鄂爾多斯盆地華池地區(qū)長8 段致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及流體可動性

龐玉東 劉元良 張 麗 席妮妮 袁立甲 陳朝兵

（1. 中國石油長慶油田公司第二采油廠，甘肅 慶陽 745100；2. 西安石油大學，陜西 西安 710065）

0 引 言

致密砂巖油氣是當今石油工業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域，也是未來中國油氣勘探和開發(fā)的重要資源[1］。致密砂巖儲層具有物性差、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流體可動性差等特點，嚴重制約了致密油氣資源的評估和油田采收率的提高[2‐3］。致密砂巖儲層中相互連通的孔喉空間是油氣賦存和滲流的重要通道，決定著致密砂巖儲層有效油氣資源的儲量評價和經(jīng)濟效益開發(fā)，因而，亟需深入研究致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)及可動流體的賦存特征。目前，表征儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的方法可以歸納為3 種[4‐5］：直接成像法、流體侵入法和輻射探測法。直接成像法包括鑄體薄片、掃描電鏡和微、納米計算機斷層掃描技術(shù)，該方法可以定性?定量地表征儲層孔隙的類型和分布，但受限于觀察的視域和儀器的精度，需配合其他實驗使用。流體侵入法包括汞注入技術(shù)和氣體吸附技術(shù)[3，6］，該方法可以定量地表征儲層孔隙大小分布、孔隙體積和比表面積，但也受限于儀器的壓力、精度和測量的范圍，且該方法屬于破壞性技術(shù)。輻射探測法包括核磁共振技術(shù)、小角度和超小角度中子散射技術(shù)[7‐8］，其中核磁共振技術(shù)可以高效無損地表征儲層孔喉空間大小分布特征，但橫向弛豫時間與孔隙半徑之間轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定受轉(zhuǎn)換方法的影響，具有較強的不確定性[9‐10］。因此，單一的成像技術(shù)和測量方法均存在各自的優(yōu)缺點及使用條件，有必要聯(lián)合多種實驗技術(shù)來精確表征致密砂巖儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。

致密砂巖儲層孔隙空間內(nèi)流體的賦存特征和可動性一直是石油工作者關(guān)心的熱點問題。近年來，眾多學者認為儲層流體可動性比儲層物性更能有效開展儲層分類和油氣資源評價[11‐13］。前人基于核磁共振T2截止值對應(yīng)的孔隙半徑作為可動流體的下限，將儲層流體劃分為可動流體和束縛流體[12，14‐15］，并得到相應(yīng)的可動流體飽和度和可動流體孔隙度，認為這些可動流體參數(shù)能夠有效表征儲層流體的可動性[16‐20］。因此，本文通過開展各類分析測試，明確研究區(qū)致密砂巖儲層物性特征、孔隙類型和礦物成分及其含量，聯(lián)合高壓壓汞和核磁共振測試結(jié)果來精確表征儲層的全孔徑孔喉大小分布特征、流體可動程度及其賦存特征，并對儲層流體可動性的影響因素進行系統(tǒng)的分析，為后期儲層評價和油藏開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

華池地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的中西部[21‐22］（圖1），地表為黃土塬地貌，區(qū)域勘探面積約為1 000 km2。研究區(qū)地層構(gòu)造為低角度的西傾單斜，平均坡降較小，并發(fā)育多條呈近東—西向延伸的低幅鼻狀隆起。研究區(qū)三疊系延長組長8 段地層厚度穩(wěn)定，平均為80~95 m，根據(jù)沉積旋回特征可細分為長81和長82兩個亞段，平均地層厚度分別為49.4 和41.2 m。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置示意Fig. 1 Structural locations of studied area

研究區(qū)長8 段儲層為盆地北東和西南雙向物源的沉積交會區(qū)域，主要發(fā)育三角洲前緣水下分流河道砂體，平均砂體厚度約為21.0 m。

2 儲層巖石學及物性特征

鑄體薄片鏡下觀察及統(tǒng)計分析結(jié)果表明，研究區(qū)長8 段儲層碎屑顆粒分選和磨圓較差，巖石類型主要以細粒巖屑長石砂巖為主，其次為長石砂巖，成分成熟度較低（圖2）。

圖2 研究區(qū)長8段砂巖成分三角圖Fig. 2 Ternary diagram of sandstone composition of Chang 8 Member in studied area

研究區(qū)儲層碎屑礦物成分中長石最為發(fā)育，其次為石英和巖屑，平均體積分數(shù)分別為44.9%、23.2%和18.7%。研究區(qū)填隙物體積分數(shù)較高，平均為13.3%，主要以黏土礦物為主，平均體積分數(shù)為9.63%。通過X 衍射對研究區(qū)10 塊砂巖樣品的黏土礦物含量進行定量分析，發(fā)現(xiàn)儲層黏土礦物主要以綠泥石為主，其次為伊利石和高嶺石，平均相對質(zhì)量分數(shù)分別為61.46%、20.74%和8.76%。

研究區(qū)長8 段儲層各樣品的孔隙度分布在7.49%~12.02%，平均值為9.72%（表1）；滲透率分 布 在0.126×10?3~0.442×10?3μm2， 平 均 值 為0.257×10?3μm2，為典型的致密砂巖儲層。

表1 研究區(qū)儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)和可動流體參數(shù)Table 1 Pore structure parameters and movable fluid parameters of reservoirs in studied area

3 儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.1 孔隙類型

通過觀察鑄體薄片和掃描電鏡圖像發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)長8 段致密砂巖儲層孔隙類型以殘余粒間孔為主，溶蝕孔和晶間孔次之，分別占總面孔率的59.2%、33.6%和7.2%。

儲層中殘余粒間孔分布廣泛，孔徑較大，孔喉連通性較好，常被綠泥石和硅質(zhì)膠結(jié)物充填（圖3（a）、（b））。溶蝕孔主要以長石溶孔為主（圖3（c）、（d）），常與高嶺石晶間孔共存，有利于改善儲層質(zhì)量。晶間孔通常為雜基和膠結(jié)物等填充孔隙而形成的管束狀孔隙（圖3（e）、（f）），易降低儲層的孔喉連通性，其發(fā)育程度對儲層物性和流體可動性具有重要影響。

圖3 研究區(qū)長8段儲層孔隙類型微觀照片F(xiàn)ig. 3 Micrographs of reservoir pore types of Chang 8 Member in studied area

3.2 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

根據(jù)毛細管壓力曲線形態(tài)、孔喉大小分布和排驅(qū)壓力特征可將研究區(qū)致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)分為3 類（圖4），相應(yīng)的特征參數(shù)如表1 所示。Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)的毛細管壓力曲線具有較長的平緩段（圖4（a）），對應(yīng)的孔喉半徑分布呈偏右單峰特征，峰值分布在0.20~0.60 μm（圖4（b）），平均孔喉半徑和排驅(qū)壓力均值分別為0.31 μm 和0.451 MPa，表明該類孔隙結(jié)構(gòu)較大孔喉發(fā)育，汞在進入樣品初期較易。此外，該類樣品具有較高的儲集空間和孔喉連通性，對應(yīng)的最大進汞飽和度和退汞效率平均值分別為90.04%和47.17%（表1）。

圖4 研究區(qū)致密砂巖儲層毛細管壓力和孔喉大小分布Fig. 4 Capillary pressure curves and pore-throat size distribution of tight sandstone reservoirs in studied area

Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)的毛細管壓力曲線形態(tài)平緩段較短，進汞曲線隨著進汞壓力的增加而呈陡峭式上升（圖4 （a）），排驅(qū)壓力平均值為0.728 MPa（表1）。Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)的孔喉大小分布除樣品A‐4外均呈單峰特征，峰值主要分布在0.10~0.40 μm（圖4（b）），平均孔喉半徑為0.20 μm（表1）。與Ⅰ類樣品相比，Ⅱ類樣品的儲集性能和孔喉連通性較差，相應(yīng)的最大進汞飽和度和退汞效率平均值分別為82.60%和44.28%（表1）。

Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)的毛細管壓力曲線在進汞初期迅速上升，當進汞壓力大于25 MPa 后緩慢上升（圖4（a）），且排驅(qū)壓力較高，平均值為1.036 MPa（表1），對應(yīng)的孔喉大小分布具有偏左單峰特征，峰值為0.01~0.04 μm（圖4（b）），平均孔喉半徑為0.15 μm（表1），這表明該類孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育較多的細小孔隙。Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)的最大進汞飽和度和退汞效率最低，平均值分別為81.80%和39.62%（表1），這表明該類孔隙結(jié)構(gòu)受壓實和膠結(jié)作用強烈，發(fā)育較多的黏土礦物和晶間孔，孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性較強，具有最差的儲集空間和的孔喉連通性。

3.3 全孔徑孔喉大小分布特征

致密砂巖儲層微觀孔喉空間是流體賦存和滲流的主要場所，因而有必要定量表征儲層全孔徑孔喉大小分布特征[23‐24］。目前核磁共振飽和水T2譜與高壓壓汞所得的孔喉半徑之間的轉(zhuǎn)換是國內(nèi)外學者研究儲層孔喉大小分布常用的方法之一[9，13，21］。

然而，通過分析核磁共振飽和水T2譜分布特征，發(fā)現(xiàn)各樣品的飽和水T2譜曲線形態(tài)可以劃分為偏右單峰、對稱雙峰和左高右低雙峰3 種類型（圖5（a）），與對應(yīng)樣品的孔喉大小分布曲線形態(tài)之間存在較大的差異，這主要是因為核磁共振實驗探測的是樣品的孔隙空間，而高壓壓汞實驗探測的是喉道及其控制的孔隙空間。

圖5 核磁共振T2譜分布及可動流體T2譜轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig. 5 NMR T2 spectrum distribution and conversion results of movable fluid T2 spectrum

因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)核磁共振離心前后所得的T2譜共用一套相同的T2值序列，將離心前后相同T2值下的核磁共振信號量相減得到可動流體的T2譜分布（圖5（b）），并提出利用高壓壓汞孔喉大小分布曲線來轉(zhuǎn)換核磁共振可動流體T2譜，進而獲取致密砂巖儲層的全孔徑孔喉大小分布特征。轉(zhuǎn)換結(jié)果表明，各樣品的全孔徑孔喉大小分布曲線均呈偏右單峰特征，孔喉半徑分布在0.001~10 μm（圖5（c）），可以探測更多細小孔喉空間，且所得孔喉大小分布為單一孔喉半徑對應(yīng)的頻率分布。

借鑒前人的孔喉大小分類標準[25‐26］，將研究區(qū)儲層孔喉空間劃分為微孔喉（<0.01 μm）、小孔喉（0.01~0.1 μm）、中孔喉（0.1~1 μm） 和大孔喉（>1 μm）4 種類型，并分別統(tǒng)計不同孔喉類型所占的體積分數(shù)（圖5（d））。結(jié)果表明，研究區(qū)致密砂巖儲層孔喉空間主要以中孔喉和小孔喉為主，平均所占比例分別為42.56%和37.43%，其次為微孔喉和大孔喉，平均所占比例分別為18.51% 和1.50%。此外，Ⅰ類和Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)以中孔喉發(fā)育為主，平均所占比例分別為46.86%和52.48%，其中Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)還發(fā)育較多大孔喉，平均所占比例為4.96%；而Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)以小孔喉為主，平均所占比例為46.59%，其次為微孔喉和中孔喉，平均所占比例分別為28.38%和25.03%，這表明不同孔喉類型及孔徑大小的發(fā)育與組合造成了致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)各異。

4 儲層流體可動性及其影響因素

4.1 儲層可動流體賦存特征

各樣品核磁共振所得的可動流體參數(shù)表明（表1），華池地區(qū)長8 段致密砂巖樣品的可動流體飽和度分布在28.26%~54.75%，平均值為41.38%，對應(yīng)的可動流體孔隙度分布在2.58%~6.25%，平均值為4.07%。此外，各類孔隙結(jié)構(gòu)對應(yīng)的流體可動性存在較大的差異。Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)具有較強的儲集性能和滲流能力，孔喉連通性好，流體可動程度最高；Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)的孔喉分選性和連通性較差，對應(yīng)的儲層流體可動性較差；而Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)具有較差的孔喉連通性和較強的孔喉非均質(zhì)性，儲層流體可動性最差，3 類孔隙結(jié)構(gòu)對應(yīng)的平均可動流體飽和度分別為51.85%、40.53%和33.01%，平均可動流體孔隙度分別為5.53%、3.69%和2.93%。

鑒于核磁共振可動流體T2譜可以反映儲層孔喉空間內(nèi)可動流體的分布特征，因此轉(zhuǎn)換后的全孔徑孔喉大小分布可以表示為可動流體賦存在不同孔喉半徑內(nèi)的頻率分布，并統(tǒng)計不同孔喉類型下的可動流體參數(shù)。結(jié)果表明，研究區(qū)長8 段儲層可動流體主要賦存在中孔喉和小孔喉中，對應(yīng)的可動流體飽和度平均值分別為18.23%和15.20%，可動流體孔隙度平均值分別為1.79%和1.50%，這主要是由于中孔喉和小孔喉不僅占據(jù)較高的儲集空間，且具有較大的孔喉半徑和較高的滲流能力。而各樣品的微孔喉發(fā)育程度較低，且孔喉半徑最小，對樣品滲透率的貢獻率最低，因此微孔喉中賦存的可動流體較低，平均可動流體飽和度和可動流體孔隙度分別為7.21%和0.69%；大孔喉雖孔喉半徑較大，對樣品滲透率貢獻率最高，但其孔喉空間所占比例最小，對應(yīng)的可動流體飽和度和可動流體孔隙度最低，平均值分別為0.74%和0.08%。因此，儲層孔喉半徑越大，大孔喉空間所占的比例越高，越有利于儲層可動流體的賦存與滲流。

4.2 儲層流體可動性影響因素

4.2.1 物性

致密砂巖儲層可動流體參數(shù)與孔隙度之間呈較弱的正相關(guān)性，而與滲透率之間具有較強的正相關(guān)性（圖6（a）、（b）），這主要是由于孔隙度僅表征儲層的儲集性能，而可動流體參數(shù)反映儲層內(nèi)流體的流動性，與孔喉連通程度和滲流能力密切相關(guān)。儲層的孔隙度越高，對應(yīng)的樣品儲集空間越大，但不同孔喉大小的差異分布、組合及不同類型的膠結(jié)物發(fā)育，均可造成大量流體被束縛，因此，僅高孔喉空間不能決定儲層流體可動性的好壞。此外，通過引入儲層品質(zhì)指數(shù)來綜合表征儲層的宏觀品質(zhì)[27］，分析儲層物性對流體可動性的影響，其表達式為

圖6 致密砂巖儲層物性與可動流體參數(shù)之間的相關(guān)性Fig. 6 Correlation between property and movable fluid parameters of tight sandstone reservoirs

式中：RQI——儲層品質(zhì)指數(shù)；K——儲層滲透率，10?3μm2；?——儲層孔隙度，%。

結(jié)果表明，儲層品質(zhì)指數(shù)與可動流體參數(shù)之間具有較好的正相關(guān)性（圖6（c）），這表明儲層流體的可動性受儲層物性的綜合影響，具有高孔喉空間且發(fā)育較大孔喉的儲層有利于可動流體賦存和流動。

4.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖7 顯示了儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)對流體可動性的影響，其中，最大孔喉半徑和平均孔喉半徑與可動流體參數(shù)之間具有明顯的正相關(guān)性（圖7（a）、（b）），表明儲層較大孔喉越發(fā)育，越有利于儲層流體的滲流，而儲層孔喉越細小，對流體的束縛作用越強，儲層流體的可動性越差。孔喉分選系數(shù)反映儲層孔喉分布的集中程度和復(fù)雜程度，與可動流體參數(shù)之間存在較強的正相關(guān)性（圖7（c）），這表明儲層孔喉分選系數(shù)越大，孔喉大小分布越不均一，平均孔喉半徑往往較大，有利于提高流體可動性。表征儲層孔喉連通性的參數(shù)中排驅(qū)壓力與可動流體參數(shù)之間具有較好的負相關(guān)性（圖7（d）），而退汞效率與可動流體參數(shù)之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系（圖7（e）），這表明儲層排驅(qū)壓力越小，退汞效率越高，孔喉連通性越好，越有利于儲層流體發(fā)生滲流，對應(yīng)的流體可動程度越高。最大進汞飽和度與可動流體參數(shù)之間相關(guān)性較弱（圖7（f）），表明較大的孔喉空間和儲集能力不會導(dǎo)致儲層流體具有良好的可流動性。

圖7 致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與可動流體參數(shù)之間的相關(guān)性Fig. 7 Correlation between pore structure parameters and movable fluid parameters of tight sandstone reservoirs

4.2.3 黏土礦物類型及其含量

黏土礦物主要充填在殘余粒間孔和溶蝕孔中，加劇了致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)程度，影響著儲層流體的可動程度和賦存特征。可動流體參數(shù)與黏土礦物中綠泥石的相對質(zhì)量分數(shù)之間具有較好的負相關(guān)性（圖8（a）），而與高嶺石和伊利石的相對質(zhì)量分數(shù)之間存在較弱的負相關(guān)性（圖8（b）、（c）），這表明不同黏土礦物類型、產(chǎn)狀及其相對含量對流體可動性的影響程度不同。

圖8 不同黏土礦物含量與可動流體參數(shù)之間的相關(guān)性Fig. 8 Correlation between different clay mineral contents and movable fluid parameters

研究區(qū)黏土礦物中以綠泥石最為發(fā)育，主要以襯邊和膜狀附著在顆粒表面，對原生孔隙進行切割和充填，增加了孔喉的比表面積，使得孔喉間連通性變差，導(dǎo)致可動流體飽和度降低。而高嶺石和伊利石雖具有較強的親水性，對儲層流體易形成強吸附，致使流體可動程度降低，但兩者發(fā)育程度較低，對儲層流體可動性影響較小。此外，可動流體參數(shù)與黏土礦物體積分數(shù)之間具有較好的負相關(guān)性（圖8（d）），表明儲層流體的可動性受多種黏土礦物共同影響。黏土礦物中伊利石易吸水膨脹，而高嶺石和綠泥石易分散、運移，堵塞孔喉通道，降低儲層的孔喉連通性和滲流能力，導(dǎo)致儲層形成較多的束縛流體，因此，黏土礦物含量越低，越有利于賦存高流動性流體。

5 結(jié) 論

（1）鄂爾多斯盆地華池地區(qū)長8 段儲層主要發(fā)育殘余粒間孔、溶蝕孔和晶間孔3 種孔隙類型。根據(jù)毛細管壓力曲線形態(tài)和排驅(qū)壓力將研究區(qū)儲層孔隙結(jié)構(gòu)劃分為3 類：Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類，對應(yīng)的儲層物性和流體可動性依次變差。利用高壓壓汞所得的孔喉大小分布曲線來轉(zhuǎn)換核磁共振可動流體T2譜，可以精確表征0.001~10 μm 的全孔徑孔喉大小分布特征，且該轉(zhuǎn)換結(jié)果可以反映不同孔喉半徑下可動流體的頻率分布特征。

（2）不同孔喉類型及孔徑大小的組合與發(fā)育造成了致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)各異，且不同孔喉類型對應(yīng)的可動流體賦存特征存在較大差異。中孔喉和小孔喉是研究區(qū)儲層的主要孔喉空間類型，同時也是儲層可動流體的主要賦存場所，而孔喉半徑較小的微孔喉和滲流能力較強的大孔喉均占據(jù)較小的孔喉空間，對應(yīng)的流體可動程度較低。

（3）致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)是影響流體可動性的主要因素，高孔喉空間和較大孔喉發(fā)育有利于儲層可動流體的賦存和滲流，而孔喉連通性好且復(fù)雜程度弱的孔隙結(jié)構(gòu)是控制流體可動性的關(guān)鍵。此外，儲層流體的可動性還受儲層物性和黏土礦物的綜合影響，較低的黏土礦物含量和較高的儲層品質(zhì)均有利于致密砂巖儲層流體的流動。