天然气开发基础实验与应用研究进展

中国天然气开发实验技术取得了重要进展,已建设形成岩心样品制备、储层物性与岩石孔喉结构测试、储层敏感性评价、流体赋存状态及气水渗流特征研究、气藏开采物理模拟等5类技术序列,研发了一维、二维、三维系统配套的物理模拟实验方法及其装置,实现了在室内重构气藏地质条件、再现气藏开采方式和气藏开发全过程仿真模拟评价,为气藏开发基础研究提供了条件和保障;历时近20年持续坚持基础实验与理论研究,完成中国陆上五大盆地十余个气田基础实验测试上万组次,形成了较为系统的低渗透致密含水砂岩气藏储量动用机理和有水气藏控水开发机理认识体系,为鄂尔多斯盆地、四川盆地、松辽盆地等盆地气田高效开发奠定了理论基础;当前,中国天然气开发面临新区优质资源发现难度大和普遍产水储量动用难度大的双重困境,提高采收率是持续上产或保持稳产的重要保障,需要在现有天然气开发实验技术基础上进一步加快研发天然气提高采收率实验新技术,加强室内实验与矿场试验结合推动基础理论研究走向现场应用实践。

歧口凹陷沙一段砂岩成岩作用及孔隙演化

歧口凹陷位于黄骅坳陷中北部。沙河街组一段主要成岩作用类型有压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用。深度浅于2200m时,溶蚀作用为改善储层物性起到关键作用。沙一段纵向上存在2个次生孔隙发育带,深度分别在2700～3200m和3500～4200m处,孔隙度分布峰值分别在3150m和3650m处。根据镜质体反射率Ro和粘土矿物混层比及古地温等数据,可将歧口凹陷沙一段的成岩阶段划分为早成岩A期、早成岩B期、中成岩A1亚期和中成岩A2亚期,目前该段多处于中成岩阶段A1到中成岩阶段A2亚期。

塔里木盆地志留系柯坪塔格组沉积相及平面展布

通过综合分析岩芯、野外露头剖面和测井资料认为,塔里木盆地志留系柯坪塔格组发育5种沉积相——碎屑滨岸沉积相、滨外陆棚及较深水盆地沉积相、无障壁碎屑潮坪沉积相、三角洲沉积相和辫状河三角洲沉积相。塔北隆起相当于一个孤岛,海水围绕其从东北和西北两个方向入侵,东北方向为早期海侵的主要方向,晚期则主要从西北方向入侵。志留系主要存在着5个物源区,各物源区在纵向上具有继承性。由于塔北隆起的存在,志留系塔里木盆地水体整体上呈现两边浅、中间深的格局。

黑色页岩微裂缝发育控制因素——以长宁双河剖面五峰组—龙马溪组为例

以长宁双河剖面奥陶系五峰组—志留系龙马溪组为例,重点讨论黑色页岩微裂缝发育控制因素及页岩气储集层"甜点段"微裂缝成因。针对目标层段,开展了203块大薄片、203块小薄片、110块TOC样品、110块X-衍射全岩和103块主微量样品测定与分析。结果表明,黑色页岩微裂缝分为顺层缝和非顺层缝,顺层缝多为层面滑移缝、页理缝和构造雁列缝,非顺层缝主要为剪切缝和拉张缝。纵向上,龙马溪组SLM1段微裂缝密度最高,SLM2段至SLM5段微裂缝密度逐渐降低,五峰组微裂缝密度最低。微裂缝密度与黑色页岩硅质含量正相关、与碳酸盐矿物含量负相关,黑色页岩颗粒越细微裂缝密度越大。微裂缝密度受控于生物成因硅含量,生物成因硅含量越高微裂缝密度越大,在应力作用下,微裂缝优先在细粒页岩的纹层界面处形成。区域性构造活动是龙马溪组页岩气储集层"甜点段"微裂缝形成的关键因素,成岩收缩是页理缝形成的重要动力,生烃增压是微裂缝大量发育主要原因。

致密气藏孔隙水赋存状态与流动性实验

致密砂岩气藏岩石孔隙结构复杂，一般含水饱和度较高，且其中水的分布与赋存状态及流动性等对气体渗流影响较大。通过选取苏里格气田具有代表性的不同物性岩样，开展气驱水、核磁共振、压汞等实验分析，建立了孔隙一核磁曲线交汇图，研究岩石孔隙中水的赋存特征及流动性。研究结果表明：①在砂岩储层中，水优先占据细小孔隙和大孔隙壁面，气分布于大孔隙中央。②致密砂岩细小孔喉内的水流动性差，残余水饱和度较高，其流动性与其中的气体流动密切相关，当气体流动压差（流速）较低时，只能驱动相对大孔隙中的水；随压差增大，可驱动更加细小孔隙中的束缚水。③气体可驱动束缚水的最小孔隙半径与气流压差成指数函数关系，在半径为0．05μm的孔喉中，气驱水的压力梯度约为1．78-2．22MPa／cm。因此，致密气藏中半径小于0．05μμm孔喉中的水很难流动，这部分孔喉很难成为气藏开采的有效通道。该研究结果对研究致密气藏的开采机理具有重要意义。

砂岩气藏衰竭开采过程中含水饱和度变化规律

基于四川须家河组气藏典型储集层物性特征,选择了渗透率分别为1.630×10^-3μm^2、0.580×10^-3μm^2、0.175×10^-3μm^2、0.063×10^-3μm^2的4组砂岩岩心,模拟研究含水砂岩气藏衰竭开采过程中（地层压力从20 MPa衰竭开采至废弃）含水饱和度沿程变化规律,结合岩石微观孔喉结构与毛管压力特征,分析了不同渗透率砂岩与水相的相互作用机理并由须家河组气藏2口井进行验证。研究表明：1砂岩储集层对水相捕集作用的大小与渗透率关系密切,储集层渗透率临界值为（0.175-0.580）×10^-3μm^2;2渗透率大于0.580×10^-3μm^2的储集层,岩石孔喉半径较大,毛管压力较小,岩石孔喉对水相的捕集作用小,孔隙内的一部分水在气相驱替作用下可以被驱替出来成为可动水;3渗透率小于0.175×10^-3μm2的致密储集层,其孔喉细小,毛管压力较大,岩石孔喉对水相的捕集作用强,在气相驱替作用下,水相难以被驱替出来而滞留在岩石孔喉内,造成含水饱和度不降反升,因此对此类储集层,要严格控制合理生产压差,延长气井生命周期。

川中—川南地区上三叠统沉积相研究

综合分析岩心、露头剖面和测井资料,认为川中—川南地区上三叠统发育三角洲相和湖泊相,其中,三角洲相可进一步划分为三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲三个亚相,湖泊相则可细分为滨湖和浅湖两个亚相。不同时期三角洲相和湖泊相发育程度不同。须一段、须三段、须五段和须六段以湖泊沉积为主,由东向西,水体逐渐加深。须二段和须四段以三角洲沉积为主,湖泊沉积分布范围较小。须二段发育时期,研究区北部构造活动强烈,沉积物供给充分,三角洲相主要由北向南延伸;须四段沉积时期,由于北部构造活动逐渐减弱,东南部沉积物供给增加,三角洲相主要由东南向西北方向延伸。随着周缘构造活动的变化,研究区沉积范围逐渐扩大。早期沉积范围仅局限于宜宾—泸州以北地区,中晚期沉积范围扩大,宜宾—泸州以南地区开始接收沉积。

歧口凹陷沙河街组一段层序格架和储层质量分析

层序地层格架与储层质量之间具有明显的关联,不同沉积体系域具有不同的岩性组合,经历了不同的成岩过程,造成了储层质量差异。本文综合利用地质和地球物理资料,以歧口凹陷沙一段为研究对象,重点讨论了沙一段层序地层格架、成岩演化和储层质量之间的关系,指出沙一段可划分成三个三级层序,每个层序均发育低位、湖侵和高位体系域。低位和高位体系域多发育三角洲和水下扇成因的砂砾岩,这些沉积砂砾岩目前处于成岩演化的中期。受原始沉积环境和成岩环境等因素的影响,不同沉积体系的储层质量存在明显的不同。高位体系域多发育三角洲和重力流成因的、相对较粗的砂砾岩,加之埋深相对较浅,所以相对于低位体系域储层来说,具有较好的储层质量。最后,依据层序格架、沉积类型和成岩作用综合研究,指出歧北次凹沙一段储层的储集物性比歧南次凹好,沙一上层序的储层物性比沙一下层序和沙一中层序的好,从而评价预测了沙一段有利储层的空间分布。

致密砂岩孔隙内水的赋存特征及其对气体渗流的影响——以松辽盆地长岭气田登娄库组气藏为例

致密砂岩储层岩石孔隙结构复杂,孔隙内水的赋存状态和可动性难以确定,影响气井的产能确定和生产动态预测。为了认识该类储层气水渗流特征,根据铸体薄片和压汞等实验资料,分析了松辽盆地长岭气田下白垩统登娄库组气藏储层的孔隙结构,选取具有代表性的岩样,通过核磁共振、气驱水等实验,研究了岩石孔隙中水的赋存特征及其流动性,进而研究储层岩石在不同含水条件下对气体渗流的影响。结果表明:致密砂岩细小孔喉内的水流动性差,残余水饱和度较高,其大小不仅与岩石孔隙结构和物性相关,而且还与其中的气体流动有关;气体在含水孔隙内的流动受毛细管压力和滑脱效应影响存在非达西渗流特征,启动压力梯度的大小与储层渗透率和含水饱和度密切相关,登娄库组储层Sw/K值大于1 000mD-1以后,启动压力显著增大。该成果为该类气藏合理开发技术政策的制定提供了依据。

塔里木盆地志留纪沉积层序构成及充填响应特征

塔里木盆地志留系是由角度不整合面所限定的一个区域性(二级)的沉积层序,其内可划分出5个三级沉积层序。总体上显示一个从水进到水退的沉积旋回,可识别出曲流河三角洲—辫状河三角洲、滨外陆棚及较深水盆地、无障壁碎屑滨岸—无障壁碎屑潮坪沉积体系组合,它们代表了二级沉积层序中相对低位、海侵和高位的3个沉积体系组合。研究区构造、沉积、古生物和古气候资料表明,层序1底界面和层序5顶界面是塔里木周缘板块构造挤压、盆地隆升作用的结果;层序2底界面是周缘板块强烈挤压、盆地挠曲下降作用结果,同期全球海平面快速上升;层序3、层序4和层序5的底界面是在构造作用稳定、全球海平面下降背景之上由相对海平面次一级旋回变化形成的,是古气候变化、沉积物供给及构造沉降共同作用的结果。

苏北盆地高邮凹陷古近系戴南组滨浅湖沉积中的遗迹化石

苏北盆地高邮凹陷古近系戴南组滨浅湖沉积中动物遗迹化石共鉴定出6个遗迹属8个遗迹种,其中1个为未定种。包括Taenidium barretti、Taenidium satanassi、Beaconites coronus、Cystichnum curvativum、Palaeophycus isp.、Planol-ites m ontanus、Skolithos verticalis和Skolithos linearis等。这些遗迹化石主要是无脊椎动物的进食迹和居住迹,呈全浮痕或半浮痕保存。根据组合特征及沉积环境分析,可识别出两个遗迹化石组合:1)Taenidium—Beaconites遗迹组合,主要由具新月型回填纹构造的进食迹组成,反映了周期性干旱气候条件下的滨浅湖沉积环境;2)Skolithos linearis遗迹组合,主要由居住潜穴组成,代表了三角洲平原—前缘沉积环境。生物扰动根据扰动特点,可分为三种类型,即1)均一型,反映了湖平面缓慢上升之后较长时间保持稳定;2)增强型,反映了湖平面整体稳定条件下的小幅度快速上升,然后保持稳定和缓慢下降;3)复合型,反映了湖平面先缓慢上升,然后缓慢下降。三角洲平原-前缘分支河道沉积序列中遗迹化石的类型、丰度、分异度和扰动指数垂向上呈规律性的变化,结合其沉积学特征分析,可分为四个沉积单元,每个沉积单元的内部物理成因构造和生物成因构造明显不同。

四川盆地上三叠统须二段测井沉积相研究

四川盆地上三叠统已成为中国石油西南油气田分公司重要的勘探接替层系,其油气的分布受沉积相控制。测井相分析在研究沉积相和圈定砂体方面具有重要作用。利用测井曲线的形状、幅度、接触关系等基本要素,识别出钟形、漏斗形、箱形、指形和线形等5种基础测井相类型,并通过岩心标定测井,建立了测井相与沉积相之间的函数对应关系;在此基础上,通过单井测井相分析—剖面测井相对比—区域研究3个层次勾画出了上三叠统须二段沉积相的展布。认为四川盆地上三叠统须二段发育冲积扇、三角洲、湖泊3类沉积相,其分布受分别位于川西北部、川东北部、川中和川西南部方向的6大物源控制;由于物源区构造活动强烈,沉积物供应充分,冲积扇和三角洲发育,故滨浅湖沉积分布范围有限。

砂岩气藏岩石孔喉结构及渗流特征

以多孔介质中气水两相渗流理论为基础,选择了四川须家河组气藏岩心,其渗透率在（0.002~70.28）×10-3μm2之间,分别开展了高压压汞、气水相渗以及气藏衰竭开采物理模拟实验研究,从岩石孔喉结构、受力特征以及气水两相渗流特征3方面对比分析了致密与中高渗砂岩气藏特征的差异。采用孔喉类型及数量比例、平均孔喉半径、孔喉中值半径3项参数对不同渗透率砂岩孔喉结构特征进行了精细描述,对比分析了低渗致密与常规及高渗砂岩孔喉结构特征差异;采用排驱压力、沿程阻力量化评价了气、水在不同渗透率砂岩中渗流时的受力情况,对比分析了孔喉结构对致密与常规砂岩产能的影响;建立了气相渗流能力与含水饱和度关系图版,对比分析了含水饱和度大小对不同渗透率岩心气相渗流能力的影响。研究成果将为气藏储层微观建模以及气、水渗流机理研究提供一定的参考依据。

四川盆地五峰组—龙马溪组重点井含气页岩孔隙类型与孔径分布

针对四川盆地五峰组—龙马溪组过成熟海相页岩,开展普通薄片观察、SEM成像、X-衍射全岩组分和黏土矿物分析、TOC含量测定、N 2-CO 2联合吸附实验和RG测定。结果表明,海相页岩发育有机孔、无机孔和微裂缝。有机孔多呈气孔状或海绵孔状,大、小混杂;无机孔多呈三角状、棱角状或长方形状;微裂缝多呈条带状,能有效沟通有机孔和无机孔。过成熟海相中,有机孔数量个数>97%,无机孔和微裂缝数量<3%。孔隙以孔径<10 nm的微孔和介孔为主,孔隙数量和体积占比均大于80%,孔径>10 nm的孔隙数量和体积不足20%。在大于10 nm的介孔和宏孔中,有机孔数量超过97%,面孔率超过50%,无机孔和微裂缝数量不足3%,面孔率低于50%。介孔孔径以5~400 nm为主,孔径<20 nm的数量占比>70%。有机孔面孔率随着孔径增大而增大,孔径为100~400 nm的孔隙面孔率占比普遍超过50%。无机孔主要为石英晶间孔和碳酸盐溶蚀孔及少量长石溶蚀孔,孔径为100~400 nm的孔隙面孔率贡献最大,多数页岩均接近100%。随着TOC含量增高,有机孔孔径减小,其面孔率则先增大后减小,TOC为5.5%时常出现拐点。龙马溪和龙一段页岩孔隙由下至上,面孔率逐渐降低。平面上,龙一11小层不同地区面孔率大小及孔隙组成也存在差异,泸州地区面孔率最大,渝西地区最低。渝西地区无机孔含量最高,长宁地区无机孔含量最低。石英晶间孔隙度与石英含量呈正相关,溶蚀孔隙度与碳酸盐矿物含量呈正相关,这可能与石英抗压实能力强、碳酸盐矿物易于溶蚀有关。

济阳坳陷车镇凹陷古近系沙河街组深水沉积中的遗迹化石

通过岩心观察和标本鉴定,在济阳坳陷车镇凹陷古近系沙河街组沙一段深水沉积中识别出大量遗迹化石,包括Mermoides chezhenensis、Helminthopsis sp 、Gordia sp 、Helminthoidichnitessp 、Planolitesbeverlegensis、Neonereitesuniserialis和Planolites sp ,它们是无脊椎动物线虫、节肢动物、环节动物和腹足类等形成的牧食迹和进食迹。这些遗迹化石中的Neonereitesuniserialis为由一系列小球粒排成的蛇曲形痕迹,不分枝,长约7cm ,宽约2mm ,呈顶凸痕保存于灰色、深灰色页岩中。Mermoidesche zhenensis为微小简单、不规则弯曲的觅食拖迹,长1～3cm ,宽1～2mm ,近平行或略倾斜层面分布于灰色、深灰色薄层状泥岩中,内迹保存。根据遗迹化石的共生组合特征及沉积环境,可分出2个遗迹组合:Mermoidesche zhenensis遗迹组合和Neonereites uniserialis遗迹组合。Mer moidesche zhenensis遗迹组合丰度和分异度较高,组成分子有Mermoideschezhenensis、Helminthopsissp 、Gordiasp 、Helminthoidichnitessp 和Planolites beverlegensis,其中以Mermoides chezhenensis的大量出现为组合代表。该组合出现于灰色、深灰色泥岩中,反映了富氧的半深湖环境。Neonereites uniserialis遗迹组合组成分子为Neonereites

川中-川南地区上三叠统滨浅湖沉积中的遗迹化石

川中-川南地区上三叠统滨浅湖沉积中产有丰富的动物遗迹化石,识别为3大类6属8种,包括Sko-lithos linearis,S.verticalis,Ophiomorpha nodosa,Planolites beverleyensis,P.montanus,Palaeophycus tubularis,Taenidiumsatanassi和Cochlichnus anguineus,另外,逃逸构造也很发育。这些遗迹化石主要是无脊椎动物的居住迹、进食迹和觅食迹,大多为全浮痕和上浮痕保存。根据遗迹化石的组合特征及其沉积环境,可识别出3个遗迹组合:1)Skolithos linearis遗迹组合,主要由长的垂直或高角度倾斜的悬食居住潜穴构成,反映高能的砂质滨湖环境;2)Cochlichnus-Planolites遗迹组合,主要由进食迹和牧食迹组成,形成于低能的滨湖沼泽环境;3)Skolithos-Planol-ites遗迹组合,以居住潜穴和进食潜穴为主,遗迹化石的丰度较高,代表潮湿气候条件下的浅湖环境。根据生物扰动的分布及扰动强度,浅湖中可识别出两类扰动类型,即1)砂泥边界扰动,扰动主要发育于砂泥交界处,代表了浅湖下部环境;2)薄砂层扰动,扰动主要发育于薄砂层中,主要出现于浅湖中下部沉积中。

致密砂岩气藏储层孔喉中气体分子运动特征

气藏储层岩石孔喉细小,连通关系极其复杂,研究气体分子在其中的运动特征对于气藏开发工程具有重要意义。通过气体分子运动、多孔介质孔喉特征和实验测试分析,对这一问题进行了研究,结果表明:低渗致密储层岩石孔喉中,气体分子运动表现出黏性流和扩散流两种形态;当地层压力较高时,气体分子平均自由程远远小于岩石孔喉直径,表现出黏性流,对气井产能贡献大;当地层压力较低时,气体分子平均自由程接近甚至大于岩石孔喉直径,表现出扩散流,对气井产能贡献小。在气藏开发过程中,针对渗流场中某一特定位置,气体需要特定能量才能产生有效流动,这种使气体产生有效运动的能量即为气体渗流启动压力。采用了两种实验方法对这一参数进行了测试,一种是经典的流量–压差方法;一种是气藏衰竭开采物理模拟实验方法;对该参数取得了一定程度认识。

含水致密砂岩气藏储量动用规律实验

采用长岩心多点测压物理模拟实验新方法,在原始含水饱和度分别为30%、70%条件下,对常规空气渗透率分别为1.63×10^(-3)、0.58×10^(-3)、0.175×10^(-3)、0.063×10^(-3)μm^(2)的砂岩储层岩心样品开展了气藏衰竭开采物理模拟实验,记录实验过程中由近井到远井区域不同位置地层压力的变化特征,揭示了致密砂岩气藏储量动用规律,形成了含水致密砂岩气藏动用范围评价数学方法,建立了动用范围与储层渗透率、含水饱和度之间关系图版。结果表明:不同渗透率储层动用规律差异显著,对于1.63×10^(-3)μm^(2)的储层,动用范围非常大;对于常规空气渗透率为0.58×10^(-3)μm^(2)的储层,动用范围扩展速度较快,即使含水饱和度高达56.6%,废弃产量(初期配产的10%)下的动用范围也可以达到550 m,极限动用范围可达240 km,储量动用主要受砂体边界控制,动用范围内地层压力分布较为平缓;对于常规空气渗透率为0.063×10^(-3)μm^(2)的储层,动用范围由近井向外围扩展缓慢,即使含水饱和度仅为31.6%,废弃产量(初期配产的10%)下动用范围只有16 m,极限动用范围仅为2.1 km,且动用范围内地层压力分布呈现凹深漏斗形态,储量动用除了受砂体边界控制外,还会受到动用范围影响。该研究成果为类似气藏开发井网部署、加密调整等提供参考依据。

四川盆地上三叠统马鞍塘组沉积相

上三叠统马鞍塘组是四川盆地最重要的勘探层系之一。通过12条露头和10口取心井的岩石学特征分析,结合480口钻井测井相分析和2500km二维地震测线解释,系统探讨了其沉积相类型、分布、相模式及其控制因素。结果表明,四川盆地上三叠统马鞍塘组由南向北依次发育礁滩相、潟湖相、潮坪相和三角洲相。礁滩相主要沿着盆地西部龙门山造山带分布,潮坪相和潟湖相主要分布于盆地中部,而三角洲相主要分布于盆地西北部和中部。3大因素控制着马鞍塘组沉积相的形成,即古地形平缓、碳酸盐生产率低和古基准面变化速率低。马鞍塘组发育鲕粒滩、生屑滩、生物礁和三角洲砂体4类储集层和澙湖相烃源岩,储集层与烃源岩纵向上有效配套,构成有效生储盖组合。

致密砂岩气藏储层岩石孔隙水可动性评价

多数低渗致密砂岩气藏储层岩石孔隙含水，其赋存状态及可动性对于致密砂岩储层渗流特征和气井生产动态的影响非常大。本文综合利用测井解释、核磁共振、岩心实验等多项技术，建立了一套致密砂岩储层孔隙水可动性评价方法和流程。以苏里格气田为例，研究了储层岩石孔隙原始含水在不同孔隙结构中的赋存模式以及气藏开发过程中随气驱压差增加，储层孔隙水的可动条件、动态变化过程。结果表明：经过长期成藏作用后，储层岩石孔隙水以不同模式赋存于各类孔隙中并处于平衡状态（即束缚水），在气藏发过程中随着储层孔隙压力下降，气水平衡条件被打破，在膨胀能和气驱压力共同作用下，连通孔隙内的束缚水部分会转变为可动水并在渗流通道上两者（可动水、束缚水）交互变化。因此，对于致密砂岩气藏开发来说，储层岩石孔隙水的可动性是不可回避的一个关键问题。