致密砂巖氣藏儲層微觀孔隙結構特征及其對產(chǎn)能的影響
——以鄂爾多斯盆地蘇里格西部蘇48區(qū)盒8、山1段為例

馮強漢， 王 冰， 楊 勃， 張永潔， 袁嘉賡， 朱玉雙

(1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，鄂爾多斯 017300； 2.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質(zhì)學系， 西安 710069)

蘇里格西部氣藏儲層具有埋深大、低壓低滲，非均質(zhì)性和敏感性較強的特點。各種因素作用下使得蘇西典型井區(qū)蘇48區(qū)的氣水分布關系復雜，氣井產(chǎn)量低，且多數(shù)井生產(chǎn)見水。各種因素中孔隙結構影響對儲層物性起決定性作用，進而影響儲層的流體分布、儲滲能力等，細小的孔隙及復雜多樣的孔隙組合最終制約著氣藏的開采。因此，研究分析儲層微觀孔隙結構特征，對于氣藏開采以及提升氣藏采收率具有重要的指導作用。

對于蘇里格地區(qū)致密砂巖氣藏的研究，前人已取得了一定的認識。朱筱敏等[1]對優(yōu)質(zhì)儲層與非儲層進行多角度分析對比，得出物性是天然氣富集的主控因素之一；琚惠姣[2]則從沉積、成巖、構造方面對物性的影響進行研究，認為成巖作用是影響物性的主控因素，構造對物性的影響程度有限。郝騫等[3]從微觀角度出發(fā)認為，明確物性主要受顆粒骨架成分、孔喉結構及非均質(zhì)性的共同作用。白云云等[4]對蘇48區(qū)的成巖相的進行表征，進一步確定了孔喉致密的主要機理是機械壓實作用。路中奇等[5]對蘇里格地區(qū)的致密成因和主控因素進行總結，認為沉積相是后期成巖作用的基礎，對儲層的物性及儲氣能力具有控制作用。前人的研究使得蘇里格地區(qū)儲層的致密成因及儲層儲氣能力的主控因素有了清晰的認識，但以往的研究皆是基于儲層的靜態(tài)資料單一地研究孔隙結構與物性或成巖作用的關系，未能結合動態(tài)資料與實際生產(chǎn)相結合揭示孔喉結構對氣井產(chǎn)能的影響。因此研究孔隙結構與產(chǎn)能之間的關系對于提高氣井產(chǎn)氣量從而進一步提升氣田采收率具有重要的生產(chǎn)意義。

基于以上研究目的，本文主要是通過多種分析測試技術手段，對研究區(qū)微觀孔喉結構進行定性與定量研究，在此基礎之上與氣井生產(chǎn)動態(tài)資料相聯(lián)系，通過對典型井進行定性與定量、動態(tài)與靜態(tài)相結合分析孔隙結構對氣井產(chǎn)能的影響。

1 研究區(qū)基本地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地是中國大型的中生代沉積盆地，盆地輪廓形狀呈矩形，面積約為25×104km2，而廣義的鄂爾多斯盆地總面積則達36×104km2[6]。研究區(qū)位于蘇里格氣田西部，跨伊盟隆起和伊陜斜坡兩個一級構造單元。前人研究認為成巖作用是孔隙結構的主要影響因素，沉積對孔隙結構的影響作用有限，但成巖作用是在沉積的基礎之上進行的，成巖作用的強弱受沉積環(huán)境影響，研究區(qū)的開發(fā)層位主要為盒8、山1段，其中盒8下段沉積類型為辮狀河三角洲沉積，盒8上段、山1段水體能量減弱總體上表現(xiàn)為曲流河沉積特征[7]。

2 儲層巖石學特征

通過對鉆取巖樣所進行的圖像孔隙、圖像粒度、鑄體薄片、掃描電鏡等巖樣分析資料進行觀察統(tǒng)計(圖1)，研究區(qū)區(qū)盒8、山1段碎屑組成中石英含量最高，長石少見或基本未見，因而巖石類型主要是石英砂巖和巖屑石英砂巖，長石石英砂巖并不多見。

統(tǒng)計顯示，盒8段石英顆粒占碎屑平均比為91.9%，略高于山1段的89.9%。盒8上、盒8下和山1儲層段巖屑占骨架顆粒百分比平均分別為7.8%、4.4%和8.2%，其中山1段所占百分比高于盒8段，以火山巖與變質(zhì)巖巖屑為主，后者比前者含量略高。長石占骨架顆粒百分比各層均較低，甚至為0(表1)。蘇48區(qū)儲層填隙物含量為10.5%～23%，盒8段內(nèi)部差別不大，盒8上10.5%～18%，平均14.1%，盒8下11.5%～19%，平均14.6%，山1段填隙物含量在14.5%～23%，平均17.8%。

盒8下段沉積末期構造事件造成水體能量減弱，使得曲流河沉積變?yōu)檗q狀河沉積，是盒8下段與盒8上段、山1段巖石組分具有較大差異的主要原因。

圖1 蘇48區(qū)塊盒8、山1段砂巖巖石成分三角圖Fig.1 Sandstone type triangular figure and distribution frequency of Box 8 and Shan 1 in Su 48

表1 蘇48區(qū)盒8、山1儲層段砂巖骨架顆粒相對含量統(tǒng)計Table 1 Statistical of relative content of sandstone skeleton in He 8 and Shan 1 reservoir of Su 48

3 儲層微觀孔隙結構特征

3.1 孔隙類型

蘇48區(qū)盒8、山1段砂巖儲層具有不同的孔隙類型和復雜的演化機理[8]。據(jù)鑄體薄片等測試樣品統(tǒng)計，盒8段的以原生粒間孔為主[圖2(a)]；山1段則以次生溶孔為主[圖2(b)]，原生孔隙占比不高，晶間孔普遍存在于各個層段[圖2(c)、圖3]。其中，剩余粒間孔孔隙邊界規(guī)則，與其他相鄰顆粒呈規(guī)則接觸，其孔隙被石英次生加大、巖屑和黏土礦物等充填[圖2(d)]；溶蝕孔在碎屑顆粒表面、邊緣以及內(nèi)部被溶蝕所形成，其邊界彎曲成不規(guī)則形狀[圖2(e)][9]。研究區(qū)的孔隙類型主要為粒間溶孔，粒內(nèi)溶孔未見或少見；晶間微孔是在成巖作用晚期被大量自生黏土礦物充填，普遍發(fā)育在高嶺石等黏土礦物中。除常見的幾種孔隙類型，在部分巖石中發(fā)現(xiàn)少量微裂縫[圖2(f)]，進一步加強了巖石孔隙的連通性。

3.2 孔喉結構特征

壓汞和鑄體薄片衡量微觀孔喉大小、形態(tài)及其分布的重要技術，對巖石抽真空后加壓使汞進入孔隙、喉道中去，物性越好，所需的排驅(qū)壓力就越?。浑S著壓力增加，汞可進入的更小孔喉半徑的孔隙，將進汞飽和度與排驅(qū)壓力相結合可以對孔喉分布進行定量表征[10-12]。通過對研究區(qū)儲層49塊樣品高壓壓汞資料的分析研究，應用曲線的形態(tài)特征及多種類型的表征參數(shù)，對孔隙結構進行定性、定量研究進而對儲集層的儲集性能進行量化[13]。根據(jù)曲線形態(tài)和表征參數(shù)將孔隙結構分為以下3種類型(圖4、表2)。

Ⅰ類：溶孔-粒間孔類，石英含量高，以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主。鏡下普遍可見石英次生加大邊，填隙物較少呈零星點狀充填孔隙?？紫督Y構以殘余粒間孔為主包含一定的溶孔，晶間孔較少，該孔隙類型連通性較好，是該區(qū)重要的孔隙結構類型。從各類孔隙結構的壓汞曲線及其對應的孔喉進汞量與孔喉半徑分布圖可看出[圖4(a)、 圖4(b)]: 曲線相對地位于圖的左下方，說明其孔喉分布較粗，孔喉歪度平均為1.94；曲線具有寬而緩的平臺，孔喉分選好，分選系數(shù)平均為0.43，中值壓力均值1.53 MPa，平均排驅(qū)壓力0.54 MPa?？缀戆霃椒植挤秶^廣，分布在0.025～4 μm。該類孔隙結構的儲滲能力強，物性好，孔、滲均值分別為10.4%和0.85×10-3μm2。

圖2 蘇西蘇48區(qū)孔隙類型圖版Fig.2 Photograph of Su 48 pore type in the west of Sulige

圖3 蘇48區(qū)孔隙類型分布直方圖Fig.3 Histogram of pore type distribution of Su 48

表2 孔隙結構特征Table 2 Pore structure characteristics

圖4 不同孔隙組合類型儲層毛管力曲線、鑄體薄片F(xiàn)ig.4 Different capillary combination type reservoir capillary force curve, cast thin section

Ⅱ類：晶間孔-溶孔類，主要發(fā)育高嶺石晶間孔和巖屑溶孔，石英次生加大發(fā)育，極少量粒間孔隙殘余，高嶺石結晶細小，巖屑微溶，孤立狀分布。從圖4(c)、圖4(d)可看出：毛管壓力曲線相對地位于圖的中央部位，孔喉分布較粗；曲線寬平臺較為明顯，較Ⅰ類平臺有所減短，分選較好，分選系數(shù)平均值為1.09，中值壓力高，平均1.75 MPa，排驅(qū)壓力和退汞效率較低，平均排驅(qū)壓力和退汞效率為0.19 MPa和58.65%?？缀戆霃椒植技?，范圍較窄。

Ⅲ類：微孔類，孔隙類型要為微孔，小孔-細喉組合，巖性為巖屑石英砂巖。該類儲層包含較多的塑性物質(zhì)和雜基，抗壓實能力較差，常見軟組分巖屑變形強烈，部分多呈假雜基狀，導致孔喉被填充變得細小，連通性差，分選系數(shù)為0.12。從壓汞曲線可以看出[圖4(e)、圖4(f)]，曲線相對的位于圖的右上位置，曲線形態(tài)較窄，缺乏明顯的寬緩平臺，分選較差，所需排驅(qū)壓力較大，平均為1.48 MPa。該類孔隙結構的儲層物差，滲透率較低平均0.198×10-3μm2。其儲滲能力較弱，氣水滲流阻力大，一般不構成有效儲層。

4 微觀孔隙結構影響因素

4.1 沉積作用

根據(jù)巖心觀察結合前人研究，研究區(qū)山1沉積期為曲流河三角洲平原沉積環(huán)境，河道砂體規(guī)模較小，河道不斷彎曲截斷可形成湖沼微相，聚集了含煤及炭質(zhì)條帶等的細粒沉積物[14-16]。盒8下沉積期水體能量增強，沉積環(huán)境變?yōu)檗p狀河三角洲平原，水體能量波動變化加速，底負載沉積物占比增大，多期分流河道的垂向疊置，河道寬度較大，較高的水體能量使得顆粒的分選磨圓較好，孔隙類型較好[17-18]。盒8上段受陸源碎屑物質(zhì)供給減少，水動力條件變?nèi)醯纫蛩?，表現(xiàn)為曲流河三角洲平原沉積環(huán)境，與山1段沉積環(huán)境類似，但不具備山1段沼澤化的沉積背景，因此盒8上段整體物性好于山1段弱于盒8下段。

4.2 成巖作用

研究區(qū)盒8、山1段層位埋深通常大于3 000 m，為深部儲集層；鏡下觀察普遍見石英次生加大；自生碳酸鹽礦物主要為鐵方解石，含少量的細晶、泥晶方解石；研究區(qū)盒8段的蒙脫石占伊蒙混層的含量S/(I/S)<10%，山1接近消失；最大熱解峰溫介于411～564 ℃；鏡質(zhì)體反射率Ro介于1.49%～2.1%；研究區(qū)孔隙組合以次生溶孔為主并見愈合裂縫?；诘桶胂趟橘|(zhì)碎屑巖成巖階段劃分標志(SY/T 5477—2003)結合前人研究成果認為，盒8段-山1段砂巖處于中成巖B期，少量進入晚成巖階段[19]。

4.2.1 壓實作用

圖5 盒8、山1段排驅(qū)壓力與埋深關系圖Fig.5 He 8 and Shan 1 section drainage pressure and buried depth diagram

壓實作用是造成儲層孔隙結構變化以及物性降低的重要因素[20]。隨著研究區(qū)隨著深度的增加，載荷逐漸增大，顆粒間接觸關系呈點接觸過渡到凹凸接觸，孔隙和喉道變窄，排驅(qū)壓力逐漸變大。在含有高含量塑性顆粒的砂巖中，由于塑性顆粒擠壓變形以及假雜基化，顆粒之間由線接觸向縫合線接觸演化。從圖5可以看出，在各段內(nèi)部都有排驅(qū)壓力隨埋深增大逐漸增大的現(xiàn)象，不同層位儲層巖石的排驅(qū)壓力與埋深有一定的相關性，且隨深度的增加排驅(qū)壓力逐漸增大。其中盒8上段排驅(qū)壓力隨深度變化較小，而盒8下段的變化趨勢明顯偏離了盒8上段的趨勢線，排驅(qū)壓力隨埋深增大明顯增加；高含量的石英可以抵抗壓實使原生粒間孔更好地保存，孔隙類型較為良好，因而盒8下段埋深較大但排驅(qū)壓力小于盒8上。這些特點均表明儲集層隨埋深增大受到了更為強烈的壓實作用，從而導致孔隙結構變差。

4.2.2 膠結作用

根據(jù)分析和統(tǒng)計的測試結果，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)盒8、山1段儲層中孔隙結構變化的膠結作用類型主要有黏土、硅質(zhì)和碳酸鹽膠結。膠結作用對孔隙結構的演化具有雙重作用，一方面，膠結物填充封堵孔隙使儲層物性變差；另一方面，膠結物也起到了保護孔隙不受其他破壞性成巖作用的影響，即硅質(zhì)充填膠結的巖石，粒間孔被充填后增加了巖石骨架強度，對抵抗壓實有一定幫助。除此之外，膠結物在后期溶蝕作用中對溶孔發(fā)育起到一定影響，可以起到增大孔隙度的作用。

圖6 盒8、山1段儲層高嶺石含量與孔隙度關系Fig.6 Relationship between kaolinite content and porosity in the reservoir of He 8 and Shan 1

4.2.3 交代與蝕變作用

交代作用的實質(zhì)是原有的礦物被溶解和交代新生成礦物的沉淀，蘇48區(qū)主要存在高嶺石與方解石兩種礦物的交代作用。成巖蝕變作用形成的高嶺石普遍存在于各類砂巖中，主要表現(xiàn)為高嶺石交代長石和巖屑，形成高嶺石碎屑交代假象，從圖6中可以看出高嶺石含量與孔隙度有一定的正相關性，晶間孔在早期蝕變的高嶺石中可大量出現(xiàn)，蝕變較好的高嶺石晶間孔雖細小，對氣藏儲層來說具有一定的積極作用。

4.2.4 溶蝕作用

溶蝕作用的強度影響著孔隙結構的變化[21]。在成巖過程中，砂巖中的不穩(wěn)定礦物在一定的環(huán)境下會發(fā)生溶蝕溶解作用形成次生溶蝕孔隙，從而為油氣儲層提供主要的儲集空間。由于孔隙流體演化以及地質(zhì)環(huán)境的變化，砂巖的溶蝕溶解作用成因多樣，多期次溶蝕形成多種類型的次生溶孔，使微觀孔喉結構發(fā)生大的改變。研究區(qū)溶蝕現(xiàn)象普遍，但溶解的程度差異較大?？傮w表現(xiàn)為巖屑含量較高的泥質(zhì)、黏土質(zhì)砂巖儲層中的溶蝕較強[22]，儲層孔隙組合以溶蝕的溶孔及晶間微孔組合為主要特征構成的Ⅱ類儲層。在裂縫發(fā)育的樣品，局部裂縫發(fā)育的薄片下還可見溶蝕形成的溶蝕縫。

5 孔隙結構對氣井產(chǎn)能的影響

將試氣成果與巖心物性分析數(shù)據(jù)相結合，結果表明產(chǎn)氣井孔隙度和滲透率與氣產(chǎn)量正相關，表明儲層物性對氣井產(chǎn)能具有一定的控制作用。儲層物性的高低則與沉積、成巖及構造作用密切相關，沉積環(huán)境決定著物源供給，是孔隙類型演變的基礎，成巖作用決定著孔隙演化的程度。

圖7 S61井盒8、山1段測井解釋及巖心分析綜合圖Fig.7 Comprehensive diagrams of log interpretation and core analysis of Well Box 8 and Shan 1 in S61

由于碎屑組成以及填隙物含量差異，孔隙類型發(fā)育的不同，進一步影響儲集性能，從而引起產(chǎn)量變化。結合之前研究認為，隨著石英含量增多、填隙物含量減少，儲層的孔隙度、滲透率有增大的趨勢，高孔滲段產(chǎn)氣量較高，低滲區(qū)主要是氣水同產(chǎn)。以典型井S61井為例，根據(jù)單井柱狀圖顯示(圖7)，盒8上射孔段日產(chǎn)氣為7.4×104m3/d，為產(chǎn)氣層，相應氣層段石英含量較高，平均為81.55%，氣層段總體以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主，壓汞曲線形態(tài)及品質(zhì)參數(shù)分類屬屬Ⅰ類孔隙結構。該氣層段填隙物主要為伊利石和硅質(zhì)膠結，少量鐵方解石膠結，以巖屑和雜基溶蝕產(chǎn)生的溶孔為主，保留了一定的原生粒間孔。山1射孔段日產(chǎn)氣量為0.34×104m3/d，產(chǎn)水量0.5 m3/d，較盒8產(chǎn)量低，相應氣層段石英含量下降，平均為70.58%，巖屑含量有所上升，填隙物主要為伊利石，膠結類型以孔隙充填式為主，射孔段主要發(fā)育晶間微孔，孔喉半徑小，孔隙結構屬Ⅱ類，由于受毛細管阻力影響，使得氣驅(qū)水不徹底，故該井低孔滲段氣水同出，產(chǎn)能有限。

通過以上分析可以得出，孔隙結構則對儲層的物性具有控制作用，物性則決定了儲層儲集流體以及滲流能力的大小，進而影響著氣井產(chǎn)能的高低。Ⅰ類孔隙結構的儲層物性較好，儲滲能力強，在成藏過程中氣驅(qū)水較徹底易形成優(yōu)質(zhì)儲層，該類儲層在實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)氣量較高，水氣比較低，產(chǎn)出水體有限。Ⅱ、Ⅲ孔隙結構的儲層孔隙連通性較差，在同等生烴能力條件下氣驅(qū)水不徹底形成氣水同層，該類儲層生產(chǎn)過程中氣、水同產(chǎn)，后期受產(chǎn)水影響氣井的產(chǎn)能有限。

6 結論

(1)根據(jù)高壓壓汞曲線形態(tài)和孔喉表征參數(shù)可將蘇48區(qū)孔隙類型分為3種：Ⅰ型(溶孔-粒間孔類)、Ⅱ型(晶間孔-溶孔類)、Ⅲ型(微孔類)。Ⅰ型有明顯的寬而緩的平臺，是較有利于油氣儲集的孔隙類型。Ⅱ型有較明顯的階梯狀，平臺較短。Ⅲ型孔喉細小且連通較差，不利于油氣成藏。不同孔隙類型的壓汞曲線有明顯的分區(qū)現(xiàn)象。

(2)埋深是導致孔隙結構變差的關鍵因素之一。隨埋深增加，壓實作用增強，在強壓實作用下顆粒間互相接觸的程度逐漸增大，致使孔隙變小和喉道變窄、排驅(qū)壓力增加。交代作用、溶蝕溶解作用對儲層的儲集性能有一定改善作用。

(3)碎屑組成以及填隙物含量差異導致孔隙類型發(fā)育的不同，從而影響儲集性能，最終引起產(chǎn)量變化。高孔滲段產(chǎn)氣量較高，低孔滲井段受毛細管阻力影響，氣驅(qū)水不徹底從而氣水同產(chǎn)。