西南石油大学学报(自然科学版)  2016, Vol. 38 Issue (6): 70-80
鄂尔多斯盆地长7段致密储层微观特征研究    [PDF全文]
张忠义1,2,3 , 陈世加1, 姚泾利2,4, 刘鑫2,4, 赵应权3    
1. 西南石油大学地球科学与技术学院, 四川 成都 610500;
2. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院, 陕西 西安 710018;
3. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西 西安 710018;
4. 成都理工大学能源学院, 四川 成都 610059
摘要: 针对鄂尔多斯盆地致密油储层特征复杂,缺乏系统研究的问题,通过大量岩芯观察,分析化验数据统计,同时采用恒速压汞实验、场发射及CT扫描等高分辨率测试手段和方法,对长7致密油储集层形成和特征进行了研究,认为延长组长7段致密油储集体由牵引流和重力流沉积的致密砂岩形成,具有粒度细,储层厚度大,脆性指数高,储层物性差等特征。孔隙类型以粒间孔和长石溶孔为主,可见孔隙含量低,主要发育微米—纳米级孔隙,喉道以片状和管状为主,受黏土矿物和有机质充填,有效孔隙体积小,但微裂缝发育,连通性好,储层含油层物性下限低,可动流体饱和度高。
关键词: 鄂尔多斯盆地     致密油     微、纳米孔隙     场发射     CT扫描    
A Study on Microscopic Pore Characteristics of Tight Reservoir of Chang 7 Sedimentation Section of Yanchang Formation, Ordos Basin
ZHANG Zhongyi1,2,3 , CHEN Shijia1, YAO Jingli2,4, LIU Xin2,4, ZHAO Yingquan3    
1. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China;
2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi'an, Shaanxi 710018, China;
3. National Engineering Laboratory of Exploration and Development of Low Permeability Oil-gas Fields, Xi'an, Shaanxi 710018, China;
4. College of Energy Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China
Abstract: There lacks systematic research into the complex characteristics of tight oil reservoir in Ordos Basin. By means of core observation, test data analysis, constant speed mercury injection experiment, field emission and CT scanning etc., we studied the formation and characteristics of Chang 7 tight oil reservoir. The research suggests that tight oil reservoir consists of tight sandstone formation of traction current and gravity flow deposits of Chang 7 section of Yanchang formation, which is of poor reservoir property with fine granularity, thick reservoir, high brittleness, . Pore types are mainly intergranular pores and feldspar dissolved pores which are mainly micro-nano-scale pores with flake-shaped and tube-shaped throats; due to the filling of clay minerals and organic matter, effective pore volume is small, but micro cracks are highly developed and are of good connectivity; lower limit of oil reservoir physical property is low, and fluid saturation is high.
Key words: Ordos Basin     tight oil     micro-pores and nano-pores     field emission     CT sanning    
引言

致密油是近年来新发现的一种非常规石油资源,已成为全球能源结构中的重要角色,在美国、加拿大、巴西等国家都得到了商业性的开发[1]。而中国致密油勘探起步晚,致密油资源主要分布在鄂尔多斯盆地三叠系延长组长6——长7段、准噶尔盆地二叠系芦草沟组、四川盆地中——下侏罗统,以及松辽盆地白垩系青山口组——泉头组,目前已获得了一些重要的勘探发现,具有形成规模储量和有效开发的条件[2-4]。最新一轮资源评价研究表明:鄂尔多斯盆地致密油资源丰富,致密油资源量达30×108 t以上,占石油总资源量的25%。近几年,随着致密油认识的突破,工艺技术的创新,鄂尔多斯盆地延长组长7致密油勘探开发获得了前所未有的突破,长庆油田针对致密油直井采用混合水压裂、水平井采用“分簇多段”体积压裂的工艺改造方案,大大提高了厚油层、连续性分布的致密油藏的有效动用[5-6]。目前盆地长7已建成了多个致密油水平井试验区,开发效果显著,其中陕北地区已建成了30多万吨的致密油水平井规模开发区。

从全盆地角度来说,以往的研究工作多以宏观分析和规律总结为主,明确了沉积体系, 油藏的分布规律, 发育特征,而在储层微观特征方面缺乏系统研究。由于致密油砂岩储层物性差,渗透率绝大多数小于0.300 mD,孔隙不发育,孔喉特征、渗流特征复杂,石油聚集的储层中孔隙和喉道特征如何?储层致的密原因是什么?油气进入储层的下限是多少?这些问题影响着如何确定连续性油气聚集油藏的含油面积,有效储层的识别,制约了长7致密油的勘探开发进程。为了解决这一问题,本文基于高精度检测资料,采用微机模拟技术分析鄂尔多斯盆地延长组长7段致密油储层的孔喉大小、孔隙结构及连通展布特征,探寻致密油的空间展布规律,为勘探开发提供建议。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是一个发育在华北克拉通之上的多旋回叠合型盆地,具明显的二元结构。晚三叠纪在鄂尔多斯地区广泛发育河流、三角洲和湖泊相沉积。受印支运动影响,在长10——长1期,湖盆经历了形成、发展、全盛、衰退至消亡阶段,最后形成了一个大型的内陆拗陷型湖盆[7],其中长7期湖盆在长8的沉积基础上水体迅速加深,湖面不断增大,半深湖、深湖相广泛分布[8-9]图 1)。西南沉积体系受来自NE——SW向的沉积物质供给,经湖盆较陡坡折带的控制,在鄂尔多斯盆地陇东的“环县——庆城——合水——正宁”一带沉积了平行于湖盆轴线的滑塌岩、浊积岩、砂质碎屑流等多种成因的重力流储集体。东北沉积体系受来自SW——NE向的沉积物质供给,经湖盆多级缓坡坡折带的控制,在盆地“定边——安边——周家湾——安塞”地区连续沉积了多支条带状的三角洲前缘水下分流河道和河口坝砂体。盆地中心的“华池——吴起”地区受重力流和牵引流双重作用明显,两种类型的沉积砂体交互叠置频繁[10-11]。这些构成了盆地致密砂体的沉积主体,其面积高达(2.5~3.0)×104 km2,纵向上相互叠置,平面上连续分布(图 1)。

图1 鄂尔多斯盆地长7沉积相平面图 Fig. 1 Plan figure of sedimentary facies of Chang 7 in Ordos Basin
2 岩矿特征

查明长7段砂体的岩石类型是研究致密油储层的基础。根据861张铸体薄片鉴定数据的统计分析发现,长7段的砂岩主要为岩屑长石砂岩与长石岩屑砂岩(图 2)。砂岩粒度较小,平均粒径约为0.1~0.2 mm,为细砂岩或粉细砂岩。而且盆地西南区域与东北区域的岩矿含量略有区别。在石英、长石及岩屑的含量上,西南区域平均含量分别为40.7%、19.4%,岩屑总量较高,达18.9%,以变质岩岩屑为主,东北区域的石英和长石平均含量分别为27.2%、42.2%,岩屑11.1%。

图2 长7致密油储层砂岩分类三角图 Fig. 2 Classification triangle of tight oil reservoir sandstone of Chang 7 in Ordos Basin

填隙物方面,西南区域以伊利石、铁白云石、铁方解石、自生石英胶结和长石加大为主,偶见绿泥石胶结,填隙物平均含量14.9%,其中伊利石平均含量高达9.0%,占填隙物总量的66.0%;东北区域的填隙物以铁方解石、伊利石、绿泥石和高岭石为主,填隙物平均含量13.7%,其中铁方解石含量为4.3%,伊利石含量为3.7%,绿泥石含量为2.7%、高岭石为1.6%(表 1)。

表1 鄂尔多斯盆地地区长7致密油储层填隙物含量统计表 Table 1 Filler content of statistics of Chang 7 tight oil reservoir in Ordos Basin
3 储层孔喉微观特征 3.1 孔隙类型及特征

鄂尔多斯盆地长7段的530块铸体薄片及扫描电镜观察结果表明,长7段砂岩样品中的可见孔含量较低,面孔率2.47%,孔隙以黏土矿物晶间孔、长石溶蚀孔与残余粒间孔等微(纳)米级孔隙为主(图 3a图 3b)。由于沉积物供给方向的不同,这些孔隙类型在研究区的东北部和西南部又有所区别[12]

图3 鄂尔多斯盆地长7致密油孔隙类型 Fig. 3 Pore types of Chang 7 tight oil reservoir in Ordos Basin

长7期,盆地西南部为半深湖沉积环境,水动力弱,重力流砂体的粒度普遍偏小,粒度中值主要为3~4(ϕ值),砂岩岩屑含量高,同时物源区母岩富含火山碎屑岩和凝灰岩,易于形成早期蒙脱石,具有形成原生伊利石和早期蒙脱石的物质基础,因此在蒙脱石转化生成伊利石和晚期成岩阶段,该沉积体系内伊利石和自生碳酸盐矿物含量高[13-14],进一步加大了储集砂体的致密化程度,然而,由于区内砂岩颗粒的分选好,长7优质烃源岩生烃过程中产生的酸性流体较为活跃,有利地促进了长石溶孔的发育,在一定程度上改善了储层孔隙结构(图 3c),储集砂体的孔隙度平均值为10.5%,渗透率平均值为0.240 mD。盆地东北部为三角洲沉积环境,水动力条件相对较强,砂岩颗粒分选中等,铁方解石含量高,为4.3%,因此储层相对致密。然而,该区域主要为三角洲前缘沉积环境,河流会带来丰富的溶解铁(如风化和搬运过程中黑云母等暗色矿物水化析出的铁),在河口坝等沉积环境中因电解质的加入发生絮凝而形成含铁沉积物,这种含铁沉积物将为成岩过程中绿泥石环边的形成提供丰富的铁来源,这种发育环边状产出的绿泥石黏土膜能有效地保护原生粒间孔(图 3d),从而使储层孔隙结构得到较为明显的改善[15],储层孔隙度平均值为10.1%,渗透率平均值0.180 mD。显然,从微(纳)米级孔隙来看,盆地东北沉积体系的孔隙结构较西南沉积体系的差。

根据20块不同地区样品的恒速压汞实验、场发射及CT扫描等手段联合检测发现,长7段砂岩样品中的微米、纳米级孔隙组合为致密油有效储集空间[16-17]图 4)。如X233井长7致密储层孔隙度为12.1%,渗透率为0.120 mD,储集空间以微米级孔隙相对发育(图 4a),孔隙半径为15~30 µm(图 4b)。ZH143井长7致密储层孔隙度为11.8%,渗透率为0.060 mD,储集空间发育孔隙半径相对更小的孔隙(图 4c),孔隙半径为10~22 µm(图 4d)。由此推断,致密油储集砂体的孔隙半径随渗透率减小而减小,物性差,则孔隙半径小。

图4 延长组长7致密储层孔喉大小分布直方图 Fig. 4 Distribution histogram of Chang 7 tight oil reservoir in Ordos Basin
3.2 喉道特征

陇东地区7块恒速压汞样品测试结果表明,鄂尔多斯盆地长7段致密油储层渗透率在0.010~0.380 mD,主流喉道半径0.30~0.50 µm,平均喉道半径0.28~0.42 µm(表 2),属纳米喉道[18]

表2 恒速压汞实验结果数据表 Table 2 Data of constant speed mercury injection experiment results

按渗透率大小可以将典型样品划分为3大类(图 5),渗透率 > 1.000 mD的Ⅰ类主要反映常规储层,喉道半径分布范围较大(0.1~1.4 µm);渗透率处于0.10~1.000 mD的为Ⅱ类,喉道半径分布范围较小(0.1~0.8 µm);渗透率 < 0.100 mD的为第Ⅲ类,喉道半径分布范围最小(0.1~0.5 µm)。由此,储层的渗透率越大,其喉道半径分布范围则越大,喉道半径对应的频率也明显较低。

图5 不同渗透率级别岩芯喉道半径频率分布 Fig. 5 Frequency distribution of different permeability core throat radius

此外,CT扫描及场发射样品高分辨率测试结果表明,致密储层喉道以片状喉道和管状喉道为主[19-20],其中片状喉道发育在岩石颗粒呈线状接触的储层(图 4a),孔隙较小,喉道极细,但受压实或结晶作用可形成小孔极细喉道,受溶解改造作用也可形成大孔粗喉道。管状喉道为孔隙间由细而长的喉道相连,断面近圆形(图 4c),一般是由溶蚀作用形成,由微细孔隙组成,孔隙即为喉道本身,杂基内微孔隙常组成这种喉道。

3.3 孔喉半径比值特征

孔喉半径比值是表征岩石孔喉结构特征的一项重要参数。该比值较小时,孔隙间由较大喉道连通,流体流动时阻力较小,有利于孔隙内油气的采出,反之,孔隙间由小喉道连通,流体流动时的阻力较大,这将增大孔隙内油气的开采难度[20]。据YC1井不同渗透率样品的恒速压汞实验结果分析,渗透率为0.380 mD的砂岩样品的孔喉半径比值范围在400.00~500.00,孔喉半径比值的平均值为492.90(图 6a);渗透率均值为0.010 mD的砂岩样品的孔喉半径比值在550.00~760.00,孔喉半径比值平均661.21(图 6b)。由此推知,渗透率随孔喉半径比的增大而减小,即孔喉半径比越大,喉道半径相应就越小,孔隙内的油气渗流的能力就会越低[20]

图6 YC1井长7不同渗透率级别岩芯喉道半径频率分布 Fig. 6 Frequency distribution of different permeability core throat radius of Well YC1 of Chang 7
4 储层连通性 4.1 孔隙微观连通特征

致密油储层的微观孔隙体积决定储层的存储能力[21]。本次选取X233井储层孔隙度为12.1%,渗透率为0.120 mD的样品,按照0.4 mm×0.4 mm网格进行CT扫描,以其CT扫描数据进行计算机三维模拟发现,微米级别的孔隙在储层中占的比例较大(图 7),孔隙半径大于2.00 µm的孔隙占总孔隙的79.25%(平均60.15%),这些孔隙围绕颗粒四周分布,多呈较粗大的管状或条带状,其中,管状微孔较好地串通起较大的微孔(图 8a),形成相互连通的储集空间。纳米级的孔喉在储层中所占的比例较小(图 7),占总孔隙的20.25%(平均29.53%),这些孔隙多呈管状和球状,其中,球状孔隙在纳米级孔隙中占较大比重,这类孔隙在三维空间上呈孤立状分布,球状孔隙间的连通性偏差,而短管状微孔的连通性较好,短管状微孔跟微米级管状微孔或邻近孤立球状纳米微孔在一定程度上彼此连通(图 8a),它们兼具喉道与孔隙的双重功能[19]

图7 致密油储层孔隙数量百分比构成图 Fig. 7 Percentage figure of tight oil reservoir pore number
图8 X233井长7致密储层CT扫描图 Fig. 8 CT scan of Chang 7 tight reservoir of Well X233

基于纳米级CT扫描数据的计算机三维模拟发现,鄂尔多斯盆地延长组长7致密油储层的剩余孔隙均被黏土矿物和有机质充填,其有效孔隙体积较小,有效孔隙的平均体积为0.04 cm3/cm3。通过模拟,计算出X233井有效孔隙体积为0.05 cm3/cm3图 8b图中红色部分),且喉道半径 > 5.00 µm的微孔占储层喉道的30%~40%,这表明储层中大喉道所占比例越多,有效体积就越大,油气运聚的通道就越畅通。

4.2 孔隙连通的主控因素

鄂尔多斯盆地延长组长7段储层孔隙连通主要受控于沉积环境、矿物含量、成岩作用和有机质充填程度等4种因素。

基于不同成因砂体研究,砂质碎屑流成因砂体形成于强水动力环境,砂岩粒度分选好,以块状沉积构造为主,储层孔隙连通性相对于浊流和滑塌成因砂体好。刚性矿物和塑性矿物含量多少也对孔隙变化有一定影响,长7期,东北沉积体系的石英、长石等刚性矿物含量比西南沉积体系的高9%,抗压实能力强,孔隙相对较高;西南沉积体系伊利石等塑性矿物含量相对较高,证明了西南体系储层物性普遍差,孔隙和喉道细小。

大量薄片镜下观察发现,致密油储层受压实作用、晚期碳酸盐胶结和伊利石黏土矿物胶结作用较强,骨架颗粒被挤压变形,原生粒间孔被挤压变小,也被晚期碳酸盐岩和伊利石矿物充填,原始孔隙度降低30%,喉道变细;溶解作用主要发生在有机质热演化晚期,有机酸脱羧作用形成CO2,并溶于水生成碳酸,碳酸电离再形成H+、HCO3-、CO32-,碳酸电离的H+将溶解邻近砂岩中的酸性物质(碳酸盐和硅酸盐等),产生次生孔隙,孔隙度可以增加2%,改善了储集空间和连通喉道。另外,纵向上储层与源岩互层共生,孔隙内除黏土矿物填充外,颗粒间还充填了大量的残余有机质。通过孔隙有机质充填物的提取实验及残余孔隙的计算,恢复出原生粒间孔平均孔隙半径为6.26 µm,平均喉道半径为4.72 µm;经过有机质充填后,残余孔隙的平均孔隙半径为4.19 µm,平均喉道半径为2.63 µm。有机质使孔喉半径减小30%~50%,储集空间减少80%,连通性降低90%(表 3)。这说明颗粒间的大量残余有机质也是影响长7段储层的孔隙连通性的主要因素。

表3 鄂尔多斯盆地地区长7致密油储层填隙物含量统计表 Table 3 Filler content statistics of Chang 7 tight oil reservoir in Ordos Basin
4.3 微裂缝特征

露头、岩芯及成像测井资料研究表明,鄂尔多斯盆地长7致密油储层中宏观裂缝、微裂缝均较为发育。在致密砂岩储层中主要发育近E——W向和NE——SW向的构造剪切裂缝,这些裂缝主要发育在层内,以70°~90°的高角度缝为主,切深一般 < 60 cm,主要分布在5~20 cm。通过统计分析,发现储层中有效裂缝占裂缝总数的90.0%以上,且裂缝中有烃类运移的痕迹,而由方解石和石英局部充填或半充填充填的裂缝占裂缝总数的8.5%,由方解石和石英全充填裂缝仅占2.7%。

通过铸体薄片镜下观察,储层在成岩作用的影响下形成了各种成岩微裂缝。受机械压实作用影响,长石、石英等脆性颗粒发生破裂形成微裂缝(图 9a),受溶蚀作用影响,岩石颗粒接触面可形成溶蚀微裂缝。另外,N44井的CT扫描及三维切片成像结果显示,长7致密砂岩样品内部微裂缝与微孔隙发育带形成了相互连通的储集、渗流系统(图 9b),有效地改善了储层的渗透性,提高了流体的渗流能力。

图9 N44井长7致密储层裂缝发育特征 Fig. 9 Fracture development characteristics of Well N44 Chang 7 tight reservoir
5 致密含油储层物性下限与可动流体 5.1 储层含油性与物性

鄂尔多斯盆地致密砂岩储层由多期水下分流河道和重力流沉积形成,储层非均质性较强,物性相对较好的储层其孔隙中值半径较大,排驱压力较小,含油性较好;反之,储层含油性较差[21]。通过对姬塬地区三角洲沉积体系的G58井长7段不同渗透率样品的荧光分析,在井深2 390.15 m处的油斑状含油岩芯,其孔隙度为9.80%,渗透率为0.210 mD,荧光为浅黄色——黄绿色(图 10a),含油性较好,且分布均匀。在井深2 494.60 m处的岩芯平均孔隙度为5.75%,渗透率为0.026 mD,平均中值半径为0.049 µm,荧光显示弱(图 10b),含油性较差,表明当渗透率低于0.026 mD时,油气将难以进入三角洲前缘沉积储层。而对于深湖相的重力流沉积储层,由于砂岩分选好,孔隙发育,储层渗透率小于0.015 mD样品的荧光几乎无显示(图 10c),表明渗透率为0.015 mD即为半深湖——深湖重力流沉积背景下油气进入储层的下限值。

图10 长7段不同沉积体系致密储层荧光照片 Fig. 10 Fluorescence images of different sedimentary system of Chang 7 tight reservoir
5.2 可动流体

核磁共振实验能够较为准确地研究储层中的可动流体,本次核磁共振T2测量使用的是中国石油勘探开发研究院廊坊分院渗流所引进的magnet2000型仪器,实验温度是恒温20℃。核磁共振可动流体实验岩样分析结果见表 4

表4 长7致密储层核磁共振可动流体实验测试结果 Table 4 Results of nuclear magnetic resonance (NMR) movable fluid experiment of Chang 7 tight reservoir

N52井可动流体饱和度34.93%,YC1井可动流体饱和度56.05%,YC2井可动流体饱和度47.38%,差别比较大,平均可动流体饱和度为46.12%。可动流体饱和度与渗透率相关性较好, 渗透率大的储层可动流体饱和度高。结合恒速压汞的孔喉分析,可动流体饱和度与喉道半径相关性很强,喉道大小控制了储层中的可动流体[22-23],致密油储层可动流体主要分布于0.10~0.50 µm喉道控制的储集空间(占31.25%)。

致密油储层虽然物性差,但是在长7源储共生的有利配置和生烃增压动力的驱替下,烃类第一时间进入长7砂岩储层,在相互连通的砂岩储集体中聚集成藏形成连续性分布的大型岩性油藏。近年来,随着致密油认识的突破,工艺技术的创新,长庆油田针对直井采用混合水压裂、水平井采用“分簇多段”体积压裂的工艺改造方案,大大提高了致密厚油层的油藏有效动用程度,实现了工业化开发。

6 结论

(1)长7致密油储层岩石类型为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩,石英、长石、方解石等脆性矿物含量高,有利于储层体积压裂改造;另外,储层中以伊利石、铁白云石、铁方解石为主的填隙物相对发育,且受沉积环境影响,填隙物含量有变化,不同程度地堵塞了孔隙和喉道。

(2)长7致密油储层,砂岩粒度细,可见孔含量低,储层物性差。通过CT扫描和场发射高分辨率仪器识别和测量,孔隙类型以黏土矿物晶间孔、长石溶蚀孔与残余粒间孔等微、纳米级孔隙为主,喉道以片状喉道和管状喉道为主。根据恒速压汞实验结果,储层孔喉大小与渗透率呈正相关性,渗透率越高则孔隙半径和喉道半径越大。

(3)长7致密油储层致密,物性差,一方面与砂岩粒度细,储层填隙物含量高有关,另一方面与烃源岩和沉积环境有关,储层中的颗粒间充填了大量的残余有机质和黏土矿物。据纳米级CT扫描数据和计算机数值重构,储层虽然致密,但储层中管状微、纳米孔隙发育,较好的串通起大孔隙,实现了孔隙连通。另外,孔隙与微裂缝相互连通,也形成了良好的渗流系统,有效改善了储层渗透性。

(4)长7致密储层非均值性强,储层中的含油性存在较大变化,物性好的,含油性好,储层非常致密的,含油性差。受不同沉积环境影响,半深湖——深湖相环境中,油气进入储层的下限值比三角洲前缘亚相的低,油气容易进入。同时,致密油藏源储共生,在生烃增压动力的驱动下,近源运聚,储层可动流体饱和度高。

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