)汞曲線排驅(qū)壓力大，最大連通喉道半徑小于0.04 μm；儲(chǔ)層中可動(dòng)流體飽和度最低，普遍低于10%，試氣多為干層。

4 結(jié) 論

(1) 徐家圍子斷陷沙河子組為微孔、微喉型儲(chǔ)層，納米級(jí)孔隙較發(fā)育，可動(dòng)流體主要集中在大于100 nm的大孔中；粒間孔和溶蝕孔組合的致密儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)最佳，溶蝕孔和晶間孔及微裂縫組合孔喉結(jié)構(gòu)次之。

(2) 采用束縛水膜厚度法確定了沙河子組致密儲(chǔ)層臨界喉道半徑下限為40 nm，對(duì)應(yīng)的滲透率下限值為0.02×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度下限值分別為2.7%和4.5%。

(3) 聯(lián)合大孔比例-可動(dòng)性拐點(diǎn)法、試氣產(chǎn)能法分巖性確定了沙河子組致密儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，I類(lèi)和II類(lèi)儲(chǔ)層滲透率劃分界限為0.06×10-3μm2，砂質(zhì)礫巖和含礫砂巖的孔隙度界限分別為5.6%和7.5%。

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編輯 劉 巍

20160106；改回日期：20160328

中國(guó)石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)攻關(guān)項(xiàng)目“大慶探區(qū)非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”(2012E-2603)

王曉蓮(1979-)，女，工程師，2002年畢業(yè)于吉林大學(xué)經(jīng)濟(jì)信息管理專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事沙河子組致密氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.027

TE122

A

1006-6535(2016)03-0113-05