川东黄草峡构造嘉二-嘉一段改建储气库的储层类型及控制因素

罗 鑫,郝 靖,叶 茂,冯 亮,欧阳沐鲲,陈义才,崔永斌,赵良孝

(1.中国石油西南油气田公司 重庆气矿,重庆 400021;2.中国石油西南油气田公司 勘探开发研究院,成都 610041;3.成都创源油气技术开发有限公司,成都 610500)

储气库是储气地质体、储气库各类井、地面各类设施为一体的储气系统,是天然气供应链中重要组成部分,对天然气调峰安全保供具有重要作用［1］。根据储气库建设利用的地质构造与其中储存流体性质不同可分为气藏、水层、油藏、盐穴、矿坑等类型,其中,气藏型储气库是目前全球最主要的地下储气库类型。其工作气量约占全球各类储气库总工作气量的75%,而中国气藏型储气库约占90%［2-4］。2011年,中国石油西南油气田公司针对川渝地区天然气输气季节调峰和事故应急等突发事件,把黄草峡气田嘉陵江组枯竭气田纳入首轮选址评价,并且先后历经了选址、预可研、先导试验、可研4个阶段。为了使黄草峡枯竭气田改建的储气库能够满足强注强采、反复注采的生产要求,目前改建储气库进入注采井位部署阶段。本文应用测井资料从储集空间、储层类型识别及储层控制因素等进行综合研究,为合理部署储气库的注采井位提供依据,同时对于川东地区类似的碳酸盐岩储气库建库具有借鉴意义。

1 地质概况

黄草峡气田位于重庆市长寿区、涪陵区境内,距长寿城区东南方向约10.6 km,属于川东丘陵区。黄草峡构造为北东-南西走向线型高陡背斜,北端东南翼缓,西北翼陡;中段东南翼陡,西北翼缓;南端两翼基本对称。构造存在东西两个高点,东高点为改建储气库区(图1),其构造特征及圈闭要素见表1。黄草峡构造钻探工作始于1980年1月开钻的草1井,主要获气层位为嘉二2-嘉二1和嘉一段,1983年5月投入生产,改建储气库区内钻井12口,提交探明地质储量29.26×108m3,至2016年9月枯竭关井,累产气19.62×108m3。

图1 黄草峡构造储气库位置及嘉二段—嘉一段地层柱状图Fig.1 Location of Huangcaoxia structure underground gas storage and the stratigraphic column of T3j1 and T3j2 members

表1 黄草峡构造嘉二3底界构造圈闭要素Table 1 Trap factors of Huangcaoxia structure at bottom boundary of T3j2 members

黄草峡气田嘉陵江组自下而上分为4个段(嘉一段、嘉二段、嘉三段、嘉四段),其中,嘉二段又分为嘉二1、嘉二2、嘉二3共3个亚段。嘉陵江组发育2套储层,即嘉二1-嘉二2和嘉一储层。嘉二2-嘉二1储层的岩石成分以云岩、灰质白云岩为主,夹石膏,泥质含量很低,岩石结构较粗。嘉一段含少量泥质,储层以纹层状细粉晶灰岩为主,见少量鲕粒灰岩,所含粒屑主要为球粒、砂屑及线文藻,局部见极薄层的针孔灰岩。

2 储渗空间类型及测井识别

2.1 储渗空间类型

根据黄草峡构造450余个岩心样品物性测试结果统计,嘉二2储层岩心孔隙度平均值为5.85%,嘉二1-嘉一储层孔隙度较低,平均值为1.43%。岩心观察和薄片鉴定发现,嘉二-嘉一段储层储集空间类型为孔隙、裂缝和洞穴。

孔隙主要发育于嘉二2亚段,包括各种粒间、粒内、晶间孔,嘉二1亚段-嘉一段除个别井局部有较好的溶蚀性孔隙层,绝大多数都属于致密的非储层岩体,基质孔隙极不发育。嘉二2亚段储层各种孔隙多经后期溶蚀改造形成溶孔,其中粒间溶孔为粒间胶结物被部分溶蚀形成的孔隙或沿原生粒间孔溶蚀扩大;粒内溶孔为鲕粒及生屑选择性溶解作用形成的孔隙,主要发育在白云岩、灰质云岩中。嘉二2亚段储层晶间孔和晶间溶蚀扩大孔主要发育于粉晶云岩。

黄草峡构造嘉二-嘉一段储层裂缝都十分发育,基本为构造缝,产状以立缝为主,局部发育平缝和斜交缝,裂缝宽度一般为0.2～0.5cm,被亮晶方解石半充填(图2)。岩心观察统计表明,嘉二1亚段-嘉一段储层的裂缝比嘉二2的裂缝更为发育。

图2 黄草峡构造嘉二-嘉一段岩心裂缝发育特征Fig.2 The fracture development character of T3j1 and T3j2 cores in Huangcaoxia structure

黄草峡构造嘉二-嘉一段储层的洞穴以中、小洞为主,多为孔隙被溶蚀扩大而成,部分为膏质溶蚀而成,亮晶方解石局部充填(图3、图4)。嘉二1亚段-嘉一段的洞穴比嘉二2亚段较为发育,尤以嘉一段的溶蚀洞穴更为发育,多为沿裂缝溶蚀而成,部分为沿层面溶蚀而成。

图3 嘉二2岩心膏质溶洞Fig.3 Paste cave in T3j2 members core

图4 草2井嘉二2膏质灰岩薄片膏溶孔洞Fig.4 The paste cave in T3j2 gypsum limestone

2.2 孔、洞、缝测井识别

储层孔隙的常规测井响应具有良好的正相关性,缝、洞的常规测井响应具有各种不同特征的非相关性［5-8］。如表2所示,黄草峡构造嘉二-嘉一段储层的三孔隙度曲线分别为声波时差(AC)、体积密度(DEN)和补偿中子(CNL),其中,可以利用声波时差计算声波孔隙度,利用体积密度计算密度孔隙度,而补偿中子等同于中子孔隙度,图形向下弯曲指示孔隙度增大的方向;电阻率曲线分别为深侧向电阻率(LLD)和浅侧向电阻率(LLS),图形向下弯曲指示电阻率降低的方向。

利用常规测井曲线进行孔、洞、缝识别时,有时容易造成误判,而孔、洞、缝在成像测井图上的特征更加直观而清晰,对孔、洞、缝的识别效果更好。

碳酸盐岩中的孔隙不可能像砂岩中定义的孔隙严格,实际上常包括一些小的溶蚀孔洞［9］。嘉二-嘉一段储层的孔隙在动态成像测井图上仍呈较均匀分布、大小相近的小黑点,但黑点大小不代表孔径的大小(图5-A)。因此,只用动态图很难将孔隙层与致密层分开,必须同时观测静态图。致密层静态图的电阻率高于孔隙层,其色度明显比孔隙层色度浅(图5-B)。

黄草峡构造嘉二-嘉一段张开缝和泥质充填缝在成像测井图上为黑色条纹;被不导电矿物全充填的裂缝在成像图上为白色条纹,其形状取决于裂缝的产状:垂直缝为平行于井轴的竖直条带,水平缝为垂直于井轴的水平条带,斜交缝为正弦波形条带(图5-c)。未完全充填的溶洞或被泥质充填的溶洞在成像测井图上为黑色斑块,形状多呈球状或椭球状;被不导电矿物全充填的溶洞为白色斑块。

3 储层类型及其测井响应

根据孔、洞、缝的结构及搭配关系,将黄草峡构造嘉二-嘉一段改建储气库的储层类型分为4类:孔隙型、裂缝型、孔隙-裂缝型、裂缝-溶洞型。

3.1 孔隙型储层

黄草峡构造嘉二2发育孔隙型储层,其储集空间和渗流通道均以白云石晶体的基质孔隙为主,以小型孔洞为辅,孔隙度>4%,渗透率>1×10-3μm2。实际上,在碳酸盐岩储层中,很难找到纯粹的孔隙型储层,因为常与各类粒间和粒内溶蚀孔洞并存［10］。测井响应特征表现为三孔隙度曲线均呈圆弧形增大,且具有良好的相关性;电阻率曲线呈圆弧形降低,气层的深浅侧向电阻率具有正差异,而水层的深浅侧向电阻率具有负差异或无差异(图6-A)。

图6 黄草峡构造嘉二-嘉一段储层类型及测井响应特征Fig.6 Reservoir types and logging response characteristics of T3j1 and T3j2 members in Huangcaoxia structure

3.2 裂缝型储层

裂缝型储层以裂缝为主,储集空间和渗流通道均以裂缝为主,孔隙度一般>1.5%,渗透率>1×10-3μm2。嘉二-嘉一段裂缝型储层的测井响应表现为声波时差、中子孔隙度无明显增大异常,但低角度裂缝可造成声波时差跳波,密度曲线呈锯齿状起伏;电阻率曲线呈尖刺状降低,深浅侧向电阻率在高角度裂缝呈正差异,低角度裂缝呈负差异或无差异［11］(图6-B)。

3.3 孔隙-裂缝型储层

孔隙-裂缝型储层的孔隙与裂缝并存,但相互分离,孔隙是主要的储集空间,裂缝是主要的渗流通道,孔隙度一般>4%,渗透率>1×10-3μm2。孔隙与裂缝具有不同的流体赋存状态,在原状油气层中,裂缝基本被油气充满,饱和度可达90%以上,而孔隙的油气饱和度则随孔隙结构的变化和裂缝发育程度的不同而具有很大的差异,一般在50%～80%的范围内变化［12］。在钻井过程中,由于钻井液对裂缝的深侵入,测井仪器探测范围内的裂缝基本被钻井液充满;但在孔隙中,由于钻井液呈切割式侵入而基本保持原始的含油气状态［13］。

黄草峡构造嘉二-嘉一段孔隙-裂缝型储层特有测井响应特征表现为声波时差、中子孔隙度增大,密度曲线呈锯齿状起伏,电阻率曲线在圆弧形降低的背景上间断出现尖刺状降低,差异性质取决于裂缝的产状(图6-C)。

3.4 裂缝-孔洞型储层

裂缝与孔洞并存且相互连通的储层为裂缝-孔洞型储层［14-17］。在黄草峡构造嘉二-嘉一段发育的孔洞或沿裂缝分布,或沿层面分布,或沿层面与裂缝交会处分布,因此,裂缝和孔洞既是储集空间又是渗流通道。裂缝-孔洞型储层与单一的裂缝型储层不同之处是,储集空间和渗流通道均得以大幅提升,储集性能更好,孔隙度>3%,渗透率>1×10-3μm2。该类储层测井响应表现为三孔隙度曲线呈强烈的非相关性,一般情况下,中子孔隙度增大,声波时差增大与否取决于缝洞的连通性,密度呈不规则的起伏;电阻率曲线特征主要受裂缝产状及发育程度的控制,即电阻率曲线起伏越大就越好(图6-D)。

4 储层发育主控因素

黄草峡构造嘉二-嘉一段为开阔台地浅滩沉积为主,储层发育受到后期成岩改造和构造作用控制。

4.1 白云石化作用

早期基质孔是白云岩储层规模化发育的基础,白云石化作用发生阶段是影响基质孔埋藏演化与保存的关键因素［18］。黄草峡构造嘉二2储层206块岩心样品的分析结果表明,当白云石质量分数<50%时,孔隙度为0～3.5%;当白云石质量分数为50%～70%时,孔隙度为0～7.0%,孔隙度具有随白云石质量分数增加而增加的趋势;当白云石质量分数>75%时,孔隙度急剧上升,可达19.0%;当白云石质量分数量达到80%～90%时,孔隙度增至最大,其峰值可基本保持在19.0%～20.0%(图7)。

图7 黄草峡构造嘉二储层孔隙度与白云石质量分数关系Fig.7 The relationship between reservoir porosity anddolomite mass fraction of T3j2 member in Huangcaoxia structure

由此可见,储层孔隙度与白云石质量分数呈现一种量群分布关系,其原因如下:当白云石质量分数低于50%时,随着白云石化程度增强,孔隙度基本不变,甚至略有下降,这是因为白云石散布于灰泥质中,白云石质量分数越高,占据灰泥质的孔隙也越多;当白云石质量分数>50%时,随着白云石化程度增强,孔隙度逐渐增大,直到白云石质量分数达到80%～90%时,孔隙度达到最大。在白云石化过程中,当储层岩石骨架由灰泥质支撑变为白云石晶体支撑,既可阻止压实作用对孔隙的减少,又可使孔隙度较高的白云石替代孔隙度较低的灰泥质;但是当白云石质量分数>90%,则与过多的白云石沉淀并形成结晶附着于孔壁或充填于孔隙内,导致储层孔隙度和渗透率都将迅速减小。

4.2 构造曲率变化率

前人研究结果表明,地层褶皱形成的正向曲率越大,越容易产生裂缝［19］。黄草峡构造嘉二-嘉一段的构造褶皱曲率变化率大小与裂缝发育程度的关系更为密切,即正向曲率越大,曲率的变化率越大,越容易产生裂缝。因为曲率大小只描述了岩层在均匀受力作用下变形程度的大小,而曲率变化率却进一步描述了在同一构造应力作用下,岩层不同部位受力大小的差异。显然,相同构造应力均匀作用于岩层上时,各部位所受的力要小于非均匀作用于岩层上某些发生应力集中部位所受的力,这正是构造曲率发生变化的部位。因此,在其他条件相同时,这些部位更容易产生裂缝,如构造的肩部,高点处、断鼻高点转折处,最有利于发育裂缝(图8)。

4.3 岩性及现今构造应力

国内外实验研究结果表明,岩石的矿物成分、结构及埋藏深度对裂缝发育程度都会产生较大的影响［20］。在脆性岩石中,以石英脆性最强而容易发育裂缝,白云岩、石英砂岩、钙质胶结砂岩脆性逐渐减弱,而灰岩脆性相对较弱,其裂缝发育指数相对较低;泥质和膏岩属于延性岩石,因此在地层中的含量越高,延性越强,可明显降低地层的裂缝发育程度［21］。对于同一类岩石,粒度越小,破裂后产生的裂缝密度越大;对于成分和结构相同的岩石,随着埋藏深度的增加,其延性会增强,越不容易形成裂缝(图9)。

由此可见,黄草峡构造嘉二2亚段白云岩比灰岩更易发育裂缝;而嘉一段粒度更细的灰岩比嘉二2亚段粒度较粗的白云岩和灰岩更容易发育裂缝。综合这两方面的因素,嘉二2亚段白云岩和嘉一段灰岩的裂缝都较发育,而嘉二2亚段灰岩的裂缝发育程度较低。

此外,喜马拉雅期构造运动产生的最大水平主应力对地下天然裂缝的有效性也会产生一定的影响。当最大水平主应力方向与裂缝走向的夹角小于45°时,有利于裂缝的张开而增加其有效性;反之,当最大水平主应力方向与裂缝走向的夹角大于45°时,裂缝趋于闭合会降低其有效性。草储1井的成像测井资料分析结果表明,最大水平主应力方向为68°～248°,而以立缝为主的天然裂缝的走向为82°～262°,两者夹角仅14°,有利于裂缝的张开,裂缝的有效性增强(图10)。

图10 草储1井嘉一段最大水平主应力方向与天然裂缝走向Fig.10 The direction of the maximum horizontal principal stress and the strike of the natural fractureFrom T3j1 in Caochu-1 well

4.4 埋藏岩溶作用

碳酸盐岩的埋藏岩溶作用可在局部地区改善储层物性,形成优质储层,对储层物性的优化起决定性作用［22］。黄草峡构造从嘉二3亚段到嘉二1亚段同时存在泥岩和石膏,为埋藏岩溶提供了3个有利条件:①形成相对封闭的环境;②泥岩中的蒙脱石在逐渐向伊利石、高岭石转化过程中脱水,为岩溶提供水源;③易溶的石膏、硬石膏被水溶解后,大量硫酸根进入水中,增强了水的酸性,提高了对碳酸盐岩的溶解度,尤其对嘉一段灰岩地层的溶蚀。

嘉二-嘉一段的溶蚀孔洞存在3种分布状态:沿裂缝分布、沿层面分布、孤立的膏溶孔洞。在这3类溶蚀孔洞中,以沿裂缝分布的孔洞最多且洞较大,连通性最好;其次,沿层面分布的孔洞相对较少一些,连通性较差;而膏溶孔洞最少、最小,连通性最差,这是由于分散状石膏与地下水有更大的接触面积,故更容易溶蚀,而较大的团块状和结核状石膏则不易被溶蚀,即石膏的差异溶解作用。

5 结 论

a.黄草峡构造陵江组主要发育嘉二2和嘉二1-嘉一两套储层,储集空间以孔隙、裂缝和洞穴为主;嘉二1-嘉一储层类型为裂缝型和裂缝-孔洞型,嘉二2储层类型为孔隙型、裂缝型、孔隙-裂缝型。

b.黄草峡储气库嘉陵江组储层发育的主要控制因素包括白云石化作用、构造曲率变化率、岩性及现今构造应力、埋藏岩溶作用。白云岩化程度控制了储层孔隙度大小,同时影响裂缝发育程度;构造曲率变化率决定了裂缝发育部位;岩性和现今构造应力影响裂缝发育程度及有效性;埋藏岩溶作用与溶蚀孔洞的发育程度密切相关。

c.黄草峡储气库嘉陵江组嘉二2和嘉二1-嘉一段裂缝型储层,在构造高部位发育好、层数多、厚度大,沿构造轴线往低部位变差。