葉 超 鄧 攀 賀瑞萱 李傳浩 高 偉 劉慶軍
1.中國石油長慶油田分公司隴東天然氣項目部 2.中國石油長慶油田工程監(jiān)督處 3.中國石油長慶油田分公司第四采氣廠 4.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠
鄂爾多斯盆地西南部隴東地區(qū)天然氣自2013年開始評價,在此之前以石油開采為主。21 世紀(jì)初,長慶油田在盆地西南部上古生界勘探評價取得重要發(fā)現(xiàn),于2004 年在鎮(zhèn)原地區(qū)完鉆的鎮(zhèn)探1 井下二疊統(tǒng)山西組1 段試氣獲得工業(yè)氣流,證明隴東地區(qū)上古生界天然氣具有較大的勘探潛力。隨著評價程度不斷深入,新的問題逐漸顯現(xiàn)。隴東地區(qū)砂巖致密,與蘇里格氣田儲層物性相似但又差于蘇里格氣田,主要表現(xiàn)為儲層埋藏深,平均埋深在4 200 ~4 300 m,巖性更為致密,無類似氣田的開發(fā)先例及成功經(jīng)驗可供借鑒。前期勘探過程中對于該地區(qū)儲層物性的相關(guān)性研究極少,主要借鑒蘇里格氣田、榆林氣田的物性下限標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù),在試氣過程中多次出現(xiàn)干層,獲工業(yè)氣流井較少,導(dǎo)致鉆井成功率較低,嚴(yán)重制約了評價進(jìn)展及開發(fā)決策[1-4],給勘探方向及試氣層位的確定造成極大困難。根據(jù)戴金星[5]等人研究,儲層物性下限主要考慮儲層產(chǎn)油氣能力的儲層物性參數(shù)下限及在現(xiàn)有開采工藝技術(shù)和條件下開采出具有經(jīng)濟效益的油氣流的儲層物性參數(shù)。目前多數(shù)研究以單一方法研究取值,在具體應(yīng)用中受到的限制影響因素較多。針對隴東地區(qū)儲層埋藏深、孔隙度低、滲透率低、儲層厚度小、氣井無阻流量普遍較小的特點,采用孔滲交會法、經(jīng)驗統(tǒng)計法、物性試氣法、最小流動孔喉半徑法、測井參數(shù)法多種方法系統(tǒng)地對隴東地區(qū)山1 段儲層物性下限進(jìn)行研究[6-11],確定出物性下限值,對隴東地區(qū)后期規(guī)模建產(chǎn)開發(fā)具有指導(dǎo)作用。
隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部,構(gòu)造位于伊陜斜坡(圖1)。研究區(qū)內(nèi)整體構(gòu)造平緩,斷層不發(fā)育。上古生界下二疊統(tǒng)山西組山1 段砂體普遍發(fā)育,儲層較為單一,屬于河流、三角洲相沉積。巖性主要以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主,石英含量占碎屑總量75%以上。巖屑成分以火成巖、變質(zhì)巖為主,含量約占11%。火成巖屑主要為噴發(fā)巖、隱晶巖;變質(zhì)巖屑以千枚巖、變質(zhì)砂巖為主。填隙物以水云母為主,平均含量達(dá)到8.5%,硅質(zhì)、高嶺石次之,含量約占4.2%。
圖1 研究區(qū)地理位置圖
鑄體薄片和掃描電鏡觀察分析結(jié)果顯示,儲層孔隙類型以晶間孔和粒間孔最為發(fā)育,其次為粒間溶孔和巖屑溶孔。在所分析巖樣中,晶間孔均有發(fā)育,但比例多小于1%,部分井點粒間孔比例較高。巖屑溶孔在0.2%~1%之間。
巖心分析儲層孔隙度范圍在2.0%~10.4%,平均5.6%;滲透率范圍在0.004 ~16.081 mD,平均0.42 mD??紫抖却笥?%的樣品約占12%,滲透率小于0.3 mD 的樣品占75%,表現(xiàn)為“低孔、低滲”的致密砂巖特征,屬于典型的低滲—特低滲巖性氣藏[12-15]。
孔隙度—滲透率交會法為確定儲層物性常用方法之一,操作方便。根據(jù)隴東地區(qū)493 塊巖心樣品分析數(shù)據(jù),做出山1 段砂體孔—滲交會圖(圖2)。結(jié)果表明,滲透率隨孔隙度增大呈現(xiàn)出先緩慢增大、后迅速增大的特點。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)巖心孔隙度小于4.5%時,滲透率隨孔隙度急劇增大而緩慢增大,這一區(qū)間孔隙滲透能力極差,屬于無效孔隙;當(dāng)巖心孔隙度高于4.5%時,滲透率隨孔隙度增大而增大,這一區(qū)間孔隙具有一定的滲透性,屬于有效孔隙。因此以孔隙度4.5%作為有效儲層孔隙下限值,根據(jù)孔滲關(guān)系式,對應(yīng)滲透率下限值為0.064 mD。
圖2 山1 段巖心孔隙度—滲透率交會圖
經(jīng)驗統(tǒng)計法目前是國內(nèi)各大油氣田評價儲層滲透性常用的方法之一,該方法的關(guān)鍵是取得大量巖心分析孔隙度及滲透率數(shù)據(jù)資料,根據(jù)分布頻率確定孔隙度、滲透率的界限值,當(dāng)小于界限值時,計算得到儲層儲氣能力和產(chǎn)氣能力可以忽略不計,則該值為對應(yīng)儲層的物性下限值。
根據(jù)隴東地區(qū)山1 段巖心物性分析數(shù)據(jù),繪制出孔隙度—滲透率頻率分布直方圖、累計頻率及累計能力丟失曲線(圖3,4)??紫抖葍饽芰?、滲透率產(chǎn)氣能力的計算公式為:
式中Qφi表示孔隙度儲氣能力;Qki表示滲透率產(chǎn)氣能力;Hi表示儲集層厚度,m;φi表示孔隙度;Ki表示滲透率,mD。
圖3 山1 段儲層孔隙度頻率分布圖
圖4 山1 段儲層滲透率頻率分布圖
統(tǒng)計結(jié)果顯示,山1 段孔隙度主要分布范圍3%~10%,滲透率主要分布范圍為0.01 ~1.2 mD,滲透率能力較差,屬于典型的中低孔—低孔、低滲—特低滲儲層。結(jié)合蘇里格氣田、榆林氣田、靖邊氣田儲層特點,確定累計頻率丟失小于12%,累計儲能、產(chǎn)能丟失小于4%。當(dāng)孔隙度下限值取4.1%時,儲能丟失2%,厚度丟失在10%左右;滲透率下限值取0.06 mD 時,產(chǎn)能丟失3%,厚度丟失12%。因此以孔隙度4.1%、滲透率0.06 mD 為有效物性下限,產(chǎn)氣能力及儲氣能力丟失符合儲層特點,滿足要求,取值合理。
根據(jù)取心井取心層段的孔隙度、滲透率,結(jié)合取心層段試氣結(jié)果,編制孔隙度—滲透率交會圖(圖5)。目前隴東試氣結(jié)論為氣層和干層,以65 個樣品資料統(tǒng)計結(jié)果確定出山1 段孔隙度下限為5.2%,滲透率下限值為0.056 mD。為提高物性下限的精確度,該方法要求單層單試,且試氣結(jié)果準(zhǔn)確可靠,孔隙度與滲透率取單層平均值。
圖5 研究區(qū)試氣層段孔隙度—滲透率交會圖
巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)決定儲層宏觀滲透性能,其中孔隙反映巖石的儲集能力,而喉道大小及形狀控制著孔隙的儲集和滲透能力。巖石的孔隙和喉道,是天然氣的儲存空間和運移通道,在一定壓差下,孔隙喉道粗細(xì),即孔喉半徑的大小決定著天然氣能否從巖石中運移流動,對應(yīng)的是天然氣滲流和儲集的最小孔隙通道,即天然氣最小流動孔喉半徑。通常采用壓汞實驗得到的毛細(xì)管壓力曲線及測試數(shù)據(jù)分析巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征,得到最小流動孔喉半徑,進(jìn)一步根據(jù)最小流動孔喉半徑計算得到對應(yīng)的孔隙度及滲透率值,即儲層的物性下限值[16-21]。
2.4.1 “J”函數(shù)法確定毛細(xì)管壓力
對于整個氣層來說,所有已測定毛細(xì)管力曲線的巖石樣品只是一個個極小的分散點,要得到能代表整個氣層的毛細(xì)管力,必須將所有的測定資料加以平均和綜合。考慮到氣層的非均質(zhì)性,為了表示一個氣層的毛細(xì)管力特征,需要同時考慮每個巖石樣品的孔隙度和滲透率值,這樣才能更好地對氣層進(jìn)行評價和比對。根據(jù)毛細(xì)管力公式和孔隙半徑公式推導(dǎo)出的J 函數(shù)表征,即把流體界面張力、巖石潤濕性、滲透率和孔隙度的影響因素綜合在一起的一個表征儲層毛細(xì)管力曲線特征的函數(shù)。J 函數(shù)表達(dá)式為:
式中 表示J 函數(shù),無量綱;pc表示毛細(xì)管壓力,MPa;K表示滲透率,mD;φ表示孔隙度,%;σ表示界面張力,mN/m;θ表示潤濕接觸角,(°)。
在實驗室用非潤濕相流體汞測試接觸角,砂巖表現(xiàn)為強烈的非潤濕性,因此σ一般取值0.048,θ取140°。
根據(jù)壓汞巖樣物性資料統(tǒng)計,平均孔隙度為5.1%,平均滲透率為0.058 mD,根據(jù)“J”函數(shù)法對數(shù)據(jù)分析處理,轉(zhuǎn)換得到J 函數(shù)曲線(圖6)。
圖6 山1 段儲層“J”函數(shù)曲線圖
2.4.2 最小流動孔喉半徑
根據(jù)沃爾(1965 年)提出的用巖石喉道大小計算滲透率的方法,巖石的孔隙喉道是由不同大小的毛細(xì)管組成,根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論,將由不同大小孔喉控制的孔隙體積劃分成若干個相等的區(qū)間,計算每一個孔隙體積級別的滲透率,求和得到巖石的總滲透率。將總滲透率與每個級別滲透率相比,得到每個孔喉區(qū)間的滲透率貢獻(xiàn)值。即
式中:K為巖石總滲透率,mD; 為各區(qū)間滲透率貢獻(xiàn)值,%, 為巖樣孔隙度;n為等量孔隙體積的級數(shù);ri為相應(yīng)的喉道半徑r1>r2>r3>…>rn),μm。
從喉道半徑由大到小,分別計算每個喉道半徑對應(yīng)的滲透率貢獻(xiàn)值,依次累加求和。當(dāng)累計滲透率貢獻(xiàn)值達(dá)到99%時,對應(yīng)的孔喉半徑則為最小流動孔喉半徑。根據(jù)壓汞資料分析,山1 段最小流動孔喉半徑為0.016 4 μm,根據(jù)壓汞巖樣孔喉半徑分別與滲透率、孔隙度建立交會圖(圖7,8),得到孔隙度、滲透率的計算公式,計算得到對應(yīng)的孔隙度下限為4.2%,滲透率下限為0.062 mD.
圖7 中值半徑與孔隙度關(guān)系交會圖
圖8 中值半徑與滲透率關(guān)系交會圖
孔隙度計算公式:=0.726ln(r)+7.176 3
滲透率計算公式:K=0.514 7r+0.053 9
根據(jù)試氣結(jié)論及解釋參數(shù)作聲波時差—深側(cè)向電阻率、孔隙度—含水飽和度、泥質(zhì)含量—密度交會圖,分別確定氣層下限值。與蘇里格氣田、靖邊氣田相比,隴東地區(qū)試氣無阻流量普遍較低,以試氣井口產(chǎn)量大于1000 m3/d 氣層,小于1000 m3/d為干層作為起算標(biāo)準(zhǔn)。確定出山1 段有效厚度下限(表1)。聲波時差(Δt)≥210 μs/m,深側(cè)向電阻 率(Rt)≥26 Ω·m,同 時 滿 足Δt在210 ~224 μs/m 時,lg(Rt) ≥11.108 - 0.042 1Δt;泥 質(zhì) 含 量Vsh≤18.0%,密度ρb≤2.55 g/cm3, ≥5.0%,滲透率(K)≥0.059 mD,含水飽和度(Sw)≤50%。
綜合以上方法,確定山1 段儲層物性下限值(表2),不同方法求得的物性下限有所不同??紫抖认孪薹植挤秶?.0%~5.2%,滲透率下限分布范圍0.056 ~0.064 mD,以5 種方法計算結(jié)果的算術(shù)平均值作為山1 段儲層最終物性下限,孔隙度下限4.6%,滲透率下限0.06 mD.
表1 山1 段儲層有效厚度下限劃分表
表2 山1 段儲層物性下限統(tǒng)計表
1)隴東地區(qū)天然氣處于開發(fā)初期,開發(fā)技術(shù)及決策有待完善配套,儲層物性下限的確定直接影響著后期工藝技術(shù)發(fā)展。
2)不同方法確定的物性下限均有不同的局限性,甚至同一方法在不同開發(fā)階段確定的物性下限也會有所差別。因此,為盡量降低單一方法產(chǎn)生的偏差和影響,實際應(yīng)用中應(yīng)采用多種方法確定物性下限值,建立不同方法的計算圖版及模型,根據(jù)需要進(jìn)行修正。
3)采用孔滲交會法、經(jīng)驗統(tǒng)計法、物性試氣法、最小流動孔喉半徑法、測井參數(shù)法多種方法綜合確定,隴東地區(qū)山1 段儲層物性下限值:孔隙度為4.6%,滲透率為0.06 mD。物性下限值反映儲層的儲集性能,對試氣層位的確定具有較強指導(dǎo)作用,同時對地質(zhì)儲量的計算提供參數(shù)依據(jù)。