吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲(chǔ)層巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)表征

田 偉，劉慧卿，何順利，王 敬，謝 靈

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249；2.北京奧伯特石油科技有限公司，北京100084）

致密油是一種重要的非常規(guī)油氣資源，在中國(guó)分布廣泛、潛力巨大［1］。近年來(lái)，準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油資源的勘探開(kāi)發(fā)取得重大突破，成為中國(guó)目前致密油資源勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)對(duì)象之一［2-4］?？紫督Y(jié)構(gòu)控制儲(chǔ)層的物性特征［5-7］，孔隙結(jié)構(gòu)研究對(duì)于認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間和流體在儲(chǔ)層內(nèi)的滲流規(guī)律至關(guān)重要。吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密儲(chǔ)層巖性復(fù)雜多變，孔隙類型多樣，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這對(duì)于利用常規(guī)手段研究其孔隙結(jié)構(gòu)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。目前關(guān)于其致密油儲(chǔ)層的巖石和孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究還相對(duì)比較薄弱［8-9］。

致密油儲(chǔ)層廣泛發(fā)育納米級(jí)孔隙，孔隙半徑范圍跨度比較大，展現(xiàn)出從納米級(jí)到微米級(jí)的分布［10-11］。單一的孔隙結(jié)構(gòu)研究方法不能準(zhǔn)確地展現(xiàn)整個(gè)孔隙空間的全尺度孔徑分布規(guī)律，具有很大的局限性［12］。目前，對(duì)于孔隙結(jié)構(gòu)的研究，主要的測(cè)試技術(shù)有掃描電鏡、氮?dú)馕健⒑舜殴舱?、高壓壓汞和恒速壓汞等技術(shù)。但是每一項(xiàng)技術(shù)都存在著無(wú)法規(guī)避的劣勢(shì)，只能適應(yīng)于對(duì)某一特定孔徑范圍內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，因此對(duì)于研究致密油儲(chǔ)層孔隙半徑的全尺度展布都有一定的不足之處。掃描電鏡技術(shù)通過(guò)觀察局部孔隙形態(tài)，給出孔隙結(jié)構(gòu)的定性或者半定量分析，統(tǒng)計(jì)代表性差［13-15］。氮?dú)馕郊夹g(shù)測(cè)試孔徑范圍有限，只能有效的反映微孔的孔徑分布［16-17］。核磁共振技術(shù)受儀器最小回波間隔的限制，對(duì)微小孔隙的測(cè)試不夠準(zhǔn)確［18-19］。由于小孔喉對(duì)與其連通的大孔隙的屏蔽效應(yīng)，高壓壓汞技術(shù)對(duì)大孔的孔徑分布解釋不夠準(zhǔn)確［20-21］。恒速壓汞技術(shù)可以定量地區(qū)分孔道和喉道，但是其最高進(jìn)汞壓力較低，無(wú)法對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面測(cè)試［22］。

很多研究者嘗試?yán)枚喾N技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)研究致密儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。SCHMITT等利用氮?dú)馕脚c壓汞技術(shù)相結(jié)合的方法研究了致密砂巖儲(chǔ)層從納米到微米尺度的孔隙結(jié)構(gòu)［23］；LAI等結(jié)合高壓壓汞與核磁共振技術(shù)研究了四川盆地須家河組致密砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)［24］；肖佃師等聯(lián)合核磁共振和恒速壓汞技術(shù)測(cè)定了致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)［25］。但是從原理上來(lái)說(shuō)，不同的測(cè)試技術(shù)使用的計(jì)算模型完全是不同的物理模型，計(jì)算得到的孔徑全尺度分布僅僅是數(shù)學(xué)上的簡(jiǎn)單拼接，并沒(méi)有明確的物理意義。利用聯(lián)合高壓壓汞技術(shù)與恒速壓汞技術(shù)的新方法可以準(zhǔn)確地獲得致密油儲(chǔ)層的孔隙半徑全尺度分布［26］。高壓壓汞技術(shù)用來(lái)測(cè)試小孔孔徑分布，恒速壓汞技術(shù)用來(lái)測(cè)試大孔孔徑分布。因?yàn)檫@兩種技術(shù)揭示的都是汞侵入巖樣這一相同的物理過(guò)程，因此兩種技術(shù)獲得的孔徑分布的結(jié)合具有明確的物理意義。為此，筆者通過(guò)改進(jìn)聯(lián)合高壓壓汞與恒速壓汞技術(shù)的分析方法，系統(tǒng)研究了吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲(chǔ)層巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，獲得了儲(chǔ)層巖石孔隙的全尺度孔徑分布，以期為正確認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層特征、指導(dǎo)致密油資源的勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆的北部，是中國(guó)第二大內(nèi)陸盆地，吉木薩爾凹陷總體位于準(zhǔn)噶爾盆地的東部向東南緣位置。吉木薩爾凹陷經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，凹陷邊緣的特征非常明顯，東部臨古西凸起，西部臨北三臺(tái)凸起，南部與阜康斷裂帶相臨，北部臨沙奇凸起與北三臺(tái)凸起［2］，其總體構(gòu)造單元的面積可達(dá)1 278 km2，是一個(gè)典型的西深東淺且西斷東超的箕狀凹陷。蘆草溝組儲(chǔ)層廣泛分布在整個(gè)凹陷內(nèi)，儲(chǔ)層厚度超過(guò)200 m的面積可達(dá)806 km2，呈現(xiàn)源-儲(chǔ)一體和近源成藏的特征；儲(chǔ)層縱向上整體含油，是凹陷內(nèi)重要的致密油勘探開(kāi)發(fā)層位。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本次研究選取的3塊致密油儲(chǔ)層巖石樣品來(lái)自J174，J176和J31這3口油井的現(xiàn)場(chǎng)取心，巖性主要是泥質(zhì)粉砂巖、砂屑云巖、云質(zhì)粉砂巖、云屑砂巖。

掃描電鏡技術(shù) 掃描電鏡技術(shù)能提供巖石孔隙內(nèi)充填物的礦物類型、大小、產(chǎn)狀的直觀資料，是研究孔隙結(jié)構(gòu)的重要手段。將巖樣抽提清洗干凈，加工出新鮮面作為觀察面，用導(dǎo)電膠固定在樣品樁上，自然晾干，最后在真空鍍膜機(jī)上鍍金，使樣品具有良好的導(dǎo)電性能。用細(xì)聚焦電子束在樣品表面上由點(diǎn)到行（逐行）掃描，激發(fā)出能夠反映樣品表面特征的電信號(hào)，經(jīng)探測(cè)器放大處理后顯示出樣品的電子圖像。本次實(shí)驗(yàn)采用的儀器型號(hào)為TESCANVEGAII LMU。

高壓壓汞技術(shù) 高壓壓汞法以毛管束模型為基礎(chǔ)，假設(shè)多孔介質(zhì)是由直徑大小不相等的毛管束組成。汞不潤(rùn)濕巖石表面，是非潤(rùn)濕相，相對(duì)來(lái)說(shuō)，巖石孔隙中的空氣或汞蒸氣就是潤(rùn)濕相。往巖石孔隙中壓注汞就是用非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相。當(dāng)注入壓力高于與孔隙相對(duì)應(yīng)的毛管壓力時(shí)，汞即進(jìn)入孔隙之中，此時(shí)注入壓力就相當(dāng)于毛管壓力，所對(duì)應(yīng)的毛管半徑為孔隙半徑，利用WASHBURN方程［27］計(jì)算。本次實(shí)驗(yàn)儀器為美國(guó)康塔公司Poremaster壓汞儀。所有樣品測(cè)試前均在105℃下烘干至恒重，壓汞實(shí)驗(yàn)包括加壓進(jìn)汞、減壓退汞過(guò)程，最高實(shí)驗(yàn)壓力為200 MPa。

恒速壓汞技術(shù) 以非常低的恒定速度使汞進(jìn)入巖石孔隙，就可以觀察到系統(tǒng)毛管壓力的變化過(guò)程。恒定低速使得進(jìn)汞過(guò)程可以近似為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。在此過(guò)程中，界面張力與接觸角保持不變；汞的前緣所經(jīng)歷的每一處孔隙形狀的變化都會(huì)引起彎月面形狀的改變，從而引起系統(tǒng)毛管壓力的改變。根據(jù)進(jìn)汞端彎月面在經(jīng)過(guò)不同的微觀孔隙形狀時(shí)發(fā)生的自然壓力漲落來(lái)確定孔隙的微觀結(jié)構(gòu)。恒速壓汞技術(shù)能夠把喉道和孔道分辨開(kāi)來(lái)，分別測(cè)得孔道半徑分布和喉道半徑分布，真正得到具有力學(xué)意義的孔喉比參數(shù)。除了能夠得到常規(guī)的毛管壓力曲線外，還可以進(jìn)一步分為喉道毛管壓力曲線和孔道毛管壓力曲線［28-29］。本次實(shí)驗(yàn)采用的儀器為美國(guó)Coretest Systems公司生產(chǎn)的ASPE-730型恒速壓汞裝置。該裝置中內(nèi)置的高精度泵可以維持低速、恒定的進(jìn)汞速度（0.000 05 mL/min）；高分辨率的壓力感應(yīng)及采集設(shè)備可以分辨0.001 psi；高性能計(jì)算機(jī)可以對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄30～50萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并進(jìn)行處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 高壓壓汞技術(shù)

3.1.1 曲線特征

從3塊樣品的壓汞曲線（圖1）可以看出，其毛管壓力曲線均不存在中間平緩段，而是隨著汞飽和度的增加，毛管壓力不斷上升，表明孔隙的分選性較差。根據(jù)毛管壓力曲線特征，可將樣品分為2類，Ⅰ類包括J31和J176，Ⅱ類包括J174。Ⅰ類樣品的平均排驅(qū)壓力為4.12 MPa，高于Ⅱ類樣品（0.47 MPa）；Ⅱ類樣品毛管壓力曲線的閾壓較低，表明其孔隙半徑較大；所有樣品的最大進(jìn)汞飽和度均大于90%（表1）。Ⅰ類樣品的退汞效率較高，可能是以小喉道為主，大孔隙較少。Ⅱ類樣品的退汞效率較低，殘余汞飽和度為64.78%。Ⅱ類樣品捕集滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，可能反映其孔隙結(jié)構(gòu)主要為大孔小喉的墨水瓶孔形狀。因此，高壓壓汞曲線計(jì)算得到的孔徑分布可能會(huì)因?yàn)樾】缀韺?duì)大孔隙的屏蔽效應(yīng)而使得大孔隙的數(shù)量減少。

圖1 3塊樣品的高壓壓汞曲線Fig.1 HPMI curves of three rock samples

表1 3塊樣品的高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1 Experimental results of HPMI of three rock samples

3.1.2 滲透率貢獻(xiàn)

致密砂巖中孔喉的大小及分布頻率是影響儲(chǔ)層滲流能力的重要因素［30-32］。根據(jù)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的孔喉分布頻率與滲透率貢獻(xiàn)值（圖2）可知，對(duì)Ⅰ類樣品J176滲流起主要貢獻(xiàn)的孔隙孔徑集中在0.025～0.25 μm，提供了幾乎全部的滲透率貢獻(xiàn)值（圖2a）；滲透率分布峰位位于0.16 μm處，峰值為44.050%。對(duì)J31滲流起主要貢獻(xiàn)的孔隙孔徑集中在0.01～0.10 μm；滲透率分布峰位位于0.10 μm處，峰值為54.535%（圖2b）。對(duì)Ⅱ類樣品J174滲流起主要貢獻(xiàn)的孔隙孔徑集中在0.1～1 μm；滲透率分布峰位位于1 μm處，峰值為51.901%（圖2c）。結(jié)合樣品的孔喉分布頻率結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，致密油儲(chǔ)層的滲透率主要由占據(jù)小部分孔隙體積的較大孔隙所貢獻(xiàn)。

圖2 3塊樣品孔喉分布頻率與滲透率貢獻(xiàn)值Fig.2 Pore throat distribution frequency and permeability contribution of three rock samples

3.2 掃描電鏡技術(shù)

由掃描電鏡圖像可以看出，Ⅰ類樣品孔隙類型主要包括粒間殘余孔隙、晶間微孔隙，連通較差（圖3a，3b）；膠結(jié)物主要為粒間鐵白云石、綠/蒙混層；常見(jiàn)自生長(zhǎng)石。Ⅱ類樣品孔隙發(fā)育，連通好?？紫额愋椭饕ｉg孔隙及殘余孔隙、晶間微孔隙，少量溶蝕孔隙（圖3c）。膠結(jié)物主要為粒間綠泥石、綠/蒙混層、方解石。常見(jiàn)石英加大Ⅰ-Ⅲ級(jí)、自生長(zhǎng)石，少量長(zhǎng)石淋濾。

3.3 恒速壓汞技術(shù)

3.3.1 曲線特征

3塊樣品的恒速壓汞實(shí)驗(yàn)得到的特征參數(shù)值見(jiàn)表2。通過(guò)恒速壓汞實(shí)驗(yàn)，得到3塊樣品的總毛管壓力曲線、孔隙進(jìn)汞曲線和喉道進(jìn)汞曲線。2類樣品的恒速壓汞曲線表現(xiàn)出明顯的不同。Ⅰ類樣品的恒速壓汞曲線特征（圖4a，4b）是：總毛管壓力曲線始終與喉道進(jìn)汞曲線一致，最終的孔隙進(jìn)汞飽和度非常低，排驅(qū)壓力均大于1 MPa。該類樣品中較大的孔隙較少，喉道的控制起主要作用。這也與高壓壓汞實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果相一致。由于恒速壓汞的最大進(jìn)汞壓力較低，僅為6.2 MPa，對(duì)于致密砂巖而言，該技術(shù)無(wú)法探測(cè)到樣品中較小的孔隙，特別是對(duì)滲透性較差的樣品，其局限性更加明顯（圖4b）。Ⅱ類樣品的恒速壓汞曲線特征（圖4c）是：在進(jìn)汞初期，總毛管壓力曲線和孔隙進(jìn)汞曲線相一致，說(shuō)明汞首先進(jìn)入阻力較小的大孔隙，此時(shí)喉道的影響并不明顯。隨著進(jìn)汞壓力增大，汞逐步進(jìn)入由小喉道控制的孔隙，此時(shí)毛管壓力急劇增大，但是孔隙的進(jìn)汞飽和度卻增長(zhǎng)緩慢，孔隙進(jìn)汞曲線急劇上翹，總毛管壓力曲線與喉道進(jìn)汞曲線趨勢(shì)相一致，此時(shí)喉道起主要控制作用。進(jìn)一步增大進(jìn)汞壓力，汞進(jìn)一步占據(jù)喉道，喉道進(jìn)汞飽和度增大，而孔隙進(jìn)汞飽和度基本不再變化。此類樣品的排驅(qū)壓力低于1 MPa，說(shuō)明滲透性較好，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的樣品滲透率相一致。

圖3 3塊樣品的掃描電鏡圖像Fig.3 SEM images of three rock samples

表2 3塊樣品的恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Experimental results of RCMI of three rock samples

3.3.2 孔徑分布

通過(guò)恒速壓汞實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到樣品的喉道半徑與孔隙半徑分布，由于樣品J31的進(jìn)汞飽和度較低，無(wú)法準(zhǔn)確反映孔隙結(jié)構(gòu)特征，因此未予展示。兩類樣品的喉道半徑分布表現(xiàn)出明顯的不同，樣品J176的喉道半徑主要為0.13～0.23 μm，平均為0.17 μm。樣品J174的喉道半徑主要為0.4～1.4 μm，平均為0.98 μm。與喉道半徑分布不同，兩類樣品的孔隙半徑分布相對(duì)均一。孔隙半徑均為100～200 μm，主峰主要分布在120 μm左右（圖5）。

3.3.3 孔喉連通關(guān)系

致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的顯著特征是大孔細(xì)喉，具有較大的孔喉比。從圖6可以看出，樣品J174的孔喉比約為100～300，平均為221.7。樣品J176的孔喉比約為800～1 000，平均為844.5。比較樣品J174和J176的孔喉比曲線可以看出，致密砂巖樣品都具有較大的孔喉比，同時(shí)兩類樣品的孔喉比也存在非常大的區(qū)別，Ⅰ類樣品的喉道極其細(xì)小，反映其滲透能力較差，滲透率較低。

圖4 3塊樣品的恒速壓汞曲線Fig.4 RCMI curves of three rock samples

圖5 2塊樣品的喉道和孔隙半徑分布Fig.5 Pore and throat size distribution of two rock samples

圖6 2塊樣品的孔喉比分布Fig.6 Pore-throat ratio distribution of two rock samples

4 討論

4.1 孔徑全尺度展布

ZHAO等利用聯(lián)合恒速壓汞技術(shù)和高壓壓汞技術(shù)計(jì)算致密砂巖的孔徑全尺度展布時(shí)，并未討論兩種技術(shù)計(jì)算得到的孔徑分布的結(jié)合點(diǎn)問(wèn)題，是在恒速壓汞技術(shù)能夠探測(cè)到的最小喉道半徑處進(jìn)行直接的拼接［26］。根據(jù)筆者的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，在恒速壓汞中由于數(shù)據(jù)區(qū)間的選取原因，使得更多的進(jìn)汞體積累加到了最后一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)間，造成在0.12 μm處的數(shù)值偏大，因此得到的結(jié)果是微孔占優(yōu)勢(shì)的部分都是處于0.12 μm左右，這樣計(jì)算得到的結(jié)果可能與實(shí)際不符。筆者將結(jié)合點(diǎn)選擇為兩種技術(shù)的共同可測(cè)量區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)，其中交點(diǎn)利用插值的方法計(jì)算求得。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，高壓壓汞與恒速壓汞的交點(diǎn)多發(fā)生在1 μm左右，因此交點(diǎn)落在高壓壓汞與恒速壓汞的共同可測(cè)量區(qū)間內(nèi)，在這一區(qū)間內(nèi)計(jì)算選取的模型都是WASHBURN方程［27］，因此兩種測(cè)量技術(shù)的結(jié)合具有物理模型一致性。而且根據(jù)LOUCKS等提出的孔分類方法［33］，1 μm以下屬于納米孔區(qū)，在這一區(qū)間內(nèi)高壓壓汞技術(shù)的測(cè)量在一定程度上是比較準(zhǔn)確的，可以避免孔的屏蔽效應(yīng)。因此筆者提出的計(jì)算孔徑全尺度分布的方法可以更加合理準(zhǔn)確地反映致密砂巖的孔隙空間分布規(guī)律。

從本質(zhì)上講，孔徑分布規(guī)律的表達(dá)主要有孔體積增量法和孔體積增量微分法2種方法［34］，以進(jìn)汞飽和度表達(dá)的孔徑分布規(guī)律［26］即為孔體積增量法，此時(shí)計(jì)算得到的孔徑分布規(guī)律結(jié)果依賴于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)間隔的選取。因?yàn)樵谝粋€(gè)大的孔徑區(qū)間內(nèi)，更多的體積會(huì)被累加。而孔體積增量微分法可以消除這一影響。因此選擇以孔體積增量微分法來(lái)表達(dá)孔徑分布規(guī)律。

從兩類樣品的全尺度孔徑分布曲線可以看出：Ⅱ類樣品的孔徑全尺度展布呈現(xiàn)出比較明顯的雙峰態(tài)，第1個(gè)峰出現(xiàn)在0.1～1 μm處，第2個(gè)峰出現(xiàn)在150 μm左右，小孔的分布范圍較寬，大孔的分布范圍較為集中（圖7a）；Ⅰ類樣品的孔徑全尺度展布呈現(xiàn)出弱雙峰態(tài)，主峰出現(xiàn)在0.07 μm處，弱峰出現(xiàn)在120 μm處（圖7b）；兩類樣品中10～100 μm的孔隙都不發(fā)育。

4.2 孔的分類

不同于IUPAC的孔分類法，LOUCKS等根據(jù)油氣儲(chǔ)層的實(shí)際，提出了一種更加適合于石油工業(yè)應(yīng)用的新的孔分類法，孔徑為1 nm～1 μm是納米孔區(qū)，1～62.5 μm 是微孔區(qū)，62.5 μm～4 mm 是中孔區(qū)［33］。Ⅰ類樣品以納米孔為主，中孔不占優(yōu)勢(shì)；Ⅱ類樣品以納米孔和中孔為主。兩類樣品中微孔都不發(fā)育。以上結(jié)果可能與樣品中孔隙類型的發(fā)育情形有關(guān)。根據(jù)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2類樣品中粒間殘余孔隙均較為發(fā)育，這些孔隙的孔徑多大于100 μm。2類樣品中的納米孔主要由晶間微孔隙所貢獻(xiàn)，孔徑在十幾至幾百納米之間。相對(duì)于粒間殘余孔隙及晶間微孔隙，樣品中其他類型的孔隙數(shù)量較少，這可能是2類樣品中微孔不發(fā)育的主要原因。

圖7 2塊樣品全尺度孔徑分布曲線Fig.7 Overall pore size distribution of two rock samples

5 結(jié)論

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲(chǔ)層巖石樣品的高壓壓汞曲線不存在中間平緩段，說(shuō)明其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙分選性較差?？紫额愋椭饕獮榱ｉg孔隙及殘余孔隙、晶間微孔隙，滲透率主要由占據(jù)小部分孔隙體積的較大孔隙所貢獻(xiàn)。高壓壓汞可以比較準(zhǔn)確地探測(cè)小孔隙，而恒速壓汞可以比較準(zhǔn)確的探測(cè)較大的孔隙，聯(lián)合高壓壓汞與恒速壓汞技術(shù)可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算得到致密砂巖儲(chǔ)層的全尺度孔徑分布。兩種技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)選擇為共同可測(cè)量區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)。樣品的全尺度孔徑分布曲線呈雙峰態(tài)，小孔孔徑主要為0.07～1 μm左右，大孔孔徑主要為120～150 μm左右。根據(jù)LOUCKS等提出的孔分類方法，研究區(qū)蘆草溝組致密油儲(chǔ)層巖石發(fā)育大量的納米孔隙，微孔不發(fā)育。