致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)儲(chǔ)層含油性的影響
——以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組地層為例

馬旭晴，王浩男，李昌慶，劉慶茹

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710065； 2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065； 3.長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠， 陜西 西安 710016)

0 引言

致密砂巖油氣無(wú)明顯圈閉界限，多為源內(nèi)或近源聚集，呈連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)分布特征，并且儲(chǔ)層物性極差，存在多尺度儲(chǔ)集空間類型，層間及層內(nèi)非均質(zhì)性強(qiáng)(鄒才能等，2012；李愛(ài)芬等，2015；公言杰等，2016)。這些特征導(dǎo)致致密砂巖油氣不同于常規(guī)油氣，儲(chǔ)層的精細(xì)研究成為重中之重。微觀孔喉結(jié)構(gòu)是影響原油運(yùn)移和聚集、決定儲(chǔ)層質(zhì)量、控制儲(chǔ)層含油性的關(guān)鍵，前人在儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)的發(fā)育特征(畢明威等，2015)、孔喉結(jié)構(gòu)的分類及定量表征(Jin et al.，2018；趙繼勇等，2014；房濤等，2017)、孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層滲流特征的影響(Xiao et al.，2018；高旺來(lái)，2003；劉曉鵬等，2016)等方面做了大量工作。同時(shí)對(duì)油氣充注聚集的孔喉半徑上下限探討做了很多研究(曹青等，2013；張洪等，2014；吳康軍等，2016)，孔喉發(fā)育特征、孔喉含量及連通性對(duì)儲(chǔ)層含油性方面涉及較少，導(dǎo)致目前對(duì)致密砂巖油氣富集及“甜點(diǎn)”發(fā)育機(jī)理認(rèn)識(shí)不足。

本次運(yùn)用鑄體薄片、高壓壓汞、核磁共振等多方法、多手段定量表征儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征，以馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層為研究對(duì)象，深入分析孔喉結(jié)構(gòu)特征對(duì)儲(chǔ)層含油性影響，明確孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)原油充注與聚集的機(jī)理及致密砂巖油氣富集的有利孔喉?xiàng)l件，為致密砂巖油后期增儲(chǔ)上產(chǎn)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

1.1 儲(chǔ)層沉積及巖性特征

研究區(qū)處于鄂爾多斯盆地西南部，構(gòu)造上位于天環(huán)凹陷和陜北斜坡構(gòu)造帶過(guò)渡部位，整體呈東高西低的西傾單斜(圖1)。本文研究目的層段屬于鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)8地層，巖性以暗色泥巖、灰色粉細(xì)砂巖為主，平均厚度為85 m，區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布且厚度變化不大。長(zhǎng)7及長(zhǎng)9這兩套烴源巖層為長(zhǎng)8儲(chǔ)層油氣提供充足來(lái)源，同時(shí)泥巖層內(nèi)的生烴增壓為油氣的充注提供必要的動(dòng)力(郭凱，2017)。主要發(fā)育三角洲前緣沉積，其中包括水下分流河道、決口扇、水下天然堤等多種沉積微相。受西南方向物源控制，沉積砂體整體呈條帶狀分布，西南—東北方向展布，以細(xì)砂、中砂為主。根據(jù)400余塊巖礦資料統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)8地層以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，填隙物含量較高(平均大于9.5%)，以方解石、鐵方解石、綠泥石為主，顆粒分選中等，且以次棱角狀磨圓為主，反應(yīng)儲(chǔ)層巖石成分成熟度低、結(jié)構(gòu)成熟度中等的特征(肖暉等，2019)。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及研究區(qū)位置圖(據(jù)王浩男，2020修改)

1.2 物性及含油性特征

長(zhǎng)8儲(chǔ)層孔隙度分布在1.23%～20.07%之間，多數(shù)樣品孔隙度小于10%，以6%～10%為主，平均孔隙度為8.83%，屬于中—低孔儲(chǔ)層。滲透率分布在0.01×10-3μm2～11.61×10-3μm2之間，為超低滲透儲(chǔ)層。研究區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層為典型的中—低孔超低滲致密砂巖儲(chǔ)層。

長(zhǎng)8儲(chǔ)層含油非均質(zhì)性較強(qiáng)，含油飽和度在4.75%～60.2%范圍內(nèi)均有分布，分析不同樣品物性與含油性關(guān)系表明，致密砂巖儲(chǔ)層物性與含油性相關(guān)性不高(圖2)，同一物性下儲(chǔ)層中含油飽和度差異大。以上分析表明，油源供應(yīng)充足的條件下，除物性外，儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)也是含油性的重要影響因素。在儲(chǔ)層物性相差不大的情況下，孔喉結(jié)構(gòu)則對(duì)儲(chǔ)層含油性起決定性作用。

圖2 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8致密砂巖儲(chǔ)層物性與含油性關(guān)系

2 微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征

2.1 儲(chǔ)集空間類型及形態(tài)

長(zhǎng)8儲(chǔ)層發(fā)育粒間孔(面孔率分布在0.6%～8%，平均為2.1%)、粒內(nèi)孔(溶孔面孔率為0.7%～1.8%，平均為1.1%)及黏土孔(圖3c、f)三種儲(chǔ)集空間類型，部分可見(jiàn)成巖成因的裂縫。其中，粒間孔多為殘余粒間孔(圖3a、d)，個(gè)別溶蝕強(qiáng)烈地區(qū)可形成溶蝕粒間孔(圖3e)。該類孔隙形態(tài)不規(guī)則且多被黏土薄膜所包圍，孔徑相對(duì)較大，多為微米級(jí)孔隙。粒內(nèi)孔以長(zhǎng)石溶孔為主，巖屑溶孔次之(圖3b、e)，溶蝕孔孔徑相對(duì)較小，多為納米級(jí)孔隙。薄片觀察該類孔隙形態(tài)多呈圓形、串珠狀，以孤立狀孔隙和閉孔為主。

圖3 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8致密砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型及鏡下特征

2.2 孔喉大小、分布及連通性特征

選取不同物性典型樣品壓汞曲線可以看出(圖4)，隨著物性減小，孔喉分布整體由分選不好、略偏粗歪度過(guò)渡到分選相對(duì)較好、略偏細(xì)歪度，壓汞曲線平臺(tái)段距離縮短，且曲線平臺(tái)變緩，進(jìn)汞初始?jí)毫ψ兇蟮忍卣?。?chǔ)層非常致密時(shí)，孔喉小且集中分布。長(zhǎng)8儲(chǔ)層排驅(qū)壓力分布在0.18～10.34 MPa之間(圖5a)，多數(shù)分布在0.3～3.5 MPa之間，占80%以上。樣品中值半徑普遍小于1 μm，主體分布在0.01～0.1 μm之間，有約13%的樣品中值半徑在0.01μm以下(圖5b)。以上分析表明，儲(chǔ)層整體致密、孔喉發(fā)育復(fù)雜、排驅(qū)壓力高、中值壓力大等特征。

圖4 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8致密砂巖儲(chǔ)層不同物性壓汞曲線特征

圖5 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8致密砂巖儲(chǔ)層孔喉大小特征

通過(guò)對(duì)15塊致密砂巖樣品進(jìn)行核磁共振分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)儲(chǔ)層束縛水飽和度最小為37.29%，最大可達(dá)93.55%，平均為64.91%，束縛水含量整體偏高?？蓜?dòng)水飽和度為2.02%～49.52%，平均為24.53%。

3 微觀孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)含油性的影響

3.1 儲(chǔ)集空間類型及形態(tài)與含油性

成巖地質(zhì)時(shí)期壓實(shí)作用越弱，儲(chǔ)層原生粒間孔隙和喉道連通性保存較好，利于孔隙中酸性流體的流動(dòng)，與可溶顆粒間接觸可增加巖石表面溶蝕率。溶蝕孔含量與粒間孔含量變化趨勢(shì)基本相同也很好的說(shuō)明了這一觀點(diǎn)(圖6)。含油飽和度與溶蝕孔、粒間孔的變化趨勢(shì)一致，當(dāng)儲(chǔ)層中孔隙含量增加時(shí)，含油飽和度也呈增加趨勢(shì)。

圖6 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層含油飽和度和不同類型儲(chǔ)集空間含量變化關(guān)系

此外，綠泥石薄膜的存在不僅可減少壓實(shí)作用，同時(shí)使孔喉表面轉(zhuǎn)為親油性特征，有利于油氣聚集(操應(yīng)長(zhǎng)等，2018)。隨著深度增加，綠泥石含量與含油飽和度均呈增加趨勢(shì)(圖7)，更加證實(shí)了上述論斷。

圖7 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層綠泥石相對(duì)含量和含油飽和度縱向變化關(guān)系

3.2 孔喉相對(duì)發(fā)育程度與含油性

儲(chǔ)層中孔隙主要起儲(chǔ)集作用，喉道則為滲流的主要通道，控制油氣的充注、運(yùn)移和聚集。因此，儲(chǔ)層中除孔隙外，喉道的發(fā)育程度也是影響含油性的重要因素，根據(jù)壓汞的孔喉體積比參數(shù)來(lái)反映儲(chǔ)層中孔隙和喉道的相對(duì)發(fā)育程度。樣品孔喉體積比計(jì)算公式(葸克來(lái)，2016)為：

Vr=Sr/(Smax-Sr)

(1)

式(1)中，Vr為樣品平均孔喉體積比；Sr為殘余汞飽和度/%；Smax為最大進(jìn)汞飽和度/%。

研究區(qū)儲(chǔ)層孔喉體積比主體分布在0.76～5，含油飽和度與孔喉體積比呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)(圖8)。

圖8 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8致密砂巖儲(chǔ)層孔喉體積比與含油飽和度關(guān)系

孔喉體積比在1.7～3時(shí)，儲(chǔ)層含油飽和度均較高，多數(shù)大于40%；孔喉體積比小于1.7時(shí)，隨著體積比的增加含油飽和度增加，而孔喉比大于3時(shí)則相反。儲(chǔ)層含油性受孔隙和喉道共同控制，喉道為主的儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間相對(duì)較小，而孔隙為主的儲(chǔ)層孔隙無(wú)法有效連通，也不利于原油的聚集。因此，適中的孔喉體積比同樣是控制儲(chǔ)層含油性的關(guān)鍵。

3.3 孔喉分布及大小與油氣充注

分選系數(shù)可以很好的反應(yīng)儲(chǔ)層中孔喉的分布情況。圖9顯示，分選系數(shù)與含油飽和度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.52，當(dāng)分選系數(shù)Sp大于3.0時(shí)，儲(chǔ)層含油飽和度達(dá)到30%以上，分選系數(shù)較低時(shí)含油飽和度也較低。表明孔喉大小分布過(guò)于集中時(shí)，不利于致密砂巖儲(chǔ)層油氣的充注。但注意到，這里只是考慮孔喉的分布，孔喉的大小同樣是另一個(gè)主要因素，以下將對(duì)孔喉大小的影響進(jìn)行分析。

圖9 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層孔喉分選系數(shù)Sp與含油飽和度關(guān)系

致密砂巖油氣藏多由于生烴增壓、黏土礦物膨脹等動(dòng)力形成，因此致密砂巖油藏的形成應(yīng)該存在一個(gè)孔喉上下限值，上限值則為浮力成藏的最小孔喉半徑?？缀泶笥谠撝禃r(shí)，油氣則會(huì)在浮力作用下發(fā)生運(yùn)移聚集，形成常規(guī)油氣藏(趙靖舟等，2012)。研究認(rèn)為，研究區(qū)地層傾角低，平均不足1°，單位油柱高度產(chǎn)生的最大浮力為0.1 MPa，對(duì)應(yīng)半徑大約為7.34 μm(白玉彬等，2014)，當(dāng)傾角為90°時(shí)，下限值為2.94 μm(侯啟軍等，2011)。下限值由于充注壓力和孔喉結(jié)構(gòu)的影響，不同地區(qū)差異較大。在求取孔喉下限值時(shí)考慮束縛水膜的影響，求得該地區(qū)油氣充注孔喉半徑下限為0.077 μm(王浩男等，2020)。

隨著含油飽和度的增加，孔喉分布峰值不斷變大，向偏粗歪度過(guò)渡，并且大于0.077 μm的孔喉含量占比明顯增大(圖10)。因此，當(dāng)孔喉分布較均勻且大于充注下限值的孔喉含量越多，儲(chǔ)層含油性越好。

圖10 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層孔喉分布與含油飽和度特征

3.4 孔喉連通性與油氣充注

孔喉的連通性好壞同樣也控制著油氣充注的強(qiáng)弱，連通孔喉的含量影響著儲(chǔ)層含油飽和度的大小。核磁共振自由水飽和度表示儲(chǔ)層孔隙空間中可以自由流動(dòng)的流體多少，其值越大反映儲(chǔ)層中孔喉連通性越好，反之亦然。本次以半徑在0.077～7.34 μm的孔喉為研究對(duì)象進(jìn)行分析。圖11顯示，自由水和束縛水含量變化較大，其中束縛水占孔喉總體積的3.2%～52.7%，平均為22.8%；自由水含量為7.83%～54.2%，平均為24.5%。從含油飽和度和自由水含量的變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著儲(chǔ)層自由水含量增加，含油飽和度也相應(yīng)增加。同時(shí)也注意到，當(dāng)儲(chǔ)層中自由水與束縛水飽和度比值越大，含油飽和度明顯越大。自由水含量越高，連通孔喉含量越多，該部分孔喉連通性越好，越有利于原油的充注和聚集。

圖11 馬嶺地區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層不同半徑孔喉自由水和束縛水含量分布特征及其與含油飽和度的關(guān)系

綜上，儲(chǔ)層中孔喉連通性對(duì)油氣充注有明顯的控制作用，尤其是0.077～7.34 μm的孔喉連通性對(duì)儲(chǔ)層油氣充注起決定性作用。其中自由水飽和度占總孔喉比越高，自由水與束縛水飽和度比值越大，越有利于原油的聚集，儲(chǔ)層含油飽和度越高。

4 結(jié)論

(1)馬嶺長(zhǎng)8儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育粒間孔和粒內(nèi)孔等多種納米級(jí)的孔喉，粒內(nèi)孔多以溶蝕成因?yàn)橹?。除物性外，孔喉結(jié)構(gòu)也是影響致密砂巖儲(chǔ)層含油性的另一重要因素，物性相差不大的儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)則對(duì)儲(chǔ)層含油性起決定性作用。

(2)儲(chǔ)層孔喉中值半徑多小于1 μm，主體分布在0.01～1 μm之間，孔喉結(jié)構(gòu)具有排驅(qū)壓力高、中值壓力大、束縛水飽和度高(平均為64.91%)、儲(chǔ)層含油性受變化差異大等特點(diǎn)。

(3)儲(chǔ)層含油性受孔隙類型、孔喉分布及大小、孔喉連通性等因素共同控制。粒間孔發(fā)育良好、孔喉體積比中等(Vr為1.7～3)、大于充注下限值(0.077 μm)的孔喉含量高且連通性好均為儲(chǔ)層含油性有利條件。

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