恒速压汞技术在定边长7致密砂岩储层微观孔喉空间表征中的应用

张 鹏,张金功,赵谦平,畅 斌,张 亮,高 飞,曹 成,李 康

(1.西北大学 地质学系, 陕西 西安 710069,2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西 西安 710075)

恒速压汞技术是现在用于表征储集层岩石微观孔喉空间特征最先进的技术之一,和常规压汞技术[1-2]进行对比,其采用准静态进汞技术(进汞速度为0.000 001 mL/s),对孔隙、喉道和孔喉半径比的大小以及分布进行更为准确的表征及划分[3-7],克服了常规压汞技术难以区别孔隙、喉道以及难以对孔喉空间进行表征的局限性。恒速压汞技术更适用于微观孔隙和喉道[8-11]性质差异比较大的致密砂岩储层；与常规油气储集层相比,致密砂岩储集层的孔喉空间展布更为复杂多变[12-17],对储集层的物性影响更为明显。基于上述考虑,本文采用常规物性测试、扫描电镜、铸体薄片、恒速压汞技术,对鄂尔多斯盆地西北部定边地区长7致密砂岩油藏储集层的孔隙、喉道以及孔喉半径比等特征开展深入的表征,进一步分析了储集层微观孔喉空间分布与物性的相关性特征,主要揭示了长7致密砂岩储集层微观孔喉空间展布的特征,并为此类储集层精准地进行储层评价提供理论支撑。

1 恒速压汞实验简介及样品信息

1.1 恒速压汞实验简介

本次实验采用的恒速压汞设备是由美国Coretest Systems公司生产的ASPE-730型仪器,该设备以非常低的速度将汞注入岩石孔隙空间(其进汞速度为0.000 001 mL/s),如此低的进汞速度保证了准静态进汞过程的发生。当注入汞从孔隙进入喉道时,注入压力逐步升高,达到一定的程度时,注入压力高于喉道处的毛细管力,汞突破喉道的控制,进入下一个孔隙,注入压力瞬间回落,并且进入下一个压力涨落的循环。通过相关设备记录进汞压力的涨落变化以及注入汞的体积,从而识别出孔隙、喉道以及孔喉的配置关系,并计算出孔隙和喉道的大小及分布特征。

实验具体步骤为: ① 选取研究区块目的层段需要进行测试的典型样品; ② 利用岩心钻取机钻取直径为2.5 cm, 高5～7 cm的圆柱体样品; ③ 对岩心进行洗油、烘干处理,进行常规物性测试;④ 将样品抽真空后浸泡在汞液当中,放在恒速压汞设备中,以很低的速度注入汞,通过相关设备记录压力的变化以及注入汞体积等相关参数,对数据进行处理;⑤ 当压力达到约6.2 MPa时，实验结束。

1.2 样品信息及结果

鄂尔多斯盆地定边油区, 位于陕西省榆林市定边县行政区域内, 处于鄂尔多斯盆地湖盆沉积中心的西北部地区。 本研究区域的构造特征比较简单,为由东向西的西倾单斜,在单斜的基础上发育有低幅度鼻状构造,没有断层发育,平均坡降为8～10 m。本研究的主要层位为中生界上三叠统延长组长7油层,主要发育三角洲前缘沉积与重力流沉积,三角洲前缘沉积以水下分流河道砂体为主;重力流沉积以砂质碎屑流砂体为主,浊积砂体和滑塌岩次之。

根据研究区延长组长7油层87块铸体薄片的观察统计可知(见图1),储集层岩性主要为灰色、灰黑色、黑色中—细粒岩屑长石砂岩,少量长石岩屑砂岩以及长石砂岩。从组成岩石的各种矿物成分来看,碎屑颗粒含量较高,质量分数达到了88.1%,其中长石质量分数最大,约为36.3%;石英质量分数次之,约为31.1%;岩屑主要由变质岩岩屑、火成岩岩屑、少量沉积岩岩屑及云母组成,质量分数约为20.7%。基于成岩压实作用、胶结作用、交代作用、溶解作用的共同作用,储集层孔隙结构尺度复杂多样,储集层目的层段物性差。

图1 定边地区长7储层岩石类型Fig.1 Rock type of the Chang 7 reservoir in the Dingbian area

选取岩样时,主要根据储层沉积相、岩性、物性以及控制全区等多种影响因素。本研究共选取了储集层14块样品进行了恒速压汞测试(见表1)。由表1可知，储集层14块岩样的孔隙度分布范围为1.1%～19.4%,平均为8.56%;储集层渗透率的分布范围为(0.006～3.728)×10-3μm,平均为0.568×10-3μm,属于特低渗透、超低渗透储集层。其中，储集层岩样渗透率小于0.01×10-3μm2有1块,储集层岩样渗透率位于(0.01～0.10)×10-3μm2的有7块,储集层岩样渗透率位于(0.10～0.50)×10-3μm2的有3块,储集层岩样渗透率位于(0.50～4.00)×10-3μm2的有3块。从主要实验测试结果(见表1)可以看出,储集层14块样品的平均孔隙半径为112.94～153.01 μm,平均喉道半径分布范围0.20～1.94 μm,平均孔喉半径比64.2～740.5。随着储集层渗透率的增大,平均孔隙半径差异不大,平均喉道半径有增大的趋势,平均孔喉半径比有减小的趋势。

表1 实验样品主要参数统计Tab.1 Statistics of main parameters of experimental samples

2 孔隙特征分析

2.1 孔隙类型

通过扫描电镜的图像分析可知，定边油区长7致密油藏孔隙主要有5种类型，分别为溶蚀粒间孔、残余粒间孔、粒内溶孔、微孔隙、微裂隙(见图2):① 溶蚀粒间孔隙(见图3B)为主要的孔隙类型,是在成岩过程中，碎屑之间，颗粒因部分填隙物和碎屑发生溶解而形成的孔隙空间，以碎屑颗粒及胶结物溶蚀为主(见图3H),溶蚀严重,面孔率最大为9.1%,占总孔隙的60%～78%,平均为74.1%;② 残余粒间孔隙(又叫原生粒间孔,见图3A)是砂岩沉积物在成岩过程中，粒间孔隙被填隙物充填改造后形成的孔隙类型。研究区主要由伊利石、绿泥石充填孔隙(见图3G，I)，残余粒间孔较少,约为总孔隙的2.1%～8.2%,平均为6.1%;③ 粒内溶孔是砂岩碎屑颗粒在埋藏成岩过程中，部分孔隙因溶蚀而产生的储存空间。 长石和部分岩屑内溶孔居多, 石英次之， 为总孔隙的9.4%～19.1%,平均为13.4%,岩性致密程度较差(见图3D);④ 微孔隙(见图3C)是填隙物局部易溶解而形成的溶蚀孔隙,填隙物杂基内部由于收缩形成的微小空间(见图3F),约为总孔隙的3.3%;⑤ 微裂隙(见图3C)是由于裂缝(裂隙)局部溶蚀作用形成的储存空间,约为总孔隙的3.1%。溶蚀裂缝较小,次生加大颗粒溶蚀(见图3E)，较好地改善了储集层的物性及渗流通道。

图2 定边地区长7储层主要孔隙类型统计Fig.2 Main pore type of the Chang 7 reservoir in the Dingbian area

A 18号样品,2 221.73 m,粒间孔,铸体薄片;B 44号样品,2 295.10 m, 溶孔, 铸体薄片; C 8号样品, 2 119.0 m,微裂缝,铸体薄片;D 135号样品,2 486.33 m,岩屑长石砂岩、岩性致密程度较差,扫描电镜;E 132号样品,2 499.95 m,岩屑长石砂岩、次生加大颗粒溶蚀,扫描电镜;F 23号样品,2 222.51 m，长石砂岩、长石颗粒溶蚀,扫描电镜;G 18号样品,2 221.73 m,长石岩屑砂岩、伊利石充填孔隙,扫描电镜;H 47号样品,2 295.40 m,岩屑长石砂岩、高岭石充填孔隙,扫描电镜;I 228号样品,2 300.68 m,长石岩屑砂岩、绿泥石充填孔隙,扫描电镜 图3 定边地区长7储层空间类型Fig.3 The space type of the Chang 7 reservoir in the Dingbian area

2.2 孔隙特征分析

从储集层14块岩样孔隙半径分布范围曲线(图4)可知,不同渗透率级别的岩样,储集层孔隙半径都基本符合正态分布特征,其分布范围基本接近、峰值分布频率差异较大。孔隙半径基本分布在65～240μm,主要分布在90～160μm;峰值分布在115μm左右,曲线在峰值的左边比较陡峭、右边比较平缓。

图4 孔隙半径分布曲线Fig.4 Pore radius distribution curve

通过对储集层14块样品孔隙半径进行加权平均,得出平均孔隙半径分布范围为112.94～153.01 μm。由储集层平均孔隙半径和物性的相关关系(见图5)可得,伴随着孔隙度、渗透率数值的增加,平均孔隙半径的规律性变化不显著,说明其储集层平均孔隙半径和物性的相关性差。

图5 平均孔隙半径和物性相关关系图Fig.5 Average pore radius and physical properties correlation diagram

储集层有效孔隙体积(连通孔隙体积)体现的是储集层储集能力的大小,单位体积岩样的有效孔隙体积越大,说明储集能力越强。由储集层单位体积的岩样有效孔隙体积和物性相关关系(见图6)可以看出,随着孔隙度、渗透率数值的增加,单位体积的岩样有效孔隙体积也逐步升高,储集能力也逐渐升高，说明研究区致密储集层具有较好的物性参数。

3 喉道特征分析

图7是14个样品的喉道半径分布曲线。由图7可知,储集层14块岩样的喉道半径形态分布差异比较大,伴随着渗透率的增加,喉道半径分布范围逐步增宽,小喉道所占的比例逐渐减少,大喉道所占的比例逐渐增加,并且喉道半径的峰值分布频率也逐渐减小。当储集层岩样渗透率小于0.01×10-3μm2时,喉道半径分布范围为0.2～0.6 μm,大部分数值小于0.4 μm；当储集层岩样渗透率位于(0.01～0.1)×10-3μm2时,喉道半径范围0.2～0.7 μm,大部分喉道半径小于0.5 μm;当储集层岩样渗透率位于(0.10～0.50)×10-3μm2时,喉道半径范围为0.2～1.7 μm,大部分数值小于14 μm;当储集层岩样渗透率大于0.50×10-3μm2时,喉道半径分布范围为0.2～5.0 μm,大部分数值小于45 μm。

图6 单位体积岩样有效孔隙体积和物性相关关系图Fig.6 Effective pore volume and physical properties per unit volume of samples of correlation diagram

图7 喉道半径分布曲线Fig.7 Throat radius distribution curve

从储集层岩样的平均喉道半径和物性的相关关系可以看出(见图8),目的层14块岩样的平均喉道半径、孔隙度及其渗透率都有相关性联系,平均喉道半径0.20～1.94 μm。与其储集层孔隙度进行比较,平均喉道半径和渗透率的相关性更好,也体现出了喉道半径对渗透率的变化最为敏感,对其渗透率起主导作用。

通过对储集层孔隙半径、喉道半径和物性的相关性进行分析对比可以看出，对致密储集层而言,孔隙半径对物性的影响较小,喉道半径对物性的影响较大,喉道半径对储集层物性的好坏起到关键性的作用。

图8 平均喉道半径和物性相关关系图Fig.8 Relationship between average throat radius and physical properties

由储集层14块岩样不同数值的喉道半径对渗透率的贡献曲线可知(见图9),当储集层岩样的渗透率小于0.01×10-3μm2时,渗透率主要由喉道半径小于0.4 μm的所贡献;当储集层岩样渗透率位于(0.01～0.10)×10-3μm2时,渗透率主要由喉道半径小于0.5 μm的所贡献;当储集层岩样渗透率位于(0.10～0.50)×10-3μm2时,喉道半径有所变宽,渗透率主要由喉道半径介于0.4～1.4 μm的所贡献;当储集层岩样渗透率大于0.50×10-3μm2时,喉道半径变得更加宽泛,渗透率主要由喉道半径介于0.5～4.5 μm的所贡献。这充分说明,随着渗透率的增大,小喉道对渗透率的贡献所起的作用逐渐减弱,同时大喉道对储集层渗透率的贡献所起的作用逐渐增强。

图9 喉道对渗透性贡献率图Fig.9 Contribution ratio of throat to permeability

4 孔喉配置关系分析

恒速压汞技术对研究区储集层14块岩样进行的测试,不但可以得到岩样的孔隙、喉道的分布状况,而且可以得到孔喉的配置关系。由储集层14块岩样的孔喉半径比分布范围曲线(见图10)可得,孔喉半径比分布范围比较宽,从10～1 250都有分布,其孔喉半径比峰值从大到小分别为640，600，600，550，550，500，450，400，200，170，130，90，90，20。随着岩样渗透率的增加,孔喉半径比峰值逐步向小值区域移动且移动速度逐渐加快,孔喉半径比峰值分布于大值区域的数量逐渐减少,分布于小值区域的数量逐渐增加。

图10 孔喉半径比分布曲线Fig.10 Pore to throat radius ratio distribution curve

油气田储集层开发的好与坏,主要与孔隙、喉道的配置密切相关。如果储集层孔喉半径比小，孔喉分选性好,就会取得比较好的开发效果。储集层孔喉半径比较小的时候,大孔隙与小喉道连通,油气不易通过小喉道,其驱替过程中容易造成卡段;孔喉半径比较大的时候,大孔隙和大喉道相连,油气通过喉道比较容易。由此可见,对于致密油藏而言,孔喉半径比整体比较大,压裂是改善油气渗流通道的主要途径，其改变了储层的孔喉配置关系,进而达到油气田增产稳产的目的。

5 结 论

1)定边油区长7致密砂岩油藏孔隙类型主要为残余粒间孔隙、溶蚀粒间孔隙、粒内溶孔、微孔隙、微裂隙。

2)研究区致密砂岩储集层的孔隙半径分布范围为65～240 μm,孔隙半径的差异不显著,储集层孔隙半径和物性的相关性不明显。储集层单位体积岩样的有效孔隙体积较大时,物性较好,储存能力较强。

3)研究区致密砂岩储集层的喉道半径形态分布伴随着渗透率的不同而差异比较大,基本上都小于5 μm。当储集层渗透率较小时,喉道半径分布比较集中且较小,小喉道占主导作用;随着储集层渗透率的增加,喉道半径分布逐步增宽,大喉道的占比逐渐增加，对渗透率的贡献逐渐增强,小喉道的占比逐渐减小，对渗透率的贡献逐渐减弱。喉道半径是制约和影响储集层物性的关键因素,与物性的相关性较好。

4)研究区致密砂岩储集层孔喉半径比为10～1 250,分布范围比较宽。随着储集层渗透率的增大,孔喉半径比分布范围逐渐减小。

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