大牛地氣田致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究

大牛地氣田致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究

0氣藏成巖改造及儲層結(jié)構(gòu)致密砂巖是天然氣的一個重要而有限的領(lǐng)域。早在20世紀(jì)70年代初,國外的一些學(xué)者就開始致力于該類氣藏的研究,先后提出了“深盆氣”(Deepbasingastrap)、“盆地中心含氣系統(tǒng)”(Basin-centeredgassystems)等概念,有利地推動了該類氣藏的勘探和開發(fā),積累了許多寶貴的經(jīng)驗。近年來,在我國的四川盆地西部、鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地南部等地,相繼發(fā)現(xiàn)了儲量可觀的致密砂巖氣資源。在能源需求日益緊張的今天,這類氣藏在我國的能源結(jié)構(gòu)中正發(fā)揮著越來越重要的角色,已成為一種重要的天然氣來源。該類氣藏一般埋藏較深,經(jīng)歷過強(qiáng)烈的后期成巖作用的改造,導(dǎo)致儲層低孔特低滲,滲透率一般小于1×10-3μm2,已接近有效儲層的下限,幾乎沒有自然產(chǎn)能,需進(jìn)行大型壓裂改造才能投產(chǎn)。大量的勘探開發(fā)實踐表明,儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)直接影響著儲層的儲集滲流能力,并最終決定著氣藏產(chǎn)能的差異分布。在以大牛地氣田盒2+3段致密砂巖儲層為對象,詳細(xì)研究儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征,并對儲層進(jìn)行合理、客觀的分類評價,在此基礎(chǔ)上,探尋優(yōu)質(zhì)儲層的分布規(guī)律,從而為氣藏的勘探開發(fā)提供科學(xué)的依據(jù),減少投資風(fēng)險,具有重要的研究意義。1奧陶紀(jì)地層儲層大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部伊陜斜坡東北段,區(qū)域構(gòu)造為一平緩的西傾單斜,傾角不足1°,斷裂和局部構(gòu)造不發(fā)育,只有一些局部低幅度隆起。目前,該氣田鉆遇第四系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系和奧陶系地層,共發(fā)現(xiàn)奧陶系上馬家溝組、石炭系太原組二疊系山西組和下石盒子組4套氣層。本次研究的目的層位是下石盒子組盒2+3段儲層,為一套辮狀河流相陸源碎屑巖沉積。在強(qiáng)水動力條件下,河流改道頻繁,砂體連續(xù)性差,砂巖沉積厚度一般為8m～60m(圖1)。儲集巖性以灰色、灰白色含礫粗砂巖、粗-細(xì)砂巖等粗碎巖為主。砂巖中巖屑含量較高,為15%～40%,石英含量55%～90%,長石1%～15%,以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖等類型為主。儲集物性較差,孔隙度一般在1.89%～18.69%之間,平均6.53%,滲透率平均0.858×10-3μm2,為典型的低孔特低滲致密砂巖儲層。2儲層類型見表3根據(jù)鑄體薄片及掃描電鏡圖像分析結(jié)果,結(jié)合沉積埋藏史研究表明,盒2+3段儲層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的后期成巖作用的改造。其中,使儲層的儲集性能變好的成巖作用類型有溶蝕作用、交代作用和粘土礦物轉(zhuǎn)化作用;使儲層的儲集性能變差的成巖作用類型有壓實作用和膠結(jié)作用。溶蝕作用是盒2+3段儲層次生孔隙形成的主導(dǎo)因素,包括骨架顆粒(石英、長石、巖屑)、膠結(jié)物(方解石、Fe方解石及自生粘土)以及泥質(zhì)和隱微晶硅質(zhì)雜基溶蝕(照片1a)3種類型。交代作用主要為長石的高嶺石化、粘土礦物交代石英、方解石交代自生粘土、Fe方解石交代隱微晶硅質(zhì)雜基和巖屑(照片1b)等四種類型。粘土礦物演化對孔隙較為有利的主要為晚成巖階段綠泥石包殼的形成,可在一定程度上抑制石英次生加大的形成,對孔隙起到一定的保存作用。盒2+3段儲層為克拉通背景下的緩慢沉積,區(qū)內(nèi)構(gòu)造不甚發(fā)育,目的層埋藏深度2300m～2700m,為中等埋藏深度,機(jī)械壓實作用較強(qiáng),鏡下可見顆粒定向排列,石英顆粒呈線接觸、凹凸接觸甚至縫合線接觸(照片1c),雜基和巖屑等柔性顆粒因強(qiáng)壓實充填于骨架顆粒之間;膠結(jié)作用是使儲集性能變差的另一種成巖作用類型,包括碳酸鹽(方解石)膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和粘土礦物膠結(jié)作用3種,其中硅質(zhì)膠結(jié)主要表現(xiàn)為石英次生加大的形成,鏡下石英次生加大多發(fā)育邊狀Ⅱ級和點狀Ⅲ級次生加大(照片1c);粘土礦物是又一重要膠結(jié)物,盒2+3段儲層較為常見,以高嶺石、伊利石和綠泥石為主。電鏡觀察可見書頁狀高嶺石、毛發(fā)狀伊利石充填于孔隙之中(照片1d),嚴(yán)重阻塞了孔隙。這些成巖作用都不利于儲層原生孔隙的保存,是造成研究區(qū)儲層致密、低孔特低滲的重要原因。3膠結(jié)成巖改造根據(jù)研究區(qū)5口井21塊鑄體薄片圖像分析結(jié)果,盒2+3儲層孔隙類型可按成因分為兩種:原生孔隙和次生孔隙,其中次生孔隙是盒2+3段儲層的主要儲集空間。原生孔隙是沉積物經(jīng)過機(jī)械壓實作用和化學(xué)膠結(jié)作用之后所保留的那部分儲集空間。研究區(qū)儲層埋藏較深,經(jīng)歷過較強(qiáng)烈的壓實、膠結(jié)等后期成巖作用的改造,加之石英次生加大的普遍發(fā)育,使得原生孔隙基本消失,只有極少數(shù)殘余粒間孔,為巖石原生孔隙經(jīng)膠結(jié)成巖改造后的剩余孔隙空間。次生孔隙是由溶蝕作用、膠結(jié)作用、交代作用等成巖作用所形成的孔隙,是盒2+3段儲層的主要孔隙類型,包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間晶內(nèi)微孔等。粒間溶孔本區(qū)最為發(fā)育,主要是在殘余原生孔隙基礎(chǔ)上,由粒間膠結(jié)物、碎屑顆粒受成巖流體的影響而遭受溶解而成,如:骨架顆粒(長石、石英、巖屑)粒間溶蝕(照片1a),甚至顆粒完全溶蝕形成鑄?？紫?。據(jù)統(tǒng)計,粒間溶蝕孔隙可以使孔隙度增大到8%～20%,大大改善了致密砂巖儲層的儲集性能。粒內(nèi)溶孔主要為顆粒內(nèi)部遭受溶蝕而形成的溶孔,鏡下可見巖屑顆粒或泥質(zhì)和隱微晶硅質(zhì)雜基被溶蝕成蜂窩狀孔隙、長石、巖屑顆粒的粒內(nèi)溶蝕(照片1a),該類孔隙的孔隙度為4%～8%,平均6.27%。粘土礦物以及膠結(jié)物中的Fe-方解石,晶間、晶內(nèi)微孔則較為發(fā)育(照片1b),該類孔隙的孔隙度一般小于4%。4布及其相互連通關(guān)系孔隙結(jié)構(gòu)是巖石所具有的孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其相互連通關(guān)系?？紫斗从沉藥r石的儲集能力,而喉道的形狀、大小則控制了孔隙的儲集和滲透能力。鑄體薄片和壓汞測試是目前儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)定量化研究的有效手段。4.1孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性根據(jù)鑄體薄片資料統(tǒng)計,盒2+3段儲層平均孔隙半徑12.48μm～67.83μm,主峰位21.9μm,屬于小孔隙-中孔隙范圍,其中以小孔隙為主;平均喉道寬度5.61μm～17.79μm;面孔率為1.65;平均孔喉比4.7;平均配位數(shù)0.6;分選中等,分選系數(shù)為15.67。由此可見,盒2+3儲層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性極強(qiáng),嚴(yán)重影響著儲層的滲流能力。通過毛細(xì)管壓力曲線及其孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)特征,不僅可以定性,而且可以定量的評價儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。研究區(qū)盒2+3段儲層平均喉道半徑0.0541μm～0.65μm,主峰位為0.225μm,屬于微喉道-小喉道范圍,其中以細(xì)喉道為主。排驅(qū)壓力最小0.25MPa,最大可達(dá)4.116MPa,一般小于1.3MPa;最大孔喉半徑峰值為0.8495μm,主要流動喉道半徑介于0.047μm～0.602μm之間,一般為0.27μm,孔喉連通性較差。綜上所述,盒2+3段儲層的孔隙結(jié)構(gòu)具有小孔、細(xì)喉發(fā)育,孔喉分選差、連通性差、孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強(qiáng)等特點。4.2孔隙結(jié)構(gòu)對儲層物性的影響盒2+3段儲層巖性致密,微觀的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,儲集物性差,孔隙度與滲透率的關(guān)系復(fù)雜,但整體顯示出正相關(guān)的特征。進(jìn)一步的分析表明,孔隙結(jié)構(gòu)的好壞嚴(yán)重影響著儲集層的物性。具體表現(xiàn)在,排驅(qū)壓力越小,最大連通孔隙半徑越大,反映滲流條件的主要流動喉道半徑也越大,孔隙喉道分選變好,孔隙結(jié)構(gòu)越均質(zhì),儲層的儲集滲流條件亦隨之變好(圖2)。即表征孔隙結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)如排驅(qū)壓力、最大喉道半徑、主要流動喉道半徑等與滲透率呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。5層的分類評估5.1儲層類型評價指標(biāo)鑒于致密砂巖儲層的特點及其復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征,利用R型主因子分析對表征儲層物性、孔隙結(jié)構(gòu)的13個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,確定孔隙度、滲透率、主要流動喉道半徑、最大孔隙半徑、排驅(qū)壓力等5個參數(shù)作為儲層分類評價的指標(biāo),其中孔隙度和滲透率代表著儲層的儲集滲流能力,而主要流動喉道半徑、最大孔隙半徑和排驅(qū)壓力則代表著儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。然后,利用Q型聚類分析對研究區(qū)8口取心井共49個樣品進(jìn)行聚類,將盒2+3段儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)劃分成3種基本類型和4種亞類(圖3,表1),其特征如下:5.1.1毛細(xì)管壓力曲線好儲層主要巖性為(含礫)粗粒石英砂巖、粗粒巖性石英砂巖,殘余粒間孔類比較發(fā)育,孔隙喉道組合類型以中孔小喉型為主,孔隙結(jié)構(gòu)比較均勻,孔喉連通性好,滲流能力強(qiáng),物性最好,孔隙度平均9.18%,滲透率1.06×10-3μm2,在滲流中起主要作用的喉道半徑為0.56μm～0.75μm。毛細(xì)管壓力曲線具有“粗歪度、分選好、排驅(qū)壓力較低”等特點,出現(xiàn)一個低斜率的平臺,最大孔喉半徑較大,平均為2.19μm;排驅(qū)壓力最小,為0.25MPa～0.51MPa,平均僅為0.35MPa,反映出該類儲層孔隙喉道連通性好,滲流阻力小。喉道半徑分布曲線以單峰型為主,主峰位對應(yīng)著小喉道(圖4),為研究區(qū)的好儲層。5.1.2孔喉結(jié)構(gòu)及滲流動力學(xué)次好儲層巖性主要以中砂巖、粗砂巖為主,碎屑顆粒中巖屑、長石含量較高,這有利于溶蝕孔隙的發(fā)育,孔隙類型以粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔為主,孔隙度最大13.2%,平均10.3%;細(xì)喉發(fā)育,孔隙喉道組合類型為小孔細(xì)喉。孔隙結(jié)構(gòu)相對較為均勻,滲流能力較強(qiáng),滲透率平均0.75×10-3μm2。毛細(xì)管壓力曲線表現(xiàn)為粗歪度,分選中等,平臺斜率較大,排驅(qū)壓力較低,平均0.5MPa,最大孔喉半徑為1.51μm,在滲流中起主要作用的喉道半徑為0.39μm,滲流阻力較大。喉道半徑分布曲線為雙峰型,細(xì)喉發(fā)育,反映出該類儲層微觀的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜(圖4),是研究區(qū)的次好儲層。5.1.3主導(dǎo)類型及滲流特點差儲層巖性主要為中砂巖,巖屑含量高,粒內(nèi)溶孔和晶間微孔發(fā)育,以小孔隙為主,喉道以細(xì)喉、微喉為主,為小孔細(xì)喉、小孔微喉組合類型為主。滲流能力差,物性差,孔隙度平均7.66%,滲透率平均僅為0.26×10-3μm2?？紫督Y(jié)構(gòu)差,喉道狹小,連通性差,滲流阻力大,表現(xiàn)在毛細(xì)管壓力曲線上,排驅(qū)壓力高,分選差,細(xì)歪度。喉道半徑分布曲線以雙峰為主,主峰位對應(yīng)細(xì)喉道,另一個對應(yīng)微喉道(圖5)。5.1.4壓力曲線特點非儲集層巖性致密,以細(xì)砂巖為主,晶間、晶內(nèi)微孔發(fā)育,為小孔細(xì)喉組合類型,儲集滲流條件極差,滲流阻力大,不能形成有效流動,滲透率平均僅為0.07×10-3μm2。毛細(xì)管壓力曲線呈“細(xì)歪度、分選差”等特點,排驅(qū)壓力大,平均2.6MPa。平均喉道半徑僅為0.08μm,喉道半徑分布曲線顯示喉道以微喉為主(圖4),為研究區(qū)的非儲集層。5.2儲層類型及其發(fā)育情況根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合沉積微相、孔隙度、滲透率的平面分布以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征,繪制了主力小層的儲層綜合評價圖(圖5)。研究表明,儲層的類型與沉積相的平面分布有著密切的聯(lián)系。由于不同沉積相的水動力條件不同,導(dǎo)致砂體的粒度、分選、組成以及發(fā)育程度的差異性,從而控制著儲層原始物性的分布,盡管后期成巖作用對沉積物原始孔隙改造強(qiáng)烈,但沉積相類型基本上決定了儲層的類型及其發(fā)育情況。在本區(qū),Ⅰ類儲層主要分布在辮狀主河道、心灘等微相,因其砂體分選好、石英含量高、泥質(zhì)含量少,儲集物性高,孔喉連通性好,產(chǎn)能高。據(jù)氣井的測試資料統(tǒng)計,高產(chǎn)井主要分布在Ⅰ類儲層,壓裂后的產(chǎn)能平均26.75×104m3/d,最高可達(dá)38.87×104m3/d(圖5)。Ⅱa類儲層主要分布在辮狀水道微相,部分在心灘微相,儲集物性、孔隙結(jié)構(gòu)次之,為中等產(chǎn)能,壓裂后的產(chǎn)能平均可達(dá)2.3×104m3/d(圖5)。Ⅱb類儲層主要分布在巖性相對較細(xì)的辮狀河道微相中,孔隙結(jié)構(gòu)較差,產(chǎn)能較低。Ⅲ類儲層主要分布在辮狀河道側(cè)翼等細(xì)粒沉積物中,泥質(zhì)含量高,發(fā)育以微孔細(xì)喉為主的孔隙結(jié)構(gòu),儲集物性差,基本無產(chǎn)能。因此,對于致密砂巖氣藏勘探開發(fā)較為有意義的主要是Ⅰ類和Ⅱa類儲層,進(jìn)一步的勘探開發(fā)重點應(yīng)著眼于此。6儲層微觀孔隙類型6.1研究區(qū)盒2+3段儲層經(jīng)歷過強(qiáng)烈的后期成巖作用的改造,經(jīng)機(jī)械壓實作用和膠結(jié)作用,使得儲層致密,低孔特低滲;但是溶蝕作用、交代交代作用和粘土礦物轉(zhuǎn)化可以使儲集層物性得到改善。6.2盒2+3段儲層孔隙類型以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔等次生孔隙為主,少量