鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區(qū)塊上古生界致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征及其與黏土礦物的關(guān)系

石石,耳 闖,張 穩(wěn),趙靖舟,張藝馨,滕云璽

(1.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司,北京 100095;2.中石油煤層氣有限責任公司,北京 100028;3.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安 710065;4.陜西省油氣成藏地質(zhì)學重點實驗室,陜西 西安 710065)

引 言

致密氣是形成于非烴源巖的低滲透儲層中的天然氣聚集,其儲層空氣滲透率小于1×10-3μm2,孔隙度小于12%[1],其孔喉半徑一般小于1 μm[2]。鄂爾多斯盆地是我國最大的致密氣生產(chǎn)基地,以蘇里格氣田、神木氣田、大牛地氣田和延安氣田等為典型代表[3]。大寧—吉縣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南部(圖1),鄂爾多斯盆地大吉氣田大寧—吉縣區(qū)塊大吉5-6井在下二疊統(tǒng)山西組致密砂巖儲層中試氣獲得高產(chǎn),揭開了大寧—吉縣區(qū)塊煤系地層致密氣勘探開發(fā)的序幕,目前已形成以山23亞段為主要產(chǎn)氣層,本溪組、山2段、山1段和盒8段多層生產(chǎn)的勘探開發(fā)局面[4]。前人在地震儲層預測方法、砂體展布特征、“甜點區(qū)”儲層評價、儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)等方面積累了一定的研究成果[4-5],認為本溪組—盒8段發(fā)育納米孔、微孔、中孔或宏孔等多尺度孔隙,但對各類孔隙賦存特征和黏土礦物對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的影響研究較少。近年來,關(guān)于致密砂巖儲層中微-納米級孔隙與黏土礦物的關(guān)系逐漸引起重視,高嶺石、綠泥石和伊利石等黏土礦物中均可發(fā)育微-納米級孔隙,黏土礦物對儲層的孔隙度和滲透率總體表現(xiàn)為負面影響并加劇了孔隙結(jié)構(gòu)的復雜程度[6]。各類黏土礦物對微-納米級孔隙的貢獻與黏土礦物類型和含量、黏土礦物成因及晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)[7]。致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征和黏土礦物類型對滲流、流體賦存形式[8-9]、儲層敏感性[10]產(chǎn)生重要影響。前期研究雖然關(guān)注了各類黏土礦物對致密儲層物性的影響,但黏土礦物形成的微-納米級孔隙的孔徑范圍和黏土礦物對致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)影響方面的研究還有待深入。

本文以揭示大寧—吉縣區(qū)塊上古生界致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征和黏土礦物對孔隙結(jié)構(gòu)的影響為目的,綜合利用高壓壓汞、鑄體薄片、X射線全巖及黏土礦物測試結(jié)果,分析致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征并劃分孔隙結(jié)構(gòu)類型,揭示各孔隙結(jié)構(gòu)類型的孔徑組成范圍,剖析黏土礦物對孔隙類型、孔徑范圍和孔隙連通性的影響,以期為進一步分析孔隙結(jié)構(gòu)對流體滲流、流體賦存形式和儲層敏感性的影響奠定基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1 致密儲層基本特征

盒8段孔隙度在0.74%～19.89%,主體分布在4.90%～8.96%,平均7.19%,中值6.93%。山1段孔隙度為0.96%～17.89%,主體分布在3.70%～7.39%,平均5.66%,中值5.36%。山2段孔隙度為0.63%～14.10%,主體分布在4.70%～8.12%,平均5.66%,中值5.36%。本溪組孔隙度在0.50%～14.06%,主體分布在3.70%～6.47%,平均值5.35%,中值5.46%。盒8段孔隙度條件最好,其次為山2段,本溪組孔隙度最差(圖2(a))。

圖2 盒8段—本溪組孔隙度和滲透率基本特征Fig.2 Basic characteristics of porosity and permeability in He 8 member-Benxi Formation

盒8段滲透率為(0.003～35.700)×10-3μm2,主體分布在(0.06～0.22)×10-3μm2,平均0.39×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。山1段滲透率為(0.000 2～22.500 0)×10-3μm2,主體分布在(0.06～0.24)×10-3μm2,平均0.34×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。山2段滲透率為(0.003～244.000)×10-3μm2,主體分布在(0.06～0.54)×10-3μm2,平均3.59×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。本溪組滲透率為(0.006～104.540)×10-3μm2,主體分布在(0.05～0.45)×10-3μm2,平均2.33×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。山2段和本溪組滲透率條件好于盒8段和山1段(圖2(b))。

2 孔隙類型

大寧—吉縣區(qū)塊上古生界儲層孔隙類型以溶蝕孔隙為主,原生粒間孔不常見,可能與被溶蝕改造有關(guān)。溶蝕孔隙類型包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔等(圖3(a)),長石是主要的溶蝕礦物,其次還包括巖屑、凝灰質(zhì)和泥質(zhì)雜基等。高嶺石和綠泥石可充填在粒間(溶)孔內(nèi),形成大量高嶺石晶間孔和綠泥石晶間孔(圖3(a)、圖3(b)、圖3(g)和圖3(h))。伊蒙混層和伊利石可呈搭橋式附著在顆粒表面堵塞喉道或孔隙充填式充填于粒間孔隙內(nèi),同樣形成大量晶間孔隙,并造成孔喉結(jié)構(gòu)的復雜化(圖3(c)、圖3(d)、圖3(i)和圖3(h))。

3 毛管曲線形態(tài)分類

綜合孔隙度(Φ)、滲透率(K)、毛管壓力曲線形態(tài)、排驅(qū)壓力(Pd)、孔喉半徑、分選系數(shù)、退汞效率和孔隙類型等,將大寧—吉縣區(qū)塊上古生界孔隙結(jié)構(gòu)劃分為5種類型(表1)。

Ⅰ類結(jié)構(gòu)壓汞曲線具有明顯的平臺,最大進汞飽和度大,排驅(qū)壓力小于1 MPa,偏粗歪度,孔隙類型以粒間溶孔為主,發(fā)育少量原生孔隙,孔隙連通性較好,大孔細喉,以縮頸型和片狀喉道為主(表1,圖3(a)和圖3(e))。

Ⅱ類結(jié)構(gòu)壓汞曲線具有較明顯的平臺,最大進汞飽和度小于Ⅰ類,排驅(qū)壓力小于1 MPa,偏粗歪度,孔隙類型以粒間溶孔為主,孔隙連通性較好,高嶺石充填粒間(溶)孔,發(fā)育高嶺石晶間孔,大孔細喉,片狀或彎片狀喉道(表1,圖3(f))。

Ⅲ類結(jié)構(gòu)壓汞曲線在主要進汞段呈兩段式,表明該類儲層有兩個明顯的孔喉發(fā)育區(qū)間,孔隙類型以粒間溶孔為主,孔隙連通性變差,薄片中多呈孤立狀且無明顯喉道形態(tài),孔隙內(nèi)充填綠泥石或高嶺石,可能以彎片狀或管束狀喉道為主(表1、圖3(b)、圖3(g)和圖3(h))。

Ⅳ類結(jié)構(gòu)壓汞曲線形態(tài)與Ⅱ類結(jié)構(gòu)相似,但最大進汞飽和度較小,偏細歪度,孔隙類型以粒間溶孔為主,孔隙連通性差,薄片中多呈孤立狀且無明顯喉道形態(tài),孔隙內(nèi)充填絲發(fā)狀伊利石,可能以管束狀喉道為主(表1,圖3(c)、圖3(d)、圖3(i)和圖3(j))。

Ⅴ類結(jié)構(gòu)壓汞曲線形態(tài)陡,無明顯平臺,最大進汞飽和度小,細歪度,孔隙發(fā)育程度低,溶蝕孔隙呈孤立狀且孔徑小,偶見裂縫,以管束狀喉道為主(表1,圖3(k)和圖3(j))。

Ⅰ、Ⅱ類和Ⅲ～Ⅴ類在孔隙度(Φ)、滲透率(K)、孔喉半徑、分選系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)和退汞效率等方面有較明顯的差異(表1,圖4)。Ⅰ、Ⅱ類總體比Ⅲ～Ⅴ類具有更好的孔隙度、滲透率、孔喉半徑和孔喉分選性,其中Ⅴ類最差。與上述參數(shù)相反,Ⅲ～Ⅴ類比Ⅰ、Ⅱ類具有更低的結(jié)構(gòu)系數(shù)和相對高的退汞效率(圖4)。其中r35是壓汞曲線上進汞飽和度35%對應的孔喉半徑,汞飽和度達到35%之前的這部分孔喉可能是孔隙系統(tǒng)中控制流體流動的有效孔隙網(wǎng)絡[11-12]。結(jié)構(gòu)系數(shù)表征了真實巖石孔隙特征與長度相同的平行柱狀毛細管束模型之間的差別[13],其表達式為

(1)

μm2;Φ為孔隙度,%。

結(jié)構(gòu)系數(shù)公式實際表征孔喉通道的迂曲度[10]。Ⅰ、Ⅱ類比Ⅲ～Ⅴ類具有更大結(jié)構(gòu)系數(shù),即迂曲度大,可能與前兩者具有更大的孔喉比有關(guān),進而導致前兩者比后三者具有更低的退汞效率[14-15]。

圖4 5種孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)特征對比Fig.4 Comparison of parameter characteristics of five types of pore structure

4 孔喉組成

綜合表1和圖4可知,反映孔隙和喉道(孔喉)大小的r35和平均孔喉半徑之間有較大偏差,r35總體小于平均孔喉半徑,表明致密儲層具有較強的微觀非均質(zhì)性,平均孔喉半徑更多反映的大孔喉部分,r35比平均孔喉半徑揭示的孔徑范圍更大。將孔喉半徑區(qū)間分為<50 nm、50～100 nm、100～500 nm、500 nm～1 μm和>1 μm 共5個孔喉區(qū)間,分析各孔喉區(qū)間組成對孔隙結(jié)構(gòu)的影響(圖5和圖6)。

4.1 孔喉組成與孔喉半徑

隨100 nm以下孔喉體積占比增加,孔喉半徑減小,其中Ⅰ和Ⅱ類結(jié)構(gòu)100 nm以下孔喉體積占比較小。50 nm以下孔喉與孔喉半徑相關(guān)性好于50～100 nm。隨100 nm～1 μm孔喉體積占比增加,孔喉半徑增加,其中,Ⅰ和II結(jié)構(gòu)儲層100 nm～1 μm孔喉體積占比較高。1 μm以上孔喉體積占比與孔喉半徑具有正相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性比前兩個孔徑區(qū)間差,分析認為1μm以上孔隙不是致密儲層的主體孔隙單元(圖5)。

圖5 孔隙組成與孔喉半徑交會圖Fig.5 Crossplots of pore composition and pore throat radius

圖6 孔隙組成與結(jié)構(gòu)系數(shù)(迂曲度)交會圖Fig.6 Crossplots of pore composition and structure coefficient (tortuosity)

4.2 孔喉組成與結(jié)構(gòu)系數(shù)

隨100 nm以下孔喉體積占比增加,結(jié)構(gòu)系數(shù)減小,孔喉通道迂曲度降低,特別是50 nm以下的孔喉對結(jié)構(gòu)系數(shù)影響更為明顯,Ⅰ類和Ⅱ類結(jié)構(gòu)具有較大的結(jié)構(gòu)系數(shù),Ⅲ～Ⅴ類結(jié)構(gòu)系數(shù)較前兩類低。隨100～500 nm、500 nm～1 μm和>1 μm以上孔喉體積占比增加,結(jié)構(gòu)系數(shù)變大,其中,100 nm～1 μm的孔喉體積占比與結(jié)構(gòu)系數(shù)相關(guān)性較明顯,分析認為這兩個區(qū)間是構(gòu)成孔隙空間的主要部分。綜合孔喉組成與孔徑和結(jié)構(gòu)系數(shù)的關(guān)系,喉道以100 nm以下為主,Ⅰ和Ⅱ類結(jié)構(gòu)以100 nm以上孔隙為主,大孔細喉,孔喉比大,迂曲度高;Ⅲ～Ⅴ類以100 nm以下孔隙為主,小孔細喉,孔喉比小,迂曲度低(圖6)。

5 黏土礦物對孔隙結(jié)構(gòu)的影響

在壓實作用和膠結(jié)作用影響下,孔隙變小,喉道變窄,造成物性下降,但溶蝕作用又在一定程度上可以增加孔隙。自生黏土礦物(如高嶺石和伊利石)發(fā)育晶間孔隙,形成更為復雜的孔隙結(jié)構(gòu)。研究區(qū)內(nèi)以溶蝕孔隙為主,其次高嶺石晶間孔、伊利石晶間孔和綠泥石晶間孔較發(fā)育(圖3),孔徑范圍以納米級孔隙為主(圖5),本文重點分析黏土礦物對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

無論是機械沉積作用形成的雜基,還是成巖作用過程中生成的自生黏土礦物,都會發(fā)育黏土礦物晶間孔隙,這些晶間孔隙或是與黏土礦物的晶格特點有關(guān)(如高嶺石,圖3(a)、圖3(b)),或與黏土礦物生長特點有關(guān)(如絲發(fā)狀伊利石,圖3(c)、圖3(d))。黏土礦物發(fā)育的晶間孔隙可能本身既是孔隙又是喉道,組成管束狀喉道。Ⅰ和Ⅱ類結(jié)構(gòu)具有相對較低的黏土礦物,Ⅲ和Ⅳ類結(jié)構(gòu)具有相對較高的黏土礦物(圖7)。

圖7 黏土礦物質(zhì)量分數(shù)與孔隙組成交會圖Fig.7 Crossplots of pore composition and mass fraction of clay minerals

5.1 孔喉大小與黏土礦物的關(guān)系

隨黏土礦物質(zhì)量分數(shù)增加,100 nm以下孔喉體積占比增加,特別是50 nm以下孔喉與黏土礦物具有更好的相關(guān)性,分析認為黏土礦物晶間孔主要以100 nm以下孔隙和喉道為主,且致密儲層喉道總體以100 nm以下為主(圖7)。100 nm以上孔喉體積與黏土礦物負相關(guān),黏土礦物充填孔隙造成粒間(溶)孔隙體積下降,孔隙度降低。

隨黏土礦物質(zhì)量分數(shù)增加,孔喉半徑減小(圖8(a)),但黏土礦物各類型對孔喉大小的影響存在差異。高嶺石與孔喉半徑關(guān)系表現(xiàn)為先負后正,拐點在4%左右(圖8(b));伊利石、伊蒙混層和綠泥石與孔喉半徑總體表現(xiàn)為負相關(guān)(圖8(c)、圖8(d))。長石溶蝕產(chǎn)生溶蝕孔隙和副產(chǎn)物高嶺石,由于高嶺石多在溶蝕孔隙附近就近堆積(圖3(a)、圖3(b)),造成溶蝕增孔效果有限。高嶺石質(zhì)量分數(shù)高,說明溶蝕作用強,在遷移條件好的情況下,有利于孔徑增大、孔隙體積增加,Ⅰ和Ⅱ類結(jié)構(gòu)就屬于上述情況(圖8(b))。

5.2 孔喉迂曲度與黏土礦物的關(guān)系

黏土礦物質(zhì)量分數(shù)增加,結(jié)構(gòu)系數(shù)減小,孔喉通道迂曲度降低,其中,高嶺石、伊蒙混層、伊利石和綠泥石與結(jié)構(gòu)系數(shù)均為負相關(guān),但也存在高嶺石質(zhì)量分數(shù)高而結(jié)構(gòu)系數(shù)大的情況(圖8(e)—圖8(h))。由于黏土礦物晶間孔以100 nm以下孔喉為主(圖7(a)、圖7(b)),總體表現(xiàn)為孔喉比低,結(jié)構(gòu)系數(shù)低,迂曲度較小。

圖8 黏土礦物質(zhì)量分數(shù)與孔喉半徑和結(jié)構(gòu)系數(shù)(迂曲度)交會圖Fig.8 Crossplots of pore throat radius,structure coefficient (tortuosity) and mass fraction of clay minerals

5.3 孔隙結(jié)構(gòu)、黏土礦物與溶蝕作用

100 nm以下孔隙和喉道的形成與黏土礦物晶間孔和壓實及膠結(jié)作用減孔有密切關(guān)系。黏土礦物晶間孔以100 nm以下孔隙和喉道為主,黏土礦物質(zhì)量分數(shù)高的情況下形成大量100 nm以下的孔隙和喉道。由于壓實作用和膠結(jié)作用造成孔隙半徑縮小、孔隙體積降低、喉道半徑減小,喉道半徑減小作用尤為明顯,形成彎片狀或管束狀喉道,孔隙和喉道大小更為均勻。受溶蝕作用影響,形成粒間溶孔、鑄模孔和粒內(nèi)溶孔等類型的溶蝕孔隙,以100 nm以上孔隙為主,而喉道半徑以100 nm以下為主,表現(xiàn)為縮頸型和片狀喉道,孔喉比大,孔隙結(jié)構(gòu)反而更為復雜。

6 結(jié) 論

(1)大寧—吉縣區(qū)塊上古生界孔隙類型以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄?？椎热芪g孔隙為主,其次還發(fā)育高嶺石晶間孔、伊利石晶間孔和綠泥石晶間孔。

(2)大寧—吉縣區(qū)塊上古生界致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)可劃分為5種類型,Ⅰ和Ⅱ類結(jié)構(gòu)以100 nm～1 μm孔隙為主,具有較好的物性條件,以溶蝕孔隙和片狀喉道為主,大孔細喉;Ⅲ～Ⅴ類結(jié)構(gòu)以100 nm以下孔隙和喉道為主,物性差,發(fā)育溶蝕孔隙,黏土礦物晶間孔較發(fā)育,以彎片狀和管束狀喉道為主,小孔細喉。

(3)黏土礦物晶間孔主要由100 nm以下的孔隙和喉道構(gòu)成,具有較小的孔喉比,孔喉通道迂曲度低。伊利石、伊蒙混層和綠泥石對孔喉大小和孔隙結(jié)構(gòu)總體表現(xiàn)為負面影響,但高嶺石質(zhì)量分數(shù)超過4%,溶蝕孔隙發(fā)育程度高,孔喉半徑增大。