恒速壓汞技術在定邊長7致密砂巖儲層微觀孔喉空間表征中的應用

張 鵬,張金功,趙謙平,暢 斌,張 亮,高 飛,曹 成,李 康

(1.西北大學 地質學系, 陜西 西安 710069,2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,陜西 西安 710075)

恒速壓汞技術是現在用于表征儲集層巖石微觀孔喉空間特征最先進的技術之一,和常規壓汞技術[1-2]進行對比,其采用準靜態進汞技術(進汞速度為0.000 001 mL/s),對孔隙、喉道和孔喉半徑比的大小以及分布進行更為準確的表征及劃分[3-7],克服了常規壓汞技術難以區別孔隙、喉道以及難以對孔喉空間進行表征的局限性。恒速壓汞技術更適用于微觀孔隙和喉道[8-11]性質差異比較大的致密砂巖儲層；與常規油氣儲集層相比,致密砂巖儲集層的孔喉空間展布更為復雜多變[12-17],對儲集層的物性影響更為明顯。基于上述考慮,本文采用常規物性測試、掃描電鏡、鑄體薄片、恒速壓汞技術,對鄂爾多斯盆地西北部定邊地區長7致密砂巖油藏儲集層的孔隙、喉道以及孔喉半徑比等特征開展深入的表征,進一步分析了儲集層微觀孔喉空間分布與物性的相關性特征,主要揭示了長7致密砂巖儲集層微觀孔喉空間展布的特征,并為此類儲集層精準地進行儲層評價提供理論支撐。

1 恒速壓汞實驗簡介及樣品信息

1.1 恒速壓汞實驗簡介

本次實驗采用的恒速壓汞設備是由美國Coretest Systems公司生產的ASPE-730型儀器,該設備以非常低的速度將汞注入巖石孔隙空間(其進汞速度為0.000 001 mL/s),如此低的進汞速度保證了準靜態進汞過程的發生。當注入汞從孔隙進入喉道時,注入壓力逐步升高,達到一定的程度時,注入壓力高于喉道處的毛細管力,汞突破喉道的控制,進入下一個孔隙,注入壓力瞬間回落,并且進入下一個壓力漲落的循環。通過相關設備記錄進汞壓力的漲落變化以及注入汞的體積,從而識別出孔隙、喉道以及孔喉的配置關系,并計算出孔隙和喉道的大小及分布特征。

實驗具體步驟為: ① 選取研究區塊目的層段需要進行測試的典型樣品; ② 利用巖心鉆取機鉆取直徑為2.5 cm, 高5～7 cm的圓柱體樣品; ③ 對巖心進行洗油、烘干處理,進行常規物性測試;④ 將樣品抽真空后浸泡在汞液當中,放在恒速壓汞設備中,以很低的速度注入汞,通過相關設備記錄壓力的變化以及注入汞體積等相關參數,對數據進行處理;⑤ 當壓力達到約6.2 MPa時，實驗結束。

1.2 樣品信息及結果

鄂爾多斯盆地定邊油區, 位于陜西省榆林市定邊縣行政區域內, 處于鄂爾多斯盆地湖盆沉積中心的西北部地區。 本研究區域的構造特征比較簡單,為由東向西的西傾單斜,在單斜的基礎上發育有低幅度鼻狀構造,沒有斷層發育,平均坡降為8～10 m。本研究的主要層位為中生界上三疊統延長組長7油層,主要發育三角洲前緣沉積與重力流沉積,三角洲前緣沉積以水下分流河道砂體為主;重力流沉積以砂質碎屑流砂體為主,濁積砂體和滑塌巖次之。

根據研究區延長組長7油層87塊鑄體薄片的觀察統計可知(見圖1),儲集層巖性主要為灰色、灰黑色、黑色中—細粒巖屑長石砂巖,少量長石巖屑砂巖以及長石砂巖。從組成巖石的各種礦物成分來看,碎屑顆粒含量較高,質量分數達到了88.1%,其中長石質量分數最大,約為36.3%;石英質量分數次之,約為31.1%;巖屑主要由變質巖巖屑、火成巖巖屑、少量沉積巖巖屑及云母組成,質量分數約為20.7%。基于成巖壓實作用、膠結作用、交代作用、溶解作用的共同作用,儲集層孔隙結構尺度復雜多樣,儲集層目的層段物性差。

圖1 定邊地區長7儲層巖石類型Fig.1 Rock type of the Chang 7 reservoir in the Dingbian area

選取巖樣時,主要根據儲層沉積相、巖性、物性以及控制全區等多種影響因素。本研究共選取了儲集層14塊樣品進行了恒速壓汞測試(見表1)。由表1可知，儲集層14塊巖樣的孔隙度分布范圍為1.1%～19.4%,平均為8.56%;儲集層滲透率的分布范圍為(0.006～3.728)×10-3μm,平均為0.568×10-3μm,屬于特低滲透、超低滲透儲集層。其中，儲集層巖樣滲透率小于0.01×10-3μm2有1塊,儲集層巖樣滲透率位于(0.01～0.10)×10-3μm2的有7塊,儲集層巖樣滲透率位于(0.10～0.50)×10-3μm2的有3塊,儲集層巖樣滲透率位于(0.50～4.00)×10-3μm2的有3塊。從主要實驗測試結果(見表1)可以看出,儲集層14塊樣品的平均孔隙半徑為112.94～153.01 μm,平均喉道半徑分布范圍0.20～1.94 μm,平均孔喉半徑比64.2～740.5。隨著儲集層滲透率的增大,平均孔隙半徑差異不大,平均喉道半徑有增大的趨勢,平均孔喉半徑比有減小的趨勢。

表1 實驗樣品主要參數統計Tab.1 Statistics of main parameters of experimental samples

2 孔隙特征分析

2.1 孔隙類型

通過掃描電鏡的圖像分析可知，定邊油區長7致密油藏孔隙主要有5種類型，分別為溶蝕粒間孔、殘余粒間孔、粒內溶孔、微孔隙、微裂隙(見圖2):① 溶蝕粒間孔隙(見圖3B)為主要的孔隙類型,是在成巖過程中，碎屑之間，顆粒因部分填隙物和碎屑發生溶解而形成的孔隙空間，以碎屑顆粒及膠結物溶蝕為主(見圖3H),溶蝕嚴重,面孔率最大為9.1%,占總孔隙的60%～78%,平均為74.1%;② 殘余粒間孔隙(又叫原生粒間孔,見圖3A)是砂巖沉積物在成巖過程中，粒間孔隙被填隙物充填改造后形成的孔隙類型。研究區主要由伊利石、綠泥石充填孔隙(見圖3G，I)，殘余粒間孔較少,約為總孔隙的2.1%～8.2%,平均為6.1%;③ 粒內溶孔是砂巖碎屑顆粒在埋藏成巖過程中，部分孔隙因溶蝕而產生的儲存空間。 長石和部分巖屑內溶孔居多, 石英次之， 為總孔隙的9.4%～19.1%,平均為13.4%,巖性致密程度較差(見圖3D);④ 微孔隙(見圖3C)是填隙物局部易溶解而形成的溶蝕孔隙,填隙物雜基內部由于收縮形成的微小空間(見圖3F),約為總孔隙的3.3%;⑤ 微裂隙(見圖3C)是由于裂縫(裂隙)局部溶蝕作用形成的儲存空間,約為總孔隙的3.1%。溶蝕裂縫較小,次生加大顆粒溶蝕(見圖3E)，較好地改善了儲集層的物性及滲流通道。

圖2 定邊地區長7儲層主要孔隙類型統計Fig.2 Main pore type of the Chang 7 reservoir in the Dingbian area

A 18號樣品,2 221.73 m,粒間孔,鑄體薄片;B 44號樣品,2 295.10 m, 溶孔, 鑄體薄片; C 8號樣品, 2 119.0 m,微裂縫,鑄體薄片;D 135號樣品,2 486.33 m,巖屑長石砂巖、巖性致密程度較差,掃描電鏡;E 132號樣品,2 499.95 m,巖屑長石砂巖、次生加大顆粒溶蝕,掃描電鏡;F 23號樣品,2 222.51 m，長石砂巖、長石顆粒溶蝕,掃描電鏡;G 18號樣品,2 221.73 m,長石巖屑砂巖、伊利石充填孔隙,掃描電鏡;H 47號樣品,2 295.40 m,巖屑長石砂巖、高嶺石充填孔隙,掃描電鏡;I 228號樣品,2 300.68 m,長石巖屑砂巖、綠泥石充填孔隙,掃描電鏡 圖3 定邊地區長7儲層空間類型Fig.3 The space type of the Chang 7 reservoir in the Dingbian area

2.2 孔隙特征分析

從儲集層14塊巖樣孔隙半徑分布范圍曲線(圖4)可知,不同滲透率級別的巖樣,儲集層孔隙半徑都基本符合正態分布特征,其分布范圍基本接近、峰值分布頻率差異較大。孔隙半徑基本分布在65～240μm,主要分布在90～160μm;峰值分布在115μm左右,曲線在峰值的左邊比較陡峭、右邊比較平緩。

圖4 孔隙半徑分布曲線Fig.4 Pore radius distribution curve

通過對儲集層14塊樣品孔隙半徑進行加權平均,得出平均孔隙半徑分布范圍為112.94～153.01 μm。由儲集層平均孔隙半徑和物性的相關關系(見圖5)可得,伴隨著孔隙度、滲透率數值的增加,平均孔隙半徑的規律性變化不顯著,說明其儲集層平均孔隙半徑和物性的相關性差。

圖5 平均孔隙半徑和物性相關關系圖Fig.5 Average pore radius and physical properties correlation diagram

儲集層有效孔隙體積(連通孔隙體積)體現的是儲集層儲集能力的大小,單位體積巖樣的有效孔隙體積越大,說明儲集能力越強。由儲集層單位體積的巖樣有效孔隙體積和物性相關關系(見圖6)可以看出,隨著孔隙度、滲透率數值的增加,單位體積的巖樣有效孔隙體積也逐步升高,儲集能力也逐漸升高，說明研究區致密儲集層具有較好的物性參數。

3 喉道特征分析

圖7是14個樣品的喉道半徑分布曲線。由圖7可知,儲集層14塊巖樣的喉道半徑形態分布差異比較大,伴隨著滲透率的增加,喉道半徑分布范圍逐步增寬,小喉道所占的比例逐漸減少,大喉道所占的比例逐漸增加,并且喉道半徑的峰值分布頻率也逐漸減小。當儲集層巖樣滲透率小于0.01×10-3μm2時,喉道半徑分布范圍為0.2～0.6 μm,大部分數值小于0.4 μm；當儲集層巖樣滲透率位于(0.01～0.1)×10-3μm2時,喉道半徑范圍0.2～0.7 μm,大部分喉道半徑小于0.5 μm;當儲集層巖樣滲透率位于(0.10～0.50)×10-3μm2時,喉道半徑范圍為0.2～1.7 μm,大部分數值小于14 μm;當儲集層巖樣滲透率大于0.50×10-3μm2時,喉道半徑分布范圍為0.2～5.0 μm,大部分數值小于45 μm。

圖6 單位體積巖樣有效孔隙體積和物性相關關系圖Fig.6 Effective pore volume and physical properties per unit volume of samples of correlation diagram

圖7 喉道半徑分布曲線Fig.7 Throat radius distribution curve

從儲集層巖樣的平均喉道半徑和物性的相關關系可以看出(見圖8),目的層14塊巖樣的平均喉道半徑、孔隙度及其滲透率都有相關性聯系,平均喉道半徑0.20～1.94 μm。與其儲集層孔隙度進行比較,平均喉道半徑和滲透率的相關性更好,也體現出了喉道半徑對滲透率的變化最為敏感,對其滲透率起主導作用。

通過對儲集層孔隙半徑、喉道半徑和物性的相關性進行分析對比可以看出，對致密儲集層而言,孔隙半徑對物性的影響較小,喉道半徑對物性的影響較大,喉道半徑對儲集層物性的好壞起到關鍵性的作用。

圖8 平均喉道半徑和物性相關關系圖Fig.8 Relationship between average throat radius and physical properties

由儲集層14塊巖樣不同數值的喉道半徑對滲透率的貢獻曲線可知(見圖9),當儲集層巖樣的滲透率小于0.01×10-3μm2時,滲透率主要由喉道半徑小于0.4 μm的所貢獻;當儲集層巖樣滲透率位于(0.01～0.10)×10-3μm2時,滲透率主要由喉道半徑小于0.5 μm的所貢獻;當儲集層巖樣滲透率位于(0.10～0.50)×10-3μm2時,喉道半徑有所變寬,滲透率主要由喉道半徑介于0.4～1.4 μm的所貢獻;當儲集層巖樣滲透率大于0.50×10-3μm2時,喉道半徑變得更加寬泛,滲透率主要由喉道半徑介于0.5～4.5 μm的所貢獻。這充分說明,隨著滲透率的增大,小喉道對滲透率的貢獻所起的作用逐漸減弱,同時大喉道對儲集層滲透率的貢獻所起的作用逐漸增強。

圖9 喉道對滲透性貢獻率圖Fig.9 Contribution ratio of throat to permeability

4 孔喉配置關系分析

恒速壓汞技術對研究區儲集層14塊巖樣進行的測試,不但可以得到巖樣的孔隙、喉道的分布狀況,而且可以得到孔喉的配置關系。由儲集層14塊巖樣的孔喉半徑比分布范圍曲線(見圖10)可得,孔喉半徑比分布范圍比較寬,從10～1 250都有分布,其孔喉半徑比峰值從大到小分別為640，600，600，550，550，500，450，400，200，170，130，90，90，20。隨著巖樣滲透率的增加,孔喉半徑比峰值逐步向小值區域移動且移動速度逐漸加快,孔喉半徑比峰值分布于大值區域的數量逐漸減少,分布于小值區域的數量逐漸增加。

圖10 孔喉半徑比分布曲線Fig.10 Pore to throat radius ratio distribution curve

油氣田儲集層開發的好與壞,主要與孔隙、喉道的配置密切相關。如果儲集層孔喉半徑比小，孔喉分選性好,就會取得比較好的開發效果。儲集層孔喉半徑比較小的時候,大孔隙與小喉道連通,油氣不易通過小喉道,其驅替過程中容易造成卡段;孔喉半徑比較大的時候,大孔隙和大喉道相連,油氣通過喉道比較容易。由此可見,對于致密油藏而言,孔喉半徑比整體比較大,壓裂是改善油氣滲流通道的主要途徑，其改變了儲層的孔喉配置關系,進而達到油氣田增產穩產的目的。

5 結 論

1)定邊油區長7致密砂巖油藏孔隙類型主要為殘余粒間孔隙、溶蝕粒間孔隙、粒內溶孔、微孔隙、微裂隙。

2)研究區致密砂巖儲集層的孔隙半徑分布范圍為65～240 μm,孔隙半徑的差異不顯著,儲集層孔隙半徑和物性的相關性不明顯。儲集層單位體積巖樣的有效孔隙體積較大時,物性較好,儲存能力較強。

3)研究區致密砂巖儲集層的喉道半徑形態分布伴隨著滲透率的不同而差異比較大,基本上都小于5 μm。當儲集層滲透率較小時,喉道半徑分布比較集中且較小,小喉道占主導作用;隨著儲集層滲透率的增加,喉道半徑分布逐步增寬,大喉道的占比逐漸增加，對滲透率的貢獻逐漸增強,小喉道的占比逐漸減小，對滲透率的貢獻逐漸減弱。喉道半徑是制約和影響儲集層物性的關鍵因素,與物性的相關性較好。

4)研究區致密砂巖儲集層孔喉半徑比為10～1 250,分布范圍比較寬。隨著儲集層滲透率的增大,孔喉半徑比分布范圍逐漸減小。

參考文獻：

[1] 王瑞飛, 沈平平, 宋子齊，等. 特低滲透砂巖油藏儲層微觀孔喉特征[J]. 石油學報, 2009, 30(4):560-563.

[2] 師調調, 孫衛, 何生平. 低滲透儲層微觀孔隙結構與可動流體飽和度關系研究[J]. 地質科技情報, 2012,31(4):81-85.

[3] 陳大友, 朱玉雙, 夏勇，等. 恒速壓汞技術在致密砂巖儲層微觀孔隙空間刻畫中的應用——以鄂爾多斯盆地中部中二疊統石盒子組盒8段為例[J]. 西北大學學報(自然科學版), 2016, 46(3):423-428.

[4] 高輝, 王美強, 尚水龍. 應用恒速壓汞定量評價特低滲透砂巖的微觀孔喉非均質性——以鄂爾多斯盆地西峰油田長8儲層為例[J]. 地球物理學進展, 2013, 28(4):1900-1907.

[5] 柴智, 師永民, 徐常勝，等. 人造巖心孔喉結構的恒速壓汞法評價[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2012, 48(5):770-774.

[6] 高輝, 解偉, 楊建鵬，等. 基于恒速壓汞技術的特低—超低滲砂巖儲層微觀孔喉特征[J]. 石油實驗地質, 2011, 33(2):206-211.

[7] 高永利, 張志國. 恒速壓汞技術定量評價低滲透砂巖孔喉結構差異性[J]. 地質科技情報, 2011, 30(4):73-76.

[8] 王瑞飛, 呂新華, 國殿斌，等. 深層高壓低滲砂巖油藏儲層微觀孔喉特征:以東濮凹陷文東油田沙三中段油藏為例[J]. 現代地質, 2012, 26(4):762-768.

[9] 高輝, 孫衛. 特低滲砂巖儲層微觀孔喉特征的定量表征[J]. 地質科技情報, 2010, 29(4):67-72.

[10] 高輝, 敬曉鋒, 張蘭. 不同孔喉匹配關系下的特低滲透砂巖微觀孔喉特征差異[J]. 石油實驗地質, 2013, 35(4):401-406.

[11] 高慧梅, 姜漢橋, 陳民鋒，等. 儲集層微觀參數對油水相對滲透率影響的微觀模擬研究[J]. 石油勘探與開發, 2006, 33(6):734-737.

[12] 張浩, 陳剛, 朱玉雙，等. 致密油儲層微觀孔隙結構定量表征——以鄂爾多斯盆地新安邊油田長7儲層為例[J]. 石油實驗地質, 2017, 39(1):112-119.

[13] 李華陽, 李潮流, 周燦燦，等. 致密砂巖儲層測井數字巖石物理研究需求、進展與挑戰[J]. 測井技術, 2014, 38(2):125-130.

[14] 操應長, 葸克來, 朱如凱，等. 松遼盆地南部泉四段扶余油層致密砂巖儲層微觀孔喉結構特征[J]. 中國石油大學學報(自然科學版), 2015(5):7-17.

[15] 畢明威, 陳世悅, 周兆華，等. 鄂爾多斯盆地蘇里格氣田蘇6區塊盒8段致密砂巖儲層微觀孔隙結構特征及其意義[J]. 天然氣地球科學, 2015, 26(10):1851-1861.

[16] 吳浩, 張春林, 紀友亮，等. 致密砂巖孔喉大小表征及對儲層物性的控制——以鄂爾多斯盆地隴東地區延長組為例[J]. 石油學報, 2017, 38(8)：876-887.

[17] 王偉明, 盧雙舫, 李杰，等. 致密砂巖儲層微觀孔隙特征評價——以中國吐哈盆地為例[J]. 天然氣地球科學, 2016, 27(10):1828-1836.