徐深氣田火山巖儲層儲集空間特征及滲流機理

摘 要

摘要：火山巖儲層與碎屑巖和碳酸鹽巖儲層相比，其儲集空間更復(fù)雜、非均質(zhì)性更強、滲流機理尤其不清楚。為有效開發(fā)這類氣田，針對松遼盆地徐深氣田的特點，通過一系列大直徑巖心特殊
摘要：火山巖儲層與碎屑巖和碳酸鹽巖儲層相比，其儲集空間更復(fù)雜、非均質(zhì)性更強、滲流機理尤其不清楚。為有效開發(fā)這類氣田，針對松遼盆地徐深氣田的特點，通過一系列大直徑巖心特殊分析手段篩選，找到了適合火山巖儲層特性的分析方法，從儲層基本特征、滲流機理、儲層敏感性評價等方面開展的實驗研究，揭示出了火山巖儲層儲集空間特征與滲流機理。研究結(jié)果表明：火山巖儲層儲集空間是孔隙與裂縫的不同組合體；孔隙大小分布不均，孔隙中大孔隙被小喉道控制；儲層表現(xiàn)出親水特征，束縛水飽和度高，兩相滲流范圍小，氣相滲流具有明顯的低速非達西滲流特征，氣相滲流存在啟動壓力梯度。
關(guān)鍵詞：松遼盆地；徐深氣田；火山巖氣藏；儲集層；滲流機理；敏感性；滑脫效應(yīng)；啟動壓力梯度
1 火山巖儲層儲集空間特征
1.1 巖性巖相特征
    松遼盆地徐深氣田下白堊統(tǒng)營城組火山巖儲層為多期次噴發(fā)形成的，可分為3個相帶、5種巖相及15種亞相[1～2]，火山巖巖性共有8大類17種巖性。有利儲層主要分布在噴溢相上、下部亞相的氣孔流紋巖、爆發(fā)相中熱碎屑流亞相的晶屑凝灰?guī)r、火山通道相中隱爆角礫巖亞相的角礫巖、火山通道相中火山頸亞相的熔結(jié)角礫凝灰?guī)r。
1.2 物性特征
    火山巖儲層巖心分析孔隙度為0.6%～20.5%，其中樣品孔隙度大于10%的占9.91%，樣品孔隙度主要分布在2%～10%之間的占66.57%，樣品孔隙度小于2%的占7.75%；平均6.57%。滲透率范圍主要分布在(0.002～13.6)×10-3μm2之間，分布在(0.01～0.5)×10-3μm2范圍內(nèi)的占83%，平均0.43×10-3μm2，孔滲之間線性關(guān)系差。受巖性控制，氣孔流紋巖孔滲條件最好，其次是晶屑凝灰?guī)r。
    火山巖儲層束縛含水飽和度在25%～93.7%，平均68.1%，主要分布在40%～80%之間，束縛含水飽和度普遍較高，與孔隙度分布沒有線性關(guān)系，表現(xiàn)為致密低滲儲層含水飽和度偏高的特征。8口長井段取心井巖心觀察與多手段分析實驗表明，研究區(qū)火山巖巖性較致密，空隙間連同差，局部有裂縫發(fā)育，是造成孔滲飽三參數(shù)匹配性差的主要原因，儲層總體為為低孔低滲高含水儲層。
1.3 儲集空間特征
通過巖心、巖屑觀測和顯微結(jié)構(gòu)分析，本區(qū)火山巖儲集空間類型可劃分為3大類型，即原生孔隙和裂縫、次生孔隙和裂縫、復(fù)合孔隙和裂縫[3]。在各大類中依據(jù)其成因、分布和特征又可進一步細分，如孔隙劃分為原生孔隙、次生孔隙和復(fù)合孔隙3種類型，按結(jié)構(gòu)進一步劃分為13種，最主要的孔隙為氣孔、脫?；⒖住⑿尤鼠w內(nèi)殘留孔、粒間孔和粒內(nèi)溶孔；裂縫劃分為原生縫、次生縫和復(fù)合縫3種類型，按結(jié)構(gòu)進一步劃分為12種，最主要的為構(gòu)造裂縫和炸裂縫。不同巖石類型有不同儲集空間特征，主要為氣孔、溶蝕孔洞、裂縫的不同組合，主要儲集空間形式有8種，原生的氣孔和次生的溶蝕孔及脫?；妆壤^高(表1)。
表1 火山巖儲層主要巖性儲集空間特征統(tǒng)計表
巖石類型
原生
次生
氣孔
脫玻化孔
長石溶孔
火山灰溶孔
粒內(nèi)粒間孔
微裂縫
流紋巖
73.79
19.36
2.22
0.00
0.00
4.63
流紋質(zhì)凝灰?guī)r
2.59
1.06
14.60
76.49
1.32
3.95
流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r
44.39
1.14
18.01
31.45
0.25
4.76
火山角礫巖
13.31
1.45
0.72
2.60
75.69
6.22
粗面巖
45.95
0.00
47.30
0.00
0.00
6.76
英安巖
50.00
0.00
50.00
0.00
0.00
0.00
1.4 成巖作用對儲集空間的影響
    火山巖因其特殊性和成巖環(huán)境分為3種，各種環(huán)境下發(fā)生的成巖作用對儲集空間影響有利有弊，其中揮發(fā)分的逸散作用、火山熱液充填作用分別影響最大。
   在同生成巖環(huán)境下，主要發(fā)生冷凝(卻)收縮作用、揮發(fā)分的逸散作用、熔結(jié)、壓積作用、火山熱液充填作用。其中冷凝(卻)收縮作用、揮發(fā)分的逸散作用對儲集空間起建設(shè)性的作用，而熔結(jié)、壓積作用、火山熱液充填作用對儲集空間起破壞性的作用。該階段產(chǎn)生的主要儲集空間類型有氣孔、冷凝收縮縫、炸裂縫、火山角礫礫間孔、基質(zhì)微孔。
    在埋藏成巖環(huán)境下，溶解作用、構(gòu)造作用、脫玻化作用對儲集空間起建設(shè)性的作用，而熔結(jié)、壓積作用、交代作用、火山熱液充填作用對儲集空間起破壞性的作用。該階段產(chǎn)生的主要儲集空間類型有溶解作用形成的各種次生孔隙、脫?；饔眯纬傻木чg孔、構(gòu)造縫和成巖縫。
    在表生成巖環(huán)境下主要發(fā)生表生礦物充填作用、構(gòu)造作用、風化作用和脫?；饔谩Ｆ渲袠?gòu)造作用、風化作用和脫?；饔脤臻g起建設(shè)性的作用，而表生礦物充填作用對儲集空間起破壞性的作用。該階段產(chǎn)生的主要儲集空間類型有風化作用形成的風化縫、淋濾溶解孔隙，構(gòu)造作用形成的構(gòu)造縫，脫?；饔眯纬傻木чg孔等。
2 氣藏滲流機理研究
2.1 儲集空間與滲流特征
2.1.1壓汞分析
多數(shù)樣品孔隙半徑小于0.1μm，為微孔喉，占54.04%，大于0.5μm的為大孔喉僅為7.52%，0.1～0.5μm之間的為中小孔喉占38.44%，表明該區(qū)儲層孔隙半徑以微孔喉為主，孔隙結(jié)構(gòu)有5種形式，儲層主要為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類；火山巖儲層巖心排驅(qū)壓力平均為7.63MPa，其中排驅(qū)壓力較小聲d＜1MPa的樣品占17.55%，pd在1～5MPa的樣品占47.35%，最大汞飽和度平均為68.14%，剩余汞飽和度平均49.34%，退出效率為36.22%，反映研究區(qū)連通性好的樣品比例較低，孔喉比較大，連通孔隙的平均孔喉少，孔隙大小的均一程度較差，表明巖心中孔隙與喉道的尺寸大小不均勻(圖1)[4]。
 
2.1.2恒速壓汞
分為四類，樣品涵蓋不同孔滲區(qū)間，Ⅰ類、Ⅱ類儲層樣品總體孔隙均較發(fā)育，具有一定量的有效孔隙體積，但樣品喉道發(fā)育程度差異大，Ⅰ類是Ⅱ類的一倍。表明有效孔喉半徑比較大且分布范圍較寬，大孔隙被小喉道控制，這對孔隙中氣體的采出是不利的，同時較大的孔喉半徑比對水鎖傷害效應(yīng)較敏感(圖2)。Ⅲ類儲層中Ⅲ1有一定孔喉分布，但Ⅲ2幾乎很少，非儲層不能測出有效孔、喉分布。
 
2.1.3 X-CT圖像
    火山巖儲層孔洞發(fā)育較差，部分巖心內(nèi)可見有裂縫，但裂縫有兩種明顯不同的產(chǎn)狀特征：①裂縫的寬度雖然較大，但裂縫內(nèi)通常被高密度的物質(zhì)充填；②裂縫的寬度雖然較小，但裂縫通常處于張開狀態(tài)，裂縫內(nèi)的充填物較疏松，孔、洞、縫之間的連通性較差(圖3)。
 
2.1.4核磁共振譜圖
火山巖具有雙峰特點，說明孔隙大小分布不均，即存在微孔又有相對較大的孔隙，儲層非均質(zhì)性嚴重，束縛水飽和度高，一般在20%～90%，與孔隙度線性關(guān)系差(圖4)。
 
2.1.5全直徑相滲曲線
反映儲層為親水巖石，呈兩相流特征，束縛水飽和度高，兩相滲流范圍小，氣驅(qū)水效率低。A區(qū)塊可流動氣飽和度區(qū)間為0～65.62%；束縛水飽和度34.38%～51%，兩相滲流范圍比較大，為49%～65.62%。B區(qū)塊可流動氣飽和度區(qū)間為0～70.28%；束縛水飽和度29.72%～49.81%，兩相滲流范圍比較大，為55%～69.5%(圖5)。
2.2 儲層應(yīng)力敏感特性
    試驗表明：隨著凈上覆巖層壓力的升高，巖石的孔隙度開始下降，且當凈上覆巖層壓力小于20MPa時，大部分樣品的孔隙度值呈冪函數(shù)降低，孔隙度急劇下降；當凈上覆巖層壓力大于20MPa時，大部分樣品的孔隙度值隨著凈上覆巖石壓力的增加而呈冪函數(shù)降低或呈直線降低，其孔隙度下降程度變小。其原因是：火山巖孔隙度低、孔隙類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開始增加凈上覆蓋壓力時，巖石變形快，孔隙度變化大；當凈有效覆蓋壓力增大到20MPa以后，其孔隙度下降程度變小。
    在氣藏的生產(chǎn)過程中，隨著流體的產(chǎn)出，凈上覆巖層壓力不斷升高，儲層的孔隙、裂縫和喉道的體積縮小，甚至有可能引起裂縫通道和喉道閉合。儲層孔隙結(jié)構(gòu)的這種改變將大大增加流體在其中的滲流阻力，降低滲流速度，使氣井的產(chǎn)能下降。由于氣井在生產(chǎn)過程中曾進行多次開井和關(guān)井，都是在巖石應(yīng)力沒有得到釋放的條件下進行測試，而一升一降不能代表地層的真實應(yīng)力狀態(tài)，因為巖樣取到地面時巖石應(yīng)力已經(jīng)釋放了。二升二降比較接近地層應(yīng)力狀態(tài)，因為二升測試時巖樣沒有取到地面，而是接近地層條件，應(yīng)力沒有釋放，所有二升二降測試能更真實地反映地層應(yīng)力敏感變化規(guī)律。通過二次升降圍壓時滲透率變化的常規(guī)敏感分析(常溫，變圍壓)，當凈上覆巖層壓力初次增大時，滲透率相對值是隨凈上覆巖層壓力的升高而逐漸降低的，且在凈上覆巖層壓力開始增大的時候，滲透率相對值下降的幅度最大；隨著凈上覆巖層壓力的進一步增加，滲透率相對值的下降幅度趨向緩和，滿足冪指數(shù)關(guān)系。
2.3 火山巖氣藏啟動壓力影響
    研究表明，火山巖儲層滲透率對啟動壓力梯度有明顯的影響，隨著巖石空氣滲透率的降低，啟動壓力梯度增大?？諝鉂B透率與啟動壓力梯度的冪函數(shù)關(guān)系為：
    λ=0.0012K-0.3848    R2=0.9919
式中：λ為啟動壓力梯度，MPa/cm；K為空氣滲透率，10-3μm2。
實驗還表明，束縛水飽和度對啟動壓力梯度也有明顯的影響，束縛水飽和度低時啟動壓力梯度低，束縛水飽和度高時啟動壓力梯度高，束縛水飽和度與啟動壓力梯度的冪函數(shù)關(guān)系為：
 
式中：Swc為束縛水飽和度，小數(shù)。
    這說明低滲透巖心的啟動壓力梯度隨著束縛水飽和度的增大而增大。由此認為：低滲透、高束縛水飽和度的氣藏氣井保持連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的流動壓差相對更大，因此，啟動壓力梯度是低滲透氣藏氣井低產(chǎn)的一個原因。
3 結(jié)論
    1) 徐深氣田火山巖有利儲層主要分布在噴溢相上、下部亞相的氣孔流紋巖、爆發(fā)相中熱碎屑流亞相的晶屑凝灰?guī)r、火山通道相中隱爆角礫巖亞相的角礫巖、火山通道相中火山頸亞相的熔結(jié)角礫凝灰?guī)r。
    2) 火山巖有利儲層屬中低孔、低滲、高束縛水飽和度氣藏，儲集空間以孔隙加裂縫為主，氣相滲流表現(xiàn)出低速非達西滲流特征。
    3) 孔隙類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有五種形式，火山巖有利儲層主要為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類；喉到細小，大孔隙被小喉道控制，有效孔喉半徑比較大且分布范圍較寬，孔滲應(yīng)力敏感性強。
    4) 存在啟動壓力，氣藏氣井保持連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的流動壓差相對更大，產(chǎn)能總體較低、穩(wěn)產(chǎn)能力差。
參考文獻
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(本文作者：舒萍1，2 丁日新1 紀學雁1 1.中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院；2.西南石油大學)