氣田致密砂巖氣儲層不同孔隙結(jié)構(gòu)表征研究

張翔　閆旭光　張雷　周曉　王歡歡

摘 要：以鄂爾多斯盆地某氣田致密砂巖儲層為研究對象，利用多種實驗綜合分析方法揭示不同孔隙尺寸分布、孔隙形狀、孔隙類型。實驗結(jié)果表明，研究區(qū)域的孔隙主要為次生溶孔、雜基孔、粒間孔以及微裂縫，由三維孔隙網(wǎng)絡(luò)觀察到孔隙形狀以柱狀和球狀為主，分布不均勻，且致密砂巖中發(fā)育有較多的孤立孔隙。核磁共振T2譜具有雙峰特征，表明孔隙尺寸主要分布在2個范圍內(nèi)。利用改進的K-C方程確定了新的孔隙結(jié)構(gòu)分類參數(shù)PSCI。利用該分類模型將來自某氣田的致密砂巖樣品分成了4類，按類別擬合了孔隙關(guān)系曲線，獲析了各類孔隙結(jié)構(gòu)的孔滲關(guān)系式，這有助于通過孔隙度更準(zhǔn)確的預(yù)測滲透率。

關(guān)鍵詞：致密砂巖；孔隙結(jié)構(gòu)；流動機制；滲流能力

中圖分類號：TE311+.2 文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0107-04

Characterization of pore structure of tight sandstone gas reservoirs in a certain area of the ordos basin

ZHANG Xiang1，YAN Xuguang2，ZHANG Lei3，ZHOU Xiao2，WANG Huanhuan2

（1.Yanchang Petroleum （Group） Co.，Ltd.，Oil and Gas Exploration Company，Yanan 716000， Shaanxi China;2.Xian Alberta Environmental Analysis and Testing Technology Co.，Ltd.，Xian 710018， China;3.Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Hengshan Oil Production Plant，Yulin 719100， Shaanxi China）

Abstract：This article takes a tight sandstone reservoir in a gas field in the Ordos Basin as the research object，and uses various experimental comprehensive analysis methods to reveal the distribution of pore size，pore shape，and pore type.The experimental results indicate that the pores in the study area are mainly secondary dissolution pores，mixed matrix pores，intergranular pores，and microcracks.From the three-dimensional pore network，it is observed that the pore shapes are mainly columnar and spherical，with uneven distribution.Additionally，there are many isolated pores developed in dense sandstone.The nuclear magnetic resonance T2 spectrum exhibits a bimodal characteristic，indicating that pore size is mainly distributed within two ranges.A new pore structure classification parameter PSCI was determined using the improved K-C equation.Using this classification model，the tight sandstone samples from a certain gas field were divided into four categories，and the pore relationship curves were fitted according to the categories.The pore permeability relationships of various pore structures were obtained，which helps to predict permeability more accurately through porosity.

Key words：dense sandstone;pore structure;flow mechanism;seepage capacity

化石燃料資源豐富，開發(fā)利用相對經(jīng)濟，是人類的主要能源。天然氣作為一種重要的化石燃料，在致密氣和頁巖氣資源持續(xù)開發(fā)的推動下，實現(xiàn)了全球化石燃料產(chǎn)量最大的增長。非常規(guī)油氣資源的快速開發(fā)使北美地區(qū)的石油產(chǎn)量增加了31％，引發(fā)了全球致密油氣開采熱潮［1-2］。非常規(guī)致密砂巖儲層在我國多個油田也相繼成功開發(fā)［3-7］。與常規(guī)砂巖儲層相比，致密砂巖儲層孔隙類型多，孔喉半徑分布范圍廣，孔隙空間連通性差，非均質(zhì)性強［8-10］。因此，研究孔隙結(jié)構(gòu)特征揭示致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與流動機制有著直接內(nèi)在聯(lián)系［11-13］。

目前國內(nèi)外關(guān)于致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征的研究多采用單一的實驗方法，未能全面獲取孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、精準(zhǔn)評價孔隙結(jié)構(gòu)特征。在前人的研究基礎(chǔ)上，本文通過收集某氣田井區(qū)的致密砂巖樣品，對其開展實驗分析，獲得各樣品的物性參數(shù)，將多種實驗與分類理論相結(jié)合，綜合表征了研究區(qū)域的致密砂巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)，并利用改進的K-C方程確定了新的孔隙結(jié)構(gòu)分類參數(shù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文所用研究巖石樣品取自A 6 井，選取其中8塊典型樣品，用于鑄體薄片實驗、微CT掃描實驗和核磁共振實驗。

1.2 試驗方法

本文綜合使用核磁共振、X射線衍射、實驗對致密砂巖巖心進行分析。

（1）核磁共振實驗分析。不僅可以分析整個樣品中大小孔隙的分布情況，也可以分析出大小孔隙所分布的具體孔喉半徑范圍。通過核磁共振掃描得到的橫向弛豫時間（T2）譜分布曲線轉(zhuǎn)換為毛管壓力分布曲線，可有效將微觀孔喉半徑與喉道半徑之間的關(guān)系明確化，研究其連通性情況；

（2）X射線衍射實驗分析。通過X射線衍射儀測定巖樣中礦物中晶體的衍射圖譜，圖譜中的特征峰強度與樣品中該礦物的含量正相關(guān)。基于實驗的方式可以確定巖樣中某種礦物的含量與其特征衍射峰的強度之前的正相關(guān)關(guān)系，進而通過測量未知樣品中該礦物的特征峰的強度而求出該礦物的含量；

2 結(jié)果與討論

2.1 致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征評價

2.1.1 巖石物理特征及孔隙類型

巖心樣品孔隙度和滲透率測試是研究孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟，本次實驗選用了8個樣品進行常規(guī)孔滲實驗。在實驗測量前需對樣品進行預(yù)處理。在全直徑砂巖樣品上鉆取長為5 cm，直徑為2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱巖心。對其進行清洗。采用SCMS-E型高溫高壓巖心多參數(shù)儀對所選樣品進行孔滲參數(shù)測量。得到的孔隙度和滲透率將用于研究孔隙結(jié)構(gòu)對砂巖儲集能力和滲流能力的影響以及分形滲透率模型的可靠性驗證。

研究的巖心主要灰白色致密砂巖。不同的砂巖樣品的粒徑無明顯差別，大部分為中粗粒砂巖。8個樣品的氣測孔隙度2.93%～9.91%，平均值為6.38%，測得的滲透率0.013～0.237 mD，平均值為0.083 mD。計算出儲層質(zhì)量指數(shù)（RQI）介于0.021～0.049 μm，平均值為0.033 μm。由此可知，滲透率與孔隙度呈正相關(guān)；但相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)為0.751 3（如圖1所示）。

2.1.2 巖石礦物成分分析

表1匯總了8個致密砂巖樣品的XRD礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)X射線衍射全巖定量分析結(jié)果可知，這些樣品主要含有石英、粘土礦物、斜長石等礦物，只有部分巖心含有少量的白云石、方解石、無菱鐵礦和黃鐵礦。石英含量介于40%～90%，平均61.6%；長石含量介于0%～27%，平均16%。所有樣品均含粘土礦物，含量介于7%～25%，平均為16.3%；粘土礦物以伊利石為主，占總粘土礦物比例39%～78%，其次是綠泥石（10%～39%）、伊蒙互層（4%～31%）和高嶺石（0%～5%）。

2.1.3 核磁共振測試

核磁共振得到的N1～N8巖心T2分布曲線如圖3所示。

從圖2可以看出，T2譜呈明顯的雙峰分布，雙峰分布表明巖心樣品中的孔徑分布不連續(xù)。左右峰T2分別在0.1～10、10～1 000 ms；T2越小，孔隙半徑越小。從圖2的曲線上還可知，左峰明顯高于右峰，說明巖心樣品中微孔比大孔發(fā)育得更好。值得注意的是，N1巖心左峰遠(yuǎn)高于其他巖心，說明N1巖心大孔隙發(fā)育程度相對較好。

N1～N8巖心樣品的核磁共振孔隙度變化范圍為3.12％～11.26％，平均孔隙度為6.92％。利用NMR實驗數(shù)據(jù)與氣測孔隙度繪制了直方圖和關(guān)系曲線，具體如圖3、圖4所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，由于NMR法測量的是總孔隙度，而氣測孔隙度是有效孔隙度，所以NMR測得的孔隙度略大于氣測孔隙度。對關(guān)系曲線進行回歸，發(fā)現(xiàn)NMR測得的孔隙度與氣測孔隙度之間存在良好的線性趨勢（R2=0.989 7）。

2.2 致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)分類

分類評價參數(shù)是關(guān)鍵，直接決定了儲層流動單元研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究對影響儲層流體流動特性的諸多參數(shù)進行了分析和比較。在分析影響儲層流體流動特征因素的基礎(chǔ)上，對孔隙結(jié)構(gòu)的分類和評價參數(shù)進行了優(yōu)化，以確保這些參數(shù)能夠充分反映各種因素對儲層流動特征的影響。

2.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)分類指標(biāo)建立

儲層經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖過程，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)具有較強的非均質(zhì)性，這對多孔介質(zhì)中流體的滲流特征有著重要的影響。準(zhǔn)確劃分具有相同流動特征的巖石對評價油藏的非均質(zhì)性有著重要的意義。自提出劃分流動單元的參數(shù)（FZI）以來，大量學(xué)者利用FZI對孔隙結(jié)構(gòu)劃分進行了研究。本文基于改進的K-C方程和改進的分形滲透率模型，建立了與FZI類似的流動單元（HFU）劃分參數(shù)。利用改進的分形孔隙比表面積重寫的K-C方程：

由式（2）可知，具有相同孔隙結(jié)構(gòu)的巖石，其孔隙結(jié)構(gòu)分類指標(biāo)應(yīng)該相同。這是由于這類巖石經(jīng)歷了相似的沉積和成巖過程，因此有著相似的宏觀儲層性質(zhì)和微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

相同類型的孔隙結(jié)構(gòu)，在雙對數(shù)坐標(biāo)中落在一條斜率為1的直線上。具有不同PSCI值的樣本將位于平行線上，位于同一條線上的樣品具有相同的孔喉尺寸特性，因此被歸入一個水力流動單元。

2.2.2 致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)分類

1）分類方法

考慮到借助直方圖和概率圖確定流動單元的精確數(shù)量和分離邊界的模糊性，因此需要更精確的方法。層次聚類是一種使用樹形圖層次樹在不同尺度上同時對數(shù)據(jù)進行分組的方法。該樹不是一個獨立的數(shù)據(jù)集，而是一個多級分類，其中較低級別的集群與較低級別的集群相連。這些條件使得為各自的類別選擇更合適的水平或聚類尺度成為可能。改進模型分類結(jié)果如圖5所示，其中mROI為儲層質(zhì)量指數(shù)，為孔隙度。

2）分類結(jié)果評價

在改進模型分類關(guān)系曲線中，確定了4種類型的PSCI，用斜率為1的虛線加以區(qū)分。PSCI在0.17 ～1.66 μm變化，具體為：PSCI 1>0.71 μm，PSCI 2=0.46～0.71 μm，PSCI 3=0.3～0.46 μm，PSCI 4<0.3 μm。因此，依據(jù)流動單元分類，取樣區(qū)域的孔隙結(jié)構(gòu)可以被分為4種類型，這也標(biāo)志著這4種類型的巖心中的孔隙結(jié)構(gòu)和流動規(guī)律的差異?？紫抖?滲透率散點圖顯示出很大的分散性，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，相關(guān)系數(shù)僅為0.460 4，這表明孔隙度不能單獨解釋滲透率的變化，即使是同一口井的孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)，這種差異仍然存在。

3 結(jié)語

（1）使用綜合的實驗手段對真實低滲透致密砂巖巖心的孔隙和喉道的幾何形狀、尺寸分布、連通性、孔隙和喉道的配位關(guān)系進行了定量分析。通過巖心鑄體薄片確定了致密砂巖中的孔隙類型，儲層中的孔隙主要為次生溶孔，其次為雜基孔和粒間孔，雖然微裂縫的數(shù)量較少，但是能夠較大程度的影響滲透率；

（2）基于致密砂巖孔隙空間滿足分形規(guī)律，利用改進的K-C方程確定了孔隙結(jié)構(gòu)分類參數(shù)PSCI。利用該分類模型將來自某氣田的砂巖樣品分成了四類，每一類的孔隙度和滲透率相關(guān)性均遠(yuǎn)高于總體的孔滲相關(guān)性。因此，可以利用分類模型劃分出具有相同孔隙結(jié)構(gòu)的致密砂巖儲層，并通過孔隙度更準(zhǔn)確的估計滲透率。

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收稿日期：2023-02-23；修回日期：2023-05-04

作者簡介：張 翔（1983-），男，碩士，高級工程師，研究方向：石油天然氣勘探開發(fā)；E-mail：gjgknw@163.com。

基金項目：國家青年基金項目（項目編號：52104032）。

引文格式：張 翔，閆旭光，張 雷，等.某氣田致密砂巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)表征研究[J].粘接，2023，50（6）：107-110.