在常规储层评价中,人们一般用孔隙度、渗透率作为储层评价的分类标准,但致密储层受沉积、成岩作用的双重改造,微观孔隙结构复杂[1-3],主要发育微纳米级孔喉,储层非均质性强,流体赋存状态亦不同于常规储层,仅以物性参数来评价储层的开发潜能存在较大不足[4]。近年来,众多学者[5-12]对大量特低渗、致密储层开发潜力进行了研究,一致认为储层可动流体饱和度是一个更优于孔隙度、渗透率的表征储层物性的参数[13]。可动流体饱和度是指岩样被模拟地层水饱和后,在一定条件下,可流出流体占总流体的百分数;它综合了储层储集能力与流体赋存特征两方面的信息,能更确切地反映致密储层的特征[14]。
只有真正能够参与流动的流体才具有开发价值,储层的开发效果亦可通过可动流体的赋存特征来预测。因此,可动流体饱和度是评价致密油开发潜力的关键因素之一[15]。核磁共振岩心分析技术能够快速且准确地获得可动流体饱和度及其分布,是致密储层评价的有效手段之一。笔者对准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密砂岩储层岩样进行核磁共振实验,在此基础上研究储层微观特征、可动流体含量及影响因素、束缚水分布和孔喉流动半径下限等问题,以期为准确评价储层开发潜能提供依据。
1 地质概况吉木萨尔凹陷是在中石炭统褶皱基底上沉积的一个东高西低呈箕状凹陷的二级构造单元[16],其周边边界特征明显,三面均被断层封割。西以西地断裂和老庄湾断裂与北三台凸起相接,北以吉木萨尔断裂与沙奇凸起眦邻,南面为三台断裂,向东则表现为一个逐渐抬升的斜坡,最终过渡到古西凸起上,凹陷中心位于西地断裂附近[17](图 1)。吉木萨尔凹陷经历了多期构造运动,目前构造活动相对较弱,自下而上发育二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系、第四系等地层[18]。二叠系芦草沟组自下而上划分为芦一段(P2l1)和芦二段(P2l2),它们又各分为2个层组,共4个单元,分别为P2l11,P2l12,P2l21,P2l22。本文研究区储层岩样属于P2l22层组,厚度约36 m,为相对优质储集层发育段。
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下载eps/tif图 图 1 吉木萨尔凹陷地质概况 Fig. 1 General geology of Jimsar Sag |
核磁共振岩心分析利用氢原子核(1H)自身的磁性及其与外加磁场相互作用的原理(共振),通过测量岩样孔隙流体中氢核核磁共振弛豫信号强度和弛豫速率建立T2谱,进而研究其孔隙结构及流体分布[19]。核磁共振信号的强弱取决于样品孔隙流体总量,反映了饱和岩样的孔隙度,而T2弛豫时间的长短则主要取决于岩石表面对孔隙流体作用力的大小,作用力越大则T2弛豫时间越短,对应小孔或孔隙表面流体的弛豫特性,作用力越小则T2弛豫时间越长,对应大孔内流体的弛豫特性。由此可见,核磁共振T2谱反映的是岩样孔喉分布及对应孔喉中流体的含量[20]。实验结合高速离心机为岩样建立束缚水状态,利用可动水和束缚水之间T2弛豫时间的差异,通过核磁共振分析可定量检测岩样内束缚水和可动水的含量及赋存情况。
3 实验方案设计根据吉木萨尔凹陷储层特征,选取3口井共计21块样品进行可动流体实验研究。按照中华人民共和国石油天然气行业标准《岩心分析方法》(SY/T 5336—2006)和《岩样核磁共振参数实验室测量规范》(SY/T 6490—2014)设计实验方案,具体实施流程如下:
(1)岩样处理。参照标准制备岩样,并对所选岩样进行充分洗盐、洗油,烘干后称岩样干重并记录。
(2)测量物性。利用孔隙度测量仪,通过氦气测量岩样孔隙度和渗透率(测量完成后克氏校正),并对低孔隙度或低渗透率岩样进行多次测量以得到准确的物性参数。
(3)饱和模拟地层水。根据吉木萨尔凹陷芦草沟组地层水组分配制模拟地层水(矿化度为30 000mg/L,属NaHCO3型地层水,pH值为8~9),对岩样抽真空并加压(20 MPa)饱和24 h后,称岩样饱和水重,计算岩样饱和程度均为98%~102%,满足实验测量要求(表 1)。
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下载CSV 表 1 实验岩样物性参数 Table 1 Physical properties of rock samples in the experiment |
(4)调试核磁共振设备,确定测量参数。取孔隙度为15%的标样调试设备,寻找合适的核磁共振测量参数(TW = 6 000 ms,TE = 0.021 ms,NECH = 4 096,NS = 128,RG = 100%),选取孔隙度为1%~20%的6块标样进行定标,用标线测量#2-4岩样孔隙度为13.62%,在误差允许的范围内,说明这套参数能准确反映储层岩样的流体分布。
(5)测量饱和岩样核磁共振T2 谱。
(6)岩样脱水。利用高速离心机设置100,200,300,350,400,450,500 psi进行离心,鉴于过高的离心力可能对部分固结程度较差的岩心孔隙结构造成破坏,因此离心过程中用套筒固定岩样,在设定离心力下进行多次离心实验,每离心30 min后称重记录,并测量一次核磁共振T2谱,在符合要求(详见4.2)后,增大离心力继续实验。
(7)分析核磁T2谱形态。对比饱和岩样离心前、后核磁共振T2谱特征,研究储层可动流体含量和束缚水分布状态。
4 实验结果讨论 4.1 岩样核磁共振T2谱形态特征岩样核磁共振T2谱是实验测量最为直观的结果,不同类型的孔隙流体具有不同的核磁响应,反映在T2谱上为具有不同的幅度及分布。一般来讲,短T2时间对应岩样细微孔喉中流体的弛豫特征,长T2时间则对应岩样粗大孔喉中流体的弛豫特征,由此可知岩样T2谱反映的是流体在大小不同孔喉半径中的分布状态。饱和岩样T2谱对应流体的总体分布情况,实验测量21块岩样T2谱,结果显示,饱和岩样T2谱从形态上可分为单峰型、单双峰过渡型和双峰型3类共5种形态(图 2),各类T2谱特征如下:
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下载eps/tif图 图 2 准噶尔盆地致密储层典型核磁共振T2谱 Fig. 2 Typical NMR T2 pattern of tight reservoir in Junggar Basin |
(1)双峰型
根据饱和水状态T2谱特征及其幅度差异,将双峰中幅度最高的峰定义为该T2谱的主峰,其余为从峰。对比#1-8[图 2(a)]和#2-1[图 2(b)]饱和岩样核磁共振T2谱,其主要不同在于主、从峰的相对关系和分布。根据核磁共振T2谱,#1-8饱和岩样主峰位于10~1 000 ms,从峰位于0.1~10.0 ms,从二者相对关系来看,主峰比从峰高约40%;#2-1岩样主峰位于0.1~10.0 ms,从峰位于10~100 ms,主峰远高于从峰。此类岩样均表现出明显的多重孔隙结构特征,前者黏土矿物含量低,发育有微裂缝,孔喉半径较大,纳米级孔喉含量较低,随着离心力增大主峰幅度明显降低甚至消失,说明此类岩样孔隙间的连通性较好,表现出较好的储层物性;后者发育大量纳米级孔喉,黏土矿物含量较高,有极少量较大孔喉,对比岩样离心后的T2谱可知,从峰幅度变化很小,也即较大孔喉中的流体并没有随着离心实验而流动,这说明岩样中存在死孔隙或是少量的纳米级孔喉和较大孔喉连通,堵死了较大孔喉内的流体,岩样孔喉连通性很差,储层物性不好。
(2)单双峰过渡型
图 2(c)~(d)显示,饱和岩样T2谱没有呈现明显的单峰或双峰特性,为单双峰过渡型。#3-1饱和岩样T2谱左峰发育微弱且左右峰幅度相当[图 2(c)],从T2谱分布和形态变化上看,与#1-8岩样储层微观特征[图 2(a)]较为类似,不同的是#3-1岩样中中等孔喉(孔喉内流体对应弛豫时间为10 ms左右)大量发育,表现出与前者更好的孔隙间连通性。#3-6饱和岩样T2谱右峰极不明显[图 2(d)],呈现出较为均一的孔隙结构类型,但随着离心力增大岩样T2谱呈现为双峰型,此类岩样储层微观特征和#2-1岩样[图 2(b)]较为类似,但孔隙间连通性优于后者。
(3)单峰型
#1-2饱和岩样T2谱位于0.1~100.0 ms,其峰位于10 ms以下[图 2(e)],说明此类岩样孔隙结构类型较为单一,纳米级孔喉发育,黏土矿物含量较高,从离心前、后岩样核磁T2谱可知,孔隙间连通性差,储层物性一般。
综上所述,不同岩样核磁T2谱有明显的差异,甚至是相邻深度点岩样也存在较大差异,可见研究区储层非均质性强,微观特征复杂,发育大量纳米级孔喉,少量具有天然裂缝和隐式裂缝,孔隙间连通性一般,储层物性较差。
4.2 储层岩样可动流体含量及分布实验利用高速离心机建立岩样束缚水状态,最佳离心力的确定至关重要,既要保证岩样中可动流体被全部分离出来,又不因离心力过大而改变岩样的孔隙结构[21]。文献调研发现,大多数学者[22-24]建立束缚水状态的做法是:利用代表岩样在不同离心力下进行离心实验,通过对比离心实验前、后岩样核磁T2谱,寻找达到束缚水状态时的离心力,然后利用该离心力对全部岩样建立束缚水饱和度,但仅以此建立的束缚水饱和度并不准确,因为对多孔介质而言,同样的离心力并不能使所有的岩样达到束缚水状态,此外这种做法在建立束缚水饱和度时忽略了一个重要的影响因素(离心时间)。同一离心力下,离心时间的长短对岩样的饱和度有着重要的影响,也即通过离心实验建立的束缚水饱和度仅是一个相对值。基于此,本次实验考虑了离心时间和离心力2个影响因素对每一块岩样进行离心,计量每次离心实验后岩样的含水饱和度变化(图 3)。在这里规定:同一离心力下,每离心30 min测量岩样重量和核磁T2谱,若连续2次离心实验后,岩样含水饱和度变化低于3%,则认为岩样在该离心力下达到束缚水状态,按照实验方案增加离心力继续实验;在不同离心力下,若连续2个离心力下岩样的束缚水饱和度变化低于3%,则认为岩样达到最终束缚水状态。
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下载eps/tif图 图 3 #3-5岩样离心实验中含水饱和度变化 Fig. 3 Water saturation variation of No.33-5 sample in centrifugal experiment |
#3-5岩样在450 psi下离心90 min后含水饱和度基本稳定,达到51.08%,500 psi下稳定在48.89%;根据实验既定方案认为450 psi为该岩样达到束缚水状态的最佳离心力。此外,发现大多数岩样在离心实验中,随着含水饱和度的降低,特别是在400 psi离心之后,核磁测量的饱和度和称重计算的饱和度之间偏差逐渐变大,为便于统一处理,对每个离心力下岩样的核磁束缚水饱和度和称重束缚水饱和度求平均值,作为该离心力下岩样的束缚水饱和度。将实验数据汇总并求平均值,绘制出储层含水饱和度随离心力变化关系(图 4)。结合核磁共振T2谱和岩样含水饱和度变化关系,得到储层岩样建立最终束缚水状态的最佳离心力为400~450 psi;此外,有少量岩样在350 psi离心后表面出现微裂痕,为避免岩样进一步被破坏,以350 psi作为该岩样最佳离心力。
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下载eps/tif图 图 4 储层含水饱和度均值随离心力的变化 Fig. 4 Relationship between water saturation and centrifugal force |
可动流体实验测试结果(表 2)显示,储层样品可动流体饱和度为29.44%~68.92%,平均值46.69%,不同岩样可动流体含量差别较大,甚至同一口井内相邻深度点岩样可动流体含量也有很大的差异,从平均值来看,3号井储层可动流体含量最高,1号井次之,2号井最低。
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下载CSV 表 2 储层可动流体实验结果 Table 2 Experimental results of movable fluid from tight reservoir |
核磁共振T2谱(参见图 2)表明,不同岩样可动流体分布有明显差异,#1-8岩样可动流体分布在T2弛豫时间为10~1 000 ms对应的孔隙中,而具有相同T2谱形态的#2-1岩样可动流体分布却在0.3~ 10.0 ms对应的孔隙中,同样在#3-1和#3-6岩样中可动流体也有类似的分布,但在非均质性较弱的单峰T2谱岩样中,可动流体在T2弛豫时间为1~ 100 ms对应的孔隙中均有分布。由此可见,可动流体并不是全部分布在大孔隙中,微小孔隙中同样有可动流体分布,可动流体的分布取决于储层孔隙结构发育情况;束缚水主要分布于微小孔隙内,大孔隙内也有少量的束缚水分布,这主要是存在死孔隙或细微喉道和大孔隙相连,使得大孔隙内流体不能在离心力的作用下流出,核磁共振T2谱反映大孔隙中存在着部分束缚流体;此外,大孔隙内流体在离心力的作用下流出,在壁面形成的水膜也是束缚水的一部分,在核磁共振T2谱上主要表现为短弛豫时间区内T2谱幅度增高。
根据毛管压力和核磁共振理论,研究不同孔喉半径中可动流体的分布情况(图 5)。可见纳米级孔喉控制着目标储层可动流体的主要含量,200 nm以上孔喉半径中可动流体分布不足10%。在孔喉半径控制可动流体含量中,从平均值来看,3号井最高,1号井次之,2号井最低。在孔喉半径低于50 nm时,3口井的可动流体含量均有明显降低,2号井储层岩样在45 nm孔喉半径以下控制流体质量分数仅为0.04%,1号和3号井储层控制可动流体质量分数也低于2%,因此可以认为,对目标储层,其流动孔喉半径下限约为50 nm,半径大于50 nm的孔喉即为有效孔喉,是可动流体的主要分布区。分析储层有效孔喉半径中可动流体分布发现,在70~100 nm孔喉中储层可动流体含量最高,100~200 nm孔喉中含量次之,其他半径孔喉中含量相当。储层有效孔喉半径决定了渗流通道的范围,对可动流体含量贡献最大的孔喉为主要的渗流通道,研究得出储层主流喉道半径为70~200 nm,其贡献了50%以上的可动流体体积分数。
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下载eps/tif图 图 5 储层孔喉半径控制可动流体的含量 Fig. 5 Relationship between movable fluid content and pore throat radius |
明确可动流体含量的影响因素是深入研究储层可动流体和提高开发效益的重要前提,本文研究了储层物性、孔隙微观结构和黏土矿物对可动流体含量的影响。
(1)储层物性
储层物性与可动流体含量关系表明,可动流体含量跟孔隙度关系一般,和渗透率关系较好(图 6)。这是因为可动流体含量反映储层流体的流动能力,依赖于孔隙连通性,而孔隙度主要表征的是储层有效孔隙所占的比例,并不能很好地表征孔隙间的连通性,但是渗透率却能较好地表征孔隙间的连通性,连通性好的岩样渗透率相对较高[10]。
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下载eps/tif图 图 6 可动流体含量与物性之间的关系 Fig. 6 Relationship between movable fluid content and physical properties |
物性参数好的岩样可动流体含量并不一定是最高的,而某些渗透率较低的岩样却有比较高的可动流体含量;对于部分物性参数相似的岩样,其可动流体含量也有很大的差别。由此可见,物性参数并不是储层可动流体含量的主要影响因素,对物性较差的岩样,渗透率的增大对可动流体含量有明显的影响,但对物性较好的岩样,渗透率的增大对储层可动流体含量的提升并不明显,即储层可动流体含量的影响因素众多,此时物性对其影响程度相对较小。
(2)孔隙微观结构
储层可动流体的含量差异较大,可见其影响因素异常复杂,通过储层岩样铸体薄片和扫描电镜图像(图 7),研究储层孔隙微观结构对可动流体含量的影响。准噶尔盆地芦草沟组致密砂岩储层次生孔隙发育,主要有长石溶蚀孔、杂基溶孔、粒间和粒内溶孔、岩屑溶孔等类型,增大了储集空间,是研究区储层孔隙度高于一般致密储层孔隙度[25](< 10%)的主要原因。储层孔隙形状多样,主要有椭圆形、三角形和不规则形等,不同形状孔隙中束缚水的分布有着明显的区别,在椭圆形孔隙壁面形成水膜,束缚水含量相对较低,三角形孔隙和不规则形孔隙除在壁面形成水膜外,还会在边角迂回处聚集成液滴,束缚水含量较高[26]。就单个岩样而言,孔隙、喉道之间的配置关系及其连通性是造成可动流体含量差异的主要原因[27],由图 7(a)~(c)可知,岩样结构较为致密,晶间微孔隙和次生孔隙发育,但孔隙分布不均匀,呈孤立状,以点状喉道为主,配位数0~1,孔隙连通性极差,存在大量的死孔隙或者是微小孔喉,导致大孔喉中的流体在离心力作用下不能流动而形成束缚水,是此类岩样可动流体含量较低的主要原因;另一类岩样[图 7(d)~(f)]较为疏松,晶间孔隙及溶蚀孔隙发育,增强了孔隙间的连通性,加上少量微裂缝的存在使得此类岩样表现出很好的孔隙间连通性,储层可动流体含量高;此外,在实验离心过程中部分岩样表面出现微裂纹,这些岩样的可动流体饱和度普遍较高,因此裂缝的存在对可动流体含量有重要的影响。
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下载eps/tif图 图 7 储层岩样扫描电镜和铸体薄片图像 (a)整体致密,晶间微孔隙发育,#3-6,3 134.1 m,SEM;(b)杂基溶孔和岩屑溶孔发育,#3-6,3 134.1 m,铸体薄片;(c)长石溶孔、粒内溶孔发育,#3-6,3 134.1 m,铸体薄片;(d)粒间溶蚀孔发育,#3-1,3 133.1 m,SEM;(e)次生钠长石晶体充填于溶蚀孔,#3-1,3 133.1 m,SEM;(f)粒间溶孔发育,沥青充填裂缝,#3-1,3 133.1 m,铸体薄片;(g)片丝状伊利石与泥晶硅质混杂附着骨架颗粒表面,#3-8,3 126.8 m,SEM;(h)片丝状伊利石充填于溶蚀孔隙,#3-8,3 126.8 m,SEM;(i)叶片状绿泥石和片丝状伊利石附着颗粒表面,#3-8,3 126.8 m,SEM Fig. 7 SEM and cast thin section images of tight reservoir |
(3)黏土矿物
准噶尔盆地致密砂岩储层矿物成分多样,主要存在石英、白云石、斜长石、黏土等多种矿物类型[16],其中黏土质量分数约为13.3%,以高岭石、绿泥石、伊利石和海绿石为主,其他黏土矿物含量相对较低(图 8),黏土矿物充填孔喉,导致孔隙发育微弱,连通性变差,对储层物性起到了严重的破坏作用。
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下载eps/tif图 图 8 储层矿物组分及质量分数 Fig. 8 Mineral composition and content of tight reservoir |
黏土矿物的含量及产状均会影响储层可动流体饱和度,黏土矿物含量越高,储层的孔喉表面越粗糙,增大了比表面,储层孔喉表面与流体间的相互作用增强,导致分布在孔隙壁面上的束缚流体含量变大;此外,黏土矿物随流体运移,堵塞储层细微孔喉,使得可动流体含量降低。由储层扫描电镜资料[图 7(g)~(i)]可知,黏土矿物的产状影响孔隙间的连通性,孔隙表面附着片丝状伊利石,对原孔隙充填、切割,使孔喉变得曲折迂回,在喉道狭窄处尤其发育,造成孔隙间连通性变差,流体难以渗流而形成束缚流体[28-29];叶片状绿泥石集合体充填于孔隙中,使得储层有效孔隙减少;片丝状伊利石集合体呈鳞片状结构,堵塞孔喉,使得孔喉几乎不连通,流体难以流动。
5 结论(1)准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密砂岩储层岩样核磁共振T2谱可分为3种类型共计5种形态,复杂的储层微观孔隙结构和较强的非均质性导致了T2谱形态多样。纳米级孔喉发育使得致密储层孔隙度普遍较低,但研究区次生孔隙发育,增大了储集空间,是孔隙度较高(均值> 10%)的主要原因。少量样品具有天然裂缝和隐式裂缝,增强了孔隙间的连通性,但存在死孔隙和微小孔喉遮挡较大孔喉的现象使得储层的孔隙连通性变差,渗透率降低。
(2)储层可动流体饱和度为29.44%~68.92%,平均值为46.69%,可动流体含量差异较大,不同岩样可动流体分布有明显的差异,从核磁共振T2谱来看,可动流体含量峰值位于0.1~1.0 ms,1~100 ms和10~1 000 ms,但绝大多数岩样可动流体含量峰值位于1~100 ms;从不同孔喉半径中可动流体分布可知,准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组致密砂岩储层流动孔喉半径下限约为50 nm,主流喉道半径为70~200 nm。
(3)储层物性并不是可动流体含量的唯一控制因素,在储层物性较差时,渗透率较大的岩样,其可动流体含量也略高,但随着渗透率的进一步增大,对可动流体的提升并不明显。孔隙类型、形状以及壁面的粗糙程度对可动流体含量及其分布都会产生影响;黏土矿物含量和产状会对储层孔喉造成不同程度的破坏,影响孔隙间连通性,使得束缚水含量升高;微裂缝的发育增强了孔隙连通性,提高了储层可动流体含量。
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