頁(yè)巖氣藏水相圈閉損害潛力研究

頁(yè)巖氣藏水相圈閉損害潛力研究

0巖儲(chǔ)層精細(xì)研究的必要性巖巖氣是一種特殊的不規(guī)則天然氣，在巖質(zhì)中沉積。具有自生自儲(chǔ)、無氣水界面、連續(xù)藏、低孔、低滲等特點(diǎn)。通常沒有天然或低儲(chǔ)量。北美地區(qū)頁(yè)巖氣的成功開發(fā),改變了北美天然氣供應(yīng)格局,頁(yè)巖氣正在重塑世界油氣資源勘探開發(fā)新格局。中國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力巨大,據(jù)2012年國(guó)土資源部油氣戰(zhàn)略中心評(píng)價(jià),中國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量區(qū)間值為(10.3~47)×10１２m３,期望值為25.1×10１２m３。根據(jù)美國(guó)近20a的頁(yè)巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn),頁(yè)巖氣的經(jīng)濟(jì)開發(fā)需要大型水平井鉆完井和水力壓裂技術(shù),水平鉆井一般需要水基鉆井液(目前國(guó)內(nèi)一般采用油基鉆井液),儲(chǔ)層改造需要水基壓裂液,整個(gè)儲(chǔ)層改造過程需要“萬方水千方砂”,可見水在其中的作用是非常大的。在氣層改造過程中,由于鉆井液、完井液、固井液及壓裂液等外來流體侵入儲(chǔ)層后難以完全排出,致使儲(chǔ)層含水飽和度增加,氣相滲透率降低［１］,增大應(yīng)力敏感損害并產(chǎn)生嚴(yán)重的水相圈閉損害［２－６］,對(duì)后期頁(yè)巖氣的開采極為不利。所以開展入井流體與頁(yè)巖儲(chǔ)層的相互作用研究對(duì)形成有效的頁(yè)巖氣開采技術(shù)尤為重要。頁(yè)巖儲(chǔ)層原始狀態(tài)下的含水情況是進(jìn)行該項(xiàng)研究的基礎(chǔ),同時(shí)含水飽和度也是控制氣藏持續(xù)生產(chǎn)的最關(guān)鍵儲(chǔ)層參數(shù)［７－９］。目前對(duì)頁(yè)巖氣藏成藏過程中含水特征及運(yùn)移規(guī)律研究有限,國(guó)外主要通過水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)對(duì)低含水飽和度形成進(jìn)行了研究［１０－１１］,但對(duì)頁(yè)巖氣成藏是否存在超低含水飽和度尚存在疑問。對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)的這些局限,影響著對(duì)頁(yè)巖勘探方向的選擇和有利區(qū)帶的預(yù)測(cè),制約著工程技術(shù)的效果。1儲(chǔ)層初始含水飽和度隨儲(chǔ)層密度的變化通過對(duì)中國(guó)石油天然氣股份有限公司(簡(jiǎn)稱“中國(guó)石油”,下同)頁(yè)巖氣示范區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層含水飽和度研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層初始含水飽和度存在2類現(xiàn)象。第一類為初始含水飽和度超高的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(表1),如昭101儲(chǔ)層、YQ1儲(chǔ)層等,該類儲(chǔ)層構(gòu)造上位于盆地邊緣構(gòu)造改造區(qū),地理位置位于中國(guó)石油昭通示范區(qū),儲(chǔ)層含氣量較低,單井產(chǎn)量低,初始含水飽和度均大于60%。筆者研究認(rèn)為,由于該區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層遭受了嚴(yán)重的構(gòu)造改造,氣藏遭受到破壞,氣體散逸,地層水侵入,造成初始含水飽和度較高。對(duì)該區(qū)頁(yè)巖樣品抽真空飽和水后,分別進(jìn)行200psi和400psi離心力(在常規(guī)儲(chǔ)層中,認(rèn)為在該離心力下的含水飽和度為束縛水含水飽和度最大值)下含水飽和度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)400psi離心力下含水飽和度均大于75%,說明由于頁(yè)巖儲(chǔ)層非常致密,孔喉半徑較小,造成其束縛水含水飽和度較高,普遍認(rèn)為致密頁(yè)巖儲(chǔ)層束縛水含水飽和度最大值大于70%。第二類為含水飽和度低的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層(表2),如威201儲(chǔ)層、寧201儲(chǔ)層等,該類儲(chǔ)層構(gòu)造上位于盆地內(nèi)部穩(wěn)定區(qū),地理位置位于中國(guó)石油長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣開發(fā)示范區(qū)和富順—永川頁(yè)巖氣開發(fā)示范區(qū)(中國(guó)石油與殼牌合作區(qū)塊),儲(chǔ)層含氣量高,單井產(chǎn)量高,該類儲(chǔ)層存在明顯的超壓現(xiàn)象。美國(guó)富含氣頁(yè)巖盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層初始含水飽和度也存在較低的現(xiàn)象,Barnett盆地、Haynesville盆地、EagleFord盆地、Marcellus盆地和Fayetteville盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層初始含水飽和度分別為0.25~0.35、0.15~0.35、<0.20、0.12~0.35和0.25~0.501。作為物性相近的致密頁(yè)巖儲(chǔ)層,富含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層的初始含水飽和度如此之低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普遍認(rèn)為的致密頁(yè)巖儲(chǔ)層束縛水含水飽和度的最大值70%,所以,認(rèn)為富含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層存在超低含水飽和度現(xiàn)象。L.TarasBryndzia2通過對(duì)Haynesville盆地富含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層研究發(fā)現(xiàn),該盆地歷經(jīng)埋藏和生烴/排烴階段的脫水過程,形成了特別低的含水飽和度,形成了Sｗｉ<<Sｗｉｒｒ(最大束縛水含水飽和度)的現(xiàn)象。2超出標(biāo)度的原因2.1儲(chǔ)層典型土質(zhì)及料質(zhì)儲(chǔ)層的異常集體性特征初始含水飽和度(Sｗｉ)是儲(chǔ)油(氣)層原始狀態(tài)下的含水飽和度。束縛水飽和度是指存在儲(chǔ)層巖石顆粒表面、孔縫的角隅以及微毛細(xì)管孔道中的不流動(dòng)的水(即束縛水)所占孔隙體積與儲(chǔ)層總孔隙體積之比。超低含水飽和度是指儲(chǔ)層中初始含水飽和度(Sｗｉ)小于束縛水含水飽和度最大值(Sｗｉｒｒ),也就是與介質(zhì)毛管壓力相比處于欠水飽和度狀態(tài)(圖1)。一般認(rèn)為常規(guī)油氣儲(chǔ)層中不存在超低含水飽和度現(xiàn)象。在致密富含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層中超低含水飽和度現(xiàn)象卻普遍存在。2.2頁(yè)巖氣地質(zhì)特征天然氣大量生成及聚集成藏是頁(yè)巖氣藏超低含水飽和度形成的重要原因,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。四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)碳含量較高,達(dá)0.5%~2.4%,熱演化程度高,RＯ值為2.5%~4%,生烴強(qiáng)度大,具備頁(yè)巖氣大量生成的地質(zhì)條件,天然氣不斷生成并在氣藏內(nèi)聚集。資源評(píng)價(jià)表明,四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣資源豐度非常高,烴源巖的生烴強(qiáng)度與油氣資源豐度之差存在對(duì)數(shù)關(guān)系,兩者之間的關(guān)系暗示著該區(qū)有著較大的排烴量。同時(shí),該區(qū)域龍馬溪組頁(yè)巖的厚度為150~550m,沉積厚度大,不僅可以作為良好的儲(chǔ)集層,而且也可以作為有效蓋層,為超低含水飽和度的保持提供了有利條件。2.2.1不同地層水排液過程在頁(yè)巖成巖過程中,在壓實(shí)作用下疏松巖石孔隙不斷被壓實(shí),其中所包含的大量地層水被排出,同時(shí)孔隙體積在降低,成巖過程后期,由于生烴作用,在頁(yè)巖儲(chǔ)層中產(chǎn)生了大量有機(jī)質(zhì)孔隙,剩余水主要被集中到粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔隙中。不斷減少的地層水被集中到后期縮小的粒間孔中和有機(jī)質(zhì)孔隙中,易于被烴類流體向上覆地層中排驅(qū)。在頁(yè)巖大量生烴過程中,由于上覆巨厚泥頁(yè)巖蓋層封隔,大量生成的天然氣會(huì)聚集產(chǎn)生異常高壓。當(dāng)高壓值達(dá)到上覆蓋層的破裂壓力時(shí),產(chǎn)生大量微裂縫為天然氣及流體向外排替提供通道,排液過程結(jié)束后,氣藏內(nèi)部壓力值下降,裂縫趨于閉合,這一過程可以重復(fù)進(jìn)行,在高壓引起的反復(fù)“幕式排液”作用下,儲(chǔ)集層中的水越來越少［１２－１５］。烴源巖中有機(jī)質(zhì)生成的烴類分子最終要進(jìn)入孔隙,部分烴類分子必須克服孔隙中束縛水的阻擋,在這個(gè)過程中一些束縛水分子由于受到烴類分子的作用力,便會(huì)突破巖石的束縛變成自由水分子進(jìn)入孔隙中(圖2),最終在排液過程中排出儲(chǔ)集層,這是形成超低含水飽和度的一個(gè)主要原因。2.2.2水促進(jìn)含碳廢水排放的效果Seewald［１６］提出,成烴演化過程中無機(jī)的沉積組分參與了有機(jī)物的轉(zhuǎn)換,其中水是非常重要的,它促進(jìn)了這種反應(yīng)機(jī)制,為烴類及氧化產(chǎn)物(CO２)提供了氫和氧(圖3)［１７－１９］。王曉鋒等［２０］通過水在有機(jī)質(zhì)形成氣態(tài)烴演化中作用的熱模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水參與了生烴的化學(xué)反應(yīng),增加了CO２和H２的產(chǎn)率,同時(shí)在一定程度上增加了烴類的產(chǎn)率,特別在高演化階段明顯增加了甲烷的產(chǎn)率［２１］。隨著埋深的增加,成巖作用加強(qiáng),頁(yè)巖中蒙脫石逐漸轉(zhuǎn)化為間層礦物,最終向伊利石轉(zhuǎn)化,蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化,使巖石的結(jié)構(gòu)性變差,孔隙空間被壓縮,促進(jìn)了排水過程［２２］。另一方面蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化,誘發(fā)了長(zhǎng)石等礦物的溶蝕,形成了大量的次生孔隙,改善了巖石物性。石膏礦物的水化［２３］,可能也是超低含水飽和度存在的原因之一。2.2.3汽化攜帶液和總含水率飽和度在致密頁(yè)巖氣藏形成過程中,隨埋深加大,溫度壓力增高,氣體向上覆地層運(yùn)移過程中的攜液能力不斷增強(qiáng)。在101.3kPa條件下,干氣在100℃攜液能力為15.6℃攜液能力的38.5倍。天然氣生成量越來越大的同時(shí),水的生成越來越少,在高溫干燥天然氣汽化作用下,地層水呈氣相不斷地被攜帶到上覆地層,進(jìn)而在下伏儲(chǔ)層段形成超低含水飽和度。通過對(duì)中國(guó)石油示范區(qū)頁(yè)巖開展氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在室溫和圍壓3MPa下,用1MPa的N２分別驅(qū)30h和60h,繼而在70℃條件下用1MPa的N２驅(qū)30h和60h,基塊頁(yè)巖含水飽和度能夠下降到58%,裂縫頁(yè)巖含水飽和度能降低到40%(圖4),與示范區(qū)富含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層原始含水飽和度相當(dāng),表明汽化攜液能造成頁(yè)巖儲(chǔ)層超低含水飽和度現(xiàn)象。異常高壓作用下產(chǎn)生的裂縫,為“汽化物”運(yùn)移提供了良好通道,加快了汽化攜液行為,利于超低含水飽和度的形成［２４］。3低含水度對(duì)開發(fā)巖石氣的重要性3.1儲(chǔ)層蓋層設(shè)計(jì)頁(yè)巖氣藏超低含水飽和度形成之后,其保存主要受以下2個(gè)因素控制:1較大厚度的泥頁(yè)巖作為蓋層,具有良好的封隔能力,可有效阻止氣的散失及上覆水體進(jìn)入儲(chǔ)層;2氣藏內(nèi)具有較高壓力的天然氣的存在,對(duì)氣藏內(nèi)超低含水飽和度的保持起到相當(dāng)重要的作用［２５］。3.2儲(chǔ)層儲(chǔ)層巷道是否可以采儲(chǔ)層,也會(huì)在一定期(1)頁(yè)巖含氣量主要包括游離氣和吸附氣量,游離氣量與1—Sｗｉ呈正相關(guān)關(guān)系,吸附量與含水飽和度呈相反關(guān)系,所以頁(yè)巖儲(chǔ)層含水飽和度降低,游離氣量和吸附氣量都必然增加。在儲(chǔ)層孔隙度、滲透率條件和溫度壓力不變的情況下,頁(yè)巖儲(chǔ)層存在超低含水飽和度現(xiàn)象,儲(chǔ)層油氣現(xiàn)實(shí)儲(chǔ)量將大幅度增加,也將增加氣相滲透率(圖1),有利于頁(yè)巖氣的開采,增加了頁(yè)巖氣的可采儲(chǔ)量。(2)超低含水飽和度存在,將大大增加致密頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙的毛細(xì)管自吸力,在鉆井完井、增產(chǎn)改造等作業(yè)過程中,水基工作液接觸到巖石表面后,立即在毛細(xì)管力下自吸進(jìn)入氣層,導(dǎo)致近井帶或裂縫面附近致密氣層中含水飽和度增加,嚴(yán)重降低氣相滲透率,不利于頁(yè)巖氣的開發(fā)。(3)超低含水飽和度的存在,還會(huì)造成測(cè)井相應(yīng)表現(xiàn)為低阻,導(dǎo)致測(cè)井解釋含氣飽和度偏低,漏判或低估高產(chǎn)氣藏。(4)超低含水飽和度的存在,會(huì)導(dǎo)致入井流體侵入量和侵入速度增加,水相圈閉損害更加嚴(yán)重,侵入地層的液相更加難于返排和消除,進(jìn)而使吸水后的頁(yè)巖易發(fā)生水化膨脹,導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。4超低含水率飽和度的優(yōu)點(diǎn)(1)富含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層普遍存在超低含水飽和度現(xiàn)象,形成該現(xiàn)象的原因主要有3個(gè)