低滲儲(chǔ)層微觀特征對(duì)壓裂產(chǎn)能的影響分析

汪超，秦俊杰，李敬松 高杰，樊愛(ài)彬，寇雙燕

中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部研究院，天津 300450

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低滲儲(chǔ)層微觀特征對(duì)壓裂產(chǎn)能的影響分析

汪超，秦俊杰，李敬松 高杰，樊愛(ài)彬，寇雙燕

中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部研究院，天津 300450

通過(guò)A氣田已壓裂井儲(chǔ)層巖石學(xué)特征、孔滲物性特征、孔隙及喉道類型、孔隙結(jié)構(gòu)類型等儲(chǔ)層特征及壓汞和氣水相滲等資料，研究了儲(chǔ)層特征對(duì)壓裂效果的影響，明確了滲透率決定壓后產(chǎn)能、含水飽和度決定壓后產(chǎn)水的規(guī)律。低滲儲(chǔ)層滲透率主要受粒度、填隙物、微觀孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用等方面的影響。分析結(jié)果表明，當(dāng)儲(chǔ)層的含水飽和度接近相滲分析的束縛水飽和度時(shí)，壓后產(chǎn)大水的可能性不大；含氣飽和度接近相滲分析的殘余氣飽和度時(shí)，壓后以產(chǎn)水為主。為提高A氣田低滲氣藏壓裂效果，壓裂選層時(shí)應(yīng)重視滲透率、含水飽和度的求取。

低滲壓裂；氣藏；滲透率；含水飽和度

隨著我國(guó)海上油氣勘探的不斷深入，越來(lái)越多的海上低滲氣藏被發(fā)現(xiàn)，目前已上報(bào)三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)5000×108m3。壓裂技術(shù)是高效開(kāi)發(fā)低滲透油氣藏的主要手段之一，海上低滲氣藏壓裂具有投入大、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，因此壓裂產(chǎn)能是評(píng)價(jià)壓裂選層準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。近年來(lái)常用的壓裂產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法主要有數(shù)值模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和解析等方法，其中解析法最為快捷方便，能較好滿足生產(chǎn)時(shí)效性需求。地質(zhì)參數(shù)的選取是決定解析法產(chǎn)量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，開(kāi)展區(qū)域儲(chǔ)層微觀特征研究，明確影響產(chǎn)能預(yù)測(cè)的關(guān)鍵因素顯得尤其重要。筆者以海上低滲儲(chǔ)層物性與壓裂產(chǎn)量之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，分析儲(chǔ)層微觀特征參數(shù)對(duì)儲(chǔ)集物性的影響，嘗試為壓后產(chǎn)能預(yù)測(cè)提供一種思路方法。

1　儲(chǔ)層特征

圖1　儲(chǔ)集砂巖類型特征

1.1巖石學(xué)特征

A氣田低滲儲(chǔ)層巖性主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖，其次為巖屑長(zhǎng)石砂巖，石英砂巖和巖屑砂巖少量發(fā)育(見(jiàn)圖1)，砂巖成分成熟度指數(shù)均值1.91。主要結(jié)構(gòu)組分有：石英62%～67%，長(zhǎng)石14%～18%，巖屑17%～22%，雜基1%～12%，膠結(jié)物1%～30%。雜基以伊利石為主，高嶺石次之，綠泥石含量最低。膠結(jié)物主要為碳酸鹽及硅質(zhì)成分。砂巖碎屑顆粒粒度以中-細(xì)粒為主，呈次棱-次圓狀，顆粒間多以點(diǎn)-線、線-凹凸?fàn)罱佑|，膠結(jié)類型以壓嵌-接觸式為主，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

1.2孔滲物性特征

A氣田孔隙度分布范圍主要集中在5%～15%，占88.5%，大于15%僅占7.14%(見(jiàn)圖2(a))。滲透率分布范圍在0.013～261mD，其中小于1mD超低滲儲(chǔ)層占67.59%，1～10mD特低滲儲(chǔ)層占21.06%，大于10mD儲(chǔ)層占11.35%(見(jiàn)圖2(b))。

圖2　儲(chǔ)層孔隙度、滲透率分布特征

圖3　砂巖儲(chǔ)層孔隙度與滲透率關(guān)系

在A氣田儲(chǔ)層孔隙度與滲透率交會(huì)圖(見(jiàn)圖3)中，不同符號(hào)代表了不同區(qū)塊層系的樣點(diǎn)。受構(gòu)造位置影響，不同構(gòu)造的孔隙度與滲透率相關(guān)性差異明顯，而同一構(gòu)造孔滲相關(guān)性較好(R2=0.66～0.93)，且存在部分低孔高滲和高孔低滲儲(chǔ)層。對(duì)該地區(qū)砂巖儲(chǔ)層級(jí)別劃分的研究成果[1]也表明，該區(qū)氣層屬于低滲、致密氣層，個(gè)別區(qū)塊夾有中高滲儲(chǔ)層條帶。

1.3孔隙及喉道類型

A氣田低滲儲(chǔ)層粒間溶孔發(fā)育(見(jiàn)圖4(a))，偶見(jiàn)微裂縫。可變斷面的收縮部分為主要喉道類型，其次為片狀、彎片狀喉道，孔喉連通性差。孔隙直徑分布范圍在9.82～260.89μm，平均值為67.54μm；喉道寬度在0.95～36.12μm，平均值為12.74μm；平均孔喉比為6.17，孔喉組合類型以中孔中喉型為主(見(jiàn)圖4(b))。

圖4　孔隙及喉道類型

1.4孔隙結(jié)構(gòu)特征

毛細(xì)管壓力曲線的形態(tài)主要受喉道大小和孔隙喉道分選的控制，從毛細(xì)管壓力曲線形態(tài)上可以定性分析巖石的孔喉結(jié)構(gòu)變化特征[2，3]。依據(jù)排驅(qū)壓力、平均喉道半徑、孔隙分布峰位等參數(shù)，并結(jié)合壓汞曲線特征，將研究區(qū)毛細(xì)管壓力曲線分為4種類型(見(jiàn)表1，圖5)。從壓汞曲線形態(tài)來(lái)看，Ⅰ、Ⅱ型曲線代表的儲(chǔ)層粗孔喉較發(fā)育，分選較差，儲(chǔ)集性能較好；而Ⅲ、Ⅳ型曲線代表的儲(chǔ)層細(xì)孔喉較多，分選較好，儲(chǔ)集性能較差。排驅(qū)壓力及平均喉道半徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)以Ⅲ、Ⅱ型為主，Ⅳ、Ⅰ型為輔；其中Ⅲ、Ⅱ型分別約占40.3%和30.6%，說(shuō)明儲(chǔ)層砂巖整體致密，物性差，具備典型的致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征。

表1　4種孔隙結(jié)構(gòu)分類參數(shù)

2　儲(chǔ)集物性對(duì)壓裂產(chǎn)能的影響

研究區(qū)壓裂產(chǎn)能受氣層有效厚度、生產(chǎn)壓差和滲透率等多種因素影響。根據(jù)A氣田壓(裂)后天然氣產(chǎn)量、米采氣指數(shù)與滲透率關(guān)系(見(jiàn)圖6)分析，滲透率對(duì)米采氣指數(shù)影響較為明顯。從圖6中可知，壓裂層滲透率小于0.3mD，米采氣指數(shù)小于6m3/(d·m·MPa) ，壓后產(chǎn)量低于0.2×104m3/d；壓裂層滲透率介于0.3～1.0mD，米采氣指數(shù)不超過(guò)20m3/(d·m·MPa) ，壓后產(chǎn)量普遍不超過(guò)1.5×104m3/d；壓裂層滲透率大于1.0mD，壓后米采氣指數(shù)大于20m3/(d·m·MPa) ，產(chǎn)量普遍大于2.0×104m3/d。微裂縫發(fā)育的壓裂層段，壓后產(chǎn)量有更大幅度的提高。A氣田壓裂儲(chǔ)層深度均超過(guò)3000m，按照儲(chǔ)量計(jì)算的工業(yè)油氣流標(biāo)準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)壓后產(chǎn)量大于10×104m3/d，可采用水平井分段壓裂技術(shù)。根據(jù)各油氣田調(diào)研規(guī)律，水平井分段壓裂產(chǎn)能一般是直井壓裂產(chǎn)能的5～8倍。

圖6　滲透率與米采氣指數(shù)、壓裂產(chǎn)量關(guān)系圖

上述分析表明，壓后產(chǎn)能與儲(chǔ)層滲透率有重要的關(guān)系。

2.1粒度對(duì)儲(chǔ)集物性的影響

A氣田低滲儲(chǔ)層沉積以發(fā)育若干正粒序沉積組合為特征，單個(gè)正粒序沉積底部常見(jiàn)砂礫巖，向上為含礫粗砂巖、中細(xì)砂巖、含毫米級(jí)泥質(zhì)紋層的粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖到正常湖相沉積泥巖。通過(guò)研究區(qū)低滲儲(chǔ)層砂巖粒度中值、粒度分選系數(shù)與物性之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(見(jiàn)圖7、圖8)可以看出，粒度中值和粒度分選系數(shù)對(duì)儲(chǔ)層砂巖物性影響規(guī)律不明顯，物性較好的砂巖顆粒主要集中在2mm附近的含礫砂巖和0.125～0.5mm的中、細(xì)砂巖，而中、細(xì)砂巖也有儲(chǔ)集物性較差的儲(chǔ)層；砂巖的粒度分選系數(shù)存在2個(gè)分布值域，物性較好的砂巖粒度分選系數(shù)為1～2.3。

圖7　砂巖粒度與物性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2.2填隙物對(duì)儲(chǔ)集物性的影響

A氣田低滲儲(chǔ)層填隙物主要為泥質(zhì)雜基、碳酸鹽膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物和自生礦物。

1)泥質(zhì)雜基細(xì)小，常充填于砂巖顆粒孔隙之間，使顆粒間孔隙減小物性變差。研究區(qū)低滲儲(chǔ)層雜基含量整體偏低，泥質(zhì)呈薄膜狀、纖維狀，大部分已云母化，分布不均。

圖8　粒度分選系數(shù)與物性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2)碳酸鹽膠結(jié)是研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層最主要的膠結(jié)類型，常見(jiàn)成分為方解石，主要以粒間膠結(jié)、交代和次生孔隙內(nèi)充填形式出現(xiàn)。方解石膠結(jié)物呈連晶狀，說(shuō)明其形成溫度高、時(shí)間晚[4]，充填孔隙使儲(chǔ)層物性變差。

3)硅質(zhì)膠結(jié)物含量低，平均僅為0.9%，多以石英次生加大邊的形式存在。研究表明，石英的次生加大在一定程度上充填了孔隙，對(duì)儲(chǔ)層物性起破壞性作用，但硅質(zhì)較強(qiáng)的剛性提高了儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力，在一定程度上對(duì)粒間孔起到了保護(hù)作用[5，6]。

4)自生黏土礦物主要為伊利石和高嶺石。伊利石多見(jiàn)于卷曲片狀和毛發(fā)狀，生長(zhǎng)在粒間孔壁之上，使粒間孔隙減小，降低了儲(chǔ)層的滲流能力。自生高嶺石多以孔隙充填形式存在，部分高嶺石晶體充填于粒間孔，還有一些高嶺石充填于喉道，使砂巖儲(chǔ)集性能變差。

從填隙物相對(duì)百分含量與儲(chǔ)層物性關(guān)系來(lái)看，砂巖儲(chǔ)層物性隨填隙物相對(duì)百分含量的減少而明顯變好。這說(shuō)明填隙物含量越大，孔隙吼道堵塞和充填的程度越嚴(yán)重，導(dǎo)致儲(chǔ)層物性明顯變差。

2.3微觀孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)集物性的影響

從圖9可以看出，儲(chǔ)層孔喉中值半徑與物性呈正相關(guān)，即儲(chǔ)層物性隨著孔喉中值半徑的變好而增大，且與滲透率的相關(guān)性相對(duì)更好。當(dāng)孔喉中值半徑大于1.5μm時(shí)，樣品滲透率增大幅度隨孔喉中值半徑增加而減弱，說(shuō)明當(dāng)砂巖儲(chǔ)層滲透率值較小時(shí)，孔喉中值半徑對(duì)物性的影響更明顯。研究區(qū)低滲儲(chǔ)層排驅(qū)壓力與孔隙度、滲透率都呈較好的負(fù)相關(guān)性，當(dāng)滲透率小于1mD時(shí)，排驅(qū)壓力顯著增加，說(shuō)明此時(shí)喉道寬度減小較快，汞的注入較困難。物性隨喉道分選系數(shù)增加呈現(xiàn)變好的趨勢(shì)，說(shuō)明滲透率的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于大喉道，小喉道所占比例較大，但對(duì)滲流能力的貢獻(xiàn)較小。過(guò)高的孔喉分選系數(shù)將導(dǎo)致喉道非均質(zhì)性變強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)變差，不利于儲(chǔ)層的物性[7～9]，研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與物性關(guān)系圖也證明了該特征。

圖9　儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與物性關(guān)系圖

2.4成巖作用對(duì)儲(chǔ)集物性的影響

圖10　壓實(shí)作用對(duì)物性的影響

機(jī)械壓實(shí)作用也是造成儲(chǔ)層物性變差的重要原因之一。壓實(shí)作用改變顆粒間的接觸關(guān)系，使儲(chǔ)層的原生粒間孔體積減小，孔隙連通性變差。一般情況下，壓實(shí)作用隨著地層深度的增加而增強(qiáng)，儲(chǔ)層的物性呈現(xiàn)整體變差的趨勢(shì)；同時(shí)，隨著埋深增加、地溫梯度增大，造成壓溶、溶解作用的增強(qiáng)，形成次生孔隙。研究區(qū)低滲儲(chǔ)層在3730～3870m、4050～4350m存在2個(gè)次生孔隙發(fā)育帶，其孔隙度、滲透率值明顯提高(見(jiàn)圖10)。

3　壓后產(chǎn)水分析

A氣田儲(chǔ)層巖心氣水相對(duì)滲透率試驗(yàn)表明，儲(chǔ)層束縛水飽和度較高，為27.52%～70.33%，平均值50.42%。等滲點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含水飽和度值為72.3%～84.29%，殘余氣飽和度為10.94%～54.85%，平均值32.59%，說(shuō)明儲(chǔ)層巖石親水性較強(qiáng)，氣體的滲流能力相對(duì)較弱。儲(chǔ)層束縛水狀態(tài)下氣相相對(duì)滲透率為0.138～0.96，與巖心空氣滲透率有一定關(guān)系：氣相相對(duì)滲透率隨巖心空氣滲透率的增加而增大；當(dāng)巖心空氣滲透率值較小(小于1mD)時(shí)，氣相相對(duì)滲透率增加幅度更為明顯。

通過(guò)分析不同物性巖樣氣水相對(duì)滲透率曲線(見(jiàn)圖11)，發(fā)現(xiàn)氣水兩相滲流區(qū)范圍隨巖樣物性增加而變寬，在達(dá)到氣、水兩相等滲點(diǎn)之前，隨含水飽和度增加，氣相相對(duì)滲透率急劇降低，水相相對(duì)滲透率增加緩慢。在超過(guò)氣、水兩相共滲點(diǎn)之后，氣相相對(duì)滲透率下降趨勢(shì)變緩，而水相相對(duì)滲透率增加速率加快。

圖11　不同物性的氣水相滲曲線　　　　　　　　　　圖12　束縛水飽和度與孔隙度、滲透率關(guān)系圖

圖13　A氣田低滲氣層產(chǎn)水分析

從研究區(qū)儲(chǔ)層已有巖樣氣水相滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，儲(chǔ)層束縛水、殘余氣飽和度與滲透率的相關(guān)性好于與孔隙度的相關(guān)性(見(jiàn)圖12)，不同滲透率的儲(chǔ)層其束縛水飽和度、殘余氣飽和度值差異較明顯。在準(zhǔn)確計(jì)算儲(chǔ)層滲透率、含水飽和度的情況下，依據(jù)相滲分析滲透率與束縛水、殘余氣飽和度(見(jiàn)圖13)關(guān)系劃分的純氣層區(qū)、氣水同層區(qū)和水層區(qū)，可判斷儲(chǔ)層是否含有游離水。將研究區(qū)已壓裂層參數(shù)投入

圖版，發(fā)現(xiàn)氣水同層、水層和氣層的預(yù)判符合測(cè)試成果，證實(shí)圖版在判斷儲(chǔ)層壓后是否大產(chǎn)水具有較高的準(zhǔn)確率。當(dāng)儲(chǔ)層的含水飽和度低于相滲分析的束縛水飽和度，壓后產(chǎn)大水的可能性不大，氣水比一般小于1.0m3/104m3；當(dāng)含水飽和度遠(yuǎn)大于相滲分析的束縛水飽和度，壓后產(chǎn)水量較大，氣水比大于5.0m3/104m3，甚至可達(dá)160.1m3/104m3；當(dāng)含氣飽和度接近相滲分析的殘余氣飽和度，則以水層為主。測(cè)試結(jié)果表明該地區(qū)低滲氣層壓后產(chǎn)水較高，氣水比大于20m3/104m3占測(cè)試層數(shù)的54.55%。

4　結(jié)論

1)A氣田低滲氣藏主要巖性為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖，孔隙度以低孔、特低孔為主(占88.5%)，滲透率以低滲、特低滲為主(占76.62%)，物性較好的儲(chǔ)層發(fā)育于中、細(xì)砂巖及部分含礫粗砂巖。主要的孔隙類型為粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔，孔喉組合類型以中孔中喉為主，微觀孔隙結(jié)構(gòu)可分為4種類型，其中Ⅲ、Ⅱ型分別占40.3%和30.6%，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層物性較差，需要進(jìn)行壓裂改造增加產(chǎn)能。

2)儲(chǔ)層埋深、砂巖粒度、填隙物成分和含量、孔喉中值半徑、喉道分選系數(shù)、排驅(qū)壓力對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層滲透率值影響較明顯，在壓裂選層過(guò)程中應(yīng)予以考慮。儲(chǔ)層滲流特征是物性的外在表現(xiàn)形式，滲透率與束縛水飽和度、殘余氣飽和度關(guān)系圖版可用于判斷壓裂層是否會(huì)高產(chǎn)水。

3)根據(jù)A氣田低滲氣藏目前直井壓裂產(chǎn)能與儲(chǔ)層物性的關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)壓后產(chǎn)量大于10×104m3/d，建議采用水平井分段壓裂技術(shù)大幅提高單井產(chǎn)能，相應(yīng)的儲(chǔ)層滲透率下限為1mD。

[1]劉金水，唐健程.西湖凹陷低滲儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)與滲流特征及其地質(zhì)意義——以HY構(gòu)造花港組為例[J].中國(guó)海上油氣，2013，25(2)：18～23.

[2] 王瑞飛.特低滲透砂巖油藏儲(chǔ)層微觀特征[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

[3] 劉樹鞏，劉海波，劉海涅，等.海上油氣田油藏流體高壓物性參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣，2011，23(2)：104～106.

[4]胡明毅，沈嬌，胡蝶.西湖凹陷平湖構(gòu)造帶平湖組砂巖儲(chǔ)層特征及其主控因素[J].石油與天然氣地質(zhì)，2013，34(2)：185～191.

[5] 王瑞飛，陳強(qiáng)明，孫為.鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組超低滲透砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征研究[J].地質(zhì)評(píng)論，2008，54(2)：270～276.

[6] 徐國(guó)盛，趙莉莉，徐發(fā)，等.西湖凹陷某構(gòu)造花港組致密砂巖儲(chǔ)層的滲流特征[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，39(2)：113～121.

[7] 張琰，崔迎春.低滲氣藏主要損害機(jī)理及保護(hù)方法的研究[J].地質(zhì)與勘探，2000，36(5)：76～78.

[8] 張武，徐發(fā)，徐國(guó)盛，等.西湖凹陷某構(gòu)造花港組致密砂巖儲(chǔ)層成巖作用與孔隙演化[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，39(2)：122～129.

[9] 蔡全升，胡明毅，胡忠貴，等.東海盆地西湖凹陷中央隆起帶古近系花港組儲(chǔ)層特征及成巖孔隙演化[J].天然氣地球科學(xué)，2013，24(4)：733～740.

[編輯]辛長(zhǎng)靜

2016-04-19

汪超(1987-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)油藏方面的研究工作；E-mail：wangchao69@cosl.com.cn。

TE537.12

A

1673-1409(2016)19-0014-07

[引著格式]汪超，秦俊杰，李敬松，等.低滲儲(chǔ)層微觀特征對(duì)壓裂產(chǎn)能的影響分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(19)：14～20.