鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖不同尺度孔喉分形特征及其控制因素

王 偉，陳朝兵，許 爽，李亞輝，朱玉雙，黃星元

1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2.西安石油大學 地球科學與工程學院，西安 710065；3.中國石油 長慶油田分公司，陜西 延安 716000；4.西北大學 地質(zhì)學系，西安 710069

致密砂巖油藏是目前全球石油勘探開發(fā)領(lǐng)域研究的熱點[1-5]。中國2020年原油進口突破5.4×108t，對外依存度已超過70%，迫切需要提高致密砂巖油藏開發(fā)規(guī)模和效率，實現(xiàn)非常規(guī)能源的戰(zhàn)略接替。致密砂巖孔喉特征影響著油藏油氣分布規(guī)律和富集特征，是致密砂巖油藏研究的關(guān)鍵[6-12]。受沉積環(huán)境和成巖作用影響，致密砂巖孔喉狹小，微觀孔喉結(jié)構(gòu)復雜，非均質(zhì)性強，傳統(tǒng)的測試手段難以表征致密砂巖孔喉形態(tài)特征，結(jié)合分形幾何理論可以對致密砂巖復雜孔喉結(jié)構(gòu)進行深入研究[13-14]。前人利用分形理論對砂巖孔喉進行研究，證實了砂巖中孔喉具備分形特征，可以用分形維數(shù)表征砂巖孔喉結(jié)構(gòu)[15-18]。但致密砂巖孔喉分布范圍大，不同半徑孔隙和喉道微觀結(jié)構(gòu)和分形特征必然有所差異，需要對不同尺度孔喉分形特征進行研究。本次研究以鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖為研究對象，利用鑄體薄片、掃描電鏡(SEM)和恒速壓汞(RCP)方法，對砂巖孔隙和喉道的大小、形態(tài)進行研究，并根據(jù)恒速壓汞進汞曲線，研究了致密砂巖孔隙與喉道的分形特征。根據(jù)分形曲線轉(zhuǎn)折點，將孔喉分成小尺度和大尺度2種類型，計算了大尺度孔喉和小尺度孔喉分形維數(shù)(D)，討論了不同尺度孔喉分形維數(shù)差異及其形成原因。研究結(jié)果對了解致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)及非均質(zhì)性有重要意義。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是具有克拉通基底的大型坳陷盆地，含有豐富的油氣資源。姬塬地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西部，橫跨天環(huán)凹陷和陜北斜坡(圖1a)[19]，該區(qū)域上三疊統(tǒng)延長組致密油有效開發(fā)儲量超過20×108t，勘探前景巨大，是鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖油藏主力區(qū)域。姬塬地區(qū)延長組自下而上劃分為長10—長1共10個段[20]。其中長6段和長7段沉積時期為三角洲—半深湖沉積環(huán)境，巖性以細粒砂巖和暗色泥巖為主(圖1b)[21-22]。長7期半深湖—深湖環(huán)境中形成一套大面積分布的優(yōu)質(zhì)烴源巖，是延長組油氣的主要來源[23-24]。烴源巖生成的油氣近距離運移進入相鄰的長6段和長7段致密砂巖中，形成大規(guī)模致密砂巖油藏。

圖1 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造(a)及上三疊統(tǒng)延長組地層特征(b)

2 實驗原理

2.1 恒速壓汞

恒速壓汞實驗使用ASPE-730型恒速壓汞分析儀。實驗最大進汞壓力為6.205 MPa，汞注入速率為5×10-5mL/min，接觸角為140°，表面張力為485 dyne/cm。實驗時以極低速度向巖石樣品中注入汞，通過進汞壓力的變化來分辨巖石中的孔隙與喉道[15]。由于恒速壓汞最大進汞壓力較低，該實驗?zāi)茏R別的最小喉道半徑為0.12 μm。

2.2 分形維數(shù)計算原理

本次研究通過恒速壓汞進汞曲線計算致密砂巖孔隙和喉道的分形維數(shù)。根據(jù)分形理論[25]，若致密砂巖孔喉分布符合分形結(jié)構(gòu)，則有關(guān)系式：

N(r)∝r-D

(1)

式中：r為單個孔喉的半徑，μm；D為該孔喉對應(yīng)的分形維數(shù)；N(r)為半徑大于r的孔喉數(shù)。

根據(jù)毛細管模型[16]，N(r)可以表示為：

N(r)=VHg/(πr2l)

(2)

式中：l為毛細管長度，μm，VHg為對應(yīng)毛細管壓力下累計進汞體積，μm3。結(jié)合毛細管計算公式[26]：

Pc=2σcosθ/r

(3)

式中：Pc為毛細管壓力，MPa；σ為表面張力,dyne/cm；θ為接觸角，(°)。

可以得到：

N(r)∝Pc-(2-D)

(4)

因此毛細管力(Pc)和汞飽和度(VHg)取雙對數(shù)后呈線性關(guān)系，且擬合直線的斜率(S)與孔喉分形維數(shù)(D)滿足以下關(guān)系：

D=S+2

(5)

3 實驗結(jié)果

3.1 孔喉類型

根據(jù)鏡下觀察，姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙類型主要為剩余粒間孔、溶蝕孔隙和晶間孔隙。剩余粒間孔為原始粒間孔隙受壓實和膠結(jié)等成巖作用改造后形成的，其邊緣平直，一般呈三角形等規(guī)則形狀[27](圖2a)。姬塬地區(qū)致密砂巖壓實作用強烈，膠結(jié)物含量高，嚴重壓縮了粒間孔隙，因此致密砂巖剩余粒間孔含量低(平均含量為0.92%)。鄂爾多斯盆地延長組長6段、長7段致密砂巖與長7段烴源巖緊密接觸，烴源巖生烴時形成的大量酸性流體會進入相鄰致密砂巖儲層溶蝕碎屑顆粒，形成墨水瓶狀、港灣狀等不規(guī)則孔隙空間(圖2b，c)。長6段、長7段致密砂巖溶蝕作用強烈，砂巖中發(fā)育大量溶蝕孔隙(平均含量為1.17%)。部分溶蝕孔隙連片形成復合孔隙。

圖2 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙和喉道微觀特征

致密砂巖中發(fā)育伊利石、綠泥石等黏土礦物。黏土礦物發(fā)育晶間孔(圖2d)。晶間孔半徑較小，在致密砂巖中含量較低(平均含量為0.08%)。受壓實作用和膠結(jié)作用影響，致密砂巖喉道類型主要為縮頸狀喉道和彎片狀喉道，其中縮頸狀喉道由多個碎屑顆粒相互接觸形成，半徑一般較小(圖2e)；彎片狀喉道為顆粒間狹長空間，半徑一般較大(圖2f)。因此致密砂巖小孔隙主要為壓實作用形成的剩余粒間孔和自生黏土礦物中發(fā)育的晶間孔；大孔隙主要為溶蝕作用形成的溶蝕孔隙和復合孔隙。致密砂巖中小喉道主要為縮頸狀喉道，大喉道主要為彎片狀喉道。

3.2 孔喉分布特征

姬塬地區(qū)樣品孔隙度分布范圍為7.8%～15.5%，平均值為10.9%，滲透率分布范圍為(0.02～0.26)×10-3μm2，平均值為0.16×10-3μm2(表1)，屬于典型的致密砂巖。樣品孔隙度與滲透率之間相關(guān)性差(圖3)，表明樣品中存在微裂縫或者部分連通性極好的孔隙，這部分空間主導了流體在樣品中的流動。

表1 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔喉分布和分形維數(shù)統(tǒng)計

圖3 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū) 致密砂巖孔隙度與滲透率相關(guān)性

姬塬地區(qū)致密砂巖喉道半徑和孔隙半徑分布曲線都呈現(xiàn)單峰狀，其中孔隙半徑主要分布在100～200 μm，孔隙半徑平均值為135.51 μm，整體較均勻(圖4a)；喉道半徑分布范圍較寬，主要分布在0.2～0.8μm(圖4b)，喉道半徑平均值為0.53μm。致密砂巖孔隙分布非均質(zhì)性較弱，喉道分布非均質(zhì)性較強。

圖4 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙和喉道分布頻率

3.3 孔喉分形特征

分形維數(shù)可以反映孔喉的非均質(zhì)性，分形維數(shù)越大，孔喉空間越復雜，非均質(zhì)性越強[28]。根據(jù)恒速壓汞的孔隙和喉道進汞曲線，得到lgSHg—lgPc分形曲線，計算分形曲線線性擬合斜率，從而得到測試范圍內(nèi)孔隙和喉道的分形維數(shù)特征(圖5)。從分形曲線中觀察到，孔隙和喉道的分形曲線存在明顯的轉(zhuǎn)折點。轉(zhuǎn)折點代表滲流能力強的大尺度孔喉向滲流能力差的小尺度孔喉的過渡[16]。轉(zhuǎn)折點前后分形曲線斜率差異明顯，且線性擬合性好，表明不同尺度孔喉分形維數(shù)有一定差異。

當進汞壓力小于轉(zhuǎn)折點壓力時，對應(yīng)大尺度孔隙和喉道；當進汞壓力大于轉(zhuǎn)折點壓力時，對應(yīng)小尺度孔隙和喉道。小尺度孔隙分形維數(shù)分布為2.16～2.99，平均值為2.50；大尺度孔隙分形維數(shù)分布為10.80～20.26，平均值為14.07。小尺度喉道分形維數(shù)分布為2.76～3.98，平均值為3.47；大尺度喉道分形維數(shù)分布為7.00～20.50，平均為10.69(表1)。大尺度孔隙和喉道的分形維數(shù)明顯大于小尺度孔隙和喉道，表明其非均質(zhì)性強。

圖5 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙和喉道分形特征

4 討論

4.1 分形維數(shù)與有效儲集空間關(guān)系

孔喉分形曲線由進汞曲線轉(zhuǎn)換的lgSHg—lgPc散點擬合而成，因此分形曲線形態(tài)與進汞曲線有很好的一致性(圖6)。當進汞曲線斜率高時，其轉(zhuǎn)換成分形曲線線性擬合斜率也高，形成較大的分形維數(shù)。因此當孔喉有效儲集空間較大時，在進汞壓力的驅(qū)使下，非潤濕性的汞會更多地進入孔隙空間，即同等驅(qū)替壓力下，儲集性越好的孔隙其進汞飽和度越高，致使孔喉進汞曲線斜率高，孔喉的分形維數(shù)較大。并且樣品中小尺度孔隙和喉道的分形維數(shù)小于大尺度孔隙和喉道的分形維數(shù)。該現(xiàn)象也證實了分形維數(shù)受孔喉儲集性的影響。孔喉有效儲集空間越大，其分形維數(shù)越大。

小尺度孔隙和喉道空間儲集能力低，分形曲線線性擬合斜率低，分形維數(shù)較小。大尺度孔隙和喉道具有極強的空間儲集能力，進汞曲線轉(zhuǎn)換的分形曲線線性擬合斜率高，分形維數(shù)大于7，遠遠超過了三維空間分形維數(shù)的上限3，其原因在下節(jié)討論。

4.2 成巖作用對孔喉分形特征的影響

壓汞飽和度與注入壓力的分形關(guān)系的建立，是基于孔隙空間為圓形和喉道空間為圓柱形的假設(shè)上[公式(2)][16, 29]，且三維空間分形維數(shù)理論上位于2～3之間[30]。本次研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)樣品的喉道和大尺度孔隙分形維數(shù)超過3，分形曲線線性擬合好。學者在其他層位致密砂巖和煤巖孔隙空間中也得到了分形維數(shù)大于3的結(jié)果[16,28,31]，表明分形維數(shù)大于3在巖石孔隙空間普遍存在，可以用分形模型對砂巖中大尺度孔喉空間特征進行表征和分析。

圖6 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖恒速壓汞進汞曲線(a)與分形特征(b)

從掃描電鏡觀察到，小尺度喉道主要為壓實作用、膠結(jié)作用形成的縮頸狀喉道，該類型喉道非均質(zhì)性較強，分形維數(shù)主要位于3～4，平均分形維數(shù)為3.47，與理想分形關(guān)系差異較小，表明小尺度喉道形狀有一定程度的變形。小尺度孔隙主要為壓實作用形成的剩余粒間孔和膠結(jié)礦物中的晶間孔。該類型孔隙半徑較小，形狀接近圓柱形，非均質(zhì)性較弱。其分形維數(shù)位于2～3之間，平均分形維數(shù)為2.50，滿足理想分形關(guān)系，可以用分形維數(shù)表征小尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征。

在壓實作用影響下，致密砂巖碎屑顆粒間緊密接觸，形成狹長喉道；喉道膠結(jié)作用微弱，喉道內(nèi)壁光滑，無膠結(jié)物存在，從而形成彎片狀的大尺度喉道(圖7a)。彎片狀喉道長度可達50 μm(圖7b)，與微裂隙形態(tài)接近，形成較大的分形維數(shù)[16]，平均分形維數(shù)為10.69。

致密砂巖中溶蝕作用強烈，形成大尺度溶蝕孔隙和復合孔隙(圖7c)。相比于常規(guī)孔隙，復合孔隙形狀復雜，非均質(zhì)性強，其內(nèi)部有效儲集空間大，半徑可達200 μm(圖7d)。當流體突破喉道進入復合孔隙中時，進汞飽和度增長快，對應(yīng)分形曲線的線性擬合斜率較大，平均分形維數(shù)為14.07。

圖7 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖大尺度孔隙和喉道微觀特征

致密砂巖彎片狀喉道和復合孔隙有效儲集空間大，孔喉空間復雜，非均質(zhì)強，不是理想形狀，不滿足理想分形關(guān)系。大尺度孔隙和喉道分形維數(shù)普遍大于8，甚至可以到20，表明該大尺度孔喉空間復雜，非均質(zhì)性較強。

綜上，成巖作用對致密砂巖孔喉分形特征有重要影響。小尺度孔隙(剩余粒間孔、晶間孔)和小尺度喉道(縮頸狀喉道)壓實作用和膠結(jié)作用強烈，顆粒間空間縮小，形成的孔喉半徑較小，空間變形不明顯。因此小尺度孔喉簡單，非均質(zhì)性弱，分形維數(shù)較小。大尺度孔隙(溶蝕孔隙和復合孔隙)和壓實作用形成的大尺度喉道(彎片狀喉道)溶蝕作用強烈，膠結(jié)作用微弱，溶蝕作用擴展了顆?？臻g，孔喉半徑較大，但孔隙形態(tài)不規(guī)則，孔喉空間變形明顯。因此大尺度孔喉空間復雜，非均質(zhì)性強，分形維數(shù)較大。

5 結(jié)論

(1)致密砂巖孔隙和喉道分形曲線具有明顯的轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折點前后線性擬合曲線斜率差異大，表明孔隙和喉道具有2種分形維數(shù)。

(2)小尺度孔隙主要為剩余粒間孔和晶間孔，分形維數(shù)平均值為2.50；大尺度孔隙主要為溶蝕孔隙和復合孔隙，分形維數(shù)平均值為14.07。小尺度喉道主要為縮頸狀喉道，分形維數(shù)平均值為3.47；大尺度喉道主要為彎片狀喉道，分形維數(shù)平均值為10.69。不同尺度孔喉分形維數(shù)差異明顯。

(3)孔隙分形維數(shù)越高，其非均質(zhì)性越強。小尺度孔喉壓實作用和膠結(jié)作用強烈，非均質(zhì)性弱，分形維數(shù)較小。大尺度孔喉溶蝕作用強烈，孔喉變形嚴重，非均質(zhì)性強，分形維數(shù)較大。成巖作用對孔喉分形特征有重要影響。