延长气田山西组致密砂岩储层及微观孔喉特征研究＊

杨 虎，王建民

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安710065;2.延长石油油气勘探公司 天然气勘探开发部，陕西 延安716000)

0 引 言

致密砂岩气藏最早发现于美国的圣胡安盆地，20 世纪80 年代，Walls 等提出“致密砂岩气藏”概念［1］。2008 年致密砂岩气产量达到1 757 ×108m3，约占美国天然气总产量的30%以上［2］。我国自1971 年发现川西中坝气田之后，开始进行致密砂岩含气领域的研究［3］，致密砂岩气具有巨大的资源潜力和可观的规模储量，主要分布于鄂尔多斯、四川、松辽、塔里木、吐哈等沉积盆地［4-5］。

致密砂岩是依据渗透率和孔隙度来划分的，国内外学者和研究机构在致密砂岩气藏类型划分前提下提出了致密砂岩的孔隙度和渗透率划分标准［6-7］，致 密 砂 岩 常 泛 指 渗 透 率 小 于1 × 10-3μm2，孔隙度小于10%的砂岩。近年来，对致密砂岩储层特征、微观结构的研究是国内外研究热点问题之一［8-12］。致密砂岩气储层独特的渗流机理和微观孔隙结构控制着气藏富集。因此，研究其微观孔隙结构，特别是深入揭示储层的内部孔吼结构特征，是进一步探讨渗流机理的关键性基础内容［13-15］。在研究方法上，倾向于将恒速压汞等较先进技术与传统的扫描电镜、铸体薄片等方法相结合，出现了储层孔隙结构研究由定性转向半定量，定量化的表征［16］。

延长气田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东南缘。多年勘探实践工作表明:在山西组、本溪组、石盒子组等初步探明多个具有工业开发价值的工业性大中型气藏，其中在山西组山2 段在试气试采过程中具有较好的无阻流量产能显示，是研究区主力产层。对于研究区内山西组储层的研究多偏重于储层特征及孔隙演化［17-18］、储层评价［19］、成岩作用［20］、成岩相及优质储层［21-24］等方面，忽视了储层特征及致密微观孔喉结构关系［25-28］的研究。文中以鄂尔多斯盆地延长气田山西组为研究对象，通过铸体薄片鉴定、扫描电镜、物性分析及压汞分析等技术手段，剖析山西组致密砂岩微观孔喉特征，揭示微观孔喉结构与储层物性之间的关系，进而明确致密储层优质储层控制因素，为延长气田致密砂岩储层气藏的勘探提供依据。

1 储层岩石学特征

18 口取心井的39 个岩样薄片分析及矿物成分鉴定表明，山西组砂岩以岩屑砂岩和岩屑质石英砂岩为主(图1)。石英与岩屑是山西组砂岩的主要碎屑颗粒组成，长石含量低，其中石英平均含量63.6%，长石含量2.4%，钾长石多于斜长石，岩屑含量15% ～40%不等。岩屑主要由沉积岩屑组成，包括石英砂岩岩屑、泥页岩岩屑以及燧石岩屑等，其中以砂岩岩屑为主，变质岩屑占少量，主要为变质石英岩屑，火山岩屑含量极低填隙物的类型较多、含量变化大(9% ～18%)，主要以粘土矿物为主，水云母、绿泥石，还有部分高岭石，颗粒表面浑浊，少数发生方解石化。

图1 山西组砂岩分类三角图Fig.1 The classification of sandstones of the Shanxi formation

图2 山西组砂岩填隙物统计图(据39 个样品统计)Fig.2 Interstitial statistics of sandstones of the Shanxi formation (According to 39 samples)

胶结物中以粘土杂基、火山凝灰质、绿泥石等粘土胶结为主，以硅质、铁方解石、铁白云石和菱铁矿等碳酸盐岩胶结次之(图2)。硅质胶结物含量一般在0 ～8%之间。碳酸盐类胶结物主含量一般0.7% ～2.8%，在钙质夹层中含量最高可达17%，山西组铁白云石和菱铁矿等富铁碳酸盐岩类矿物的含量相对较多。薄片中普遍可见火山凝灰质，一般呈黑褐色破絮状，溶蚀后呈现绳头状、残片状。由此可见，山西组砂岩具有较高的粘土质、硅质及火山凝灰质充填胶结特点，这是砂岩普遍低孔低渗的物质基础(图2)。

山西组砂岩的胶结类型以再生-孔隙式胶结为主，占分析样品的95%以上，少量孔隙、孔隙-基底胶结，个别样品见基底胶结，主要为中- 细粒、中粒砂岩和中-粗粒砂岩，分选好，磨圆以次棱-次圆状为主，少量次棱角状、次圆状。

2 储层物性及孔喉特征

2.1 孔隙类型

统计了山西组砂岩69 个岩样(表1)的孔隙度(范围值为1.07% ～13.85%，平均为5.46%)、渗透率(范围值为0.01 ～0.73 ×10-3μm2，平均为0.14 ×10-3μm2)。通过对山西组砂岩孔隙度的孔隙度主峰位于4% ～6%，为单峰。渗透率分布具有双峰特征，分别为位于0.06 ～0.09 ×10-3μm2，以及大于0.15 ×10-3μm2(图3)，根据致密砂岩划分标准［22-23］，山西组砂岩属于致密砂岩储层。

表1 山西组砂岩的孔隙度和渗透率Tab.1 Porosity and permeability of sandstone in Shanxi formation

2.2 孔隙类型

根据铸体薄片资料及扫描电镜资料，山西组砂岩的铸体薄片面孔率为3% ～11.5%，主要为残余粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔，分为原生孔隙和次生孔隙2 大类，孔隙分布较均匀(表2)。

表2 山西组砂岩储层铸体薄片中主要孔隙含量(%)Tab.2 Main pore percentage on casting thin sections of sandstone reservoir in Shanxi formation

2.2.1 原生孔隙

在扫描电镜观察分析中，原生孔隙分布很不均一，孔隙直径一般为0.03 ～0.50 mm，具有强烈的非均质性。绿泥石薄膜式胶结、长石加大边再生式胶结和黄铁矿等次生矿物孔隙式充填现象常见，此类孔隙连通性相对较好(图4(a))。

2.2.2 次生孔隙

溶蚀孔是研究区内山西组砂岩最主要的类型，可进一步细分为粒间溶蚀孔、粒内溶蚀孔、铸模孔隙及微裂缝。

1)粒间溶蚀孔隙:砂岩中长石、方解石、岩屑和绿泥石化碎屑等易溶碎屑发生溶解形成的溶蚀型次生扩大孔隙。此类孔隙直径一般为0.06 ～1.00 mm.

2)粒内溶蚀孔隙:通过铸体薄片和扫描电镜观察(图4(b))，该孔隙类型多见于长石及部分岩屑内，分布相对不均匀，其孔径一般为0.02 ～0.10 mm，与溶蚀粒间孔隙伴生分布，且相互形成连通孔隙。

3)铸模孔隙:研究区内一般为长石铸模孔隙，但完整的铸模孔隙较少见(图4(c))，常见砂岩中长石碎屑发生溶解，而包围长石的绿泥石膜保留完好的现象，其孔隙直径一般为0.02 ～0.20 mm.

4)微裂缝:微裂缝是在构造应力。作用下发生破裂形成次生孔隙(或吼道)。据岩心、薄片和扫描电镜观察，山西组砂岩储层中常见微裂缝，未充填，缝宽约0.01 ～0.02 mm.

2.3 喉道类型

喉道是指2 个颗粒之间的、连通2 个或2 个以上孔隙的狭窄部分。根据铸体薄片鉴定及扫描电镜分析等结果，山西组砂岩储层的喉道类型主要有以下3 种。

图3 山西组砂岩孔隙度、渗透率分布直方图Fig.3 Histogram distribution of porosity and permeability of sandstone in Shanxi formation

2.3.1 缩颈喉道

缩颈喉道一般喉径1 ～7 μm，其连通性较好，因而渗透率较高。本区中由于粒间溶孔发育，因此，往往与此类孔隙相关连的缩颈喉道也较发育，为延长气区山西组砂岩储层最好的的喉道类型(图4(e))。

2.3.2 片状、弯片状喉道

砂岩颗粒间隙或次生加大的晶间隙实质上就是喉道，视颗粒形状及比表面结构不同，可呈片状或弯片状。这类喉道窄而弯曲，一般喉径1 ～4 μm，且连通性较差，渗透率很低，片状或弯片状喉道是山西组砂岩储层最多的喉道类型(图4(f))。

2.3.3 管束状喉道

管束状喉道是一种似树枝状的细小管道，往往呈交叉状分布的喉道类型。研究区内致密砂岩原生粒间孔隙在成岩压实胶结过程中破坏殆尽，而在基质和胶结物中发育许多呈交叉状、树枝状分布的微孔隙，这一部分本身即是孔隙又是喉道，喉径极细而狭窄，连通性最差，渗透率极低。

3 孔喉结构与物性关系

3.1 毛管压力特征

图4 山西组砂岩储集层孔隙喉道照片Fig.4 Photographs of pore and throat of sandstone reservoir in Shanxi formation

孔隙结构特征的研究是储层微观物理研究的核心内容。山西组致密砂岩的排驱压力(Pd)为1.41 MPa，饱和度中值压力为18.39 MPa，中值半径0.04 μm. 孔喉分选系数为1.43 a，均值为13.08，变异系数为0.11，歪度为-0.71;最大进汞饱和度为74.93%，退汞效率为44.72%.毛管压力参数表明:区内砂岩储集层孔隙结构具有较强非均质性的特点，对储层渗流能力影响较大［24］。据毛管压力曲线形态及其参数，将研究区砂岩孔吼划分为以下4 种类型(图5)。

I 类(低门槛压力～粗喉型)

I 类毛管压力曲线，平直段不明显，拐点相对较低，进汞曲线的水平长度大，表明最大连通孔喉半径大，而小孔喉所占体积小。孔喉半径在直方图分布呈现双峰状。该类曲线的形成可能与较为丰富的火山凝灰质等塑性组分，在强压实背景下，塑性组分的变形、喉道半径变小、变窄或闭合，孔喉分选性变差，致使孔隙结构非均质性增大［25］。

II 类(较低门槛压力～较粗喉道型)

II 类曲线具明显的平直段，但是拐点较高，曲线斜度较小，而水平长度大。直方图表明孔喉半径呈单峰状分布，分选好，一般偏粗。

III 类(中门槛压力～中喉道型)

III 类曲线整体上位于右上方，曲线拐点偏高，斜度较大，但是曲线水平长度不大，说明最大连通孔喉半径小，分选差，储层中小孔喉所占比重大。孔喉半径为单峰，但峰顶较宽，一般为细偏。

图5 山西组储集层毛管压力曲线分类图Fig.5 Capillary pressure curve classification of sandstone reservoir in Shanxi formation

Ⅳ类(高门槛压力～细喉道型)

该类毛管压力曲线也整体上位于右上方，曲线拐点高，但斜度更大，一般接近45°，以细喉道为主。

3.2 孔喉特征与物性关系

砂岩储层的孔隙度反映储层的储集能力，而渗透率则反映储层的渗透能力。孔、渗关系的差异在于储层的微观孔隙结构特征，特别是喉道形状、大小、分布及其相互联通关系。孔喉结构越复杂，其物性影响因素就越多［26-27］，物性的不同正是微观孔喉结构特征差异性的体现。山西组致密砂岩储层的孔喉结构与物性的关系如图6，图7所示。

从图中可以看出，山西组砂岩的孔隙度、渗透率与排驱压力均呈负相关关系。即排驱压力越小孔隙度、渗透率越高;孔渗与孔喉半径均值、分选系数呈正相关关系。即孔隙度、渗透率越大孔喉的半径均值也越大;孔喉的分选系数越大、孔喉分选越差，孔隙度、渗透率反而越大。

图6 砂岩储层排驱压力与孔、渗关系图Fig.6 Relationship between displacement pressure and porosity，permeability of sandstone reservoir

图7 砂岩储层中值半径与孔、渗关系图Fig.7 Relationship of median radius and porosity，permeability sandstone reservoir

4 结 论

1)延长气田山西组致密砂岩，岩石类型主要以岩屑石英砂岩、石英砂岩、岩屑砂岩为主，颗粒以细～中粒为主，分选中等，磨圆程度次圆～圆，成分成熟度较高。

2)砂岩孔隙类型以粒间孔、粒内溶孔为主。喉道主要发育缩颈喉道、片状或弯片状喉道、管束状喉道。

3)山西组致密砂岩储层具有较高的排驱压力、毛细管中值压力，孔隙喉道属微喉，半径小于1 μm，孔喉分选差，最大进汞饱和度较低、残余汞饱和度较高。

4)通过对毛管力曲线形态可分成3 类，其中Ⅰ，Ⅱ类是储集层有利孔隙结构类型。储层物性值的大小与孔喉半径均值、分选系数呈正相关关系，与排驱压力呈负相关关系。

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