鄂尔多斯盆地东缘临兴区块盒8段致密砂岩储层天然气低产原因剖析

2022-01-12徐延勇韩旭张兵陆小霞

河南理工大学学报(自然科学版) 2022年1期

徐延勇，韩旭，张兵，陆小霞

（中联煤层气有限责任公司，北京 100011）

0 引言

2018年中国天然气消费量同比增长16.6%，对外依存度达到45.3%，天然气能源安全形势严峻。中国致密气分布广泛、资源丰富，开发致密气是增加天然气自给能力，保障能源安全的重要途径之一［1］。

为了提高致密气产量，学者们基于鄂尔多斯、塔里木、四川等盆地致密气探索，指出致密气藏具有低资源丰度、低孔隙度、低渗透率、异常压力、高含水饱和度等特点［2-3］，并针对致密气特点，开展了一系列致密气开发关键技术研究，包括精细气藏描述、井网设计与优化、钻完井以及增产改造等［4-5］。然而，由于致密气藏具有强非均质性，各区致密储层既有共性又有特殊性，实现高效开发必须厘清储层基本特征，并制定相应的钻井、压裂、排采措施。本次研究对象位于鄂尔多斯盆地东缘临兴区块，盒8段为区内主力储层，致密砂岩气储量丰富，约占地质资源总量的13%。前期勘探工作表明，该储层压裂试气效果不佳，直井平均产气量为5 000 m3/d，水平井单井产气量不足10 000 m3/d，难以有效动用资源量，严重制约该区规模性开发。因此，盒8段致密砂岩层气井低产原因是当前区块高效开发亟待查明的关键问题。在此背景下，本次研究力争通过目标储层分析，查明储层特性，明确储层敏感性，据此优化工程施工，包括钻井工艺、压裂液工艺、返排制度等，以期提高研究区盒8段单井产量。

1 研究区地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带上（图1），气藏类型属构造背景下的岩性气藏［6-7］。近年来，致密砂岩气的勘探工作取得显著成效，上古生界石盒子组盒8段是该区块的主要目的层，受沉积环境影响，盒8段呈现网状或交织状分流河道沉积特征，分流河道沉积占主导，分流河道间沉积相对不发育，多期河道彼此叠置形成巨厚型砂［8-9］。研究区内发育3条主河道，砂体呈近南北向展布，且厚度较大，一般为2.8～42.3 m，平均22.3 m，连续性较好，为致密砂岩气富集提供了有利条件。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

2 储层特征

2.1 岩石学特征

根据薄片鉴定资料，盒8段储层岩石类型主要为岩屑石英砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑砂岩（图2）。储层石英平均体积分数68.50%，岩屑平均体积分数24.60%，长石平均体积分数6.90%。由岩心观察结果可知，盒8段储层以中-粗粒砂岩为主，粗-巨粒砂岩次之，分选磨圆度中等-好，多为次棱角状、次棱角-次圆状、次圆状。

受沉积物源影响，盒8段岩屑平均体积分数24.60%。岩屑组分以变质岩岩屑为主，其中石英岩岩屑和片岩岩屑占49.37%，火成岩岩屑次之，其中酸性喷发岩约占22.15%（表1）。石英类颗粒体积分数明显偏低，平均体积分数31.31%，塑性组分（片岩、泥岩、云母）体积分数较高，平均40.48%（表2）。

表2 研究区碎屑颗粒体积分数Tab.2 Detrital grains content in the study area %

X-衍射分析表明，盒8段黏土矿物较多，平均占比为20%，主要有高岭石、伊利石、绿泥石、伊利石/蒙皂石（I/S）混层4类。其中I/S混层占比最大，约为37.47%，其次高岭石，为30.47%。黏土矿物组合类型为伊利石/蒙皂石+伊利石+高岭石+绿泥石。

2.2 物性特征

盒8段储层整体表现为典型的“低孔、低渗”特征。由163块岩心测试结果可知，孔隙度主要分布在4%～6%间，呈正态分布，平均孔隙度为5.53%；渗透率为（0.1～0.5）×10-3μm2，平均0.184×10-3μm2；孔隙度和渗透率具有一定的线性相关性，但部分低孔隙度储层仍表现出较好的渗透性（图3）。

图3 储层物性特征Fig.3 Physical property of the reservoir

储层渗透率的变异系数和突进系数是表征储层非均质性的重要参数［10-11］。研究区盒8段储层变异系数为0.121～53.578，平均3.517；突进系数为1.00～7.04，平均2.495，表现出较强的非均质性。

2.3 孔隙特征

由于后期较强烈的压实、胶结等作用改造，盒8段原生孔隙大量减少，后期溶蚀、交代作用等产生的次生孔隙为储层的主要孔隙类型。由常规薄片、铸体薄片和扫描电镜观察结果可知，溶孔是盒8段主要储集空间类型，主要包括粒间溶孔和粒内溶孔，其中粒间溶孔又以胶结物溶孔为主，约占总孔隙的60%。长石溶孔也较常见，但发育程度不高，对储层有效孔隙度的贡献一般小于1%，对储集性能改善作用不明显（图4）。

图4 储层主要孔隙类型Fig.4 Main types of pores in the reservoir

储层孔隙结构主要由孔隙和喉道组成，喉道是连通两个孔隙的狭窄通道，对储层的渗流能力起着决定性作用［12-13］。由压汞试验结果可知，盒8段储层排驱压力为0.36～2.11 MPa，平均1.05 MPa；中值压力为10.10～92.90 MPa，均值为45.93 MPa。总体表现为高排驱压力和中值压力，储层渗透性较差。最大进汞饱和度为19.80%～74.60%，平均47.52%，退汞效率平均为21.57%，反映储层渗透性较差且孔隙之间的连通性较差。分选系数均值为2.19，储层表现出较强的非均质性（表3）。综上，盒8段储层总体表现为高排驱压力、细孔喉、强非均质性等特点。

表3 储层压汞试验数据分析Tab.3 Results of the pressured-mercury testing on the reservoir

毛管压力特征曲线显示，平台不明显，以陡斜式为主，缺少与纵轴平行的束缚水饱和度，孔喉分选差，属于低渗、特低渗型毛管压力曲线（图5）。

3 储层敏感性评价

3.1 速敏性分析

速敏是指由于流体流动速度变化引起储层岩石中微粒运移，堵塞喉道，导致岩石渗透率或有效渗透率下降的现象。通常采用临界流速和渗透率降低程度（即损害率）2个参数对储层速敏性进行评价［14］。

速敏试验结果表明，岩样的平均速敏损害率达45%，属于中等偏强速敏。由于所取样本有限，并不能说明损害程度与原始渗透率有直接关系，因此以渗透率损害率超过20%（渗透率比值低于80%）时的上一试验流速作为此试验的临界流速［15］。本次试验的临界流速约为0.1 mL/min（图6）。此外，盒8段岩石学特征分析结果表明，

储层含黏土矿物较多，其中高岭石占30.47%，当流体流动时，高岭石颗粒更容易被冲刷、运移，形成桥堵，引起储层速敏。两个试验的结果进一步证实了本研究储层速敏较强。

3.2 水敏性分析

与地层不配伍的外来流体进入储层后，引起储层中黏土矿物膨胀、分散、迁移、堵塞，从而导致储层渗透率下降，称为水敏［16-17］。盒8段水敏、盐敏和黏土膨胀试验结果显示（表4），平均水敏渗透率损害率为78.6%，岩样表现出强水敏性。并且，从盐度反应而言，降低盐水矿化度极易产生渗透率损害。X-ray衍射分析结果显示，研究区盒8段储层含黏土矿物中I/S混层占比最大，约为37.47%，是造成储层强水敏的主要原因。

表4 水敏试验数据分析Tab.4 Analyses of the water sensitivity testing

式中：Dw为水敏渗透率损害率，%；Kw为水敏试验中去离子水对应的岩样渗透率，10-3μm2；Ki为水敏试验中初始流体对应的岩样渗透率，10-3μm2。

3.3 应力敏感性分析

应力敏感性是指施加一定有效应力时，岩样的物性参数随应力变化而改变的性质［18-19］。对于低渗透储层，应力敏感性对渗透率损害比对孔隙度的损害更大［20-21］。应力敏感性引起的渗透率损害是不可逆的，通常采用应敏渗透率损害率作为应力敏感性的评价指标。

式中：Dk3为应力恢复至第一个应力点后产生的渗透率损害率；K′1为第一个应力点对应的岩样渗透率，10-3μm2；K1r为应力恢复至第一个应力点后的岩样渗透率，10-3μm2。

盒8段应力敏感性试验计算结果显示，应力敏感性引起的渗透率损害率为31.48%～53.83%，平均42.67%，岩样表现为中等偏弱的应力敏感性（表5，图7）。

图7 应力压敏性试验曲线Fig.7 Curves of the stress sensitivity testing

表5 应力敏感性试验数据分析Tab.5 Analyses the stress sensitivity testing

4 低产原因分析

4.1 储层物性较差，地质条件受限

研究区盒8段储层岩心孔隙度主要为4%～6%，平均5.53%，渗透率主要为0.1～0.5 mD，平均0.184 mD；三轴覆压平均孔隙度为4.42%，三轴覆压平均渗透率为0.07 mD，仅为地面渗透率的10%。由此，地层条件下储层更趋于致密，表现出明显的“低孔、低渗”特征。此外，盒8段储层也表现出高排驱压力、细孔喉、强非均质性等特点。岩石组成中塑性组分（片岩、泥岩、云母）含量较高，平均高达40.48%。这一系列特征决定了储层地质条件受限是造成单井产量低的原因之一。

4.2 储层敏感性强，工艺尚需深入研究

储层中含有黏土矿物较多，平均占比20%，其中以高岭石和伊蒙混层为主，占黏土矿物总量的67.94%。此类黏土矿物导致储层呈现较强的速敏及强水敏特征。此外，储层也表现出强压敏特征。因此，为了提高气井产量，在现场施工操作中，需严格控制钻井液配伍性和钻井周期、压裂液配方和压裂返排时间、放喷油嘴及试气、试采阶段井底压差等，减少储层损害（表6）。