中孔砂岩盖层物性封闭能力研究

石磊, 冯进

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司研究院, 广东 广州 510240)

0 引 言

油气运移聚集过程中盖层封堵的有效性起到至关重要的作用。中国国内盖层封堵研究主要是针对盖层形成机理进行,将盖层封堵分为物性封闭、压力封闭和烃浓度封闭等3种方式。理论上,物性封闭只能封堵呈游离相运移的油气;压力封闭只存在特定的地质条件中即欠压实盖层;烃浓度封闭存在于既具有生烃能力又具有异常孔隙流体压力的盖层[1-4]。人们对盖层的物性封堵进行了大量的研究,但大都是基于物性较差的致密岩性盖层或者泥岩盖层,利用突破压力、盖层厚度等宏观参数进行评价[4-5],难以说明一些非常规盖层的封闭能力,例如K1井1 m厚的中孔砂岩盖层。利用测井资料提取参数对盖层评价却忽略盖层的封闭机理,难以准确定量评价盖层的封闭能力[6-8]。本文从这一特殊盖层的岩性入手,以岩心实验分析为基础,结合岩石物理特性及渗流机理,深入研究中孔隙度砂岩盖层的形成机理,定量评价中孔隙度砂岩盖层的封闭能力。在此基础上,分别建立烃柱高度与盖层孔隙半径及流体性质之间的关系,通过预探井的测井资料计算出盖层封闭的烃柱高度,为海上勘探的评价井井位设计提供一定的参考依据,给L油田油气运移成藏提供新的思路。

1 物性封闭的理论基础

油气密度比水小。在正常地层压力下生成的油气会在浮力的作用下向上运移。当油气运移到圈闭的顶部就会聚集起来,并将水驱替至下方。所以水是不会出现在油气之上;如果出现,其中必有盖层将油气封堵[9-10]。

分析盖层的封堵机理,发现对于物性较好的储层,良好盖层不一定需要泥岩,也不需要较厚的致密层。图1为盖层物性封闭机理示意图[10]。当盖层物性封堵住油气,上覆盖层的孔隙半径一定比下部储层的孔隙半径要小,油气在向上运移的过程中就要克服上覆盖层的毛细管压力,而且油气浮力一定要小于或者等于盖层的毛细管压力。

图1 盖层的物性封堵机理

(1)

pc=(2σcosθ)/R

(2)[9]

当Fo≤pc时所封闭油柱高度

H≤(2σcosθ)/R(ρw-ρo)

(3)

式中,Fo为油所受到的浮力;pc为毛细管压力;H为油柱高度;σ为油水界面张力;θ为界面接触角;R为孔隙半径;g为重力加速度,常取9.8 m/s2;ρw和ρo分别为地层水和油的密度。

从式(3)可以看出,地层在正常压力下盖层物性封闭能力与盖层的厚度无关,仅与盖层的孔隙半径和储层的流体性质有关。但是实际上,无论盖层具有多好的物性封堵能力,还需要一定的厚度,首先盖层厚度太薄,稳定性就差,随着长时间的地质运动会消失;其次,盖层厚度增加,常伴随有横向展布,如果横向展布太小,不利于油气成藏。这就是为什么一些大型油气藏都有较厚盖层的原因。

2 盖层的岩性分析

图2中K1井储层2 345～2 372.3 m段油水隔开处1 m的砂岩盖层(2 350～2 351 m)自然伽马值接近上下泥岩大小,Pe曲线高于砂岩段,密度值低于泥岩值但高于砂岩值,中子测井值与砂岩大小相近,且密度中子测井值并未交会,砂岩特征不明显;录井资料与岩心分析资料(见表1)表明Z1油层盖层的岩性确为砂岩。通过矿物含量分析发现引起此砂岩层高自然伽马、高密度的主要因素是海绿石。海绿石属云母类矿物,在南海东部地层中具有较高放射性和高骨架密度[11]。

图2 K1井Z1层段测井曲线

录井资料录井岩屑分析岩性为含砾泥质砂岩井壁取心描述含砾细砂岩:绿灰色,成分主要为石英,次为长石,少量暗色矿物,细粒为主,少量中粗粒,泥质胶结,富含海绿石薄片分析碎屑组分26.5%海绿石,60.5%石英常规岩心分析孔隙度17%,渗透率3mD**粒度分析泥级颗粒即(极细砂岩以下)为泥质,计算其含量为16.52%

**非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4μm2,下同

MDT测压结果表明其地层压力正常,取样Z1油层原油密度(0.939 8 g/cm3)较高,且无沥青质含量,表明原油受到的浮力偏小;原油黏度较低,经实验分析盖层岩石表面结构与化学性质可知岩石的亲油性不强,表明原油受到流动阻力较小。推断该处形成砂岩盖层的原因可能是物性封闭导致。本文根据物性封闭原理,针对Z1油层的盖层的各物性参数进行分析,找出形成物性封堵的主要因素,并对其封堵能力进行定量评价。

3 盖层物性封闭能力分析

当烃类在盖层毛细管内具有向上运移趋势,必然会受到流动阻力。按照达西渗流理论,运移过程所受到的阻力与流体流速成正比关系,而烃类通过盖层可认为是缓慢的地质过程,其流速近似为0,因此,运移过程中所受到阻力也近似于0[12]。对于低黏度原油,在没有亲油岩石的影响下,流动阻力相对于毛细管压力可忽略不计。同理,当流体黏度较高时,其流动为非达西流,会受到流体的黏滞力影响[13]。

从物性封闭理论可知,物性封闭实质是盖层与储集层之间的物性差异引起的毛细管压力不同所造成的盖层对油气的封闭作用[4]。在满足达西线性渗流的条件下,毛细管压力是唯一以力的形式表征盖层物性封闭能力的参数。评价盖层封闭能力的最直观参数是其封闭烃柱的高度,盖层物性封闭能力大小仅与盖层的孔隙半径和储层的流体密度有关。

3.1 孔隙半径

根据式(3)可以建立盖层可封闭烃柱高度与孔隙半径的关系

R≤200σcosθ/H(ρw-ρo)

(4)

式中,H为烃柱高度,m;R为孔隙半径,μm;ρw为地层水密度,g/cm3;ρo为Z1油层的原油密度,g/cm3。

K1井的油藏条件是油水系统(见表2),在该系统的地层条件下,接触角θ为30 °,σ=0.03 N/m,可知σcosθ=0.026 N/m;再根据MDT测试取样的分析资料,可知Z1油层的原油密度为0.939 8 g/cm3,地层水密度为1.023 8 g/cm3;确定自由水界面后可知Z1油层的油柱高度为4.3 m。

根据式(4)计算表明,盖层如果要封闭4.3 m品质的油柱,只需盖层的孔隙半径R≤14.4 μm。图3、图4通过对K1井的Z1层孔隙半径与孔隙度关系、孔隙半径与渗透率关系分析也表明,孔隙度的大小与孔隙半径相关性很差,渗透率大小却受孔隙半径影响较大,这就是为什么中孔低渗透率砂岩可以封堵油气的原因。

表2 接触角与界面张力

图3 K1井Z1层孔隙半径与孔隙度关系

图4 K1井Z1层孔隙半径与渗透率关系

在流体性质不变时,根据式(4)建立K1井孔隙半径与可封闭烃柱高度的关系(见图5)。从图版中可以根据不同盖层的孔隙半径确定其封闭能力,这有助于油层确定自由水界面,给评价井的井位设计提供参数。

图5 K1井孔隙半径与可封闭烃柱高度的关系

3.2 流体密度

根据压汞分析数据可知实验室Z1油层盖层(2 350.5 m)的排驱压力phw=0.196 MPa(见表3),通过地层毛细管压力与实验毛细管压力关系换算式

pow=[(σowcosθow)/(σhwcosθhw)]pwg≈1/15phw

(5)

计算得到Z1油层盖层的地层毛细管压力pow=0.013 8 MPa。

表3 压汞实验分析数据(部分)

根据物性封闭机理,当盖层物性不变,如果烃的密度越大,烃受到的浮力就越小,盖层物性封闭能力就越大。随着油品变化,盖层可封闭烃柱的高度也会变化;当毛细管压力为排驱压力时,盖层可封闭烃柱的高度为

H=100pow/(ρw-ρo)

(6)

可知,Z1油层盖层能封堵的烃柱高度为16.4 m,排驱压力是岩石中的水被油气驱替的最小毛细管压力,表明Z1的盖层至少能封堵住16.4 m此品质的烃柱。

4 物性封闭对油气成藏影响

L3井珠海组的砂体位于位于良好的油气通道上,岩性以细砂岩为主,上覆良好泥岩盖层。从储层物性分析,覆压孔隙度分布在10%～19.5%,覆压渗透率大多数集中小于0.1～100 mD,但没有油气显示,形成一种有砂无(油)气的现象。

根据K1井启示,L3井珠海组砂岩有形成物性封闭盖层的可能[14-16]。对于气藏,无流动阻力影响,要求出盖层的物性封闭能力只要知道盖层的孔隙半径与所封闭的流体密度即可。L3井珠海组没有油气成藏,没有气体样品。通过测压回归可知珠江组主力层流体密度为0.251 8 g/cm3,从岩心压汞资料可以知道珠海组主要储层的孔隙半径。

对数据进行分析时发现,结果与K1井相似。随着平均孔隙半径减小,渗透率也将变小;随着孔隙半径减小,盖层能封闭气柱高度会明显增大;渗透率大小受孔隙半径影响要远大于孔隙度受孔隙半径的影响,渗透率更小的储层物性封闭能力将更强。

图6 L3井渗透率与可封闭平均气柱高度的关系

综合分析孔隙半径、渗透率和可封闭气柱高度的三者的关系,如图6合理计算得到L3井渗透率与可封闭平均气柱高度的关系。图6中,当渗透率低至一定条件时,珠海组的砂岩层就会有很强的封闭能力,很有可能成为局部盖层阻挡油气运移。

综合以上分析,评价砂岩盖层物性封闭能力的主要参数为渗透率、排替压力及可封闭气柱高度。根据区域地质盖层评价标准[17]和砂岩盖层的物性封闭能力定量计算结果,建立L3井珠海组砂岩盖层评价标准(见表4)。

表4 L3井珠海组砂岩盖层评价标准

在没有断层等地质因素影响的条件下,砂体往往被认为是油气运移的良好通道。为了进一步解释L3井珠海组有砂无气现象,根据L3井珠海组砂岩盖层评价标准建立单井砂岩物性封闭能力分析表(见表 5 ),通过联系区域内所有单井砂岩物性封闭能力分析表,可以推断,影响L3井珠海组油气成藏的主要原因很有可能就是砂岩具有较强的物性封闭能力。

表5 L3井珠海组砂岩物性封闭能力表(部分)

5 结 论

(1) 影响盖层物性封闭能力的宏观表现主要是盖层的渗透率和所封闭的流体性质,与孔隙度的相关性较差。在一定条件下,孔隙较大的砂岩也能成为盖层。

(2) 定量计算可知,对于K1井Z1层如要封堵高度为4.3 m的密度为0.939 8 g/cm3油柱,盖层的最大孔隙半径不得大于14.4 μm;理论上Z1油层盖层至少能封堵住16.4 m同品质油柱高度,有助于K1井评价井的井位设计。

(3) 由K1井的启示,根据L3井储层物性封闭能力分析结果,表明储层物性变差有可能转变为盖层封闭油气。

(4) 建立L3井砂岩盖层评价标准,并建立区域单井砂岩盖层物性封闭能力表,能够合理推断L3井珠海组有砂无(油)气的主要原因很有可能是砂岩具有较强的物性封闭能力。

参考文献:

[1] 吴元燕, 吴胜和, 蔡正旗. 油矿地质学 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2005: 237-246.

[2] 付广, 许凤鸣. 盖层厚度对封闭能力控制作用分析 [J]. 天然气地球科学, 2003, 14(3): 186-190.

[3] 张林晔, 包友书. 盖层物性封闭能力与油气流体物理性质关系探讨 [J]. 中国科学, 2010, 40(1): 28-33.

[4] 何光玉, 张卫华. 泥岩盖层研究现状及发展趋势 [J]. 天然气地球科学, 1997, 8(2): 9-12. [5] Hans R. Grunau. A Worldwide Look at the Cap-rock Problem [J]. Journal of Petroleum Geology, 1987, 10(3): 245-265.

[6] 赵长举. 大牛地气田上古生界储盖组合测井分析 [J]. 测井技术, 2005, 29(4): 345-348.

[7] 焦翠华. 测井资料在盖层评价中的应用 [J]. 测井技术, 2004, 28(1): 45-47.

[8] 李国平, 储盖组合测井解释方法研究 [J]. 测井技术, 1997, 20(2): 98-104.

[9] 何更生. 油层物理 [M]. 北京: 石油工业出版社, 1994: 164-250.

[10] 朱苏阳, 李传亮. 顶水油藏概念的质疑 [J]. 岩性油气藏, 2013, 25(1): 21-23.

[11] 谭伟雄, 刘坤. LH油田海绿石层识别特征及指示意义 [J]. 录井工程, 2013, 24(3): 78-80.

[12] 张蕾. 盖层物性封闭力学机制新认识 [J]. 天然气地球科学, 2010, 21(1): 112-116.

[13] 谢晓庆, 张贤松, 张凤久, 等. 薄层低品位油藏孔隙结构及渗流特征 [J]. 成都理工大学学报: 自然科学版, 2013, 40(1): 34-39.

[14] 郑朝阳, 张文达, 朱盘良. 盖层类型及其对油气运移聚集的控制作用 [J]. 石油与天然气地质, 1996, 17(2): 97-101.

[15] Revil A, Cathles III L M, Shosa1 J D, Pezard P A, de Larouzière F D. Capillary Sealing in Sedimentary Basins: A Clear Field Example [J]. Geophysical Research Letters, 1998, 25(3): 389-392.

[16] Hildenbrand A, Schlömer S, Krooss B M. Gas Breakthrough Experiments on Fine-grained Sedimentary Rocks [J]. Geofluids, 2002, 2(1): 3-23.

[17] 陈建亮, 施和生, 舒誉, 等. 测井盖层评价方法在珠一坳陷的应用 [J]. 中国海上油气, 2007, 19(3): 157-161.