辽河坳陷雷家地区沙四段致密储层孔隙结构及物性下限

汪少勇, 李建忠, 王社教, 李登华

( 中国石油勘探开发研究院，北京　100083 )



辽河坳陷雷家地区沙四段致密储层孔隙结构及物性下限

汪少勇, 李建忠, 王社教, 李登华

( 中国石油勘探开发研究院，北京100083 )

为研究辽河坳陷雷家地区沙四段致密储层储集性能，采用矿物成分分析、铸体薄片、扫描电镜分析、微米CT扫描和高压压汞实验等方法，利用孔喉值确定致密储层的孔隙结构和优势岩性，并估算物性下限。结果表明：杜家台致密储层可分为白云岩、细粒混积岩和方沸石岩三类，其连通孔隙体积分别占总孔喉体积的37%、35%和28%。储层普遍发育纳米孔、微米孔和裂缝，各岩性类致密储层渗透率与最大孔喉半径、主要流动孔喉半径相关性较好，呈指数正相关关系，渗透性主要由较大孔喉提供。白云岩、细粒混积岩和方沸石岩类有利储层孔隙度下限分别为5.8%、6.2%和7.1%，有效储层孔隙度下限分别为2.8%、3.3%和4.6%。该结论为认识雷家地区致密油资源潜力并指导勘探提供依据。

致密储层； 孔隙结构； 物性下限； 雷家地区

0　引言

随着全球油气勘探程度的提高，油气勘探方向由高孔、高渗常规储层转为低孔、低渗致密储层，致密油气、页岩气等非常规油气资源成为当前勘探热点[1-5]。非常规油气主要聚集在富有机质烃源岩发育区及其邻近区，以近源运聚为主，其勘探重点为特低孔和特低渗的致密储层，研究核心为致密储层的储集性能及流体可流动特征。影响储层储集性能的关键因素是微观孔喉结构，主要参数为孔喉半径(简称孔径)和孔隙连通性[6-10]。致密碳酸盐岩储层孔、洞、缝多种孔隙类型发育，孔喉结构复杂，溶蚀孔洞和裂缝对储层储集性能影响大。该类储层基质以微米孔、纳米孔为主，溶蚀孔洞孔径、裂缝宽度远大于基质的，孔隙度、渗透率相关性差，难以利用物性数据正确评价致密碳酸盐岩储层的储集性能。人们研究碳酸盐岩储层的孔隙度、渗透率关系，分析孔喉结构、孔径大小对储层物性的影响[11-23]，但研究对象多为常规碳酸盐岩储层，对致密碳酸盐岩储层研究较少。与常规碳酸盐岩储层相比，致密碳酸盐岩储层孔喉结构更为复杂，研究其孔喉结构对致密碳酸盐岩储层评价意义重大。

储层含油物性下限是储层评价的重要内容，是指储层含油的最小有效孔隙度和最小渗透率[24-26]。确定储层含油物性下限常用方法有经验统计法、含油产状法、物性试油法、最小流动孔喉半径法、驱替压力法等[27-32]。这些方法适用于常规储层的含油物性下限分析，但非常规碳酸盐岩储层岩性与物性关系复杂、物性与含油性关系不明显，确定储层物性下限的效果较差。

雷家地区沙四段成藏地质条件优越，白云岩类储层和混积岩储层中已有多口井获工业油流，但该储层岩性复杂，物性致密，开采效果较差[33-36]。采用薄片观察、扫描电镜分析、微米CT孔隙结构重建等方法，研究储层孔隙结构特征；采用高压压汞方法，分析不同储层孔隙度、渗透率与孔径的相关性，确定渗透率变化显著处的孔喉半径，并根据不同岩性孔隙度与孔径大小的相关性，估算不同岩性的孔隙度下限。该方法避免了在孔隙度、渗透率相关性差时难以确定物性下限的情况，通过孔喉半径间接估算孔隙度下限，为致密储层评价及资源潜力分析提供参考依据。

1　地质背景

渤海湾盆地辽河坳陷西部凹陷雷家地区位于辽宁省盘锦市以北，面积约为400 km2，构造上位于辽河坳陷西部凹陷中北部，沙河街组四段(沙四段)沉积时期为咸化湖盆闭塞湖湾环境(见图1)。西部凹陷断陷湖盆东陡西缓，断裂系统发育。陡坡带物源较缓坡带的多，扇三角洲砂体发育，白云岩类储层主要发育于缓坡带[36-39]。杜家台油层(Es4d)为雷家—高升地区的主力产油层之一，位于沙四段顶部，厚度为20～140 m。储层岩性为一套由白云石、方沸石、长石、石英和泥质(包括细粉砂)等矿物混合形成的沉积岩，部分储层矿物质量分数为20%～40%，为致密混积岩储层[33]。储层中既有碎屑岩成分，又有碳酸盐岩成分，储层孔喉结构复杂[33-35]；以白云岩类储层为主，局部方沸石含量增多而形成方沸石岩[36,39](见图1)。方沸石是一种富钠的铝硅酸盐矿物，人们对方沸石的物质来源、形成环境和成岩作用进行探讨[39-45]，发现其形成受咸化水体、地热流体等因素影响，并影响岩石的孔隙度和渗透率，进而决定储层质量。雷家地区方沸石与白云石密切共生，受地热流体影响，方沸石岩类主要分布于断裂附近[39]。沙四段湖盆可划分为明显的滨湖—浅湖和深湖亚相，雷家地区沙四段发育于滨浅湖与半深湖的过渡相带，为低能环境，各成岩组分粒径小，以泥晶为主[39](见图1)。

图1　辽河西部凹陷沉积特征及雷家地区取样点井位Fig.1 Sedimentary characteristics and the location of sampling wells of Leijia district，the western sag of Liaohe depression

2　储层岩性及物性特征

受小型断陷湖盆的构造环境、咸化水体的沉积背景及断裂沟通地热流体等因素影响，雷家地区杜家台油层普遍发育陆源碎屑、碳酸盐岩和方沸石三类岩石组分，形成一套细粒(泥晶和黏土粒径小于0.01 mm)混合沉积岩[36,39]。X线衍射全岩分析表明，杜家台油层发育黏土矿物，长石—石英质碎屑，方解石、白云石、菱铁矿等碳酸盐矿物，以及自生方沸石等矿物，其中黏土矿物、长石—石英质碎屑、白云石和方沸石为主要矿物。根据白云石、方沸石和泥质(包括黏土矿物和泥级石英、长石)质量分数，可以将杜家台油层划分为白云岩、细粒混积岩和方沸石三类。白云岩类储层中，白云石质量分数大于50%，以泥晶为主，根据泥质和方沸石的相对质量分数，又可分为泥质/方沸石质泥晶云岩、含泥/含方沸石泥晶云岩等类型。方沸石类储层中，方沸石质量分数大于50%，泥质和白云石的相对质量分数为20%～30%，包含泥质/白云质方沸石岩、含泥/含白云质方沸石岩等类型。细粒混积岩类储层中，白云石、方沸石和泥质的质量分数为20%～40%，根据三种成分质量分数的大小，可以归为泥岩、砂岩、方沸石岩和白云岩的任何一类，文中统称为细粒混积岩，主要分布于受陆源砂体影响的浅湖—半深湖相带(见图1)。

三类储层孔隙度为2%～14%，渗透率为(0.01～100.00)×10-3μm2，不同岩性储层孔隙度、渗透率无明显差别。根据孔隙度分布统计结果，白云岩类储层孔隙度较高，平均孔隙度为6%～7%；细粒混积岩类储层的平均孔隙度为5%～6%；方沸石岩类储层孔隙度最低，平均孔隙度为4%～5%(见图2)。

图2　雷家地区杜家台油层不同岩性储层孔隙度和渗透率Fig.2 Reservoir porosity and permeability histogram of Dujiatai formation, Leijia district

图3　雷家地区杜家台油层不同岩性含油级别Fig.3 Oil bearing grade of different lithology in Dujiatai formation, Leijia district

雷家地区杜家台油层源储紧邻，成藏条件较好，油气显示丰富，不同物性储层中可见荧光、油迹、油斑和饱含油等不同级别的油气显示。总体上，白云岩类储层含油性好于细粒混积岩类的，细粒混积岩类储层的好于方沸石岩类的，方沸石岩类储层中少见饱含油的样品。不同岩性储层孔隙度分析结果显示，储层含油性与孔隙度呈正相关关系，但储层含油性与岩性关系不明显，通过孔隙度或渗透率难以划分储层含油与不含油的界限。白云岩类储层中，不含油样品占总样品数量的30%，含油样品的含油级别多在油斑以上。细粒混积岩类储层中含油样品与不含油样品各占总样品数量的50%，含油级别多在荧光到油斑之间(见图3)。

3　孔隙结构特征

3.1孔隙类型及大小

雷家地区白云岩类、细粒混积岩类和方沸石岩类储层致密，铸体薄片在显微镜下可见孔隙较少，顺层缝、微裂缝发育较多，裂缝宽度为2～4 μm，长度多延伸至整个薄片观察视域(约为2 mm)(见图4)。白云岩类储层中，白云石呈条带、斑块状富集，发育溶蚀孔隙，以及构造缝、层内缝和网状微缝；溶蚀孔孔径为1～10 μm，纳米孔孔径为10～40 nm(见图4(a-c))。细粒混积岩类中，石英、长石粒径多小于0.01 mm，少量呈粉砂状，与伊利石、伊蒙互层等黏土矿物混合；显微镜下纹层结构明显，局部有机质残体分布，纹层厚度为2～4 μm；顺层缝发育，缝宽为1～4 μm，产状与地层一致，常具滑脱性质(图4(d))；裂缝被石英、方沸石半充填，残余裂缝宽度为5～30 μm；纳米孔隙发育，孔径大小为20～60 nm(见图4(e-f))。方沸石岩类中，方沸石与白云石互层或共生，常充填于裂缝、溶蚀孔，沿溶蚀孔边部充填，保留较多残余孔；残余微孔孔径为5～20 μm，纳米孔孔径为10～60 μm(见图4(g-i))。

3.2孔隙结构及连通性

分别选取三类储层典型样品进行CT扫描，重构储层孔喉结构特征(见表1、图5)。泥晶云岩类储层连通孔隙体积占总孔喉体积的37%，孔隙连通性较好，孔隙分布均匀，平均孔隙半径为1.42 μm，平均喉道半径为0.87 μm，孔隙与喉道大小、数量相差不大，表明孔喉系统相对简单，流体渗流能力较好。细粒混积岩类储层连通孔隙体积占总孔喉体积的35%，孔隙分布比较均匀，平均孔隙半径为1.04 μm，平均喉道半径为0.54 μm，孔喉系统相对简单。方沸石岩类储层连通孔隙体积占总孔喉体积的28%，孔隙顺层分布，平均孔隙半径为0.34 μm，孔隙配位数为1.14，表明孔喉系统趋于复杂，易使流体渗流通道弯曲，造成渗流能力变差。

图4　雷家地区沙四段杜家台油层不同储层孔、缝发育特征Fig.4 Pore-fracture size and types of different lithology in Dujiatai formation, Leijia district

岩性类别样品编号孔隙度/%孔喉体积/106μm3连通体积/106μm3连通体积所占比例/%孔隙数量/个平均孔隙半径/μm喉道数量/个孔喉数量比泥晶云岩L366.57.02.6372791251.422726451.02细粒混积岩L365.33.11.1352353371.042311601.02方沸石岩L574.83.91.12812724350.3411181991.14

4　储层物性影响因素及下限

储层物性受沉积环境、成岩演化、矿物成分、构造背景等因素影响。雷家地区杜家台油层处于中—浅埋藏阶段，沉积相位于浅湖—深湖过渡相带，研究区经历的构造背景、成岩演化阶段基本相同。因此，储层岩性、孔隙结构特征是储层物性的主控因素。

图5　杜家台油层主要储层孔隙结构三维分布特征Fig. 5 3D pore structure of different lithology in Dujiatai formation

4.1孔喉半径

高压压汞分析结果(见表2)表明，各类储层不同物性样品的排驱压力相差很大，在0.01～28.43 MPa之间，由于三类储层发育孔径较大的微孔和中孔，根据排驱压力结果难以区分储层类型。不同储层的饱和度中值压力区别明显，白云岩类储层饱和度中值压力普遍低于30.00 MPa，细粒混积岩储层的饱和度中值压力为18.00～90.00 MPa，方沸石岩类储层的饱和度中值压力超过18.00～180.00 MPa。饱和度中值压力不同表明储层的中值孔喉半径有明显差别，与不同岩性孔径分布特征和数字岩心分析结果一致。主要流动孔径指累计渗透率贡献值达95%以上的孔喉半径，是对渗透率起主要控制作用的有效孔喉半径下限值，其值越大表明储层物性越好。三类储层主要流动孔径为0.010～48.793 μm，白云岩与细粒混积岩类储层主要流动孔径区别不明显，与孔隙度呈正相关关系；大部分方沸石岩类储层主要流动孔径小于0.050 μm。难流动孔径指累计渗透率贡献值大于99%的孔喉半径值，为对渗透率有影响的有效孔喉半径下限值，低于该值时流体不能自由流动。三类储层难流动孔径为0.010～30.975 μm。

表2　不同类型致密储层高压压汞特征参数

雷家地区沙四段致密储层渗透率与最大孔喉半径、主要流动孔喉半径相关性较好，呈指数正相关关系(R2分别为0.801 5和0.625 2)；中值孔喉半径与渗透率相关性较差，表明杜家台油层致密储层的渗透性主要由较大孔喉提供。当最大与主要流动孔喉半径小于10.00 μm时，渗透率小于1×10-3μm2；当它大于10.00 μm时，渗透率快速增加(见图6)，原因是致密储层渗透性主要由较大喉道提供。

图6　杜家台油层致密储层孔径与物性关系Fig.6 The correlation curves of pore radius and reservoir physical properties in Dujiatai formation

孔喉半径与孔隙度呈正相关关系，但相关性较低(R2小于0.5)，表明不同类孔隙对孔隙度均有贡献。在孔喉半径从0.01 μm增加到100.00 μm时，孔隙度从1%增加到10%，孔隙度增长缓慢(见图6)，与大部分致密储层实测孔隙度小于14%的结果相符。

考虑储层非均质性，白云岩类储层的中值孔喉半径与渗透率、孔隙度相关性较好，分别呈指数正相关关系(R2=0.631 3)和对数正相关关系(R2=0.899 9)(见图7)，表明白云岩类储层大部分孔喉对储层物性有贡献，原因是孔喉结构均质性较强，孔喉连通性较好，与白云岩类储层孔喉大小和孔径分布结果相符。

图7　杜家台油层白云岩类储层孔径大小与物性关系Fig.7 The correlation curves of pore radius and dolomicrite physical properties in Dujiatai formation

细粒混积岩类储层主要流动孔喉半径与渗透率相关性好，表明该类储层渗透性主要由较大孔喉提供，与雷家地区杜家台油层致密储层的整体趋势相符(见图8(a))；主要孔喉半径与孔隙度相关性差，原因是孔隙结构复杂(见图8(b))。

图8　杜家台油层细粒混积岩类储层孔径与物性关系Fig.8 The correlation curves of pore radius and fine grained diamictite physical properties in Dujiatai formation

方沸石岩类储层最大孔喉半径与渗透率呈指数正相关关系(见图9(a))，孔隙度影响因素与白云岩类储层的一致，与最大孔喉半径呈对数正相关关系(见图9(b))。原因是方沸石岩类储层是白云岩类储层中方沸石质量分数大于40%的过渡类型，其孔隙度影响因素与白云岩类储层的类似。

图9　杜家台油层方沸石岩类储层孔径与物性关系Fig.9 The correlation curves of pore radius and analcimolith physical properties in Dujiatai formation

4.2物性下限

根据杜家台油层致密储层孔隙度频率分布，白云岩类储层孔隙度略高于另外两类储层的(见图2)。白云岩类储层孔隙类型简单，连通性好，饱和度中值压力最低，为三类岩性储层中最有利储层；细粒混积岩类储层孔隙类型多样，孔隙连通性较好，饱和中值压力居中，在三类岩性储层中为次等有利储层；方沸石岩类储层纳米孔隙占比例大，孔隙连通性较差，饱和度中值压力高，在三类岩性储层中为最差等储层。

储层的储集性能包括储集能力和渗流能力，杜家台油层不同岩性致密储层平均孔隙度相差不大，渗透率相差很大，渗透率为储层储集性能的主控因素。孔喉半径对渗透率影响分析结果表明，各类储层的最大孔喉半径与渗透率呈指数正相关关系，储层的渗透性主要由较大孔喉提供。

根据孔径(r)与渗透率(K)相关性分析结果，白云岩类储层中，中值孔喉半径与渗透率相关性曲线的切线，与x轴交点对应于渗透率明显增大的孔喉半径值，为0.07 μm，即孔喉半径大于0.07 μm时，渗透率明显增大(见图8)。以0.07 μm作为有利储层的孔径下限，根据孔径(r)与孔隙度(φ)的相关性，求得对应的储层孔隙度为5.8%，即当储层孔隙度大于5.8%时，白云岩类致密储层为较有利储层(见表3)。根据难流动孔径(r＇)与渗透率、孔隙度的相关关系，估算有效储层孔隙度下限值，得出白云岩类储层有效孔隙度下限为2.8%(见表3)。使用相同的方法，细粒混积岩类和方沸石岩类储层渗透率明显增大时孔径分别为4.00 μm和6.00 μm(见图9、图10)，对应的有利储层孔隙度下限分别为6.2%和7.1%。根据细粒混积岩类和方沸石岩类储层难流动孔径(r＇)与渗透率、孔隙度的相关关系，估算两者有效储层孔隙度下限分别为3.3%和4.6%(见表3)。

由于孔喉结构复杂，考虑岩性差别，孔径大小与渗透率相关性较好，但与孔隙度相关性较差。由于渗透率主要由较大孔径提供，并不是所有的孔径与渗透率有良好的相关性。如不考虑岩性差别时，最大孔喉半径与渗透率的相关性好于中值孔喉半径和主要流动孔喉半径与渗透率的。同类岩性中，孔径大小与孔隙度、渗透率的相关性大大提高，各孔喉半径与物性的相关因数在0.5以上。由于细粒混积岩类储层矿物成分多样，孔隙类型复杂，主要流动孔喉半径与孔隙度相关性较差(R2为0.341 4)，由此估算的有利储层孔隙度下限有待进一步研究。

致密储层物性下限的确定能为勘探方向或开发决策提供指导，也是资源评价的重要参数。三类储层虽然岩性不一，但储层物性相差不大。在雷家地区断裂发育的背景下，储层普遍发育裂缝，而裂缝的存在能极大增加渗透率。对于致密储层，在孔隙度相差不大的情况下，渗透率是划分相对优质储层最重要的因素。白云岩类储层含油性较好，细粒混积岩类储层和方沸石岩类储层也含油。若某类岩性所处构造位置较好，裂缝发育，在其他成藏条件相同的前提下，该类岩性为最有利储层。

雷家地区致密油勘探过程中，首先，寻找最有利的白云岩类储层；其次，细粒混积岩类储层和方沸石岩类储层也要协同开发。由于致密油开发需要实施储层压裂改造，雷家地区致密含油储层分布面积小(400 km2)、岩性混杂，开发时区分岩性意义不大。在致密油资源量估算时，储层孔隙度下限能将资源量分级，并确定优质资源量的大小及分布范围。分析三类岩性孔隙度下限结果，孔隙度小于3%的储层，致密油资源品质差；孔隙度大于5%的储层，致密油资源品质较好。

表3　不同类型岩性有利储层、有效储层估算结果

5　结论

(1)雷家地区杜家台油层储层可分为白云岩、方沸石岩和细粒混积岩三类储层。三类储层发育裂缝—微孔—纳米孔多级孔喉系统，纳米孔孔径为5～60 nm，微米孔孔径为1～100 μm，裂缝宽度为1.0～2.5 μm。

(2)白云岩类储层孔隙度分布较为均匀，连通孔隙体积占总孔喉体积的37%；细粒混积岩类储层连通孔隙体积占总孔喉体积的35%；方沸石岩类储层连通孔隙体积占总孔喉体积的28%。白云岩类储层饱和度中值压力最低，是最有利储层；细粒混积岩类储层饱和中值压力居中，为次要储层；方沸石岩类储层饱和度中值压力高，储层物性最差。

(3)杜家台油层储层渗透率与最大孔喉半径、主要流动孔喉半径相关性较好，呈指数正相关关系，表明致密储层的渗透性主要由较大孔喉提供。根据孔喉值估算，白云岩类储层的有利储层孔隙度下限为5.8%，有效储层孔隙度下限为2.8%；细粒混积岩类储层物性居中，优质储层孔隙度下限为6.2%，有效储层孔隙度下限为3.3%；方沸石岩类储层物性最差，有利储层孔隙度下限为7.1%，有效储层孔隙度下限为4.6%。

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2015-11-16；编辑：张兆虹

国家科技重大专项(2011ZX05028-002)；中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(2013E-0502)

汪少勇(1988-)，男，博士研究生，主要从事常规、非常规油气资源评价方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.006

TE122.3

A

2095-4107(2016)01-0051-11