多方法协同表征特低渗砂岩储层全孔径孔隙结构——以鄂尔多斯盆地合水地区砂岩储层为例

欧阳思琪，孙 卫，黄何鑫

(西北大学 地质学系，西安 710069)

特低渗砂岩储层经历了复杂的成岩作用[1-3]，造成现今孔喉形态各异、喉道半径细小、渗流机理复杂等特点[4-5]。随着这类储层勘探开发潜力被发掘，孔喉结构作为储层评级划分[6]、探究油气藏成藏机理[7-8]、制定合理开发方案都必须考虑的因素，需要进行细致研究。孔隙微观结构是控制储层储渗能力的直接因素，孔隙与喉道的形态特征、尺寸及分布频率、连通性等均是其研究范围[9-10]。目前用于表征微观孔隙结构的测试方法有铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、恒速压汞、核磁共振、CT扫描、N2吸附等[11-14]，各种方法各具优势与局限性。而多种方法协同计算有利于实现优势互补，使研究结果更接近储层真实状态。

铸体薄片和扫描电镜在观察储层成岩现象、孔喉形态等研究中应用广泛[15]；高压压汞反映的孔喉信息虽然为孔隙与喉道的叠加，但仍是定性及半定量评价孔喉结构的经典手段[10]；恒速压汞的优势在于能分别测定孔隙与喉道的体积与数量，但其孔隙大小计算方法不适用于孔隙形态多样的低渗透致密储层[9]；核磁共振T2谱图转化得到的孔隙半径分布结果更全面[16]；CT扫描直观清晰[12, 17]，但样品尺寸受限。前人使用联合恒速压汞与核磁共振技术矫正了恒速压汞的计算误差，得到更为准确的孔喉参数[9]；许多学者采用高压压汞标定弛豫时间构造伪毛管压力曲线，经过由线性[18]到幂函数[19]的改进，精度越来越高；也有学者提出了对比高压压汞与核磁共振方法得到的孔喉分布曲线，从而定量表征孔喉连通性的方法[10]。综合前人提出的方法，本文利用5块取自鄂尔多斯盆地合水地区长6及长8段特低渗储层岩心样品进行协同计算，力图精细刻画其全孔径孔隙特征。

1 样品与测试

1.1 样品描述

样品取自鄂尔多斯盆地合水地区长6及长8特低渗储层(表1)。5块样品除Z91为极细粒长石砂岩外，其余均为细粒岩屑长石砂岩。3块长6储层样品取自重力流复合水道砂岩体，黏土矿物含量介于4.86%～7.21%，以伊利石胶结物为主，孔隙度均小于10%。2块长8储层样品来源于水下分流河道砂岩体，孔隙度分别为15.2%和10.2%，渗透率相对较高；黏土矿物以绿泥石为主，相对含量在70%以上。5块样品均含有伊蒙混层，相对含量在12.12%～15.51%之间。

1.2 测试方法与设备

为保证各种测试方法所得实验数据相互对应以及矫正的精度，样品取自岩心岩性稳定的部分。首先取直径2.5 cm的标准岩心样品饱和矿化度为25 000 mg/L的模拟地层水，依照“SY/T 6490-2000”行业标准，使用MagneT2000型仪器进行核磁共振实验，共振频率为2.38 MHz，T2谱测量采用CPMG自旋回波方法，回波间隔0.2 ms,等待时间6 000 ms，回波数8 000。随后50 ℃烘干48 h，再进行其他实验。恒速压汞实验采用Coretest Systems制造的ASPE730，在温度25 ℃条件下以压为0～900 psi(约6.205 5 MPa)进行实验，进汞速度为5×10-5mL/min。高压压汞采用美国Micromeritics公司生产的AutoPoreIV9520型全自动压汞仪，最大压力为414 MPa，孔径测量范围30～10 000 μm。铸体薄片使用LEICA DMRXHC型多功能偏光显微镜观察，扫描电镜为FEI Quanta 400 FEG型环境扫描电子显微镜。

表1 鄂尔多斯盆地合水地区长6及长8储层样品特征

2 单一测试结果与分析

2.1 孔隙喉道特征

利用铸体薄片及扫描电镜观察孔喉形态，测量半径大小。本次实验样品的孔隙类型多样，可见残余粒间孔、溶蚀孔、晶间微孔及微裂缝。其中残余粒间孔最为发育(图1a、1e)，其孔隙半径在10～65 μm之间。溶蚀孔半径介于3～31 μm，以长石溶蚀(图1b、1e)为主，岩屑溶孔较少。晶间微孔为黏土矿物及微晶石英晶间的细小空间(图1c、1f)，多为细长的管状，故可看作管束状喉道，半径小于2 μm。Z144中可观察到成岩作用产生的微裂缝(图1d)。喉道类型除了管束状外，还可见片状(图1e)、弯片状以及缩颈型(图1f)。薄片中多见薄膜状绿泥石(图1a)，片状、丝缕状伊利石等黏土矿物和碳酸盐矿物以胶结物形式充填孔隙(图1c)。

2.2 高压压汞

高压压汞实验利用毛管压力与孔径半径换算公式得到样品的孔喉分布，获得表征孔喉结构的参数(表2)，其孔径分布仅针对于喉道。N115和X209、Z117和Z144特征相似，选择X209、Z117和Z91为典型样品成图。门槛压力能够反映最大喉道半径的大小，Z144、Z117门槛压力低，最大喉道半径较大；Z91、X209门槛压力较高，喉道细小，这与恒速压汞所得实验结果吻合(图2a-c，表2)。分选系数表征喉道分布均匀程度，越小的分选系数代表喉道半径分布越集中，在压汞曲线显示出较长的平缓段。X209号样品分选系数为1.84，进汞曲线中部相对平缓(图2a)，对应的喉道分布曲线单峰态(图2d)；Z117分选系数2.71，分选最差，喉道分布两峰明显区分(图2e)。对比各样品喉道半径与渗透率贡献率分布频率发现，尽管喉道大小及分布存在很大差异，但各岩样的渗透率都由占比较小的较大喉道提供(图2d-f)。

图1 鄂尔多斯盆地合水地区长6及长8储层孔隙喉道特征

样品号高压压汞进汞饱和度/%门槛压力/MPa中值半径/μm分选系数歪度系数退汞效率/%恒速压汞总进汞饱和度/%喉道进汞饱和度/%孔隙进汞饱和度/%喉道半径均值/μm孔隙半径均值/μm孔喉比均值主流喉道半径/μm核磁共振三孔隙度比例/%S1S2S3N11593.31.170.081.581.3541.955.924.831.10.309 0136.625490.27151.336.00.8Z9155.11.810.014.661.4727.538.617.621.00.253 0133.016970.21843.333.213.0X20989.71.810.081.841.7440.337.924.713.20.263 7136.056540.20845.141.34.6Z11783.90.720.182.721.8633.658.521.437.11.174 0129.851861.84252.127.27.0Z14490.80.460.112.461.4130.649.519.530.00.828 6131.122181.13545.930.77.9

图2 鄂尔多斯盆地合水地区典型样品高压压汞实验结果

2.3 恒速压汞

恒速压汞技术以恒定的速度向样品内注汞，通过压力的涨落判断孔隙与喉道，实现区分孔隙与喉道的目的[20]，但其探测范围限于半径大于0.12 μm的储集空间。

根据进汞曲线形态可以将其划分为3个区间。在Ⅰ区间内5块样品均表现为孔隙进汞量几乎与总进汞量相等，高于喉道进汞量(图3b-c)，说明汞优先进入占比较小的大喉道及其控制的储集空间；Ⅱ区间内孔隙进汞曲线趋势不同，曲线越陡代表较小的喉道所控孔隙空间越小；Ⅲ区间内进汞量的增长几乎都是喉道所贡献(图3a-b)，这一阶段汞进入更为微小的喉道，说明储集空间内并不是所有的喉道均对孔隙有控制作用。5块样品中除X209外，孔隙进汞饱和度均大于喉道进汞饱和度，说明仅X209样品中大于0.12 μm的喉道空间大于孔隙空间(图3a)；除Z91外均可划分为3个区间，Z91缺少Ⅲ区间(图3c)，说明该样品中依然有较为细小喉道控制的少量孔隙。

对比表明，各样品喉道半径分布差异明显；孔隙半径分布基本相似(图4)，分布于60～330 μm，均值介于129.85～136.62 μm(图4a、4d，表2)。样品Z117与Z144喉道分布范围大，从微喉到中喉均有分布(Z117含少量粗喉)，孔喉比均值分别为186和218。3块长6样品喉道为微喉，分布于0.12～0.5 μm之间，孔喉比均较大(图4b-d，表2)，说明喉道差异是影响储层孔喉结构的主要因素。绝对喉道体积从大到小依次为样品Z117、Z144、N115、X209和Z91，孔隙体积从大到小依次为Z117、Z144、N115、Z91和X209。喉道半径大于0.2 μm的样品具喉道体积随半径增大而变小的趋势，孔隙绝对体积与岩样孔隙度相关，孔隙与喉道明显区分，无重叠部分(图4d)。

图3 鄂尔多斯盆地合水地区典型样品恒速压汞进汞曲线

图4 鄂尔多斯盆地合水地区特低渗砂岩储层样品恒速压汞孔隙与喉道分布

2.4 核磁共振

核磁共振实验通过储层中饱和流体的信息间接判断孔喉结构[10]。根据T2谱分布特征可定性认识孔喉分布特点。由于不同级别的孔径在总孔隙中所占比是影响孔喉结构的重要因素，因此采取核磁共振三孔隙度法评价储层[21]。认为横向弛豫时间T2值1～10、10～100、100～1000 ms分别对应小、中、大三种孔径储集空间，计算此三区间所占百分比(S1、S2、S3)，由此表征孔喉分布特征。由于各样品同一T2值对应的实际孔径并不相同，故该方法统计的百分比并不对应相同的孔径区间，不利于样品间对比。

本次实验的5块样品T2谱形态可分为两类：N115与X209呈单峰态，说明孔喉分布较为集中，孔喉非均质性弱，与高压压汞所得结果相同；Z91、Z117和Z144号样品具有不同程度的双峰特征，其中Z117与Z144形态相似，左峰(2～3 ms)高于右峰(30～45 ms)，说明孔径分布不集中且较小的孔喉发育广泛(图5a)。三孔隙度百分比均表现出S1>S2>S3，S3与S1、S2差别较大的特征(图5b，表2)，说明半径大的孔隙极少发育，中小孔道为主要储渗空间，这也是特低渗储层的一大特点。

图5 鄂尔多斯盆地合水地区特低渗砂岩储层核磁共振实验结果

3 测试协同理论与计算方法

3.1 孔喉连通性

高压压汞实验仅反映连通喉道以及其控制的孔隙的分布，利用核磁共振横向弛豫时间分布联合高压压汞构造的伪毛管压力曲线可反映所有喉道与孔隙分布[10]。两方法所得结果之比代表孔喉连通性。

核磁共振结合高压压汞将横向弛豫时间T2值转换为喉道半径的公式(推导过程见文献[16])为：

(1)

式中：rt为喉道半径；C和n是rt与T2拟合所得参数。求取C和n的步骤为：①使用同一频率坐标做T2累计曲线与进汞饱和度累计曲线；②仅选用小于最大进汞饱和度的部分，读取同一累计值i对应的rt(i)与T2(i)；③多组rt与T2值投点并拟合曲线，得出C和n(图6)。

3.2 全孔径分布

全孔径表征主要利用核磁共振、恒速压汞以及高压压汞。根据核磁共振实验原理，若将储集空间看做管状或球状，横向驰豫时间T2与孔隙喉道半径之间的转化关系可以近似表示为：

(2)

式中：ρ2横向弛豫率；V为孔隙体积；S为孔隙表面积；r为孔隙半径；Fs为孔喉形状因子，管状取2，球状取3。若取n=1的线性关系时，只需要求出ρ2即可将T2转化为孔喉半径值。前人根据分型维数原理得出越小的孔喉形状及表面状态更稳定且接近管状的结论[9]，选择恒速压汞喉道分布峰值处对应的V/S与T2值代入公式(1)，计算ρ2(图6)。N2吸附与高压压汞实验均可用来计算比表面积(S/V)，两种测试手段适用范围常以半径10 nm或50 nm为分界[22-23]，小于此值利用N2吸附，大于则利用高压压汞，高压压汞满足本次计算要求，计算公式(推导过程见文献[24]为 ：

(3)

式中：p为进汞压力；σ为表面张力；θ为润湿接触角。

利用弛豫率ρ2计算所得孔径分布为假设孔隙与喉道均为管状时的分布特征。为了区分喉道和孔隙，用核磁共振所得管状孔隙喉道分布曲线与除以连通比的恒速压汞喉道分布曲线做差，所得孔径分布看作管状孔隙，将其半径乘以3/2转化为球状孔隙(孔隙半径极大值)，这样得到全部孔喉(连通与非连通)的分布，再将孔径分布乘以各区间孔喉连通比，可获得区分孔隙与喉道的连通孔喉分布图。

4 协同表征结果与分析

4.1 孔喉连通性

应用前文所述的方法得到核磁共振喉道分布，统计不同类型喉道控制的孔隙空间的连通比。采用李道品喉道分类标准，结合样品特点，将喉道分为吸附喉(<0.025 μm)、微喉(0.025～0.5 μm)、微细喉(0.5～1.0 μm)、中细喉(1.0～3.5 μm)、粗喉(>3.5 μm)五类，经统计得表3和图7。粗喉在高压压汞中未出现，恒速压汞少量分布，原因是高压压汞将这部分喉道计算为更小喉道控制的孔隙。高压压汞与核磁共振喉道分布中投点密度不同，吻合性不高，故采用高压压汞孔径序列，将核磁共振较为密集的数据点分布合并，所得喉道分布形态相似，2条曲线的分离程度可代表孔喉的连通性(图8a-c)，说明该方法可用于研究孔喉连通性。

图6 孔喉连通性与全孔径分布计算流程示意

样品号连通孔隙体积,总孔隙体积/(cm3·g-1)吸附喉微喉细微喉中细喉连通比/%吸附喉微喉细微喉中细喉总连通比N1150.006 3,0.009 00.028 5,0.030 50.000 80,0.000 9070.093.488.988.1Z910.007 5,0.026 00.011 5,0.014 50.000 10,0.000 1128.979.390.147.0X2090.007 9,0.013 00.024 0,0.034 00.000 13,0.000 1860.870.672.266.2Z1170.012 0,0.022 00.028 3,0.035 80.009 60,0.013 000.000 79,0.000 154.679.174.079.071.9Z1440.008 5,0.015 30.012 0,0.014 20.008 49,0.011 600.000 25,0.000 355.6 84.5 73.1 83.3 70.6

图7 鄂尔多斯盆地合水地区 特低渗砂岩储层样品孔喉连通比分布

样品Z117孔隙度明显高于其他样品，但连通比(71.9%)小于N115(88.1%)，与X209(66.2%)、Z144(70.6%)相近(表3)，说明孔喉连通性与样品孔隙度没有明显联系。吸附喉道对应的空间连通比最低，微喉、微细喉、中细喉连通比均较高，但没有明显的递增现象(图7)。说明吸附喉道十分细小，微弱的减孔成岩作用就可能使其堵塞形成盲端，但这部分喉道控制的孔隙很少，故其连通比与其他喉道差值并不大(除Z91外)，平均为25.7%。Z91吸附喉连通比仅为28.9%，结合恒速压汞进汞曲线特征，认为该样品吸附喉道仍控制一部分孔隙空间，故连通比明显低于其他样品。说明孔喉连通比与喉道本身连通性和其控制的孔隙空间大小均相关。

4.2 全孔径孔隙结构

4.2.1 孔径分布特征

核磁共振弛豫时间频率分布转化所得孔径分布与恒速压汞所得的准全孔径分布在半径分布范围和体积上存在较大差异(图8d-f)。分布范围差异源于：(1)此时核磁共振孔径分布假设孔隙为管状，导致一部分孔隙半径比实际小；(2)恒速压汞孔径缺少半径小于0.12 μm的喉道信息。孔喉体积差异的原因：(1)恒速压汞仅体现可以进汞的孔隙空间，而核磁共振孔径分布涵盖连通与不连通空间两部分；(2)恒速压汞全孔径分布区分孔隙与喉道，而核磁孔径分布并未区分，孔隙与喉道叠加体积大于恒速压汞的单一喉道体积。

核磁共振与恒速压汞结合，将孔隙半径由管状转化为球状，即核磁共振实验所得孔隙分布极大值。该方法实现了利用核磁共振区分孔隙与喉道的全孔径表征(图8g-i)。孔隙与喉道半径具有重叠部分，结合扫描电镜与铸体薄片观察，认为重叠部分是晶间微孔和溶蚀孔隙。对比图8d、8e、8f恒速压汞准全孔径分布与图8g、8h、8i核磁共振联合恒速压汞表征结果，发现分布范围与体积差异较大。形成分布范围差异的原因是恒速压汞将一次压力下降到压力回升至初始值这一阶段的进汞体积记为单个孔隙体积，若压力多次回升才达到初始值(途经的喉道大于初始值对应的喉道)，这一过程中进汞体积实际包括多个孔隙，导致恒速压汞孔隙半径计算值较大。协同计算避免了这种计算误差，所得孔喉半径明显减小。体积差异由不连通的孔隙和连通但在恒速压汞条件下无法识别的孔隙造成。

将核磁—恒速压汞分布孔隙乘以连通比，可以将全孔径分布转化为连通全孔径分布即有效的孔隙与喉道分布(图8j-l)，缩减了上一段中提到的体积差异。从图8j、8k、8l显示恒速与核磁拼接处孔隙体积仍存在差异，两种方法所得总孔隙体积并不相等，差值在0.004～0.0136 cm3/g不等(表4)。这是由于连通比由核磁共振与高压压汞联合计算而得，而高压压汞与恒速压汞进汞能力不同。N115、Z91、X209、Z117、Z144样品T2转化所得孔隙半径(为了便于对比取与恒速压汞相同进汞体积的部分)范围分别为0.8～16.1，1.5～52.2，0.9～27.6，1.9～91.4，2.1～77.7 μm，喉道半径范围分别为0.004～0.347，0.005～0.298，0.003～0.282，0.005～3.661，0.003～2.307 μm(表4)。各样品孔隙峰值体积介于0.001～0.0015 cm3/g，从峰值到最大半径孔隙体积逐渐减小 (图8j-l)。说明各样品1～15 μm的较小孔隙较多且总体积差别不大，孔隙差异取决于半径较大的残余粒间孔与溶蚀孔的分布特征。

图8 鄂尔多斯盆地合水地区特低渗砂岩储层样品协同表征结果

4.2.2 孔喉比特征

前人研究认为孔喉比是影响渗流特征的关键因素[4,23]，本次实验根据连通的孔隙喉道分布特征计算孔喉比。5块样品之间的孔喉比均值相对大小没有变化，从大到小依次为Z91、X209、N115、Z144、Z117。各样品孔喉比较恒速压汞结果明显减小，均值介于9.3～58.6(表4)，且样品间差异减小。孔喉比受孔隙与喉道半径两方面影响，不仅仅取决于喉道大小。2块长8样品(Z117、Z144)残余粒间孔含量高，黏土矿物以绿泥石薄膜为主，孔喉比较小，均值介于9.3～10.5(表4)。说明早期形成的绿泥石薄膜减弱了机械压实的减孔作用，孔隙喉道等比减小，后期黏土矿物胶结对孔喉比影响不大。3块长6样品受强烈的压实作用，粒间孔含量较少，黏土矿物与碳酸盐矿物以胶结物形式出现，充填喉道空间，形成较多管束状微喉或阻塞喉道，造成较大的孔喉比，均值介于16.4～58.6(表4)。

5 结论

(1)本次实验5块样品可见残余粒间孔、溶蚀孔、晶间微孔及微裂缝四类孔隙，片状、弯片状、缩径状、管束状四类喉道。高压压汞实验显示样品门槛压力介于0.46～1.81MPa，孔喉分布成双峰态，较大的喉道对渗透率贡献大。恒速压汞总进汞饱和度为37.9%～58.5%，样品孔隙半径相似，差异体现在喉道上，孔喉比大(均值186～697)。核磁共振三孔隙度法显示中小型孔隙为主要储渗空间。

表4 鄂尔多斯盆地合水地区特低渗砂岩储层样品协同表征参数

(2)结合高压压汞与核磁共振可计算孔喉连通比。连通性与孔隙度无关，与喉道本身连通性与其控制的孔隙空间大小相关；吸附喉易阻塞，对应的孔喉连通比最低，微喉、微细喉、中细喉连通比较大。

(3)结合恒速压汞与核磁共振方法相比于恒速压汞所得孔隙喉道的分布，具有喉道分布范围变大，孔隙半径减小且各样品半径分布范围差别明显，孔隙体积增大，孔喉比减小的特点。孔隙差异取决于半径较大的残余粒间孔与溶蚀孔的发育情况。孔喉比的大小受压实、胶结、溶蚀等成岩作用共同影响。协同计算结果区分了孔隙与喉道，扩充了较小的喉道半径，矫正了恒速压汞计算误差，同时可进行样品间对比，一定程度上克服了单一实验的局限性。