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苏里格地区致密砂岩地层水赋存状态和产出机理探讨_王晓梅

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里格 地区 致密 砂岩 地层 水赋存 状态 产出 机理 探讨 王晓梅
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第 34 卷第 4 期2012 年 7 月石 油 实 验 地 质 4, , 2012文章编号 : 1001-6112( 2012) 04-0400-06苏里格地区致密砂岩地层水赋存状态和产出机理探讨王晓梅1, 2, 赵靖舟2, 刘新社3( 1. 西北大学 地质学系 , 西安 710069; 2. 西安石油大学 地球科学与工程学院 , 西安 710065;3. 中国石油 长庆油田分公司 , 西安 710021)摘要 : 鄂尔多斯盆地苏里格气区是中国最大的非常规准连续型致密砂岩大气区 , 该地区西部和北部上古生界产水普遍 , 气藏内无统一气水界面 , 气水分布十分复杂 。该文以致密砂岩成藏动力学为出发点 , 综合成藏要素 、现今储层微观孔隙结构和流体的渗流机理 , 探索了苏里格地区的地层水赋存状态和产出机理 。研究认为 , 苏里格地区气 、水分布规律复杂性的主要原因即生烃膨胀力和储层毛细管阻力的差异 。研究区致密砂岩储层地层水存在束缚水 、毛细管水和自由水 3 种赋存状态 , 束缚水区基本位于生气强度大的东部地区 , 试气井主要为产气井 ; 毛细管水基本分布在生气强度小的西部和北部地区 , 试气井主要为气水同产井 ; 自由水呈零星分布 。关键词 : 微观孔隙结构 ; 地层水 ; 致密砂岩 ; 苏里格地区 ; 鄂尔多斯盆地中图分类号 : 献标识码 : of in 2, 1. Xi’10069, . Xi’Xi’10065, .Xi’10021, in is in in no of in on of in of It is of i. e. is in in is in in is in ey 目前世界上很多国家的勘探开发重点正在由常规油气藏向非常规油气藏转变 。致密气作为非常规油气资源中的重 要 组 成 部 分 , 现在已经进入规模开发阶段[ 1-3]。中国的致密气分布广泛 , 主要位于鄂尔多斯 、四川 、松辽 、渤海湾 、柴达木 、塔里木及准噶尔等十余个盆地[ 4-6]。鄂尔多斯盆地苏里格气区是中国最大的非常收稿日期 : 2012-01-04; 修订日期 : 2012-06-27。作者简介 : 王晓梅 ( 1975—) , 女 , 博士生 , 讲师 , 从事石油与天然气地质研究 。金项目 : 国家科技重大专项 ( 200805) 和西安石油大学青年科技创新基金项目 ( 2010资助 。规准连续型致密砂岩大气区[ 7-8]。致密砂岩储层具有分布面积广 、埋藏深度大 、成岩演化作用复杂 、储层物性差 、非均质性强的特点 , 气藏内无统一气水界面 , 气水分布十分复杂[ 9-13]。前人对苏里格地区地层水的研究主要集中于地层水化学特征 、地层水成因和成藏模式等方面[ 14-23]。本文以致密砂岩成藏动力学为出发点 , 综合成藏地质特征和现今储层微观孔隙结构分布 , 探索了苏里格地区复杂的地层水赋存状态和产出机理 。研究区主要位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北部和伊盟隆起 ( 图 1) , 主力含气层段为中二叠统下石盒子组盒 8 段和下二叠统山西组山 1 段 。苏里格地区属沼泽背景下的辫状河沉积 , 有效砂体规模小 , 主要呈近南北向展布 , 长度大于 600 m, 宽 50 ~200 m( 多数小于 100 m) , 呈孤立状分布在致密砂岩中 , 连续性和连通性差[ 24-25]。苏里格气田致密砂岩主要的岩石类型为岩屑图 1 鄂尔多斯盆地苏里格地区盒 8 段顶面构造和试气井平面分布 th 岩屑砂岩和石英砂岩 , 孔隙类型以溶蚀孔为主 。研究区储层成岩作用强烈 , 处于晚成岩期 , 岩石微观孔隙结构的非均质性强[ 26-31]。1 致密砂岩储层气 、水产量特征随着鄂尔多斯盆地天然气勘探不断向盆地内延伸 , 苏里格地区致密储层出现了不同程度的产水现象 。截至 2010 年 12 月 , 苏里格地区主要的产气层盒 8、山 1 段共计 289 口试气井 406 个数据点 , 产水井约占二分之一 , 大部分产水井为气水同产 。从试产数据来看 , 单井水产量为 0. 12 ~ 72 m3/d, 平均达 7. 1 m3/d。平面上来看 , 研究区产水井主要分布在伊盟隆起和苏里格气田以西地区 , 气藏内无统一气水界面 ( 图 1) 。2 致密砂岩储层天然气成藏动力学2.1 常规储层天然气成藏动力学平衡在常规储层中 , 天然气在运移过程中受到的动力主要为天然气浮力 , 运移阻力为毛细管排驱压力 、天然气自身重力[ 32-33]。若考虑地层水流动的影响 , 游离相天然气的运移状态服从下列动力平衡关系式 ( 霍伯逊 —伯格基本方程 ) :pc=ρw-ρg) ±Δ g 为重力加速度 ; ρ ρ Δh 为剩余水压头或水动力影响因子 。2.2 致密砂岩天然气成藏动力学平衡由于致密砂岩的孔 、渗物性条件较差 , 在三相周界条件下限制了流体能量交换 , 天然气无法按照常规方式进行置换式运移 , 而是以不断膨胀的方式把地层水推移开来 , 导致气 、水之间机械势能的直接传递 。在气源充足条件下 , 从气源岩中排出的天然气将原始储集层中的地层水整体推移开来 , 形成储集层孔隙中的活塞式气水运移方式 。气水活塞式运移的主要驱动力来自于天然气的膨胀作用 , 则典型成藏动力平衡方程可表示为[ 32-34]:pe= ρ区域流体运动所造成的水头变化 ; H 为连续气柱高度 ; 在弱水动力条件下 , 区域流体运动可以忽略不计 , 即天然气运移的驱动力主要为烃源岩生气产生·104·第 4 期 王晓梅 , 等 . 苏里格地区致密砂岩地层水赋存状态和产出机理探讨的压力 , 阻力包括上覆储集层毛细管压力 、天然气重力 、地层水压力等[ 35]。天然气在致密砂岩中驱动力和阻力之间的平衡方程为 :pe= 是一个发育于稳定克拉通盆地上的大型叠合盆地 , 在整个地质历史时期内地层比较平缓[ 36]。研究区相邻勘探井之间不存在大的水位差 , 因此地层水压力造成的阻力差异较小 。根据盆地东部子洲气田上古生界实测井筒静压力资料 , 天然气压力梯度为 0.16 100 m 的气柱才会产生 0.16 阻力 。综合分析认为 , 形成苏里格地区致密砂岩储层气 、水分布规律复杂性的主要原因是生烃膨胀力和储层毛细管阻力的差异 。3 致密砂岩地层水赋存类型气 ( 油 ) 田水赋存于储集层的孔隙 —裂缝系统中 , 基于苏里格地区致密砂岩储层成藏关键时期生烃膨胀力和储层毛细管阻力的差异 , 形成现今地层水具有不同的赋存状态 , 即束缚水 、毛细管水以及自由水并存[ 20, 37-38]。3.1 束缚水在天然气运移过程中 , 即便在运移动力非常充足的情况下 , 天然气不可能把岩石孔隙中的水完全驱替出去 , 会有一定量的水残存在岩石孔隙中 。这些水多数分布和残存在岩石颗粒接触处角隅 、微细孔隙中或吸附在岩石骨架颗粒表面 。由于特殊的分布和存在状态 , 这一部分水在一般油气层条件下的压力梯度不能自由移动 , 因而被称为束缚水 、不可动水 、残余水或吸附水 , 相应的饱和度称为束缚水饱和度 。在生产实践中 , 束缚水饱和度是指在压汞曲线中驱替压力达到最高时岩石中所对应的含水饱和度值[ 3]。人们常把孔隙直径小于 0. 2 μm、裂缝宽度小于 0. 1 μm 的孔隙称为微毛细管孔隙或无效孔隙[ 39]。在苏里格地区束缚水可以存在于岩石孔隙结构良好的优质储层中 , 即致密砂岩中的 “甜点 ”。例如 , 研究区 盒 8 下段 ( 3 343. 42 m) 试气层段岩石样品中值孔道半径 1. 75 μm( 图 2a) , 粗歪度 , 试气结果为无阻流量 40. 9×104m3/d, 不产水 。这类井由于运移动力充足或输导体系发育 ,地层中原始含水饱和度为束缚水饱和度 , 因此试气过程中不产水 。另外 , 束缚水可以存在于孔隙结构差的致密砂岩储层中 。例如 , 山 1段 ( 3 486.38 m) 中值孔道半径 0. 03 μm( 图 2b) ,这类储层孔隙主体为微毛细管孔隙 , 因此 , 该类井原始含水饱和度为束缚水饱和度 , 试气产气 0. 12×104m3/d, 不产水 。3.2 毛细管水当天然气成藏过程中运移动力小于运移阻力时 , 地层水就会保存在毛细管孔隙 —裂缝中而没有被驱替出去 , 往往造成孔隙中气水共存的赋存状态 。在天然气开采过程中 , 只有当作用于水的外力超过其阻力时才能运动 。因而 , 毛细管水主要发育于天然气充注强度不足的河道侧翼 、主河道沉积旋回顶面的细粒砂岩储层中[ 20, 38]。位于生气强度小于 16×108m3/ 盒 8 上段在井深 3 396.4 ~3 405.6 m 精细测井解释为气水同层 , 视电阻率 20. 6 Ω·m。从 3 401. 76 m) 孔隙半径分布图可以看出 ( 图 3) , 孔隙半径介于 0. 1 μm 与 1. 0 μm 的孔隙约占 50%以上 , 中值孔道半径 0.39 μm。该井试气结果产气 4.18×104m3/d, 产水 19.1 m3/d。3.3 自由水自由水也叫重力水 , 存在于超毛细管孔隙 、洞和裂缝中 , 在重力作用下能自由移动 。苏里格地区自由水赋存在孔隙结构良好的储层中 , 主河道构造图 2 鄂尔多斯盆地苏里格地区 射孔井段孔隙半径频率分布 of in of u 69 u 64, 04· 石 油 实 验 地 质 第 34 卷图 3 鄂尔多斯盆地苏里格地区射孔井段孔隙半径频率分布 of in of u 2, 鄂尔多斯盆地苏里格地区 孔井段孔隙半径分布 of in of u 60, 20, 38], 试气往往高产水 、微产气或不产气 , 即致密砂岩中的 “酸点 ”。盒 8 上段位于构造低部位 , 试气层段岩石样品中值孔道半径1.21 μm( 图 4) , 局部孔隙结构 、物性较好 。受成藏后构造弱分异作用控制形成自由水 , 试气结果产水25.8 m3/d, 不产气 。4 致密砂岩地层水产出机理4.1 地层水产出机理石油或天然气在势差或压差的作用下随水一起呈连续状流动 。在气 、水产出过程中最常见的有油 —水 、气 —水两相渗流或油 —气 —水三相渗流 。在相对渗透率曲线中 , 当含水饱和度大于其临界流动饱和度时 , 地层水才开始流动 。通过储层微观渗流特征分析研究 , 认为束缚水饱和度要小于等于临界水饱和度[ 40]。纯产气井原始含水饱和度低 , 原始含水饱和度小于临界含水饱和度 , 试气过程中没有地层水产出 , 仅 有 气 体 产 出 。 盒 8 段 ( 3 639. 8~3 644.6 m) 测井解释原始含水饱和度为 33.91%, 盒 8 下段相对渗透率曲线确定的临界含水饱和度为 42. 61%; 试气结果产气 1. 2×104m3/d, 产水为零 ( 图 5a) 。气水同产井原始含水饱和度高 , 原始含水饱和度大于临界含水饱和度 , 试气过程中气水同产 。召 78 井山 1 段测井解释原始含水饱和度 ( 2 784.4 ~2 790.4 m) 为 55.77%, 召 78 井山 1 段相对渗透率曲线确定的临界含水饱和度为 52.7%( 图 5b) ; 试气结果为产气 0.6×104m3/d, 产水为 1.2 m3/d。4.2 地层水赋存和产出状态根据苏里格地区盒 8 上段孔隙结构 、气水产量特征绘制了地层水产状分布图 ( 图 6) , 地层水产状呈带状分布 , 由西向东依次分布毛细管水和束缚水 , 自由水呈零星分布 。总的来看 , 束缚水区基本位于生气强度大于 16×108m3/ 天然气运移动力充足 , 原始含水饱和度为束缚水饱和度 , 测井解释含水饱和度一般小于 40%。束缚水分布区试气井主要为产气井 , 气产量大小不一 。图 5 鄂尔多斯盆地苏里格地区 盒 8 段和召 78 井山 1 段相对渗透率曲线 th in u 90 in 8, 04·第 4 期 王晓梅 , 等 . 苏里格地区致密砂岩地层水赋存状态和产出机理探讨图 6 鄂尔多斯盆地苏里格地区盒 8 上段地层水赋存和产出分布 of in e 8 6×108m3/ 天然气运移动力不足 , 原始含水饱和度高 , 试气井主要为气水同产井 。自由水呈零星分布在研究区西部 , 这些纯产水井也包括了部分微产气的产水井 ( 表 1) , 自由水井的压裂液返排率大部分大于 100%, 因而保证了产出水来源于地层水 。5 结论1) 苏里格地区产水井约占二分之一 , 产水层位不定 , 水量大小不一 , 气藏内无统一气水界面 。2) 在弱水动力条件下 , 致密砂岩天然气运移的驱动力主要为烃源岩生气产生的压力 , 阻力包括上覆储集层毛细管压力 、天然气重力 、地层水压力 。苏里格地区致密砂岩储层气 、水分布规律复杂性的主要原因为生烃膨胀力和储层毛细管阻力的差异 。3) 苏里格地区致密砂岩储层地层水存在束缚水 、毛细管水和自由水 3 种赋存状态 。苏里格地区由西向东依次分布毛细管水和束缚水 , 自由水呈零星分布 。束缚水区基本位于生气强度大于 16×108m3/ 束缚水区原始含水饱和度小于临界含水饱和度 , 试气过程中无地层水产出 , 仅有气体产出 。毛细管水基本分布在生气强度小于 16×108m3/ 原始含水饱和度大于临界含水饱和度 , 试气井主要为气水同产井 。参考文献 :[ 1] A. 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