鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖氣藏超低含水飽和度形成機理

一般來說，致密砂巖的含水量飽和度大于40%，高度集中甚至達到60%70%。然而,致密砂巖氣藏勘探開發實踐證實,致密砂巖氣藏高含水飽和度的假象多數由井壁附近強烈的工作液濾液毛管自吸作用造成。鄂爾多斯盆地北部(鄂北)上古生界致密砂巖氣藏密閉取心和測井資料顯示,氣藏初始含水飽和度值在20%~30%之間,而實驗證實氣藏束縛水飽和度范圍在40.37%~55.27%之間,我們把含水飽和度遠低于束縛水飽和度的這一狀態叫做超低含水飽和度現象。國外通過水蒸發實驗對低含水飽和度形成進行了研究,文章結合致密砂巖成藏地質作用過程對低含水飽和度形成加以討論,并通過室內模擬實驗加以驗證。1早期鉆井作業所受氣藏解釋原因鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖氣藏具有非常規的地質特征:平均孔隙度為7.66%,滲透率平均值為0.38×10-3μm2,致密砂巖喉道半徑一般小于0.6μm,壓汞飽和度中值壓力可達5~50MPa,高角度裂縫及垂直裂縫在煤巖、泥巖層段以及砂巖儲層段均不同程度發育,少量裂縫為方解石所充填。世界上的教訓是,由于對水相圈閉損害嚴重性認識不夠,例如在加拿大阿爾伯達盆地發現第一口深盆氣井之前曾錯失過上百口氣井。鄂爾多斯盆地早期勘探下古生界所鉆380口探井,也基本上沒有發現上古生界致密氣藏。在毛管力自吸作用下井壁附近氣層含水飽和度增加,造成測井解釋含水飽和度值偏大,鄂爾多斯盆地北部常規水基泥漿鉆井作業后測井結果解釋含水飽和度值為35%~65%,有的裂縫發育段測井含水飽和度值高達74%,這一假象與表1中通過壓汞法、相滲法及生產資料分析法得到的氣層束縛水飽和度范圍基本一致。氣藏含水飽和度在65%以上時氣相滲透率近于0,故早期鉆井錯失大型氣藏的事實也就不足為奇。圖1和圖2為研究區Sh211井油基泥漿密閉取心與常規取心含水飽和度測量結果對比,密閉取心測量含水飽和度值在20%~30%之間,相同孔隙度條件下常規取心測量含水飽和度比密閉取心高3%~15%,且孔隙度越小,兩者差值越大。陜118井密閉取心測量含水飽和度值多在30%以內。長慶氣田馬五儲層(碳酸鹽巖儲層)油基泥漿取心測量結果表明,孔隙度為6%時,其初始含水飽和度值為20.6%。所以,低含水飽和度現象在鄂北上古生界、下古生界氣藏中均普遍存在。2儲層流體運移規律致密砂巖氣藏超低含水飽和度形成與天然氣大量生成及聚集成藏過程密切相關,伴隨烴類生成、運移及聚集,烴源巖及儲集巖中地層水不斷地被天然氣所排替,該盆地北部上古生界烴源巖主要為煤層及暗色泥巖。石炭系、二疊系煤層廣布于全區,煤層厚10~20m,北部最厚達30m,暗色泥巖厚達100~210m,烴源巖演化程度高(RO=1.6%~2.6%),在白堊紀達到生氣高峰,盆北生烴強度達(15~36)×108m3/km2,天然氣不斷生成在氣藏內聚集成異常高壓,石炭系地層壓力系數普遍在1.35~1.70之間,達到巖石的破裂強度,在異常高壓作用下產生裂縫。成為儲層流體運移的良好通道。氣藏中超低含水飽和度形成過程如圖3所示,圖3(a)為沉積物的固結成巖壓實作用階段,此時烴源巖和儲集巖中均100%飽含地層水,有生物甲烷氣生成,在壓實作用下地層水向上覆地層排驅。圖3(b)為后生作用階段前期,隨干酪根成熟度增加,烴源巖內部大量天然氣不斷生成聚集形成高壓,烴源巖中封存烴類流體壓力值突破本身封閉條件產生裂縫,地層流體經裂縫向儲集巖中排驅,一次高壓地層流體從烴源巖向儲集巖中排驅后,烴源巖內部壓力下降裂縫閉合,接著,其內部會因為烴類生成聚集高壓作用又一次產生裂縫,在反復進行的“幕式生烴排液”作用下,烴源巖中會首先出現低含水飽和度狀態。圖3(c)為后生作用階段后期,天然氣生成以熱裂解氣為主階段后,大量的注入儲集巖的天然氣與其它地層流體一起向外排驅,在孔滲較好層段流體容易排驅,遇到滲透率較低層段或蓋層排驅不易通過時,地層流體聚集成高壓在儲集巖中形成裂縫,與烴源巖中進行相似的“幕式排液”作用。高溫熱裂解干氣具有很強的蒸發攜水能力,Bennion指出,在101.3kPa、100℃時,1000m3的干氣能夠攜帶539kg水。而燕山運動中期該盆地經歷的熱事件為盆地高地溫梯度提供了熱源。在熱裂解氣汽化攜液作用下,致密砂巖氣藏超低含水飽和度最終得以形成。3儲層水巖心充填的含水率飽和度為驗證致密砂巖成藏過程生烴排液作用可形成超低含水飽和度,從該盆地北部致密砂巖氣藏中選取4塊基塊巖樣模擬氣驅水過程觀察含水飽和度變化,實驗程序如下:①將選取的巖樣進行干燥稱重后測量其直徑、長度和孔隙度;②將巖樣抽真空后飽和地層水稱重,計算出含水飽和度;③設定實驗圍壓10MPa,在20℃條件下用0.5MPa氮氣驅20h后稱重計算含水飽和度;④將巖心加熱到60℃繼續用0.5MPa的氮氣驅20h,稱重計算含水飽和度。實驗結果如表2所示:飽和地層水巖樣在20℃用干氣驅20h含水飽和度值降低到32%~40%之間,接下來繼續用60℃干氣驅20h后得到的含水飽和度值為23.5%~28.8%,證實在較高溫度下致密砂巖氣藏中氣驅水過程超低含水飽和度形成可以實現,在致密砂巖成藏過程中會產生裂縫,裂縫的存在更能提高致密砂巖滲透率,因此考慮到裂縫這一條件時,致密砂巖高溫氣驅水實驗顯然更容易得到超低含水飽和度。在成藏過程中溫度超過100℃并伴有裂縫存在,所以致密砂巖成藏過程中在生烴排液作用下氣藏中超低含水飽和度形成能夠實現。4儲層精細氣藏封隔作用致密砂巖氣藏超低含水飽和度狀態能否保存至今主要受3個因素制約:①氣藏中需要一定厚度的泥頁巖蓋層,該盆地北部上古生界石盒子組區域性發育的泥巖蓋層累計厚度為150~200m左右,泥巖氣相絕對滲透率一般為10-7~10-9μm2,對于天然氣的散失具有良好封隔作用;②在致密砂巖氣藏中存在一較大層段氣水關系倒置的氣水過渡帶,過渡帶內相對滲透率的變化是阻止上覆水體進一步進入氣藏的關鍵,當氣水過渡帶氣藏邊界水飽和度增加到60%以上時,氣相滲透率近于0,在過渡帶的上傾方向形成水相圈閉,使得天然氣不易散失,同時,當含氣飽和度達到70%以上時,在氣水邊界靠近氣藏內部水相滲透率變為0,同上部的水相圈閉效應相似,氣藏外部的水體不易向氣藏內運移;③與儲層臨近的烴源巖仍在不斷供氣,使氣體沿氣水過渡帶下傾方向侵位,始終能夠保持氣水界面處的壓力等于靜水壓力,氣藏的“動態圈閉”特性能夠阻止水體進入氣藏。在以上3個因素的綜合作用下,致密砂巖氣藏中超低含水飽和度得以保存。5儲藏過程減少儲藏質量的原因鄂爾多斯盆地北部上古生界氣藏常規測井和室內試驗束縛水飽和度值為40%~70%左右,密閉取心測量含水飽和度值為20%~30%,遠低于束縛水飽和度值