鎮(zhèn)北長(zhǎng)81儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)特征

劉廣峰，白耀星，顧岱鴻，高星星，王文舉，潘少杰，王 猛

鎮(zhèn)北長(zhǎng)81儲(chǔ)層微觀孔喉結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)特征

劉廣峰，白耀星，顧岱鴻，高星星，王文舉，潘少杰，王 猛

(中國(guó)石油大學(xué)（北京） 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

采用鑄體薄片、高壓壓汞、恒速壓汞、穩(wěn)定滲流、X衍射全巖分析、三軸壓縮聲發(fā)射等實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81致密砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間、儲(chǔ)層敏感性、巖石脆性等參數(shù)特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，該地區(qū)儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間以粒間孔和粒間溶孔為主，粒內(nèi)溶孔（長(zhǎng)石溶孔+巖屑溶孔）次之，部分地區(qū)存在晶間孔；儲(chǔ)層發(fā)育偏粗態(tài)、偏細(xì)態(tài)、細(xì)態(tài)3種孔喉結(jié)構(gòu)類型，其中以細(xì)態(tài)型孔隙結(jié)構(gòu)為主；致密砂巖儲(chǔ)層品質(zhì)主要受喉道控制。長(zhǎng)81致密砂巖儲(chǔ)層具有應(yīng)力敏感性較弱，脆性指數(shù)大，水平主應(yīng)力差值小的特點(diǎn)，適合利用體積壓裂技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

致密砂巖儲(chǔ)層；儲(chǔ)集空間；喉道；應(yīng)力敏感；脆性指數(shù)；地應(yīng)力

我國(guó)致密油分布廣泛，鄂爾多斯盆地是開(kāi)發(fā)成功的地區(qū)之一。目前，研究致密砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法眾多，依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段的不同，可將孔喉結(jié)構(gòu)研究方法分為直接法和間接法。直接法包括鑄體薄片[1]、掃描電鏡[2]、CT掃描[3]等。間接法主要為高壓壓汞[4]和恒速壓汞[5]，其中高壓壓汞是應(yīng)用最為廣泛、最為經(jīng)濟(jì)的方法，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)將孔隙、喉道分開(kāi)表征[6-7]。恒速壓汞實(shí)現(xiàn)了孔隙、喉道分開(kāi)表征的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量研究[8]，但是由于受最高進(jìn)汞壓力低的限制，難以觀測(cè)到儲(chǔ)層中微小孔喉的存在[9]。本文綜合運(yùn)用鑄體薄片、高壓壓汞和恒速壓汞等實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)長(zhǎng)81儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間、孔隙結(jié)構(gòu)類型以及喉道特征進(jìn)行了分析，并利用穩(wěn)定滲流實(shí)驗(yàn)、X衍射全巖分析和三軸壓縮聲發(fā)射法對(duì)儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性、脆性指數(shù)、地應(yīng)力值進(jìn)行了研究，以期為鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層進(jìn)行注水開(kāi)發(fā)和體積壓裂設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鎮(zhèn)北地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，地理構(gòu)造屬于伊陜斜坡構(gòu)造單元[10]。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育多套含油層系，其中長(zhǎng)81為主力含油層系[11]。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)81儲(chǔ)層為辮狀河三角洲前緣亞相沉積，砂巖按成因可分為水下分流河道砂、河口壩砂和遠(yuǎn)砂壩砂，巖性以細(xì)砂巖為主[12]。大量巖心物性分析實(shí)驗(yàn)表明，鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層平均孔隙度為9.08%，中值為9.5%；平均滲透率為0.190×10-3μm2，中值為0.179×10-3μm2，屬于典型的致密砂巖儲(chǔ)層。

2 儲(chǔ)集空間特征

通過(guò)對(duì)大量鑄體薄片（圖1）鏡下觀察表明，鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81致密砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間主要發(fā)育粒間孔和粒間溶孔。表1為各孔隙類型的具體分布。從表中可以看出，研究區(qū)儲(chǔ)層內(nèi)粒間孔和粒間溶孔發(fā)育，其次，長(zhǎng)石溶孔也較為發(fā)育，晶間孔僅在局部區(qū)域發(fā)育。在成巖作用時(shí)期由于溶蝕作用的改造，產(chǎn)生大量的次生孔隙，這類孔隙對(duì)于改善儲(chǔ)層物性及提高孔喉連通性起到了關(guān)鍵性的作用。

圖1 孔隙類型鑄體薄片圖Fig.1 Pore type of thin-section

3 儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)

3.1 孔喉結(jié)構(gòu)類型及分布

毛管壓力曲線是進(jìn)汞過(guò)程中，累積進(jìn)汞飽和度與進(jìn)汞壓力的關(guān)系曲線，其形態(tài)主要受孔喉大小及分選性等因素影響。不同的孔喉結(jié)構(gòu)具有不同的毛管壓力曲線。通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層大量的壓汞資料分析研究和對(duì)其毛管壓力曲線形態(tài)及各特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，該地區(qū)發(fā)育有3種孔喉結(jié)構(gòu)類型，圖2為3種孔喉結(jié)構(gòu)類型的高壓壓汞曲線。

對(duì)3種孔喉結(jié)構(gòu)類型的壓汞曲線特征參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，得到如表2所示的結(jié)果。其中偏粗態(tài)型孔喉結(jié)構(gòu)最好，細(xì)態(tài)型孔喉結(jié)構(gòu)最差。隨著孔喉結(jié)構(gòu)的變差，其排驅(qū)壓力逐漸增大，孔喉分選性變差，納米級(jí)喉道增多，孔喉連通性變差。

偏粗態(tài)型：該類孔隙結(jié)構(gòu)的毛管壓力曲線形態(tài)總體表現(xiàn)為：排驅(qū)壓力分布在0.7～1.05 MPa，汞飽和度中值壓力較低，平均為2.49 MPa，最大進(jìn)汞飽和度值為86%～91%，退汞效率較高，平均為30.87%，表明孔喉連通性較好。平均滲透率為0.23×10-3μm2，平均孔隙度為11.3%。儲(chǔ)集空間以粒間孔、長(zhǎng)石溶孔為主。

圖2 鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層3種孔隙結(jié)構(gòu)毛管壓力曲線Fig.2 Capillary pressure curves of three types of pore structures in Zhenbei Area

表1 鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層孔隙類型Tab.1 Pore types of Chang 81 in Zhenbei Area

表2 孔隙結(jié)構(gòu)特征分類Tab.2 Statistics on pore structure characteristics

偏細(xì)態(tài)型：該類孔隙結(jié)構(gòu)的毛管壓力曲線形態(tài)總體表現(xiàn)為：平均排驅(qū)壓力為0.72 MPa，汞飽和度中值壓力較高，平均為4.6 MPa，最大進(jìn)汞飽和度值為65%～74%，平均退汞效率為27.22%，平均滲透率為0.17×10-3μm2，孔隙度主要分布于7.9%～9.6%。

細(xì)態(tài)型：該類孔隙結(jié)構(gòu)的毛管壓力曲線形態(tài)總體表現(xiàn)為：平均排驅(qū)壓力約為1 MPa，汞飽和度中值壓力高，最大可達(dá)11.5 MPa，最大進(jìn)汞飽和度值為86%～91%，退汞效率較低，平均為24%，滲透率集中分布在(0.07～0.16)×10-3μm2，平均孔隙度為7.6%。歪度較小，主要集中在-0.24～0.1，顯示出儲(chǔ)層孔徑微小。儲(chǔ)集空間以粒間溶孔、長(zhǎng)石溶孔為主，部分地區(qū)可見(jiàn)晶間孔。

圖3 喉道半徑特征曲線分布Fig.3 Distribution curve of throat radii

圖4 孔隙半徑分布特征曲線Fig.4 Distribution curve of pore radii

3.2 喉道特征

喉道反映了孔隙之間的連通情況，通過(guò)分析喉道的變化特征可以從本質(zhì)上揭示儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的變化[13]。本文采用恒速壓汞法對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層巖樣進(jìn)行了分析。圖3為鎮(zhèn)北地區(qū)長(zhǎng)81儲(chǔ)層3塊樣品的喉道半徑分布特征曲線，由圖可以看出，對(duì)于滲透率最大的巖心（Y-3），其喉道半徑分布峰值為0.6 μm，對(duì)于滲透率最小的巖心（Y-1），其喉道半徑分布峰值為0.4 μm。圖4為孔隙半徑分布特征曲線。對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同滲透率的樣品，其孔隙半徑分布大體一樣，主要區(qū)別在喉道半徑的分布上，隨著樣品滲透率的增大，小喉道所占比例減小，大喉道分布逐漸增多。由此可以得出，對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層而言，微觀孔隙結(jié)構(gòu)的差異主要體現(xiàn)在喉道半徑的大小和分布上，與孔隙分布沒(méi)有太大關(guān)系[14-15]。

4 儲(chǔ)層物性參數(shù)特征

4.1 滲透率的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)

在鉆井完井或油氣生產(chǎn)過(guò)程中，隨著孔隙壓力逐漸下降，儲(chǔ)層有效應(yīng)力（即上覆巖層壓力與孔隙壓力之差）逐漸增大，儲(chǔ)層喉道大小和裂縫寬度隨之變化，導(dǎo)致孔喉體積和滲透率降低，該類現(xiàn)象稱之為儲(chǔ)層應(yīng)力敏感[16]。為了研究致密砂巖儲(chǔ)層的應(yīng)力敏感性，選取了5塊巖心，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)是在圍壓為2.25 MPa的基礎(chǔ)上逐步升高至49.75 MPa，測(cè)定不同圍壓下的巖石滲透率，然后再將圍壓由49.75 MPa下降到2.25 MPa，得到了不同凈有效覆蓋壓力下儲(chǔ)層滲透率變化值。

圖5為5塊樣品滲透率隨凈圍壓的變化曲線，從中可以看出，隨著凈圍壓的上升，滲透率逐漸下降；當(dāng)圍壓下降時(shí)，滲透率逐漸恢復(fù)。但在降壓過(guò)程中，滲透率的恢復(fù)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，即在降壓過(guò)程中，某凈圍壓點(diǎn)所測(cè)的滲透率小于升壓過(guò)程中相同凈圍壓下所測(cè)的滲透率值。在分析所有樣品的應(yīng)力敏感性曲線后，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)升—降圍壓后，巖樣的滲透率只能恢復(fù)到原值的36.59%～88.34%，滲透率越低，恢復(fù)程度越小。本文采用應(yīng)力敏感性系數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式見(jiàn)式1，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3[17]。

表3 應(yīng)力敏感性系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 The evaluation criteria of stress sensitivity coeff i cient

表4 應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of stress sensitivity tests

式中：Ss為應(yīng)力敏感系數(shù)；σi為有效應(yīng)力，MPa；Ki為對(duì)應(yīng)有效應(yīng)力點(diǎn)的滲透率，×10-3μm2；σ0為初始測(cè)點(diǎn)的有效應(yīng)力，MPa；K0為初始測(cè)點(diǎn)的滲透率，×10-3μm2。

通過(guò)計(jì)算得出該地區(qū)巖石的應(yīng)力敏感程度為弱—中等偏弱。表4為各塊巖心的物性參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖6為氣測(cè)滲透率與應(yīng)力敏感系數(shù)關(guān)系圖，由圖可以看出，兩者之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，即滲透率越大，巖石應(yīng)力敏感程度越弱。通過(guò)觀察圖5發(fā)現(xiàn)，在凈圍壓小于10 MPa時(shí)，滲透率下降較快，而在凈圍壓大于10 MPa以后，滲透率下降緩慢，因此在開(kāi)發(fā)中開(kāi)采壓力不宜過(guò)大，應(yīng)當(dāng)選取合理的井距[18]，進(jìn)行超前注水，保持較高的地層壓力，以減少滲透率的損失，提高油藏的采收率[19]。

圖5 滲透率隨凈圍壓變化關(guān)系曲線Fig.5 Permeability changed with net overburden pressure

4.2 巖石脆性指數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

巖石脆性指數(shù)是致密砂巖油氣體積壓裂應(yīng)考慮的重要因素之一[20]。目前，在工程領(lǐng)域關(guān)于巖石脆性特征參數(shù)評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有統(tǒng)一的定義和測(cè)量方法[21]，每一種評(píng)價(jià)方法都有自己的脆性指數(shù)計(jì)算方法，不同的評(píng)價(jià)方法結(jié)果不具有可比性。脆性指數(shù)的計(jì)算方法主要分為室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)和測(cè)井資料解釋[22-23]。本文采用脆性礦物含量法[24]（式2）來(lái)計(jì)算巖石脆性指數(shù)。

式中：C石英：巖石中石英相對(duì)含量；C碳酸鹽：巖石中碳酸鹽類礦物的相對(duì)含量；C粘土：巖石中粘土礦物的相對(duì)含量；B：巖石脆性指數(shù)。

圖6 滲透率與應(yīng)力敏感系數(shù)關(guān)系圖Fig.6 Relationship between permeability and stress sensitivity coefficient

表5為各巖心的礦物成分含量及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出，研究區(qū)長(zhǎng)81致密砂巖儲(chǔ)層巖石脆性指數(shù)分布在48%～73%，平均為60.25%，脆性指數(shù)較高，可見(jiàn)，長(zhǎng)81儲(chǔ)層適合進(jìn)行水力壓裂。

4.3 巖石聲發(fā)射地應(yīng)力值測(cè)試實(shí)驗(yàn)

致密砂巖儲(chǔ)層一般處于低產(chǎn)低效狀態(tài)，需經(jīng)過(guò)壓裂改造才能獲得工業(yè)產(chǎn)出[25]。因此，儲(chǔ)層中裂縫的展布對(duì)致密儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)有著重要的作用。地應(yīng)力不僅影響著水力裂縫的起裂方位，而且影響著裂縫的擴(kuò)展模式[26]。目前測(cè)定地應(yīng)力方法主要分為測(cè)井方法[27]和巖石力學(xué)方法[28]。陳勉等[29]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行隨機(jī)裂縫性儲(chǔ)層壓裂時(shí)，高水平主應(yīng)力差條件下，主縫多分支縫模式占優(yōu)勢(shì)；在低水平主應(yīng)力差條件下，徑向網(wǎng)狀擴(kuò)展模式占優(yōu)勢(shì)。本文采用圍壓下聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)法測(cè)定地應(yīng)力值。在現(xiàn)場(chǎng)取出的全直徑巖心中鉆取一塊垂直方向Ф25×50 mm的圓柱(Z軸)，在垂直巖心軸線平面內(nèi)相隔45°各取一塊Ф25×50 mm的圓柱，共鉆取4塊。表6為應(yīng)用聲發(fā)射測(cè)得的地應(yīng)力值，從表中可以看出，水平地應(yīng)力差分布在3～5 MPa，水平主應(yīng)力差值小，在水力壓裂過(guò)程中裂縫易形成縫網(wǎng)狀。基質(zhì)中的流體能夠通過(guò)裂縫更好的流向井筒，從而提高油井產(chǎn)量。

5 結(jié)論

1）研究區(qū)儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間以粒間孔和粒間溶孔為主，同時(shí)長(zhǎng)石溶孔也較為發(fā)育，部分地區(qū)可見(jiàn)晶間孔；儲(chǔ)層發(fā)育偏粗態(tài)型、偏細(xì)態(tài)型和細(xì)態(tài)型三種孔隙結(jié)構(gòu)，其中以細(xì)態(tài)型孔隙結(jié)構(gòu)為主，孔徑以中孔和微孔為主，孔喉連通性較差，退汞效率低。

2）喉道特征表現(xiàn)為隨著滲透率的增大，小喉道減少，大喉道逐漸增多，孔隙分布與滲透率大小沒(méi)有明顯的相關(guān)性，與喉道分布顯示出較強(qiáng)的正相關(guān)性，表明儲(chǔ)層物性主要受喉道控制。

3）該地區(qū)儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性為弱—中等偏弱，在凈圍壓較小下滲透率下降快，開(kāi)發(fā)中應(yīng)注意地層壓力的保持；儲(chǔ)層脆性指數(shù)較大，以及水平主應(yīng)力差小，適合進(jìn)行體積壓裂，裂縫容易形成縫網(wǎng)。

表5 巖心X衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of X-ray tests

表6 聲發(fā)射測(cè)地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of ground stress tests

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（責(zé)任編輯 王利君）

Characteristics of microscopic pore structure and physical property parameter of Chang 81 oil reservoir in Zhenbei Area

LIU Guangfeng,BAI Yaoxing,GU Daihong,GAO Xingxing,WANG Wenju,PAN Shaojie,WANG Meng

(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

The cast thin section analysis, high-pressure mercury, constant-speed mercury porosimetry, steady seepage, X-ray diffraction and acoustic emission of rocks under triaxial compression methods are used to experimentally investigate the reservoir space and physical property parameters of the Chang 81 tight sandstone reservoir in the Zhenbei Area. The results show that the reservoir space is dominated by intergranular pore and intergranular dissolution pore, followed by intragranular dissolution pore (feldspar dissolved pore and lithic dissolved pore), and only few areas exhibit intercrystalline pore. Three types of pore structures are observed, namely less wide form, rather narrow form and narrow form. The quality of tight sandstone reservoir is mainly controlled by throat. The results show that the research area has characteristics of the low stress sensitivity, high brittleness index and small horizontal principal stress difference. It’s suitable for SRV fracturing.

tight sandstone oil reservoir; the reservoir space; throat; stress sensitivity; brittleness index; ground stress

P618.13

A

1673-9469（2017）01-0097-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.021

投稿日期：2016-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404282)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2014D-5006-0215)；中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研基金資助項(xiàng)目(2462015YQ0217)

劉廣峰（1979-），男，山東東平人，講師，博士，從事油氣田開(kāi)發(fā)工程的教學(xué)與研究工作。