鄂爾多斯盆地東緣A區(qū)塊上古生界致密砂巖儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征*

劉 暢 陳桂華 路媛媛 王恩博

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

“十三五”期間，中國海油在鄂爾多斯東緣A區(qū)塊上古生界探明致密砂巖氣儲量超千億方，是未來中國海油天然氣增儲上產(chǎn)的主戰(zhàn)場，成為研究的熱點領(lǐng)域[1-3]。伴隨著勘探開發(fā)進(jìn)程及成藏主控因素研究的不斷深入，致密砂巖儲層強非均質(zhì)性的特點愈發(fā)顯現(xiàn)，具體體現(xiàn)在同一沉積微相類型儲層物性差異很大，這主要是由于致密砂巖儲層在沉積后普遍經(jīng)歷了多期多種類型的成巖作用，導(dǎo)致儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，繼而宏觀上控制了儲層物性差異、儲層內(nèi)氣水分布規(guī)律以及儲層含氣量[4]?？偨Y(jié)來說，儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)直接決定了儲層品質(zhì)，導(dǎo)致壓后產(chǎn)能差異巨大，在不斷刷新高產(chǎn)記錄的同時，也出現(xiàn)了一批低產(chǎn)低效井，嚴(yán)重制約了氣田未來的開發(fā)上產(chǎn)進(jìn)程。致密砂巖儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征方法很多，可分為直接圖像觀測和間接數(shù)值測定兩類。鑄體薄片和掃描電鏡可直接觀察孔隙和喉道的大小、形態(tài)、連通性以及孔喉配置關(guān)系[5]，是最為常見的直接觀察孔隙結(jié)構(gòu)的定性實驗方法。間接測量法主要包括三類：通過流體充注獲取孔喉結(jié)構(gòu)信息的常規(guī)/高壓/恒速壓汞技術(shù)[6-7]；利用自旋原子核的核磁共振弛豫現(xiàn)象分析微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征的核磁共振技術(shù)，可以獲取樣品的毛管束縛水含量[8]；借助X射線的穿透性的CT實驗，通過三維重構(gòu)技術(shù)可以獲取樣品孔喉配置關(guān)系、分布及連通性等孔隙結(jié)構(gòu)定量參數(shù)[9-11]。上述孔喉結(jié)構(gòu)表征方法都具有各自一定的局限性和適用范圍，在不同角度和尺度上研究儲層孔隙結(jié)構(gòu)[12]。由于致密砂巖儲層非均質(zhì)性強，孔喉半徑分布范圍較廣(從幾個納米到幾百微米)，單一方法很難全面表征其孔喉系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者研究中多采用多方法結(jié)合開展綜合表征[13-18]。本次研究綜合采用鑄體薄片、掃描電鏡、納米CT、高壓壓汞、恒速壓汞以及核磁共振等高精度實驗技術(shù)，從定性及定量兩個維度，對鄂爾多斯東緣上古生界致密砂巖儲層開展微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征研究，明確微觀孔喉基本特征及與儲層物性的關(guān)系，揭示孔隙組合及分布特征并開展可動性評價，同時也將對鄂爾多斯東緣上古生界致密砂巖氣藏下一步滾動勘探具有一定的理論指導(dǎo)作用。

1 地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地東緣A區(qū)塊構(gòu)造上位于伊陜斜坡與晉西撓褶帶的交匯處[19](圖1a)，多年勘探評價揭示，上古生界是研究區(qū)致密砂巖氣主力產(chǎn)層，自下而上發(fā)育本溪組、太原組、山西組、石盒子組以及石千峰組[20](圖1b)。其中本溪組至山西組為研究區(qū)主要的煤系烴源巖層系，石盒子組至石千峰組是研究區(qū)主力勘探層系，為陸相三角洲沉積，廣泛發(fā)育的分流河道砂巖提供了優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，分流間灣的泥質(zhì)沉積提供了良好的區(qū)域性上覆蓋層及側(cè)向封堵，整體具備形成有效巖性圈閉的儲蓋條件。儲層巖石學(xué)特征相對復(fù)雜，主要為巖屑砂巖、長石巖屑砂巖及巖屑石英砂巖等。強烈的壓實及膠結(jié)作用造成儲層整體致密化，孔隙度主體4%～10%，滲透率主體0.1～1.0 mD，總體屬于低孔—特低滲型儲層。本次研究所選200余塊致密砂巖樣品垂向上覆蓋石盒子組及石千峰組，平面上均勻分布于A區(qū)塊不同井區(qū)，巖性覆蓋含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖和細(xì)砂巖，所有樣品均進(jìn)行鑄體薄片鑒定及孔隙度、滲透率測定。由于研究區(qū)石盒子組及石千峰組地層整體具有相似的沉積背景，因此綜合考慮巖性和物性差異，同時為更好表征微觀孔喉差異，選擇典型層位、巖性及物性的代表性樣品(①～④)進(jìn)行掃描電鏡、壓汞、核磁及CT實驗，系統(tǒng)研究致密砂巖儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)對儲集能力和滲流能力的影響(表1)。

圖1 鄂爾多斯盆地東緣A區(qū)塊構(gòu)造位置(a)及地層巖性柱狀圖(b)

表1 研究區(qū)典型致密砂巖樣品

2 孔隙類型及其組合特征

2.1 孔隙類型

通過鑄體薄片及掃描電鏡觀察，結(jié)合高壓壓汞、核磁共振等實驗結(jié)果，揭示出研究區(qū)主要發(fā)育殘余粒間孔、溶蝕孔和晶間孔3種孔隙類型。

殘余粒間孔是原生粒間孔經(jīng)壓實、膠結(jié)作用后的剩余部分，殘余粒間孔孔徑大、連通性好，其發(fā)育層段是勘探開發(fā)的甜點區(qū)(圖2a)。高壓壓汞曲線形態(tài)上，殘余粒間孔的特征主要為進(jìn)汞飽和度高(達(dá)到90%)，排驅(qū)壓力排驅(qū)壓力低(0.1 MPa)，進(jìn)汞曲線存在明顯的“弱平臺狀”(圖3a-①)，孔喉半徑主要分布在0.1～3 μm(圖3b-①)，樣品滲流能力強，分選好。核磁共振T2譜分布曲線呈現(xiàn)明顯雙峰特征，雙峰峰值對應(yīng)的T2弛豫時間長，左峰離心效果差，主要由連通性差的小孔隙組成，主要代表了粒內(nèi)溶孔和晶間孔；右峰離心效果好，右峰所代表的孔隙部分可動性好，主要為孔徑較大的孔隙組成(圖4a)。

圖2 研究區(qū)掃描電鏡下典型孔隙類型特征

圖3 研究區(qū)典型壓汞曲線形態(tài)(a)及孔徑分布(b)特征

圖4 研究區(qū)典型樣品核磁共振T2譜分布特征

溶蝕孔主要為不穩(wěn)定組分經(jīng)酸性流體溶解后所形成的儲集空間，可分為粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔兩類(圖2b、c)。粒間溶孔一般連通性好，進(jìn)汞曲線特征呈現(xiàn)短暫“弱平臺狀”，排驅(qū)壓力低(0.6 MP)，進(jìn)汞飽和度高(達(dá)到80%)(圖3a-②)，孔喉半徑主要分布在0.2～1 μm(圖3b-②)，顆粒分選較好。核磁共振T2譜分布曲線呈現(xiàn)雙峰特征，左峰高于右峰，表明小孔所占的比例略高，左峰離心效果差，基本上全為束縛流體，右峰可動性好(圖4b)。因此粒間溶孔對儲層儲集物性具有明顯的改善作用，特別在埋深較大，壓實作用強烈，原生孔隙破壞嚴(yán)重的情況下，粒間溶孔的發(fā)育貢獻(xiàn)了主要的孔隙體積。粒內(nèi)溶孔孔隙連通性差，多為孤立的死孔隙，壓汞曲線形態(tài)上表現(xiàn)為一種“斜直狀”，表明樣品顆粒分選性極差，排驅(qū)壓力較高，進(jìn)汞飽和度偏低(圖3a-③)，孔喉半徑均小于1 μm(圖3b-③)。核磁共振T2譜分布曲線為單峰，離心效果差，表明孔隙連通性差，可動飽和度低(圖4c)，因此粒內(nèi)溶孔對巖石儲集物性改善不明顯。

晶間孔主要為黏土礦物晶間孔，多為發(fā)育在礦物晶粒之間的孔隙(圖2d)，該類孔隙孔徑小，多為微納米級別，對天然氣的儲集和滲流能夠起到一定的貢獻(xiàn)。晶間孔的高壓壓汞曲線呈現(xiàn)短而小的特征，進(jìn)汞飽和度低(僅為24%)，排驅(qū)壓力高(2 MPa)，表明樣品滲流能力差，孔隙連通差(圖3a-④)，孔喉半徑小于0.2 μm(圖3b-④)。核磁共振T2譜分布曲線主要為單峰，T2弛豫時間短，峰值之所對應(yīng)的孔隙度分量小，表明總孔隙度低，離心效果差，幾乎全為束縛水(圖4d)。

高壓壓汞和核磁共振能夠很好的反映了研究區(qū)內(nèi)巖石樣品滲流能力的變化。圖3、4中①、②兩個樣品反映出孔隙度相近(樣品①孔隙度11.76%；樣品②孔隙度10.13%)，但滲透率存在較大差異的特點。與樣品②相比，樣品①進(jìn)汞曲線呈現(xiàn)明顯的“下凹狀”，存在弱平臺段，核磁共振T2譜呈現(xiàn)出明顯的雙峰的特征，總的弛豫時間長，表明樣品中存在較大的連通喉道，使得在較低壓力時便能在樣品中形成連通的通道，孔喉半徑多大于1 μm。樣品①從進(jìn)汞飽和度20%到60%壓力僅增加了1.5 MPa，而樣品②的進(jìn)汞壓力則增加了8 MPa，表明樣品②中存在大量的小孔喉，孔喉半徑均小于1 μm，核磁共振T2譜主要表現(xiàn)為單峰，峰值所對應(yīng)的弛豫時間短，總弛豫時間短。這些微觀孔喉的差異導(dǎo)致兩者滲透率存在明顯差別(樣品①滲透率為17.270 mD，而樣品②的滲透率僅為1.334 mD)?？梢妰游⒂^孔喉結(jié)構(gòu)決定了其宏觀物性，大孔不僅對孔隙起著重要的控制作用，同時對樣品的滲流特征也存在明顯的影響。

2.2 孔隙組合特征

根據(jù)不同類型孔隙相互依存關(guān)系及相對含量，研究區(qū)發(fā)育以下5種孔隙組合類型。

粒間孔型：表現(xiàn)為粒間溶孔發(fā)育，同時可見明顯的殘余粒間孔，晶間孔比例小于20%。這類組合孔隙大，連通性好，是甜點區(qū)的孔隙組合類型。

粒間孔+溶蝕孔+晶間孔型：粒間孔比例下降，溶蝕孔比例增加，孔隙類型整體以溶蝕孔為主，晶間孔比例小于40%。這類組合孔隙較發(fā)育，但連通性一般。

粒間孔+晶間孔型：表現(xiàn)為少量粒間孔發(fā)育，同時可見長石向高嶺石蝕變或溶蝕孔被高嶺石充填以及粒間孔被綠泥石充填從而形成的晶間孔。

溶蝕孔+晶間孔型：殘余粒間孔不發(fā)育，溶蝕孔比例大于30%，溶蝕孔可被伊利石、高嶺石所充填，表現(xiàn)為片狀分布的溶蝕孔和黏土礦物晶間孔。

晶間孔型：孔隙類型主要為黏土礦物晶間孔，很難見到明顯的粒間孔或溶蝕孔。

3 不同組合類型孔喉特征

巖石中的儲集空間除孔隙外，還包括起連接孔隙作用的喉道?？紫斗从硟觾芰Φ母叩?，而喉道反映儲層的滲流能力，使孔隙能夠相互連通，孔隙中的流體發(fā)生流動。通過恒速壓汞技術(shù)，依據(jù)進(jìn)汞壓力的漲落曲線可判別孔隙與喉道，獲取孔隙半徑、喉道半徑和孔喉半徑比分布等參數(shù)，提供總體、孔隙及喉道3條毛細(xì)管壓力曲線。同時結(jié)合高壓壓汞、CT掃描技術(shù)能夠較為全面的表征研究區(qū)儲層的孔喉特征。

粒間孔型：該類組合恒速壓汞的孔隙進(jìn)汞與喉道進(jìn)汞存在明顯差異，在低進(jìn)汞壓力時(<1 MPa)孔隙進(jìn)汞要明顯大于喉道進(jìn)汞，孔隙進(jìn)汞曲線呈現(xiàn)明顯的弱平臺狀，孔隙進(jìn)汞組成了總進(jìn)汞的大部分，表明樣品中存在大量的大孔隙，主要由粒間溶孔組成，而溝通該部分的喉道則相對較小，組成大孔細(xì)喉的孔喉匹配，“大孔細(xì)喉”型孔喉空間大于45%。當(dāng)進(jìn)汞壓力較高時，則孔隙進(jìn)汞增加很少，喉道進(jìn)汞呈現(xiàn)出“斜直狀”，此時已經(jīng)無明顯的孔隙和喉道的區(qū)分，此時的孔喉連通關(guān)系為“樹形孔隙”。高壓壓汞呈現(xiàn)出高進(jìn)汞飽和度低排驅(qū)壓力的特征，低進(jìn)汞壓力時進(jìn)汞曲線存在“弱平臺”，表明樣品中存在大量的大孔隙且連通性好；CT掃描亦表明單個孔隙較大，連通性好，孔喉配位數(shù)大于4(圖5a)。

粒間孔+溶蝕孔+晶間孔型：該類組合在低進(jìn)汞飽和度時恒速壓汞的孔隙進(jìn)汞與喉道進(jìn)汞依然存在較大差異，呈現(xiàn)出“大孔細(xì)喉”的孔喉匹配關(guān)系，“大孔細(xì)喉”型空間大于20%，當(dāng)進(jìn)汞壓力升高時，孔隙進(jìn)汞飽和度不再增加，此時所對應(yīng)的進(jìn)汞飽和度約為40%，表明與上一種組合類型相比粒間孔比例下降，溶蝕孔比例增強，當(dāng)進(jìn)汞壓力大于1 MPa時，孔喉連通關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)椤皹湫慰紫丁保从吵鰳悠分写嬖谳^多的晶間孔。高壓壓汞進(jìn)汞飽和度依然很高，排驅(qū)壓力低，粒間孔占主導(dǎo)的進(jìn)汞部分依然很大；CT掃描表明，與粒間孔組合相比，單個孔隙的孔徑略有減小，但是孔體積以然較大，連通性好(圖5b)。

粒間孔+晶間孔型：恒速壓汞中孔隙進(jìn)汞所對應(yīng)的進(jìn)汞飽和度低，表明存在少量的粒間孔隙，此時的孔喉匹配關(guān)系主要為“大孔細(xì)喉”型，當(dāng)進(jìn)汞壓力進(jìn)一步增加時，孔喉呈現(xiàn)出“樹形孔隙”的匹配關(guān)系。高壓壓汞曲線呈現(xiàn)出“雙平臺”，進(jìn)汞壓力低時的平臺對應(yīng)于粒間孔，而高進(jìn)汞壓力時的“斜直狀”為“樹形孔隙”段，樣品排驅(qū)壓力較高，進(jìn)汞飽和度低。CT掃描表明，單個孔隙孔體積較小，連通性一般，存在少量粒間孔，晶間孔較發(fā)育(圖5c)。

溶蝕孔+晶間孔型：恒速壓汞中孔隙進(jìn)汞很少，大部分進(jìn)汞由喉道進(jìn)汞組成，粒間孔不發(fā)育，存在少量溶蝕孔隙，而大部分孔隙主要由晶間孔組成。高壓壓汞曲線平直遞增，缺少平臺狀，大部分孔隙由“樹形孔隙”組成，排驅(qū)壓力高，進(jìn)汞飽和度低。黏土含量高，一般以伊利石為主(圖5d)。

晶間孔型：恒速壓汞中幾乎沒有孔隙進(jìn)汞，晶間孔占孔隙空間的主體，粒間孔和溶蝕孔均不發(fā)育。高壓壓汞曲線進(jìn)汞曲線平直遞增，缺少平臺，排驅(qū)壓力最高，進(jìn)汞飽和度最低。方解石膠結(jié)嚴(yán)重，黏土含量高，高嶺石發(fā)育時孔隙度高、滲透率低(圖5e)。

圖5 研究區(qū)典型樣品恒速壓汞、高壓壓汞及CT掃描特征

總體來看粒間孔組合類型砂巖對應(yīng)最佳的進(jìn)汞曲線形態(tài)，啟動壓力點均小于1 MPa，進(jìn)汞飽和度均大于60%，在低壓段通常呈現(xiàn)出明顯平臺，但隨啟動壓力點降低，平臺逐漸變?nèi)酢Ｈ芪g孔為主的砂巖儲層的進(jìn)汞曲線變差，啟動壓力點通常位于1 MPa附近，低壓段曲線表現(xiàn)出弱平臺狀。隨晶間孔含量增多，啟動壓力點明顯增加，總進(jìn)汞飽和度降低，進(jìn)汞曲線整體呈現(xiàn)平直上升或上凸形態(tài)，指示孔喉分布逐漸減小。由圖6不同孔隙組合類型孔隙度與滲透率關(guān)系可知，由晶間孔型過渡到粒間孔型組合，孔隙度和滲透率值均明顯增加，粒間孔組合類型孔隙度與滲透率之間關(guān)系最好，分布集中，相關(guān)性好，孔隙異常發(fā)育帶與粒間孔組合發(fā)育基本吻合。而以溶蝕+晶間孔型及晶間孔型孔隙度與滲透率之間關(guān)系最差，孔隙度與滲透率之間關(guān)系混亂，相關(guān)性差，以晶間孔型為主的組合整體孔隙度小于6%。

圖6 研究區(qū)不同孔隙組合類型孔隙度與滲透率關(guān)系

4 不同組合類型孔隙分布及可動性評價

針對低溫氮氣吸附無法表征較大宏孔的體積及分布，引入核磁共振實驗來表征宏孔的分布[21]。核磁共振屬于靜態(tài)測量，基于孔隙流體中氫核的橫向弛豫時間T2來全面反映孔隙小分布和可動流體分布。對于半徑較小的致密砂巖儲層，T2弛豫以面擴(kuò)散弛豫為主，面弛豫與孔隙體的體積V與表面積S的比值有關(guān)，而V/S又正相關(guān)于孔隙的大小，因此T2值與孔徑之間具有近似一一對應(yīng)關(guān)系，但需要確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)C，采用累積法將核磁實驗和壓汞實驗的累積孔隙度與孔隙半徑的在同一坐標(biāo)系中作圖，通過調(diào)整C值使核磁曲線左右移動，使其與壓汞實驗所得到的曲線達(dá)到最好的匹配，從而確定最終的C值(圖7a)；而dv/dlgr法是以dv/dlgr與孔隙半徑作圖(圖7b)。前者可以展示總孔隙的分布，而后者可以顯示具體的孔隙孔徑分布。利用該方法對研究區(qū)共119個砂巖樣品的核磁共振結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定，并確定了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)C。

圖7 利用累積法(a)及dv/dlgr法(b)標(biāo)定核磁共振示意圖

4.1 孔隙分布

核磁共振得到的孔隙分布能整體反映砂巖樣品的孔隙類型及分布[22]，其刻畫的砂巖孔隙分布范圍為0.01～100 μm，不同孔組合類型的孔隙孔徑分布存在明顯差異(圖8)。粒間孔組合類型中，核磁共振曲線右峰部分幾乎全由殘留粒間孔組成，孔隙半徑一般大于1 μm，而左峰部分孔隙半徑一般小于1 μm，大部分位于0.1～1 μm，主要由粒間溶孔組成，因此粒間孔占據(jù)了該類組合孔隙的絕大部分；粒間孔+溶蝕孔+晶間孔組合孔隙孔徑分布略有減小，但是分布區(qū)間較大，右峰中殘留粒間孔部分減小，而粒間溶孔部分增加，另外小于1 μm的部分含量也不容忽視，該部分主要由晶間孔組成，因此該類組合類型中的孔隙組成包括粒間孔、溶蝕孔以及晶間孔；溶蝕孔+晶間孔組合類型中，大于1 μm的部分只占了很少的部分，主體主要為小于1 μm的部分，表明孔隙半徑的減小，孔隙主要由粒內(nèi)溶孔和晶間孔組成；粒間孔+晶間孔組合類型中，可見大于1 μm的部分存在一個弱峰，表明了少量粒間孔的存在，而峰的主體依然位于小于0.1 μm處，因此依然存在大量的晶間孔，該類組合的孔隙主要由粒間孔和晶間孔組成；晶間孔組合類型則呈現(xiàn)明顯的單峰，且基本小于1 μm，表明孔隙中沒有孔徑較大的部分，而晶間孔組成了孔隙的主體。

圖8 研究區(qū)典型樣品不同組合類型孔隙分布

4.2 可動性評價

不同組合孔隙組合類型的流體可動性也存在較大差異(圖9)，其中粒間孔組合類型可動飽和度最高，孔隙度最高，束縛水飽和度一般小于50%，孔隙度一般大于10%；粒間孔+溶蝕孔+晶間孔組合類型束縛水飽和度也較低，一般小于60%，孔隙度一般位于8%～13%。以上兩種孔隙組合類型是優(yōu)質(zhì)儲集空間的主要組合類型，孔隙連通性好，儲集空間大。溶蝕孔+晶間孔以及粒間孔+晶間孔的組合類型，束縛水飽和度較高，一般大于60%，孔隙度一般小于10%，流體可動性較差；晶間孔組合類型束縛水飽和度最高，基本上都大于80%，流體可動性差，多為束縛流體?？傮w上束縛水飽和度與孔隙度之間關(guān)系較差，但依然可以看出兩者之間存在一種弱相關(guān)關(guān)系，既孔隙度越大流體可動性越強。圖10展示不同孔隙孔徑分布以及孔隙組合類型樣品的可動流體分布情況?？梢钥闯?，由下到上大孔含量依次減少，可動飽和度也依次減小。其中粒間孔及粒間孔+晶間孔和溶蝕孔+晶間孔的組合類型中大于1 μm的孔隙含量高，主要為粒間孔，孔徑大，流體流動性好，可動飽和度高，可動部分達(dá)到55%以上，粒間孔組合類型可達(dá)60%，孔隙半徑位于0.1～1 μm的部分孔隙中的流體也有較大部分是可動的。而粒間孔+晶間孔以及溶蝕孔+晶間孔的組合類型中，孔隙半徑大于1 μm的孔隙含量少，晶間孔含量多，主要為小孔組成，流體可動性差，可動部分一般小于30%。

圖9 研究區(qū)不同孔隙組合類型束縛水飽和度與孔隙度關(guān)系

圖10 研究區(qū)典型樣品飽和及離心狀態(tài)核磁共振T2譜對比

5 結(jié)論

1)基于微觀孔喉結(jié)構(gòu)表征研究，將研究區(qū)致密砂巖孔隙組合劃分為粒間孔型、粒間孔+溶蝕孔+晶間孔型、粒間孔+晶間孔型、溶蝕孔+晶間孔型以及晶間孔型5種類型。

2)粒間孔型對應(yīng)最佳的進(jìn)汞曲線形態(tài)，孔喉半徑大，大孔含量多，儲層品質(zhì)最好，孔隙度最高，一般大于10%；隨晶間孔含量增多，孔喉分布逐漸減小，以晶間孔型為主的組合整體孔隙度小于6%。

3)大孔分布是評價致密砂巖儲層流體可動性的直接指標(biāo)，粒間孔型大孔含量多，可動飽和度最高，可達(dá)60%；以晶間孔為主的組合類型主要為小孔組成，流體可動性差，可動部分一般小于30%，多為束縛流體，束縛水飽和度基本大于80%。