鄂爾多斯盆地宜川地區本溪組致密砂巖儲層孔隙結構分形特征研究

王 寧，吳 琳，吳春燕，沈 英

（陜西延長石油 （集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710006）

致密砂巖氣作為一種非常規油氣資源，成為我國現今油氣勘探開發的重點之一［1-5］。致密砂巖儲層通常具有低孔隙度、低滲透率、強非均質性特點，其孔隙結構特征對致密油氣開發具有重要意義，不僅控制著儲層滲流特征，而且直接影響致密氣井的產量和最終采收率［6-9］。

致密油氣儲層的儲集空間主體為納米級孔吼體系，局部發育微米-毫米級孔隙。傳統孔吼表征技術法已經不能滿足致密儲集層的微觀孔隙結構研究［3］。氣體吸附法是納米級孔吼結構分析的首選方法［10］，常用的主要是低溫氮氣吸附。通過低溫氮氣實驗對致密砂巖納米級孔隙的孔吼大小、形態、分布進行研究，可以極大地提高致密儲層微觀孔吼結構的表征范圍［11］。

鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖具有豐富的天然氣資源。隨著上古生界致密砂巖氣的勘探領域不斷擴大，人們對本溪組生烴能力的評價已經逐步認識，但對宜川地區致密砂巖儲層孔隙結構及其分形特征的認識有限。為此，本文以盆地東南部宜川地區本溪組致密砂巖儲層為研究對象，通過氮氣吸附實驗，分析致密砂巖儲層的孔隙結構及其分形特征，以期對該地區致密砂巖儲層有新的認識。

1 實驗樣品及分析方法

1.1 樣品特征

實驗樣品選自鄂爾多斯盆地宜川地區本溪組致密砂巖儲層。巖石類型以石英砂巖為主，少量為巖屑石英砂巖，石英含量普遍大于90%，黏土礦物及碳酸鹽礦物含量較低，總體物性較差，孔隙度普遍小于10%，滲透率均低于1×10-3μm2（表1）。樣品具有典型的低孔低滲致密砂巖特點。

表1 樣品礦物組成及物性特征

1.2 低溫氮氣吸附實驗

低溫氮氣實驗采用WKY-1型微孔分析儀，儀器孔徑測量范圍為1～500nm，比表面測量范圍≥0.01m2／g，儀器以氮氣作為吸附質，采用等溫物理吸附靜態容積法。測定不同平衡壓力下樣品的氮氣吸附量，以相對壓力為橫坐標，以單位樣品的吸附量為縱坐標，繪制氮氣吸附-脫附曲線。根據吸附-脫附曲線形成的吸附回線判斷孔隙形態，并采用BET和BJH模型計算孔徑大小和分布、孔容及比表面積等參數。

1.3 孔徑分形維數的計算

儲層巖石的孔隙結構具有分形特征，可以用分形維數來定量描述孔隙結構分布的均勻程度。分形維數計算方法有熱力學方法、分形BET模型法、粒度法、FHH模型法等［12］。Pfeifer等人提出FHH模型分形維數計算方法較為常用，FHH模型如式（1）所示：

根據公式 （1）推導得出分形維數表達式為：

式中：V為平衡壓力P下的氣體吸附量，cm3／g；P0為吸附氣體的飽和蒸氣壓，0.11117MPa；P為吸附平衡時的壓力，MPa；C為常數；K為ln V對ln（ln P0／P）作圖擬合趨勢線的斜率，為常數；D為分形維數 （2≤D≤3）。

分形維數越大，說明研究材料孔隙表面越粗糙。根據測得的氮氣吸附等溫線，選取P／P0大于0.4的毛細凝聚區間內的測試數據，以ln V對ln（ln P0／P）作圖，根據擬合趨勢線的斜率，計算得到分形維數D。

2 實驗結果及討論

2.1 基于吸附-脫附曲線的孔隙形態特征

宜川地區本溪組致密儲層氮氣吸附-脫附曲線如圖1所示。各樣品吸附曲線在形態上差異較小，整體呈反 “S”型。在低壓段 （P／P0＜0.2），吸附曲線緩慢上升，整體較為平緩，且略上凸，表明氮氣在儲層孔吼表面呈單分子層吸附；在中壓段（0.2＜P／P0＜0.8），隨相對壓力增大吸附量緩慢增加，吸附曲線近似為線性，表明氮氣在儲層孔吼表面為多分子層吸附；在高壓段 （0.8＜P／P0＜1），吸附曲線快速上升，呈下凹狀，在平衡壓力接近飽和蒸汽壓時，大部分樣品的吸附曲線斜率在不斷增加，但樣品未出現吸附飽和現象，表明樣品發育少量孔隙大于50nm的孔吼。在P／P0＞0.45時，樣品脫附曲線位于吸附曲線上方或與吸附曲線近似重合。

圖1 宜川地區本溪組致密儲層氮氣吸附-脫附曲線特征

一般認為，開放型孔 （兩端開口的圓筒孔和楔形孔、四邊開口的平行板孔）和特殊形態的細頸瓶裝孔都能產生吸附回線，而封閉型孔 （一端封閉的圓筒孔和平行板孔、尖壁形孔）不能產生吸附回線［13，14］。整體上所測樣品吸附-脫附曲線特征可以分成兩類，第一類為無吸附回線型曲線，如：Y1、Y4；第二類為具狹窄吸附回線型曲線，如：Y2、Y3、Y5、Y6、Y7、Y8。兩類曲線顯示均未出現吸附飽和。第一類指示樣品以一端封閉的圓筒孔和平行板孔、尖壁形的封閉型孔隙為主，第二類反應以開放型孔隙為主。根據國際理論與應用化學聯合會（IUPAC）對吸附回環的分類，所測具吸附回線的樣品吸附脫附曲線與H3型相似，表現為吸附回線范圍普遍較窄，且隨相對壓力的增加，吸附曲線、脫附曲線上升速度較快，在相對壓力接近1時，曲線近乎垂直于P／P0軸，仍未出現吸附飽和現象，說明氮氣吸附過程中毛細孔發生了凝聚。此后相對壓力降低，脫附量快速下降。吸附曲線與脫附曲線無均明顯拐點，這種吸附脫附特點常發生在兩端開口的楔形孔中或似片狀顆粒組成的非剛性聚集體的槽狀孔［15］。

2.2 孔徑分布特征

孔徑分布采用BJH法，計算并繪制孔徑分布曲線如圖2所示。本溪組致密砂巖儲層樣品孔徑存在多個不同的峰值，但主要集中在2～8nm區間內。孔隙結構參數如表2所示，本溪組致密砂巖儲層各樣品孔隙結構參數變化范圍不大。樣品的平均孔徑在5.658～9.408nm，平均為7.8943nm。根據張大智 （2017）對致密砂巖的孔隙分類可知，研究區本溪組致密砂巖主體孔徑在微孔 （小于10nm）范圍內，但由于存在一定量的過渡孔 （10～50nm）及極少量的中孔 （50～100nm）和大孔 （大于100nm），從而使得曲線出現了 “拖尾”的現象。

圖2 宜川地區本溪組致密砂巖儲層的孔隙分布

樣品的BET比表面積在0.2447～0.8312m2／g，平均為0.5033m2／g；總孔體積在 0.7～2.720μL／g，平均為1.560μL／g（如表2所示）。隨著比表面積的增加，總孔體積也呈現增大的趨勢，二者線性相關性較好，相關系數達到0.8113，這可能由于樣品主要發育微孔，對氮氣吸附程度相對一致，因此表現出總孔體積與BET比表面積之間的變化趨勢相對一致 （圖3）。

表2 致密砂巖樣品孔隙結構參數

圖3 BET比表面積與總孔體積相關關系

3 孔隙結構分形特征

根據FHH模型，由式 （1）作出分形擬合曲線，從而建立宜川地區本溪組致密砂巖儲層孔隙分形模型 （圖4）。由圖4可知，該致密砂巖儲層孔隙分形擬合曲線具有顯著的分段式特征，其中以封閉型孔隙為主的樣品Y1、Y4具有四段式分形特點，其余具有開放型孔隙的樣品均具有兩段式的分形特點，樣品各段分形擬合相關系數均在0.94以上。根據分形擬合曲線計算得到的兩段式和四段式樣品各段分形維數D（表3、表4），其中具有兩段式分形特點的樣品Y2、Y3、Y5、Y6、Y7、Y8在0.40＜P／P0＜0.88段的分析維數介于2.3427～2.5163范圍內，平均為2.4599；P／P0＞0.88段的分形維數介于2.7365～2.8649范圍內，平均為2.7944；而具有四段式分形特點的樣品Y1、Y2在0.40＜P／P0＜0.65和0.65＜P／P0＜0.75壓力區間內的分形維數均較低，在0.75＜P／P0＜0.88區間分形維數明顯增大，進入P／P0＞0.88壓力區間內樣品的分形維數已接近3。無論具兩段或四段式分形特點的樣品，從分形維數與壓力區間的對應關系來看，壓力越高樣品的分形維數越大，這一特點在具有四段式分形特征的樣品中表現的尤為突出 （圖5）。因此，進一步說明同一樣品孔隙直徑越大，其區間的分形維數越大，這是因為孔隙直徑越大，分形區間內孔隙結構越復雜，非均質性越強，儲集性能也越差［16，17］。

圖4 宜川地區本溪組致密儲層孔隙分形特征

表3 氮氣吸附法計算致密砂巖樣品兩段式分形維數

圖5 分形維數與壓力區間的對應關系

表4 氮氣吸附法計算致密砂巖樣品四段式分形維數

4 結論

1）基于吸附-脫附曲線形態特征，分析認為研究區本溪組致密砂巖儲層發育兩種孔隙形態類型：即一端封閉的圓筒孔、平行板孔、尖壁形的封閉型孔，以及兩端開口的楔形或似片狀顆粒組成的非剛性聚集體的槽狀孔。

2）研究區本溪組致密砂巖儲層樣品孔徑存在多個不同的峰值，但主要集中在2～8nm區間內，孔徑以微孔為主，存在一定量的過渡孔及極少量中孔和大孔。孔隙結構參數變化范圍不大，其中總孔體積與比表面積之間存在較好的正相關關系 （相關系數達到0.8113）。

3）基于分形理論及氮氣吸附實驗計算了本溪組致密砂巖儲層的分形維數。孔隙分形擬合曲線具有顯著的分段式特征，其中具有開放型孔隙的樣品均具有兩段式的分形特點，而以封閉型孔隙為主的樣品則具有四段式分形特點，且孔隙分形擬合曲線具有壓力越高、孔徑越大、區間分形維數越大的特點。致密砂巖儲層孔隙結構的分形特征可以作為指示儲層結構的復雜程度、非均質性及儲集性能的重要參考。