致密砂礫巖儲層納米-微米孔隙特征與地質(zhì)意義

任艷濱

(大慶油田有限責(zé)任公司 海拉爾石油勘探開發(fā)指揮部，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 163453)

孔隙結(jié)構(gòu)決定儲層巖石的儲集能力和滲流性能，與油氣產(chǎn)能和最終采收率均有著極其密切的關(guān)系[1-2]。與常規(guī)的油氣儲層相比，致密油氣儲層的孔隙結(jié)構(gòu)和滲流特征更加復(fù)雜，從微觀角度剖析致密儲層的孔隙特征并落實(shí)其與儲層物性的關(guān)系，對明確物性控制因素和指導(dǎo)預(yù)測儲層具有積極意義[3]。

松遼盆地北部徐家圍子地區(qū)沙河子組是我國斷陷湖盆致密氣勘探的主戰(zhàn)場，目前已有多口探井獲得工業(yè)氣流，展示了較好的勘探前景。沙河子組地層為斷陷期的沉積產(chǎn)物，物源供給區(qū)鄰近湖盆，火山巖屑、泥礫巖、變質(zhì)巖等碎屑組分經(jīng)過短距離搬運(yùn)之后便快速堆積，之后經(jīng)歷了長期深埋和成巖過程，造成砂礫巖儲層的成熟度低、分選差、成巖作用強(qiáng)烈、致密程度高[4]。前人通過巖心觀察、薄片分析、掃描電鏡等手段，從沉積微相和成巖現(xiàn)象角度認(rèn)識到儲層巖性的復(fù)雜性和儲集空間的非均質(zhì)性[5-7]。業(yè)內(nèi)已經(jīng)有大量的研究表明，致密砂巖儲層的孔喉結(jié)構(gòu)特征與儲層物性具有密切關(guān)系[8]，對甜點(diǎn)儲層的發(fā)育具有控制作用[9-13]。沙河子組廣泛發(fā)育的砂礫巖儲層在巖石礦物、孔隙結(jié)構(gòu)方面的非均質(zhì)性和復(fù)雜性比致密砂巖儲層更加突出，對于砂礫巖中大量發(fā)育的納米-微米級孔喉與儲層物性的關(guān)系如何，對儲層產(chǎn)能有何影響，與哪些地質(zhì)因素有關(guān)等方面均缺少認(rèn)識。顯然，加深上述問題的剖析，對指導(dǎo)儲層預(yù)測具有積極意義。

1　巖石學(xué)特征

通過大量的巖石薄片觀察(見圖1)，明確了砂礫巖的礦物組成、分選、磨圓、排列方式和填隙物特征。研究發(fā)現(xiàn)，砂礫巖儲層中富含巖漿巖屑和長石礦物，石英礦物分布離散，發(fā)育較少(圖1(a)、(b))。依據(jù)64塊樣品統(tǒng)計(jì)，砂礫巖中巖漿巖屑、長石礦物和石英平均體積分?jǐn)?shù)分別為40.2%、25.6%、17.6%；填隙物的類型主要為泥質(zhì)雜基(圖1(c))，膠結(jié)物的成分主要是方解石(圖1(d))，以鑲嵌式分布巖石顆粒之間(圖1(a)、(b))。砂礫巖分選較差，磨圓度以棱角-次棱角為主，部分呈次棱角-次圓狀，巖石顆粒的接觸關(guān)系主要為線-凹凸接觸(圖1(e))，少數(shù)為點(diǎn)-線接觸(圖1(f))。

圖1　砂礫巖儲層巖石學(xué)特征微觀照片F(xiàn)ig.1　The microphotograph of the petrology characteristics of the sand conglomerate reservoir

2　納米-微米級孔喉的特征

通過薄片觀察、掃描電鏡、高壓壓汞、恒速壓汞、物性測試手段，明確了砂礫儲層的孔隙類型、孔喉半徑分布區(qū)間、孔喉連通性、孔滲分布及對應(yīng)關(guān)系。

2.1　孔隙類型

根據(jù)鑄體薄片和掃描電鏡觀察(見圖2)，砂礫巖中孔隙類型包括溶蝕孔、晶間孔、殘余原生粒間孔和微裂縫。(1)溶蝕孔隙長石溶孔(圖2(a))和巖屑溶孔(圖2(b))最常見，原因與砂礫巖中富含長石和凝灰?guī)r屑等酸性不穩(wěn)定組分密切相關(guān)，溶蝕孔隙在長石、巖屑顆粒內(nèi)部和邊緣均發(fā)育，孔隙邊緣呈港灣狀。溶蝕孔隙的面孔率一般在2.7%～9.8%，平均為4.2%，約占儲層總孔隙的65%。(2)晶間孔主要發(fā)育在黏土礦物的晶格中，分布比較密集(圖2(c))，但單個孔隙的直徑較小且形態(tài)不規(guī)則(圖2(d))。晶間孔的面孔率一般在0.4%～2.9%，平均為1.5%，約占儲層總孔隙的20%。(3)殘余粒間孔發(fā)育在石英、長石等剛性顆粒的周緣(圖2(e))，受到剛性顆粒的支撐和保護(hù)，呈零星狀分布，彼此很少連通。沙河子組砂礫巖的抗壓實(shí)能力較差，加上泥質(zhì)雜基對孔隙的填充和涂抹，導(dǎo)致原生孔隙很少被保留。殘余粒間孔的面孔率一般在0.5%～2.7%，平均為0.7%，約占儲層總孔隙的10%。(4)微裂縫發(fā)育樣品的埋深一般超過4 000 m，巖石顆粒接觸緊密，微裂縫貫穿多個礫石顆粒(圖2(f))，非常狹細(xì)。礫石顆粒破裂時(shí)儲層已經(jīng)非常致密，缺少流體運(yùn)移的有效通道，因此裂縫并未誘發(fā)大規(guī)模的溶蝕，進(jìn)而裂縫對儲層的孔隙度貢獻(xiàn)不大，但對改善儲層的滲透性具有積極作用。

圖2　砂礫巖儲集空間類型的微觀特征Fig.2　The microscopic characteristics of the spatial type of the sand conglomerate reservoir

2.2　孔徑分布與連通性

高壓壓汞測試表能夠?qū)缀戆霃?.01 μm以上的孔隙進(jìn)行有效識別，是定量分析納米-微米孔喉的有效手段。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，從全區(qū)15口鉆井中優(yōu)選20塊具有代表性的砂礫巖樣品，所選樣品既要滿足實(shí)驗(yàn)測試的切割需求，又要留存2個以上平行樣本進(jìn)行物性、巖石組分分析。20個樣品的孔隙度介于1.9%～11.3%，滲透率介于(0.01～2.35)×10-3μm2。圖3為沙河子砂礫巖儲層高壓壓汞毛細(xì)管壓力曲線和孔喉半徑分布。由圖3(a)可知，砂礫巖儲層的毛細(xì)管壓力曲線缺少明顯的平穩(wěn)段，中間段多數(shù)為傾斜的線段，暗示儲層孔喉分布離散，分選很差；不同物性的砂礫巖儲層的排驅(qū)壓力1.36～30.9 MPa, 差別較大，排驅(qū)壓力隨孔隙度、滲透率增加有降低趨勢(見表1)。由表1可知，孔徑分布與儲層物性密切相關(guān)。由圖3(b)可知，砂礫巖儲層孔喉半徑呈雙峰狀分布，孔喉半徑介于10～100 μm的孔喉發(fā)育較少，成因與微裂縫相關(guān)；孔喉半徑介于0.01～1.00 μm的孔喉的體積占比(某一尺寸孔喉的體積/總孔隙體積)大，表明納米-微米級孔喉是儲集空間的主體。

同時(shí)，從表1中高壓壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難看出，孔喉大小參數(shù)、孔喉分選參數(shù)和孔喉連通性參數(shù)均表明孔喉細(xì)、分選差、連通性差。此外，在數(shù)值上，上述相關(guān)參數(shù)均與孔隙度存在相關(guān)關(guān)系，表明孔喉的分布與孔隙度數(shù)值存在一定關(guān)系。

通過檢測進(jìn)汞壓力的波動，恒速壓汞實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)孔隙和喉道的區(qū)分，是研究孔喉連通關(guān)系最有效的手段之一。對10塊不同物性的砂礫巖樣品(孔隙度2.4%～9.8%)開展恒速壓汞分析，在此基礎(chǔ)上分析速壓汞毛細(xì)管曲線，發(fā)現(xiàn)孔隙主要被大于0.2 μm的喉道溝通。圖4為砂礫層的孔喉連通關(guān)系。以XS401井和SS4井為例，如圖4(a)中樣品發(fā)育大于0.2 μm的喉道(簡稱大喉道)和其對應(yīng)孔隙的進(jìn)汞量均較大，說明大喉道對孔隙起到了有效的溝通作用，相反，而圖4(b)中樣品不發(fā)育大喉道，孔隙的進(jìn)汞量很低，說明小于0.2 μm喉道對應(yīng)的孔隙的進(jìn)汞量很低。從喉道分布和孔隙度的關(guān)系看，大喉道發(fā)育儲層的孔隙度也較高，如圖4(a)中樣品的孔隙度(8.6%)明顯大于圖4(b)中樣品的孔隙度(3.2%)?？梢?，恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明孔喉分布與孔隙度具有密切關(guān)系。

圖3　沙河子砂礫巖儲層高壓壓汞毛細(xì)管壓力曲線和孔喉分布區(qū)間Fig.3　Mercury injection curves and pore throat distribution of the Shahezi sandy conglomerate reservoir

表1　研究區(qū)砂礫巖高壓壓汞孔喉特征參數(shù)Table 1　Pore throat parameters of sandy conglomerate reservoir based on mercury injection curves

圖4　砂礫巖儲層的孔喉連通關(guān)系Fig.4　Constant-rate mercury injection of high porous sandy conglomerate reservoir in Shahezi formation

2.3　孔滲特征

對全區(qū)15口探井系統(tǒng)取樣，開展孔隙度、滲透率測試，結(jié)果見圖5。圖5(a)為260塊巖心實(shí)測孔隙度結(jié)果，由圖5(a)可見，砂礫巖孔隙度主體分布在2%～8%，主頻為2%～6%，約占全部分析樣品的64%。圖5(b)為176塊巖心滲透率測試結(jié)果。由圖5(b)砂礫巖滲透率小于1.0×10-3μm2樣品比例達(dá)到93%，滲透率小于0.1×10-3μm2的樣品比例達(dá)到55%，個別樣品因發(fā)育微裂縫，滲透率高于1×10-3μm2。由圖5(c)可知，孔隙度和滲透率交會圖的離散程度較高，正相關(guān)關(guān)系不顯著，這也是儲層孔喉連通性差的必然結(jié)果。

圖5　沙河子組砂礫巖儲層孔隙度和滲透率分布特征Fig.5　Distribution of porosity and permeability of reservoirs in Shahezi formation

3　納米-微米孔隙分析的地質(zhì)意義

3.1　納米-微米孔隙的分級

根據(jù)前文分析，孔喉分布與儲層孔隙度密切相關(guān)，為了進(jìn)一步明確這種關(guān)系，按尺寸大小對孔喉進(jìn)一步分級。根據(jù)業(yè)內(nèi)常用的分級標(biāo)準(zhǔn)[11]，分別稱半徑小于0.01 μm的孔徑為納毛細(xì)管孔，稱半徑介于0.01～0.10 μm的孔徑為微細(xì)管孔，稱半徑介于0.10～1.00 μm的孔徑為毛細(xì)管孔，稱半徑大于1.00 μm的孔徑為超毛細(xì)管孔。

3.2　孔喉分布與儲層物性、產(chǎn)能的關(guān)系

以進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)的全部20塊實(shí)驗(yàn)樣品作為分析對象，按照3.1中分類標(biāo)準(zhǔn)，考察了每個樣品各等級孔喉的體積占比(某一等級孔喉的體積占總孔隙體積的百分比)與孔隙度的關(guān)系，見圖6。

圖6　砂礫巖孔隙度、滲透率與不同孔喉體積比例的關(guān)系Fig.6　Relationship between porosity and ratio of various por throat in sandy conglomerate reservoir

由圖6可發(fā)現(xiàn)，隨著孔隙度的增大，納毛細(xì)管、微毛細(xì)管的體積占比逐漸降低，毛細(xì)管、超毛細(xì)管的體積占比逐漸增大。這表明，隨著孔隙度的變化，儲層孔喉級別也隨之變化，低孔隙度儲層的主體孔喉為納-微毛細(xì)管，高孔隙度儲層的主體孔喉為毛-超毛細(xì)管。

按照同樣方法考察了每個樣品各等級孔喉的體積占比與滲透率的關(guān)系，見圖6。由圖6可發(fā)現(xiàn)，滲透率與納毛細(xì)管、微毛細(xì)管體積占比呈負(fù)相關(guān)，與毛細(xì)管、超毛細(xì)管體積比例正相關(guān)。也就是，低滲透儲層的主體孔喉為納-微毛細(xì)管，相對高滲透儲層的主體孔喉為毛-超毛細(xì)管。其原因可根據(jù)恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋，即，當(dāng)孔隙空間主要由連通性差的納-微毛細(xì)管(孔喉半徑小于0.2 μm)構(gòu)成時(shí)，雖然提供了一定的孔隙度，但孔隙的孤立性強(qiáng)，滲流能力必然較差。

綜上分析，孔喉分布直接影響儲層的孔隙度和滲透性，而儲集、滲流性質(zhì)又是衡量儲層可采能力的核心指標(biāo)，因此在理論上，孔喉分布也必然影響儲層的成儲和產(chǎn)能。沙河子組砂礫巖儲層的物性、含氣性、產(chǎn)能、孔喉級別統(tǒng)計(jì)結(jié)果證實(shí)了這一觀點(diǎn)，表2中列出了統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表中各井同時(shí)開展了產(chǎn)能測試、物性、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)分析可知，以納-微毛細(xì)管孔為主的儲層的孔隙度、含氣性、產(chǎn)能均不理想，相反，以毛-超毛細(xì)管為主的儲層的孔隙度、含氣性、產(chǎn)能相對較高。

表2　沙河子組砂礫巖儲層物性、含氣性、產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)Table 2　Statistics of physical properties, cas content and productivity of sandy conglomerates in Shahezi formation

3.3　對有利儲層預(yù)測的啟示

根據(jù)前文分析，納-微毛細(xì)管的大量發(fā)育是造成儲層致密、含氣性差、勘探不佳的根本原因。那么，如何在勘探選區(qū)和井位部署工作中避開此類低效儲層，首先需要明確納-微毛細(xì)管形成的地質(zhì)條件。沙河子組砂礫巖儲層為近源快速堆積成巖的產(chǎn)物，一方面原始沉積組分的淘洗、分異程度低，另一方面經(jīng)歷了漫長、強(qiáng)烈的成巖作用的改造[14]。顯然，沉積作用和成巖作用都是納-微毛細(xì)管發(fā)育的潛在因素。綜合20塊實(shí)驗(yàn)樣品的孔喉分布與礦物組分分析可知：(1)沉積作用對儲層控制作用比較顯著，一方面是儲層中相對富集黏土雜基，無論是絨球狀、蜂窩狀的伊蒙混層對孔隙的堵塞，還是葉片狀綠泥石、絲狀伊利石對大孔隙的分割，或是黏土礦物自身發(fā)育的晶間孔，都是納-微毛細(xì)管的重要來源，因此納-微毛細(xì)管發(fā)育程度與黏土礦物含量明顯正相關(guān)，見圖7(a)；另一方面，砂礫巖中相對富集石英、長石等剛性組分及抗壓實(shí)能力較強(qiáng)時(shí)，生烴酸性流體更容易進(jìn)入儲層，增孔同時(shí)也有利于溝通孔隙，相當(dāng)于“抑制”了納-微毛細(xì)管的發(fā)育，因此納-微毛細(xì)管的發(fā)育程度與石英+長石含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，見圖7(b)。(2)成巖作用對儲層控制作用也比較明顯，主要表現(xiàn)為碳酸鹽膠結(jié)物對孔隙的破壞。碳酸鹽膠結(jié)是砂礫巖儲層最主要的膠結(jié)作用類型，碳酸鹽膠結(jié)物是中成巖晚期-晚成巖期的產(chǎn)物[15]，此時(shí)有機(jī)酸的“溶蝕增孔”作用已基本結(jié)束，碳酸鹽膠結(jié)物對殘余原生粒間孔隙和溶蝕孔隙大量充填，造成毛細(xì)管孔、超毛細(xì)管孔向納-微毛細(xì)管孔轉(zhuǎn)化。因此，納-微毛細(xì)管發(fā)育程度與碳酸鹽膠結(jié)物含量呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，見圖7(c)。

綜上分析，沉積作用和成巖作用都是形成納-微毛細(xì)管的重要原因。據(jù)此認(rèn)識，研究區(qū)的儲層預(yù)測也有必要圍繞沉積、成巖作用開展。實(shí)際上，沙河子組“地形起伏大、物源近、水系多”的沉積背景直接導(dǎo)致了沉積物的巖性、巖相頻繁變化，在鉆探程度低的背景下，砂體分布的預(yù)測必然離不開沉積相帶的指導(dǎo)；同時(shí)，沉積作用是成巖作用的起點(diǎn)，復(fù)雜的沉積作用必然導(dǎo)致多元化成巖結(jié)果，最終造成孔喉級別的差異，從這一角度，開展基于沉積相劃分的成巖相研究，可作為“甜點(diǎn)”篩選的方法思路。

圖7　微孔體積占比與巖石礦物的的關(guān)系Fig.7　Relationship between the various components and the volume ratio of nano- micro capillary pores

4　結(jié)論

(1)致密砂礫巖發(fā)育溶蝕孔、黏土礦物晶間孔、原生粒間孔、微裂縫等多種孔隙類型，長石溶孔和巖屑溶孔對孔隙度的貢獻(xiàn)最大，黏土礦物晶間孔次之，原生粒間孔較少發(fā)育，偶爾發(fā)育的微裂縫能夠改善砂礫巖的滲透性。

(2)砂礫巖儲層普遍發(fā)育納米-微米級孔喉，孔喉半徑普遍小于1 μm，峰值約0.1 μm；孔喉分布的離散性強(qiáng)，有效連通孔隙的喉道半徑下限為0.2 μm，多數(shù)喉道小于該界限，結(jié)果表現(xiàn)為孔喉連通關(guān)系整體較差，滲透率普遍偏低，孔隙度和滲透率的對應(yīng)關(guān)系不佳。

(3)將納米微米級孔隙進(jìn)一步分為納毛細(xì)管、微毛細(xì)管、毛細(xì)管和超毛細(xì)管四類，研究發(fā)現(xiàn)納毛細(xì)管和微毛細(xì)管越發(fā)育，儲層的孔隙度(滲透率)、含氣性、壓裂后的產(chǎn)氣量均低，反之越好。探討了納毛細(xì)管、微毛細(xì)管發(fā)育的巖石礦物條件，建議儲層預(yù)測應(yīng)加強(qiáng)沉積相預(yù)測和成巖相研究。