鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层微观孔喉特征差异及其成因

高 辉,朱耿博仑,王泫懿,史 华,王明磊,何梦卿,窦亮彬,王 琛

(1.西安石油大学 石油工程学院,陕西 西安 710065; 2.西安石油大学 西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心,陕西 西安 710065; 3.中国石油 长庆油田分公司 油气工艺研究院,陕西 西安 710018; 4.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 710018; 5.中国石油 勘探开发研究院,北京 100083)

微观孔喉类型及分布特征制约着致密砂岩储层品质和开发效果,由于受沉积与成岩作用的改造程度不同,不同地区的致密砂岩储层,微观孔喉参数存在明显差异,即使渗透率级别相同,其孔喉参数和分布规律也可能表现出不同特征[1-3]。目前,储层孔喉结构的研究方法和手段主要包括常用的扫描电镜、场发射扫描电镜、环境扫描电镜、铸体薄片、X衍射、图像孔隙、压汞和先进的核磁共振、恒速压汞及CT扫描技术[1,4-12]。孔喉结构的差异成因研究则主要集中于孔隙成因探讨,研究方法以实验测试获取的数据为基础,将孔隙类型与沉积环境、构造演化史、成岩作用结合起来,阐述不同因素对孔隙的影响[13-18]。虽然,目前国内外学者从不同的角度在孔隙结构和孔隙成因分析方面做了大量研究工作,但对喉道成因方面的研究较少,取得的研究成果有限。事实上,如果不考虑微裂缝,储层的孔喉结构是孔隙、喉道共同组成的网络空间,喉道控制储层渗流能力,制约开发效果。不同地区由于喉道的成因差异,储层物性(尤其是渗透率)和开发效果明显不同。基于此,笔者选取鄂尔多斯盆地西南物源控制下的合水地区延长组长8储层和东北物源控制下的薛岔地区延长组长6储层,通过53口井的228张铸体薄片、417张电镜扫描和28块样品的恒速压汞测试结果分析,对比了孔隙、喉道类型及其特征参数差异,揭示了主要形成原因。以期为不同沉积和成岩作用改造下的致密砂岩储层优质目标区优选和合理开发方式选择提供参考依据。

1 地质概况

合水地区构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的西南部(图1),主力开发层系之一的延长组长8储层受西南物源控制,发育一套辫状河三角洲前缘亚相沉积[19],平均埋深为1 794.21 m,平均砂体厚度为34.41 m,岩性以长石岩屑砂岩为主。而吴起油田薛岔地区构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的中西部(图1),延长组长6储层为主力含油层系之一,受东北物源控制,发育一套曲流河三角洲前缘亚相沉积[20],平均埋深为1 870.17 m,平均砂体厚度为36.16 m,岩性以长石砂岩为主。两个研究区物源和沉积作用造成的岩石组构和成分差异,决定着后续成岩作用对孔隙、喉道的改造程度,进而影响孔喉参数和储层物性。根据136块样品的测试结果,合水地区长8储层孔隙度分布区间为6.40%～17.20%,平均为12.21%;渗透率分布区间为0.11×10-3～6.40×10-3μm2,平均为1.06×10-3μm2。薛岔地区长6储层的80块样品物性测试结果表明,孔隙度分布于4.11%～15.30%,平均为9.85%;渗透率分布于0.01×10-3～3.01×10-3μm2,平均为0.47×10-3μm2。

图1 鄂尔多斯盆地合水地区延长组长8储层与薛岔地区延长组长6储层位置Fig.1 Location of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basin

2 孔隙与喉道类型差异

2.1 孔隙类型差异

根据117张铸体薄片镜下统计(表1),合水地区长8储层的孔隙类型包括粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔、一定量的晶间孔和少量基质微孔,面孔率为3.62%,粒间孔含量最高,占总孔隙含量的54.14%。薛岔地区长6储层111张铸体薄片统计表明(表1),孔隙类型主要为粒间孔、长石溶孔和岩屑溶孔,粒间孔相对含量达到72.52%,面孔率为2.62%。对比可知,两个研究区的主要孔隙类型相似,合水地区长8储层晶间孔和基质微孔发育,而且其溶蚀孔绝对含量也高于薛岔地区长6储层,孔隙类型更加丰富、面孔率大。

2.2 喉道类型差异

沉积作用为储集层形成提供物质基础,而成岩作用则决定沉积后储集空间和渗流通道的复杂变化。参考罗蛰潭、王允诚对我国砂岩喉道类型的分类方案,考虑两个研究区的主要喉道类型,基于成岩作用对喉道的改造程度差异,笔者结合铸体薄片和扫描电镜镜下观察,对两个研究区喉道类型进行了重新定义,主要有弱压实成因缩颈状喉道、压实成因片状和弯片状喉道、溶蚀成因管束状喉道以及粘土胶结成因管束状喉道(图2)。喉道是孔隙的相对狭窄部分,当颗粒之间点接触时,粒间孔越发育,弱压实成因缩颈状喉道出现的可能性越大,其特点是孔隙大,喉道较粗,喉道直径一般大于4 μm(图2a,f)。较强的压实作用下岩石颗粒由点接触逐渐变为线接触,形成压实成因片状和弯片状喉道,导致孔隙和喉道尺寸明显减小,喉道直径多介于2～4 μm(图2b,e)。而溶蚀成因、粘土胶结成因管束状喉道多出现于蜂窝状溶蚀孔和晶间孔发育区,其特点是孔隙、喉道均更加细小,喉道直径基本小于2 μm(图2c,d,g,h)。统计对比表明,合水地区长8储层的弱压实成因缩颈状喉道和溶蚀成因、粘土胶结管束状喉道含量要高于薛岔地区长6储层,但前者压实成因片状、弯片状喉道含量要小于后者,而喉道类型差异也造成了两个研究区的喉道特征参数及其分布规律明显不同。

表1 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层和薛岔地区长6储层孔隙绝对含量对比Table 1 Comparison of pore absolute contents of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层主要孔隙喉道类型Fig.2 Main pore throat types of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basina.庄27井，埋深1 873.16 m,粒间孔和长石溶孔,弱压成因实缩颈状喉道;b.庄162井，埋深1 852.26 m,粒间孔和长石溶孔,压实成因片状、弯片状喉道;c.庄145井，埋深1 722.26 m,长石溶孔,溶蚀成因管束状喉道;d.庄172井，埋深1 832.6 m,晶间孔,粘土胶结成因管束状喉道;e.薛13井，埋深1875.89 m,粒间孔,压实成因片状、弯片状喉道;f.薛39井，埋深1 884.57 m,粒间孔,压实成因片状、弯片状喉道和弱压实成因缩颈状喉 道;g.薛35井，埋深1 889.06 m,长石溶孔,溶蚀成因管束状喉道;h.薛35井，埋深1 889.06 m,晶间孔,粘土胶结成因管束状喉道

3 孔喉特征差异

高压压汞和恒速压汞是目前获取孔喉参数的主要手段,两种技术的区别是后者能够获取更为精确的孔隙和喉道参数,更能反映致密砂岩的孔喉变化特征[21-22]。基于恒速压汞的技术优势,笔者在充分了解研究区地质背景、沉积微相类型、成岩作用、物性、岩性、电性和含油性变化,以及大量高压压汞数据分析的基础上,选取两个研究区的28块样品进行了恒速压汞测试(表2),实验在中国石油勘探开发研究院廊坊分院完成,设备为美国Coretest Systems公司生产的ASPE-730型恒速压汞仪。为便于比较,按照渗透率(K)大小分成4组,其中A组:K>2.0×10-3μm2,B组:1.0×10-3μm2

3.1 孔隙参数差异

恒速压汞测试结果表明,合水地区长8储层14块样品的孔隙半径主要分布在80～300 μm,孔隙半径平均值介于135.56～169.82 μm。薛岔地区长6储层14块样品的孔隙半径分布范围为90～280 μm,孔隙半径平均值介于147.86～155.35 μm。对比可知,两个区块孔隙半径主要分布范围、平均孔隙半径差异小,合水地区长8储层的孔隙分布范围更宽,与该地区粒间孔含量高有关,这些大孔隙会导致较大孔喉比。相同渗透率级别的样品对比发现(图3),孔隙半径分布范围基本一致,孔隙半径峰值也基本相同,区别在于孔隙半径峰值含量略有差异,这一特征主要与孔隙度大小有关,即孔隙度越大,峰值含量越高,反应峰值孔隙分布越多。四组样品中除了B组,A，C，D组中合水地区长8储层的孔隙度均高于薛岔地区长6储层,孔隙半径峰值含量也高于后者。

表2 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层恒速压汞实验样品信息Table 2 Sample statistics of constant speed mercury injection test of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basin

3.2 喉道参数差异

已有研究表明[21-23],喉道参数与孔隙度之间基本无相关性,故笔者仅对比两个区块渗透率与喉道参数的相关性。图4表明平均喉道半径、主流喉道半径与渗透率之间表现出了良好的正相关关系(相关系数均大于0.9),相对而言,主流喉道半径的相关性更好,说明主流喉道参数更能反应样品渗透率的变化,该参数在储层评价中应该予以充分考虑。相同渗透率条件下,合水地区长8储层的平均喉道和主流喉道要大于薛岔地区长6储层。不同渗透率级别样品的喉道半径对比可知(图5),A，B，C和D四组代表性样品的喉道分布范围随着渗透率的减小而变窄。合水地区长8储层4块样品的喉道分布范围分别为0.2～9.0，0.2～4.9，0.2～3.1和0.2～0.9 μm；薛岔地区长6储层4块样品的喉道分布范围依次是:0.2～3.0，0.2～2.5，0.2～1.8和0.2～0.8 μm。相同渗透率级别样品,合水地区长8储层样品的喉道半径分布范围明显要宽于薛岔地区长6储层。反应前者的大喉道更为发育,这与合水地区长8储层的弱压实成因缩颈状喉道含量更高有关。但这一差距会随着渗透率的减小而缩小,因为随着渗透率减小,两个研究区的溶蚀成因和粘土胶结成因管束状喉道所占比例增大。合水地区长8储层的喉道半径峰值总是趋向于小喉道一侧,而薛岔地区长6储层的喉道半径分布更为均匀,这说明前者的喉道差异更大。前已述及,合水地区长8储层较粗的弱压实成因缩颈状喉道和细小的溶蚀成因、粘土胶结成因管束状喉道更为发育,导致喉道的尺寸差异增大,非均质性增强。薛岔地区长6储层的压实成因片状、弯片状喉道更为发育,虽然喉道尺寸较小,但分布集中,非均质性较弱。

图3 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层不同组样品孔隙大小分布Fig.3 Pore size distribution of different group samples from Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basina.A组代表性样品;b.B组代表性样品;c.C组代表性样品;d.D组代表性样品

图4 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层和薛岔地区长6储层喉道参数与渗透率相关性Fig.4 Correlation between throat parameter and permeability of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basina.平均喉道半径与渗透率关系;b.主流喉道半径与渗透率关系

图5 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层不同组样品喉道分布大小Fig.5 Throat size distribution of different group samples from Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basina.A组代表性样品;b.B组代表性样品;c.C组代表性样品;d.D组代表性样品

3.3 喉道对渗透率的贡献差异

依靠不同渗透率级别样品对比可知(图6),对渗透率起贡献的喉道并非某一个,而是某一尺寸范围内的喉道群落,随着渗透率增大,对渗透率起主要贡献的喉道半径总是向高值区移动,说明渗透率主要由含量较少的较大喉道来贡献。相同渗透率级别样品对比发现,渗透率越大,合水地区长8储层喉道对渗透率的相对贡献正态分布特征越不明显,而是呈齿状波动变化,表明含量低、较粗的弱压实成因缩颈状喉道对渗透的贡献较大。而薛岔地区长6储层喉道对渗透率的相对贡献主要表现为正态分布,对渗透率起主要贡献的喉道分布范围较小,这与压实成因片状、弯片状喉道含量高有关。由此可见,喉道对渗透率的主要贡献既取决于喉道尺寸,还取决于某一尺寸下喉道的含量;只有当某一尺寸的喉道含量较大时,对渗透率的相对贡献才会增大。

为了定量对比上述差异,表3给出了代表性样品不同尺寸喉道对渗透率的累积贡献。A组和B组样品,薛岔地区小于2.5 μm的喉道对渗透率累计贡献均为100%,而合水地区分别为22.06%和28.98%,大于2.0 μm的喉道对渗透累计贡献达到了77.94%、71.02%。C组样品,薛岔地区小于2.0 μm的喉道对渗透累计贡献为100%,而合水地区为55.37%,大于2.0 μm的喉道贡献了44.36%。D组样品,两个研究区的特征差异较小。这一现象表明,渗透率越小,两个区块喉道对渗透率的贡献差异越小,因为不同样品之间的喉道大小及其分布差异越小;渗透率越大,合水地区长8储层样品大喉道对渗透率的贡献越明显。

3.4 孔喉比参数差异

孔喉比即为孔隙、喉道半径的比值,该值是衡量孔隙、喉道差异的重要指标,也是油藏注水开发过程中驱替类型的决定性参数。根据28块恒速压汞测试结果,平均孔喉比与孔隙度之间没有相关性,与渗透率之间表现出了较好的相关关系(图7)。随着渗透率增加,平均孔喉比减小,合水地区长8储层的相关性要差于薛岔地区长6储层。对比可知,相同渗透率条件下,前者的平均孔喉比要大于后者,而且渗透率越大,这一特征表现的越明显。相同渗透率条件下,合水地区长8储层的孔喉比分布范围宽,基本在50～1 000,而薛岔地区长6储层的孔喉比分布范围主要介于80～600(图8)。对比还发现,相同孔喉比下,合水地区长8储层的含量也要高于薛岔地区长6储层。结合上述分析,两个研究区孔隙尺寸差异小,孔喉差异主要体现在喉道上,合水地区长8储层更为发育的弱压实成因缩颈状喉道和溶蚀成因、粘土胶结成因管束状喉道是孔喉比分布范围宽,小孔喉比和大孔喉比含量均高于薛岔地区长6储层的主要原因。

图6 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层不同组样品喉道大小对渗透率的贡献Fig.6 Contribution of size throat to permeability for different group samples from Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basina.A组代表性样品;b.B组代表性样品;c.C组代表性样品;d.D组代表性样品

表3 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层喉道大小对渗透率贡献对比Table 3 Contribution comparison of throat size to permeability of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region

4 微观孔喉特征的差异成因

4.1 沉积作用的影响

合水地区长8储层位于泾川-庆阳辫状河三角洲前端,物源来自西南,发育一套辫状河三角洲前缘亚相沉积[24]。薛岔地区长6储层处于吴起三角洲砂体的前端,为东北物源控制,主要发育曲流河三角洲前缘亚相沉积[25]。辫状河的水动力要强于曲流河,搬运过程中的岩石颗粒更粗。根据薄片粒度图像测试(表4),两个研究区砂岩颗粒以细砂为主,但合水地区长8储层的中砂和粗砂含量要高于薛岔地区长6储层。加之两个研究区均处三角洲前缘前端,经过长距离搬运,岩石颗粒的磨圆与分选都比较好。根据空间几何理论,相同体积内粒度较大的岩石颗粒相互接触的范围小,构成的孔隙空间更大,所以合水地区长8储层的粒间孔发育程度更高,粒间孔发育区岩石颗粒多为点接触,弱压实成因缩颈状喉道出现的几率更大。另外,根据不同沉积微相的孔隙喉道类型统计,水下分流河道中的粒间孔和弱压实成因缩颈状喉道更为发育,其次为河口坝与河道侧翼。

图7 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层和薛岔地区长6储层平均孔喉比与物性的相关性Fig.7 Correlation between average pore-throat ratio and physical property of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basina.平均孔喉比与孔隙度关系;b.平均孔喉比渗透率的关系

图8 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层不同组样品孔喉比分布Fig.8 Pore-throat ratio distribution of different group samples from Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basina.A组代表性样品;b.B组代表性样品;c.C组代表性样品;d.D组代表性样品

表4 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层粒级分布对比Table 4 Comparison of grain size distribution of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basin

注：Φ为粒度Φ值。

根据铸体薄片镜下统计,合水地区长8储层岩性主要为浅灰色、灰色以及灰褐色细-中粒长石岩屑砂岩(图9)。石英平均含量为24.4%;长石平均含量为21.7%;岩屑平均含量为28.5%。薛岔地区长6储层岩性以细-中粒长石砂岩为主(图9),石英平均含量为19.3%,长石平均含量为52.2%,岩屑含量平均为6.5%。对比可知合水地区长8储层的石英、岩屑含量高于薛岔地区长6储层,长石含量远小于后者。石英的抗压实能力最强,长石次之,岩屑的抗压实能力最弱。此外,两个研究区岩屑类型相同,均以火成岩屑、变质岩屑为主,含少量的沉积岩屑,但合水地区长8储层各类岩屑的含量均高于薛岔地区长6储层。碎屑组分差异为两个地区不同类型孔隙、喉道的发育提供了物质基础。合水地区长8储层更为发育的粒间孔、溶蚀孔和弱压实成因缩颈状喉道、溶蚀成因管束状喉道与较高的石英和岩屑含量有关。

图9 鄂尔多斯盆地合水地区长8储层与薛岔地区长6储层的砂岩分类Fig.9 Sandstone classification of Chang 8 reservoir in Heshui region and Chang 6 reservoir in Xuecha region,Ordos Basin

填隙物含量及其成因不同也会对孔隙喉道产生影响,合水长8储层的填隙物含量为19.7%,绿泥石平均含量最高(5.6%),其次为铁方解石(4.9%)、硅质(2.4%)、网状粘土(2.1%)、高岭石(1.9%)、水云母(1%)、铁白云石(1%)、重晶石(0.6%)和长石质(0.2%)。薛岔地区长6储层的填隙物含量为15.5%,铁方解石含量最高(9.20%),其次为水云母(1.9%)、硅质(1.8%)、长石质(1.1%)、铁白云石(1.0%)和绿泥石(0.5%)。对比可知,合水地区长8储层的填隙物含量要高于薛岔地区长6储层,但前者的绿泥石含量高,且含有一定量的高岭石,而后者的铁方解石含量高。绿泥石在研究区常以孔隙衬边的形式出现,绿泥石衬边具有良好的抗压实能力,既阻止了石英次生加大充填粒间孔隙,起到保护粒间孔的作用[24,26],也增加了弱压实成因缩颈状喉道出现的几率,而高岭石可以产生一定量的晶间孔,为粘土胶结管束状喉道出现提供了基础。铁方解石是晚期胶结作用的产物,在溶蚀孔形成之后出现,主要以充填孔隙形式存在,造成岩石固结,孔隙、喉道封闭。

4.2 成岩作用的影响

成岩作用对孔喉参数的影响主要体现在压实程度、胶结程度和溶蚀程度3个方面,笔者参考Beard填集实验得到的砂质沉积物孔隙度与组构参数关系进行初始孔隙度恢复[26-27],合水地区长8储层初始孔隙度为34.70%,薛岔地区长6储层为33.54%。利用压实过程中孔隙度损失方法计算压实作用孔隙度减小程度,两个研究区孔隙度损失量分别为11.62%(合水)、13.84%(薛岔),早期、晚期胶结过程中损失的孔隙度合计分别为15.75%(合水)和12.60%(薛岔),溶蚀作用对孔隙度的增加程度分别为3.84%(合水)和2.67%(薛岔)。对比可知,成岩作用类型和强度差异也是造成两个研究区孔隙、喉道类型不同的原因之一。合水地区长8储层的压实程度更弱,粒间孔更为发育、弱压实缩颈状喉道含量更高,也为后期有机酸的选择性溶蚀,溶蚀成因管束状喉道发育提供了条件;而高岭石粘土矿物胶结成岩作用是高岭石晶间孔和胶结成因管束状喉道发育的主要原因。薛岔地区长6储层压实程度更强,粒间孔发育程度略差,压实成因片状和弯片状喉道含量更高,溶蚀孔和溶蚀成因管束状喉道形成后,部分被后期含铁碳酸盐胶结物封堵,导致发育程度变差。

5 结论

1) 两个研究区的孔隙与喉道类型不同,孔喉参数也表现出不同特征。合水地区长8储层的粒间孔、岩屑溶孔和高岭石晶间孔更为发育,弱压实成因缩颈状喉道、溶蚀成因和粘土胶结成因管束状喉道含量更高,在孔喉分布曲线上表现为大孔隙、大喉道和小喉道含量高、喉道差异大、孔喉比大。而薛岔地区长6储层由于压实成因片状、弯片状喉道更为发育,而管束状和缩颈状喉道发育程度较差,故表现为孔隙分布集中、喉道差异较小、孔喉比较小。

2) 两个研究区的孔隙、喉道类型及其孔喉参数差异主要受沉积和成岩作用的共同影响。合水地区长8储层沉积时水动力更强、石英和岩屑组分含量更高,压实程度更弱,为粒间孔、溶蚀孔、高岭石晶间孔和弱压实缩颈状喉道、溶蚀成因和胶结成因管束状喉道发育提供了条件。薛岔地区长6储层的孔隙类型较少、发育程度较差,压实成因片状、弯片状喉道含量高则主要与更弱的水动力沉积条件、更低的石英含量,更强的压实程度和更高的铁方解石胶结物有关。