川中地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏氣水雜化機理

川中地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏氣水雜化機理

致密砂巖儲層以其豐富的資源和較高的產(chǎn)量為優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外天然氣工業(yè)的重要支柱。而須家河組作為四川盆地致密砂巖氣藏開發(fā)的主力層位,分布眾多攸關(guān)該盆地儲量增長和產(chǎn)量接替的關(guān)鍵性氣藏。截至2011年底,四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組的地質(zhì)儲量即已達1.2×1012m3(探明7000×108m3,控制+預(yù)測5000×108m3),形成了繼鄂爾多斯盆地蘇里格氣田之后所發(fā)現(xiàn)的又一個儲量超過萬億方的大氣區(qū)。須家河組氣藏遍布整個四川盆地,但以川中地區(qū)最為發(fā)育,集中了目前盆地內(nèi)須家河組已發(fā)現(xiàn)儲量的80%,相繼發(fā)現(xiàn)了八角場、廣安以及合川潼南等數(shù)個大氣田。川中地區(qū)須家河組各氣藏具有致密砂巖氣藏的典型特征,即儲層物性條件差(有效孔隙度3%~13%,基質(zhì)滲透率0.001×10-3~0.2×10-3μm2),區(qū)域大面積含氣,水體呈局部連續(xù)分布,沒有統(tǒng)一的氣水界面,但與典型致密砂巖氣藏相比,該區(qū)各須家河組氣藏儲層中可動水飽和度普遍較高。這一差異導(dǎo)致該區(qū)各須家河組氣藏氣井在壓裂改造后普遍出水,產(chǎn)量遞減快,穩(wěn)產(chǎn)條件差,自然產(chǎn)能低,井筒積液嚴(yán)重。因此,需要對川中地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏氣水分布的形成機理有清晰的認(rèn)識,以助在后續(xù)開發(fā)中尋找富氣區(qū),避開富水區(qū),提高各氣藏的整體動用程度。1致密砂巖儲層大孔隙結(jié)構(gòu)川中地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏的氣水分布整體呈現(xiàn)氣水過渡帶的特征,區(qū)域大面積含氣,氣水混雜分布,氣水界限不明顯,剖面上氣層和氣水層混雜分布,氣水倒置現(xiàn)象普遍(圖1),平面上富氣區(qū)和富水區(qū)交替出現(xiàn),甜點分布效應(yīng)顯著(圖2);在微觀上,致密砂巖儲層大孔隙中的可動水比例普遍較高。各氣藏的氣水分布特征為:1)構(gòu)造高部位以氣層為主,具有少量的邊水或底水,是整個氣藏的“甜點區(qū)”。2)構(gòu)造低部位具有氣水過渡帶的特征,其中的高滲區(qū)儲層可動水含量較高,以發(fā)育氣水層或水層為主,低滲區(qū)儲層束縛水比例較高,以發(fā)育含氣層為主。3)儲層裂縫發(fā)育部位氣水分異程度高,大量發(fā)育富氣區(qū),形成了低幅平緩構(gòu)造背景下的另一種“甜點區(qū)”。2形成因素2.1須家河組天然氣層壓結(jié)構(gòu)川中地區(qū)須家河組各氣藏的氣源供應(yīng)比較單一,均由其下伏煤系地層單獨供氣,再加上各氣藏儲層較為致密,非均質(zhì)性較強,造成各氣藏成藏過程以近源成藏、垂向充注為主。須家河組地層自下而上可細(xì)分為須一至須六段:其中須一、三、五段為煤系地層,利于天然氣的生成,并具有較好的封蓋作用;須二、四、六段為灰色砂巖,利于天然氣的儲集。天然氣碳同位素分析以及天然氣組分分析表明,川中地區(qū)須家河組各氣藏的氣源是明確的,須二氣藏由須一段充注而成,須四氣藏由須三段充注而成,須六氣藏由須五段充注而成。各煤系地層的生烴強度介于5×108~20×108m3/km2,生烴強度偏弱,再加上各氣藏儲層較為致密,非均質(zhì)性較強,造成該區(qū)各須家河組氣藏的充滿程度普遍不高,氣水分布整體呈現(xiàn)氣水過渡帶的特征。各氣藏的充滿程度與供氣煤系地層的發(fā)育程度緊密相關(guān):須五段厚度最大(>120m),故須六氣藏充注程度較高,達56%~61%;須三段厚度次之(50~80m),則須四氣藏產(chǎn)水較大;須一段烴源巖厚度最薄,且在很多地方缺失,則須二氣藏分布區(qū)域有限,僅在須一段比較發(fā)育的區(qū)域才有分布,而須四和須二氣藏的充滿度僅有30%左右。2.2須家河組氣藏含氣根據(jù)成藏年代學(xué)及成巖演化研究結(jié)果,須家河組氣藏?zé)N源巖的生氣排烴期始于須四段沉積期(晚三疊世末期),終于晚白堊世;砂巖儲層的致密化過程則要晚于生氣排烴期,介于早白堊世—古近紀(jì),即須家河組氣藏成藏過程為先聚集成藏后再致密成藏(圖3),而先成藏再致密的直接結(jié)果是川中地區(qū)須家河組各氣藏整體大面積含氣。晚三疊世末至晚侏羅世為天然氣初次運聚期,須一、須三及須五3個煤系地層形成的未熟-低熟天然氣垂向運移到致密化程度不高的砂巖儲層中,并被古構(gòu)造優(yōu)先捕集成藏,在閉合度較大的構(gòu)造帶發(fā)育區(qū)形成了純氣頂;早白堊世—古近紀(jì)為天然氣主要聚集成藏期,大量生成的天然氣向附近儲層運移,因砂巖儲層的致密化程度已經(jīng)較高,新生成的天然氣難以大規(guī)模地驅(qū)替掉儲層孔隙中的水,僅以彌散的氣泡分布其中,形成該區(qū)須家河組氣藏氣水混雜分布格局;古近紀(jì)以來為氣藏再分配定型期,喜馬拉雅運動產(chǎn)生斷層及裂縫,烴類發(fā)生運移、調(diào)整和再分配,而該階段氣藏抬升、生氣排烴停止及溫壓條件改變使成巖后生作用異常強烈,以致儲層更致密,最大限度地保存了原生氣藏。2.3過渡帶特征、無明顯氣水界面在砂巖儲層中,孔喉大小是控制氣體上浮的關(guān)鍵因素,高滲砂體中的大孔喉允許氣體快速通過,浮力成為該孔喉背景下氣泡受到的主要作用力,而致密砂巖儲層小孔喉中的連續(xù)水相能有效阻止氣體的向上運移,毛細(xì)管力成為該孔喉背景下氣泡受到的主要作用力。因此,對于川中地區(qū)各致密砂巖氣藏來說,砂巖儲層致密也是各氣藏呈現(xiàn)氣水過渡帶特征、無明顯氣水界面的重要原因。該區(qū)家河組氣藏的致密砂巖儲層發(fā)育中細(xì)粒為主的長石巖屑砂巖、巖屑砂巖巖相,經(jīng)過一系列成巖作用的改造(破壞性的壓實作用、膠結(jié)作用和建設(shè)性的溶蝕作用、破裂作用),致使砂巖儲層的原生孔隙在成巖作用中幾乎被破壞殆盡,孔隙類型以殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主,3種孔隙類型即占總孔隙的70%以上;孔隙形態(tài)不規(guī)則,孔徑較小;喉道類型以縮頸型、片狀為主,喉道寬0.1~1μm,呈交叉狀、樹枝狀分布,喉道內(nèi)徑較為細(xì)窄(圖4a,b)。在該區(qū)須家河組氣藏開始充注的早期,砂巖儲層的致密程度較低,最開始進入砂巖儲層孔隙中的天然氣主要受到浮力的作用,浮力很容易克服毛細(xì)管力而使氣體上浮,在有利的構(gòu)造圈閉中聚集成常規(guī)氣藏。隨著砂巖儲層致密程度的加深,控制天然氣運動的主要作用力變成了毛細(xì)管力,天然氣在強大的源儲壓差下,克服毛細(xì)管力,以不連續(xù)、脈沖式的方式在致密砂巖孔隙水中沿優(yōu)勢帶指狀突進,形成了氣水混雜分布的氣水過渡帶(圖5a,b,c)。2.4儲層地質(zhì)條件對氣頂構(gòu)造的影響在致密砂巖氣藏成藏過程中,氣水需要有足夠的構(gòu)造幅度進行重力分異,缺乏足夠的構(gòu)造幅度則會導(dǎo)致氣水混雜在一起。對于總體發(fā)育低幅平緩構(gòu)造的川中地區(qū)各致密砂巖氣藏來說,氣水分異不徹底、氣水混雜一體是在該構(gòu)造背景下所呈現(xiàn)的必然結(jié)果,僅能在局部構(gòu)造幅度發(fā)育部位找到一些氣水分異相對徹底的“甜點區(qū)”。從成因上來講,形成純氣頂所需要的構(gòu)造幅度與儲層條件有關(guān)。儲層孔喉條件越差,毛管力越大,水在致密砂巖孔喉中上升的高度就越高,即氣水過渡帶就越高,從而形成氣頂所需要的構(gòu)造幅度就越大。根據(jù)須家河組致密砂巖氣藏的儲層物性與氣柱高度之間的統(tǒng)計關(guān)系表明,氣水分異所需的構(gòu)造幅度與儲層物性呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系:當(dāng)孔隙度大于10%時,氣藏完成徹底的氣水分異所需的構(gòu)造幅度大于105m;當(dāng)孔隙度介于8%~10%時,氣藏完成徹底的氣水分異所需的構(gòu)造幅度大于280m;當(dāng)孔隙度介于6%~8%時,氣藏完成徹底的氣水分異所需的構(gòu)造幅度大于400m(圖6)。根據(jù)對川中地區(qū)須家河組各氣藏的構(gòu)造幅度進行統(tǒng)計,廣安氣田須六氣藏A區(qū)頂部的構(gòu)造幅度最為發(fā)育,構(gòu)造閉合度為344m,在其儲層物性條件下,氣水分異相對較為徹底,其余各氣藏則因構(gòu)造幅度發(fā)育程度不夠,氣藏整體呈現(xiàn)氣水混雜一體的格局。2.5構(gòu)造應(yīng)力促進了儲層精細(xì)管理川中地區(qū)須家河組氣藏儲層裂縫普遍發(fā)育,裂縫類型主要為高角度的剪切縫和低角度的張裂縫。對該區(qū)裂縫的成因分析后發(fā)現(xiàn),各須家河組氣藏的致密砂巖儲層主要發(fā)育兩期裂縫,第一期為形成于燕山運動晚期因受推覆擠壓作用而與褶皺相伴生的張裂縫,在褶皺應(yīng)力比較集中的轉(zhuǎn)折端分布較多;第二期為形成于喜馬拉雅運動時期因受逆沖推覆作用而與斷層相伴生的剪切縫,在與斷層平行的方向分布較多。這兩期裂縫均在須家河組致密砂巖氣藏的形成和調(diào)整過程中發(fā)揮了重要的通道作用。發(fā)生在侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)的燕山運動以及發(fā)生在第三紀(jì)的喜馬拉雅運動,一方面使得須家河組的砂巖儲層更加致密,另一方面使得砂巖儲層在構(gòu)造應(yīng)力的作用下發(fā)育了大量的斷裂和裂縫。儲層裂縫的發(fā)育則極大地改善了砂巖儲層的滲透性,使原本已被致密化封存的須家河組原生氣藏發(fā)生了活化,恢復(fù)了滲流能力,使其具備了商業(yè)開采價值。此外,在川中地區(qū)須家河組氣藏成藏過程中,因裂縫改善了致密砂巖儲層的滲流通道,利于氣驅(qū)水過程的進行,在裂縫發(fā)育的上傾端砂體中形成了較為徹底的氣水分異,形成了低幅平緩構(gòu)造背景下除局部構(gòu)造幅度發(fā)育區(qū)之外的另一類型“甜點區(qū)”。3儲層致密化階段川中地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏的形成始于晚三疊世末期,因此時砂巖儲層的致密程度較低,在晚三疊世末至晚侏羅世的天然氣初次運聚階段中,由煤系有機質(zhì)形成的天然氣充注到更早階段形成的構(gòu)造圈閉中,并在浮力的作用下,聚集在各構(gòu)造幅度發(fā)育部位的頂部,構(gòu)造幅度對成藏起著主要的控制作用,形成了一系列的構(gòu)造氣藏。但因煤系地層生烴強度有限,各構(gòu)造氣藏的充注程度普遍較低。成藏過程中排出的有機酸造成易溶顆粒型自生礦物難以形成,使得儲層在隨后的壓實、膠結(jié)等成巖作用下逐漸變得致密。早白堊世—古近紀(jì)的天然氣主要聚集成藏階段,天然氣大量生成,但須家河組儲層在成巖演化和燕山運動的作用下致密程度已經(jīng)很高。處于生烴高峰期的煤系地層在強大的源儲壓差下,將生成的天然氣突破毛細(xì)管力的阻塞,充注到致密砂巖儲層中,在儲層中呈彌散狀分布,形成了氣水混雜分布的格局。砂巖儲層的致密化阻塞了天然氣的運移,反過來,已經(jīng)致密的砂巖儲層卻將須家河組氣藏有效地封存下來,阻止了已形成的氣藏在以后階段中的逸散。在該階段中燕山運動產(chǎn)生的大量張裂縫為天然氣在致密砂巖氣藏中的運移提供了優(yōu)勢通道和儲集空間,以致在致密砂巖氣藏開發(fā)過程中裂縫發(fā)育區(qū)成為非常重要的有利目標(biāo)區(qū)。進入第三紀(jì)后,須家河組砂巖儲層的致密程度普遍較高,加上其內(nèi)部煤系地層的生烴高峰也已經(jīng)結(jié)束,整個氣藏的氣水分布格局基本上固定下來了。但在喜馬拉雅運動的作用下,須家河組致密砂巖氣藏進入了“活化”階段。該階段發(fā)生的構(gòu)造沉降與抬升使得原有的構(gòu)造圈閉與現(xiàn)今的地形不符,部分氣水倒置的現(xiàn)象因此而起。更重要的是,喜馬拉雅運動發(fā)育的大量裂縫使得致密儲層的物性得到了顯著的改善,在裂縫發(fā)育段重新聚集成藏,在原來不易于形成氣藏的部位形成了大量的優(yōu)質(zhì)氣藏。4致密砂巖氣藏氣水分布形成因素1)川中地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏的氣水分布整體表現(xiàn)為氣水過渡帶特征,區(qū)域大面積含氣,氣水混雜分布,氣水界限不明顯,氣水倒置現(xiàn)象普遍;微觀上表現(xiàn)為致密儲層的大孔隙中普遍存在可動水。局部構(gòu)造和裂縫發(fā)育區(qū)域是主要的富氣區(qū),圍繞這兩個區(qū)域的甜點效應(yīng)顯著,構(gòu)造低部位和普遍致密區(qū)域則分別發(fā)育富水區(qū)和次富氣區(qū)。2)該區(qū)各致密砂巖氣藏氣水分布形成因素包括氣源供應(yīng)不足、成藏充注較早、砂巖儲層致密、局部構(gòu)造發(fā)育、儲