致密砂巖氣藏成藏過程中的地質(zhì)門限分析

致密砂巖氣藏成藏過程中的地質(zhì)門限分析

致密砂巖氣藏作為一個非正式的氣藏，具有巨大的潛力。在常規(guī)天然氣儲量不斷遞減的今天,致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)無疑對緩解能源緊張的局面具有重要的現(xiàn)實意義,因此受到眾多學(xué)者的關(guān)注。目前中國的致密砂巖氣多以“先成型”致密砂巖氣藏的形式存在,其資源量超過100×1012m3,展現(xiàn)了良好的資源前景。但是,目前對致密砂巖氣藏成藏過程中流體演化特征及分布規(guī)律研究相對不足,直接制約著對氣藏成藏機理的認識和預(yù)測方法的建立,影響了勘探方向的選擇和有利區(qū)帶的預(yù)測。鑒于此,筆者根據(jù)致密砂巖儲層的孔隙空間演化及流體性質(zhì)的變化規(guī)律,對“先成型”致密砂巖氣藏成藏過程中的地質(zhì)門限及其控氣作用進行了初步探索。1儲層致密巖氣藏流體模型眾所周知,儲層巖石由固體格架及孔隙流體組成,在儲層壓實過程中,固體格架體積不變,孔隙空間變小并排出其中的流體。儲層中的孔隙流體一般由油、氣、水三相組成,在油氣注入儲層之前,孔隙中的流體僅為水,并可進一步分為自由水和束縛水。其中自由水是在儲層中可以自由流動的水,束縛水則是吸附在巖石顆粒表面不能自由流動的水。吸附水層最多達百層,一般也有十幾層,但當(dāng)儲層埋藏至一定深度時,僅?？拷w粒內(nèi)壁的幾層最穩(wěn)定牢固,水膜厚度也保持相對穩(wěn)定。若壓實作用不是很強,儲層孔隙空間相對較大時,束縛水所占的孔隙空間可以忽略,但是對于致密砂巖儲層而言,束縛水所占據(jù)的孔隙空間則需要慎重對待。因為,致密砂巖儲層的孔隙度一般小于12%,一些超致密儲層的孔隙度則僅為6%左右,在這樣的孔隙空間內(nèi),束縛水的存在將導(dǎo)致孔隙空間的進一步減小。隨著儲層埋深的增加,儲層的孔隙空間逐漸減小,而束縛水所占的孔隙空間比例不斷增大。對于“先成型”致密砂巖氣藏而言,儲層的致密化過程先于天然氣的充注過程,在這類氣藏中,天然氣是以整體向上排驅(qū)自由水的方式進入儲層的。理論上儲層孔隙空間的流體組成大致可以分成4種情況:①儲層內(nèi)沒有天然氣注入時,孔隙空間為自由水和束縛水占據(jù),表現(xiàn)為水層,這一階段束縛水的影響并不十分明顯;②天然氣注入儲層,并驅(qū)替孔隙空間內(nèi)的自由水,儲層孔隙中的流體組分發(fā)生變化,變?yōu)樽杂伤⑹`水和天然氣共存,表現(xiàn)為氣水同層;③天然氣注入量持續(xù)增加,自由水的比例逐漸減小,天然氣的比例則不斷增大,束縛水飽和度也相對增大。當(dāng)天然氣充注量足以排驅(qū)所有自由水時,儲層孔隙空間中的流體組成變?yōu)槭`水和天然氣兩相共存,此時儲層表現(xiàn)為氣層;④儲層的孔隙空間小到完全為束縛水所占據(jù)時,自由孔隙空間近于零,天然氣無法注入儲層,儲層表現(xiàn)為干層(圖1)。由上所述,若能確定出天然氣開始充注點、天然氣充注飽和點和天然氣充注終止點就可以建立相應(yīng)的地質(zhì)模型,進而預(yù)測致密儲層中的流體分布特征。Fig.1Conceptmodelconsistsofporefluidbasedonprincipleofboundwaterfilmwithfixedthickness2儲層性質(zhì)天然氣充注門限致密砂巖氣藏成藏的過程中存在3個關(guān)鍵時刻,分別對應(yīng)著不同的孔隙空間流體組成特征和儲層性質(zhì)。①天然氣充注門限,這一時期,天然氣開始大量生成并排出烴源巖進入儲層;②天然氣飽和門限,對應(yīng)的是儲層孔隙空間內(nèi)的自由水完全被天然氣所排替,孔隙流體變?yōu)樘烊粴夂褪`水兩相;③天然氣終止門限,此時孔隙空間完全為束縛水占據(jù),自由孔隙空間消失。2.1排烴期的確定天然氣充注門限是指天然氣開始注入儲層的臨界地質(zhì)條件。對于不同的地區(qū)而言,由于勘探程度和樣品采集等因素的限制,獲得天然氣充注時刻的分析化驗資料相對困難,因此,在實際操作過程中可用烴源巖排烴期來近似標定充注期。傳統(tǒng)的研究方法一般以鏡質(zhì)體反射率來確定,但該指標只能定性地確定排烴期。在此,筆者建議根據(jù)排烴門限理論,應(yīng)用生烴潛力法來確定排烴期。該方法主要是根據(jù)烴源巖熱解分析數(shù)據(jù),建立生烴潛力演化模型,進而判定烴源巖排烴時期。需要指出的是,為了使判定的充注門限更為準確,可盡量利用多種地質(zhì)、地化手段來綜合判別。2.2儲層精細排烴強度及儲層質(zhì)量公式天然氣飽和門限是指儲層的自由孔隙空間完全被天然氣所占據(jù),儲層流體組成變?yōu)樘烊粴夂褪`水兩相共存時的臨界地質(zhì)條件,這一時刻對應(yīng)的是天然氣充注量大于或等于致密儲層的自由孔隙空間。由于天然氣充注量的確定目前還沒有合適的研究方法,應(yīng)用中可用排氣量來近似代替充注量,則天然氣飽和門限可表示為VΦ≤Qeg(1)式中:VΦ為巖石孔隙體積,m3;Qeg為天然氣排出量,m3。其中VΦ=VcΦ=ΗcScΦ(2)Qeg=qeSt(3)則式(1)可變?yōu)閝e=ΗcScΦ/St(4)式中:Vc為儲層體積,m3;Φ為儲層孔隙度,%;Hc為儲層厚度,m;Sc為儲層面積,m2;qe為烴源巖排烴強度,106m3/km2;St為烴源巖面積,m2。由于在“先成型”致密砂巖氣藏的形成過程中,天然氣是以整體排驅(qū)水的方式向上運移,因此,儲層范圍與烴源巖的范圍大體相當(dāng),則式(4)可以簡化為qe=ΗcΦ(5)式(5)即為天然氣飽和門限的判別公式,其中排烴強度和孔隙度都是隨埋藏深度變化的函數(shù)?？紫抖鹊挠嬎愎綖棣?aeb?z(6)式中:a和b為經(jīng)驗常數(shù);z為儲層埋深,m。排烴強度計算公式為qe=qe(zt)?ΤΟC?ρ(zt)?Ηt(7)式中:qe(zt)為有機碳排烴率,mg/g;ρ(zt)為烴源巖密度,g/cm3;TOC為有機碳含量,%;Ht為烴源巖厚度,m;zt為烴源巖埋藏深度,m。2.3束縛水體積分數(shù)天然氣終止門限是指儲層達到一定埋藏深度以后,其孔隙空間完全為束縛水所占據(jù)、自由孔隙空間近于零的臨界地質(zhì)條件。這一門限可以根據(jù)束縛水所占孔隙空間體積與儲層孔隙度演化曲線來判別,即儲層的孔隙空間等于束縛水體積。首先,主要根據(jù)研究區(qū)實測孔隙度與深度關(guān)系,建立孔隙度求取模型[式(6)。然后,求取束縛水體積分數(shù)的計算模型。束縛水一般以附著在巖石顆粒表面的水膜形式出現(xiàn),束縛水體積分數(shù)為束縛水膜體積與巖石總體積的比值。如圖2所示,在立方體中,水膜附著在球形顆粒表面,巖石的總體積為立方體體積,束縛水體積為一個球形顆粒表面的(8個1/8顆粒)水膜體積。巖石總體積的計算式為Vy=8(r+h)3(8)式中:Vy為巖石的總體積,mm3;r為巖石顆粒半徑,mm;h為束縛水膜的厚度,mm。束縛水體積計算公式為Vs=Sqh(9)其中Sq=4πr2式中:Vs為束縛水體積,mm3;Sq為巖石顆粒表面積,mm2。則束縛水體積分數(shù)為Φs=VsVy≈πh2r(10)式中:Φs為束縛水體積分數(shù)。上面推導(dǎo)的公式屬于巖石不含雜基的情況。對于含有雜基的巖石,其表面積將明顯增大,束縛水的體積也隨之增加,因此需要對推導(dǎo)的計算公式[式(10)進行校正Φs=kπhR(11)式中:R為巖石顆粒直徑,mm;k為校正系數(shù)。這樣,天然氣終止門限的判別公式應(yīng)為Φs=Φ(12)3預(yù)測示例3.1密砂巖氣藏地質(zhì)特征鄂爾多斯盆地是我國大型沉積盆地之一,盆地主體部分面積為25×104km2,發(fā)育上元古界—新生界沉積地層。致密砂巖氣藏主要分布在上古生界沉積地層內(nèi),以泥碳沼澤體系中形成的石炭系—下二疊統(tǒng)的碳質(zhì)泥巖和煤層為主力氣源巖,有機質(zhì)豐度高,生烴潛力大;儲集層為二疊系石盒子組和山西組,沉積相類型為辮狀河和三角洲,儲集砂體致密且呈席狀大面積分布,致密砂巖氣資源潛力大。但目前致密砂巖氣藏的分布特征及有利勘探方向不清,亟待開展相關(guān)的預(yù)測分析。3.2致密氣藏地質(zhì)門的確定(1)源巖的排烴門限依據(jù)上古生界烴源巖熱解分析資料,建立了烴源巖排烴模式(圖3),確定出烴源巖的排烴門限深度為2350m,以往的研究也證明了這一認識。這表明在這一埋深以下烴源巖開始大量排烴,致密砂巖儲層內(nèi)的流體性質(zhì)開始發(fā)生變化,天然氣進入儲層并排驅(qū)自由水,儲層變?yōu)樽杂伤?、天然氣和束縛水共存的狀態(tài)。(2)儲層排氣量與儲層孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系根據(jù)天然氣飽和門限計算公式[式(5),利用鄂爾多斯盆地實測的孔隙度演化模型Φ=44.6e-0.0006?z(13)和排氣強度計算公式[式(7),獲得了不同埋藏深度下的烴源巖排氣量與儲層孔隙空間對應(yīng)關(guān)系(表1)。研究表明,當(dāng)烴源巖埋藏深度達到2900m的時候,qe值已經(jīng)超過了HcΦ值,由此判定,天然氣的飽和門限大約應(yīng)在2850m深度。(3)儲層巖石雜基和膠結(jié)物的設(shè)置鄂爾多斯盆地上古生界儲層巖石顆粒多為中—細砂,含有少量的粉砂,巖石顆粒直徑平均為0.25mm,束縛水膜的厚度一般為0.1μm。另外,儲層巖石內(nèi)含有大量的雜基和膠結(jié)物,計算過程中需要對束縛水的體積進行校正。一般情況下,黏土雜基顆粒直徑小于0.005mm,而且具有吸水膨脹的特性,校正系數(shù)可設(shè)定為0～50。根據(jù)儲層雜基和膠結(jié)物的特征,選定20作為校正系數(shù),則由式(11)計算出束縛水體積分數(shù)為2.5%,儲層孔隙度對應(yīng)于該值時的深度是4800m[式(13),即天然氣終止門限為4800m。3.3心海拔對儲層致密氣、水共存的影響鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏的天然氣充注門限深度為2350m;埋藏深度達到2850m時,進入天然氣飽和門限,儲層的自由孔隙空間完全為天然氣所占據(jù);埋藏深度為4800m時,進入天然氣終止門限,此時儲層中僅存束縛水。基于這3個門限,并根據(jù)鄂爾多斯盆地的平均補心海拔(1000m),計算獲得了實際的地質(zhì)模型并以實際氣藏剖面進行了對應(yīng)的預(yù)測和檢驗(圖4)。結(jié)果表明,當(dāng)儲層海拔為-1150m時其孔隙度為12%,達到了致密儲層的標準,這一深度可認為是致密儲層和常規(guī)儲層分界點,其上為常規(guī)氣藏成藏區(qū),其下為致密氣藏成藏區(qū)。當(dāng)海拔為-1350m,即埋深達到2350m時,天然氣注入儲層,致密儲層成藏區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)氣、水兩相共存的特征。在實際的氣藏剖面中,這一區(qū)域的氣、水共存現(xiàn)象十分明顯。當(dāng)海拔為-1850m(埋深為2850m)時,儲層內(nèi)的自由水完全為天然氣所驅(qū)替,形成天然氣和束縛水共存的特征。這一深度以下,儲層飽含氣,氣藏剖面反映的情況與預(yù)測結(jié)果基本一致。由于該區(qū)儲層最大埋深小于海拔-2500m,沒有達到-3800m這個天然氣終止門限,所以,在很大的空間范圍內(nèi),儲層可以大面積含氣,為形成大規(guī)模的致密氣藏提供了良好的地質(zhì)條件。4天然氣終止門限致密砂巖氣藏成藏過程中存在天然氣充注門限、天然氣飽和門限和天然氣終止門限3個地質(zhì)門限。這3個地質(zhì)門限分別對應(yīng)不同的儲層孔隙空間流體組成,天然氣充注門限對應(yīng)自由水、束縛水共存向自由水、束縛水、天然氣共存轉(zhuǎn)化的臨界狀態(tài),天然氣飽和門限對應(yīng)自由水、束縛水、天然氣共存向天然氣、束縛水共存轉(zhuǎn)化的臨界狀態(tài),天然氣終止門限對應(yīng)于天然氣、束縛水共存向束縛水轉(zhuǎn)化的臨界狀態(tài)。鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏的3個地質(zhì)門限深度分別為2350m、2850m和4800m,地質(zhì)模型與實際氣藏剖面的對比檢驗顯示,二者吻合率較高,表明致密氣藏的地質(zhì)門限對于預(yù)測流體分布規(guī)律具有一定的可靠性。致密砂巖氣藏的地質(zhì)門限預(yù)測模型基于束縛水膜厚度不變這一前提,為致密砂巖氣藏流體分布特征的預(yù)測提供了較好的研究思路,但仍存在一些