徐深气田火山岩储层储集空间特征及渗流机理

摘 要

摘要：火山岩储层与碎屑岩和碳酸盐岩储层相比，其储集空间更复杂、非均质性更强、渗流机理尤其不清楚。为有效开发这类气田，针对松辽盆地徐深气田的特点，通过一系列大直径岩心特殊
摘要：火山岩储层与碎屑岩和碳酸盐岩储层相比，其储集空间更复杂、非均质性更强、渗流机理尤其不清楚。为有效开发这类气田，针对松辽盆地徐深气田的特点，通过一系列大直径岩心特殊分析手段筛选，找到了适合火山岩储层特性的分析方法，从储层基本特征、渗流机理、储层敏感性评价等方面开展的实验研究，揭示出了火山岩储层储集空间特征与渗流机理。研究结果表明：火山岩储层储集空间是孔隙与裂缝的不同组合体；孔隙大小分布不均，孔隙中大孔隙被小喉道控制；储层表现出亲水特征，束缚水饱和度高，两相渗流范围小，气相渗流具有明显的低速非达西渗流特征，气相渗流存在启动压力梯度。
关键词：松辽盆地；徐深气田；火山岩气藏；储集层；渗流机理；敏感性；滑脱效应；启动压力梯度
1 火山岩储层储集空间特征
1.1 岩性岩相特征
    松辽盆地徐深气田下白垩统营城组火山岩储层为多期次喷发形成的，可分为3个相带、5种岩相及15种亚相[1～2]，火山岩岩性共有8大类17种岩性。有利储层主要分布在喷溢相上、下部亚相的气孔流纹岩、爆发相中热碎屑流亚相的晶屑凝灰岩、火山通道相中隐爆角砾岩亚相的角砾岩、火山通道相中火山颈亚相的熔结角砾凝灰岩。
1.2 物性特征
    火山岩储层岩心分析孔隙度为0.6%～20.5%，其中样品孔隙度大于10%的占9.91%，样品孔隙度主要分布在2%～10%之间的占66.57%，样品孔隙度小于2%的占7.75%；平均6.57%。渗透率范围主要分布在(0.002～13.6)×10-3μm2之间，分布在(0.01～0.5)×10-3μm2范围内的占83%，平均0.43×10-3μm2，孔渗之间线性关系差。受岩性控制，气孔流纹岩孔渗条件最好，其次是晶屑凝灰岩。
    火山岩储层束缚含水饱和度在25%～93.7%，平均68.1%，主要分布在40%～80%之间，束缚含水饱和度普遍较高，与孔隙度分布没有线性关系，表现为致密低渗储层含水饱和度偏高的特征。8口长井段取心井岩心观察与多手段分析实验表明，研究区火山岩岩性较致密，空隙间连同差，局部有裂缝发育，是造成孔渗饱三参数匹配性差的主要原因，储层总体为为低孔低渗高含水储层。
1.3 储集空间特征
通过岩心、岩屑观测和显微结构分析，本区火山岩储集空间类型可划分为3大类型，即原生孔隙和裂缝、次生孔隙和裂缝、复合孔隙和裂缝[3]。在各大类中依据其成因、分布和特征又可进一步细分，如孔隙划分为原生孔隙、次生孔隙和复合孔隙3种类型，按结构进一步划分为13种，最主要的孔隙为气孔、脱玻化微孔、杏仁体内残留孔、粒间孔和粒内溶孔；裂缝划分为原生缝、次生缝和复合缝3种类型，按结构进一步划分为12种，最主要的为构造裂缝和炸裂缝。不同岩石类型有不同储集空间特征，主要为气孔、溶蚀孔洞、裂缝的不同组合，主要储集空间形式有8种，原生的气孔和次生的溶蚀孔及脱玻化孔比例较高(表1)。
表1 火山岩储层主要岩性储集空间特征统计表
岩石类型
原生
次生
气孔
脱玻化孔
长石溶孔
火山灰溶孔
粒内粒间孔
微裂缝
流纹岩
73.79
19.36
2.22
0.00
0.00
4.63
流纹质凝灰岩
2.59
1.06
14.60
76.49
1.32
3.95
流纹质熔结凝灰岩
44.39
1.14
18.01
31.45
0.25
4.76
火山角砾岩
13.31
1.45
0.72
2.60
75.69
6.22
粗面岩
45.95
0.00
47.30
0.00
0.00
6.76
英安岩
50.00
0.00
50.00
0.00
0.00
0.00
1.4 成岩作用对储集空间的影响
    火山岩因其特殊性和成岩环境分为3种，各种环境下发生的成岩作用对储集空间影响有利有弊，其中挥发分的逸散作用、火山热液充填作用分别影响最大。
   在同生成岩环境下，主要发生冷凝(却)收缩作用、挥发分的逸散作用、熔结、压积作用、火山热液充填作用。其中冷凝(却)收缩作用、挥发分的逸散作用对储集空间起建设性的作用，而熔结、压积作用、火山热液充填作用对储集空间起破坏性的作用。该阶段产生的主要储集空间类型有气孔、冷凝收缩缝、炸裂缝、火山角砾砾间孔、基质微孔。
    在埋藏成岩环境下，溶解作用、构造作用、脱玻化作用对储集空间起建设性的作用，而熔结、压积作用、交代作用、火山热液充填作用对储集空间起破坏性的作用。该阶段产生的主要储集空间类型有溶解作用形成的各种次生孔隙、脱玻化作用形成的晶间孔、构造缝和成岩缝。
    在表生成岩环境下主要发生表生矿物充填作用、构造作用、风化作用和脱玻化作用。其中构造作用、风化作用和脱玻化作用对储集空间起建设性的作用，而表生矿物充填作用对储集空间起破坏性的作用。该阶段产生的主要储集空间类型有风化作用形成的风化缝、淋滤溶解孔隙，构造作用形成的构造缝，脱玻化作用形成的晶间孔等。
2 气藏渗流机理研究
2.1 储集空间与渗流特征
2.1.1压汞分析
多数样品孔隙半径小于0.1μm，为微孔喉，占54.04%，大于0.5μm的为大孔喉仅为7.52%，0.1～0.5μm之间的为中小孔喉占38.44%，表明该区储层孔隙半径以微孔喉为主，孔隙结构有5种形式，储层主要为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类；火山岩储层岩心排驱压力平均为7.63MPa，其中排驱压力较小声d＜1MPa的样品占17.55%，pd在1～5MPa的样品占47.35%，最大汞饱和度平均为68.14%，剩余汞饱和度平均49.34%，退出效率为36.22%，反映研究区连通性好的样品比例较低，孔喉比较大，连通孔隙的平均孔喉少，孔隙大小的均一程度较差，表明岩心中孔隙与喉道的尺寸大小不均匀(图1)[4]。
 
2.1.2恒速压汞
分为四类，样品涵盖不同孔渗区间，Ⅰ类、Ⅱ类储层样品总体孔隙均较发育，具有一定量的有效孔隙体积，但样品喉道发育程度差异大，Ⅰ类是Ⅱ类的一倍。表明有效孔喉半径比较大且分布范围较宽，大孔隙被小喉道控制，这对孔隙中气体的采出是不利的，同时较大的孔喉半径比对水锁伤害效应较敏感(图2)。Ⅲ类储层中Ⅲ1有一定孔喉分布，但Ⅲ2几乎很少，非储层不能测出有效孔、喉分布。
 
2.1.3 X-CT图像
    火山岩储层孔洞发育较差，部分岩心内可见有裂缝，但裂缝有两种明显不同的产状特征：①裂缝的宽度虽然较大，但裂缝内通常被高密度的物质充填；②裂缝的宽度虽然较小，但裂缝通常处于张开状态，裂缝内的充填物较疏松，孔、洞、缝之间的连通性较差(图3)。
 
2.1.4核磁共振谱图
火山岩具有双峰特点，说明孔隙大小分布不均，即存在微孔又有相对较大的孔隙，储层非均质性严重，束缚水饱和度高，一般在20%～90%，与孔隙度线性关系差(图4)。
 
2.1.5全直径相渗曲线
反映储层为亲水岩石，呈两相流特征，束缚水饱和度高，两相渗流范围小，气驱水效率低。A区块可流动气饱和度区间为0～65.62%；束缚水饱和度34.38%～51%，两相渗流范围比较大，为49%～65.62%。B区块可流动气饱和度区间为0～70.28%；束缚水饱和度29.72%～49.81%，两相渗流范围比较大，为55%～69.5%(图5)。
2.2 储层应力敏感特性
    试验表明：随着净上覆岩层压力的升高，岩石的孔隙度开始下降，且当净上覆岩层压力小于20MPa时，大部分样品的孔隙度值呈幂函数降低，孔隙度急剧下降；当净上覆岩层压力大于20MPa时，大部分样品的孔隙度值随着净上覆岩石压力的增加而呈幂函数降低或呈直线降低，其孔隙度下降程度变小。其原因是：火山岩孔隙度低、孔隙类型多、结构复杂，开始增加净上覆盖压力时，岩石变形快，孔隙度变化大；当净有效覆盖压力增大到20MPa以后，其孔隙度下降程度变小。
    在气藏的生产过程中，随着流体的产出，净上覆岩层压力不断升高，储层的孔隙、裂缝和喉道的体积缩小，甚至有可能引起裂缝通道和喉道闭合。储层孔隙结构的这种改变将大大增加流体在其中的渗流阻力，降低渗流速度，使气井的产能下降。由于气井在生产过程中曾进行多次开井和关井，都是在岩石应力没有得到释放的条件下进行测试，而一升一降不能代表地层的真实应力状态，因为岩样取到地面时岩石应力已经释放了。二升二降比较接近地层应力状态，因为二升测试时岩样没有取到地面，而是接近地层条件，应力没有释放，所有二升二降测试能更真实地反映地层应力敏感变化规律。通过二次升降围压时渗透率变化的常规敏感分析(常温，变围压)，当净上覆岩层压力初次增大时，渗透率相对值是随净上覆岩层压力的升高而逐渐降低的，且在净上覆岩层压力开始增大的时候，渗透率相对值下降的幅度最大；随着净上覆岩层压力的进一步增加，渗透率相对值的下降幅度趋向缓和，满足幂指数关系。
2.3 火山岩气藏启动压力影响
    研究表明，火山岩储层渗透率对启动压力梯度有明显的影响，随着岩石空气渗透率的降低，启动压力梯度增大。空气渗透率与启动压力梯度的幂函数关系为：
    λ=0.0012K-0.3848    R2=0.9919
式中：λ为启动压力梯度，MPa/cm；K为空气渗透率，10-3μm2。
实验还表明，束缚水饱和度对启动压力梯度也有明显的影响，束缚水饱和度低时启动压力梯度低，束缚水饱和度高时启动压力梯度高，束缚水饱和度与启动压力梯度的幂函数关系为：
 
式中：Swc为束缚水饱和度，小数。
    这说明低渗透岩心的启动压力梯度随着束缚水饱和度的增大而增大。由此认为：低渗透、高束缚水饱和度的气藏气井保持连续稳定生产的流动压差相对更大，因此，启动压力梯度是低渗透气藏气井低产的一个原因。
3 结论
    1) 徐深气田火山岩有利储层主要分布在喷溢相上、下部亚相的气孔流纹岩、爆发相中热碎屑流亚相的晶屑凝灰岩、火山通道相中隐爆角砾岩亚相的角砾岩、火山通道相中火山颈亚相的熔结角砾凝灰岩。
    2) 火山岩有利储层属中低孔、低渗、高束缚水饱和度气藏，储集空间以孔隙加裂缝为主，气相渗流表现出低速非达西渗流特征。
    3) 孔隙类型多、结构复杂，有五种形式，火山岩有利储层主要为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类；喉到细小，大孔隙被小喉道控制，有效孔喉半径比较大且分布范围较宽，孔渗应力敏感性强。
    4) 存在启动压力，气藏气井保持连续稳定生产的流动压差相对更大，产能总体较低、稳产能力差。
参考文献
[1] 刘启，舒萍，李松光.松辽盆地北部深层火山岩气藏综合描述技术[J].大庆石油地质与开发，2005，24(3)：21-23.
[2] WANG P J，HOU Q J，SHU P，et al. Facies-controlled volcanic reservoirs of northern Songliao Basin，NE China[J].Journal of Geoscientific Research in Northeast Asia，2005，8(1)：72-77.
[3] 王拥军，胡永乐，冉启全，等.深层火山岩气藏储层裂缝发育程度评价[J].天然气工业，2007，27(8)：31-34.
[4] 曲延明，舒萍，纪学雁，等.松辽盆地庆深气田火山岩储层的微观结构研究[J].吉林大学学报：地球科学版，2007，37(4).721-725.
 
(本文作者：舒萍1，2 丁日新1 纪学雁1 1.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院；2.西南石油大学)