頁巖氣藏水相圈閉損害潛力研究

頁巖氣藏水相圈閉損害潛力研究

0巖儲層精細研究的必要性巖巖氣是一種特殊的不規(guī)則天然氣，在巖質中沉積。具有自生自儲、無氣水界面、連續(xù)藏、低孔、低滲等特點。通常沒有天然或低儲量。北美地區(qū)頁巖氣的成功開發(fā),改變了北美天然氣供應格局,頁巖氣正在重塑世界油氣資源勘探開發(fā)新格局。中國頁巖氣資源潛力巨大,據2012年國土資源部油氣戰(zhàn)略中心評價,中國頁巖氣技術可采資源量區(qū)間值為(10.3~47)×10１２m３,期望值為25.1×10１２m３。根據美國近20a的頁巖氣開發(fā)經驗,頁巖氣的經濟開發(fā)需要大型水平井鉆完井和水力壓裂技術,水平鉆井一般需要水基鉆井液(目前國內一般采用油基鉆井液),儲層改造需要水基壓裂液,整個儲層改造過程需要“萬方水千方砂”,可見水在其中的作用是非常大的。在氣層改造過程中,由于鉆井液、完井液、固井液及壓裂液等外來流體侵入儲層后難以完全排出,致使儲層含水飽和度增加,氣相滲透率降低［１］,增大應力敏感損害并產生嚴重的水相圈閉損害［２－６］,對后期頁巖氣的開采極為不利。所以開展入井流體與頁巖儲層的相互作用研究對形成有效的頁巖氣開采技術尤為重要。頁巖儲層原始狀態(tài)下的含水情況是進行該項研究的基礎,同時含水飽和度也是控制氣藏持續(xù)生產的最關鍵儲層參數［７－９］。目前對頁巖氣藏成藏過程中含水特征及運移規(guī)律研究有限,國外主要通過水蒸發(fā)實驗對低含水飽和度形成進行了研究［１０－１１］,但對頁巖氣成藏是否存在超低含水飽和度尚存在疑問。對頁巖儲層認識的這些局限,影響著對頁巖勘探方向的選擇和有利區(qū)帶的預測,制約著工程技術的效果。1儲層初始含水飽和度隨儲層密度的變化通過對中國石油天然氣股份有限公司(簡稱“中國石油”,下同)頁巖氣示范區(qū)頁巖儲層含水飽和度研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)頁巖儲層初始含水飽和度存在2類現(xiàn)象。第一類為初始含水飽和度超高的頁巖氣儲層(表1),如昭101儲層、YQ1儲層等,該類儲層構造上位于盆地邊緣構造改造區(qū),地理位置位于中國石油昭通示范區(qū),儲層含氣量較低,單井產量低,初始含水飽和度均大于60%。筆者研究認為,由于該區(qū)頁巖儲層遭受了嚴重的構造改造,氣藏遭受到破壞,氣體散逸,地層水侵入,造成初始含水飽和度較高。對該區(qū)頁巖樣品抽真空飽和水后,分別進行200psi和400psi離心力(在常規(guī)儲層中,認為在該離心力下的含水飽和度為束縛水含水飽和度最大值)下含水飽和度測試,發(fā)現(xiàn)400psi離心力下含水飽和度均大于75%,說明由于頁巖儲層非常致密,孔喉半徑較小,造成其束縛水含水飽和度較高,普遍認為致密頁巖儲層束縛水含水飽和度最大值大于70%。第二類為含水飽和度低的頁巖氣儲層(表2),如威201儲層、寧201儲層等,該類儲層構造上位于盆地內部穩(wěn)定區(qū),地理位置位于中國石油長寧—威遠頁巖氣開發(fā)示范區(qū)和富順—永川頁巖氣開發(fā)示范區(qū)(中國石油與殼牌合作區(qū)塊),儲層含氣量高,單井產量高,該類儲層存在明顯的超壓現(xiàn)象。美國富含氣頁巖盆地頁巖儲層初始含水飽和度也存在較低的現(xiàn)象,Barnett盆地、Haynesville盆地、EagleFord盆地、Marcellus盆地和Fayetteville盆地頁巖儲層初始含水飽和度分別為0.25~0.35、0.15~0.35、<0.20、0.12~0.35和0.25~0.501。作為物性相近的致密頁巖儲層,富含氣頁巖儲層的初始含水飽和度如此之低,遠遠小于普遍認為的致密頁巖儲層束縛水含水飽和度的最大值70%,所以,認為富含氣頁巖儲層存在超低含水飽和度現(xiàn)象。L.TarasBryndzia2通過對Haynesville盆地富含氣頁巖儲層研究發(fā)現(xiàn),該盆地歷經埋藏和生烴/排烴階段的脫水過程,形成了特別低的含水飽和度,形成了Sｗｉ<<Sｗｉｒｒ(最大束縛水含水飽和度)的現(xiàn)象。2超出標度的原因2.1儲層典型土質及料質儲層的異常集體性特征初始含水飽和度(Sｗｉ)是儲油(氣)層原始狀態(tài)下的含水飽和度。束縛水飽和度是指存在儲層巖石顆粒表面、孔縫的角隅以及微毛細管孔道中的不流動的水(即束縛水)所占孔隙體積與儲層總孔隙體積之比。超低含水飽和度是指儲層中初始含水飽和度(Sｗｉ)小于束縛水含水飽和度最大值(Sｗｉｒｒ),也就是與介質毛管壓力相比處于欠水飽和度狀態(tài)(圖1)。一般認為常規(guī)油氣儲層中不存在超低含水飽和度現(xiàn)象。在致密富含氣頁巖儲層中超低含水飽和度現(xiàn)象卻普遍存在。2.2頁巖氣地質特征天然氣大量生成及聚集成藏是頁巖氣藏超低含水飽和度形成的重要原因,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。四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖有機碳含量較高,達0.5%~2.4%,熱演化程度高,RＯ值為2.5%~4%,生烴強度大,具備頁巖氣大量生成的地質條件,天然氣不斷生成并在氣藏內聚集。資源評價表明,四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源豐度非常高,烴源巖的生烴強度與油氣資源豐度之差存在對數關系,兩者之間的關系暗示著該區(qū)有著較大的排烴量。同時,該區(qū)域龍馬溪組頁巖的厚度為150~550m,沉積厚度大,不僅可以作為良好的儲集層,而且也可以作為有效蓋層,為超低含水飽和度的保持提供了有利條件。2.2.1不同地層水排液過程在頁巖成巖過程中,在壓實作用下疏松巖石孔隙不斷被壓實,其中所包含的大量地層水被排出,同時孔隙體積在降低,成巖過程后期,由于生烴作用,在頁巖儲層中產生了大量有機質孔隙,剩余水主要被集中到粒間孔和有機質孔隙中。不斷減少的地層水被集中到后期縮小的粒間孔中和有機質孔隙中,易于被烴類流體向上覆地層中排驅。在頁巖大量生烴過程中,由于上覆巨厚泥頁巖蓋層封隔,大量生成的天然氣會聚集產生異常高壓。當高壓值達到上覆蓋層的破裂壓力時,產生大量微裂縫為天然氣及流體向外排替提供通道,排液過程結束后,氣藏內部壓力值下降,裂縫趨于閉合,這一過程可以重復進行,在高壓引起的反復“幕式排液”作用下,儲集層中的水越來越少［１２－１５］。烴源巖中有機質生成的烴類分子最終要進入孔隙,部分烴類分子必須克服孔隙中束縛水的阻擋,在這個過程中一些束縛水分子由于受到烴類分子的作用力,便會突破巖石的束縛變成自由水分子進入孔隙中(圖2),最終在排液過程中排出儲集層,這是形成超低含水飽和度的一個主要原因。2.2.2水促進含碳廢水排放的效果Seewald［１６］提出,成烴演化過程中無機的沉積組分參與了有機物的轉換,其中水是非常重要的,它促進了這種反應機制,為烴類及氧化產物(CO２)提供了氫和氧(圖3)［１７－１９］。王曉鋒等［２０］通過水在有機質形成氣態(tài)烴演化中作用的熱模擬實驗發(fā)現(xiàn)水參與了生烴的化學反應,增加了CO２和H２的產率,同時在一定程度上增加了烴類的產率,特別在高演化階段明顯增加了甲烷的產率［２１］。隨著埋深的增加,成巖作用加強,頁巖中蒙脫石逐漸轉化為間層礦物,最終向伊利石轉化,蒙脫石向伊利石的轉化,使巖石的結構性變差,孔隙空間被壓縮,促進了排水過程［２２］。另一方面蒙脫石向伊利石的轉化,誘發(fā)了長石等礦物的溶蝕,形成了大量的次生孔隙,改善了巖石物性。石膏礦物的水化［２３］,可能也是超低含水飽和度存在的原因之一。2.2.3汽化攜帶液和總含水率飽和度在致密頁巖氣藏形成過程中,隨埋深加大,溫度壓力增高,氣體向上覆地層運移過程中的攜液能力不斷增強。在101.3kPa條件下,干氣在100℃攜液能力為15.6℃攜液能力的38.5倍。天然氣生成量越來越大的同時,水的生成越來越少,在高溫干燥天然氣汽化作用下,地層水呈氣相不斷地被攜帶到上覆地層,進而在下伏儲層段形成超低含水飽和度。通過對中國石油示范區(qū)頁巖開展氣驅水實驗發(fā)現(xiàn),在室溫和圍壓3MPa下,用1MPa的N２分別驅30h和60h,繼而在70℃條件下用1MPa的N２驅30h和60h,基塊頁巖含水飽和度能夠下降到58%,裂縫頁巖含水飽和度能降低到40%(圖4),與示范區(qū)富含氣頁巖儲層原始含水飽和度相當,表明汽化攜液能造成頁巖儲層超低含水飽和度現(xiàn)象。異常高壓作用下產生的裂縫,為“汽化物”運移提供了良好通道,加快了汽化攜液行為,利于超低含水飽和度的形成［２４］。3低含水度對開發(fā)巖石氣的重要性3.1儲層蓋層設計頁巖氣藏超低含水飽和度形成之后,其保存主要受以下2個因素控制:1較大厚度的泥頁巖作為蓋層,具有良好的封隔能力,可有效阻止氣的散失及上覆水體進入儲層;2氣藏內具有較高壓力的天然氣的存在,對氣藏內超低含水飽和度的保持起到相當重要的作用［２５］。3.2儲層儲層巷道是否可以采儲層,也會在一定期(1)頁巖含氣量主要包括游離氣和吸附氣量,游離氣量與1—Sｗｉ呈正相關關系,吸附量與含水飽和度呈相反關系,所以頁巖儲層含水飽和度降低,游離氣量和吸附氣量都必然增加。在儲層孔隙度、滲透率條件和溫度壓力不變的情況下,頁巖儲層存在超低含水飽和度現(xiàn)象,儲層油氣現(xiàn)實儲量將大幅度增加,也將增加氣相滲透率(圖1),有利于頁巖氣的開采,增加了頁巖氣的可采儲量。(2)超低含水飽和度存在,將大大增加致密頁巖儲層孔隙的毛細管自吸力,在鉆井完井、增產改造等作業(yè)過程中,水基工作液接觸到巖石表面后,立即在毛細管力下自吸進入氣層,導致近井帶或裂縫面附近致密氣層中含水飽和度增加,嚴重降低氣相滲透率,不利于頁巖氣的開發(fā)。(3)超低含水飽和度的存在,還會造成測井相應表現(xiàn)為低阻,導致測井解釋含氣飽和度偏低,漏判或低估高產氣藏。(4)超低含水飽和度的存在,會導致入井流體侵入量和侵入速度增加,水相圈閉損害更加嚴重,侵入地層的液相更加難于返排和消除,進而使吸水后的頁巖易發(fā)生水化膨脹,導致井壁失穩(wěn)。4超低含水率飽和度的優(yōu)點(1)富含氣頁巖儲層普遍存在超低含水飽和度現(xiàn)象,形成該現(xiàn)象的原因主要有3個