特低渗—致密砂岩孔喉结构特征、演化及其对物性的控制——以松辽盆地北部下白垩统为例

张飞飞

( 大庆油田有限责任公司 第十采油厂，黑龙江 大庆 163517 )

0 引言

松辽盆地是我国勘探程度最高的大型含油气盆地,其勘探重心已转移至中深层的特低渗—致密砂岩油气资源[1-3]。根据储层分类方案[4-7]，特低渗砂岩通常指空气渗透率介于(1～10)×10-3μm2的储层，低于1×10-3μm2的通常划分为致密砂岩。在松辽盆地北部，特低渗—致密砂岩油气储层按沉积成因可划分为两类：一类是形成于三角洲外前缘沉积，水动力弱、粒度细、储层薄、泥质含量高，以齐家—古龙凹陷白垩统高台子油藏为代表[8-9]；另一类是形成于强水动力(曲流河、辫状河和扇三角洲分流河道等)环境[2,10]，储层砂体粒度大、抗压实能力强、埋深较大，在下白垩统各层系中发育，如朝阳沟阶地和三肇凹陷的扶杨油层、徐家围子断陷登娄库组和沙河子组的致密气藏[11-15]。

人们对松辽盆地下白垩统各层系的特低渗—致密砂岩进行研究[2,8-15]，涉及微观表征、成岩作用及储层成因等方面，普遍认为该类储层的孔喉窄小、连通关系复杂、油气可动性差[13,15]；砂岩储层的致密化是压实作用、胶结作用和原始沉积条件三者相互耦合的结果[16-17]，压实和胶结作用是具体“执行者”，主导储层的致密化，原始沉积条件(沉积物组分、粒度、分选、杂基含量等)是“协调者”，影响“执行者”对储层孔喉结构的破坏。研究主要聚焦某一套层系的横向对比[10,13,17]，缺乏纵向对比，难以揭示特低渗—致密储层成因及演化。单套层系的纵向对比代表样品经历相似埋深和热演化过程，样品间致密化的差异主要受原始沉积条件控制(不同微相砂岩可能选择不同的成岩演化路径)，利用回剥法等，可间接回推不同类型致密砂岩的孔隙演化[18]；多套层系的纵向对比优选不同埋深和热演化程度的样品，揭示砂岩致密化过程中物性演化，还能刻画孔喉结构的演化特征及其对物性参数的影响等。分析下白垩统特低渗—致密砂岩的微观孔喉结构特征及演化，可以指导储层的分级及甜点优选[10]，也可以加深对致密砂岩储层成因机制的认识。

多种实验方法应用于揭示致密砂岩储层的微观孔隙结构，如扫描电镜(SEM)、微米CT、低温气体吸附和压汞等方法[19]。以SEM为代表的图像分析法，难以获取岩石孔喉组合关系的定量信息；以微米CT为代表的图像重构法，可得到孔隙网络的三维分布，刻画孔喉连通关系，但分析结果受图像分辨率与样品尺寸(代表性)间关系制约；以低温气体吸附和压汞法为代表的流体侵入法，根据流体在样品中的进入过程或状态测量，刻画孔隙或孔喉的大小分布[20]，是定量评价致密砂岩储层微观孔隙结构的常用方法。低温气体吸附法主要测量微孔(半径小于2 nm)和介孔(半径为2～50 nm)的分布[20]，不适用于特低渗—致密砂岩储层；高压压汞法可刻画半径大于6 nm的孔喉分布[21]，但无法区分储集空间中的孔隙体及喉道；恒速压汞法根据压力跳跃可分别表征孔隙体和喉道的大小分布，在评价孔喉组合关系方面优势突出[20]，尽管它无法揭示半径小于0.12 μm的喉道及其连通的孔隙体，但这部分在特低渗—致密砂岩中含量低、可动性差。笔者利用恒速压汞实验表征微观孔喉结构及演化，研究特低渗—致密砂岩储层微观孔隙结构特征及其对宏观物性的影响，为认识该类储层形成机理提供依据。

1 样品特征

松辽盆地北部具有“下断中坳上拱”的三元结构，呈现下部多层系含气、中浅层满凹含油特征[2,13]。下白垩统各层系普遍发育特低渗—致密砂岩油气，是大庆油田增储上产的重要领域，以下部沙河子组和登娄库组的致密砂岩气藏(徐家围子断陷)[2,15]，以及上部泉头组四段和三段的特低渗砂岩油藏(朝阳沟阶地、三肇凹陷等)[13-14]为代表。自下而上，下白垩统地层可划分为盆地断陷期(沙河子组—营城组)、断坳转换期(登娄库组—泉头组一二段)和坳陷初期(泉头组三四段)3个构造阶段，经历由扇三角洲—辫状河三角洲、辫状河—曲流河及河流—三角洲的沉积演化[2]，沉积物粒度整体变细。

为尽可能削弱原始沉积差异对纵向对比的影响，在下白垩统主要含油气层位中选取物性相对好、杂基质量分数低、分选性较好的18块砂岩样品(见表1)，其中样品Q1-Q10选自朝阳沟阶地泉头组四段，为三角洲主体分流河道微相沉积的细—中砂岩，黏土矿物以伊利石和蒙/绿混层为主；样品D5、D7、D18、D20、D24选自徐家围子断陷登娄库组，为曲流河三角洲沉积的中—粗砂岩；其他3块样品(S33、S6、S46)选自徐家围子断陷沙河子组，岩性包括粗砂岩和含砾粗砂岩，主要形成于扇三角洲沉积环境。砂岩样品石英质量分数大于50.0%，整体属于岩屑长石和长石岩屑砂岩类型，杂基质量分数低，自生黏土矿物是主要胶结物类型(见表1)，自上而下高岭石和伊利石质量分数逐渐降低，伊/蒙混层和绿泥石质量分数逐渐增加。

表1 样品岩性、物性特征及黏土质量分数

松辽盆地北部泉头组四段(泉四段)处于中成岩作用A1期，颗粒间以点—线接触为主，早期胶结和溶蚀作用较发育，孔隙类型以残留原生孔为主，其次为溶蚀孔；登娄库组处于中成岩作用A2—B期，孔隙类型以残留粒间孔和溶蚀孔为主，其次为晶间孔；沙河子组样品处于中成岩作用B期和晚成岩时期，颗粒间表现为线—凹凸接触关系，黏土和碳酸盐岩胶结作用强烈，孔隙以溶蚀孔和黏土晶间孔为主，残留原生孔较少[2,14,22]。18块砂岩样品的孔隙度为6.30%～18.89%，渗透率为(0.05～14.82)×10-3μm2，基本涵盖特低渗—致密砂岩的范畴。泉四段样品孔隙度、渗透率最高，属于特低渗砂岩储层，登娄库组和沙河子组样品属于致密砂岩，两者孔隙度分布差异不大，但登娄库组的渗透率明显偏大，揭示致密砂岩较差的孔渗相关关系。

图1 渗透率与孔隙体、喉道总孔隙进汞饱和度间关系Fig.1 The relationship between permeability and final intrusion saturation of pore bodies and throats

2 结果与分析

2.1 恒速压汞曲线特征

恒速压汞实验在ASPE—730型压汞仪上完成，可分别得到孔隙体、喉道和总孔隙进汞饱和度3条进汞曲线[23](见图1)，用于计算孔隙体、喉道和总孔隙进汞饱和度分布。其中喉道、总孔隙进汞饱和度分布由Washburn公式[24]计算得出，孔隙体利用等效球体半径转化[20]。恒速压汞实验测量结果见表2。18块砂岩样品的总进汞饱和度为43.1%～82.9%，其中总孔隙进汞饱和度变化大(7.3%～44.3%)，平均为30.8%，总喉道进汞饱和度的变化较小(32.8%～54.3%)，平均为37.8%。随样品渗透率降低，孔隙进汞饱和度呈减小趋势，喉道进汞饱和度的变化不明显(见图1)。

表2 样品的恒速压汞实验测量参数及渗流阈值分布

注：分界点压力为“大孔—细喉型”孔隙和“树形网络”孔隙之间界线；阈值半径为渗流阈值压力对应的喉道半径

所有样品的恒速压汞实验曲线具有一定相似性(见图2)，低压段，存在明显的孔隙体进汞量和较少的喉道进汞量，总进汞曲线呈平台状，表明该区域发育“大孔—细喉型”孔隙空间；高压段，无明显孔隙体进汞，喉道和总进汞量随压力增大而呈指数规律增加，表明该区域已无孔隙体和喉道区分，储集空间可用“树形网络”孔隙解释[15]。根据压汞曲线特征，将样品划分为3种类型。类型Ⅰ对应特低渗砂岩(样品Q10-Q1)，孔隙体最大进汞量高于喉道的，且低压段的总进汞饱和度几乎与孔隙体重合(见图2)，低压段的总进汞饱和度大于60.0%(见表2)，明显大于高压段的(约20%)，表明储集空间以“大孔—细喉型”孔隙为主。类型Ⅱ对应渗透率较高的致密砂岩(D24和D5)，特征为低压段的孔隙体进汞量高于喉道的，但高压段的孔隙体进汞量低于喉道的(见图1)，低压段的总进汞饱和度为30.0%～42.0%(见表2)，与高压段的基本相当，说明储集空间由“大孔—细喉型”和“树形网络”孔隙共同主导。类型Ⅲ对应渗透率较低的致密砂岩(S33和S6)，特征为孔隙体进汞量在整个压力段小于喉道的(见图1)，总进汞曲线基本由喉道进汞量决定，低压段的进汞饱和度小于20.0%(见表2)，说明储集空间主要为“树形网络”孔隙。

图2 特低渗—致密砂岩典型样品恒速压汞实验曲线特征Fig.2 The intrusion curves of rate-controlled porosimetry of tight sandstones with ultra-low permeabilities

2.2 孔隙和喉道分布

恒速压汞实验测量的喉道和孔隙体分布见图3，由于最大进汞压力为6.22 MPa，图中只显示半径大于0.12 μm的喉道及其连通孔隙体的分布。特低渗砂岩样品喉道半径为0.10～10.00 μm，整体呈非对称单峰状，峰值多大于1.00 μm；致密砂岩样品的喉道分布多呈半单边峰状，峰值多小于1.00 μm(见图3)。所有样品的孔隙体呈明显正态分布，且分布区间较稳定。特低渗砂岩样品的孔隙体分布范围宽，主要为30.00～300.00 μm，且样品间差异小；致密砂岩样品的孔隙体分布范围变窄，集中在100.00～220.00 μm之间，小于100.00 μm的孔隙体基本不发育。整体上，随样品渗透率降低，喉道分布主峰逐渐左移(喉道变小)，而孔隙体分布差异较小，说明喉道大小是决定特低渗—致密砂岩储层渗流能力的关键因素。

所有样品的喉道分布与孔隙体分布区间无重叠(见图3(a))，尤其是随渗透率降低，间距逐渐加大，说明特低渗—致密砂岩样品具有较大的孔喉比。特低渗砂岩样品的孔喉比为50～120，致密砂岩孔喉比通常大于200。孔喉比是反映孔隙流体可动性的关键指标，砂岩孔喉比越小，流体可动性越好；反之，流体可动性变差，在开采过程中容易发生气体卡断或水锁现象[23]。

2.3 孔喉特征演化及主控因素

压实作用持续作用于岩石沉积后成岩的各个时期，以机械压实方式使颗粒间孔隙及接触部位变窄，导致砂岩储层致密化[25]。下白垩统主要含油气层位砂岩样品孔喉结构的垂向变化见图4。与徐家围子断陷相比，朝阳沟阶地在嫩江组—明水组时期发生多次抬升，剥蚀厚度为0.7 km[26]，因此将图4中泉四段砂岩样品的埋深进行补偿(+0.7 km)，代表古埋藏深度。由图 4可知，自上而下，样品的喉道半径逐渐减小，泉四段样品的喉道半径平均为1.33～2.93 μm，登娄库组样品的为0.67～2.20 μm，沙河子组样品的小于1.08 μm。尽管沙河子组和登娄库组样品的粒度较泉四段的粗，砂岩抗压能力强，但随埋深增加，砂岩喉道半径均值呈明显减小趋势，说明压实作用是砂岩储层致密化的主要成因。随埋深增加，样品的“大孔—细喉型”孔隙比例也逐渐降低，由泉四段的65.0%，至登娄库组的35.0%，再至沙河子组的22.6%，说明压实作用大幅破坏“大孔—细喉型”孔隙空间。一方面，由于压实作用导致连接两个孔隙体之间的通道(即喉道)缩小或消失，部分孔隙体变为死孔；另一方面，随埋深增加，温度升高，与黏土转化或溶蚀作用相关的石英胶结发育，充填颗粒间孔隙空间(见图4)。

图3 特低渗—致密砂岩典型样品喉道、孔隙体及孔喉比分布Fig.3 The size distribution of throats, pore bodies and pore-throat ratio of tight sandstones with ultra-low permeabilities

图4 研究区孔喉结构参数随埋深变化规律Fig.4 The variation of pore-throat structure parameters with burial depth in the study area

黏土胶结是砂岩致密化的另一个重要成因，以化学沉淀方式充填孔隙空间，缩小(甚至堵塞)喉道，导致储层渗透率降低[27]。为消除压实作用影响，选取埋深相近(2.7～3.1 km)、岩性相似的6块致密砂岩样品，分析黏土胶结对孔喉结构的影响(见图5)。黏土质量分数(伊利石和绿泥石)与样品的平均喉道半径和“大孔—细喉型”孔隙比例呈明显负相关关系，平均喉道半径由低黏土样品的2.17 μm减小为高黏土样品的0.56 μm，“大孔—细喉型”孔隙比例也由45.0%降低为18.0%。SEM图像显示，致密砂岩样品中发育大量丝状或片状分布伊利石和绿泥石，它们充填粒间孔隙或溶蚀孔隙，导致喉道或粒间孔占比降低。随黏土质量分数增多，黏土相关孔(具有“树形网络”孔隙)逐渐取代粒间孔成为致密砂岩的主要储集空间类型。

图5 研究区黏土质量分数对孔喉结构参数的影响Fig.5 The impacts of clay mass fraction on pore throat structure parameters in the study area

黏土胶结和压实作用缩小喉道、破坏“大孔—细喉型”孔隙空间，共同主导砂岩储层的致密化。在致密化过程中，砂岩储层的喉道半径、充填孔隙比例减小，但孔隙体半径随埋深或黏土质量分数增加没有明显降低趋势：一方面，因为溶蚀作用有效改善致密砂岩的孔隙空间[28]，使形状不规则的单一孔隙体还能保持较大的孔体积；另一方面，石英胶结和绿泥石衬边可分别增加岩石的抗压实能力和抑制胶结成岩作用的发生[27]，部分粒间孔得以有效保存(见图4和图5)。

3 对物性的控制

根据渗流理论[29]，在低进汞压力时，汞只能充填与岩石外表面相连的较大喉道及其沟通的孔隙体，无法进入岩石内部；随压力增加，汞逐渐进入岩石内部并形成相对连续簇，内部较大喉道及其控制的孔隙体才有可能被汞充填。相对连续簇出现时，对应的进汞压力及饱和度，代表岩石中形成连续渗流通道所需的最低压力(阈值压力)及最少充填孔隙比例。渗流阈值压力和充填孔隙比例，可通过进汞饱和度对进汞压力导数的极大值点确定[15]。与特低渗砂岩相比，致密砂岩的渗流阈值压力明显偏大，而达到渗流阈值时充填孔隙比例明显偏低，通常小于30.0%(见表2、图6)。达到渗流阈值时，充填孔隙比例越小，形成连续渗流通道时参与的孔隙空间越少，渗流通道的连续性和稳定性越差，通常因为孔喉局部堵塞而中断，说明致密砂岩储层更易发生水锁等伤害。样品的渗透率整体上与渗流阈值半径(阈值压力对应的喉道半径)呈正相关关系(见图7)，但也受充填孔隙比例控制。具有相似渗流阈值半径的样品，充填孔隙比例越大，渗透率越高，如D24的阈值半径大于Q1的，但Q1的充填孔隙比例明显偏高，对应较高的渗透率(见图7)。

图6 研究区致密砂岩样品渗流阈值确定Fig.6 The calculation of percolation threshold of tight sandstones in the study area

明确不同类型孔隙空间对渗透率和孔隙度的贡献，是认识微观孔隙结构对物性影响的基础。假定孔隙空间由一系列平行管束状孔组成，根据Purcell方程[30]可计算单一孔喉对渗透率的贡献，结合渗流阈值(高于渗流阈值压力的喉道对渗透率有贡献)和进汞曲线(确定“大孔—细喉型”孔隙的分布范围)，可得到“大孔—细喉型”孔隙对渗透率的贡献(见图8)。对于特低渗砂岩，“大孔—细喉型”孔隙比例大于60.0%，对渗透率的贡献量总体上大于90%，表明“大孔—细喉型”孔隙空间对岩石的储集和渗流能力起决定性作用。对于致密砂岩，随渗透率降低，“大孔—细喉型”孔隙对孔隙度和渗透率的贡献快速降低；当渗透率小于0.25 ×10-3μm2时，对渗透率的贡献量小于50%，对孔隙度的贡献量小于40%，说明“大孔—细喉型”孔隙对致密砂岩的储集空间和渗流通道不起决定性作用，“树形网络”孔隙(黏土相关孔)的影响更大。

图7 研究区渗透率与渗流阈值半径、充填孔隙比例关系

Fig.7 The relationship between permeability and percolation threshold radius and the ratio of pores filled by mercury in the study area

图8 研究区“大孔—细喉型”孔隙空间对孔隙度和渗透率贡献量的关系Fig.8 The relationship between contributions of pores with "large pores connected with narrow throats" to porosity and permeability in the study area

由特低渗砂岩过渡为致密砂岩，孔隙度和渗透率间相关关系明显减弱，通常出现高孔隙度样品对应较低渗透率，主要与孔隙结构演化的成因密切相关。对于特低渗砂岩，孔隙度、渗透率主要由“大孔—细喉型”孔隙空间控制(见图8)，压实作用起主导，在降低喉道半径的同时，也缩小孔隙体的体积[31]，因此物性间保持较好正相关关系；当渗透率继续降低而进入致密砂岩范围时，“树形网络”孔隙对储集空间和渗流能力的贡献逐渐增强，并最终取代“大孔—细喉型”孔隙网络(见图8)。“树形网络”孔隙的相对发育伴随砂岩致密化进程，一是由于压实或黏土胶结作用导致喉道变小或堵塞，部分“大孔—细喉型”孔隙空间失效；二是黏土胶结导致大量粒间孔或溶蚀孔被充填，形成丰富的黏土相关孔[31]，“树形网络”孔隙比例增多[15]。对于致密砂岩，“树形网络”孔隙比例增多必然导致喉道减小，渗流通道迂回度增大，渗透率降低，但孔隙度降低幅度有限；因为黏土矿物间发育大量纳米级孔隙，同时黏土胶结(伊利石)通常与长石溶蚀有关[28]，溶蚀作用也增加孔隙空间。

4 结论

(1)基于恒速压汞进汞特征，将松辽盆地北部下白垩统特低渗—致密砂岩储集空间划分为低压段的“大孔—细喉型”和高压段的“树形网络”孔隙；由特低渗砂岩到致密砂岩，喉道进汞饱和度变化不明显，但孔隙体进汞饱和度减小，“大孔—细喉型”孔隙比例明显降低。

(2)压实和黏土胶结作用共同控制砂岩储层致密化过程中孔隙结构的变化，分别以机械压实、化学沉淀方式缩小储层的喉道半径，破坏“大孔—细喉型”孔隙空间，但对孔隙体分布的影响较弱。

(3)特低渗砂岩储层的储集及渗流能力主要由“大孔—细喉型”孔隙空间贡献，压实作用起主导，孔渗相关关系较好；随渗透率降低，致密砂岩的储集及渗流能力主要由“树形网络”孔隙贡献，压实和黏土胶结共同主导，导致致密储层的孔渗相关关系变差。