鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征

于 波

0 引言

隨著常規(guī)油氣藏資源日漸匱乏，低滲和致密砂巖天然氣資源越來(lái)越受到重視，致密砂巖氣作為一種重要的接替性資源，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［1－4］。致密砂巖氣是指儲(chǔ)層氣體滲透率小于1×10－3μm2的天然氣，其經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)必須經(jīng)過(guò)大型水力壓裂或者采用水平井、多分支井技術(shù)［5－6］。最新資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明鄂爾多斯盆地致密砂巖氣資源量為10．37×1012m3，累計(jì)地質(zhì)儲(chǔ)量約為3．53×1012m3，勘探實(shí)踐及大量實(shí)驗(yàn)分析表明鄂爾多斯盆地上古生界砂巖主要為致密砂巖氣藏，其含氣層段集中在下石盒子組的盒8段和山西組山1，山2段［7］。致密砂巖氣藏儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，滲流特征并不遵循達(dá)西定律，并具有特殊的氣水分布形式，這些特性使得氣藏單井產(chǎn)量低、遞減快、采出程度低，根本原因在于其微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的特殊性［8－10］。因此，研究分析其儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征，分析孔隙和喉道特別是幾何形態(tài)、大小、分布特征及其互相連通關(guān)系，對(duì)于油氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、氣藏分布預(yù)測(cè)及氣藏開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。

1 孔隙類(lèi)型及分布特征

一般常用儲(chǔ)層巖心實(shí)驗(yàn)、顯微鏡薄片觀察、常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)以及更為精確的恒速壓汞實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行儲(chǔ)層孔隙微觀研究。其中常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)方法是應(yīng)用最廣泛、也是最便于操作的直觀反映儲(chǔ)層孔隙空間展布特征的方法之一［11－16］。文中通過(guò)砂巖鑄體薄片顯微鏡下觀察，結(jié)合掃描電鏡觀察致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，所觀察的212塊砂巖樣品均來(lái)自鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲(chǔ)層的盒8，山1和山2段。

通過(guò)掃描電鏡觀察儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示為盒8段和山2段的石英孔隙結(jié)構(gòu)掃描圖。掃描結(jié)果顯示盒8，山1，山2層段的的主要孔隙類(lèi)型是粒間孔隙、粒內(nèi)溶孔、晶間孔和微裂縫，但所占比例差別比較大。如圖1顯示出盒8段和山2段孔隙結(jié)構(gòu)以粒間溶孔含量最高。

圖1 上古生界氣層砂巖盒8段和山2段孔隙結(jié)構(gòu)Fig．1 Pore structure of He 8 and Shan 2 sections，the Upper Paleozoic gas reservoir

實(shí)驗(yàn)還得到盒8段和山1段砂巖總面孔率約為3．6%，山2段總面孔率約為6．6%．不同孔隙類(lèi)型所占面孔率比例如圖2所示。

圖2 上古生界氣層砂巖不同類(lèi)型孔隙所占比例Fig．2 Ratio of different pore types in the Upper Paleozoic gas reservoir sandstone

從圖2可以看出，盒8和山1的主要孔隙類(lèi)型是粒內(nèi)溶孔和晶間孔，兩者之和占到了90%以上，而粒間孔含量較少，部分區(qū)域微裂縫發(fā)育。山2最主要的孔隙類(lèi)型是粒間孔，所占比例為58．8%，晶間孔和粒內(nèi)溶孔所占比例相當(dāng)，山2比盒8和山1整體上微裂縫更為發(fā)育，但差別不大。

2 孔喉結(jié)構(gòu)特征

砂巖孔隙結(jié)構(gòu)是指孔隙和喉道2個(gè)基本因素的大小、形態(tài)及分布連通演化特征。壓汞技術(shù)是測(cè)定致密油儲(chǔ)層巖樣的孔喉大小及分布的重要手段，通過(guò)加壓使汞進(jìn)入巖石孔隙，壓力越大，汞能夠進(jìn)入巖石的孔半徑越小［17－18］。

2.1 孔喉結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

定量表征儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要包括孔喉大小、分選、連通性及控制流體運(yùn)動(dòng)等參數(shù)［19－20］。利用壓汞法對(duì)鄂爾多斯盆地石盒子組35個(gè)樣品和山西組52個(gè)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表1．

從表1可以看出，大部分砂巖樣品的儲(chǔ)集性能較差，石盒子組樣品的最大孔喉半徑和孔喉半徑平均值相對(duì)山西組樣品較好，但其孔喉分選性較差，中值孔喉半徑小于山西組樣品。整體上上古生界儲(chǔ)層毛管壓力參數(shù)變化較大、毛細(xì)管壓力偏高，孔隙結(jié)構(gòu)普遍具有大孔隙、小喉道、孔喉連通性差及非 均質(zhì)性較強(qiáng)等特征，為低孔低滲致密儲(chǔ)層。

表1 鄂爾多斯盆地上古生界氣層砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Tab．1 Pore structure characteristic parameters of Upper Paleozoic gas reservoir

2.2 毛管壓力曲線特征

毛管壓力曲線的形態(tài)變化受控于孔隙分布歪度、孔隙分選性等綜合因素，一般有單一或多個(gè)臺(tái)階形態(tài)，也有不規(guī)則形態(tài)。以所取87個(gè)巖心樣品的毛管壓力曲線形態(tài)和參數(shù)特征，可將研究區(qū)毛管壓力曲線特征劃分為4種類(lèi)別。

表2 砂巖孔隙結(jié)構(gòu)毛管力壓力曲線類(lèi)別Tab．2 Types of pore structure of sandstone capillary pressure curve

研究區(qū)所取巖心的毛管壓力曲線形態(tài)的4種類(lèi)別特征分別如圖3所示。

由壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及毛管壓力曲線可以表明，石盒子組砂巖的儲(chǔ)集性能整體比山西組好，排驅(qū)壓力低，粗孔喉占比例較大，Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層較為發(fā)育;山西組則以Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)層為主。

3 成巖作用對(duì)孔隙特征的影響

巖石在沉積過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槌练e環(huán)境變化而伴隨發(fā)生成巖作用，所形成的孔隙空間也因此不斷發(fā)生變化，其空間展布規(guī)律也隨之改變［11］。現(xiàn)針對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層分析成巖作用對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 壓實(shí)作用

研究區(qū)域的上古生界山西組含煤較多，因而儲(chǔ)層較軟。其中千枚巖和泥巖是主要的巖屑成分［21］。這也決定了山西組儲(chǔ)層很容易受到壓實(shí)作用的影響而進(jìn)一步壓縮其孔隙空間，特別是儲(chǔ)層圍壓變化十分頻繁的成巖作用早期，壓實(shí)作用是最為顯著的壓縮儲(chǔ)層孔隙空間的主要作用。

對(duì)不同層段提取的巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到了研究層段的孔隙度數(shù)據(jù)，以及受因不同成巖類(lèi)型作用而發(fā)生的孔隙度變化數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3．

表3 盒8，山1，山2受到成巖作用影響發(fā)生的孔隙度變化Tab．3 Changing porosity of He 8，Shan 1 and Shan 2 during diagenesis %

圖3 所取巖心4種類(lèi)別毛管壓力曲線形態(tài)Fig．3 Four types of capillary pressure curve of the core

從表3可以看出，成巖作用使得山2的孔隙度減小86．1%，大于山1的85．6%和盒8的83．1%．對(duì)比3個(gè)層段的數(shù)據(jù)，壓實(shí)作用對(duì)于盒8的孔隙度影響最小，而膠結(jié)作用和溶解作用對(duì)于盒8孔隙度的影響最大。對(duì)比3種成巖作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的影響可以發(fā)現(xiàn):壓實(shí)作用對(duì)于孔隙度影響相對(duì)最大，而溶蝕作用影響相對(duì)最小。

3.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)儲(chǔ)層主要有3種膠結(jié)作用:粘土膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)。其中，粘土礦物膠結(jié)作用形式比較多樣，其分布主要是碎屑的邊緣，也有如伊利石或者高嶺石填充粒間并不斷的發(fā)育占據(jù)更多的孔隙空間。同時(shí)高嶺石也會(huì)產(chǎn)生晶間微孔隙，并提高了儲(chǔ)層的耐壓能力，有助于改善孔隙結(jié)構(gòu)。硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽礦物膠結(jié)對(duì)于儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)都具有2方面的影響。在成巖過(guò)程中，硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽巖膠結(jié)都在一定程度上提高了儲(chǔ)層對(duì)于圍壓的承受能力，降低了壓實(shí)作用對(duì)于儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響;同時(shí)，這2種膠結(jié)物質(zhì)都會(huì)在發(fā)育過(guò)程中不斷擠占孔隙空間，使得儲(chǔ)層變差。

對(duì)不同層段提取的巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到了盒8，山1，山2層段的壓實(shí)率和膠結(jié)率見(jiàn)表4．

表4 盒8，山1，山2段儲(chǔ)層壓實(shí)率、膠結(jié)率數(shù)據(jù)Tab．4 Compaction rate and cement ratio of He 8，Shan 1 and Shan 2 %

從表4可以看出，山2段的平均壓實(shí)率相對(duì)最高，達(dá)到54．4%，其分布范圍也是最廣的;而盒8段的平均膠結(jié)率相對(duì)最高，達(dá)到46．8%，同樣有相對(duì)最廣的分布區(qū)間。而山1的平均壓實(shí)率和膠結(jié)率都居中。

3.3 溶蝕作用

研究區(qū)溶蝕作用一般使得儲(chǔ)層孔隙度降低，并且其溶蝕強(qiáng)大相對(duì)較大，基本所有的礦物成分，甚至石英巖屑等硬度較大的成分都存在不同程度的溶蝕。通過(guò)巖心顯微鏡觀察還發(fā)現(xiàn)研究區(qū)礦物溶蝕具有較廣的范圍，大多數(shù)組分特別是膠結(jié)成分、雜基、碎屑顆粒等都發(fā)生了溶蝕。與壓實(shí)作用、膠結(jié)作用一樣，溶蝕作用也產(chǎn)生了一些微孔。

對(duì)不同層段提取的巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到了盒8，山1，山2層段的溶蝕率和微孔率見(jiàn)表5．

表5 盒8、山1、山2段儲(chǔ)層溶蝕率、微孔率數(shù)據(jù)表Tab．5 Dissolution rate and porosity of He 8，Shan 1 and Shan 2 %

從表5可以看出，盒8段受溶蝕作用最為強(qiáng)烈，其平均溶蝕率達(dá)到8．2%，而山2段溶蝕作用相對(duì)最弱，平均溶蝕率只有6．5%．3種成巖作用均會(huì)產(chǎn)生微孔，而壓實(shí)作用產(chǎn)生的微孔相對(duì)會(huì)更多，對(duì)比可以看出山2的微孔率因而也是最高的。

4 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲(chǔ)層普遍具有毛細(xì)管壓力偏高、喉道偏小、微裂縫不發(fā)育、孔喉連通性差的孔隙結(jié)構(gòu)，為低孔低滲致密儲(chǔ)層，主要發(fā)育有粒間孔隙、粒內(nèi)溶孔、晶間孔和微裂縫4類(lèi)孔隙;

2)盒8和山1的主要孔隙類(lèi)型是粒內(nèi)溶孔和晶間孔，山2最主要的孔隙類(lèi)型是則是粒間孔，其次是晶間孔和粒內(nèi)溶孔，其所占比例相當(dāng);山2比盒8和山1整體上微裂縫更為發(fā)育，但差別不大;

3)3種成巖作用對(duì)儲(chǔ)層孔隙特征都有很大的改造作用。其中壓實(shí)作用對(duì)于孔隙度影響最大，而溶蝕作用影響最小。強(qiáng)烈的壓實(shí)作用也導(dǎo)致儲(chǔ)層的微孔率很高。

［1］ 趙文智，汪澤成，王紅軍，等．中國(guó)中、低豐度大油氣田基本特征及形成條件［J］．石油勘探與開(kāi)發(fā)，2008，35(6):641－650．ZHAO Wen-zhi，WANG Ze-cheng，WANG Hong-jun，et al．Principal characteristics and forming conditions for medium-low abundance large scale oil/gas fields in China［J］．Petroleum Exploration and Development，2008，35(6):641－650．

［2］ Law BE．Basin-centered gas systems［J］．American Association of Petroleum Geologists Bulletin，2002，86(11):1891－1919．

［3］ 朱如凱，鄒才能，張 鼐，等．致密砂巖氣藏儲(chǔ)層成巖流體演化與致密成因機(jī)理——以四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組為例［J］．中國(guó)科學(xué)D輯:地球科學(xué)，2009，39(3):327－339．ZHU Ru-kai，ZOU Cai-neng，ZHANG Nai，et al．Diagenetic fluids evolution and genetic mechanism of tight sandstone gas reservoirs:A case study of Upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan Basin，China［J］．Science in China:Series D:Earth Sciences，2009，39(3):327 －339．

［4］ 趙靖舟．非常規(guī)油氣有關(guān)概念、分類(lèi)及資源潛力［J］．天然氣地球科學(xué)，2012，23(3):393 －406．ZHAO Jing-zhou．Conception，classification and resource potential of unconventional hydrocarbons［J］．Natural Gas Geoscience．2012，23(3):393 －406．

［5］ Holditch S．Tight gas sands［J］．Society of Petroleum Engineer，2006(1):86 －93．

［6］ Kawata Y，F(xiàn)ujita K．Some predictions of possible unconventional hydrocarbon availability until［J］．Society of Petroleum Engineer，2001(1):1 －10．

［7］ 楊 華，付金華，劉新社，等．鄂爾多斯盆地上古生界致密氣成藏條件與勘探開(kāi)發(fā)［J］．石油勘探與開(kāi)發(fā)，2012，39(3):295 －303．YANG Hua，F(xiàn)U Jin-hua，LIU Xin-she，et al．Accumulation conditions and exploration and development of tight gas in the Upper Paleozoic of the Ordos Basin［J］．Petroleum Exploration and Development，2012，39(3):295－303．

［8］ 嚴(yán)云奎．鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)油區(qū)上古生界沉積相及儲(chǔ)層微觀特征研究［D］．西安:西北大學(xué)，2010．YAN Yun-kui．Study on micro-characteristics and sedimentary facies of Upper Palezoic in Yanchang Area of Ordos Basin［D］．Xi’an:Northwest University，2010．

［9］ 丁曉琪，張哨楠，周 文，等．鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖儲(chǔ)層特征及其成因探討［J］．石油與天然氣地質(zhì)，2007，28(4):491 －496．DING Xiao-qi，ZHANG Shao-nan，ZHOU Wen，et al．Characteristics and genesis of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in the northerm Ordos Basin［J］．Oil＆ Gas Geology，2007，28(4):491 －496．

［10］張曙光，石京平，劉慶菊，等．低滲致密砂巖氣藏巖石的孔隙結(jié)構(gòu)與物性特征［J］．新疆地質(zhì)，2004，22(4):438－441．ZHANG Shu-guang，SHI Jing-ping，LIU Qing-ju，et al．Reserch on pore structure and character of tight sand gas reservoirs［J］．Xinjiang Geology，2004，22(4):438－441．

［11］馮娟萍，郭艷琴，余 芳．鄂爾多斯盆地富縣探區(qū)延長(zhǎng)組物源與沉積體系分析［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(2):178 －184．FENG Juan-ping，GUO Yan-qin，YU Fang．Analysis on source and depositional systems of Yanchang Formation of upper triassic of Fuxian exploration area in Ordos Basin［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(2):178 －184．

［12］尚 婷．鄂爾多斯盆地子長(zhǎng)地區(qū)上古生界盒8段儲(chǔ)層特征［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(5):623－629．SHANG Ting．Characteristics of He 8 member reservoir of Upper Paleozoic in Zichang Area，Ordos Basin［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35(5):623 －629．

［13］于 波，羅小明，喬向陽(yáng)，等．鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)油氣區(qū)山西組山2段儲(chǔ)層物性影響因素［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，43(10):3931 －3937．YU Bo，LUO Xiao-ming，QIAO Xiang-yang，et al．Influential factor and characteristics of Shan 2 Member of Shanxi Formation in Yanchang Oil-Gas Field，Ordos Basin［J］．Journal of Central South University:Natural Science Edition，2012，43(10):3931 －3937．

［14］ Purcell W R．Capillary pressures-their measurement using mercury and calculation of permeability thereform［J］．Trunsations，1949，186:39 － 48．

［15］ Pittman E D，Duschatko R W．Use of pore casts and scanning electron miecroscope to study poregeometry［J］．Petrology，1970，40(4):1153 －1158．

［16］王寶鋒，趙忠揚(yáng)．環(huán)境掃描電鏡及其在石油技術(shù)中的應(yīng)用［J］．油田化學(xué)，1999，16(3):278 －281．WANG Bao-feng，ZHAO Zhong-yang．The application of environmental scanning in researches for petroleum industry［J］．Oilfied Chemistry，1999，16(3):278 －281．

［17］高 輝，敬曉鋒，張 蘭．不同孔喉匹配關(guān)系下的特低滲透砂巖微觀孔喉特征差異［J］．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2013，35(4):401 －406．GAO Hui，JING Xiao-feng，ZHANG Lan．Diffence of micro-pore throat characteristics in extra-low permeability sand stone of different pore throat matching ralationship［J］．Petroleum Geologe and Experiment，2013，35(4):401－406．

［18］劉志明，殷文著．空氣滲流法測(cè)定巖心孔喉半徑分布［J］．油田化學(xué)，1987，4(3):207 －213．LIU Zhi-ming，YIN Wen-zhu．Determination of the distribution of pore-throat radius of cores by air through method［J］．Oilfield Chemistry，1987，4(3):207 －213．

［19］田 華，張永昌，柳少波，等．致密儲(chǔ)層孔隙度測(cè)定參數(shù)優(yōu)化［J］．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2012，34(3):334 －339．TIAN Hua，ZHANG Yong-chang，LIU Shao-bo，et al．Parameter optimization of tight reservoir porosity determination［J］．Petroleum Geology and Experiment，2012，34(3):334－339．

［20］高 輝，解 偉，楊建鵬，等．基于恒速壓汞技術(shù)的特低－超低滲砂巖儲(chǔ)層微觀孔喉特征［J］．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33(2):206 －214．GAO Hui，XIE Wei，YANG Jian-peng，et al．Pore throat characteristics of extra-ultra low permeability sandstone reservoir based on constant-rate mercury penetration technique［J］．Petroleum Geology and Experiment，2011，33(2):206 －214．

［21］王香增，張麗霞，于 波，等．鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)油氣區(qū)山西組山2段儲(chǔ)層砂巖成巖作用［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，2013，32(1):114 －118．WANG Xiang-zeng，ZHANG Li-xia，YU Bo，et al．Diagenesis of Shan 2 Member of Shanxi Formation in Yanchang Oil-gas Field in Ordos Basin［J］．Geological Science and Technology Information，2013，32(1):114－118．