鄂尔多斯盆地苏里格气田东区储层含气物性下限分析

陈占军，任战利，王树慧，刘　平，薛　雯，邓亚仁，祁　凯，曹展鹏

(1.西北大学 地质学系，西安　710069； 2.大陆动力学教育部重点实验室，西安　710069；3.中国石油 长庆集团分公司 苏里格气田研究中心，西安　716000)



鄂尔多斯盆地苏里格气田东区储层含气物性下限分析

陈占军1,2，任战利1,2，王树慧3，刘平3，薛雯3，邓亚仁1,2，祁凯1,2，曹展鹏1,2

(1.西北大学 地质学系，西安710069； 2.大陆动力学教育部重点实验室，西安710069；3.中国石油 长庆集团分公司 苏里格气田研究中心，西安716000)

摘要：以鄂尔多斯盆地苏里格气田东区的勘探开发资料为基础，根据储层含油气物性下限的定义与特点，运用统计方法与成藏机理方法对东区储层含气物性下限进行了研究。结果表明，2种方法得出的储层含气物性下限值基本接近，盒8段储层含气的孔隙度下限为2.223%，渗透率下限为0.005 7×10-3μm2；山1段储层含气的孔隙度下限为1.605%，渗透率下限为0.004 4×10-3μm2，含气物性下限与充注动力负相关，盒8段含气物性下限大于山1段。通过实测资料寻找含气物性下限附近的储层，对连续取样进行含气饱和度测定，分析表明，物性在含气物性下限附近的储层含气饱和度极低，物性高于含气物性下限的储层含气饱和度显著升高。理论分析结果与取心实测结果基本一致。

关键词：含气物性下限；充注动力；成藏机理；上古生界；苏里格气田；鄂尔多斯盆地

苏里格气田东部盒8段、山1段是重要的天然气藏勘探开发层系，目的层段大面积发育致密砂岩气藏，一般具有低孔、低渗透、低丰度的特征(图1)。气藏的含气层系多、空间分布复杂、储层非均质性强，部分层段产量较低[1-2]。

由于气藏控制因素复杂，区带间成藏要素的差异性较大，所以气藏的精细分布、储层含气性以及物性下限等仍需深入研究。

图1　鄂尔多斯盆地苏里格气田东区地理位置Fig.1　Location of the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

1研究现状

目前，储层“物性下限”方面研究成果较多，部分观点指在现有技术条件、开发手段与油气经济条件下，储层能够产出具有商业价值油气流的物性参数下限[3-4]，称为“有效储层物性下限”[5]； 也有观点认为“物性下限”包括地质体产油产气下限和产出具有工业价值的油气物性下限2种[6]。产油产气的“物性下限”又被称为“储层流动的物性下限”[7]或“开发下限”[8]；同时，为区分成藏期油气进入储层所需的最低物性，“成藏的物性下限”又被一些学者描述为“储层临界物性”[9]。所以“物性下限”在国内目前没有统一的定义。

本文将商业油气流的储层物性下限表述为“工业下限”；将具有产油产气能力的物性下限表述为“流动下限”；将成藏期油气进入储层所需的最低物性表述为“含油气下限”。

工业下限与流动下限国内外已进行了大量的研究工作，理论较为成熟；而储层的含油气下限受储层孔喉结构与充注动力双重控制，具有动态特征，目前尚无定论。本文依据实测资料，分析苏里格气田东区石盒子组盒8段与山西组山1段储层在充注动力与地层应力条件下的含气物性下限，以期为勘探开发提供科学依据。

2含油气物性下限的确定

含油气物性下限是储层含油气与不含油气的物性界限，即在一定的成藏条件下，物性高于某值的储层含有油气，物性低于该值的储层不含油气或油气含量急剧减小。

2.1统计法

按照含油气物性下限含义，对苏里格气田东区储层物性与含气饱和度作交会图，确定盒8段储层含气与不含气的渗透率界限为0.004 3×10-3μm2，山1段为0.004 1×10-3μm2(图2)。

苏里格气田东区储层含油气的孔隙度下限根据孔渗交会图版确定。但研究发现，以孔隙度约5%左右为分界，物性相对较好的储层与物性相对较差的储层孔渗交会关系不一致(图3)，而本文研究的对象为储层含气物性下限，所以采用物性下限附近的交会关系(表1)，以此计算含气渗透率下限所对应的孔隙度含气下限。盒8段的对应孔隙度下限为2.022%，山1段为1.549%。

2.2成藏机理法

在成藏期充注动力条件下，如果储层的最大孔喉能够充注，则其物性高于含气物性下限；如果最大孔喉不能充注，则其物性低于含气物性下限。充注动力越大，含气的物性下限就越低，二者具有动态相关性，该研究可分为3个步骤：

图2　苏里格气田东区盒8段和山1段储层渗透率与含气性的关系Fig.2　Permeability vs. gas saturation of He8 and Shan1 reservoirs in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

图3　苏里格气田东区盒8段和山1段储层孔渗关系Fig.3　Porosity vs. permeability of He8 and Shan1 reservoirs in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin表1　苏里格气田东区盒8段和山1段 储层物性下限附近孔渗交会参数Table 1　Correlative parameters of porosity and permeability of He8 and Shan1 reservoirs with physical properties close to the lowest limit for gas-bearing capacity in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

储层工业储层段a值b值含气物性下限段a值b值相关性盒8段0.0100.3770.000381.196山1段0.0150.4390.000531.326K=a·eb·φ

注：K为渗透率，φ为孔隙度。

2.2.1成藏期充注动力恢复

由于鄂尔多斯盆地主体具有大面积生烃，蒸发式排烃，弥漫式充注的特点。按照源—储生排烃的空间配置可确定其充注模式为：(1)烃源岩生烃使源岩地层压力升高，处于流体势的高值部位，储层处于流体势的相对低值部位；(2)油气生成之后从源岩向外围地层(主要是向上部)排烃，流体势由于排烃泄压向外逐渐减小；(3)储层接受充注并获得部分流体势，在聚集成藏的同时，其流体势高于更外围的地层，继续向上排出流体并消耗流体势泄压。因此，储层接受的充注动力一般小于下伏岩层而大于上覆岩层，可采用上下限定与逼近的方法求出(图4 )。

为研究盒8段与山1段成藏期的充注动力，需在现今的地层中寻找能够表征成藏期源储流体势的地质记录特征，这一特征需要符合以下限定要求：①记录的地层流体压力异常是生烃期产生的；②记录的地层流体压力异常与流体势的产生是生烃造成的；③记录的地层流体压力与生排烃的流体势是一致的；④记录的流体势特征能够保存至今。研究认为鄂尔多斯盆地泥岩压实记录可满足上述研究的限定条件。

图4　鄂尔多斯盆地上古生界成藏充注模式Fig.4　Accumulation charging mode of the Upper Paleozoic reservoirs, Ordos Basin

在地质历史演化过程中，随着地层沉降累积、厚度增加，泥岩地层骨架承受应力增大，内部孔隙受到挤压，孔隙水排出、孔隙度减小，所以泥岩的受压实程度与孔隙度存在负相关关系。如果泥岩有机质丰度高且处于生烃窗内，产生烃类流体(或受水热增压等作用)使原有孔隙内的流体压力增大，相应的泥岩骨架应力受到流体压力的分担而减小，在相对较小的骨架应力下，泥岩的压实程度受到限制，原始的孔隙度得到较好的保留，就会偏离正常的压实趋势。

该原理下反映出：泥岩偏离正常压实曲线的孔隙度实际上受骨架应力大小的控制，骨架应力大小受流体压力的影响，流体压力(尤其是过剩压力)的大小又受生烃、水热增压及其演化速度等的控制。在地史条件下，源岩生烃强度越高，孔隙内的流体压力就相应越大，其过剩流体压力(流体势)就越大，充注动力就越强，源岩内孔隙度对正常压实趋势线的偏离程度就越大。据此可以用泥岩偏离正常压实趋势(即过剩压力)的程度表征充注动力的大小。

鄂尔多斯盆地上古生界气藏的主成藏期为早白垩世，该时期盆地处于快速沉降阶段，泥岩尚未正常压实，受生烃的有机质热解、水热增压等作用，进一步压实受到阻碍，地层因生烃造成的地层流体压力异常(过剩压力)被泥岩的压实程度记录。在成藏期后盆地进入抬升阶段，不再出现大规模沉降，泥岩没有受到更深程度的压实，成藏期的压实特征保存至今。根据盆地演化史可知，①、②、④项均已满足；依据泥岩压实的方法[10-11]，对本区典型井——Z-EW井的成藏期过剩压力提供的充注动力计算，其结果满足并验证③项条件(图5)。

图5　鄂尔多斯盆地Z-EW井成藏期地层过剩压力Fig.5　Excess pressure in reservoir during accumulation period in well Z-EW, Ordos Basin

根据Z-EW井纵向上充注动力分布的研究结果，结合本区的生烃强度背景，认为盒8段的充注动力约为12.5 MPa，山1段约为14.5 MPa。

2.2.2充注动力与含气物性下限关系研究

对充注动力与含气物性下限关系研究基于以下3点认识：(1)Harbert[12]研究了不同粒径的沉积物中油气的排替压力，其结果与压汞法测量的排替压力基本相同，说明用进汞压力模拟充注动力是可行的；(2)压汞实验法[13]表明，进汞压力与孔喉半径具有对应关系；(3)Purcell[14]在毛管压力曲线的基础上研究了不同喉道半径区间的储层渗透能力及其对渗透率的贡献分布，认为大孔喉对渗透率起主要且决定性的贡献。

所以进汞排驱压力(充注动力)决定了能够充注的最大孔喉，而最大孔喉又决定了储层的物性。据此可以建立排驱压力(充注动力)与对应储层物性的相关关系，并用之表征成藏期充注动力条件下储层的含气物性下限值。

根据研究区121块压汞样品建立排替压力与对应储层物性的对应关系(图6)。该结果反映了不同排驱压力(充注动力)下能够进汞(或被充注)的最低渗透率，即不同充注动力条件下的含气渗透率下限。

2.2.3含气物性下限及对应地面物性

根据上述充注动力—物性关系(图6)、孔渗交会关系的研究成果(表1)，确定盒8段充注压力为12 MPa时，对应的渗透率为0.004 2×10-3μm2，孔隙度为2.009%；山1段充注压力为14.5 MPa时，渗透率为0.003 2×10-3μm2，孔隙度为1.351%。

但是，油气充注是在地层中进行，所以该方法研究得到的直接结果是地层应力状态下的含油气物性下限值，而一般我们所测得的是地面物性，为此需将地下物性转换为地面物性。由于储层经历了较长的地质历史埋深，各部位骨架应力已达到均衡，因而在移至地面后样品各部位的形变反弹基本一致，孔喉结构不会发生根本性变化。

图6　苏里格气田排驱压力(充注动力)—储层物性关系Fig.6　Correlation between displacement pressure(charging force) and reservoir physical properties in the Sulige gas field

研究时首先运用岩石应力回弹的方法，将地下的孔隙度下限值转化为地面孔隙度下限值。基于样品地层与地表状态下的孔喉结构比例不变，所以地层状态下的孔—渗交会关系与地面状态下孔—渗关系相似，均为图3所示的孔—渗交会关系图版。因此再运用孔—渗交会关系图版(图3)读出地面孔隙度下限值所对应的渗透率，该值即地下渗透率对应的地面渗透率下限值。

姚爱华[15]对不同油气田岩样研究，认为样品地面孔隙度与地下孔隙度具有如下对应关系：

(1)

式中：φR为地下孔隙度；φS为地面孔隙度；ρNOB为样品骨架应力。

式(1)可变换为：

(2)

前人关于鄂尔多斯盆地演化史的研究成果表明[16-17]，苏里格气田东区的剥蚀厚度约为800 m，结合Z-EW井成藏期地层过剩压力，计算出区域成藏期流体压力与储层骨架应力(表2)。

将骨架应力代入公式(2)，从而将成藏期地层状态下的孔隙度转化为对应的地面孔隙度，盒8段为2.424%，山1段为1.660%。再将该值代入表1、图3孔—渗交会关系图版，得出相应的地面状态下盒8段含气渗透率下限值为0.007 0×10-3μm2，山1段为0.004 7×10-3μm2。

原本含油气物性下限研究还应考虑成藏后成岩作用引起的物性变化，但本区成藏后储层含烃流体性质不活跃，一方面早期酸性流体已消耗殆尽，溶蚀作用受到抑制；另一方面含烃流体抑制石英加大与碳酸盐的胶结等碱性成岩作用，所以本文采用了“因气藏充注形成之后成岩作用相对不活跃，引起的物性变化不大”这一观点[18-19]。

3结果对比及检验

3.1研究结果对比

2种研究方法获得的储层含气物性下限对比见表3。

分析认为，2种方法的研究结果相差不大。山1段的下限值小于盒8段，与充注机理相符合。对研究结果取平均值，盒8段含气的孔隙度下限为2.223%，渗透率下限为0.005 7×10-3μm2；山1段含气的孔隙下限为1.605%，渗透率下限为0.004 4×10-3μm2。

3.2研究结果检验

鉴定结果显示，含气储层中连续采集的样块，其物性在含气物性下限附近的样块对应含气饱和度较低，物性高于含气物性下限的样块含气饱和度显著升高，实测结果与研究结果基本一致(表4)。

4结论

通过统计法与成藏机理法分析了苏里格气田东区盒8段、山1段储层的含气物性下限，认为含气物性下限与充注动力具有负相关关系，盒8段获得的充注动力小于山1段，含气的物性下限大于山1段。盒8段含气的孔隙度下限值为2.223%，渗透率下限值为0.005 7×10-3μm2；山1段含气的孔隙度下限值为1.605%，渗透率下限值为0.004 4×10-3μm2。

表2　苏里格气田东区古今地层骨架应力对比Table 2　Ancient and present rock skeleton stress in the eastern Sulige gas field

表3　苏里格气田东区2种方法研究 含气物性下限结果的对比Table 3　Lowest limits for physical property of reservoirs in the eastern Sulige gas field calculated with statistical and accumulation mechanism methods

表4　苏里格气田东区储层物性下限附近连续样品实测物性与含气饱和度Table 4　Measured physical property and gas saturation of samples from reservoirs with physical properties close to the lowest limit for gas-bearing capacity, eastern Sulige gas field

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(编辑徐文明)

文章编号：1001-6112(2016)04-0521-07

doi：10.11781/sysydz201604521

收稿日期：2015-10-16；

修订日期：2016-06-14。

作者简介：陈占军(1982—)，男，在读博士，从事油气成藏与开发研究。E-mail：john_wudy@163.com。 通信作者：任战利(1961—)，男，研究员，博士生导师，从事盆地热演化史与油气成藏及评价研究。E-mail：renzhanl@nwu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金(41372128)、西北大学大陆动力学国家重点实验室科技部专项(BJ08133-1)和国家重大专项(2011ZX05005-004-007HZ) 资助。

中图分类号：TE122.2

文献标识码：A

Lowest limit for the gas-bearing capacity of reservoirs in the eastern Sulige gas field, Ordos Basin

Chen Zhanjun1,2, Ren Zhanli1,2, Wang Shuhui3, Liu Ping3, Xue Fen3, Deng Yaren1,2, Qi Kai1,2, Cao Zhanpeng1,2

(1.Department of Geology, Northwest University, Xi’an, Shaanxi 710069, China;2.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China;3.Petro-ChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi716000,China)

Abstract:According to the definition and characteristics of the lowest limit for reservoir gas-bearing capacity, we carried out statistical and accumulation mechanism studies in the eastern Sulige gas field in the Ordos Basin. The two methods reached a similar conclusion. The lowest limits for the porosity and permeability of the eighth member of Shihezi Formation (He8) are 2.223% and 0.005 7×10-3μm2, respectively. The lowest limits for the porosity and permeability of the first member of Shanxi Formation (Shan1) are 1.605% and 0.004 4×10-3μm2, respectively, which are both higher than those of He8. The lowest limit for reservoir gas-bearing capacity is negatively related to charging force. We collected samples from the reservoirs with physical properties close to the lowest limit, and tested their gas saturation. The gas saturation of the reservoirs with physical properties close to the lowest limit is extremely low, and obviously increases in reservoirs with better physical properties. Theoretical analyses are consistent with coring results.

Key words:lowest limit for gas-bearing capacity; charging force; accumulation mechanism; Upper Paleozoic; Sulige gas field; Ordos Basin