大牛地氣田致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究

大牛地氣田致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究

0氣藏成巖改造及儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)致密砂巖是天然氣的一個(gè)重要而有限的領(lǐng)域。早在20世紀(jì)70年代初,國(guó)外的一些學(xué)者就開(kāi)始致力于該類(lèi)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(dòng)了該類(lèi)氣藏的勘探和開(kāi)發(fā),積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái),在我國(guó)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(chǔ)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(lèi)氣藏在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的角色,已成為一種重要的天然氣來(lái)源。該類(lèi)氣藏一般埋藏較深,經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的后期成巖作用的改造,導(dǎo)致儲(chǔ)層低孔特低滲,滲透率一般小于1×10-3μm2,已接近有效儲(chǔ)層的下限,幾乎沒(méi)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(kāi)發(fā)實(shí)踐表明,儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)直接影響著儲(chǔ)層的儲(chǔ)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(chǔ)層為對(duì)象,詳細(xì)研究?jī)?chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征,并對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行合理、客觀的分類(lèi)評(píng)價(jià),在此基礎(chǔ)上,探尋優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布規(guī)律,從而為氣藏的勘探開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的依據(jù),減少投資風(fēng)險(xiǎn),具有重要的研究意義。1奧陶紀(jì)地層儲(chǔ)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(chǔ)層,為一套辮狀河流相陸源碎屑巖沉積。在強(qiáng)水動(dòng)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(chǔ)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(zhǎng)石1%～15%,以巖屑砂巖、巖屑石英砂巖等類(lèi)型為主。儲(chǔ)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(chǔ)層。2儲(chǔ)層類(lèi)型見(jiàn)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(chǔ)層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的后期成巖作用的改造。其中,使儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能變好的成巖作用類(lèi)型有溶蝕作用、交代作用和粘土礦物轉(zhuǎn)化作用;使儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能變差的成巖作用類(lèi)型有壓實(shí)作用和膠結(jié)作用。溶蝕作用是盒2+3段儲(chǔ)層次生孔隙形成的主導(dǎo)因素,包括骨架顆粒(石英、長(zhǎng)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(lèi)型。交代作用主要為長(zhǎng)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(lèi)型。粘土礦物演化對(duì)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(duì)孔隙起到一定的保存作用。盒2+3段儲(chǔ)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(shí)作用較強(qiáng),鏡下可見(jiàn)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(shí)充填于骨架顆粒之間;膠結(jié)作用是使儲(chǔ)集性能變差的另一種成巖作用類(lèi)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(jí)和點(diǎn)狀Ⅲ級(jí)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(chǔ)層較為常見(jiàn),以高嶺石、伊利石和綠泥石為主。電鏡觀察可見(jiàn)書(shū)頁(yè)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(chǔ)層原生孔隙的保存,是造成研究區(qū)儲(chǔ)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(chǔ)層孔隙類(lèi)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(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間。原生孔隙是沉積物經(jīng)過(guò)機(jī)械壓實(shí)作用和化學(xué)膠結(jié)作用之后所保留的那部分儲(chǔ)集空間。研究區(qū)儲(chǔ)層埋藏較深,經(jīng)歷過(guò)較強(qiáng)烈的壓實(shí)、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(chǔ)層的主要孔隙類(lèi)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(zhǎng)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(jì),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(chǔ)層的儲(chǔ)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(jiàn)巖屑顆?；蚰噘|(zhì)和隱微晶硅質(zhì)雜基被溶蝕成蜂窩狀孔隙、長(zhǎng)石、巖屑顆粒的粒內(nèi)溶蝕(照片1a),該類(lèi)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(lèi)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(chǔ)集能力,而喉道的形狀、大小則控制了孔隙的儲(chǔ)集和滲透能力。鑄體薄片和壓汞測(cè)試是目前儲(chǔ)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(jì),盒2+3段儲(chǔ)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(jiàn),盒2+3儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性極強(qiáng),嚴(yán)重影響著儲(chǔ)層的滲流能力。通過(guò)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(píng)價(jià)儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。研究區(qū)盒2+3段儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)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(diǎn)。4.2孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層物性的影響盒2+3段儲(chǔ)層巖性致密,微觀的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(chǔ)層的儲(chǔ)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(dòng)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(lèi)評(píng)估5.1儲(chǔ)層類(lèi)型評(píng)價(jià)指標(biāo)鑒于致密砂巖儲(chǔ)層的特點(diǎn)及其復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)特征,利用R型主因子分析對(duì)表征儲(chǔ)層物性、孔隙結(jié)構(gòu)的13個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選,確定孔隙度、滲透率、主要流動(dòng)喉道半徑、最大孔隙半徑、排驅(qū)壓力等5個(gè)參數(shù)作為儲(chǔ)層分類(lèi)評(píng)價(jià)的指標(biāo),其中孔隙度和滲透率代表著儲(chǔ)層的儲(chǔ)集滲流能力,而主要流動(dòng)喉道半徑、最大孔隙半徑和排驅(qū)壓力則代表著儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。然后,利用Q型聚類(lèi)分析對(duì)研究區(qū)8口取心井共49個(gè)樣品進(jìn)行聚類(lèi),將盒2+3段儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)劃分成3種基本類(lèi)型和4種亞類(lèi)(圖3,表1),其特征如下:5.1.1毛細(xì)管壓力曲線好儲(chǔ)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(lèi)比較發(fā)育,孔隙喉道組合類(lèi)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(diǎn),出現(xiàn)一個(gè)低斜率的平臺(tái),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(lèi)儲(chǔ)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(duì)應(yīng)著小喉道(圖4),為研究區(qū)的好儲(chǔ)層。5.1.2孔喉結(jié)構(gòu)及滲流動(dòng)力學(xué)次好儲(chǔ)層巖性主要以中砂巖、粗砂巖為主,碎屑顆粒中巖屑、長(zhǎng)石含量較高,這有利于溶蝕孔隙的發(fā)育,孔隙類(lèi)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(lèi)型為小孔細(xì)喉?？紫督Y(jié)構(gòu)相對(duì)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(tái)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(lèi)儲(chǔ)層微觀的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜(圖4),是研究區(qū)的次好儲(chǔ)層。5.1.3主導(dǎo)類(lèi)型及滲流特點(diǎn)差儲(chǔ)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(lèi)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(duì)應(yīng)細(xì)喉道,另一個(gè)對(duì)應(yīng)微喉道(圖5)。5.1.4壓力曲線特點(diǎn)非儲(chǔ)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(lèi)型,儲(chǔ)集滲流條件極差,滲流阻力大,不能形成有效流動(dòng),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(diǎn),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(chǔ)集層。5.2儲(chǔ)層類(lèi)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(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)圖(圖5)。研究表明,儲(chǔ)層的類(lèi)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(dòng)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(chǔ)層原始物性的分布,盡管后期成巖作用對(duì)沉積物原始孔隙改造強(qiáng)烈,但沉積相類(lèi)型基本上決定了儲(chǔ)層的類(lèi)型及其發(fā)育情況。在本區(qū),Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)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(chǔ)集物性高,孔喉連通性好,產(chǎn)能高。據(jù)氣井的測(cè)試資料統(tǒng)計(jì),高產(chǎn)井主要分布在Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)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(lèi)儲(chǔ)層主要分布在辮狀水道微相,部分在心灘微相,儲(chǔ)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(lèi)儲(chǔ)層主要分布在巖性相對(duì)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(lèi)儲(chǔ)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(chǔ)集物性差,基本無(wú)產(chǎn)能。因此,對(duì)于致密砂巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)較為有意義的主要是Ⅰ類(lèi)和Ⅱa類(lèi)儲(chǔ)層,進(jìn)一步的勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)應(yīng)著眼于此。6儲(chǔ)層微觀孔隙類(lèi)型6.1研究區(qū)盒2+3段儲(chǔ)層經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的后期成巖作用的改造,經(jīng)機(jī)械壓實(shí)作用和膠結(jié)作用,使得儲(chǔ)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(chǔ)集層物性得到改善。6.2盒2+3段儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔等次生孔隙為主,少量