摘 要：鄂爾多斯盆地東部上古生界石盒子組8段、太原組致密砂巖氣藏存在超低含水飽和度現象，研究該現象的形成機理，對制定合理的儲層保護和壓裂改造的技術措施、提高氣藏單井產量等均具有重要的意義。為此，采用密閉取心巖樣，借助氣水相滲、核磁共振、流體包裹體測溫等技術手段，分析了致密砂巖氣藏的含水飽和度特征和天然氣成藏特征。結果表明：①應用氣水相滲、核磁共振2種實驗技術方法所測定的束縛水飽和度均高于密閉取心測定的原始含水飽和度值，說明該區盒8段、太原組致密砂巖氣藏普遍存在超低含水和度現象；②氣藏形成過程中由于溫度、壓力增大，隨著烴源巖在過成熟演化階段干氣的注入，天然氣的攜水能力不斷增強，束縛水不斷蒸發氣化，并隨著天然氣的大規模運移及氣藏后期的泄漏散失而帶出儲層，從而形成超低含水飽和度氣藏。因此，針對超低含水飽和度儲層吸水易形成永久性水鎖的問題，制訂了合理的水鎖傷害預防與補救措施，以期有效提高儲層氣相滲透率和單井產量。
關鍵詞：鄂爾多斯盆地 晚古生代 致密砂巖 氣藏 水鎖 超低含水飽和度 氣相滲透率 單井產量
The formation mechanism of Upper Paleozoic tight sand gas reservoirs with ultra-low water saturation in Eastern ordos Basin
Abstract：Ultra-low water saturation occurs in the tight sand gas reservoirs of the 8th member of the Shibezi Fm and the Taiyuan Fm of the Upper Paleozoic in the eastern Ordos Basin．The study of its forming mechanism is of great significance to the selection of rational technical measures of reservoir protection and stimulation and to the improvement of single well production．The gas water relative permeability measurement，NMR and thermometry of fluid inclusions were performed on sealed coring samples to analyze the characteristics of water saturation and hydrocarbon accumulation features of tight sandstone reservoirs．The irreducible water saturation measured with techniques of gas-water relative permeability and NMR is bigber than the initial water saturation obtained from the sealed coring sample measurement。indicating that ultra low water saturation is common in the tight sand gas reservoirs in the 8th member of Shihezi and Taiyuan Fms．Along with the increasing of temperature and pressure during the formation of gas reservoirs and the input of dry gas during the over mature stage of source rocks，tbe water carrying capacity of natural gas gets enhanced progressively．The irreducible water evaporates continuously and gets out of the reservoirs along with large-scale gas migration and gas leakage at later stages，resulting in the formation of ultra low water saturation gas reservoirs．Considering that permanent water locks are easy to form due to water absorption in ultra low water saluration gas reservoirs，rational measures can be taken to prevent and remedy water lock damage，so as to improve the gas phase permeability of reservoirs and single well production．
Keywords：Late Paleozoic，tight sand gas reservoir，ultra-low water saturation，water lock,gas phase permeability，Ordos Basin
鄂爾多斯盆地東部上古生界石盒子組8段、太原組是該區天然氣勘探的主要目的層，其滲透率：普遍小于1mD，儲集層孔喉特征為中、小孔細、微喉型組合，為低孔隙度、低滲透率的致密砂巖儲層[1-6]，單井產量低，制約著該區規模儲量的提交和氣田的大規模有效開發。研究發現，該區盒8段、太原組致密砂巖氣藏普遍存在超低含水飽和度現象(指儲層原始含水飽和度低于束縛水飽和度的狀態[7]。氣藏存在低含水飽和度現象會導致在鉆井、壓裂等各種作業過程中工作液、濾液侵入量和侵入速度增加，水鎖傷害加重。因此深化對超低含水飽和度氣藏的成藏機理研究，對制訂合理的儲層保護和壓裂改造的工藝措施、提高相同儲層物性條件的儲層氣相滲透率、提高單井產量和促進該地區天然氣規模儲量的提交有著重要意義。
1 致密砂巖氣藏的超低含水飽和度現象
1．1 儲層的原始含水飽和度
儲層原始含水飽和度由密閉取心井確定。通過統計、分析盆地東部3口密閉取心井盒8段、太原組的138個原始含水飽和度數據，結果表明，盒8段、太原組的原始含水飽和度主要分布在40％以下，累計頻率町達83.1％，平均含水飽和度為26.7％(圖1)。具有較低的原始含水飽和度特征。
1．2 儲層的束縛水飽和度
應用氣水相滲和核磁共振2種實驗技術方法測試束縛水飽和度。氣水相對滲透率曲線在水相滲透率為0處對應的含水飽和度即為束縛水飽和度，圖2為Shl6井太原組砂巖儲層的氣水相對滲透率曲線，可以確定該砂巖儲層的束縛水飽和度為29.73％。
核磁共振呵動流體實驗原理是通過對儲層孔隙流體中氫核信號的觀測，可以贏接測量巖石中流體特性。并能獲得儲層有效孔隙度、自由流體和束縛流體體積、孔隙結構等地質信息[8-12]。巖心樣品飽和流體后置于均勻分布的靜磁場中，流體中的氫核(1H)會被磁場極化，產生磁化矢量，此時對樣品施加一定頻率的射頻場，就會產生核磁共振；撤掉射頻場就會接收到氫核在孔隙中做弛豫運動幅度隨時間以指數函數衰減的信號。核磁共振信號衰減的快慢采用橫向弛豫時間T2來描述，飽和流體的巖樣進行核磁共振T2測試時，T2弛豫時間的大小取決于流體分子受孔隙固體表面作用力的強弱，因此利用核磁共振了T2譜可對巖樣孔隙內流體的賦存狀態進行分析，能夠定量測試出可動流體飽和度及束縛流體飽和度。圖3為Shl6井太原組砂巖儲層核磁共振實驗的T2弛豫時間譜圖，可以確定，該砂巖儲層的束縛水飽和度為28.33％。
1．3 儲層原始含水飽和度與束縛水飽和度的比較
選取鄂爾多斯盆地東部的Shl6、Sh60井和M4l片盒8段、太原組的l0塊密閉取心樣品，開展氣水相滲、核磁共振實驗測試，將密閉取心所測試的儲層原始含水飽和度與采用氣水相滲、核磁共振實驗所確定的束縛水飽和度進行了對比。
對比結果顯示，10塊密閉取心樣品的原始含水飽和度值平均為l8.3％(表1)，針對同一塊樣品，應用核磁共振法測試出的束縛水飽和度和應用相滲法測試出的束縛水飽和度均大于原始含水飽和度，應用核磁共振法測試出的平均束縛水飽和度為47.9％，應用相滲法測試出的平均束縛水飽和度為38.0％，原始含水飽和度比應用相滲法測試出束縛水飽和度低6.9％～37.0％，平均要低l9.7％，表明該區盒8段、太原組致密砂巖氣藏存在超低含水飽和度現象。
2 超低含水飽和度氣藏的形成機理
2．1 溫度、壓力影響
氣藏形成跨越相當長的地質時間，地層條件下氣藏中天然氣中的含水量取決于地層的溫度和壓力。在氣藏形成初期，溫度和壓力較低，但隨著埋藏深度增加，溫度壓力升高，天然氣攜水的能力不斷增強(表2)，據Bennion[13]等研究，27.57MPa、100℃時天然氣蒸發和攜帶水的能力為ll36.7g／m3，而在1.013MPa、15.6℃時的能力僅為14.0g／m3，隨著溫度、壓力的增大，天然氣攜水的能力顯著增加。
儲層流體包裹體均一溫度分布顯示(圖4)，鄂爾多斯盆地東部上古生界天然氣藏具有2期充注成藏的特征：第Ⅰ期充注儲層流體包裹體均一溫度介于95～120℃，包裹體形成古壓力介于20～28MPa，第Ⅱ期充注儲層流體包裹體均一溫度介于135～160℃，包裹體形成古壓力介于50～60MPa。
將2期充注成藏期的溫度、壓力投影至不同溫壓條件下天然氣飽和水蒸氣含量圖版上發現(圖5)，在第Ⅰ充注期天然氣的攜水量介于5000～7000g／km3，在第Ⅱ充注期天然氣的攜水量介于l0000～12000g/km3，第Ⅱ期允注的天然氣攜水量是第Ⅰ期的近2倍，表明隨著溫度、壓力的增火火然氣攜水的能力鼴著增加，儲層中有更多的束縛水被蒸發氣化，不斷隨著天然氣的運移攜帶出儲層，增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性[14]，有利于超低含水飽和度氣藏的形成。
2．2 干氣的充注
水在煤中的賦存狀態分為外在水分、內在水分以及同煤中礦物質結合的結晶水。煤層工業分析水分含量是指煤層中的內在水分，內在水分是指吸附或凝聚在煤顆粒內部毛細孔中的水。通過對鄂爾多斯盆地東部煤層工業分析水分含量與有機質成熟度(R。)關系時發現(表3)，在R。>1.2％時，煤中水分含量明顯降低，預示著后期烴源巖中生成的天然氣中水蒸氣的含量越少，并處在欠飽和狀態，而該區上古生界煤系烴源巖演化程度普遍達到高成熟和過成熟階段，在天然氣成藏后期會有更多的干氣注入儲層，導致儲層中的束縛水蒸發遷移，有利于形成超低含水飽和度氣藏。
2．3 氣藏的泄露逸散
晚白堊世，鄂爾多斯盆地大面積回返抬升，強烈的構造抬升導致上覆地層發生剝蝕，破壞了盒8段、太原組氣藏早期存在的運聚平衡[15]；同時強烈的構造抬升過程會產生一定的斷裂活動，在上古牛界形成斷層和裂縫，盒8段、太原組氣藏中先期成藏的天然氣必然沿著地層剝蝕厚度大、應力釋放大以及斷層和裂縫發育區向上發生泄露逸散，束縛水被蒸發汽化后隨著氣藏泄露逸散而帶出儲層，有利于超低含水飽和度氣藏的形成。
2．4 超低含水飽和度氣藏的成藏過程
致密砂巖超低含水飽和度的形成過程如圖6所示，圖6-a為儲層早成巖期的機械壓實階段，此時干酪根未成熟，儲層孔喉中100％飽含地層水；圖6-b為儲層的可動水排出階段，此時隨著干酪根成熟度的增加，生成的天然氣注入儲集層，驅替儲層的可動水，儲層的含水飽和度接近于儲層的束縛水飽和度；圖6-c為束縛水蒸發氣化階段，此時隨著溫度壓力的增大和干氣的注入，使儲層的束縛水被蒸發氣化，不斷隨著天然氣的運移攜帶出儲層，從而形成超低含水飽和度氣藏。
3 超低含水飽和度氣藏存在的地質意義
3．1 超低含水飽和度儲層易產生水鎖傷害
在氣層勘探開發過程中，由于鉆井液、壓裂液等外來流體侵入儲層，使儲層含水飽和度增加，導致氣相滲透率降低的現象，稱為水鎖傷害，亦稱為水鎖效應[16-18]，致密砂巖儲層中水鎖效應尤為突出[19]。
只要進入儲層的水相流體的飽和度超過儲層水相流體的原始飽和度，就會引起儲層水鎖傷害。通過密閉取心含水飽和度與常規取心含水飽和度對比發現：太原組和盒8段密閉取心含水飽和度一般低于40％(圖7、圖8)；在不同滲透率區間，密閉取心含水飽和度均小于常規取心含水飽和度，表明鄂爾多斯盆地東部致密儲層普遍存在吸水現象及水基鉆井液的傷害，鉆井過程就已普遍存在著水鎖傷害。
3．2 永久性水鎖傷害評價
對于超低含水飽和度儲層由于儲層吸水，一部分外來流體成為儲層的束縛水，地層條件下難以用壓差驅替的方式解除，而形成永久性水鎖[20-21]。
外來流體侵入儲層后使儲層的含水飽和度增大，在地層壓力下天然氣驅替水使儲層含水飽和度逐漸下降，以至于到達束縛水飽和度(Swir)，這部分水鎖稱為暫時性水鎖[20-21]，可以用壓差驅替的方式解除；但對于超低含水飽和度儲層，由于儲層吸水，一部分外來流體成為儲層的束縛水，地層條件下不能用壓差驅替的方式解除，這部分水鎖稱其為永久性水鎖。
在通常所做的氣水相滲實驗中，最大只作到束縛水飽和度下的氣相滲透率，在認識到超低含水飽和度現象和形成機理后，筆者利用密閉取心巖樣，在氣水相滲實驗中做出束縛水飽和度下的氣相滲透率后(該巖樣原始含水飽和度為10.19％，束縛水飽和度為44.71％)，應用加熱(蒸發部分束縛水)、稱重的方法，做出了原始含水飽和度下的氣相滲透率(圖9)，并根據下式評價了永久性水鎖傷害。
式中DR永久為永久性水鎖引起的滲透率損害率(永久性水鎖指數)；Kwi為原始含水飽和度下巖樣的氣測滲透率，mD；Kwir為束縛水飽和度下巖樣的氣測滲透率，mD。
10塊巖心樣品的評價結果顯示(表4)，永久性水鎖滲透率傷害率最小為26.6％，最大為47.8％，平均為35.4％；原始含水飽和度下氣相滲透率是束縛水飽和度下氣相滲透率的l.4～1.9倍，平均為1.6倍。因此設法預防和解除永久性水鎖傷害，恢復原始含水飽和度下的氣相滲透率，對提高相同儲層物性條件的儲層氣相滲透率和提高單井產量有著重要的意義。
3．3 水鎖傷害的預防與補救措施
對于致密砂巖超低含水飽和度氣藏，為降低和解除永久性水鎖傷害，建議采取以下儲層保護和補救措施：
1)盡量避免使用水基工作液：使用無水的氣體類流體作為工作液，如空氣、N2、CO2、氣態烴。使用含水量低的泡沫也可以減輕水鎖損害。
2)盡量減少、甚至避免水基工作液侵入：屏蔽暫堵技術、非滲透泥漿體系和成膜技術。
3)采用欠平衡作業：可以減緩濾液進入地層，降低濾失量。
4)注入醇：降低體系的表面張力，降低毛細管阻力。易于氣化排除，有助于攜帶地層水一起排出，易于返排，降低含水飽和度。
5)注入干氣[22]：通過較長時間的干氣(已脫水)或氮氣注入，可使圈閉帶的水蒸發遼移。
6)地層熱處理：將熱氣注入地層，可以使圈閉帶的水產生超臨界干燥萃取。
4 結論
1)鄂爾多斯盆地東部上古生界盒8段、太原組砂巖為普遍低孔隙度、低滲透率的致密砂巖。應用氣水相滲、核磁共振2種實驗技術方法所測定的束縛水飽和度均高于密閉取心測定的原始含水飽和度值，表明盒8段、太原組致密砂巖氣藏存在超低含水和度現象。
2)氣藏形成過程中由于溫度、壓力增大，隨著烴源巖在過成熟演化階段干氣的注入，天然氣的攜水能力不斷增加，束縛水不斷蒸發氣化，并隨著天然氣的大規模運移及氣藏后期的泄漏散失而帶出儲層，從而形成超低含水飽和度氣藏。
3)超低含水飽和度儲層由于儲層吸水，易形成永久性水鎖，制訂合理水鎖傷害的預防與補救措施，對提高相同儲層物性條件的儲層氣相滲透率和提高單井產量有著重要意義。
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本文作者：姚涇利 王懷廠 裴戈 袁曉明 張輝
作者單位：中國石油長慶油田公司勘探開發研究院
低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室
中國石油長慶油田公司勘探部
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