致密砂巖氣藏微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)定量評價——以蘇里格氣田東南區(qū)為例

盛 軍，孫 衛(wèi)，趙 婷，劉艷妮，張 弢

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質(zhì)學系，陜西西安 710069;2.中國石油青海油田分公司澀北作業(yè)公司，格爾木 816000;3.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710018;4.中國石油川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，陜西西安 710018)

非常規(guī)天然氣作為一種潛力巨大的未來接替能源，將成為世界未來能源供應(yīng)的一個重要部分［1］。但是，在研究界，關(guān)于非常規(guī)氣藏穩(wěn)產(chǎn)的問題出現(xiàn)了很多爭論［2-3］。致密砂巖氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，已在中國天然氣儲量中占舉足輕重的地位，是中國天然氣快速發(fā)展的重要資源之一，也是天然氣工業(yè)的重要支柱。中國致密砂巖氣分布范圍廣，有利區(qū)面積達32×104km2，已成為重要的增儲上產(chǎn)領(lǐng)域。目前，已形成鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組大致密氣實現(xiàn)區(qū)，松遼盆地下白堊統(tǒng)登婁庫組、渤海灣盆地古近系沙河街組沙三段和沙四段、吐哈盆地侏羅系、塔里木盆地侏羅系和白堊系、準噶爾盆地南緣侏羅系和二疊系5個致密氣潛力區(qū)，預(yù)測2015年致密氣產(chǎn)量將達到(300～400)×108m3［4-7］。

致密砂巖氣藏儲層在沉積、埋藏、成巖等地質(zhì)作用的綜合影響下，具有獨特的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和滲流機理，孔喉結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，非均質(zhì)性強。這些因素的綜合作用導致了儲層品質(zhì)的差異，造成了開發(fā)過程的各種生產(chǎn)矛盾。儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征決定了儲層的微觀滲流機理，影響著最終的采出程度。

蘇里格氣田地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗和陜西省榆林市境內(nèi)，南接靖邊氣田，東臨榆林氣田。區(qū)域構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中北部。該文研究層段為蘇東南地區(qū)上古生界下石盒子組盒8段，發(fā)育著辮狀河三角洲前緣亞相，微相細分為水下分流河道、分流間灣。盒8上段以淺灰色、灰白色(含礫)粗砂巖、中砂巖為主要巖性，砂巖類型主要為石英砂巖和巖屑石英砂巖，是蘇里格氣田下石盒子組主要的產(chǎn)氣層段之一。

通過研究區(qū)盒8儲層砂巖巖心電性及物性測試資料統(tǒng)計，盒8段儲層孔隙度介于4.45% ～14.28%，平均值為6.4%;滲透率介于(0.10～3.3)×10-3μm2，平均值為 0.3 ×10-3μm2;含氣飽和度平均為31.7%。

1 孔喉結(jié)構(gòu)特征的定性-半定量表征

孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究是儲層微觀研究的核心內(nèi)容，同時也是影響儲層儲集能力和滲流能力的根本因素。其研究內(nèi)容主要包括孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布狀況、配置關(guān)系、相互聯(lián)通關(guān)系等多方面內(nèi)容。這些因素綜合作用決定了儲層的滲流特征。

1.1 孔隙類型

通過大量的鑄體薄片與掃描電鏡觀察分析，發(fā)現(xiàn)研究段儲層由于經(jīng)歷了較強的壓實作用，大多數(shù)為次生孔隙，偶見殘余粒間孔(見表1)。次生孔隙主要是由溶蝕和次生礦物膠結(jié)改造后的巖屑溶孔、晶間孔，溶蝕作用是改善儲層物性的主要原因。其次發(fā)育極少量由沉積作用、成巖作用及構(gòu)造應(yīng)力改造形成的微裂隙(見圖1)。

表1 盒8儲層砂巖孔隙類型百分比統(tǒng)計表Tab.1 The reservoir pore types percentage statistical table of He 8 Formation

1.2 孔隙組合類型

蘇里格東南區(qū)盒8段致密砂巖儲層孔隙組合類型多樣，根據(jù)孔隙類型所占的比例不同，可概括為溶孔-晶間孔、晶間孔-溶孔及微孔。研究區(qū)主要以溶孔-晶間孔、晶間孔-溶孔型、晶間孔型為主(見圖2)。根據(jù)薄片鑒定結(jié)果，盒8段儲層孔隙類型組合分布如圖3所示。

1.3 喉道類型

巖石顆粒間連通孔隙的狹窄空間稱為喉道。油氣在儲層中的運移或被驅(qū)替都要受喉道的控制。喉道的大小、分布及幾何形狀，是影響儲層儲集能力和滲流能力的關(guān)鍵因素。喉道的大小和形態(tài)主要取決于巖石顆粒的接觸關(guān)系和膠結(jié)類型，以及顆粒的大小和形狀。羅蟄潭［8］根據(jù)碎屑顆粒的接觸類型和膠結(jié)類型將喉道分為4類:縮頸喉道、點狀喉道、片狀或彎片狀喉道、管束狀喉道等。根據(jù)鑄體薄片和掃描電鏡分析，因研究區(qū)壓實作用強烈，造成目的層喉道類型主要以管束狀喉道為主，同時還有點狀喉道及片狀喉道(見圖4)。

圖1 蘇東南地區(qū)盒8儲層孔隙類型Fig.1 The reservoir pore Type of He 8 formation in southeast area of Sulige

圖2 盒8段儲層鑄體薄片下孔隙組合類型Fig.2 The pore combination type of He 8 formation in cast thin sections

圖3 盒8段儲層孔隙組合類型比例Fig.3 The reservoir pore combination type proportion

圖4 盒8儲層鑄體薄片和掃描電鏡下喉道類型Fig.4 The He 8reservoir throat type of casting thin sections and scanning electron microscope

1.4 毛管壓力曲線特征

通過對蘇里格氣田東南區(qū)盒8段的17塊樣品進行高壓壓汞實驗，分析其毛細管壓力曲線形態(tài)和特征參數(shù)，并結(jié)合上述孔隙組合類型和圖像孔隙結(jié)構(gòu)，將樣品分為4種類型(見圖5，表2):Ⅰ類曲線7塊樣品，Ⅱ類曲線4塊樣品，Ⅲ類曲線4塊樣品，Ⅳ類曲線3塊樣品。

圖5 研究區(qū)毛管壓力曲線Fig.5 The capillary pressure curve of study area

1)Ⅰ類特征毛管曲線:排驅(qū)壓力值較低，平均值為0.20 MPa;中值壓力范圍為0.77～6.40 MPa，平均值為2.37 MPa;最大進汞飽和度為98.59%。進汞飽和度增量呈單峰狀，最大孔喉連通半徑較大，平均值為4.17 μm;所選7塊樣品的分選系數(shù)和變異系數(shù)的平均值最大，而均值系數(shù)和歪度系數(shù)的平均值最小，說明在整體孔喉分選性不好、非均質(zhì)性強的情況下，發(fā)育了較多的大孔隙和大喉道使得儲層連通性較好。

2)Ⅱ類特征毛管曲線:排驅(qū)壓力值同樣較低，平均值為0.46 MPa;中值壓力平均值為4.28 MPa;分選系數(shù)較小，平均值為2.27;最大進汞飽和度為91.38%。進汞飽和度增量呈單峰或不明顯雙峰狀，最大孔喉連通半徑較大且分布范圍集中，均為1.61 μm;樣品主要發(fā)育晶間孔、溶孔，含有少量微裂隙。所選4塊樣品的分選系數(shù)和變異系數(shù)較大而均值系數(shù)和歪度系數(shù)較小，同樣表明在整體孔喉分選性不好的情況下發(fā)育較多大孔喉使得儲層連通性較好。

3)Ⅲ類特征毛管曲線:排驅(qū)壓力值較高，平均值為0.72 MPa;中值壓力平均值為4.31 MPa;最大進汞飽和度為90.77%。進汞飽和度增量呈雙峰狀，最大孔喉連通半徑較小，平均值為1.02 μm;樣品主要發(fā)育晶間孔、溶孔、微孔、粒間孔。所選4塊樣品的分選系數(shù)和變異系數(shù)平均值較大，分別為2.34和0.22，均值系數(shù)和歪度系數(shù)平均值分別為10.71和1.78，這表明在孔喉分選性一般的情況下，同樣發(fā)育了少量的大孔喉;較小的最大孔喉連通半徑和中值半徑是造成孔喉連通性較差的主要原因。

表2 高壓壓汞實驗參數(shù)表Tab.2 The high pressure mercury injection experiment results table

4)Ⅳ類特征毛管曲線:排驅(qū)壓力值較高，平均值為1.08 MPa;中值壓力平均值為9.34 MPa;最大進汞飽和度為92.01%。進汞飽和度增量曲線呈雙峰狀，最大孔喉連通半徑較小，平均值為0.60 μm。樣品主要發(fā)育晶間孔、微孔。所選5塊樣品的分選系數(shù)和變異系數(shù)較小，平均值分別為2.17和0.19，均值系數(shù)及歪度系數(shù)平均值較大，分別為11.22和1.62;這同樣表明在孔喉分選性一般的情況下，較小的最大孔喉半徑平均值和中值半徑是造成孔喉連通性較差的主要原因。

通過對研究區(qū)內(nèi)17塊砂巖樣品孔喉大小參數(shù)、孔喉分選性參數(shù)和孔喉連通性參數(shù)的分析得到其對儲層物性的影響。

1)孔喉大小參數(shù)與物性的關(guān)系?？缀泶笮?shù)包括最大連通孔喉半徑和中值半徑。最大連通孔喉半徑反映了當汞最先進入樣品時所突破的孔喉半徑。圖6為反映孔喉大小參數(shù)與物性參數(shù)的交會圖，從圖中可以看出，最大連通孔喉半徑與孔隙度、滲透率呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，與孔隙度及滲透率的相關(guān)性分別為0.731 4，0.843 4。在多孔介質(zhì)中，對滲流能力起主要控制作用、對滲透率貢獻比較大的是較粗喉道，其半徑在很大程度上控制著多孔介質(zhì)的滲透率。中值半徑是孔喉大小、分布趨勢的度量。儲層中的孔隙和喉道一般趨于正態(tài)分布，中值半徑代表分布處于最中間的孔喉半徑，該值越大，儲層孔隙結(jié)構(gòu)越好。從圖6中可以看出，中值半徑與孔隙度呈明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，與孔隙度的相關(guān)性為0.636，而與滲透率也呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，與滲透率的相關(guān)性為0.678，說明隨著中值半徑的增大，滲透率上升比孔隙度要快。同時，在多孔介質(zhì)中，對滲流能力起主要控制作用，對滲透率貢獻較大的是較粗的喉道，即中值半徑半定量標定整體孔喉的分布。因此，中值半徑與物性的關(guān)系是對儲層整體孔隙結(jié)構(gòu)的描述。

2)孔喉分選性參數(shù)與物性的關(guān)系。孔喉分選性參數(shù)主要包括分選系數(shù)、變異系數(shù)、均質(zhì)系數(shù)及歪度系數(shù)。圖7為孔喉分選性參數(shù)與物性參數(shù)的交會圖，從圖中可以看出，孔隙度和滲透率與孔喉分選性參數(shù)表現(xiàn)出較差的相關(guān)性。分選系數(shù)、變異系數(shù)以及歪度系數(shù)與儲層的物性基本沒有趨勢。均值系數(shù)與儲層物性呈負相關(guān)，滲透率與均值系數(shù)的相關(guān)性較高，R2值為0.607，與孔隙度的相關(guān)性系數(shù)為0.503。均值系數(shù)表示全孔喉分布的平均位置，均值系數(shù)越大，總的孔隙喉道的平均值越小，曲線越偏于細歪度;這說明窄喉道在整個孔隙喉道中占優(yōu)勢，對儲集及滲濾油氣極為不利，也從另一方面突出了較大喉道的存在對滲透率的貢獻，即少量較大喉道的存在使得儲層滲透率上升。由此可知，孔喉分選性對儲層的物性影響程度較低。

圖6 孔喉大小參數(shù)與物性的關(guān)系Fig.6 The relationship of the pore and throat size parameters and physical properties

圖7 孔喉分選性參數(shù)與物性的關(guān)系Fig.7 The relationship of the pore and throat sorting parameters and physical properties

3)孔喉連通性參數(shù)與物性的關(guān)系?？缀磉B通性參數(shù)主要包括排驅(qū)壓力、中值壓力、最大進汞飽和度及退出效率。圖8為孔喉連通性參數(shù)與物性參數(shù)的交會圖，從圖中可以看出，排驅(qū)壓力及中值壓力與物性呈負相關(guān)性，其與孔隙度的相關(guān)性系數(shù)分別為0.777 5，0.727 5，與滲透率的相關(guān)性系數(shù)分別為0.84，0.850 8。這說明儲層的物性特征受孔喉連通影響程度大。

通過高壓壓汞實驗分析可知，最大連通孔喉半徑及中值半徑與儲層的物性相關(guān)性最好，反映孔喉大小是決定儲層物性的關(guān)鍵因素之一;分選性參數(shù)中僅均值系數(shù)與儲層具有較高相關(guān)性，表明儲層物性受孔喉分選性的影響較小?？缀磉B通性參數(shù)分析表明，儲層物性受孔喉連通程度影響大。由此可知，對于致密砂巖儲層，孔喉的大小以及連通程度決定了儲層的物性特征。但是，通過以上參數(shù)并不能明確地反映出研究區(qū)內(nèi)儲層的孔隙與喉道，以及哪一個對儲層物性的影響更大。所以，為了更進一步分析微觀孔隙結(jié)構(gòu)對儲層物性的影響，需要引入更加先進的實驗進行更深一步的分析。

圖8 孔喉連通性參數(shù)與物性的關(guān)系Fig.8 The relationship of the pore and throat connectivity parameters and the physical properties

2 孔喉結(jié)構(gòu)特征的定量表征

恒速壓汞與常規(guī)壓汞雖然遵循的原理相同，但常規(guī)壓汞法以毛細管束模型為基礎(chǔ)，假設(shè)多孔介質(zhì)由直徑大小不同的毛細管束組成;而恒速壓汞假設(shè)多孔介質(zhì)由直徑大小不同的喉道和孔隙構(gòu)成。因此，恒速壓汞模型假設(shè)的孔隙結(jié)構(gòu)特征更加符合低滲、特低滲油藏小孔細喉或細孔微喉的結(jié)構(gòu)特征，比常規(guī)壓汞模型更接近真實的孔隙結(jié)構(gòu)［9］。

這種模型上的差異，直接導致了高壓壓汞實驗所測得的結(jié)果不能將孔隙與喉道區(qū)分開來。同時，常規(guī)壓汞實驗給出的結(jié)果由于混合了孔隙和喉道的體積，也不能真實表征孔隙和喉道的各自分布情況。恒速壓汞實驗則可以克服常規(guī)壓汞實驗的缺陷，不僅可以直接測量孔隙和喉道的大小、數(shù)量，而且還可以給出孔隙和喉道的詳細信息。因此，恒速壓汞實驗在微觀孔隙定量研究方面具有一定的優(yōu)勢［10-17］。

結(jié)合高壓壓汞實驗分析結(jié)果，利用恒速壓汞實驗分析可以看出，在高壓壓汞實驗中屬于I類的樣品相比Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ類樣品，主要差異表現(xiàn)為較大的孔喉半徑、較多的有效孔隙與喉道個數(shù)。正是微觀孔喉上的優(yōu)勢，使得I類樣品擁有較高的進汞飽和度與較低的排驅(qū)壓力。根據(jù)恒速壓汞實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，恒速實驗中，Ⅲ類樣品孔隙進汞量均小于喉道進汞量，這類儲層的喉道進汞貢獻程度要大于孔隙，因此將這類樣品劃分為喉道貢獻型;而I，Ⅱ兩類樣品則呈相反的趨勢，表現(xiàn)為孔隙貢獻型(見表3，4)。

孔隙貢獻型與喉道貢獻型樣品具有明顯的滲流特征差異，孔隙貢獻型具有較寬的孔隙控制區(qū)和過渡區(qū)，在這兩個區(qū)域，孔隙的進汞總量曲線與總進汞曲線趨勢較為接近，孔隙占主導作用，說明非潤濕相的汞優(yōu)先進入較大的孔隙與少量大喉道，再經(jīng)過過渡區(qū)以后，喉道對滲流能力的貢獻作用才突顯出來(見圖9)。而喉道貢獻型，由于有效喉道個數(shù)少，加之喉道半徑小造成此類樣品的孔喉連通程度差，使得一部分孔隙成為無效孔隙。所以，此類樣品孔隙作用區(qū)域很窄，孔隙進汞貢獻量低(見圖10)。孔隙貢獻型樣品較喉道貢獻型樣品具有更大的喉道半徑范圍，以及最終進汞飽和度。

表3 恒速壓汞實驗結(jié)果表一Tab.3 The NO.1 constant pressure experimental results table

表4 恒速壓汞實驗結(jié)果表二Tab.4 The NO.2 constant pressure experimental results table

圖9 孔隙控制型儲層進汞特征曲線Fig.9 The mercury injection curve of the porosity control reservoir

圖10 喉道控制型儲層進汞特征曲線Fig.10 The mercury injection curve of the throat control reservoir

1)孔喉配置關(guān)系對滲流能力的影響。依據(jù)長慶油田公司對孔隙大小的分類標準以及李道品［18］對喉道半徑的分類標準(見表5)，對研究區(qū)內(nèi)儲層樣品進行劃分。

表5 孔喉大小分類標準Tab.5 The pore and throat size classification standard

依據(jù)以上的分類標準，通過孔隙喉道半徑分布可以看出(見圖11，12)，研究區(qū)內(nèi)樣品孔喉配置關(guān)系以大孔-細/微細喉道為主。

圖11 孔隙半徑分布Fig.11 The pore radius distribution

圖12 喉道半徑分布Fig.12 The throat radius distribution

為了分析孔隙與喉道對儲層滲流能力的影響程度，將孔隙和喉道半徑均值分別與滲透率作相關(guān)性圖(見圖13，14)。從圖13，14可以看出，喉道的半徑大小與滲透率的相關(guān)性明顯要好于孔隙半徑，這說明喉道對儲層滲流能力的影響要遠遠大于孔隙。

圖13 喉道半徑與滲透率關(guān)系圖Fig.13 The throat radius and permeability relationship graph

圖14 孔隙半徑與滲透率關(guān)系Fig.14 The pore radius and permeability relationship graph

2)孔喉非均質(zhì)程度對滲流能力的影響?？缀淼姆蔷|(zhì)程度主要表現(xiàn)為孔喉半徑的差異大小，其本質(zhì)上也反映了孔隙與喉道的直接配置關(guān)系，孔喉半徑比越大，說明孔隙半徑與喉道半徑的差異程度越高。圖15反映了7塊樣品的孔喉半徑比分布情況，從圖中不同樣品的孔喉半徑比分布范圍可以看出，孔喉半徑比主峰值越小，分布范圍越窄，孔喉半徑非均質(zhì)程度越低，其滲流能力越強。

圖15 孔喉半徑比分布頻率圖Fig.15 The pore throat radius ratio frequency distribution diagram

在研究區(qū)，通過恒速壓汞實驗發(fā)現(xiàn)孔喉半徑比與滲透率呈較好的負相關(guān)關(guān)系(見圖16)。從圖16可以看出，滲透率隨著孔喉半徑比的增大而急劇下降，孔隙半徑與喉道半徑的差異程度越強，即孔喉比越大，則其滲流能力越弱。

圖16 孔喉半徑比與滲透率相關(guān)性圖Fig.16 The pore throat radius ratio and permeability correlation diagram

3)有效孔喉體積、個數(shù)對滲流能力的影響。恒速壓汞實驗可以有效地將孔隙與喉道進行區(qū)分，通過孔隙進汞量和喉道進汞量可以確定出樣品的孔隙體積與喉道體積。恒速壓汞實驗不但能區(qū)分孔隙與喉道，根據(jù)壓力曲線的波動，還可以確定孔隙與喉道的個數(shù)，這對于進一步研究儲層的微觀滲流機理有重要意義。將單位體積有效孔隙與喉道體積、單位體積有效孔隙與喉道個數(shù)分別與物性參數(shù)進行相關(guān)性分析得出圖17。從圖17可以看出，本區(qū)塊內(nèi)喉道對物性的控制、對滲流能力的貢獻要遠高于孔隙，這與本地區(qū)儲層的成巖演化也基本一致。研究區(qū)在經(jīng)歷了較強的壓實作用后，原生粒間孔基本消失，儲集空間主要以巖屑溶孔、黏土膠結(jié)作用形成的高嶺石晶間孔為主。而恒速壓汞實驗僅是根據(jù)壓力波動進行孔隙與喉道的識別，由于晶間孔孔距較小，會造成較大幅的壓力波動，這樣的結(jié)果就可能導致大量的晶間孔被當作喉道對待。這是造成喉道對孔隙度的貢獻程度遠高于孔隙的主要原因(見圖17A，C，E，H)。研究區(qū)儲層的滲流能力隨著有效喉道體積與有效喉道個數(shù)的增加而增強(見圖17B，D)，并且有效喉道體積與個數(shù)對滲流能力的貢獻增幅明顯大于有效孔隙體積與個數(shù)的貢獻(見圖17F，H)。

圖17 單位體積有效孔隙及喉道體積、個數(shù)與物性相關(guān)性圖Fig.17 The unit volume of effective pore and throat volume，number and physical correlation diagram

3 結(jié)論

1)研究區(qū)孔隙類型主要以溶孔-晶間孔、晶間孔-溶孔型、晶間孔型為主，喉道類型主要以管束狀喉道為主，同時還有點狀喉道及片狀喉道。孔喉配置關(guān)系主要為大孔-細/微細喉道為主。

2)按照對儲層最終進汞量的貢獻程度，將研究區(qū)儲層樣品劃分為孔隙貢獻型與喉道貢獻型?？紫敦暙I型與喉道貢獻型樣品的差異主要體現(xiàn)在孔隙貢獻型存在相對較大的喉道與較多的有效喉道個數(shù)，較大喉道半徑與較多有效喉道的存在使得樣品的孔喉連通程度相對喉道貢獻型要高，從而使得此類樣品有效孔隙進汞量的增加。

3)由恒速壓汞實驗數(shù)據(jù)可以看出，研究區(qū)儲層樣品間孔隙半徑差距較小，喉道半徑的差異巨大?？缀肀确从沉藰悠返奈⒂^孔喉非均質(zhì)程度，即孔喉比越大，儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)程度越強，其滲流能力越差。

4)蘇里格氣田東南區(qū)不同類型儲層間孔隙的發(fā)育程度接近，喉道的差異是造成滲流能力差異的主要原因，單位體積孔隙在體積上與數(shù)量兩方面對滲流能力的貢獻均要小于喉道的貢獻。所以，喉道的發(fā)育程度決定了研究區(qū)內(nèi)致密砂巖氣藏滲流能力的強弱。

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