鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖氣藏超低含水飽和度形成機(jī)理

鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖氣藏超低含水飽和度形成機(jī)理

一般來(lái)說(shuō)，致密砂巖的含水量飽和度大于40%，高度集中甚至達(dá)到60%70%。然而,致密砂巖氣藏勘探開發(fā)實(shí)踐證實(shí),致密砂巖氣藏高含水飽和度的假象多數(shù)由井壁附近強(qiáng)烈的工作液濾液毛管自吸作用造成。鄂爾多斯盆地北部(鄂北)上古生界致密砂巖氣藏密閉取心和測(cè)井資料顯示,氣藏初始含水飽和度值在20%~30%之間,而實(shí)驗(yàn)證實(shí)氣藏束縛水飽和度范圍在40.37%~55.27%之間,我們把含水飽和度遠(yuǎn)低于束縛水飽和度的這一狀態(tài)叫做超低含水飽和度現(xiàn)象。國(guó)外通過(guò)水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)對(duì)低含水飽和度形成進(jìn)行了研究,文章結(jié)合致密砂巖成藏地質(zhì)作用過(guò)程對(duì)低含水飽和度形成加以討論,并通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。1早期鉆井作業(yè)所受氣藏解釋原因鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖氣藏具有非常規(guī)的地質(zhì)特征:平均孔隙度為7.66%,滲透率平均值為0.38×10-3μm2,致密砂巖喉道半徑一般小于0.6μm,壓汞飽和度中值壓力可達(dá)5~50MPa,高角度裂縫及垂直裂縫在煤巖、泥巖層段以及砂巖儲(chǔ)層段均不同程度發(fā)育,少量裂縫為方解石所充填。世界上的教訓(xùn)是,由于對(duì)水相圈閉損害嚴(yán)重性認(rèn)識(shí)不夠,例如在加拿大阿爾伯達(dá)盆地發(fā)現(xiàn)第一口深盆氣井之前曾錯(cuò)失過(guò)上百口氣井。鄂爾多斯盆地早期勘探下古生界所鉆380口探井,也基本上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)上古生界致密氣藏。在毛管力自吸作用下井壁附近氣層含水飽和度增加,造成測(cè)井解釋含水飽和度值偏大,鄂爾多斯盆地北部常規(guī)水基泥漿鉆井作業(yè)后測(cè)井結(jié)果解釋含水飽和度值為35%~65%,有的裂縫發(fā)育段測(cè)井含水飽和度值高達(dá)74%,這一假象與表1中通過(guò)壓汞法、相滲法及生產(chǎn)資料分析法得到的氣層束縛水飽和度范圍基本一致。氣藏含水飽和度在65%以上時(shí)氣相滲透率近于0,故早期鉆井錯(cuò)失大型氣藏的事實(shí)也就不足為奇。圖1和圖2為研究區(qū)Sh211井油基泥漿密閉取心與常規(guī)取心含水飽和度測(cè)量結(jié)果對(duì)比,密閉取心測(cè)量含水飽和度值在20%~30%之間,相同孔隙度條件下常規(guī)取心測(cè)量含水飽和度比密閉取心高3%~15%,且孔隙度越小,兩者差值越大。陜118井密閉取心測(cè)量含水飽和度值多在30%以內(nèi)。長(zhǎng)慶氣田馬五儲(chǔ)層(碳酸鹽巖儲(chǔ)層)油基泥漿取心測(cè)量結(jié)果表明,孔隙度為6%時(shí),其初始含水飽和度值為20.6%。所以,低含水飽和度現(xiàn)象在鄂北上古生界、下古生界氣藏中均普遍存在。2儲(chǔ)層流體運(yùn)移規(guī)律致密砂巖氣藏超低含水飽和度形成與天然氣大量生成及聚集成藏過(guò)程密切相關(guān),伴隨烴類生成、運(yùn)移及聚集,烴源巖及儲(chǔ)集巖中地層水不斷地被天然氣所排替,該盆地北部上古生界烴源巖主要為煤層及暗色泥巖。石炭系、二疊系煤層廣布于全區(qū),煤層厚10~20m,北部最厚達(dá)30m,暗色泥巖厚達(dá)100~210m,烴源巖演化程度高(RO=1.6%~2.6%),在白堊紀(jì)達(dá)到生氣高峰,盆北生烴強(qiáng)度達(dá)(15~36)×108m3/km2,天然氣不斷生成在氣藏內(nèi)聚集成異常高壓,石炭系地層壓力系數(shù)普遍在1.35~1.70之間,達(dá)到巖石的破裂強(qiáng)度,在異常高壓作用下產(chǎn)生裂縫。成為儲(chǔ)層流體運(yùn)移的良好通道。氣藏中超低含水飽和度形成過(guò)程如圖3所示,圖3(a)為沉積物的固結(jié)成巖壓實(shí)作用階段,此時(shí)烴源巖和儲(chǔ)集巖中均100%飽含地層水,有生物甲烷氣生成,在壓實(shí)作用下地層水向上覆地層排驅(qū)。圖3(b)為后生作用階段前期,隨干酪根成熟度增加,烴源巖內(nèi)部大量天然氣不斷生成聚集形成高壓,烴源巖中封存烴類流體壓力值突破本身封閉條件產(chǎn)生裂縫,地層流體經(jīng)裂縫向儲(chǔ)集巖中排驅(qū),一次高壓地層流體從烴源巖向儲(chǔ)集巖中排驅(qū)后,烴源巖內(nèi)部壓力下降裂縫閉合,接著,其內(nèi)部會(huì)因?yàn)闊N類生成聚集高壓作用又一次產(chǎn)生裂縫,在反復(fù)進(jìn)行的“幕式生烴排液”作用下,烴源巖中會(huì)首先出現(xiàn)低含水飽和度狀態(tài)。圖3(c)為后生作用階段后期,天然氣生成以熱裂解氣為主階段后,大量的注入儲(chǔ)集巖的天然氣與其它地層流體一起向外排驅(qū),在孔滲較好層段流體容易排驅(qū),遇到滲透率較低層段或蓋層排驅(qū)不易通過(guò)時(shí),地層流體聚集成高壓在儲(chǔ)集巖中形成裂縫,與烴源巖中進(jìn)行相似的“幕式排液”作用。高溫?zé)崃呀飧蓺饩哂泻軓?qiáng)的蒸發(fā)攜水能力,Bennion指出,在101.3kPa、100℃時(shí),1000m3的干氣能夠攜帶539kg水。而燕山運(yùn)動(dòng)中期該盆地經(jīng)歷的熱事件為盆地高地溫梯度提供了熱源。在熱裂解氣汽化攜液作用下,致密砂巖氣藏超低含水飽和度最終得以形成。3儲(chǔ)層水巖心充填的含水率飽和度為驗(yàn)證致密砂巖成藏過(guò)程生烴排液作用可形成超低含水飽和度,從該盆地北部致密砂巖氣藏中選取4塊基塊巖樣模擬氣驅(qū)水過(guò)程觀察含水飽和度變化,實(shí)驗(yàn)程序如下:①將選取的巖樣進(jìn)行干燥稱重后測(cè)量其直徑、長(zhǎng)度和孔隙度;②將巖樣抽真空后飽和地層水稱重,計(jì)算出含水飽和度;③設(shè)定實(shí)驗(yàn)圍壓10MPa,在20℃條件下用0.5MPa氮?dú)怛?qū)20h后稱重計(jì)算含水飽和度;④將巖心加熱到60℃繼續(xù)用0.5MPa的氮?dú)怛?qū)20h,稱重計(jì)算含水飽和度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示:飽和地層水巖樣在20℃用干氣驅(qū)20h含水飽和度值降低到32%~40%之間,接下來(lái)繼續(xù)用60℃干氣驅(qū)20h后得到的含水飽和度值為23.5%~28.8%,證實(shí)在較高溫度下致密砂巖氣藏中氣驅(qū)水過(guò)程超低含水飽和度形成可以實(shí)現(xiàn),在致密砂巖成藏過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生裂縫,裂縫的存在更能提高致密砂巖滲透率,因此考慮到裂縫這一條件時(shí),致密砂巖高溫氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)顯然更容易得到超低含水飽和度。在成藏過(guò)程中溫度超過(guò)100℃并伴有裂縫存在,所以致密砂巖成藏過(guò)程中在生烴排液作用下氣藏中超低含水飽和度形成能夠?qū)崿F(xiàn)。4儲(chǔ)層精細(xì)氣藏封隔作用致密砂巖氣藏超低含水飽和度狀態(tài)能否保存至今主要受3個(gè)因素制約:①氣藏中需要一定厚度的泥頁(yè)巖蓋層,該盆地北部上古生界石盒子組區(qū)域性發(fā)育的泥巖蓋層累計(jì)厚度為150~200m左右,泥巖氣相絕對(duì)滲透率一般為10-7~10-9μm2,對(duì)于天然氣的散失具有良好封隔作用;②在致密砂巖氣藏中存在一較大層段氣水關(guān)系倒置的氣水過(guò)渡帶,過(guò)渡帶內(nèi)相對(duì)滲透率的變化是阻止上覆水體進(jìn)一步進(jìn)入氣藏的關(guān)鍵,當(dāng)氣水過(guò)渡帶氣藏邊界水飽和度增加到60%以上時(shí),氣相滲透率近于0,在過(guò)渡帶的上傾方向形成水相圈閉,使得天然氣不易散失,同時(shí),當(dāng)含氣飽和度達(dá)到70%以上時(shí),在氣水邊界靠近氣藏內(nèi)部水相滲透率變?yōu)?,同上部的水相圈閉效應(yīng)相似,氣藏外部的水體不易向氣藏內(nèi)運(yùn)移;③與儲(chǔ)層臨近的烴源巖仍在不斷供氣,使氣體沿氣水過(guò)渡帶下傾方向侵位,始終能夠保持氣水界面處的壓力等于靜水壓力,氣藏的“動(dòng)態(tài)圈閉”特性能夠阻止水體進(jìn)入氣藏。在以上3個(gè)因素的綜合作用下,致密砂巖氣藏中超低含水飽和度得以保存。5儲(chǔ)藏過(guò)程減少儲(chǔ)藏質(zhì)量的原因鄂爾多斯盆地北部上古生界氣藏常規(guī)測(cè)井和室內(nèi)試驗(yàn)束縛水飽和度值為40%~70%左右,密閉取心測(cè)量含水飽和度值為20%~30%,遠(yuǎn)低于束縛水飽和度值