吳起地區延10段致密砂巖儲層孔隙結構及分形特征

劉陽, 龐雄奇*, 丁超, 陳迪, 李敏

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 2.中國石油大學(北京)地球科學學院, 北京 102249;3.西安石油大學地球科學與工程學院, 西安 710065)

隨著常規油氣資源的不斷勘探開發和能源需求的日益增加,勘探目標已經從常規油氣資源領域轉向非常規油氣資源領域,非常規油氣資源潛力巨大,致密油氣作為其中重要的類型之一,勘探開發前景廣闊,成為近年來的關注重點[1-3]。致密砂巖儲層是致密油氣賦存的重要場所,具有孔隙結構復雜、非均質性強的特點,復雜的孔隙結構和較強的非均質性使得儲層的儲集能力和滲流能力顯著降低,不利于油氣流動和充注,增加了致密油氣勘探開發的難度[4-6],因此厘清致密儲層的孔隙結構和非均質性對指導致密油氣勘探開發具有重要意義。孔隙結構的復雜性和不規則性使得采用歐幾里得幾何等傳統方法難以進行定量表征[7],分形維數成為定量表征儲層孔隙結構和非均質性的重要手段。分形理論最早由Mandelbrot[8]提出,用于表征不規則幾何體的自相似性,最早僅應用于數學領域,后來逐漸被引入到地質學領域中,用于表征儲層孔隙結構的非均質性。賀承祖等[9]基于分形幾何理論,推導出了儲層毛細管壓力曲線的分形幾何公式,并將推導結果應用于四川盆地三疊系儲層中,研究結果表明各樣品具有良好的分形特征,分形維數計算公式得到了很好的應用,目前分形理論已被廣泛應用于砂巖、碳酸鹽巖和頁巖儲層非均質性研究中。

除高壓壓汞實驗外,核磁共振、低溫N2吸附、巖石電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)和掃描電鏡等實驗結果也可用于計算分形維數[10-13],劉航宇等[14]根據高壓壓汞實驗結果研究伊拉克油田Mishrif組碳酸鹽巖儲層的分形特征和地質意義,并結合分形特征和高壓壓汞曲線對儲層類型進行劃分,結果發現分形曲線存在“單段型”和“多段型”兩種類型,“多段型”的分形曲線分別代表了不同孔喉大小的分形特征,定量描述了儲層的孔隙結構特征。吳國銘等[15]根據磁共振實驗獲得的T2譜曲線計算了安岳氣田龍王廟組和燈影組碳酸鹽巖儲層不同弛豫時間段的分形維數,不同弛豫時間段內各個分形維數的差值很小,采用不弛豫時間段分形維數的算術平均值作為該樣品的分形維數。徐祖新等[16]根據掃描電鏡圖像數字化處理獲得的參數計算了中揚子地區下寒武統水井沱組頁巖儲層的分形維數,并討論了分形維數與總有機碳(total organic carbon,TOC)含量和儲層物性的關系,結果發現孔隙類型和孔隙形態都會影響頁巖儲層的分形特征,孔隙類型相同而孔隙形態不同和孔隙形態相同而孔隙類型不同的頁巖儲層均具有不同的分形維數。三疊系延長組和侏羅系延安組為吳起地區重要的含油層系,前人已對延長組做了大量研究并進行了長期的勘探開發,而對于延安組的研究還相對較少、勘探進程較為緩慢。現主要借助高壓壓汞實驗、X射線衍射和常規物性測試等技術手段,根據高壓壓汞曲線的形態和儲層物性對吳起地區延10段致密砂巖儲層進行分類,分析孔隙結構特征,利用分形理論計算分形維數,定量表征儲層非均質性,并討論礦物組分、儲層物性和孔隙結構參數與分形維數的關系,分析分形維數的地質意義,最后進行滲透率預測。以期厘清吳起地區延10段致密砂巖儲層孔隙結構和非均質性,對于明確延10段致密油氣分布特征提供重要指導意義。

1 區域地質概況

研究區位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中西部,總面積約7.65×103km2,勘探面積約1×103km2,如圖1所示。

1為蘇里格氣田;2為烏審旗氣田;3為榆林氣田;4為神木氣田;5為靖邊氣田;6為米脂氣田;7為子州氣田;8為宜川氣田;9為黃龍氣田;10為慶陽氣田;11為紅井子油田;12為胡尖山油田;13為綏靖油田;14為姬塬油田;15為靖安油田;16為安塞油田;17為吳旗油田;18為樊家川油田;19為元城油田;20為華慶油田;21為環江油田;22為華池油田;23為馬嶺油田;24為慶城油田;25為城壕油田;26為直羅油田;27為演武油田;28為鎮北油田;29為西峰油田;30為合水油田;31為黃陵油田;32為廟灣油田

該地區地質構造條件簡單,呈一個平緩的單斜構造,由東向西微傾,內部鼻狀隆起發育[17-18]。延安組沉積時期,發育河流-湖泊-三角洲沉積體系,為一套重要的含油層系,分布廣、埋藏淺、油藏多[19-21]。延10段位于延安組最底部,主要為辮狀河沉積,砂體在縱向上疊置發育,厚度較大,物源供給主要為西北方向[21-23]。

2 樣品及實驗方法

研究采集鄂爾多斯盆地吳起地區延10儲層12個致密砂巖樣品,深度范圍為1 719～1 728 m,并從采集的樣品上切下部分制備成各種測試所需要的大小,進行常規巖石物性測試、高壓壓汞實驗、X射線衍射、鑄體薄片鑒定和掃描電鏡分析。

常規巖石物性測試采用巖石孔隙度真空加壓飽和裝置和巖石滲透率測定儀進行物性測量。高壓壓汞實驗使用Auto Pore 9250 Ⅱ壓汞儀進行,測定前將樣品用乙醇清洗后放置于110 ℃的烘箱中,在高溫條件下抽真空干燥至恒重,除去樣品中的自由水和束縛水。然后分階段施加壓力,將汞注入樣品中,直至最高壓力汞不能進入樣品中,再開始降低壓力,汞逐漸被排出,測定不同壓力下的進汞量和退汞量。實驗中,表面張力為0.48 N/m,接觸角為140°。

X衍射全巖分析可以得到巖石的礦物組分和黏土礦物的相對含量,使用D8 FOCUS型-X射線衍射儀,在溫度20 ℃,相對濕度70%的環境下進行。將樣品磨制成200目的顆粒,用乙二醇在60 ℃下飽和8 h,并在500 ℃加熱2.5 h,進行礦物成分分析。

巖石鑄體薄片鑒定使用UB200i型偏光顯微鏡進行巖石薄片觀察,放大倍數為40～1 000倍,實驗在溫度為25 ℃,相對濕度為60%環境下進行。進行鑄體薄片鑒定時,將樣品使用全自動磨片機磨制成2 cm×2 cm×0.5 cm的薄片,浸漬茜素紅染色劑,并在分析前將薄片厚度研磨至0.04 mm。

掃描電鏡的放大倍數比較大,能夠清楚地識別出較小的孔隙和礦物成分,掃描電鏡實驗使用的是Quanta 400 FEG場發射掃描電子顯微鏡,加速電壓為0.2～30 kV,放大倍數為7～2×106倍,圖像分辨率小于或等于1.5 nm,在溫度為20 ℃、相對濕度為70%、氣壓為0.098 1 MPa的環境下進行。

3 實驗結果

3.1 孔隙類型

鑄體薄片和掃描電鏡觀察發現,吳起地區延10段儲層孔隙類型主要為原生粒間孔和次生溶蝕孔[圖2(a)],少量晶間孔和粒內微裂縫,面孔率為3%～12%,平均為6.7%。粒間孔分布于礦物顆粒間,部分孔隙被鐵方解石、鐵白云石和高嶺石、伊利石、綠泥石等黏土礦物充填[圖2(b)、圖2(c)],導致孔隙結構變復雜、連通性變差。溶蝕孔是由大氣淡水的選擇性溶蝕所形成,主要為長石溶孔和巖屑溶孔[圖2(d)、圖2(e)],大小不均勻,形狀不規則。晶間孔主要分布在黏土礦物間,研究區晶間孔主要分布在高嶺石之間[圖2(f)],孔徑較小,通常小于 2 μm。還可以觀察到顆粒內少量碎屑溶蝕產生的粒內微裂縫[圖2(g)]。喉道主要為片狀和彎片狀喉道[圖2(h)],偶見縮頸形喉道[圖2(i)]。

圖2 吳起地區延10儲層孔隙類型Fig.2 Pore types of Yan 10 reservoir in Wuqi area

3.2 孔隙結構特征

根據延10段12塊樣品的壓汞曲線形態和儲層物性,結合致密砂巖儲層分類標準[25],將儲層孔隙結構劃分為3種類型,如表1和圖3所示,分析孔隙結構特征和分形特征。

表1 巖石樣品物性及高壓壓汞參數

Ⅰ類儲層的物性最好,平均孔隙度和滲透率分別為13.2%和0.469 mD,排驅壓力最小,小于1 MPa,最大進汞飽和度平均為81.25%。進汞初期,壓力較小,汞進入較大的孔喉中,進汞曲線表現為平臺段,平臺段位置最低,表明該類儲層孔喉分選較好,粗歪度。在汞飽和度達到50%左右時,進汞曲線開始變得陡峭,汞在較大壓力下開始進入較小孔喉中。對比三類儲層的累積進汞量曲線,可以看出,在相同壓力范圍內,該類儲層汞飽和度在后期增長最為緩慢[圖4(a)],表明小孔喉比例較小。汞主要位于半徑為0.2～0.8 μm的孔喉中,孔喉中進汞量與滲透率貢獻曲線有較大的重合,表明大喉道不僅提供了流體的滲流路徑,而且有助于形成一定的儲集空間。

Ⅱ類儲層的物性比Ⅰ類差,平均孔隙度和滲透率分別為10.9%和0.168 mD,排驅壓力較大,為 1～2 MPa,最大進汞飽和度平均為80.93%。進汞曲線平臺段相比Ⅰ類儲層長,但位置較高,表明該類儲層孔喉分選好,細歪度。在汞飽和度為60%左右時,進汞曲線開始變得陡峭。在汞進入后期,壓力相同范圍內,汞飽和度比I類儲層增加得更快[圖4(b)],表明小孔喉占比增加。汞主要位于儲層中半徑為0.1～0.8 μm的孔喉中,孔喉中進汞量與滲透率貢獻曲線的重合部分和峰值明顯減小,表明大喉道不但提供的儲集空間減小,而且對流體滲濾通道的貢獻也在減小。

Ⅲ類儲層物性較差,平均孔隙度和滲透率分別為8.6%和0.136 mD,排驅壓力最高,大于2 MPa,最大進汞飽和度平均為60.09%。進汞曲線位置更高,呈緩慢上升的趨勢,沒有明顯的平臺段,表明該類儲層孔喉分選差,粗歪度。進汞后期,汞飽和度增長最快[圖4(c)],表明該類儲層中小孔喉占比最大。汞主要位于半徑為0.08～0.3 μm的孔喉中,孔喉中進汞量與滲透率貢獻曲線的重合度很小,表明大喉道對流體的滲濾通道和儲集空間的貢獻非常小。

3.3 分形特征

3.3.1 分形理論

致密砂巖儲層具有較強的非均質性,通常采用分形維數定量表征,其大小與孔隙表面的粗糙程度有關[26-28]。若孔喉具有分形特征,分形維數介于2.0～3.0,越接近3.0,孔隙結構越復雜,非均質性越強;相反,孔隙結構越簡單,非均質程度越低[29-32]。賀承祖等[9]基于高壓壓汞實驗結果推導出分形維數的計算表達式為

(1)

式(1)中:S為潤濕相飽和度,%;Pc為毛管壓力,MPa;Pmin為最大孔隙對應的毛管壓力,MPa;D為分形維數。

對式(1)兩邊同時取對數可得

lgS=(3-D)lgPmin+(D-3)lgPc

(2)

由式(2)可知,具有分形特征的儲層lgS與lgPc呈線性關系,分形維數通過該直線的斜率K求得

D=K+3

(3)

式(3)中:K為lgS與lgPc直線的斜率。

3.3.2 分形結果

根據上述分形理論,結合巖石樣品的高壓壓汞實驗結果,計算分形維數。典型樣品的分形曲線如圖5所示,可知,lgS與lgPc的擬合效果較好,表明這些樣品具有分形特征,可以采用分形理論來表征其非均質性。分形曲線被一個明顯的拐點分成兩段,即存在兩個分形區域,對應地就可以得到兩個分形維數D1和D2,分別代表較大孔喉和較小孔喉的復雜程度。

圖5 不同類型儲層典型樣品分形特征Fig.5 Fractal characteristics of typical samples of different type reservoirs

分形維數計算結果見表2,Ⅰ類儲層分形曲線轉折點處的毛細管壓力為1.26 MPa,D1較大,非均質性極強,孔喉結構極其復雜,為2.982 8～2.996 4,平均為2.990 4,D2較小,非均質性中等,孔喉結構復雜,為2.537 2～2.743 7,平均為2.662 4。Ⅱ類儲層分形曲線轉折點處的毛細管壓力 2.51 MPa,D1非常大,為2.994 1～2.999 4,平均為2.996 8,D2較小,為2.454 7～2.563 1,平均為2.516 6。

表2 巖石樣品分形維數計算結果

Ⅲ類儲層分形曲線轉折點處的毛細管壓力為5.01 MPa,D1為2.994 2～2.997 2,平均為2.996 2,D2為2.568 3～2.746 4,平均為2.643 6。

整體而言,延10段儲層的分形維數較大,均大于2.4,大孔喉的分形維數D1大于小孔喉的分形維數D2。三類儲層的D1為2.982 8～2.999 4,平均為2.993 9,D2為2.454 7～2.746 4,平均為2.619 7,D1的分布范圍大于D2的分布范圍。表明延10儲層的非均質性較強,孔喉分布復雜,大孔喉的非均質程度比小孔喉的非均質程度更強,大孔喉的分布頻率高于小孔喉的分布頻率,儲層主要受大孔喉的控制。從Ⅰ類儲層到Ⅲ類儲層,分形曲線轉折點處的毛細管壓力增大,孔喉半徑減小,孔喉結構變復雜。

4 討論

4.1 分形維數與礦物組分的關系

儲層中不同礦物組分的含量差異會導致孔隙結構的復雜程度和非均質程度不同,表現為分形維數大小不同。分別擬合分形維數與石英、長石、方解石以及黏土礦物含量的關系,明確礦物組分對儲層非均質性的影響。

分形維數D1與各礦物組分含量之間的相關性較好,而分形維數D2與各礦物組分含量之間沒有明顯的相關性(圖6、圖7)。D1與石英、長石含量呈負相關,相關系數R2分別為0.588 0和0.681 3。石英和長石表面比較光滑,并且石英顆粒表面比較穩定,能夠抵抗風化破壞,長石容易被溶蝕形成溶蝕孔,使孔隙之間連通性增強。因此,石英和長石含量越高,孔喉表面越光滑,孔隙結構越簡單,分形維數越小,非均質性越弱。分形維數與方解石和黏土礦物含量呈正相關,相關系數R2分別為0.456 9和0.499 4。碎屑巖中,方解石通常作為膠結物出現,其含量的增加會堵塞孔喉,使孔喉變小,孔隙形態也會發生改變,連通性降低,孔隙結構變差,分形維數增大。黏土礦物遇水后容易發生膨脹,造成孔隙變小,連通性變差,因此黏土礦物含量越高,孔隙結構越復雜,分形維數增大。掃描電鏡分析結果表明,研究區普遍存在自生高嶺石和絲狀伊利石充填在孔隙中,會使孔喉變小及連通性變差。

圖6 分形維數D1與礦物組分的關系Fig.6 Relationship between D1 and mineral composition

圖7 分形維數D2與礦物組分的關系Fig.7 Relationship between D2 and mineral composition

4.2 儲層物性與分形維數的關系

儲層物性的好壞不僅受巖石自身性質影響,還與儲層孔喉結構的復雜程度密切相關。分別擬合分形維數與孔隙度、滲透率的關系,結果發現,孔隙度和滲透率與D1呈負相關關系,而與D2無明顯相關性(圖8),表明延10儲層儲集能力和滲流能力主要受大孔喉復雜程度的控制。隨著分形維數的增加,孔喉結構變復雜,儲層中小孔喉占儲集空間的比例增加,孔喉偏細歪度,非均質性增強,孔隙表面粗糙程度增加,連通性變差,儲層儲集能力和滲濾能力降低,孔隙度和滲透率變小。D1與滲透率的相關性(R2=0.677 3)好于孔隙度(R2=0.617 3),表明延10段儲層中大孔喉的復雜程度對流體的滲流能力影響大于對儲集能力的影響。

圖8 儲層物性與分形維數的關系Fig.8 Relationship between reservoir physical properties and fractal dimension

4.3 孔喉結構參數與分形維數的關系

為了進一步研究孔喉結構對分形維數大小的影響,擬合分形維數與最大進汞飽和度和平均孔喉半徑的關系,兩者均與D1呈負相關關系,與D2無明顯相關性(圖9)。高壓壓汞實驗為非潤濕相汞克服孔喉內毛細管阻力驅替潤濕相的過程,汞飽和度既能反映巖石在一定壓力下的儲集能力,也能表征滲透能力[33-34]。分形維數大的儲層具有更強的非均質性,在相同壓力下,汞越難進入孔喉中,汞飽和度就會減小。平均孔喉半徑與D1之間的相關系數為0.545 3。大孔喉的分形維數越大,汞進入孔喉中所需的壓力就越大,由Laplace公式可知,平均孔喉半徑就越小。

圖9 孔喉結構參數與分形維數的關系Fig.9 Relationship between pore throat structure parameters and fractal dimension

4.4 滲透率預測

由滲流理論可知,流體滲流性質主要受特征長度的控制,決定了儲層中流體的流動性和導電性[35]。滲透率估算模型[36]基于滲流理論,認為滲透率與孔隙度和特征長度之間的關系可以表達為

lgK=a+blgr+clgφ

(4)

式(4)中:K為滲透率,mD;φ為孔隙度,%;r為特征長度,某種孔喉半徑參數可以為rd、rapex、rave、r20、r30、r35、r50等,rd為分形曲線上拐點處對應的孔喉半徑,μm;rapex為汞飽和度與汞飽和度/毛管壓力曲線交會圖上頂點處所對應的孔喉半徑,μm;rave為平均孔喉半徑,μm;r20、r30、r35、r50為汞飽和度為20%、30%、35%、50%對應的孔喉半徑,μm。

分別將滲透率、孔隙度與不同的特征長度進行多元回歸,對應可以得到不同的滲透率預測表達式,并將計算得到的滲透率值與實測滲透率值進行比較。結果發現,以平均孔喉半徑rapex為特征長度時,預測滲透率值與實測滲透率值的相關性最好,相關系數為0.664 9(圖10),滲透率預測表達式為

圖10 預測滲透率與實測滲透率之間的關系Fig.10 Relationship between predicted and measured permeability

lgK=-3.54+1.01lgrave+3.39lgφ

(5)

式(5)中:K為滲透率,mD;rave為平均孔喉半徑,μm;φ為孔隙度,%。

5 結論

(1) 根據高壓壓汞曲線的形態和儲層物性,將儲層劃分為3種類型,從Ⅰ類到Ⅲ類,排驅壓力逐漸增大,物性逐漸變差,孔隙體積逐漸減小,孔喉進汞量和滲透率貢獻峰值向左移動,孔隙結構逐漸變差。

(2) 吳起地區延10段致密砂巖儲層孔喉具有分形特征,分形曲線存在明顯的拐點,對應得到兩個分形維數,D1大于D2。D1平均為2.993 9,D2平均為2.619 7,大孔喉的非均質性比小孔喉的非均質性更強。

(3)礦物組分、物性和孔喉結構主要影響大孔喉的非均質性,而對小孔喉無明顯影響。隨著石英、長石含量的增加,大孔喉的非均質性減弱,隨著方解石和黏土礦物含量的增加,大孔喉的非均質程度增強。大孔喉的非均質性越強,物性越差。最大進汞飽和度和平均孔喉半徑與D1呈負相關。