临县地区煤系致密砂岩孔隙结构特征

牛鑫磊，曹代勇，李 勇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

临县地区煤系致密砂岩孔隙结构特征

牛鑫磊，曹代勇，李 勇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

临县地区是当前煤系致密砂岩气勘探的潜力区域。基于铸体薄片、扫描电镜、孔渗测试和高压压汞等实验手段，对该地区40块岩心样品孔隙结构进行综合表征；在此基础上，根据分形理论，对砂岩孔隙分形特征进行了系统的研究。结果表明：(1)研究区煤系致密砂岩储层物性较差，孔隙结构复杂，喉道狭窄，孔隙间连通性差，储集空间以次生孔隙为主，粒间孔隙较少。(2)压汞曲线分两类：I类，呈平台状，排驱压力低，效喉道半径分布在0.002 5～0.63μm；II类，排驱压力较高，曲线向右上方偏移，喉道半径集中在0.002 5～0.063μm之间。(3)致密砂岩孔隙结构具有多段分形特征。分形维数与空隙结构参数之间存在良好的相关性，分形维数可以很好地表征孔隙结构的复杂程度和非均质性。

孔隙结构；分形特征；煤系致密砂岩；高压压汞；临县地区

0 引言

随着煤层气勘探开发的深入，煤系致密砂岩气越来越引起人们的关注，煤层气与煤系致密气合探共采的概念被提出，为煤系非常规能源的勘探开发提供了新的思路[1-6]。致密砂岩经历了复杂的成岩作用和构造作用，具有岩性致密、物性差、非均质性强的特点，其孔隙结构是决定储层物性及其油气产能的重要因素[7]。目前，主要是通过铸体薄片、扫描电镜、CT、高压压汞等测试手段对致密砂岩的孔渗性、孔隙形态大小、孔喉结构和分布特征等结构参数进行表征，评价储层的优劣，而对于孔隙结构复杂程度缺乏定量地表征参数[8-9]。赖锦等基于高压亚汞数据讨论了致密储层孔隙结构的分形特征，指出分形维数可以很好地表征孔隙结构的不规则性[10]。

煤系致密砂岩具有自身特殊性，煤系形成于过渡性沉积环境，岩性旋迴性强，致密储层与烃源岩直接接触，有利于致密气就近成藏，但是砂岩单层厚度较小；有机质的大量存在对成岩演化过程产生重要影响，导致煤系砂岩储层孔隙结构更加复杂[3,11-12]。临县地区是我国煤层气开发的重点区块，而且在该区进行致密砂岩气的勘探结果均显示了良好的资源前景[13]。因此查明该地区致密煤系砂岩气孔隙结构特征，对实现研究区致密砂岩气的勘探开发以及其它地区煤系致密砂岩气的突破具有重要意义。同时，也为该地区煤系“三气”合探共采提供地质支撑。

本文通过岩石铸体薄片、扫描电镜、气测孔渗和高压压汞等实验手段，查明研究区石炭二叠纪煤系致密砂岩储层的物质组成、物性特征以孔隙结构进行了研究，并探讨了分形维数与空隙结构的相关性，以期对研究区煤系致密砂岩气的勘探开发提供地质依据。

1 地质背景及样品测试

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带的中部，属于临-兴煤层气勘探开发区块的南部。构造相对简单，地层东高西低，总体上为一个单斜构造，东部受紫金山岩浆作用，造成地层的局部隆升(图1)。

太原组和山西组为区内主要的含煤地层，地层埋深由东向西逐渐加深，区块东部边缘有煤线出露，至区块西南侧埋深大于2 000 m。其中山西组为曲流河三角洲相沉积，以灰黑色泥岩、炭质泥岩、煤层、浅灰色、灰色砂岩和粉砂质泥岩为主。太原组形成于海陆过度相沉积环境，岩性主要为煤层、灰黑色泥岩、粉砂岩、砂岩以及灰岩[14-15]。本次研究采集了临县西南部6口致密砂岩气井(图 1)的山西组和太原组砂岩样品共40块，其中山西组砂岩样品17块，岩性主要灰白色中粒砂岩和粗砂岩；太原组砂岩样品23块，岩性主要为灰白色中砂岩和中细粒砂岩。

图1 研究区位置及采样点分布图Figure 1 Study area location and sampling point distribution

2 储层基本特征

2.1 岩石学特征

根据40块岩石薄片鉴定结果，山西组岩性主要为岩屑砂岩， 其次为岩屑石英砂岩(图 2)。结构以中粒和中粗粒结构为主，分选性中等，颗粒多呈次圆-次棱角状，颗粒支撑，孔隙式胶结，颗粒之间呈线接触至凹凸接触。石英平均含量为54.9%；长石主要为斜长石，平均含量6.9%； 岩屑平均含量为38.3%，其中以石英岩和片岩为主，其次为酸性火成岩和泥岩；杂基平均含量为21.0%，主要为泥质，由上至下，泥质含量从30%左右减少到6%左右；胶结物主要为方解石和硅质，可见高岭石胶结物。

图2 研究区致密砂岩岩性三角图Figure 2 Triangular chart of tight sandstone lithology in study area

太原组岩性主要为岩屑石英砂岩，见少量岩屑砂岩和石英砂岩(图 2)。结构以中粒为主，分选性中等，碎屑颗粒多为次圆状，颗粒支撑，孔隙式胶结，颗粒之间呈凹凸接触。从下到上，石英含量逐渐降低，杂基含量逐渐增加，由石英砂岩过渡为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩。石英平均含量为81.0%；长石主要为斜长石，平均含量2.6%；岩屑平均含量为17.6%，其中以石英岩和酸性火成岩为主，其次为砂岩、泥岩和片岩；杂基平均含量为18.0%；胶结物主要为高岭石和硅质，其次为方解石、白云石和黄铁矿。总体上，研究区煤系致密砂岩储层成分成熟度较低，结构成熟度中等。

2.2 储集空间特征

a、颗粒之间呈线接触至凹凸接触，溶蚀孔发育，可见残余粒间孔；b、书页状高岭石，晶间孔发育； c、弯片状喉道；d、片状黏土矿物充填喉道，喉道呈管束状。图3 致密砂岩孔隙类型与结构Figure 3 Tight sandstone pore types and structures

铸体薄片鉴定统计结果及扫描电镜观察表明，研究区储层空隙类型以次生孔隙为主，粒间孔隙较少；次生孔隙包括粒间溶孔，粒内溶孔和黏土矿物晶间孔(图3a,图3b)。研究区储层经历的较强的压实作用，碎屑颗粒多呈线接触至凹凸接触，且自生黏土矿物充填孔隙，堵塞喉道，导致储层孔隙连通性差，喉道狭窄，多呈弯片状和管束状(图3c, 图3d)。煤系在成岩过程中大量有机酸的生成，导致了该地区储层溶蚀孔隙的发育。山西组储层总面孔率为0.2%～2.7%，平均为1.1%，其中粒间溶孔占38.2%，粒内溶孔占23.7%，晶间孔24.3%，残余粒间孔仅占9.9%，此外还发育少量微裂隙，约占总面孔率的4.0%。太原组储层的总面孔率为0.2%～4.5%，平均为2.1%，其中粒间溶孔占44.8%，粒内溶孔占12.6%，晶间孔12.2%，残余粒间孔占30.4%。山西组砂岩杂基含岩屑含量较高，储层空隙受压实破坏程度更大；太原组砂岩刚性颗粒较多，抗压实能力强，保留了较多的粒间孔隙。

2.3 物性特征

孔渗测试结果表明，山西组储层孔隙度为1.1%～5.9%，平均为2.7%；渗透率为0.001～0.066 mD，其中孔隙度低于5%的占总样品数的87.5%(图4)，渗透率多集中分布在0.001～0.02 mD，占75%。太原组储层空隙度为1.0%～11.8%，平均为3.5%；渗透率为0.001～0.209 mD，平均为0.039 mD，其中孔隙度多分布在5%以下(占73.7%)，渗透率也多集中在0.001～0.02 mD(78.9%)孔隙度和渗透率之间呈现正相关性，表明研究区储层储集空间主要由孔隙构成，孔隙之间具有连通性。总体而言，研究区储层物性较差，属于致密储层，且太原组储层物性要稍好于山西组。

图4 储层孔隙度与渗透率的相关性Figure 4 Correlation between reservoir porosity and permeability

3 储层孔隙结构特征

孔隙结构是碎屑颗粒之间孔隙和喉道的形态、大小分布以及连通性，反映了储层的储集和渗流能力[6]。研究区砂岩样品的毛细管压力曲线可以分为两类(图5)：I类曲线(L-6)，排驱压力较低，中部曲线近水平，进汞饱和度大于80%之后，曲线急剧上升，最大进汞饱和度大于95%，表明储层有效喉道分布范围大，且分布均匀，储层物性较好；II类曲线(L-1～5)，排驱压力较高，进汞曲线以一定斜率稳定上升，且曲线向右上方偏移明显，最大进汞饱和度为60%～90%，表明储层有效喉道分布范围较窄，储层物性较差。根据进汞饱和度与毛细管压力之间的关系计得出的孔喉半径分布曲线(图6)，研究区致密储层孔喉半径主要分布在0.002 5～0.63 μm，其中I类曲线孔喉半径分布0.002 5～0.63 μm，分布范围较宽，峰值靠右；II类曲线孔喉半径多集中在0.002 5～0.063 μm，分布范围较窄，峰值靠左。山西组储层样品压汞曲线以II类曲线为主，太原组储层样品压汞曲线中I类和II类曲线均有，太原组储层物性要优于山西组。

图5 煤系砂岩压汞曲线Figure 5 Coal measures sandstone mercury intrusion curves

图6 煤系致密砂岩孔喉分布图Figure 6 Coal measures tight sandstone porethroat distribution

4 分形特征

分形维数在用来定量评价页岩和煤储层孔隙结构的复杂程度上取得了良好的成果[17-18]，但是在致密砂岩储层孔隙方面应用不是很广泛。吴浩等根据压汞资料评价了致密储层孔喉的分形特征，发现其与孔隙结构参数之间存在良好的相关性[19]。根据分形理论，孔隙分形维数为2～3。分形维数越接近2，表明孔隙表面越光滑，结构越简单；分形维数越接近3，表明孔隙表面越粗糙，结构越复杂。

4.1 分形维数

本次研究采取杨海等在研究苏里格气田盒8段致密储层孔隙分形的特征的方法，选取6块典型致密砂岩样品孔隙结构进行评价[20]。

从图7可以看出，研究区煤系致密砂岩孔隙结构存在单一分形和多段分形特征，以两段分形特征为主，表明致密储层不同孔径范围具有不同的分形特征。图7a样品孔隙结构呈现单一分形，其孔喉半径主要分布在0.025～0.63μm，分形维数D=2.3345；图7b～图7e，样品呈现明显的两段分形特征，分形维数D1代表孔喉半径在0.63～160μm的孔隙结构的分形特征，其大小在2.1附近波动；分形维数D2代表孔喉半径在0.001 6～0.63μm的孔隙结构的分形特征，其数值集中在2.5附近，明显大于D1，表明孔喉半径越小，孔隙结构越复杂。图7f样品呈现三段分形特征，D1=2.1238表征孔喉半径在0.63～160μm的孔隙结构的分形特征，D2=3.900 2表征孔喉半径区间为0.63～0.063μm，D3=2.092表征孔喉半径为0.001 6～0.063μm，其中D3的数值超出孔隙分形维数的上限，而Lai等在研究致密砂岩分形特征时，指出在孔喉半径较大时，分形维数可以大于3，表明孔隙结构更加复杂，非均质更强[10]。

4.2 空隙结构参数与分形维数

研究区致密砂岩孔喉半径主要分布在0.002 5～0.63μm，选取该区间内的分形维数，讨论了分形维数与半径均值、排驱压力、最大进汞饱和剩余汞饱和度之间的相关性(图8)。

图8a中，孔喉半径均值与分形维数呈现一种负相关关系(R2=0.78)，孔喉半径随着分形维数的增加而逐渐减小，表明孔隙结构非均质越强，孔隙的半径均值越小。图8b中，排驱压力与分形维数呈现一种正相关关系(R2=0.71)，排驱压力随着分形维数的增加而增大，表明孔隙表面越粗糙，结构越复杂，非湿润相开始进入孔隙所需要的压力就越大。最大进汞饱和度随着分形维的增加而减小， 剩余汞饱和度随着分形维数的增加而增大(图8c,图8d)，表明分形维数越大，孔隙表面越粗糙，结构越复杂，汞进入越困难，退出孔隙也越困难，即分形维数越大，储层储集能力和渗流能力越差。以上结论表明，煤系致密砂岩孔隙分形特征与空隙结构之间存在良好的相关性，可以用来表征孔隙的结构的复杂程度和非均质性。

图7 煤系致密砂岩孔隙的分形维数Figure 7 Coal measures tight sandstone pore fractal dimension

5 结论

1)研究区煤系致密砂岩储层物性较差，太原组储层物性稍好于山西组。储集空间以次生孔隙为主，粒间孔隙较少。储层杂基含量较高，加上强烈的压实作用，导致储层孔隙度低，喉道狭窄，孔隙间连通性差。

2)煤系致密储层压汞曲线可以分为两类：I类曲线，平台状明显，排驱压力较低，最大进汞饱和度大，效喉道半径分布在0.002 5～0.63μm；II类曲线，排驱压力较高，曲线向右上方偏移，最大进汞饱和度较低，喉道半径集中在0.002 5～0.063μm。

3)煤系致密砂岩孔隙结构具有多段分形特征，孔喉半径在0.001 6～0.63μm其数值集中在2.5附近表明孔隙结构复杂，非均质性强。分形维数与孔隙结构参数之间存在良好的相关性，分形维数可以用来表征研究区致密储层空隙结构的复杂程度和非均质性。分形维数越大，孔喉半径均值越小，排驱压力越大，储层的储集能力和渗流能力越差。

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CoalMeasuresTightSandstonePoreStructuralFeaturesinLinxianArea

Niu Xinlei, Cao Daiyong and Li Yong

(School of Geosciences and Surveying Engineering, CUMTB, Beijing 100083)

The Linxian area is a potential coal measures tight sandstone gas exploration area. Based on experimental means of casting thin section, SEM, permeability and high-pressure mercury intrusion tests have carried out pore structural features integrated analysis for 40 core samples from the area. On this basis, according to fractal theory carried out systematic study of sandstone fractal characteristics. The result has shown that (1) the coal measures physical property of tight sandstone reservoir in study area is rather poor with complex pore structure, narrow porethroat and poor connectivity among pores, reservoiring space is mainly secondary pores, less intergranular pores; (2) mercury intrusion curves can be divided into two types: type I, platform like with low displacement pressure, porethroat radius 0.002 5～0.063μm; type II, higher displacement pressure, curves shifting upper right, porethroat 0.002 5～0.063μm; (3) pore structures of tight sandstone have multisegment fractal characteristics. Good correlation exists between the fractal dimension and pore structure parameters, fractal dimension can characterize pore structural complexity and anisotropy.

pore structure; fractal characteristics; coal measures tight sandstone; high-pressure mercury intrusion; Linxian area.

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.05

1674-1803(2017)10-0030-06

A

国家自然科学基金项目(41572141)；中国地质调查局地质调查资助项目(DD20160187)

牛鑫磊(1992—)，男，安徽人，中国矿业大学(北京)硕士研究生，主要从事煤系非常规能源地质研究。Email：1668525686@qq.com。

曹代勇(1955—)，男，重庆人，中国矿业大学(北京)教授，博士生导师，主要从事煤田构造与构造控煤、盆地构造分析、煤与非常规气地质、矿产资源评价与勘查等研究工作。E-mail：cdy@cumtb.edu.cn。

2017-8-01

责任编辑：宋博辇