玛湖1井区致密砂砾岩储层物性特征及其对流体可动性的影响

刘 赛,吴建邦,周 伟,杨胜来,甘博文,赵 帅,赵彬彬

(1.新疆油田公司 实验检测研究院/新疆维吾尔族自治区砾岩油气藏重点实验室,新疆 克拉玛依 834000;2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室/石油工程教育部重点实验室,北京 102249)

引 言

玛湖凹陷位于准噶尔盆地中央坳陷西北部,是目前世界上储量最大的砾岩油田,开发前景巨大[1-2]。玛湖1井区块百口泉组、乌尔禾组储层是玛湖油田非常规致密油藏开发的主力层位,是近年来储量增长和产量接替的关键性油藏层位。与常规砂岩油藏不同,砾岩油藏孔隙结构复杂、非均质性较强,使得砾岩油藏表现出特殊的渗流规律,加大了砾岩油藏的开发难度[3-4]。因此,系统评价玛湖致密砾岩储层物性和流体流动性特征对油田后续优化油气开发方案、提高油气采收率尤为重要。

物性和孔隙结构是衡量沉积岩储层质量的重要特征,国内外学者对砂岩储层的物性研究较多[5-7],但与砂岩油藏相比,致密砾岩储层的微观孔隙结构呈现复模态特征,孔喉分布不均匀,特殊的孔隙结构导致流体流动规律更加复杂,需要进行系统研究。目前,储层微观孔隙结构特征的主流方法主要包括铸体薄片、扫描电镜、压汞法、核磁共振等[8-11]。其中,铸体薄片、扫描电镜可以直观观察岩心局部孔隙形态,判别内部孔隙类型、矿物组成,但对于孔隙及喉道往往不能给出准确的尺寸范围。而压汞法、核磁共振属于研究微观孔隙结构特征的定量转换方法,可以定量表达岩心内部不同半径的孔隙、喉道分布规律。只有综合使用多种检测方法,并建立不同检测方法之间的转换方法,才能对储层的物性特征取得较为全面可靠的认识。

油气储层流体可动性是评价低渗透油藏储量动用难易程度的重要参数。实验室常使用离心实验与核磁共振技术结合的方法进行流体可动性研究。研究发现,致密砂岩储层流体可动性受宏观地质因素与储层微观孔隙结构共同作用。前人在致密砂岩油藏孔隙结构及流体可动性方面已经取得大量成果[12-15],但缺少对玛湖砂砾岩储层的流体可动性研究,综合研究砂砾岩物性、孔隙结构参数特别是砾石存在对流体可动性影响的研究较少。

本文以玛湖1井区块百口泉、上乌尔禾组和下乌尔禾组岩心物性资料为基础,采用铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、核磁共振等方法,系统评价3个层位致密砂砾岩物性和孔隙结构特征,并分析其对流体可动性的影响规律,以期为玛湖致密砂砾岩油藏勘探与开发提供较为准确的数据支撑。

1 地质概况

玛湖1井区位于玛湖凹陷南斜坡区,地层倾向东南,整体为一大型单斜构造,是准噶尔盆地重要的生烃区之一。玛南斜坡区地层纵向发育较全,由下往上主要发育二叠系和三叠系主力油层,本文的研究层位为二叠系乌尔禾组与三叠系百口泉组。

二叠系乌尔禾组处于克百断裂带与中拐凸起之间,存在中拐扇和白碱滩扇两大物源体系[4]。储层包括上乌尔禾组(P3w)和下乌尔禾组 (P2w),上乌尔禾组发育一套扇三角洲沉积体系,分布较为稳定,为该区的主力油层位[5-6]。

三叠系百口泉组与二叠系乌尔禾组呈不整合接触的沉积环境与乌尔禾组类似,为一套扇三角洲沉积体系[7]。储层共分3段,自下而上分别为百一段(T1b1)、百二段(T1b2)、百三段(T1b3)。百口泉组厚度70～150 m。百口泉组储层砂体和油层也主要分布在百口泉组二段。

2 储层特征

2.1 储层物性

储层物性特征包括孔隙度、渗透率和含油性特征,是反映储层储油能力和供油能力的重要参数。为了表征储层孔渗物性参数,对研究区216块岩心进行渗透率、孔隙度和含油性统计,结果如下:

如图1(a)所示,储层孔隙度为2%～15%,平均8.31%,中值8.43%;渗透率为(0.005～40.100)×10-3μm2,均值3.460×10-3μm2,中值1.210×10-3μm2;渗透率<1×10-3μm2的岩心占总数的近80%,一半以上的岩心孔隙度小于10%,按照储层分类标准,整体属于低孔低渗-致密储层。

图1 玛湖1井区致密砾岩孔渗及含油性分布

分层位来看,如图1(b)上乌尔禾组样品的孔隙度均大于4%,均值7.4%,渗透率均大于0.04 ×10-3μm2,均值4.92×10-3μm2;百口泉组岩心平均孔隙度为9.63%,平均渗透率为3.10×10-3μm2,孔渗数据在各区间内均有分布;下乌尔禾组岩心孔隙度均小于14%,均值6.83%,渗透率均小于10.24×10-3μm2,均值1.07×10-3μm2。可以看出,下乌尔禾组储层质量较差,上乌尔禾组样品渗透率较好,而百口泉组样品孔隙含量高。

含油性方面,如图1(c)所示,储层的油斑及油浸样品中90%以上来自于上乌尔禾组,百口泉组和下乌尔禾组样品的含油性主要为荧光,少量为油迹。可以看出,上乌尔禾组为研究区主力供油层位。

2.2 岩石学特征

根据该区块岩石薄片统计,储层岩性主要为灰色砂砾岩、砾岩、含砾粗砂岩、细砂岩。砾石成分以凝灰岩(体积分数30.56%)、花岗岩(体积分数21.0%)为主,石英(3.06%)、安山岩(1.63%)、泥质粉砂岩(1.25%)、霏细岩(1.19%)次之,还有少量粉砂岩、石英岩、泥岩等;砂质成分以凝灰岩(体积分数11.5%)、石英(7.56%)、花岗岩(5.88%)、长石(2.69%)为主,还含有少量的安山岩、霏细岩、硅质岩等。填隙物中杂基以泥质为主(7.69%)。胶结物主要为方解石(2.19%),黏土矿物类型以伊蒙混层、伊利石为主,含高岭石与绿泥石,具有潜在的强水敏性。颗粒接触方式以点-线接触和线接触为主,胶结中等—致密,胶结类型为压嵌式和孔隙-压嵌式,成分成熟度和结构成熟度均较低。

3 微观孔隙结构表征

3.1 孔隙类型

采用铸体薄片和扫描电镜对玛湖1井区块储层孔隙结构特征进行定性分析,从图2可以发现孔隙类型主要以粒内溶孔、原生粒间孔为主,其次为剩余粒间孔,含溶孔-微裂缝及砾缘缝。根据荧光薄片分析资料,储层中的油气主要赋存于粒内溶孔、粒间孔、微裂缝中。

图2 致密砾岩岩心镜下特征

3.2 孔隙结构特征

使用高压压汞法对乌尔禾组与百口泉组的典型岩样进行压汞实验分析,样品毛管压力曲线如图3所示。可以看到3块岩样的毛管压力曲线均不存在中间平缓段,随着注入压力的升高,汞饱和度不断上升,这表明砾岩储层具有复杂的孔隙结构,孔喉分选性较差。根据压汞曲线的参数特征,将样品分为3类,上乌尔禾组样品属于Ⅰ类,样品为S-1(Φ=12.4%,K=8.80×10-3μm2),百口泉组样品属于Ⅱ类,样品为B-1(Φ=5.90%,K=2.60×10-3μm2),下乌尔禾组样品属于Ⅲ类,样品为X-1(Φ=8.26%,K=0.653×10-3μm2)。

图3 毛管压力曲线及孔隙分布

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类曲线平均排驱压力分别为0.26、0.27和13.78 MPa。Ⅰ类、Ⅱ类曲线排驱压力较低,表明该类储层孔喉半径较大,储层物性好,Ⅰ类、Ⅱ类最大进汞饱和度大于94%,Ⅲ类退汞效率低,原因为该类岩心大孔隙分布少、小喉道占比大。Ⅰ类样品捕集滞后现象较为明显,可能原因是该类岩心主要以大孔隙小喉道为主,大孔隙中的滞留汞由小孔喉的屏蔽效应所造成。高压压汞测试孔喉半径范围为0.003～10.000 μm,对表征致密砾岩储层微观孔喉发育情况具有明显优势,能够精确评价储层岩心中不同孔喉半径占比。表1和图3(b)显示不同储层样品的孔喉分布特征,上乌尔禾组、百口泉组、下乌尔禾组样品的平均孔喉半径依次降低,分别为0.562、0.332、0.012 μm,反映孔喉空间依次变得致密。样品X-1均值系数最大,孔喉分布峰位仅为0.006 μm,说明下乌尔禾组储层集中分布着纳米级孔喉;上乌尔禾组和百口泉组储层孔喉分布范围较广,呈双峰分布,峰位较大,S-1样品的微米级(1 μm)峰占优势,B-1样品的亚微米级(0.01～0.10 μm)峰占优势。图4(b)为3块岩样的孔喉半径分布曲线与渗透率贡献率分布曲线。渗透率贡献率曲线表明,大孔喉虽然所占比例小,但对渗透率贡献起决定作用,大孔喉占比越大,样品渗透率越大、储层品质越好, 渗流能力越强。对于渗透率大于0.1×10-3μm2的砂砾岩,亚微米孔、微米孔对岩心渗流能力起决定性作用,对于小于0.1×10-3μm2的致密砂砾岩,其纳米孔和亚微米孔控制着岩心渗透性能;渗透率越低,小孔喉体积比例越大。虽然小孔喉对渗透率贡献率较小,但主要控制着储层的储集能力。

表1 不同储层样品的物性及压汞孔喉特征参数

图4 压汞-核磁转换结果及核磁孔径分布

3.3 压汞-核磁孔喉半径转换

使用SPEC-核磁共振岩心分析仪进行岩样核磁共振T2谱测定,同时结合高压压汞实验测试得到的岩心孔喉半径分布曲线,可以建立玛湖1井区岩心的高压压汞-核磁共振孔喉半径转换模型[11],进而计算核磁共振实验得到的孔喉特征。对于采用球棍模型表征的微观孔隙,在核磁共振实验中,孔喉半径r与T2驰豫谱的关系可以表示为

r=CT21/n。

(1)

式中:r为孔喉半径,μm;T2为核磁驰豫谱,ms;C为孔喉半径与核磁T2谱的转换系数,无量纲;n为幂,无量纲。

求得式(1)中的C和n值,即能将岩心饱和流体的T2谱分布转换为该岩心的孔喉半径分布曲线。本研究利用Matlab软件进行参数C和n的拟合求解,拟合过程选用3次样条插值(spline插值),据此求得不同孔隙累积分布频率Si所对应的压汞孔喉半径和核磁T2幅度数值。最终得到百口泉组岩心C和n值分别为0.012 11和0.917 40,截断误差0.994 6,上乌尔禾组岩心C和n值分别为0.010 45和1.285 00,截断误差0.999 5,下乌尔禾组岩心C和n值分别为0.008 642和1.497 900,截断误差0.997 5,如图4(a)所示,模型拟合程度较高,与文献数据相吻合[11-13]。

从图4(b)可以看出转换后的核磁共振孔喉分布,其分布规律与压汞测试结果相似。上乌尔禾组S-1样品和百口泉组B-1样品呈双峰分布,右峰为大孔峰,峰位为1 μm,左峰为小孔峰,峰位为0.02 μm,不同的是,S-1的右峰高于左峰,B-1的左峰高于右峰,说明上乌尔禾组样品大孔含量较高。下乌尔禾组X-1岩心以峰位为0.008 μm的小孔单峰为主,在0.08 μm处出现少量信号,说明下乌尔禾组样品以纳米级孔隙为主,物性较为致密。

4 流体可动性特征

4.1 可动流体实验

在常规的储层评价指标中,常使用孔隙度和渗透率来评价储层的物性。但是低渗透储层的孔隙细小,连通性差,其束缚流体含量往往很大。可动流体饱和度可以反映整个孔隙空间内可动流体量及孔隙表面和流体之间的作用,是表征低渗储层孔隙结构影响流体渗流能力的重要参数之一[8-10]。

选取代表性岩心进行最佳离心力选取实验。选取以3 000 r/min为初始转速,离心1 h后进行核磁共振测试T2谱曲线;之后每次以500 r/min为间隔增加转速,重复上述过程;当ni+1次离心后T2谱总幅度相对上一次减少量小于3%时,即认为ni次转速为最佳离心转速。依据上述实验标准,最终确定4 500 r/min为最佳离心力,离心时间为3 h,离心前后测试核磁共振T2谱。

根据离心前后的弛豫时间曲线可计算得出可动流体截止值,计算方法为:1)分别从小孔到大孔绘制岩心饱和和渗吸后的累计孔径分布曲线;2)由离心后累计曲线的最高点做平行线与饱和累计曲线相交于一点;3)由焦点做垂线交横坐标于一点,该点读数即为T2表示的可动流体截止值。再利用式(1)的岩心核磁共振孔隙半径C、n值换算模型,得到对应的可动孔隙半径下限,并计算得到相应的可动流体饱和度等参数。从图5可以看出,对于同类岩心,可动孔隙半径下限越大,可动用的流体越少,可动流体饱和度越低。计算结果见表2。

表2 玛湖岩心可动孔隙半径实验结果

图5 6块典型样品可动流体饱和度与可动流体半径下限

从表2可以看出,6块岩样的可动孔隙半径下限在0.051～0.091 μm,平均值0.069 μm,可动孔隙截止值较小,分布范围较窄,这可能与岩心较小的平均孔径分布与较高的黏土含量有关。其中,百口泉组储层岩心可动孔隙半径较小,均在0.07 μm以下。实验岩心可动流体饱和度分布在23.53%～36.14%,平均31.04%。绘制岩心可动孔隙半径与可动流体饱和度交会图,如图7(a),可以发现岩心可动孔隙半径与可动流体饱和度之间相关性并不明显,这表明玛湖砾岩储层非均质性较强。

4.2 孔渗和砾石的影响

从6块岩样核磁共振可动孔隙半径下限、可动流体饱和度与孔隙度、渗透率的相关关系(图6)可以看出,去除砾岩X2奇异点的数据,样品渗透率与可动流体饱和度呈正相关关系,与可动孔隙半径下限呈负相关关系,样品渗透率越高,可动孔隙半径下限越小,孔隙流动性越好,可动流体饱和度越高。孔隙度与可动流体参数的相关性与渗透率相反,与可动流体饱和度呈负相关关系,与可动孔隙半径下限呈正相关关系,孔隙度越大的样品往往有着较大的可动孔隙半径下限,表明在致密砂砾岩中可能存在着一定数量的墨水瓶孔,即部分大孔的流体由于较小的孔喉而被堵塞成为不可动流体,导致整体的可动流体饱和度较低。

图6 孔渗和砾石对流体可动性的影响

奇异点X2为下乌尔禾组的砾岩样品,砾石含量较高,砾石间由泥质充填。该岩心有着较低的孔隙度、渗透率却具有较高的可动流体含量与较低的可动流体半径下限,可能与其砾石的存在导致的微裂缝有关。如图6(c)所示,泥质本身胶结致密,但在高速流体流动下膨胀分散,失去胶结的砾石张开形成微裂缝,微裂缝能够沟通其他孔隙,增强流体可动能力。

4.3 孔隙结构的影响

孔喉结构特征对致密储层的可动流体含量具有重要的控制作用。图7(b)—(e)分别是最大半径、平均半径、均质系数及岩性系数与可动流体饱和度的关系。可动流体饱和度与最大孔喉半径和平均孔喉半径呈正相关,表明平均孔喉半径是衡量储层质量的有效物理参数,也表明大孔喉的分布对致密砂砾岩储层的流体可动性具有重要的控制作用。

图7 孔隙结构和黏土矿物与流体可动性的关系

致密砂砾岩储层可动流体饱和度与均质系数呈负相关关系,原因是均质系数越大,孔喉分布越均匀,但对于致密砂砾岩储层,孔喉分布均匀的样品更多的是不发育大孔喉的致密样品,细小孔喉占主要地位,导致可动流体饱和度较小,双峰型孔隙分布的样品的均质系数较小,其充足发育的大孔喉可以增强流体可动性。岩性系数与可动流体饱和度呈正相关关系,因为岩性系数越大,反映岩心内部喉道迂曲程度越小,流体可动性越强,说明流体可动性不仅与孔喉大小有关,还与孔喉系统的复杂程度有重要关系。

4.4 黏土矿物的影响

致密砂砾岩样品的基质中有大量的黏土矿物,黏土矿物的含量及产状对流体可动性和生产效果影响很大[16]。从水敏、速敏两个角度选取3种代表性黏土矿物进行分析:伊蒙混层和伊利石是水敏矿物,遇水后发生膨胀,使孔隙、喉道变得更加狭窄,增加了流体渗流阻力。实验表明,伊蒙混层和伊利石的相对含量与可动流体饱和度有良好的负相关关系(R2>70%),说明水敏性黏土矿物含量直接影响储层流体可动性,储层水敏是影响玛湖致密砂砾岩储层生产能力的重要问题;高岭石是速敏矿物,颗粒在高速流体的冲击下发生脱落、运移,最终堵塞孔道,增加渗流阻力。高岭石相对含量与可动流体饱和度呈负相关,但相关程度并不高,高岭石含量高的岩心岩性系数也低,由此说明玛湖区块储层中高岭石含量对储层可动流体量影响不大,速敏矿物对流体可动性的影响更多存在于孔隙迂曲程度高的样品中,矿物在复杂的孔隙系统中运移而堵塞孔道,降低流体可动性。

5 结论与认识

(1)玛湖1井区致密砂砾岩储层岩性主要为砂砾岩、砾岩为主,砾石主要为凝灰岩、花岗岩,填隙物主要为泥质,胶结中等—致密,属于低孔低渗-致密储层。百口泉组储层孔隙含量高,上乌尔禾组储层渗透性及含油性好,下乌尔禾组储层质量较差。

(2)储层孔隙类型主要以粒内溶孔、原生粒间孔为主。按照压汞实验结果分为3类储层:上乌尔禾组为Ⅰ类,百口泉组为Ⅱ类,下乌尔禾组为Ⅲ类。建立了针对这3类储层的压汞-核磁转换模型,适用性良好。

(3)玛湖1井区致密砂砾岩储层岩心可动孔隙半径下限的平均值为0.069 μm,可动流体饱和度平均为31.04%。流体可动性差的样品有低渗高孔的特点,反映样品内存在一定墨水瓶孔,阻碍流体流动。弱胶结的砾石会在高速流体流动下张开形成砾缘缝,增加流体可动性。

(4)平均孔喉半径是衡量致密砂砾岩储层质量的有效参数,大孔喉分布对流体可动性有重要影响,流体可动性差的样品有孔喉分布均质性强和迂曲程度高的特点,水敏性矿物对流体可动性有重要损害作用。