低飽和度油層成因分析
——以留62斷塊ES1下Ⅰ-3小層為例

＊門(mén)南方 洪秀娥 李楚楚 趙苗苗

（長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 湖北 430100）

低飽和度油藏是油層中含水飽和度大于束縛水飽和度的油藏[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)其成因存在不同認(rèn)識(shí)，但普遍認(rèn)為油藏高度、流體性質(zhì)、細(xì)孔喉的低滲儲(chǔ)集層易形成低飽和度油藏。低飽和度油層的含水飽和度、油層電阻率變化范圍大、油水分布規(guī)律復(fù)雜，有必要研究低飽和度油藏的成因機(jī)制。

1.研究區(qū)油藏概況

留62斷塊ES1下油藏位于冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷大王莊—留西斷裂構(gòu)造帶，斷塊構(gòu)造為西北傾、東南抬、走向北東的單斜構(gòu)造，地層傾角下大上小。受北西、北東向斷層切割，從而使該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜化。ES1下油藏埋藏深度3200～3700m，共劃分兩個(gè)砂組12個(gè)小層，其中ES1Ⅰ砂組劃分5個(gè)小層。油藏原油密度0.85～0.89g/cm3，黏度10～80mPa·s（20℃），地層水礦化度23000～30000mg/L。自投入開(kāi)發(fā)以來(lái)，先后進(jìn)行了兩輪次的油藏描述與注采調(diào)整工作。但隨著油藏開(kāi)發(fā)深入，油藏主控因素和油水關(guān)系復(fù)雜的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，構(gòu)造低部位發(fā)育飽和度高的油層，高部位出現(xiàn)低飽和度油層、甚至水層。為了進(jìn)一步提高開(kāi)發(fā)水平，本文收集了ES1下26塊壓汞、試油、巖心滲透率實(shí)驗(yàn)等資料，從微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)方面著手，宏觀(guān)與微觀(guān)結(jié)合，研究構(gòu)造高部位低飽和度油層成因。

2.最小流動(dòng)孔喉半徑

孔隙度和滲透率是表征儲(chǔ)層性能的參數(shù)[2]。滲透率隨孔隙度增加而升高，但相同孔隙度的樣品滲透率差別大，且滲透率受孔隙結(jié)構(gòu)影響較大。在油氣聚集過(guò)程中，孔喉結(jié)構(gòu)影響原油進(jìn)入儲(chǔ)層的難易程度[3]。根據(jù)孔喉半徑及其孔隙體積對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)率，可將孔喉半徑劃分為兩類(lèi)，一類(lèi)是對(duì)滲透率貢獻(xiàn)較大的粗孔喉，其孔喉半徑下限值為最小流動(dòng)孔喉半徑，孔喉空間被原油和可動(dòng)水占據(jù)；另一類(lèi)是貢獻(xiàn)較小的細(xì)孔喉，潤(rùn)濕相占據(jù)了該空間。

(1)滲透率貢獻(xiàn)率下限值確定方法

實(shí)驗(yàn)室確定束縛水飽和度及最小流動(dòng)孔喉半徑的方法有半滲透隔板法、壓汞法及核磁共振法等。半滲透隔板氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)充分模擬了油氣運(yùn)移過(guò)程中非濕潤(rùn)相驅(qū)替濕潤(rùn)相的過(guò)程，可確定束縛水飽和度，但測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，難以大量測(cè)量[4]。核磁共振巖心分析技術(shù)能間接反映巖石孔隙結(jié)構(gòu)，具有檢測(cè)快速、無(wú)損巖心、可重復(fù)檢測(cè)等待點(diǎn)。張沖等認(rèn)為：離心力使毛管壓力達(dá)到1.379MPa時(shí)，求取的最小流動(dòng)孔喉半徑與半滲透隔板法結(jié)果一致[5]。多數(shù)研究者用恒壓壓汞法，把滲透率貢獻(xiàn)率達(dá)到99.99%時(shí)對(duì)應(yīng)的孔喉半徑作為最小流動(dòng)孔喉半徑，但其不是定值，而是隨油田儲(chǔ)集層、油氣流體性質(zhì)變化的值。相同壓力條件下，原油能進(jìn)入的毛細(xì)管半徑是汞可進(jìn)入的孔喉半徑的1/14.145。因此，使用毛細(xì)管壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，需轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的油藏高度、運(yùn)移動(dòng)力、毛細(xì)管半徑等數(shù)據(jù)。

本研究利用壓汞實(shí)驗(yàn)資料確定儲(chǔ)層的最小流動(dòng)孔喉半徑。由達(dá)西定律和泊稷葉毛管束模型可導(dǎo)出滲透率的理論表達(dá)式，具體如下：

式中，k為滲透率，mD；r為孔喉半徑，μm；φ為孔隙度，小數(shù)；τ為孔隙迂曲度，無(wú)因次。

由上式看出，影響滲透率的因素為孔隙度、孔喉半徑和孔隙迂曲度，滲透率與孔隙度成正比關(guān)系，與孔喉半徑的平方成正比，與孔隙迂曲度的平方成反比?？紫队厍仁且豁?xiàng)無(wú)法求取的參數(shù)，利用壓汞實(shí)驗(yàn)資料計(jì)算滲透率貢獻(xiàn)率時(shí)，采用的方法為：用區(qū)間滲透率貢獻(xiàn)率△φ×r2除以滲透率累計(jì)貢獻(xiàn)率∑△φi×ri2，計(jì)算出每個(gè)區(qū)間的滲透率貢獻(xiàn)率，其和為100%。每一個(gè)壓汞實(shí)驗(yàn)樣品都可以得出滲透率貢獻(xiàn)率為99.99%時(shí)的孔喉半徑——即最小流動(dòng)孔喉半徑，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的滲透率和最小孔喉流動(dòng)半徑，可建立如下關(guān)系式：

式中，r 為滲透率貢獻(xiàn)率99.99%時(shí)的最小流動(dòng)孔喉，μm；k為滲透率，md。但是，利用壓汞樣品計(jì)算出滲透率貢獻(xiàn)率為99.99%時(shí)的最小流動(dòng)孔喉半徑并非定值，而是隨滲透率增加而升高。

實(shí)踐證明，滲透率是影響油層產(chǎn)能的重要因素，試油資料可確定有效產(chǎn)液層的滲透率下限值，利用公式（2）和滲透率下限值可得出油田的最小流動(dòng)孔喉半徑。

筆者研究發(fā)現(xiàn)，利用滲透率貢獻(xiàn)率99.99%得到的孔喉半徑小、孔喉區(qū)間所占比例低。若以滲透率增量貢獻(xiàn)率小于1%作為下限，多數(shù)樣品的滲透率貢獻(xiàn)率為99%時(shí)，孔喉半徑對(duì)應(yīng)的孔喉區(qū)間分布頻率高，能較好地反映主孔喉區(qū)間對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)，故本次以99%作為滲透率貢獻(xiàn)率的界限值。

將滲透率貢獻(xiàn)率調(diào)整為99%后，滲透率與最小孔喉流動(dòng)孔喉半徑關(guān)系：

滲透率隨最小流動(dòng)孔喉半徑增加呈指數(shù)形式上升。

(2)影響最小流動(dòng)孔喉半徑計(jì)算精度的主要因素

①麻皮效應(yīng)。排驅(qū)壓力為壓汞曲線(xiàn)初始拐點(diǎn)位置，拐點(diǎn)之前的進(jìn)汞量并非真實(shí)進(jìn)汞量，而是受麻皮效應(yīng)影響，巖樣表面凸凹引起的虛假進(jìn)汞量[6]，這部分進(jìn)汞量應(yīng)剔除。

②低飽和度油層物性下限。儲(chǔ)層物性下限用孔隙度和滲透率度量。儲(chǔ)層滲透率是影響產(chǎn)能的重要因素[7]，統(tǒng)計(jì)試油和巖心物性資料得出有效儲(chǔ)集層滲透率下限為3mD。

③毛細(xì)管內(nèi)薄膜水厚度。壓汞實(shí)驗(yàn)前對(duì)巖樣進(jìn)行烘干處理，附著在巖石表面的薄膜水蒸發(fā)，孔喉半徑擴(kuò)大。利用壓汞資料確定最小孔喉流動(dòng)半徑時(shí)應(yīng)對(duì)薄膜水厚度校正。高陽(yáng)等利用水鎖實(shí)驗(yàn)、核磁共振實(shí)驗(yàn)確定石英表面束縛水薄膜厚度為0.0166～0.0395μm，平均0.0281μm。本次借鑒其研究，水膜厚度取值0.0281μm。

(3)最小流動(dòng)孔喉半徑確定方法

孔隙反映巖石儲(chǔ)集能力，喉道大小及形狀控制著孔隙的儲(chǔ)集和滲透能力[8]。以滲透率3mD為條件，滲透率貢獻(xiàn)率為99%對(duì)應(yīng)的孔喉半徑為最小流動(dòng)孔喉半徑，由式（3）得出孔喉半徑為0.012μm，校正后最小流動(dòng)孔喉半徑為0.0401μm。

3.油藏高度與原油進(jìn)入的孔喉半徑

原油運(yùn)移動(dòng)力取決于油藏高度和原油密度，原油運(yùn)移阻力取決于孔隙毛細(xì)管半徑。原油運(yùn)移動(dòng)力表達(dá)式：

式中：F為油水產(chǎn)生的浮力，Pa；ρw為地層水密度，kg/m3；ρo為地層原油密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為油藏高度，m。

毛細(xì)管力表達(dá)式：

式中：Pc為毛細(xì)管壓力，Pa；δ為油水界面張力，mN/cm；r為孔喉半徑，μm；θ為油水潤(rùn)濕角，°。

留62斷塊ES1下油藏原油密度為870kg/m3，重力加速度為9.8m/s2，油水潤(rùn)濕角為30°，油水界面張力為30mN/cm。Ⅰ-3小層為低飽和度油層，該小層油藏高度為120m，產(chǎn)生的運(yùn)移動(dòng)力為0.188MPa。由上述公式得出原油能進(jìn)入的毛管半徑為0.276μm。

4.低飽和度油藏成因分析

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為聚集位置遠(yuǎn)離烴源巖、低幅度構(gòu)造、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、油氣滲漏及運(yùn)移阻力大是該類(lèi)油藏形成的主控因素[9]。研究區(qū)儲(chǔ)集層構(gòu)造與沉積相變化和相控儲(chǔ)層物性是油藏低飽和度的主要原因。

(1)孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)與可動(dòng)流體分析

若處于構(gòu)造高部位的儲(chǔ)集層的孔喉半徑小于0.04μm，儲(chǔ)層為干層；孔喉半徑為0.04～0.276μm，儲(chǔ)層儲(chǔ)水；半徑大于0.276μm，為飽和度較高的純油層；孔喉半徑在0.276μm左右時(shí)，易形成低飽和度油藏。油藏高度隨構(gòu)造位置而變化，處于構(gòu)造中低部位的油層，油藏高度降低，原油運(yùn)移動(dòng)力降低，能進(jìn)入的孔喉半徑更大。

(2)沉積相與構(gòu)造的關(guān)系有利于形成低飽和度油藏

研究區(qū)物源方向?yàn)槲鞅辈亢蜄|部。東部物源處于構(gòu)造高部位，河道砂巖東南部受斷層遮擋，東北部受巖性遮擋，西部被斷層切割，形成孤立河道砂巖圈閉條件。西北部物源發(fā)育兩條次級(jí)分流河道。北部分流河道砂巖在構(gòu)造高部位發(fā)育席狀砂巖，沉積末端的席狀砂巖為干層，形成巖性遮擋，并在巖性遮擋層附近發(fā)育北東走向斷層，為構(gòu)造高部位形成遮擋提供條件。河道砂巖東北部方向，巖性和斷層形成遮擋條件。西部物源南端的分流河道受斷層和沉積的雙重作用，形成多個(gè)面積較小的油藏。

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造、不同微相滲透率分布、試油情況得出：研究區(qū)沉積時(shí)期處于三角洲前緣部位，分流河道已靠近席狀砂巖，沉積微相以發(fā)育次級(jí)分流河道為主。次級(jí)分流河道砂巖厚度薄，碎屑顆粒以中細(xì)砂巖為主，滲透率為10～50mD，巖石孔喉半徑大于0.276μm，多為純油層，電阻率大于15Ω·m，試油結(jié)果為產(chǎn)油不產(chǎn)水?？拷至骱拥赖穆┥啊⑾癄钌皫r，滲透率為3～10mD，巖石孔喉半徑在0.276μm左右。孔喉半徑大于0.276μm的孔隙內(nèi)儲(chǔ)集了原油，孔喉半徑在0.0401～0.276μm的孔隙內(nèi)儲(chǔ)集了可動(dòng)水；這類(lèi)儲(chǔ)集層多為油水共存的低飽和度油層或含油水層，含油層段的電阻率10～15Ω·m，含水層段電阻率7～10Ω·m。遠(yuǎn)離河道的漫灘砂、席狀砂巖，巖性以粉砂巖為主，滲透率為0.1～3mD，滲透率較高的砂巖具有產(chǎn)水能力，滲透率較低的為干層（圖1）。

圖1 留62-20與留62-30井ES1下Ⅰ-3小層解釋成果圖

5.結(jié)論

（1）孔喉半徑與孔喉分布頻率是低飽和度油層形成的關(guān)鍵。當(dāng)儲(chǔ)層主要孔喉區(qū)間的孔喉半徑約為原油進(jìn)入巖石的孔喉半徑界限時(shí)，會(huì)形成大孔喉孔隙區(qū)間充注原油、小孔喉孔隙充注地層水；孔喉半徑介于最小流動(dòng)孔喉半徑與原油進(jìn)入巖石的孔喉半徑界限時(shí)，孔隙內(nèi)存儲(chǔ)可動(dòng)水。（2）壓汞樣品的最小流動(dòng)孔喉半徑并非定值。最小流動(dòng)孔喉半徑與滲透率呈指數(shù)關(guān)系，且最小流動(dòng)孔喉半徑隨滲透率增加而升高。（3）較合理的最小流動(dòng)孔喉半徑確定：利用試油資料確定有效儲(chǔ)層滲透率下限，并由關(guān)系式（2）得出有效儲(chǔ)層的最小流動(dòng)孔喉半徑，對(duì)薄膜水校正后得到最小流動(dòng)孔喉半徑。（4）油氣流體性質(zhì)和油藏高度是影響最小流動(dòng)孔喉半徑和低飽和度形成的重要因素。油藏高度低、原油密度較大，原油能進(jìn)入的孔喉半徑大，最小孔喉流動(dòng)半徑與原油可進(jìn)入的孔喉半徑之間的孔喉區(qū)間大，易形成低飽和度油藏。（5）沉積相帶對(duì)低飽和度油層分布具有控制作用。分流河道砂巖孔喉半徑大，易形成飽和油藏；孔喉半徑小，分布范圍大、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然堤、決口扇、席狀砂、漫灘砂巖易形成低飽和度油藏。