中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏地層水微觀賦存狀態及產出特征

摘要：開展地層水微觀賦存狀態研究，可為有利區優選和氣井生產制度優化提供參考和依據。利用鑄體薄片、掃描電鏡、壓汞、核磁共振、兩相滲流實驗、測井以及生產動態資料，開展中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏的孔隙結構、地層水賦存狀態及產出特征研究。結果表明，中江氣田沙溪廟組I、II、III 類儲層中值喉道半徑平均為0.30、0.16 和0.04 m。地層水以自由水、毛細管水和薄膜水的形式賦存于儲層中，薄膜水普遍存在，毛細管水主要存在于喉道半徑小于0.100 m 的喉道中，斷砂配置較差及構造相對低部位儲層可見自由水。氣井產水來源主要為凝析水、毛細管水和薄膜水，整體表現為產水量小、礦化度低、水氣比低且后期增大的特征。相對高含水飽和度區的評價和開發應以I、II類儲層為主要目標，產水氣井生產過程中應適當控制生產壓差。

關鍵詞：中江氣田；沙溪廟組；致密砂巖；地層水微觀特征；產水特征

引言

致密砂巖氣是目前開發規模最大的非常規油氣資源之一，2021 年，中國致密砂巖氣產量為470×108 m3，占天然氣總產量的24.4%[1]，受物性差、孔喉半徑小等因素影響，致密砂巖氣的開發受地層水影響較大。前人針對致密砂巖氣地層水微觀賦存狀態和產出做了大量研究，從相態上劃分，地層水可分為液態水和氣態水；根據地層水的可動性，地層水可細分為束縛水和可動水[2]。按照地層水賦存位置和受力情況，可分為4 種[3]：1）以“水珠”模式分布于孔隙“盲端”；2）受毛細管力影響以“水柱”模式賦存于微細毛細管中；3）受表面張力影響以“薄水膜”形式賦存于大孔隙表面；4）受毛細管力和表面張力共同影響以“厚水膜”形式賦存于微孔隙和較大的喉道中。可動水和束縛水在產出時間、機理和特征均存在一定的差異，通常情況下可動水產出是氣井產水的主要來源；而束縛水轉換為可動水產出多發生在有效應力增加、巖石變形、孔隙喉道體積減小或生產壓差較大時[4]。

中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏探明儲量超千億方，目前年產氣量在10×108 m3 以上，早期投產氣井出現了不同程度的產水現象，嚴重影響氣井的產能和穩產周期；且隨著氣田勘探開發的不斷深入，評價建產陣地逐漸向近斷層區、構造低部位和疊置河道區等含水飽和度相對較高的區域拓展。相對高含水飽和度區部分井測試及生產效果較好，部分井效果較差，前人針對該區的研究主要集中在高產富集規律、氣水宏觀分布等方面[5 12]，對于地層水微觀研究相對較少。本次研究基于巖芯分析、測井和生產資料，對地層水微觀賦存狀態和產出特征進行研究，可為氣藏評價選區和生產制度優化提供指導。

1 地質概況及產水特征

中江氣田位于川西凹陷東部斜坡，研究區西部斷層較為發育，斷層與須家河組烴源溝通[12]，主力產層沙溪廟組埋深在1 300～3 200 m，地層厚度平均約800 m，主要為淺水三角洲平原前緣沉積，發育多期NE SW 走向（水下）分流河道（圖1a），河道寬度在0.3～0.8 km，厚度5～30 m，巖石類型以淺灰色、灰色的細中粒巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖為主。儲層孔隙度主要分布在7.00%～13.00%，平均8.07%；滲透率主要分布在0.01～3.84 mD，平均0.20 mD，為低孔致密砂巖儲層。

中江氣田沙溪廟組氣藏整體產水量不大，生產至今氣藏累產水氣比在0.63 m3/（104 m3），目前，單井產氣（0.01～15.14）×104 m3/d，單井產水0～14.54 m3/d，水氣比0～58.54 m3/（104 m3）（圖1b），平均1.10 m3/（104 m3）。受通天斷層破壞氣藏，天然氣逸散等因素影響，近斷層構造低部位氣井產水量大，水氣比高，以產地層水為主，如G303 井，測試期間產氣量1.8×104 m3，產液量348 m3（入地液量293 m3），產出水地層水礦化度高。構造相對高部位氣井產氣量大，產水量小，累產水氣比普遍小于0.50 m3/（104 m3），產出水礦化度在2 000～13 000 mg/L，以凝析水和凝析水淡化后地層水為主。隨著構造位置變低，氣井累產水氣比逐漸增加，礦化度升高（圖1c）。

2 孔隙類型及結構特征

地層水主要賦存于儲層微觀孔喉中，通常情況下，孔喉越小，束縛水含量越高。因此，孔隙類型及結構特征的研究對于地層水賦存狀態的分析具有重要意義[13]。本次研究基于薄片、掃描電鏡及壓汞等資料，對儲層的孔隙類型和微觀孔隙結構進行分析。

2.1 孔隙和喉道類型

圖2 為中江氣田沙溪廟組孔隙類型鑄體薄片和掃描電鏡照片。由圖2 可以看出，中江氣田沙溪廟組孔隙以剩余粒間孔和粒間溶孔為主，其次為粒內溶孔，見少量鑄模孔、晶間微孔、層間微縫等。剩余粒間孔呈不規則多邊形，孔徑大小在0.03～0.15 mm，見襯墊狀綠泥石和充填狀綠泥石，偶見自生石英充填，孔隙分布不均，連通性中等較好。粒間溶孔大小0.05～0.40 mm，孔內可見自生石英、長石、方解石及黏土礦物等充填，溶蝕孔主要為港灣狀和長條狀等，其中，粒內溶孔大小0.02～0.10 mm，主要發育在長石和巖屑顆粒中，溶蝕程度淺中，長石粒內溶蝕一般沿著解理進行（圖2a～ 圖2i）。

受巖石顆粒大小、形狀、接觸關系及膠結類型不同影響，儲層中喉道類型多樣[14]，中江氣田沙溪廟儲層鑄體薄片圖像分析表明，研究區可見縮頸狀、片狀、彎片狀和管束狀喉道，以片狀、彎片狀喉道為主，表明中江氣田沙溪廟儲層受壓實作用影響較強，顆粒與顆粒之間喉道被壓縮成狹長的條狀；而縮頸狀喉道半徑相對較大，反映儲層壓實作用較弱；管束狀喉道見于充填在粒間孔隙中的伊利石和綠泥石晶間孔中（圖2a，圖2b，圖2h，圖2i）。

2.2 孔隙結構特征

2.2.1 基于常規壓汞實驗的孔隙結構分析

由常規壓汞孔隙結構參數（表1）可見，中江氣田沙溪廟組I 類儲層孔隙度平均11.96%，門檻壓力平均0.47 MPa；最大喉道半徑平均1.10 m，中值壓力平均2.94 MPa，中值喉道半徑平均0.30 m。II 類儲層孔隙度平均9.73%，門檻壓力平均0.90 MPa；最大喉道半徑平均1.03 m；中值壓力平均6.72 MPa，中值喉道半徑平均0.16 m。III 類儲層平均孔隙度8.03%，最大喉道半徑平均0.82 m，中值喉道半徑平均0.04 m。3 類儲層最大進汞飽和度分別為91.50%、89.28% 和82.80%，表明III 類儲層微細孔喉更發育。3 類儲層壓汞曲線（圖3）均表現出細歪度特征，I、II 類儲層壓汞曲線平臺寬，孔喉分選性好，III 類儲層孔喉分選性較差、微觀非均質性強。

2.2.2 基于恒速壓汞的孔隙結構分析

與常規壓汞相比，通過恒速壓汞實驗過程中壓力的漲落，可將孔隙和喉道區分開，從而獲取更加豐富的巖石微觀孔隙結構參數[15]。但恒速壓汞儀器最高測試壓力較低，汞難以進入半徑較小的喉道中，對于微細孔喉特征的表征誤差較大。

研究區恒速壓汞結果表明，孔隙半徑主要在100～240 m，II 類和III 類儲層大孔隙發育相對較少（圖4）；飽和度中值半徑在0.15～0.45 m；喉道半徑平均在0.50～2.67 m，其中，I 類儲層喉道平均半徑在0.87～2.67 m，II 類儲層和III 類儲層喉道平均半徑分別為0.41～0.75 m 和0.25～0.40 m（圖5）。

總孔隙體積和喉道體積比值在0.06～1.03，平均0.37，其中，I 類儲層孔隙體積和喉道體積比值平均為0.45，II 類儲層和III 類儲層孔隙體積和喉道體積比值平均為0.26 和0.19。與II 類和III 類儲層相比，I 類儲層大孔隙更發育，喉道更寬，孔隙體積和喉道體積的比值更大。

3 地層水微觀賦存狀態及產出特征

3.1 地層水微觀賦存狀態

前人針對地層水微觀賦存狀態做了大量研究[16 22]，目前普遍將地層水分為可動水和束縛水，可動水是分布在大孔隙和裂縫中的自由水。束縛水主要由毛細管水和薄膜水組成，在大孔隙中束縛水以水膜形式吸附在礦物顆粒表面；在孔隙盲端以及角隅處，束縛水通常以水珠形式賦存；在中小、微細孔喉處，受毛細管壓力影響，束縛水以“水柱”狀的毛細管水形式存在。

地層水的微觀賦存狀態不僅與孔隙結構有關，還受天然氣充注程度影響，根據毛細管壓力計算公式，驅替壓差越大，天然氣能克服的毛細管壓力越大，儲層中殘留地層水含量越低[23]。未充注條件下，孔隙和喉道中被水充填（圖6a）；在低中等充注條件下，相對大孔隙和喉道中天然氣被置換，中小孔隙和喉道中自由水和毛細管水較為發育（圖6b）；充注強度越大，天然氣可以克服的毛細管壓力越大，能夠進入更小的喉道和孔隙中；高充注強度下，微細毛細管被天然氣充注，儲層中自由水不發育，地層水以薄膜水和少量微孔徑中的毛細管水為主（圖6c）。

中江氣田沙溪廟組烴源主要為須家河組泥頁巖，埋藏較深，源儲壓差大，斷砂配置較好的儲層，天然氣充注程度高。中江氣田沙溪廟氣藏氣層水氣比小于0.10 m3/（104 m3），測井解釋含水飽和度為30.80%～58.01%，平均僅42.02%，以薄膜水和小孔徑毛細管水形式賦存的束縛水含量低；斷砂配置較差、構造位置低或儲層物性差的儲層，測井解釋含水飽和度在35.12%～66.04%，平均為47.89%，該類儲層天然氣充注程度相對較低且微細孔喉更為發育，自由水、薄膜水和毛細管水均較為常見。

3.2 地層水產出機理及特征分析

3.2.1 氣水兩相滲流特征

地層水的存在和流動會占據氣相滲流的通道，從而使得天然氣的流動受到影響，導致部分氣體喪失流動能力殘留在儲層中[24]。中江氣田沙溪廟組儲層微細孔喉發育，地層水對滲流的影響顯著，氣水兩相滲流實驗顯示，研究區儲層氣水共滲區窄，且氣水兩相流動時，氣相滲透率較低，且物性越差，氣水共滲區越窄、等滲點越低。以實驗樣品為例，I 類儲層氣水兩相共滲區的含水飽和度為58.01%～90.21%，等滲點氣相相對滲透率為0.16；II 類儲層氣水共滲區的含水飽和度在52.04%～86.06%，等滲點氣相相對滲透率為0.07；而微細孔喉更加發育的III 類儲層，當含水飽和度大于78.03% 時，儲層中天然氣就喪失了滲流能力，且在兩相共滲區范圍內，氣相滲透率較低，等滲點氣相相對滲透率僅為0.02（圖7）。因此，在氣藏開采中后期，相對高含水飽和度區的評價和開發應以I、II類物性相對較好的儲層為主要目標。

3.2.2 地層水產出機理

氣井產水的來源主要有自由水、毛細管水和少量薄膜水，在開發過程中，當生產壓差和氣體膨脹產生的作用力能夠克服喉道的毛細管壓力時，分布在喉道和孔隙中的毛細管水和自由水就會流動產出。薄膜水的產出則需要壓力下降到一定程度，隨著壓力的下降，薄膜水膨脹加厚，在流動壓差作用下，薄膜水從壓力高處向壓力低處流動，變為可動水，同時，天然氣流動過程中對水膜拖曳，也會導致薄膜水變得可動[25]。

中江氣田沙溪廟組核磁共振實驗結果表明，在300 psi（1 psi=6.895 kPa）離心力條件下，巖芯樣品束縛水飽和度在35.10%～76.91%，平均56.46%，且束縛水飽和度與滲透率呈正相關關系（圖8）。

I 類儲層大孔隙喉道更為發育，離心后排出可動水多，束縛水含量低，II、III 類儲層大孔隙和喉道占比依次減少，離心后核磁共振束縛水飽和度較高。部分束縛水主要以薄水膜形式吸附在大孔隙礦物顆粒表面，或以水珠的形式賦存在孔隙盲端，部分束縛水以毛細管水的形式賦存在半徑小于0.100 m 的喉道中（圖9）。

中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏可動水產出主要在氣井生產早期，薄膜水和毛細管水在氣井生產中、后期產出。對于壓裂氣井，受改造影響，近井地帶滲透性變好，部分束縛水在氣井生產早期轉變為可動水產出，通常產水量較小。

3.2.3 典型氣井產水特征及類型

從地層水微觀賦存狀態、產出機理以及氣水兩相滲流實驗分析來看，相同充注條件下，儲層物性越好，殘余的地層水含量越少；生產過程中，物性越好，地層水對氣水兩相滲流的影響越小。

斷砂配置好、構造高部位的I、II 類儲層天然氣充注程度高，地層水以薄膜水和少量小孔徑毛細管水為主，該類儲層測井解釋含水飽和度低，平均42.00%，氣井產氣量大，產水量平均0.09 m3，水氣比低于0.15 m3/（104 m3），生產初期氣井產水主要為凝析水，生產中后期，隨著地層壓力降低，少量薄膜水和毛細管水轉化為可動水產出，但產水量不大，因此，氣井生產后期水氣比有所增加，但增加幅度不大（Js1 井，圖10a）。

III 類儲層由于微細孔喉極為發育，即使是在高充注條件下，儲層中薄膜水和毛細管水含量較高，高充注III 類儲層測井解釋含水飽和度平均48.00%，氣井產氣量中小，產水量中等，水氣比在0.16～3.15 m3/（104 m3），平均1.05 m3/（104 m3），生產中后期，受地層水占據主要滲流通道影響，氣相滲透率變低，水相滲透率增加，表現為日產氣量變小，日產水量變大，水氣比變大的特點（Js2 井，圖10b）；對于充注條件中等較差的儲層，毛細管水含量均較高，部分儲層中甚至可見自由水，該類氣井生產過程中早期以產出自由水和毛細管水為主，表現為產氣量較小，產水量中等，水氣比高的特征，水氣比通常大于2.00 m3/（104 m3），且生產中后期水氣比逐漸增大（Js3 井，圖10c），該類氣井投入生產較少，但隨著評價建產區逐漸向近斷層和構造低部位轉移，該類氣井所占比重將逐漸增加。

4 結論

1）中江氣田沙溪廟組儲層孔隙以剩余粒間孔和粒間溶孔為主，喉道類型以片狀和彎片狀喉道為主，微細孔喉發育，I 類、II 類及III 類儲層中值喉道半徑平均為0.30、0.16 和0.04 m。

2）中江氣田沙溪廟組地層水以自由水、毛細管水和薄膜水的形式賦存于儲層中，薄膜水普遍存在，毛細管水主要存在于孔喉半徑小于0.100 m 的喉道中，斷砂配置較差及構造相對低部位儲層可見自由水。

3）中江氣田沙溪廟組氣藏儲層氣水兩相共滲區窄，氣相相對滲透率低，且物性越差，氣水共滲區越窄、等滲點越低，氣相相對滲透率越低，相對高含水飽和度區的評價和開發應以I 類和II 類儲層為主要目標。

4）斷砂配置好、構造高部位的I 類和II 類儲層氣井早期產出水主要為凝析水，后期產少量薄膜水和毛細管水，表現為產水量小、礦化度低、水氣比低且變化不大的特征；微細孔喉更為發育的III 類儲層產出水主要為毛細管水，生產中后期產水量變大，水氣比增加且幅度較大。對于相對高含水飽和度儲層，生產過程中應控制生產壓差，防止薄膜水和毛細管水過早轉變為可動水。