郭海平,吳承美,張金風(fēng),徐田錄,肖佃師,郭雪燚
(1.中國石油 新疆油田分公司 吉慶油田作業(yè)區(qū),新疆 吉木薩爾 831700;2.中國石油大學(xué)(華東)深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266580)
吉木薩爾凹陷蘆草溝組屬于混積型頁巖[1-3],粉砂巖、碳酸鹽巖、白云質(zhì)粉砂巖等儲集層賦存的烴類是目前該區(qū)頁巖油開發(fā)的主體[4-5](圖1)。蘆草溝組巖性復(fù)雜,孔隙結(jié)構(gòu)多樣[6];有機(jī)質(zhì)成熟度低,鏡質(zhì)體反射率小于1%;原油黏度大,重質(zhì)和中質(zhì)組分多[7-8]。頁巖油的可動性受孔喉結(jié)構(gòu)、含油性、原油黏度、賦存狀態(tài)、溫壓等因素的綜合影響[9]。而含油性和原油賦存特征受孔喉結(jié)構(gòu)的控制,原油重質(zhì)組分以充填狀分布在較小孔隙(孔徑小于300 nm)或呈薄膜狀分布在大孔(孔徑大于300 nm)孔壁上,流動性差;中質(zhì)組分主要分布在大孔中,可動性好[7-8]。因此,揭示不同巖相孔喉結(jié)構(gòu)及其對頁巖油賦存和可動性的影響[10-11],是明確頁巖油流動規(guī)律及優(yōu)選甜點(diǎn)的關(guān)鍵。
圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組頂面構(gòu)造Fig.1.Top structure of the Lucaogou formation in the Jimsar sag
前人對吉木薩爾凹陷蘆草溝組儲集層孔喉結(jié)構(gòu)及頁巖油賦存特征開展過系統(tǒng)研究[6-8,12],通過離心-核磁共振、高壓壓汞等實(shí)驗(yàn),厘清了蘆草溝組孔喉大小與頁巖油可動性的關(guān)系[8-9]。但實(shí)驗(yàn)未考慮覆壓影響,且用水作為實(shí)驗(yàn)流體[9],對于評價蘆草溝組這類中性—偏親油潤濕巖石原油可動性時,誤差較大[7]。生產(chǎn)實(shí)踐也表明,頁巖油可動性還受地層水賦存狀態(tài)的影響[7,13]。驅(qū)替與核磁共振聯(lián)測實(shí)驗(yàn)是頁巖及其他致密儲集層中原油可動性評價的常用方法[14],可考慮溫壓條件和地層流體性質(zhì),盡量逼近地層條件下原油可動性,通過核磁共振還能揭示可動流體賦存孔徑的變化規(guī)律[11-14]。
本文利用驅(qū)替與核磁共振聯(lián)測實(shí)驗(yàn)裝置,充分考慮覆壓和地層流體的影響,對吉木薩爾凹陷蘆草溝組不同巖相頁巖油開展可動性實(shí)驗(yàn),建立孔喉分布與原油可動性的關(guān)系,厘定可動孔喉界限,探討頁巖油賦存形式對原油可動性的影響,以期為研究區(qū)頁巖油藏勘探開發(fā)提供依據(jù)。
吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷東部,為西斷東超的箕狀凹陷[5,15]。中二疊統(tǒng)蘆草溝組為陸相咸化湖盆背景下的三角洲前緣—湖相沉積[16],整體為一套厚層泥巖夾薄層粉砂巖、白云巖及過渡巖性的組合[4,12](圖1),巖石多為有機(jī)質(zhì)、白云石、泥質(zhì)、粉砂顆粒等的混積,可細(xì)分為20 余種[4],其中,粉—細(xì)砂巖、砂屑白云巖、白云質(zhì)粉砂巖等為優(yōu)勢巖性[17]。蘆草溝組儲集空間以納米級孔隙為主,裂縫不發(fā)育[12,15,17],整體具低孔特低滲的特征,原油平均黏度為92.18 mPa·s[18]。
研究區(qū)蘆草溝組包括砂屑白云巖、長石砂巖、白云質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥晶白云巖、泥巖等。礦物成分以長石、石英及白云石為主,其中,長石含量最高,平均為47.0%;方解石和黏土礦物含量較低,平均分別為6.9%和4.7%。樣品孔隙度為4.00%~16.20%,平均為11.50%,滲透率為0.008~1.320 mD(表1)。根據(jù)礦物組成、粒度及巖性組合變化,將巖相劃分為6類:粉—細(xì)砂巖相、白云質(zhì)粉砂巖相、粉砂質(zhì)白云巖相、石灰質(zhì)砂巖相、泥質(zhì)白云巖相和泥巖相。其中,粉—細(xì)砂巖相包括粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含內(nèi)碎屑粉砂巖等;白云質(zhì)粉砂巖相以白云質(zhì)粉砂巖為主;粉砂質(zhì)白云巖相包括砂屑白云巖和粉砂質(zhì)白云巖;泥質(zhì)白云巖相主要包括泥晶白云巖;泥巖相包括粉砂質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、頁巖等。
表1 蘆草溝組混積巖儲集層樣品基本信息Table 1.Basic information of the samples from the mixed shale reservoirs in the Lucaogou formation
為揭示孔喉結(jié)構(gòu)、可動性與巖相間的聯(lián)系,選取蘆草溝組13 塊巖心樣品,包括砂屑白云巖、長石砂巖、白云質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥晶白云巖、泥巖等,進(jìn)行氣測孔隙度、滲透率、鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞等實(shí)驗(yàn),以獲取物性、巖性、孔喉結(jié)構(gòu)等參數(shù)(表1)。高壓壓汞和核磁共振實(shí)驗(yàn)分別參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5346—2005 和SY/T 6490—2014。
參考文獻(xiàn)[12]的混積巖孔喉系統(tǒng)劃分方案,根據(jù)掃描電鏡及薄片觀察(圖2),在蘆草溝組識別出5 類孔隙組合,包括粒間孔型、溶蝕孔型、晶間孔型、粒間-溶蝕-晶間孔型和溶蝕-晶間孔型。
圖2 蘆草溝組不同孔隙組合類型Fig.2.Pore combination types in the Lucaogou formation
在粒間孔型中,殘留粒間孔和粒間溶蝕孔對儲集空間貢獻(xiàn)最大(圖2a、圖2b),兩者呈共存[17],形態(tài)多為不規(guī)則多邊形,孔徑大于5.0 μm,該類型孔隙組合多發(fā)育在粉砂含量多且顆粒粗的巖石中(表1)。在溶蝕孔型中,大量粒內(nèi)溶蝕孔和粒間溶蝕孔貢獻(xiàn)主要儲集空間(圖2c、圖2d),殘留粒間孔零星發(fā)育,粒內(nèi)溶蝕孔孔徑小于粒間溶蝕孔,多呈橢圓形,平面呈蜂窩狀,孔徑為0.5~2.0 μm,其形成與巖石粒度小、白云石和長石等易溶礦物[12]含量高有關(guān);晶間孔型中,大量晶間孔和少量溶蝕孔貢獻(xiàn)主要空間(圖2e),晶間孔形態(tài)呈不規(guī)則多邊形或狹長縫,孔徑多小于0.5 μm(圖2e),比粒間孔小1~2 個數(shù)量級;粒間-溶蝕-晶間孔型和溶蝕-晶間孔型為多種孔隙組合的混合,常發(fā)育在紋層發(fā)育的混積巖中(圖2f、圖2g),石灰質(zhì)或泥質(zhì)顆粒增多也可導(dǎo)致該類組合形成[12](圖2h、圖2i)。
利用壓汞實(shí)驗(yàn)表征不同類型混積巖儲集層的孔喉大小、連通性等(圖3a)。粒間孔型儲集層排驅(qū)壓力較低,其曲線形態(tài)為弱平臺形,進(jìn)汞飽和度和退汞效率(平均為37.6%)均較高,即孔喉大,連通性好,發(fā)育大孔細(xì)喉型連通模式[6];溶蝕孔型儲集層排驅(qū)壓力中等,其曲線形態(tài)為平緩直線形,退汞效率中等(平均為22.4%),在較窄的進(jìn)汞壓力區(qū)間內(nèi),進(jìn)汞量快速增加,說明孔喉分選好,與溶蝕孔蜂窩狀分布和短導(dǎo)管狀連通模式有關(guān)[6];晶間孔型排驅(qū)壓力高,其曲線形態(tài)為上凸形,退汞效率低(平均為15.7%),孔喉小,連通性差;粒間-溶蝕-晶間孔型為粒間孔型、溶蝕孔型和晶間孔型的混合,具有較低排驅(qū)壓力、陡直線形態(tài)和較低退汞效率(平均為16.0%)的特征,孔喉分布范圍寬,分選較差,孔喉連通模式多樣;溶蝕-晶間孔型排驅(qū)壓力高,其曲線為緩直線形,退汞效率較低(平均為19.4%),孔喉較小,分選和連通性稍差。
圖3 不同儲集層類型頁巖油樣品壓汞(a)及孔喉分布(b)Fig.3.(a)Mercury intrusion and(b)pore throat distribution of shale oil samples in different types of reservoirs
不同類型儲集層孔喉大小分布不同,粒間孔型儲集層孔喉分布峰值多大于0.2 μm;溶蝕孔型儲集層孔喉分布呈對稱單峰,峰值多為60~100 nm;晶間孔型儲集層的孔喉分布多為半個單峰,峰值約為10 nm;其他2 類組合的孔喉分布范圍廣,呈多峰分布,揭示多種類型孔喉并存(圖3b)。壓汞孔喉半徑分布反映喉道及其溝通的孔隙數(shù)量,小于掃描電鏡觀察的孔徑,兩者差距可用孔喉比反映,蘆草溝組樣品孔喉比為5~50,其中晶間孔型儲集層的最大,粒間孔型次之,溶蝕孔型最小。根據(jù)不同類型儲集層的孔喉分布特征,以35 nm 和150 nm 為界限,將孔喉區(qū)間劃分為3 部分(圖3b),分別對應(yīng)晶間孔型、溶蝕孔型和粒間孔型儲集層發(fā)育區(qū)。
儲集層類型與巖相關(guān)系密切,粉—細(xì)砂巖相中粉砂顆粒多,長石含量高,粒間孔或粒間溶蝕孔發(fā)育,對應(yīng)粒間孔型儲集層;隨粉砂粒度變小,可發(fā)育溶蝕孔型儲集層;石灰質(zhì)砂巖相的方解石膠結(jié)物充填在粉砂顆粒間或交代長石,破壞粒間孔喉,形成粒間-溶蝕-晶間孔型和溶蝕-晶間孔型儲集層;白云質(zhì)粉砂巖相中溶蝕孔隙發(fā)育,粒間孔占比減小,多發(fā)育溶蝕孔型儲集層;泥巖相和泥質(zhì)白云巖相中粒間孔基本不發(fā)育,以溶蝕-晶間孔型和晶間孔型儲集層為主;砂質(zhì)白云巖相儲集層類型與白云石晶體大小及分布有關(guān),當(dāng)砂屑含量高時,對應(yīng)粒間孔型儲集層,當(dāng)白云石和粉砂顆粒紋層狀混積時,對應(yīng)粒間-溶蝕-晶間孔型儲集層。由此可見,粉砂顆粒、砂屑等粒度偏粗組分決定了儲集層類型,粉—細(xì)砂巖相、白云質(zhì)粉砂巖相和砂質(zhì)白云巖相孔喉最大,儲集層類型最佳。
根據(jù)10 塊頁巖樣品的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4),隨驅(qū)替壓差增大,頁巖油可動比例快速增加,驅(qū)替壓力為1.0 MPa 時,可動比例為0~30.0%,平均為8.9%;驅(qū)替壓力為2.5 MPa 時,可動比例為16.3%;驅(qū)替壓力為5.0 MPa 和10.0 MPa 時,可動比例分別增至24.0%和30.0%??蓜颖壤黠@受滲透率控制,滲透率越高,可動比例越大(表1、圖4)。根據(jù)驅(qū)替過程中可動比例變化特征,將頁巖油可動性劃分為低壓劇增型、先快后慢型和緩慢增加型3 類,對應(yīng)不同的儲集層類型和可動流體賦存特征。
圖4 頁巖油可動比例隨驅(qū)替壓力變化規(guī)律Fig.4.Variations of movable shale oil proportion with displacement pressure
在較小驅(qū)替壓力下,頁巖油可動比例急劇增大,至2.5 MPa 時,可動比例超50.0%,當(dāng)驅(qū)替壓力繼續(xù)增大時,可動比例增長幅度變平緩,至10.0 MPa時,可動比例基本趨于穩(wěn)定。該類樣品巖性多為砂屑白云巖和粉—細(xì)砂巖,滲透率大于0.080 mD,對應(yīng)粒間孔型儲集層。從可動流體賦存空間來看,1.0 MPa 時可動流體增量最大,孔喉分布范圍較廣,為20~1 000 nm,隨著驅(qū)替壓力增大,增量逐漸降低,孔喉分布范圍變化不大,曲線形態(tài)逐漸呈多峰。可動油賦存孔喉的主峰多位于200~400 nm,粒間孔喉(大于150 nm)貢獻(xiàn)了60.0%以上的可動量(圖5a)。
當(dāng)驅(qū)替壓力增大且小于5.0 MPa時,可動增量逐漸增大,繼續(xù)增大壓力,可動增量逐漸減小。與低壓劇增型相比,該類型可動增量在5.0 MPa時達(dá)到最大,滲透率為0.018~0.080 mD,主要對應(yīng)溶蝕孔型或粒間-溶蝕-晶間孔型儲集層。可動油賦存孔喉多為30~200 nm,主峰位于60~90 nm附近,隨壓力增加可動油孔徑變化不明顯,溶蝕孔喉(35~150 nm)貢獻(xiàn)了超70.0%的可動流體,大于150 nm孔喉貢獻(xiàn)量低于10.0%(圖5b)。
隨驅(qū)替壓力增大,可動比例逐漸增大,增至較高壓力時,可動比例增量降低趨勢不明顯,即增加壓力,可動油量繼續(xù)增加。該類型可動性最差,對應(yīng)樣品滲透率低于0.030 mD,主要為溶蝕-晶間孔型和晶間孔型儲集層,局部發(fā)育粒間-溶蝕-晶間孔型儲集層。與前2 類相比,該類型儲集層的巖性和孔喉組合關(guān)系更復(fù)雜,賦存孔徑也有所不同。對于粒間-溶蝕-晶間孔型儲集層,可動油賦存孔喉分布呈雙峰,主峰位于10 nm 和150 nm 附近,且右峰明顯高于左峰,說明粒間孔喉起主要貢獻(xiàn)作用(圖5c);對于溶蝕-晶間孔型和晶間孔型儲集層,可動油賦存孔喉呈單峰,主峰位于30~60 nm,說明溶蝕孔喉和晶間孔喉共同起貢獻(xiàn)作用,溶蝕孔喉貢獻(xiàn)量稍高(圖5d)。
巖相對頁巖油可動性具有明顯控制作用。泥巖相、泥質(zhì)白云巖相和石灰質(zhì)砂巖相可動性最差,頁巖油可動性為緩慢增加型,驅(qū)替壓力為2.5 MPa時,平均可動比例為6.5%、3.9%和4.5%;其次為白云質(zhì)粉砂巖相,多為先快后慢型,驅(qū)替壓力為2.5 MPa 時,平均可動比例為17.3%;砂質(zhì)白云巖相可動性整體較好,但受白云石大小及分布形式的影響,非均質(zhì)性強(qiáng),可動比例為10.7%~45.0%,平均為22.4%;粉—細(xì)砂巖相的可動性最好,多為低壓劇增型,2.5 MPa時平均可動比例為29.5%。因此,粉—細(xì)砂巖相可動性最好,其次為白云質(zhì)粉砂巖相和砂質(zhì)白云巖相,泥巖相、灰質(zhì)砂巖相和泥質(zhì)白云巖相可動性最差。
為研究粒間孔型和溶蝕孔型樣品在2.5 MPa驅(qū)替壓力時及不同孔喉半徑下可動率分布,首先統(tǒng)計(jì)大孔到小孔計(jì)算累計(jì)可動油量和累計(jì)總含油量,再統(tǒng)計(jì)單個孔喉區(qū)間內(nèi)可動油量和總含油量,兩者比值為該孔喉區(qū)間內(nèi)頁巖油可動率。頁巖油可動率隨孔喉半徑增大呈規(guī)律變化(圖6),孔喉半徑小于20 nm 時,可動率為0;孔喉半徑為20~60 nm 時,可動效率快速增加至穩(wěn)定;孔喉半徑為60~150 nm 時,可動率基本保持穩(wěn)定或緩慢增大;孔喉半徑大于150 nm 時,可動率快速增加??蓜勇孰S孔喉變化規(guī)律受孔喉類型的影響,孔喉半徑為20~60 nm 時,隨孔喉變大,孔喉連通性快速改善,孔喉類型以晶間孔喉為主過渡為以溶蝕孔喉為主,因孔喉增大對連通性改善有限,所以可動效率呈先快速增大,后緩慢至穩(wěn)定;孔喉半徑為60~150 nm時仍以溶蝕孔喉為主,孔喉增大時,原油可動率緩慢增大;孔喉半徑為150 nm 時,逐漸過渡為粒間孔喉,隨孔喉增大,連通性明顯變好,可動率快速增加。綜上所述,孔喉類型控制頁巖油可動率,粒間孔型頁巖中原油的可動率最大,溶蝕孔型次之,晶間孔型最小,頁巖油可動孔喉下限為20 nm。
圖6 不同孔喉半徑2.5 MPa驅(qū)替壓力下可動效率分布Fig.6.Distribution curves of movable efficiency at the displacement pressure of 2.5 MPa under different pore-throat radii
蘆草溝組原油重質(zhì)組分多,實(shí)際產(chǎn)出原油以中質(zhì)組分為主[2],重質(zhì)組分在加熱條件下由吸附態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)才有可能被采出[7]。因此,頁巖油賦存特征也是可動性的影響因素之一。前人利用激光共聚焦、CT 掃描等手段,根據(jù)密閉取心樣品觀察不同原油組分賦存特征[19-20],重質(zhì)組分通常分布在大孔孔壁或小孔中,而中質(zhì)組分的賦存孔徑通常大于300 nm[7]。以孔喉比7.5計(jì)算,則等效孔喉半徑為20 nm,表明孔喉小于20 nm的儲集空間中以重質(zhì)組分為主,可動性極差,這與之前得出的可動孔喉下限認(rèn)識基本一致。
巖相影響頁巖油儲集層品質(zhì)及源儲組合[4],控制著頁巖油賦存特征。粉—細(xì)砂巖相通常屬于鄰源厚儲型,主要依靠相鄰烴源巖供烴[21],運(yùn)移距離較長,儲集層內(nèi)中—輕質(zhì)組分多,且有機(jī)質(zhì)及白云石含量低,親油性弱[7],吸附烴比例少,原油可動性好,比如上甜點(diǎn)2號層(層),產(chǎn)出原油密度最小(0.884 6 g/cm3),50 ℃下平均黏度為54.00 mPa·s;相比于粉—細(xì)砂巖相,石灰質(zhì)砂巖相的物性較差[12],原油充注難度大,含油豐度低,可動性較差;白云質(zhì)粉砂巖相屬于源儲互層型,以鄰源供烴為主,自身生烴為輔[21],運(yùn)移距離短,由于總有機(jī)碳含量和白云石含量較高,親油性強(qiáng)[7],在白云石晶間孔或大孔孔壁上吸附的重質(zhì)組分偏多,含油豐度高,可動性好,產(chǎn)能高,原油黏度稍大于粉—細(xì)砂巖相,如下甜點(diǎn)2和3號層層和層),產(chǎn)出原油平均密度為0.902 6 g/cm3,50 ℃下原油平均黏度為153.06 mPa·s;泥質(zhì)白云巖相和泥巖相屬于源儲一體型[21],自身生烴為主,大量輕質(zhì)組分被排出充注到相鄰儲集層中,重質(zhì)組分滯留成藏,該類巖相重質(zhì)組分最多,吸附烴占比高,基本很難有產(chǎn)能。因此,依據(jù)頁巖油賦存特征、含油性及產(chǎn)能分析,粉—細(xì)砂巖相和白云質(zhì)粉砂巖相頁巖油的可動性最好,是最有利開發(fā)的巖相類型。
通過上述分析,頁巖油可動性受孔隙結(jié)構(gòu)和頁巖油賦存形式的共同控制。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立頁巖油可動性定量評價模型,可動比例與樣品孔喉半徑間關(guān)系可用下式來表達(dá):
式中Pmo——可動油占比,%;
可動量用可動油孔隙度表示,為可動率、孔隙度和含油飽和度的乘積,其中,有效孔隙度、含油飽和度等可利用核磁共振測井獲得[22],孔喉大小可利用壓汞標(biāo)定核磁共振測井獲得[23-25]。
根據(jù)試油結(jié)果統(tǒng)計(jì)(圖7),無產(chǎn)能層段平均孔喉半徑多小于20 nm;米產(chǎn)能為0~0.50 t/d的層段孔喉半徑多為20~60 nm;米產(chǎn)能大于0.50 t/d 的層段平均孔喉半徑多大于60 nm。從單層試油產(chǎn)能來看,孔喉大小控制頁巖油的可動性。如J10035井上甜點(diǎn)層試油層段4.5 m,巖性為粉—細(xì)砂巖,孔喉半徑為8~65 nm,平均為45 nm,試油米產(chǎn)能為1.38 t/d,效果較差;層試油層段6.0 m,巖性為白云質(zhì)粉砂巖,平均孔喉半徑為159 nm,試油米產(chǎn)能為4.33 t/d。J10025 井下甜點(diǎn)層試油層段6.0 m,巖性為粉—細(xì)砂巖和白云質(zhì)粉砂巖,平均孔喉半徑為68 nm,試油米產(chǎn)能為3.44 t/d。
圖7 不同產(chǎn)能試油層段內(nèi)孔喉分布直方圖Fig.7.Histogram of pore-throat distribution in the tested intervals with different productivities
(1)根據(jù)孔隙組合類型,將吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲集層劃分為5 類。其中,粒間孔型、溶蝕孔型、粒間-溶蝕-晶間孔型儲集層物性最好,分別主要發(fā)育在粉—細(xì)砂巖相、白云質(zhì)粉砂巖相和砂質(zhì)白云巖相中;泥質(zhì)白云巖相、石灰質(zhì)砂巖相和泥巖相發(fā)育溶蝕-晶間孔型和晶間孔型儲集層,物性較差。
(2)頁巖油可動比例變化有低壓劇增型、先快后慢型和緩慢增加型3 種類型,分別對應(yīng)粒間孔型、溶蝕孔型和其他類型儲集層,頁巖油可動性依次變差,可動流體賦存孔徑變小??缀泶笮搸r油可動性控制明顯,可動孔喉下限為20 nm,可動性明顯改善孔喉界限為60 nm 和150 nm,試油產(chǎn)能與之具有良好對應(yīng)關(guān)系。
(3)孔喉結(jié)構(gòu)和頁巖油賦存特征共同影響頁巖油產(chǎn)出,粉—細(xì)砂巖相孔喉最大、重質(zhì)組分少,可動性最好;白云質(zhì)粉砂巖相孔喉大,重質(zhì)組分稍多,含油豐度高,可動性也較好;泥巖相或泥質(zhì)白云巖相孔喉小、重質(zhì)組分多,可動性最差。粉—細(xì)砂巖相和白云質(zhì)粉砂巖相是吉木薩爾凹陷蘆草溝組最有利的巖相類型。