瑪湖1井區致密砂礫巖儲層物性特征及其對流體可動性的影響

劉 賽,吳建邦,周 偉,楊勝來,甘博文,趙 帥,趙彬彬

(1.新疆油田公司 實驗檢測研究院/新疆維吾爾族自治區礫巖油氣藏重點實驗室,新疆 克拉瑪依 834000;2.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室/石油工程教育部重點實驗室,北京 102249)

引 言

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地中央坳陷西北部,是目前世界上儲量最大的礫巖油田,開發前景巨大[1-2]?，敽?井區塊百口泉組、烏爾禾組儲層是瑪湖油田非常規致密油藏開發的主力層位,是近年來儲量增長和產量接替的關鍵性油藏層位。與常規砂巖油藏不同,礫巖油藏孔隙結構復雜、非均質性較強,使得礫巖油藏表現出特殊的滲流規律,加大了礫巖油藏的開發難度[3-4]。因此,系統評價瑪湖致密礫巖儲層物性和流體流動性特征對油田后續優化油氣開發方案、提高油氣采收率尤為重要。

物性和孔隙結構是衡量沉積巖儲層質量的重要特征,國內外學者對砂巖儲層的物性研究較多[5-7],但與砂巖油藏相比,致密礫巖儲層的微觀孔隙結構呈現復模態特征,孔喉分布不均勻,特殊的孔隙結構導致流體流動規律更加復雜,需要進行系統研究。目前,儲層微觀孔隙結構特征的主流方法主要包括鑄體薄片、掃描電鏡、壓汞法、核磁共振等[8-11]。其中,鑄體薄片、掃描電鏡可以直觀觀察巖心局部孔隙形態,判別內部孔隙類型、礦物組成,但對于孔隙及喉道往往不能給出準確的尺寸范圍。而壓汞法、核磁共振屬于研究微觀孔隙結構特征的定量轉換方法,可以定量表達巖心內部不同半徑的孔隙、喉道分布規律。只有綜合使用多種檢測方法,并建立不同檢測方法之間的轉換方法,才能對儲層的物性特征取得較為全面可靠的認識。

油氣儲層流體可動性是評價低滲透油藏儲量動用難易程度的重要參數。實驗室常使用離心實驗與核磁共振技術結合的方法進行流體可動性研究。研究發現,致密砂巖儲層流體可動性受宏觀地質因素與儲層微觀孔隙結構共同作用。前人在致密砂巖油藏孔隙結構及流體可動性方面已經取得大量成果[12-15],但缺少對瑪湖砂礫巖儲層的流體可動性研究,綜合研究砂礫巖物性、孔隙結構參數特別是礫石存在對流體可動性影響的研究較少。

本文以瑪湖1井區塊百口泉、上烏爾禾組和下烏爾禾組巖心物性資料為基礎,采用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、核磁共振等方法,系統評價3個層位致密砂礫巖物性和孔隙結構特征,并分析其對流體可動性的影響規律,以期為瑪湖致密砂礫巖油藏勘探與開發提供較為準確的數據支撐。

1 地質概況

瑪湖1井區位于瑪湖凹陷南斜坡區,地層傾向東南,整體為一大型單斜構造,是準噶爾盆地重要的生烴區之一?，斈闲逼聟^地層縱向發育較全,由下往上主要發育二疊系和三疊系主力油層,本文的研究層位為二疊系烏爾禾組與三疊系百口泉組。

二疊系烏爾禾組處于克百斷裂帶與中拐凸起之間,存在中拐扇和白堿灘扇兩大物源體系[4]。儲層包括上烏爾禾組(P3w)和下烏爾禾組 (P2w),上烏爾禾組發育一套扇三角洲沉積體系,分布較為穩定,為該區的主力油層位[5-6]。

三疊系百口泉組與二疊系烏爾禾組呈不整合接觸的沉積環境與烏爾禾組類似,為一套扇三角洲沉積體系[7]。儲層共分3段,自下而上分別為百一段(T1b1)、百二段(T1b2)、百三段(T1b3)。百口泉組厚度70～150 m。百口泉組儲層砂體和油層也主要分布在百口泉組二段。

2 儲層特征

2.1 儲層物性

儲層物性特征包括孔隙度、滲透率和含油性特征,是反映儲層儲油能力和供油能力的重要參數。為了表征儲層孔滲物性參數,對研究區216塊巖心進行滲透率、孔隙度和含油性統計,結果如下:

如圖1(a)所示,儲層孔隙度為2%～15%,平均8.31%,中值8.43%;滲透率為(0.005～40.100)×10-3μm2,均值3.460×10-3μm2,中值1.210×10-3μm2;滲透率<1×10-3μm2的巖心占總數的近80%,一半以上的巖心孔隙度小于10%,按照儲層分類標準,整體屬于低孔低滲-致密儲層。

圖1 瑪湖1井區致密礫巖孔滲及含油性分布

分層位來看,如圖1(b)上烏爾禾組樣品的孔隙度均大于4%,均值7.4%,滲透率均大于0.04 ×10-3μm2,均值4.92×10-3μm2;百口泉組巖心平均孔隙度為9.63%,平均滲透率為3.10×10-3μm2,孔滲數據在各區間內均有分布;下烏爾禾組巖心孔隙度均小于14%,均值6.83%,滲透率均小于10.24×10-3μm2,均值1.07×10-3μm2?？梢钥闯?下烏爾禾組儲層質量較差,上烏爾禾組樣品滲透率較好,而百口泉組樣品孔隙含量高。

含油性方面,如圖1(c)所示,儲層的油斑及油浸樣品中90%以上來自于上烏爾禾組,百口泉組和下烏爾禾組樣品的含油性主要為熒光,少量為油跡?？梢钥闯?上烏爾禾組為研究區主力供油層位。

2.2 巖石學特征

根據該區塊巖石薄片統計,儲層巖性主要為灰色砂礫巖、礫巖、含礫粗砂巖、細砂巖。礫石成分以凝灰巖(體積分數30.56%)、花崗巖(體積分數21.0%)為主,石英(3.06%)、安山巖(1.63%)、泥質粉砂巖(1.25%)、霏細巖(1.19%)次之,還有少量粉砂巖、石英巖、泥巖等;砂質成分以凝灰巖(體積分數11.5%)、石英(7.56%)、花崗巖(5.88%)、長石(2.69%)為主,還含有少量的安山巖、霏細巖、硅質巖等。填隙物中雜基以泥質為主(7.69%)。膠結物主要為方解石(2.19%),黏土礦物類型以伊蒙混層、伊利石為主,含高嶺石與綠泥石,具有潛在的強水敏性。顆粒接觸方式以點-線接觸和線接觸為主,膠結中等—致密,膠結類型為壓嵌式和孔隙-壓嵌式,成分成熟度和結構成熟度均較低。

3 微觀孔隙結構表征

3.1 孔隙類型

采用鑄體薄片和掃描電鏡對瑪湖1井區塊儲層孔隙結構特征進行定性分析,從圖2可以發現孔隙類型主要以粒內溶孔、原生粒間孔為主,其次為剩余粒間孔,含溶孔-微裂縫及礫緣縫。根據熒光薄片分析資料,儲層中的油氣主要賦存于粒內溶孔、粒間孔、微裂縫中。

圖2 致密礫巖巖心鏡下特征

3.2 孔隙結構特征

使用高壓壓汞法對烏爾禾組與百口泉組的典型巖樣進行壓汞實驗分析,樣品毛管壓力曲線如圖3所示?？梢钥吹?塊巖樣的毛管壓力曲線均不存在中間平緩段,隨著注入壓力的升高,汞飽和度不斷上升,這表明礫巖儲層具有復雜的孔隙結構,孔喉分選性較差。根據壓汞曲線的參數特征,將樣品分為3類,上烏爾禾組樣品屬于Ⅰ類,樣品為S-1(Φ=12.4%,K=8.80×10-3μm2),百口泉組樣品屬于Ⅱ類,樣品為B-1(Φ=5.90%,K=2.60×10-3μm2),下烏爾禾組樣品屬于Ⅲ類,樣品為X-1(Φ=8.26%,K=0.653×10-3μm2)。

圖3 毛管壓力曲線及孔隙分布

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類曲線平均排驅壓力分別為0.26、0.27和13.78 MPa。Ⅰ類、Ⅱ類曲線排驅壓力較低,表明該類儲層孔喉半徑較大,儲層物性好,Ⅰ類、Ⅱ類最大進汞飽和度大于94%,Ⅲ類退汞效率低,原因為該類巖心大孔隙分布少、小喉道占比大。Ⅰ類樣品捕集滯后現象較為明顯,可能原因是該類巖心主要以大孔隙小喉道為主,大孔隙中的滯留汞由小孔喉的屏蔽效應所造成。高壓壓汞測試孔喉半徑范圍為0.003～10.000 μm,對表征致密礫巖儲層微觀孔喉發育情況具有明顯優勢,能夠精確評價儲層巖心中不同孔喉半徑占比。表1和圖3(b)顯示不同儲層樣品的孔喉分布特征,上烏爾禾組、百口泉組、下烏爾禾組樣品的平均孔喉半徑依次降低,分別為0.562、0.332、0.012 μm,反映孔喉空間依次變得致密。樣品X-1均值系數最大,孔喉分布峰位僅為0.006 μm,說明下烏爾禾組儲層集中分布著納米級孔喉;上烏爾禾組和百口泉組儲層孔喉分布范圍較廣,呈雙峰分布,峰位較大,S-1樣品的微米級(1 μm)峰占優勢,B-1樣品的亞微米級(0.01～0.10 μm)峰占優勢。圖4(b)為3塊巖樣的孔喉半徑分布曲線與滲透率貢獻率分布曲線。滲透率貢獻率曲線表明,大孔喉雖然所占比例小,但對滲透率貢獻起決定作用,大孔喉占比越大,樣品滲透率越大、儲層品質越好, 滲流能力越強。對于滲透率大于0.1×10-3μm2的砂礫巖,亞微米孔、微米孔對巖心滲流能力起決定性作用,對于小于0.1×10-3μm2的致密砂礫巖,其納米孔和亞微米孔控制著巖心滲透性能;滲透率越低,小孔喉體積比例越大。雖然小孔喉對滲透率貢獻率較小,但主要控制著儲層的儲集能力。

表1 不同儲層樣品的物性及壓汞孔喉特征參數

圖4 壓汞-核磁轉換結果及核磁孔徑分布

3.3 壓汞-核磁孔喉半徑轉換

使用SPEC-核磁共振巖心分析儀進行巖樣核磁共振T2譜測定,同時結合高壓壓汞實驗測試得到的巖心孔喉半徑分布曲線,可以建立瑪湖1井區巖心的高壓壓汞-核磁共振孔喉半徑轉換模型[11],進而計算核磁共振實驗得到的孔喉特征。對于采用球棍模型表征的微觀孔隙,在核磁共振實驗中,孔喉半徑r與T2馳豫譜的關系可以表示為

r=CT21/n。

(1)

式中:r為孔喉半徑,μm;T2為核磁馳豫譜,ms;C為孔喉半徑與核磁T2譜的轉換系數,無量綱;n為冪,無量綱。

求得式(1)中的C和n值,即能將巖心飽和流體的T2譜分布轉換為該巖心的孔喉半徑分布曲線。本研究利用Matlab軟件進行參數C和n的擬合求解,擬合過程選用3次樣條插值(spline插值),據此求得不同孔隙累積分布頻率Si所對應的壓汞孔喉半徑和核磁T2幅度數值。最終得到百口泉組巖心C和n值分別為0.012 11和0.917 40,截斷誤差0.994 6,上烏爾禾組巖心C和n值分別為0.010 45和1.285 00,截斷誤差0.999 5,下烏爾禾組巖心C和n值分別為0.008 642和1.497 900,截斷誤差0.997 5,如圖4(a)所示,模型擬合程度較高,與文獻數據相吻合[11-13]。

從圖4(b)可以看出轉換后的核磁共振孔喉分布,其分布規律與壓汞測試結果相似。上烏爾禾組S-1樣品和百口泉組B-1樣品呈雙峰分布,右峰為大孔峰,峰位為1 μm,左峰為小孔峰,峰位為0.02 μm,不同的是,S-1的右峰高于左峰,B-1的左峰高于右峰,說明上烏爾禾組樣品大孔含量較高。下烏爾禾組X-1巖心以峰位為0.008 μm的小孔單峰為主,在0.08 μm處出現少量信號,說明下烏爾禾組樣品以納米級孔隙為主,物性較為致密。

4 流體可動性特征

4.1 可動流體實驗

在常規的儲層評價指標中,常使用孔隙度和滲透率來評價儲層的物性。但是低滲透儲層的孔隙細小,連通性差,其束縛流體含量往往很大?？蓜恿黧w飽和度可以反映整個孔隙空間內可動流體量及孔隙表面和流體之間的作用,是表征低滲儲層孔隙結構影響流體滲流能力的重要參數之一[8-10]。

選取代表性巖心進行最佳離心力選取實驗。選取以3 000 r/min為初始轉速,離心1 h后進行核磁共振測試T2譜曲線;之后每次以500 r/min為間隔增加轉速,重復上述過程;當ni+1次離心后T2譜總幅度相對上一次減少量小于3%時,即認為ni次轉速為最佳離心轉速。依據上述實驗標準,最終確定4 500 r/min為最佳離心力,離心時間為3 h,離心前后測試核磁共振T2譜。

根據離心前后的弛豫時間曲線可計算得出可動流體截止值,計算方法為:1)分別從小孔到大孔繪制巖心飽和和滲吸后的累計孔徑分布曲線;2)由離心后累計曲線的最高點做平行線與飽和累計曲線相交于一點;3)由焦點做垂線交橫坐標于一點,該點讀數即為T2表示的可動流體截止值。再利用式(1)的巖心核磁共振孔隙半徑C、n值換算模型,得到對應的可動孔隙半徑下限,并計算得到相應的可動流體飽和度等參數。從圖5可以看出,對于同類巖心,可動孔隙半徑下限越大,可動用的流體越少,可動流體飽和度越低。計算結果見表2。

表2 瑪湖巖心可動孔隙半徑實驗結果

圖5 6塊典型樣品可動流體飽和度與可動流體半徑下限

從表2可以看出,6塊巖樣的可動孔隙半徑下限在0.051～0.091 μm,平均值0.069 μm,可動孔隙截止值較小,分布范圍較窄,這可能與巖心較小的平均孔徑分布與較高的黏土含量有關。其中,百口泉組儲層巖心可動孔隙半徑較小,均在0.07 μm以下。實驗巖心可動流體飽和度分布在23.53%～36.14%,平均31.04%。繪制巖心可動孔隙半徑與可動流體飽和度交會圖,如圖7(a),可以發現巖心可動孔隙半徑與可動流體飽和度之間相關性并不明顯,這表明瑪湖礫巖儲層非均質性較強。

4.2 孔滲和礫石的影響

從6塊巖樣核磁共振可動孔隙半徑下限、可動流體飽和度與孔隙度、滲透率的相關關系(圖6)可以看出,去除礫巖X2奇異點的數據,樣品滲透率與可動流體飽和度呈正相關關系,與可動孔隙半徑下限呈負相關關系,樣品滲透率越高,可動孔隙半徑下限越小,孔隙流動性越好,可動流體飽和度越高?？紫抖扰c可動流體參數的相關性與滲透率相反,與可動流體飽和度呈負相關關系,與可動孔隙半徑下限呈正相關關系,孔隙度越大的樣品往往有著較大的可動孔隙半徑下限,表明在致密砂礫巖中可能存在著一定數量的墨水瓶孔,即部分大孔的流體由于較小的孔喉而被堵塞成為不可動流體,導致整體的可動流體飽和度較低。

圖6 孔滲和礫石對流體可動性的影響

奇異點X2為下烏爾禾組的礫巖樣品,礫石含量較高,礫石間由泥質充填。該巖心有著較低的孔隙度、滲透率卻具有較高的可動流體含量與較低的可動流體半徑下限,可能與其礫石的存在導致的微裂縫有關。如圖6(c)所示,泥質本身膠結致密,但在高速流體流動下膨脹分散,失去膠結的礫石張開形成微裂縫,微裂縫能夠溝通其他孔隙,增強流體可動能力。

4.3 孔隙結構的影響

孔喉結構特征對致密儲層的可動流體含量具有重要的控制作用。圖7(b)—(e)分別是最大半徑、平均半徑、均質系數及巖性系數與可動流體飽和度的關系?？蓜恿黧w飽和度與最大孔喉半徑和平均孔喉半徑呈正相關,表明平均孔喉半徑是衡量儲層質量的有效物理參數,也表明大孔喉的分布對致密砂礫巖儲層的流體可動性具有重要的控制作用。

圖7 孔隙結構和黏土礦物與流體可動性的關系

致密砂礫巖儲層可動流體飽和度與均質系數呈負相關關系,原因是均質系數越大,孔喉分布越均勻,但對于致密砂礫巖儲層,孔喉分布均勻的樣品更多的是不發育大孔喉的致密樣品,細小孔喉占主要地位,導致可動流體飽和度較小,雙峰型孔隙分布的樣品的均質系數較小,其充足發育的大孔喉可以增強流體可動性。巖性系數與可動流體飽和度呈正相關關系,因為巖性系數越大,反映巖心內部喉道迂曲程度越小,流體可動性越強,說明流體可動性不僅與孔喉大小有關,還與孔喉系統的復雜程度有重要關系。

4.4 黏土礦物的影響

致密砂礫巖樣品的基質中有大量的黏土礦物,黏土礦物的含量及產狀對流體可動性和生產效果影響很大[16]。從水敏、速敏兩個角度選取3種代表性黏土礦物進行分析:伊蒙混層和伊利石是水敏礦物,遇水后發生膨脹,使孔隙、喉道變得更加狹窄,增加了流體滲流阻力。實驗表明,伊蒙混層和伊利石的相對含量與可動流體飽和度有良好的負相關關系(R2>70%),說明水敏性黏土礦物含量直接影響儲層流體可動性,儲層水敏是影響瑪湖致密砂礫巖儲層生產能力的重要問題;高嶺石是速敏礦物,顆粒在高速流體的沖擊下發生脫落、運移,最終堵塞孔道,增加滲流阻力。高嶺石相對含量與可動流體飽和度呈負相關,但相關程度并不高,高嶺石含量高的巖心巖性系數也低,由此說明瑪湖區塊儲層中高嶺石含量對儲層可動流體量影響不大,速敏礦物對流體可動性的影響更多存在于孔隙迂曲程度高的樣品中,礦物在復雜的孔隙系統中運移而堵塞孔道,降低流體可動性。

5 結論與認識

(1)瑪湖1井區致密砂礫巖儲層巖性主要為砂礫巖、礫巖為主,礫石主要為凝灰巖、花崗巖,填隙物主要為泥質,膠結中等—致密,屬于低孔低滲-致密儲層。百口泉組儲層孔隙含量高,上烏爾禾組儲層滲透性及含油性好,下烏爾禾組儲層質量較差。

(2)儲層孔隙類型主要以粒內溶孔、原生粒間孔為主。按照壓汞實驗結果分為3類儲層:上烏爾禾組為Ⅰ類,百口泉組為Ⅱ類,下烏爾禾組為Ⅲ類。建立了針對這3類儲層的壓汞-核磁轉換模型,適用性良好。

(3)瑪湖1井區致密砂礫巖儲層巖心可動孔隙半徑下限的平均值為0.069 μm,可動流體飽和度平均為31.04%。流體可動性差的樣品有低滲高孔的特點,反映樣品內存在一定墨水瓶孔,阻礙流體流動。弱膠結的礫石會在高速流體流動下張開形成礫緣縫,增加流體可動性。

(4)平均孔喉半徑是衡量致密砂礫巖儲層質量的有效參數,大孔喉分布對流體可動性有重要影響,流體可動性差的樣品有孔喉分布均質性強和迂曲程度高的特點,水敏性礦物對流體可動性有重要損害作用。