致密砂巖儲層可動流體賦存特征及主控因素分析
——以鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63儲層為例

王 桐，魏 虎，孫 衛(wèi)，韓 進，白云云，高庚庚.

(1.大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質(zhì)學系，陜西西安 710069；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075；3.榆林學院化學與化工學院，陜西榆林 719000；4.陜西延長石油(集團)有限責任公司下寺灣采油廠，陜西延安 716000)

隨著我國躋身全球第二大經(jīng)濟體，其發(fā)展對于石油資源的需求也是急速增長，全球油氣勘探開發(fā)從低滲透儲層到特低滲透儲層，再到致密砂巖非常規(guī)儲層，勘探開發(fā)的力度和強度也是不斷增強，科學研究的手段也在不斷創(chuàng)新。鄂爾多斯盆地目前已探明的油氣儲量相當豐富，勘探開發(fā)潛力巨大。筆者以鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層為研究對象，運用掃描電鏡、鑄體薄片、高壓壓汞、恒速壓汞、核磁共振等多種先進實驗手段相結(jié)合，主要從物性、微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征角度出發(fā)對研究區(qū)的可動流體賦存特征做了定量評價，并在此基礎(chǔ)上分析總結(jié)了影響可動流體賦存的主要控制因素。

鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)的地理位置處于甘肅省華池縣和慶城縣境內(nèi)，在沉積演化過程中，主要受東北和西南兩大物源控制，發(fā)育曲流河三角洲相和辮狀河三角洲相兩大沉積體系[1]。華慶地區(qū)長63儲層由于受沉積、成巖作用的控制，孔喉細小，非均質(zhì)性較強，孔喉的連通性差異較大，孔喉類型多樣，導致其可動流體賦存特征復雜，已經(jīng)成為研究區(qū)油氣增產(chǎn)的主要制約因素之一。關(guān)于流體在孔隙和喉道空間的賦存狀態(tài)和滲流能力的評價分析研究，對于指導研究區(qū)進行進一步油氣資源的開發(fā)和評估均具有重要的科學意義和實踐意義。

1 儲層基礎(chǔ)地質(zhì)特征

1.1 巖石學特征

巖心鑄體薄片和掃描電鏡等科學技術(shù)手段觀察鑒定統(tǒng)計表明：長石砂巖是研究區(qū)最為常見的巖石類型，顏色以灰黑色、灰色居多，巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖也有一定的分布，巖屑砂巖呈零星分布(圖1)。變質(zhì)巖巖屑含量最高，平均為6.2%；火成巖巖屑平均含量為2.9%，含量最低；沉積巖巖屑居中，平均為3.6%。長石是長63儲層最主要的碎屑成分，含量一般在9.49%～64.90%，平均含量為43.37%；石英含量次之，一般在22.31%～66.37%，平均含量為37.11%；巖屑成分的含量最低，平均為19.52%。填隙物以雜基和碳酸鹽膠結(jié)物(主要是鐵方解石和白云石)為主，含有少量的石英加大硅質(zhì)和泥鐵質(zhì)。絕大部分砂巖粒徑分布在0.08～0.22 mm之間，粒徑整體比較細，少見粒徑為中砂級別的顆粒，分選性以中等—好為主，磨圓度較差，主要以次棱角狀碎屑顆粒為主，有少量的棱—次棱角狀碎屑顆粒。孔隙度主要分布在8%～12%之間，平均為11.6%。滲透率主要分布在0.1～0.5 mD之間，平均為0.35 mD。

圖1 華慶地區(qū)長63儲層砂巖分類Fig.1 Characters and types of Chang-63 reservoir in Huaqing area

1.2 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

儲層的微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征直接影響儲層的儲集性能和油氣的滲流能力，對可動流體賦存狀態(tài)更是有著極其重要的影響[2-4]。通過對實驗樣品進行鏡下鑒定和研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)長63儲層孔隙類型復雜多樣，主要發(fā)育粒間孔、長石溶孔和巖屑溶孔3種孔隙類型，另外還可見少量的雜基溶孔、粒間溶孔和微裂隙等孔隙類型(圖2)，其一般占總面孔率的5%以下。物性較好的孔隙組合類型主要有3種，分別是粒間孔、粒間孔—溶孔和溶孔—粒間孔，它們的滲透率分別為0.62 mD、0.40 mD、0.44 mD，孔隙度分別為12.0%、12.3%、12.3%。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)喉道類型以片狀為主，局部可見管束狀、點狀喉道。這是由于研究區(qū)經(jīng)受機械壓實作用和膠結(jié)作用比較強烈，尤其是機械壓實作用使碎屑顆粒的接觸關(guān)系重新排列且長石含量高抗壓實能力相對較弱所造成的。

圖2 華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層鑄體薄片圖像Fig.2 Photographs of casting thin section of Chang-63 reservoir in Huaqing areaa.B103井，2 090.30 m，長石溶孔、微孔；b.S51井，2 164.28 m，發(fā)育的綠泥石膜及殘余粒間孔；c.S51井，2 164.28 m，局部殘余的細小的粒間孔及長石溶孔，綠泥石膜可見；d.B79井，2 191.00 m, 發(fā)育的粒間孔及長石溶孔。

2 可動流體賦存特征研究

2.1 核磁共振可動流體實驗原理

核磁共振技術(shù)是目前反映儲層自身孔隙結(jié)構(gòu)和流體賦存狀態(tài)的先進實驗技術(shù)手段，通過對核磁測量所得的原始回波脈沖序列進行回波串反演和擬合，可以得到可動流體孔隙度、可動流體百分數(shù)、束縛流體飽和度以及不同孔隙空間流體的賦存狀態(tài)等可以反映儲層微觀地質(zhì)信息的量。利用核磁共振技術(shù)研究多孔介質(zhì)中巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)的主要理論依據(jù)是核磁的信號幅度與樣品內(nèi)氫核的數(shù)目即流體量成正比，即孔隙小，T2值小，反之孔隙大，則T2值大[5-7]。實驗所得所有孔隙T2的分布就代表了巖石的孔徑分布，由此可見核磁共振實驗可以有效地反映不同孔隙流體的賦存狀態(tài)，并對潛在的可動流體的含量進行估算。

2.2 實驗過程

本次實驗所用的12塊樣品均取自鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63特低滲透砂巖儲層，所有的核磁共振測試都是在低磁場核磁共振巖心分析系統(tǒng)上完成的，采用型號是Magnet2000型的儀器，T2譜測量采用的是自旋回波脈沖CPMG序列，共振頻率為2.38 MHz，實驗溫度保持恒溫20 ℃。具體的實驗步驟和方法如下：

首先對所采集的巖樣進行加工，制作成直徑約為25 mm、長度約為4 cm的圓柱塞樣標準巖心。然后對巖心樣品進行洗油操作清洗掉巖樣孔隙空間殘余的原油和雜質(zhì)，在80 ℃溫度條件下將樣品烘干24 h，再將樣品放入真空加壓飽和裝置中，抽真空以20 MPa壓力飽和模擬地層水72 h。最后將飽和模擬地層水狀態(tài)的標準巖心裹上保鮮膜并稱重對其進行核磁共振T2測試，反演擬合獲取表征可動流體賦存特征的參數(shù)。

2.3 T2譜形態(tài)特征

飽和模擬地層水狀態(tài)下的T2譜分布形態(tài)是對巖樣孔隙的類型、孔徑大小、礦物成分、流體的類型和流體黏度等的綜合反映[7]。華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層T2譜分布形態(tài)復雜，主要表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)形態(tài)，且左右峰幅度高低不等，同時具有一定的多峰和單峰形態(tài)(圖3)。具體可分為左高右低型雙峰(B78，B105，B89)、左低右高型雙峰(B79)、左偏多峰型(B123)、右偏多峰型(B67)、單峰(S66，B91，B120，B51，B26)5種形態(tài)。以石油與天然氣行業(yè)標準(表1)為分類依據(jù)，按照核磁共振可動流體飽和度的含量大小將研究樣品進行分類，具體分類結(jié)果見表2，結(jié)果表明實驗樣品儲層以Ⅲ類和Ⅳ類居多，這說明研究區(qū)的可動流體含量整體不高。

表1 可動流體飽和度儲層評價標準Table 1 Classification of mobile fluid saturation reservoirs evaluation standard

圖3 華慶地區(qū)長63儲層核磁共振T2譜頻率分布Fig.3 Frequency distribution of NMR T2 spectrum of Chang-63 reservoir in Huaqing area

2.4 可動流體分布特征

對研究區(qū)飽和模擬地層水的12塊實驗樣品在低磁場核磁共振巖心分析系統(tǒng)上進行核磁共振T2譜測量，研究區(qū)長63致密砂巖儲層可動流體飽和度主要介于2.16%～55.94%之間，平均值為28.24%，最大值和最小值的極差為25.90；可動流體孔隙度分布范圍基本介于0.29%～5.75%之間，平均值為2.37%，最大值和最小值的極差為19.82(表2)。總的來說，致密砂巖儲層長63可動流體參數(shù)變化差異較大，非均質(zhì)性相對較強，這是由于華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層微觀孔喉特征復雜，黏土礦物的類型、含量均不相同所造成的。

表2 華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層核磁共振可動流體實驗參數(shù)表Table 2 Experimental parameters of NMR movable fluid in Chang-63 tight sandstone reservoir in Huaqing area

本次研究我們根據(jù)該地區(qū)大量核磁實驗T2截止值的經(jīng)驗值，將T2弛豫時間等于13.895 ms作為判定可動流體和束縛流體的臨界值，T2弛豫時間大于13.895 ms對應(yīng)孔隙中的流體為可動流體，反之則為束縛流體[7-9]。同時引入了Φm可動流體孔隙度參數(shù)的定義Φm=Sm×Φ/100，Sm是可動流體飽和度。對于致密砂巖儲層而言，特別是低滲—特低滲儲層，孔喉細小、非均質(zhì)性較強，孔喉的連通性差異較大，可動流體賦存特征復雜，單一的孔隙度參數(shù)并不能說明儲層的可動用孔隙度，而可動流體孔隙度參數(shù)Φm是對儲層可動流體含量的定量化表征，在評價儲層開發(fā)價值、可動流體資源量潛力方面具有非常重要的科學實踐意義。

可動流體一般存在于中大孔隙內(nèi)，束縛流體一般存在于細小孔隙內(nèi)。長63低滲透砂巖儲層單個樣品的可動流體參數(shù)分布的范圍差異也比較大，例如，核磁共振T2譜顯示，B105井樣品可動流體主要分布范圍為T2弛豫時間2.23～71.97 ms所對應(yīng)的孔隙中，而B78井樣品的可動流體主要分布范圍為1.86～644.95 ms所對應(yīng)的孔隙中，這說明并非所有的可動流體都存在于中大孔隙中，細小孔隙中也存在部分可動流體。

3 可動流體賦存特征影響因素分析

本次研究所選取的華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層12塊樣品的可動流體參數(shù)變化差異均很大，足以說明研究區(qū)的可動流體賦存特征足夠復雜，其控制影響因素也很多，并且通常是多個因素共同控制的結(jié)果。結(jié)合前人對可動流體賦存特征的研究，同時根據(jù)對本次所選取的12塊實驗樣品的具體分析，將從物性、微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征和黏土礦物3個方面來對可動流體的影響因素進行分析。

3.1 物性

通過分析12塊樣品孔隙度、滲透率分別與可動流體參數(shù)(可動流體百分數(shù)、可動流體孔隙度)的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)：儲層樣品的可動流體百分數(shù)分布范圍很廣，相對于孔隙度而言，滲透率與可動流體百分數(shù)和可動流體孔隙度均具有很好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.615 0和0.392 6；儲層的孔隙度與可動流體參數(shù)的相關(guān)性就比較弱，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.090 8和0.130 7(圖4)。但是孔隙度與可動流體孔隙度的相關(guān)性要好于它與可動流體百分數(shù)的相關(guān)性。

圖4 物性參數(shù)與可動流體飽和度、可動流體孔隙度相關(guān)性Fig.4 Correlation between physical property parameters and mobile fluid saturation and between physical property parameters and mobile fluid porosity

研究分析發(fā)現(xiàn)，儲層物性相近的樣品，可動流體參數(shù)差異也會很大。例如2號樣品和6號樣品，他們的孔隙度分別為8.94%、8.98%，滲透率分別為0.170 mD、0.102 mD，物性非常接近但是可動流體百分數(shù)分別為32.58%和45.67%?？紫抖群芨叩菨B透率相對比較低的儲層，可動流體百分數(shù)仍可能會很低。比如本次實驗 的8號樣品，孔隙度大小為12.44%，但是滲透率比較低僅為0.021 mD，綜合影響導致它的可動流體百分數(shù)只有2.16%。通過以上綜合分析，我們可以得出儲層物性對可動流體百分數(shù)是有一定的影響，但并不是絕對的。

3.2 儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征

通過對研究區(qū)樣品進行核磁共振、高壓壓汞、恒速壓汞等實驗，再進行對比分析，對可動流體賦存特征進行定量表征。分析發(fā)現(xiàn)樣品的可動流體百分數(shù)分布差異很大，而孔隙半徑的分布范圍主要集中在80～210 μm之間，平均為133 μm，分布區(qū)間和頻率近似一致(圖5a)；喉道半徑的分布范圍主要集中在0.1～2.5 μm之間，平均為0.5 μm，分布區(qū)間和頻率差異特別大(圖5b)。8號、10號和12號這3塊樣品均表現(xiàn)出“高孔隙度、低可動流體飽和度”的特征，由于喉道的非均質(zhì)性較強，微喉道發(fā)育，孔喉半徑比大，造成大孔隙被小喉道所包圍控制的局面，使得孔喉連通性差，流體的滲流阻力增大，從而出現(xiàn)孔隙度高但是可動流體飽和度低的現(xiàn)象。

圖5 華慶地區(qū)長63儲層孔隙半徑、喉道半徑分布頻率Fig.5 Frequency distribution of pore radius and throat radius of Chang-63 reservoir in Huaqing area

主流喉道半徑的分布和平均孔喉比的大小對致密砂巖儲層滲流能力的影響是至關(guān)重要的[10-13]。恒速壓汞實驗分析表明，長63致密砂巖儲層主流喉道半徑分布范圍為0.147～1.960 μm之間，平均值為0.635 μm；平均孔喉比分布范圍介于127.44～891.30之間，平均值為465.10?？蓜恿黧w孔隙度是儲層可動流體的定量化表征，如圖6所示，主流喉道半徑與可動流體飽和度和可動流體孔隙度均呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.392 5和0.800 8；平均孔喉比與可動流體飽和度和可動流體孔隙度均呈現(xiàn)出較好的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.477 7和0.496 6。主流喉道半徑與可動流體孔隙度的相關(guān)性要好于和可動流體飽和度的相關(guān)性，樣品隨著主流喉道半徑的增加，可動部分的孔隙和可動流體的含量增加明顯。平均孔喉比越大，流體滲流阻力越大，容易形成高孔隙度低可動流體飽和度的現(xiàn)象，但并非平均孔喉比越小越好，也有可能會出現(xiàn)小喉道包圍小孔隙的現(xiàn)象，可動流體飽和度含量也會變低。這說明喉道的結(jié)構(gòu)特征以及孔喉的連通性對于儲層可動流體百分數(shù)的影響起著關(guān)鍵性的控制作用。

圖6 主流喉道半徑、平均孔喉比與可動流體參數(shù)的相關(guān)性Fig.6 Correlation diagram of mainstream throat radius, average pore throat ratio and movable fluid parameters

3.3 黏土礦物

黏土礦物的成分、含量和分布形式均對儲層的可動流體賦存特征具有一定的影響[14-16]。X-衍射實驗分析表明，研究區(qū)長63致密砂巖儲層黏土礦物絕對含量分布范圍為1.26%～10.56%之間，平均值為4.70%；黏土礦物平均相對含量最高的是伊利石，平均相對含量為48.94%，綠泥石居中，伊/蒙混層次之，平均相對含量分別為37.63%和13.43%(表3)。大量的黏土礦物充填于孔隙和喉道之間，造成孔喉半徑變小，孔喉連通性變差，降低儲層的滲流性能，導致不可動流體增加，對可動流體賦存特征具有很大的破壞作用。

表3 華慶地區(qū)長63儲層X-衍射黏土礦物統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 3 Statistical data of X-diffraction clay minerals of Chang-63 reservoir in Huaqing area

研究區(qū)實驗樣品黏土礦物以孔隙充填型和搭橋型分布形式最為常見，少見孔隙襯墊型。黏土礦物主要充填在殘余粒間孔以及溶蝕孔中，其中以絲縷狀、絲帶狀伊利石和棉絮狀的伊/蒙混層充填粒間孔隙為主，堵塞、切割了孔隙和喉道，使得原本細小的喉道變得更為曲折狹窄，孔隙之間的連通性變差，流體通過孔喉空間更為不易，致使可動流體含量較低(圖7)。不同的黏土礦物由于其產(chǎn)狀和在孔喉中分布的形式不同，對可動流體賦存的影響也不相同。比如2號樣品，孔隙度為8.94%，滲透率為0.170 mD，伊利石、綠泥石、伊/蒙混層黏土礦物相對含量分別為82.85%、8.89%、8.26%，絕對含量為2.74%，大量伊利石充填在孔隙之間，使得微孔發(fā)育，喉道曲折縮小，可動流體飽和度為32.58%。5號樣品黏土礦物絕對含量為6.29%，伊利石、綠泥石、伊/蒙混層黏土礦物相對含量分別為18.95%、70.49%、10.56%，以膜狀貼附在孔隙邊緣形成孔隙襯邊的綠泥石對可動流體賦存的影響相對比較弱。因此可以說明，不同黏土礦物對可動流體賦存的影響不同，黏土礦物對致密砂巖儲層可動流體賦存特征有一定的影響，但并非單一黏土礦物所決定的，而是多種礦物共同作用綜合影響的結(jié)果。

圖7 華慶地區(qū)長63儲層掃描電鏡圖像Fig.7 SEM image of Chang-63 reservoir in Huaqing areaa.B123井，2 012.78 m，粒間、粒表伊利石、伊/蒙混層黏土及殘余孔隙；b.B78井，2 084.55 m，粒間伊利石、綠泥石黏土、晶粒狀黃鐵礦及殘余孔隙；c.B26井，1 801.25 m，粒間伊利石黏土填隙物及殘余孔隙；d.B105井，2 090.30 m，粒表微晶石英及襯墊狀綠泥石黏土。

4 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層可動流體飽和度基本介于2.16%～55.94%之間，平均值為28.24%，最大值和最小值的極差為25.90；可動流體孔隙度分布范圍基本介于0.29%～5.75%之間，平均值為2.37%，最大值和最小值的極差為19.82。致密砂巖儲層長63可動流體參數(shù)變化差異較大，非均質(zhì)性相對較強。

(2)華慶地區(qū)長63致密砂巖儲層T2譜分布形態(tài)復雜，主要表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu)形態(tài)，且左右峰幅度高低不等，同時具有一定的多峰和單峰形態(tài)，具體可分為左高右低型雙峰、左低右高型雙峰、左偏多峰型、右偏多峰型和單峰5種形態(tài)。

(3)長63儲層孔喉細小，非均質(zhì)性較強，孔喉連通性差異較大，可動流體賦存特征復雜，滲透率與可動流體參數(shù)的相關(guān)性相比于孔隙度較好。喉道的結(jié)構(gòu)特征以及孔喉的連通性對于儲層可動流體百分數(shù)的影響起著關(guān)鍵性的決定作用；同時黏土礦物的成分、含量以及分布形式對可動流體的賦存特征具有一定破壞作用。