延長(zhǎng)氣田山西組致密砂巖儲(chǔ)層及微觀(guān)孔喉特征研究＊

楊 虎，王建民

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710065;2.延長(zhǎng)石油油氣勘探公司 天然氣勘探開(kāi)發(fā)部，陜西 延安716000)

0 引 言

致密砂巖氣藏最早發(fā)現(xiàn)于美國(guó)的圣胡安盆地，20 世紀(jì)80 年代，Walls 等提出“致密砂巖氣藏”概念［1］。2008 年致密砂巖氣產(chǎn)量達(dá)到1 757 ×108m3，約占美國(guó)天然氣總產(chǎn)量的30%以上［2］。我國(guó)自1971 年發(fā)現(xiàn)川西中壩氣田之后，開(kāi)始進(jìn)行致密砂巖含氣領(lǐng)域的研究［3］，致密砂巖氣具有巨大的資源潛力和可觀(guān)的規(guī)模儲(chǔ)量，主要分布于鄂爾多斯、四川、松遼、塔里木、吐哈等沉積盆地［4-5］。

致密砂巖是依據(jù)滲透率和孔隙度來(lái)劃分的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)在致密砂巖氣藏類(lèi)型劃分前提下提出了致密砂巖的孔隙度和滲透率劃分標(biāo)準(zhǔn)［6-7］，致 密 砂 巖 常 泛 指 滲 透 率 小 于1 × 10-3μm2，孔隙度小于10%的砂巖。近年來(lái)，對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層特征、微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一［8-12］。致密砂巖氣儲(chǔ)層獨(dú)特的滲流機(jī)理和微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)控制著氣藏富集。因此，研究其微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)，特別是深入揭示儲(chǔ)層的內(nèi)部孔吼結(jié)構(gòu)特征，是進(jìn)一步探討滲流機(jī)理的關(guān)鍵性基礎(chǔ)內(nèi)容［13-15］。在研究方法上，傾向于將恒速壓汞等較先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的掃描電鏡、鑄體薄片等方法相結(jié)合，出現(xiàn)了儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究由定性轉(zhuǎn)向半定量，定量化的表征［16］。

延長(zhǎng)氣田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南緣。多年勘探實(shí)踐工作表明:在山西組、本溪組、石盒子組等初步探明多個(gè)具有工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的工業(yè)性大中型氣藏，其中在山西組山2 段在試氣試采過(guò)程中具有較好的無(wú)阻流量產(chǎn)能顯示，是研究區(qū)主力產(chǎn)層。對(duì)于研究區(qū)內(nèi)山西組儲(chǔ)層的研究多偏重于儲(chǔ)層特征及孔隙演化［17-18］、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)［19］、成巖作用［20］、成巖相及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層［21-24］等方面，忽視了儲(chǔ)層特征及致密微觀(guān)孔喉結(jié)構(gòu)關(guān)系［25-28］的研究。文中以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)氣田山西組為研究對(duì)象，通過(guò)鑄體薄片鑒定、掃描電鏡、物性分析及壓汞分析等技術(shù)手段，剖析山西組致密砂巖微觀(guān)孔喉特征，揭示微觀(guān)孔喉結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)層物性之間的關(guān)系，進(jìn)而明確致密儲(chǔ)層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層控制因素，為延長(zhǎng)氣田致密砂巖儲(chǔ)層氣藏的勘探提供依據(jù)。

1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

18 口取心井的39 個(gè)巖樣薄片分析及礦物成分鑒定表明，山西組砂巖以巖屑砂巖和巖屑質(zhì)石英砂巖為主(圖1)。石英與巖屑是山西組砂巖的主要碎屑顆粒組成，長(zhǎng)石含量低，其中石英平均含量63.6%，長(zhǎng)石含量2.4%，鉀長(zhǎng)石多于斜長(zhǎng)石，巖屑含量15% ～40%不等。巖屑主要由沉積巖屑組成，包括石英砂巖巖屑、泥頁(yè)巖巖屑以及燧石巖屑等，其中以砂巖巖屑為主，變質(zhì)巖屑占少量，主要為變質(zhì)石英巖屑，火山巖屑含量極低填隙物的類(lèi)型較多、含量變化大(9% ～18%)，主要以粘土礦物為主，水云母、綠泥石，還有部分高嶺石，顆粒表面渾濁，少數(shù)發(fā)生方解石化。

圖1 山西組砂巖分類(lèi)三角圖Fig.1 The classification of sandstones of the Shanxi formation

圖2 山西組砂巖填隙物統(tǒng)計(jì)圖(據(jù)39 個(gè)樣品統(tǒng)計(jì))Fig.2 Interstitial statistics of sandstones of the Shanxi formation (According to 39 samples)

膠結(jié)物中以粘土雜基、火山凝灰質(zhì)、綠泥石等粘土膠結(jié)為主，以硅質(zhì)、鐵方解石、鐵白云石和菱鐵礦等碳酸鹽巖膠結(jié)次之(圖2)。硅質(zhì)膠結(jié)物含量一般在0 ～8%之間。碳酸鹽類(lèi)膠結(jié)物主含量一般0.7% ～2.8%，在鈣質(zhì)夾層中含量最高可達(dá)17%，山西組鐵白云石和菱鐵礦等富鐵碳酸鹽巖類(lèi)礦物的含量相對(duì)較多。薄片中普遍可見(jiàn)火山凝灰質(zhì)，一般呈黑褐色破絮狀，溶蝕后呈現(xiàn)繩頭狀、殘片狀。由此可見(jiàn)，山西組砂巖具有較高的粘土質(zhì)、硅質(zhì)及火山凝灰質(zhì)充填膠結(jié)特點(diǎn)，這是砂巖普遍低孔低滲的物質(zhì)基礎(chǔ)(圖2)。

山西組砂巖的膠結(jié)類(lèi)型以再生-孔隙式膠結(jié)為主，占分析樣品的95%以上，少量孔隙、孔隙-基底膠結(jié)，個(gè)別樣品見(jiàn)基底膠結(jié)，主要為中- 細(xì)粒、中粒砂巖和中-粗粒砂巖，分選好，磨圓以次棱-次圓狀為主，少量次棱角狀、次圓狀。

2 儲(chǔ)層物性及孔喉特征

2.1 孔隙類(lèi)型

統(tǒng)計(jì)了山西組砂巖69 個(gè)巖樣(表1)的孔隙度(范圍值為1.07% ～13.85%，平均為5.46%)、滲透率(范圍值為0.01 ～0.73 ×10-3μm2，平均為0.14 ×10-3μm2)。通過(guò)對(duì)山西組砂巖孔隙度的孔隙度主峰位于4% ～6%，為單峰。滲透率分布具有雙峰特征，分別為位于0.06 ～0.09 ×10-3μm2，以及大于0.15 ×10-3μm2(圖3)，根據(jù)致密砂巖劃分標(biāo)準(zhǔn)［22-23］，山西組砂巖屬于致密砂巖儲(chǔ)層。

表1 山西組砂巖的孔隙度和滲透率Tab.1 Porosity and permeability of sandstone in Shanxi formation

2.2 孔隙類(lèi)型

根據(jù)鑄體薄片資料及掃描電鏡資料，山西組砂巖的鑄體薄片面孔率為3% ～11.5%，主要為殘余粒間孔、長(zhǎng)石溶孔、巖屑溶孔，分為原生孔隙和次生孔隙2 大類(lèi)，孔隙分布較均勻(表2)。

表2 山西組砂巖儲(chǔ)層鑄體薄片中主要孔隙含量(%)Tab.2 Main pore percentage on casting thin sections of sandstone reservoir in Shanxi formation

2.2.1 原生孔隙

在掃描電鏡觀(guān)察分析中，原生孔隙分布很不均一，孔隙直徑一般為0.03 ～0.50 mm，具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。綠泥石薄膜式膠結(jié)、長(zhǎng)石加大邊再生式膠結(jié)和黃鐵礦等次生礦物孔隙式充填現(xiàn)象常見(jiàn)，此類(lèi)孔隙連通性相對(duì)較好(圖4(a))。

2.2.2 次生孔隙

溶蝕孔是研究區(qū)內(nèi)山西組砂巖最主要的類(lèi)型，可進(jìn)一步細(xì)分為粒間溶蝕孔、粒內(nèi)溶蝕孔、鑄?？紫都拔⒘芽p。

1)粒間溶蝕孔隙:砂巖中長(zhǎng)石、方解石、巖屑和綠泥石化碎屑等易溶碎屑發(fā)生溶解形成的溶蝕型次生擴(kuò)大孔隙。此類(lèi)孔隙直徑一般為0.06 ～1.00 mm.

2)粒內(nèi)溶蝕孔隙:通過(guò)鑄體薄片和掃描電鏡觀(guān)察(圖4(b))，該孔隙類(lèi)型多見(jiàn)于長(zhǎng)石及部分巖屑內(nèi)，分布相對(duì)不均勻，其孔徑一般為0.02 ～0.10 mm，與溶蝕粒間孔隙伴生分布，且相互形成連通孔隙。

3)鑄?？紫?研究區(qū)內(nèi)一般為長(zhǎng)石鑄模孔隙，但完整的鑄?？紫遁^少見(jiàn)(圖4(c))，常見(jiàn)砂巖中長(zhǎng)石碎屑發(fā)生溶解，而包圍長(zhǎng)石的綠泥石膜保留完好的現(xiàn)象，其孔隙直徑一般為0.02 ～0.20 mm.

4)微裂縫:微裂縫是在構(gòu)造應(yīng)力。作用下發(fā)生破裂形成次生孔隙(或吼道)。據(jù)巖心、薄片和掃描電鏡觀(guān)察，山西組砂巖儲(chǔ)層中常見(jiàn)微裂縫，未充填，縫寬約0.01 ～0.02 mm.

2.3 喉道類(lèi)型

喉道是指2 個(gè)顆粒之間的、連通2 個(gè)或2 個(gè)以上孔隙的狹窄部分。根據(jù)鑄體薄片鑒定及掃描電鏡分析等結(jié)果，山西組砂巖儲(chǔ)層的喉道類(lèi)型主要有以下3 種。

圖3 山西組砂巖孔隙度、滲透率分布直方圖Fig.3 Histogram distribution of porosity and permeability of sandstone in Shanxi formation

2.3.1 縮頸喉道

縮頸喉道一般喉徑1 ～7 μm，其連通性較好，因而滲透率較高。本區(qū)中由于粒間溶孔發(fā)育，因此，往往與此類(lèi)孔隙相關(guān)連的縮頸喉道也較發(fā)育，為延長(zhǎng)氣區(qū)山西組砂巖儲(chǔ)層最好的的喉道類(lèi)型(圖4(e))。

2.3.2 片狀、彎片狀喉道

砂巖顆粒間隙或次生加大的晶間隙實(shí)質(zhì)上就是喉道，視顆粒形狀及比表面結(jié)構(gòu)不同，可呈片狀或彎片狀。這類(lèi)喉道窄而彎曲，一般喉徑1 ～4 μm，且連通性較差，滲透率很低，片狀或彎片狀喉道是山西組砂巖儲(chǔ)層最多的喉道類(lèi)型(圖4(f))。

2.3.3 管束狀喉道

管束狀喉道是一種似樹(shù)枝狀的細(xì)小管道，往往呈交叉狀分布的喉道類(lèi)型。研究區(qū)內(nèi)致密砂巖原生粒間孔隙在成巖壓實(shí)膠結(jié)過(guò)程中破壞殆盡，而在基質(zhì)和膠結(jié)物中發(fā)育許多呈交叉狀、樹(shù)枝狀分布的微孔隙，這一部分本身即是孔隙又是喉道，喉徑極細(xì)而狹窄，連通性最差，滲透率極低。

3 孔喉結(jié)構(gòu)與物性關(guān)系

3.1 毛管壓力特征

圖4 山西組砂巖儲(chǔ)集層孔隙喉道照片F(xiàn)ig.4 Photographs of pore and throat of sandstone reservoir in Shanxi formation

孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究是儲(chǔ)層微觀(guān)物理研究的核心內(nèi)容。山西組致密砂巖的排驅(qū)壓力(Pd)為1.41 MPa，飽和度中值壓力為18.39 MPa，中值半徑0.04 μm. 孔喉分選系數(shù)為1.43 a，均值為13.08，變異系數(shù)為0.11，歪度為-0.71;最大進(jìn)汞飽和度為74.93%，退汞效率為44.72%.毛管壓力參數(shù)表明:區(qū)內(nèi)砂巖儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)非均質(zhì)性的特點(diǎn)，對(duì)儲(chǔ)層滲流能力影響較大［24］。據(jù)毛管壓力曲線(xiàn)形態(tài)及其參數(shù)，將研究區(qū)砂巖孔吼劃分為以下4 種類(lèi)型(圖5)。

I 類(lèi)(低門(mén)檻壓力～粗喉型)

I 類(lèi)毛管壓力曲線(xiàn)，平直段不明顯，拐點(diǎn)相對(duì)較低，進(jìn)汞曲線(xiàn)的水平長(zhǎng)度大，表明最大連通孔喉半徑大，而小孔喉所占體積小?？缀戆霃皆谥狈綀D分布呈現(xiàn)雙峰狀。該類(lèi)曲線(xiàn)的形成可能與較為豐富的火山凝灰質(zhì)等塑性組分，在強(qiáng)壓實(shí)背景下，塑性組分的變形、喉道半徑變小、變窄或閉合，孔喉分選性變差，致使孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性增大［25］。

II 類(lèi)(較低門(mén)檻壓力～較粗喉道型)

II 類(lèi)曲線(xiàn)具明顯的平直段，但是拐點(diǎn)較高，曲線(xiàn)斜度較小，而水平長(zhǎng)度大。直方圖表明孔喉半徑呈單峰狀分布，分選好，一般偏粗。

III 類(lèi)(中門(mén)檻壓力～中喉道型)

III 類(lèi)曲線(xiàn)整體上位于右上方，曲線(xiàn)拐點(diǎn)偏高，斜度較大，但是曲線(xiàn)水平長(zhǎng)度不大，說(shuō)明最大連通孔喉半徑小，分選差，儲(chǔ)層中小孔喉所占比重大?？缀戆霃綖閱畏?，但峰頂較寬，一般為細(xì)偏。

圖5 山西組儲(chǔ)集層毛管壓力曲線(xiàn)分類(lèi)圖Fig.5 Capillary pressure curve classification of sandstone reservoir in Shanxi formation

Ⅳ類(lèi)(高門(mén)檻壓力～細(xì)喉道型)

該類(lèi)毛管壓力曲線(xiàn)也整體上位于右上方，曲線(xiàn)拐點(diǎn)高，但斜度更大，一般接近45°，以細(xì)喉道為主。

3.2 孔喉特征與物性關(guān)系

砂巖儲(chǔ)層的孔隙度反映儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力，而滲透率則反映儲(chǔ)層的滲透能力?？住B關(guān)系的差異在于儲(chǔ)層的微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)特征，特別是喉道形狀、大小、分布及其相互聯(lián)通關(guān)系?？缀斫Y(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其物性影響因素就越多［26-27］，物性的不同正是微觀(guān)孔喉結(jié)構(gòu)特征差異性的體現(xiàn)。山西組致密砂巖儲(chǔ)層的孔喉結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系如圖6，圖7所示。

從圖中可以看出，山西組砂巖的孔隙度、滲透率與排驅(qū)壓力均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即排驅(qū)壓力越小孔隙度、滲透率越高;孔滲與孔喉半徑均值、分選系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。即孔隙度、滲透率越大孔喉的半徑均值也越大;孔喉的分選系數(shù)越大、孔喉分選越差，孔隙度、滲透率反而越大。

圖6 砂巖儲(chǔ)層排驅(qū)壓力與孔、滲關(guān)系圖Fig.6 Relationship between displacement pressure and porosity，permeability of sandstone reservoir

圖7 砂巖儲(chǔ)層中值半徑與孔、滲關(guān)系圖Fig.7 Relationship of median radius and porosity，permeability sandstone reservoir

4 結(jié) 論

1)延長(zhǎng)氣田山西組致密砂巖，巖石類(lèi)型主要以巖屑石英砂巖、石英砂巖、巖屑砂巖為主，顆粒以細(xì)～中粒為主，分選中等，磨圓程度次圓～圓，成分成熟度較高。

2)砂巖孔隙類(lèi)型以粒間孔、粒內(nèi)溶孔為主。喉道主要發(fā)育縮頸喉道、片狀或彎片狀喉道、管束狀喉道。

3)山西組致密砂巖儲(chǔ)層具有較高的排驅(qū)壓力、毛細(xì)管中值壓力，孔隙喉道屬微喉，半徑小于1 μm，孔喉分選差，最大進(jìn)汞飽和度較低、殘余汞飽和度較高。

4)通過(guò)對(duì)毛管力曲線(xiàn)形態(tài)可分成3 類(lèi)，其中Ⅰ，Ⅱ類(lèi)是儲(chǔ)集層有利孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型。儲(chǔ)層物性值的大小與孔喉半徑均值、分選系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與排驅(qū)壓力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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