鄂爾多斯盆地東部上古生界石盒組8段致密砂巖氣藏超低含水飽和度形成機(jī)理

鄂爾多斯盆地東部上古生界石盒組8段致密砂巖氣藏超低含水飽和度形成機(jī)理

鄂爾多斯盆地東部上古生代界限石盒子組的8個(gè)段和太原組是該組天然氣勘探的主要目的層，其滲透率一般小于1md。儲(chǔ)層孔和喉的特征是平均、小孔、細(xì)和微孔的組合。這是一個(gè)致密的砂巖儲(chǔ)層，具有低孔隙和低滲透性。單井產(chǎn)量低，阻礙了該地區(qū)大規(guī)模儲(chǔ)量的開發(fā)和氣田的有效開發(fā)。研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)盒8段、太原組致密砂巖氣藏普遍存在超低含水飽和度現(xiàn)象(指儲(chǔ)層原始含水飽和度低于束縛水飽和度的狀態(tài)［７］)。氣藏存在低含水飽和度現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致在鉆井、壓裂等各種作業(yè)過程中工作液、濾液侵入量和侵入速度增加,水鎖傷害加重。因此深化對(duì)超低含水飽和度氣藏的成藏機(jī)理研究,對(duì)制訂合理的儲(chǔ)層保護(hù)和壓裂改造的工藝措施、提高相同儲(chǔ)層物性條件的儲(chǔ)層氣相滲透率、提高單井產(chǎn)量和促進(jìn)該地區(qū)天然氣規(guī)模儲(chǔ)量的提交有著重要意義。1致密砂巖氣藏的低水分飽和度1.1原始不斷出現(xiàn)的健全性能指標(biāo)儲(chǔ)層原始含水飽和度由密閉取心井確定。通過統(tǒng)計(jì)、分析盆地東部3口密閉取心井盒8段、太原組的138個(gè)原始含水飽和度數(shù)據(jù),結(jié)果表明,盒8段、太原組的原始含水飽和度主要分布在40%以下,累計(jì)頻率可達(dá)83.1%,平均含水飽和度為26.7%(圖1),具有較低的原始含水飽和度特征。1.2流體氫核測(cè)量基本原理應(yīng)用氣水相滲和核磁共振2種實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法測(cè)試束縛水飽和度。氣水相對(duì)滲透率曲線在水相滲透率為0處對(duì)應(yīng)的含水飽和度即為束縛水飽和度,圖2為Sh16井太原組砂巖儲(chǔ)層的氣水相對(duì)滲透率曲線,可以確定該砂巖儲(chǔ)層的束縛水飽和度為29.73%。核磁共振可動(dòng)流體實(shí)驗(yàn)原理是通過對(duì)儲(chǔ)層孔隙流體中氫核信號(hào)的觀測(cè),可以直接測(cè)量巖石中流體特性,并能獲得儲(chǔ)層有效孔隙度、自由流體和束縛流體體積、孔隙結(jié)構(gòu)等地質(zhì)信息［８－１２］。巖心樣品飽和流體后置于均勻分布的靜磁場(chǎng)中,流體中的氫核(１H)會(huì)被磁場(chǎng)極化,產(chǎn)生磁化矢量,此時(shí)對(duì)樣品施加一定頻率的射頻場(chǎng),就會(huì)產(chǎn)生核磁共振;撤掉射頻場(chǎng)就會(huì)接收到氫核在孔隙中做弛豫運(yùn)動(dòng)幅度隨時(shí)間以指數(shù)函數(shù)衰減的信號(hào)。核磁共振信號(hào)衰減的快慢采用橫向弛豫時(shí)間T２來描述,飽和流體的巖樣進(jìn)行核磁共振T２測(cè)試時(shí),T２弛豫時(shí)間的大小取決于流體分子受孔隙固體表面作用力的強(qiáng)弱,因此利用核磁共振T２譜可對(duì)巖樣孔隙內(nèi)流體的賦存狀態(tài)進(jìn)行分析,能夠定量測(cè)試出可動(dòng)流體飽和度及束縛流體飽和度。圖3為Sh16井太原組砂巖儲(chǔ)層核磁共振實(shí)驗(yàn)的T２弛豫時(shí)間譜圖,可以確定,該砂巖儲(chǔ)層的束縛水飽和度為28.33%。1.3束縛水飽和度對(duì)比選取鄂爾多斯盆地東部的Sh16、Sh60井和M41井盒8段、太原組的10塊密閉取心樣品,開展氣水相滲、核磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)試,將密閉取心所測(cè)試的儲(chǔ)層原始含水飽和度與采用氣水相滲、核磁共振實(shí)驗(yàn)所確定的束縛水飽和度進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示,10塊密閉取心樣品的原始含水飽和度值平均為18.3%(表1),針對(duì)同一塊樣品,應(yīng)用核磁共振法測(cè)試出的束縛水飽和度和應(yīng)用相滲法測(cè)試出的束縛水飽和度均大于原始含水飽和度,應(yīng)用核磁共振法測(cè)試出的平均束縛水飽和度為47.9%,應(yīng)用相滲法測(cè)試出的平均束縛水飽和度為38.0%,原始含水飽和度比應(yīng)用相滲法測(cè)試出束縛水飽和度低6.9%~37.0%,平均要低19.7%,表明該區(qū)盒8段、太原組致密砂巖氣藏存在超低含水飽和度現(xiàn)象。2低斷面萃取和氣藏形成機(jī)制2.1儲(chǔ)層流體包裹體溫度分布特征氣藏形成跨越相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)間,地層條件下氣藏中天然氣中的含水量取決于地層的溫度和壓力。在氣藏形成初期,溫度和壓力較低,但隨著埋藏深度增加,溫度壓力升高,天然氣攜水的能力不斷增強(qiáng)(表2),據(jù)Bennion［１３］等研究,27.57MPa、100℃時(shí)天然氣蒸發(fā)和攜帶水的能力為1136.7g/m３,而在1.013MPa、15.6℃時(shí)的能力僅為14.0g/m３,隨著溫度、壓力的增大,天然氣攜水的能力顯著增加。儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度分布顯示(圖4),鄂爾多斯盆地東部上古生界天然氣藏具有2期充注成藏的特征:第Ⅰ期充注儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度介于95~120℃,包裹體形成古壓力介于20~28MPa,第Ⅱ期充注儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度介于135~160℃,包裹體形成古壓力介于50~60MPa。將2期充注成藏期的溫度、壓力投影至不同溫壓條件下天然氣飽和水蒸氣含量圖版上發(fā)現(xiàn)(圖5),在第Ⅰ充注期天然氣的攜水量介于5000~7000g/km３,在第Ⅱ充注期天然氣的攜水量介于10000~12000g/km３,第Ⅱ期充注的天然氣攜水量是第Ⅰ期的近2倍,表明隨著溫度、壓力的增大天然氣攜水的能力顯著增加,儲(chǔ)層中有更多的束縛水被蒸發(fā)氣化,不斷隨著天然氣的運(yùn)移攜帶出儲(chǔ)層,增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性［１４］,有利于超低含水飽和度氣藏的形成。2.2聚在煤顆粒內(nèi)部的毛細(xì)孔內(nèi)的水水在煤中的賦存狀態(tài)分為外在水分、內(nèi)在水分以及同煤中礦物質(zhì)結(jié)合的結(jié)晶水。煤層工業(yè)分析水分含量是指煤層中的內(nèi)在水分,內(nèi)在水分是指吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部毛細(xì)孔中的水。通過對(duì)鄂爾多斯盆地東部煤層工業(yè)分析水分含量與有機(jī)質(zhì)成熟度(Rｏ)關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)(表3),在Rｏ>1.2%時(shí),煤中水分含量明顯降低,預(yù)示著后期烴源巖中生成的天然氣中水蒸氣的含量越少,并處在欠飽和狀態(tài),而該區(qū)上古生界煤系烴源巖演化程度普遍達(dá)到高成熟和過成熟階段,在天然氣成藏后期會(huì)有更多的干氣注入儲(chǔ)層,導(dǎo)致儲(chǔ)層中的束縛水蒸發(fā)遷移,有利于形成超低含水飽和度氣藏。2.3組氣藏早期運(yùn)聚平衡晚白堊世,鄂爾多斯盆地大面積回返抬升,強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升導(dǎo)致上覆地層發(fā)生剝蝕,破壞了盒8段、太原組氣藏早期存在的運(yùn)聚平衡［１５］;同時(shí)強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升過程會(huì)產(chǎn)生一定的斷裂活動(dòng),在上古生界形成斷層和裂縫,盒8段、太原組氣藏中先期成藏的天然氣必然沿著地層剝蝕厚度大、應(yīng)力釋放大以及斷層和裂縫發(fā)育區(qū)向上發(fā)生泄露逸散,束縛水被蒸發(fā)汽化后隨著氣藏泄露逸散而帶出儲(chǔ)層,有利于超低含水飽和度氣藏的形成。2.4喉中100%飽和地層水致密砂巖超低含水飽和度的形成過程如圖6所示,圖6-a為儲(chǔ)層早成巖期的機(jī)械壓實(shí)階段,此時(shí)干酪根未成熟,儲(chǔ)層孔喉中100%飽含地層水;圖6-b為儲(chǔ)層的可動(dòng)水排出階段,此時(shí)隨著干酪根成熟度的增加,生成的天然氣注入儲(chǔ)集層,驅(qū)替儲(chǔ)層的可動(dòng)水,儲(chǔ)層的含水飽和度接近于儲(chǔ)層的束縛水飽和度;圖6-c為束縛水蒸發(fā)氣化階段,此時(shí)隨著溫度壓力的增大和干氣的注入,使儲(chǔ)層的束縛水被蒸發(fā)氣化,不斷隨著天然氣的運(yùn)移攜帶出儲(chǔ)層,從而形成超低含水飽和度氣藏。3低含量和高相的地質(zhì)意義3.1儲(chǔ)層水鎖效應(yīng)在氣層勘探開發(fā)過程中,由于鉆井液、壓裂液等外來流體侵入儲(chǔ)層,使儲(chǔ)層含水飽和度增加,導(dǎo)致氣相滲透率降低的現(xiàn)象,稱為水鎖傷害,亦稱為水鎖效應(yīng)［１６－１８］,致密砂巖儲(chǔ)層中水鎖效應(yīng)尤為突出［１９］。只要進(jìn)入儲(chǔ)層的水相流體的飽和度超過儲(chǔ)層水相流體的原始飽和度,就會(huì)引起儲(chǔ)層水鎖傷害。通過密閉取心含水飽和度與常規(guī)取心含水飽和度對(duì)比發(fā)現(xiàn):太原組和盒8段密閉取心含水飽和度一般低于40%(圖7、圖8);在不同滲透率區(qū)間,密閉取心含水飽和度均小于常規(guī)取心含水飽和度,表明鄂爾多斯盆地東部致密儲(chǔ)層普遍存在吸水現(xiàn)象及水基鉆井液的傷害,鉆井過程就已普遍存在著水鎖傷害。3.2儲(chǔ)層精細(xì)表征對(duì)于超低含水飽和度儲(chǔ)層由于儲(chǔ)層吸水,一部分外來流體成為儲(chǔ)層的束縛水,地層條件下難以用壓差驅(qū)替的方式解除,而形成永久性水鎖［２０－２１］。外來流體侵入儲(chǔ)層后使儲(chǔ)層的含水飽和度增大,在地層壓力下天然氣驅(qū)替水使儲(chǔ)層含水飽和度逐漸下降,以至于到達(dá)束縛水飽和度(Sｗｉｒ),這部分水鎖稱為暫時(shí)性水鎖［２０－２１］,可以用壓差驅(qū)替的方式解除;但對(duì)于超低含水飽和度儲(chǔ)層,由于儲(chǔ)層吸水,一部分外來流體成為儲(chǔ)層的束縛水,地層條件下不能用壓差驅(qū)替的方式解除,這部分水鎖稱其為永久性水鎖。在通常所做的氣水相滲實(shí)驗(yàn)中,最大只作到束縛水飽和度下的氣相滲透率,在認(rèn)識(shí)到超低含水飽和度現(xiàn)象和形成機(jī)理后,筆者利用密閉取心巖樣,在氣水相滲實(shí)驗(yàn)中做出束縛水飽和度下的氣相滲透率后(該巖樣原始含水飽和度為10.19%,束縛水飽和度為44.71%),應(yīng)用加熱(蒸發(fā)部分束縛水)、稱重的方法,做出了原始含水飽和度下的氣相滲透率(圖9),并根據(jù)下式評(píng)價(jià)了永久性水鎖傷害。式中DR永久為永久性水鎖引起的滲透率損害率(永久性水鎖指數(shù));Kｗｉ為原始含水飽和度下巖樣的氣測(cè)滲透率,mD;Kｗｉｒ?yàn)槭`水飽和度下巖樣的氣測(cè)滲透率,mD。10塊巖心樣品的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(表4),永久性水鎖滲透率傷害率最小為26.6%,最大為47.8%,平均為35.4%;原始含水飽和度下氣相滲透率是束縛水飽和度下氣相滲透率的1.4~1.9倍,平均為1.6倍。因此設(shè)法預(yù)防和解除永久性水鎖傷害,恢復(fù)原始含水飽和度下的氣相滲透率,對(duì)提高相同儲(chǔ)層物性條件的儲(chǔ)層氣相滲透率和提高單井產(chǎn)量有著重要的意義。3.3地層帶液的改性對(duì)于致密砂巖超低含水飽和度氣藏,為降低和解除永久性水鎖傷害,建議采取以下儲(chǔ)層保護(hù)和補(bǔ)救措施:1)盡量避免使用水基工作液:使用無水的氣體類流體作為工作液,如空氣、N２、CO２、氣態(tài)烴。使用含水量低的泡沫也可以減輕水鎖損害。2)盡量減少、甚至避免水基工作液侵入:屏蔽暫堵技術(shù)、非滲透泥漿體系和成膜技術(shù)。3)采用欠平衡作業(yè):可以減緩濾液進(jìn)入地層,降低濾失量。4)注入醇:降低體系的表面張力,降低毛細(xì)管阻力。易于氣化排除,有助于攜帶地層水一起排出,易于返排,降低含水飽和度。5)注入干氣［２２］:通過較長(zhǎng)時(shí)間的干氣(已脫水)或氮?dú)庾⑷?可使圈閉帶的水蒸發(fā)遷移。6)地層熱處理:將熱氣注入地層,可以使圈閉帶的水產(chǎn)生超臨界干燥萃取。4巖氣藏異常激發(fā)含水層精細(xì)地層氣藏1)鄂爾多斯盆地東部上古生界盒8段、太原組砂巖為普遍低孔隙度、低滲透率的致密砂巖。應(yīng)用氣水相滲、核磁共振2種實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法所測(cè)定的束縛水飽和度均高于密閉取心測(cè)定的原始含