联合高压压汞和核磁共振分类评价致密砂岩储层——以鄂尔多斯盆地临兴区块为例

孔星星 肖佃师 蒋 恕 卢双舫 孙 斌 王璟明

1. 中国石油大学（华东）地球科学与技术学院 2.构造与油气资源教育部重点实验室•中国地质大学（武汉）

0 引言

我国致密砂岩气资源丰富、分布广泛，以鄂尔多斯盆地、四川盆地为典型代表[1-5]，其巨大的资源量、广阔的勘探前景越来越为业界所重视[6-7]。与常规碎屑岩储层相比，致密砂岩普遍经历过强烈压实和胶结（以黏土矿物和碳酸盐岩矿物胶结为主）等破坏性成岩作用，在微观方面导致储层孔隙变小、孔喉连通关系变复杂[8-11]，在宏观上影响气水分布不受构造控制[12-13]。储层品质决定了含气量及压后产能，是致密砂岩储层评价的关键内容。但是，致密砂岩通常孔渗关系较差，存在着孔隙度相近但渗透率差异大、高孔特低渗等情况[14]，沿用常规的储层分类方案难以满足致密砂岩储层分类评价的需要[15-16]。

致密砂岩储层分类评级方法有很多，目前常用方法主要有压汞法[17-18]、核磁共振法[19-21]、图像法[22]等。压汞法主要依据压汞曲线的形态、进汞参数、孔喉分布等特征，或者结合分形理论进行储层分类[17-18]。压汞法能够很好反映储层的渗流特征及孔喉组合关系，但是受到进汞压力的限制无法全面反映储层孔隙空间，对孔隙孔径分布的刻画也不够全面。核磁共振法主要依据T2谱分布形态，以及弛豫时间的大小进行储层分类，核磁法能够较为全面地反映孔隙分布，但是无法获得储层的渗流能力，同时由于T2谱获得的是样品弛豫时间，要获得样品的孔径分布还需要进行孔径转换[23]。图像法则主要依据镜下照片，提取孔隙孔径分布信息，研究孔隙形态，进行储层分类。图像法能够很好地观察孔隙的类型与形态，但是图像法观察尺度一般较大，无法反映致密储层的微小孔隙特征[22-23]，同时图像法从二维角度刻画储层，无法反映储层的三维孔隙特征及渗流能力。

从致密储层微观结构表征入手，综合多种手段，找出影响储层储集和渗流能力的微观结构参数，才能合理指导致密储层的分类评价[24]。为此，笔者提出高压压汞与核磁共振相结合的储层分类评价方法，能够全面刻画储层的储集空间特征，选取反映有效储集空间和储层渗流能力的特征参数，使储层的分类更加科学和实用；并以鄂尔多斯盆地东缘临兴区块上古生界致密砂岩储层为例，基于核磁共振和高压压汞实验结果，表征致密储层微观孔隙结构，明确影响致密砂岩储集和渗流能力的关键参数，结合现场试气结果，验证分类标准与实际生产的吻合度，以期指导致密砂岩储层分类。

1 地质特征及实验方法

1.1 地质特征

鄂尔多斯盆地东缘临兴区块位于伊陕斜坡和晋西挠摺带，地层平缓、整体呈东高西低、北高南低展布。经过多年勘探，临兴区块已获取多口高产工业气流井，展示了该区具备良好致密气勘探潜力。上古生界地层是该区致密砂岩气的主要产层，自下而上包括上石炭统本溪组（C2b）、下二叠统太原组（P1t）和山西组（P1s）、中二叠统石盒子组（P2sh）和上二叠统石千峰组（P3s），其中山西组和太原组为主要烃源岩，但也发育紧邻烃源岩的致密砂岩气储层；石盒子组和石千峰组是致密气勘探的主要层位，为河流三角洲沉积，岩石类型主要为岩屑砂岩和长石质岩屑砂岩，局部发育岩屑质石英砂岩，岩屑和长石含量高，为该区致密储层溶蚀孔隙发育奠定了物质基础。

临兴区块石盒子组和石千峰组致密砂岩胶结物含量高（平均值为20%），胶结物类型包括黏土矿物和碳酸盐岩矿物，其中黏土矿物胶结物含量介于2%～20%，平均值为15.8%，以伊蒙混层、伊利石和绿泥石为主，黏土矿物对储层孔隙度影响较小，但会极大降低储层渗透率，是致密砂岩孔隙结构复杂、渗透率变差的主要原因之一。石盒子组和石千峰组致密砂岩的孔隙度主要介于4%～10%，超过10%的孔隙度占21%；渗透率主要介于0.1～1.0 mD， 超过1.0 mD的渗透率占23%，总体上孔隙度和渗透率呈弱正相关关系（相关系数为0.54）。纵向上随埋深增加，孔隙度和渗透率呈现先增加、后减小的趋势。

1.2 实验方法

所选致密砂岩样品均来自临兴区块上组合的石千峰组、石盒子组地层，岩性包括含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩和细砂岩，共计275块样品。所有样品均进行薄片鉴定和孔渗测量，考虑孔渗和岩性的差异，选择典型代表性样品（表1）进行高压压汞、核磁共振和场发射扫描电镜测试，以研究致密储层的孔喉结构对储集能力和渗流能力的影响，指导致密储层分类评价。其中压汞实验在Autopore 9250 Ⅱ型压汞仪上完成，实验温度为25 ℃，相对湿度为35%～50%，最大进汞压力为70～300 MPa，对应孔喉半径为10.50～2.45 nm。利用纽迈公司MesoMR23-060H-1型核磁共振分析仪进行核磁共振实验，分别测量样品的饱和水和束缚水状态（离心转速为6 000 r/min）下T2谱，研究致密储层中流体的可动性。两次核磁共振测量均采用相同参数：CPMG脉冲系列、回波间隔0.2 ms、等待时间5 s、扫描次数128次。

表1 典型致密砂岩样品基本信息表

2 致密砂岩储层孔隙结构特征

2.1 孔隙类型

通过场发射扫描电镜和薄片观察，发现该区块致密砂岩主要发育残余粒间孔、粒间溶蚀孔、粒内溶蚀孔以及晶间孔等4类孔隙（图1），微裂缝不发育。残余粒间孔为原生孔隙经过压实、胶结作用后的残留部分，通常与石英次生加大和黏土包裹相伴生；残余粒间孔数量少，分布分散，但孔径大，一般介于20～400 μm，孔隙连通性好，该类孔隙主要发育在分选好、杂基含量低的粗砂岩和中砂岩中（图1-a）。粒间溶孔主要由不稳定组分长石、岩屑和方解石遇酸性流体发生溶蚀而形成[25-26]，多见长石岩屑边缘不均一溶蚀形成的港湾状溶蚀孔；粒间溶孔分布较为集中，孔径较残余粒间孔小，一般介于5～40 μm（图1-b）。粒内溶孔多为长石、酸性喷出岩岩块、方解石等矿物内部选择性溶解形成，分布呈蜂窝状，孔隙连通性较好，但孔径较小，通常小于10 μm（图1-c）。晶间孔主要成因于自生矿物晶体（如石英和黏土矿物）的生长或沉淀[27]，在黏土含量高的岩样中，常见非定向排列的板状绿泥石、丝状或薄片状伊利石完全或部分充填粒间孔和溶蚀孔，形成大量集中分布的黏土晶间孔，孔径多小于1 μm，常与溶蚀孔表现出明显共存关系（图1-d）。不同类型孔隙之间通常具有一定依存性，如残留粒间孔发育样品，通常粒间溶蚀孔也会较发育，晶间孔不发育；而晶间孔相对发育的样品，粒间孔不发育。随着物性变差，残留粒间孔比例逐渐降低，粒内溶蚀孔和晶间孔比例逐渐增大。

2.2 基于压汞法的孔喉分布特征

进汞—退汞曲线反映样品汞注入/退出的进汞量与进汞压力之间的关系，能够揭示孔喉连通关系、孔喉分布等信息[28]。图2-a展示了临兴区块典型致密砂岩样品的压汞曲线特征，整体上进汞曲线呈现“下凹状”和“斜直状”，最大进汞饱和度介于20%～90%，排驱压力介于0.1～4.0 MPa，揭示致密砂岩孔隙结构非均质性强；退汞效率通常低于50%，说明致密砂岩的孔喉连通性差，可能与致密砂岩的孔喉半径小有关。各样品之间压汞曲线差异明显，整体受储层物性的控制，随物性变差（样品LX1到LX5），进汞曲线形态由“下凹状”逐渐过渡为“斜直状”，说明具有大孔—细喉型连通关系的孔隙类型（粒间孔、粒间溶蚀孔）占比逐渐减小，而其他孔隙类型（晶间孔等）占比逐渐增大，这与样品扫描电镜观察结果相吻合；同时，随着物性变差，最大进汞饱和度逐渐减小、排驱压力值逐渐增大，说明汞进入孔隙中的难度加大。样品LX1至LX5，物性逐渐变差，孔喉半径分布逐渐变窄，主峰左移，样品LX1孔渗最好，孔喉半径主要介于1.0～3.0 μm，而样品LX5，孔喉半径均小于0.2 μm（图2-b）。

图1 临兴区块致密砂岩孔隙类型薄片（上）和扫描电镜（下）照片

图2 压汞曲线形态及孔径分布特征图

由此可见，孔喉分布控制着致密砂岩储层物性特征，尤其是渗透率。样品LX1与LX6的孔隙度相近、渗透率差异较大，两个样品在进汞曲线形态及孔喉分布上具有明显差异：与样品LX6相比，样品LX1的进汞曲线呈现明显的“下凹状”，存在弱平台段（图2-a），表明样品中发育较多的大孔—细喉型连通的孔隙，在较低压力下汞就能进入岩石中，样品LX1的孔喉半径分布主峰大于1 μm，明显大于样品LX6（图2-b）。通过扫描电镜及薄片分析，发现样品LX6中黏土矿物较样品LX1明显发育，形成大量黏土晶间孔（图1-d），而黏土矿物会极大地降低孔喉连通性，导致渗透率急剧降低，但对孔隙度的影响不大。

2.3 基于核磁共振的孔隙大小分布特征

核磁共振主要测量岩石中氢核的弛豫时间来揭示储层储集空间特征及流体可动性。通常认为较大孔径对应较长的T2值。因此，利用T2谱可以区分不同大小的孔隙及其比例[29]。图3展示了样品LX1至LX6的T2谱分布，整体上致密砂岩的T2值分布较宽，介于0.1～1 000.0 ms，T2谱形态表现出双峰形态（以10 ms为界），右峰介于10.0～100.0 ms，左峰介于1.0～10.0 ms。随着岩石物性变差（由样品LX1至LX5），核磁共振T2谱右峰逐渐减小，峰值对应弛豫时间也逐渐减小，左峰幅度逐渐增大，峰值对应T2值也逐渐减小到1.0 ms，说明储层物性变差，较大孔占比逐渐降低，孔隙类型由粒间孔为主转变为以粒内溶蚀孔和晶间孔为主（图1）；T2谱中左右两峰幅度差及间距也呈增大趋势，揭示孔隙连通性变差；核磁共振测量的可动水饱和度由46.70%减少到8.37%，说明致密砂岩中流体可动性变差。对比饱和水和离心状态T2谱分布，当T2＞100.0 ms时，孔隙中的可动流体比例明显较高，当T2＜1.0 ms时，对应孔隙中流体基本束缚不动，说明大孔中流体可动性明显高于小孔。样品LX1与LX6具有相近的孔隙体积，但两者在孔隙分布上具有明显差异，样品LX6的T2谱右峰明显偏低，大孔占比低，其可动水饱和度仅为17.27%，明显低于样品LX1的46.70%，这说明大孔的比例影响致密砂岩中可动流体的饱和度。

图3 典型致密砂岩样品核磁共振T2谱分布特征图

对于致密砂岩，T2弛豫主要为发生在矿物表面上的面扩散弛豫机制，T2值与孔径之间具有近似一一对应关系，需要确定合理转换系数，实现T2谱从时间域到空间域的转换，即将T2值转换为孔隙大小。结合高压压汞结果，采用线性刻度法[30-31]对58个致密砂岩样品的饱和水状态测量的T2值进行转化，刻画孔隙分布。标定系数分布范围较大（5～70 μm/s），其与绿泥石含量呈明显正相关。标定后核磁共振孔径分布显示，致密砂岩的孔径多集中分布于0.01～100.00 μm，储层间孔径分布差异明显，其中粒间孔和溶蚀孔发育的储层（样品LX1和LX2）孔径最大，存在大量孔径分布在1～100 μm的孔隙，晶间孔发育的储层（样品LX6）孔径多小于1 μm（图4）。

3 微观结构参数对宏观物性的控制作用

3.1 孔隙分区及对储层储集能力的贡献

储集能力是指岩石中储存流体的孔隙空间多少，常用孔隙度指标直接反映岩石的储集能力，另外，有效孔隙度反映岩石储集可动流体的能力，对于可动流体饱和度低的致密砂岩储层，储集可动流体的能力更为重要。为了研究不同类型孔隙对岩石储集能力的影响，首先进行孔隙分类。利用张超谟等[32]提出的分形方法对标定后的核磁共振T2谱进行分形研究，结果表明T2谱分布呈现明显3段分形特征，每段分形拟合精度均高于0.98。根据分形特征，将临兴区块致密储层孔隙分为3类：大孔（大于1.0 μm）、中孔（0.1～1.0 μm）和小孔（小于 0.1 μm）（图5）。这与煤层气以及页岩油储层的划分标准基本相同[33-34]，而要略大于页岩气储层的划分[35]。根据扫描电镜结果分析，大孔主要对应残余粒间孔和粒间溶蚀孔，该类孔隙为大孔—细喉型，对应较大孔喉，孔隙连通性好；中孔主要对应粒内溶孔和晶间孔，小孔喉，连通性一般；小孔主要对应晶间孔，尤其是黏土矿物晶间孔，尽管对应最小孔喉半径，连通性差，但是在岩石中大量发育，其储集能力的贡献不容忽视。

图6为临兴区块3类孔隙与总孔隙度、有效孔隙度之间关系图。尽管总孔隙度为不同类别孔隙体积之和，但大孔孔隙度与总孔隙度的关系最好，其次为中孔孔隙度，小孔孔隙度与总孔隙度间相关性很弱；同时大孔孔隙度与有效孔隙度的相关关系也最好，且好于大孔孔隙度与总孔隙度的相关性。由此可见，大孔孔隙度是反映致密砂岩总储集能力和储集可动流体能力的直接指标，因为大孔主要对应粒间孔和粒间溶蚀孔，该类孔隙的发育说明岩石利于原生孔隙保存和溶蚀增孔，显然总储集空间发育。另外，该类孔隙对应较大的孔喉半径，流体可动性强。

图5 核磁共振孔隙分布分形特征图

图6 不同类型孔隙与总孔隙度、有效孔隙度的关系图

有效孔隙度与大孔孔隙度关系明显，因此，根据孔隙度中的大孔孔隙度的多少将临兴区块致密砂岩划分为4种类型。Ⅰ类：大孔孔隙度大于4.0%，大孔最多，中孔次之；Ⅱ类：大孔孔隙度介于2.0%～4.0%，以中孔为主，小孔和大孔次之；Ⅲ类：大孔孔隙度介于0.5%～2.0%，以小孔为主，中孔次之，大孔最少；Ⅳ类：大孔孔隙度小于0.5%，小孔占绝对优势，中孔和大孔不发育。由Ⅰ类至Ⅳ类，大孔孔隙度逐渐降低，总储集能力和储集可动流体能力均逐渐下降。

3.2 孔喉结构对储层渗流能力的影响

岩石渗透率主要受孔喉大小控制，但并非所有的孔喉半径均对岩石的渗流能力做贡献，需要针对特定地质条件，优选能反映储层渗流能力的某一孔喉半径值Ri（进汞饱和度为i%时所对应的孔喉半径）[36]。为确定Ri，采用相关系数方法[37]，选取45个高压压汞实验中不同进汞饱和度时的孔喉半径，与孔隙度和渗透率进行相关分析，进而确定最佳的孔喉半径Ri，i%值选取5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%（表2）。从表2可见，相关系数的变化呈现明显先增加后降低的趋势，当i%取值15%时，相关系数最高。表明对于大多数致密砂岩，当进汞饱和度达到15%时，汞在岩石中开始形成相对连续的渗流通道，而当饱和度低于15%时，连续的渗流通道尚未形成，尽管此时对应较大孔喉半径，但对整个岩石渗流能力的贡献有限；当饱和度高于15%，渗流通道已经大面积形成，此时对应小孔喉，同样贡献有限。与常规储层相比（通常i%=35%），临兴区块致密砂岩的最佳进汞饱和度值（15%）偏低。这主要由于致密砂岩孔喉非均质性强，较少孔隙参与就能在岩石中形成相对连续的渗流通道[38]，但渗流通道的稳定性差，容易受气锁等影响。

表2 临兴区块部分样品孔喉半径与孔隙度、渗透率相关性分析表

为了找出更为准确的R15与孔隙度、渗透率间的关系，选用临兴区块175个实验数据进行回归分析，得到经验关系式：lgK=－1.138＋1.180 lgφ＋0.864 lgR15（R2=0.771）。该公式对该区致密砂岩渗透率预测精度较高，也验证了R15选取的合理性（图7-a）。根据该经验公式，可建立不同R15的孔隙度与渗透率关系图版（图7-b），与实际样品点进行对比可知该图版精度较高，对样品的R15具有很好的预测能力，更加直观快捷地反映出各个样品的渗流特征，同时也弥补了部分样品未进行压汞实验的缺陷。

图7 渗透率拟合精度分析及其与R15关系图版

4 致密砂岩储层分类评价

储层分类的主要工作是对储层的储集空间及渗流能力进行评价，依据不同类型孔隙与有效孔隙度的关系，大孔孔隙度是反映致密储层储集能力的最直接指标，而R15能够反映储层的喉道和渗流特征，对储层渗流能力的变化十分敏感，综合大孔孔隙度和R15两项敏感的微观参数，建立致密储层分类综合图版，该图版综合考虑了储层储集能力和渗流能力两方面，从而合理指导储层分类。具体步骤为，首先将样品点依据大孔孔隙度进行分类，然后投到标注不同R15趋势线的孔隙度—渗透率图版上，再次进行细分。综合以上信息建立临兴区块上组合致密砂岩储层分类评价综合图版（图8）。

图8 临兴区块上组合储层分类综合图版

根据储层分类图版，将临兴区块石千峰组和石盒子组致密砂岩储层划分为4类（表3），不同类别储层在产能上差异明显，验证了分类的合理性。Ⅰ类储层孔隙度下限为10%，渗透率下限为10 mD，孔隙类型以残余粒间孔和粒间溶孔为主，核磁共振T2谱呈现明显双峰特征，左右峰面积相当，压汞曲线整体明显下凹，启动压力低，进汞饱和度高；该类储层的自然产能高，压裂后产能改善不明显。Ⅱ类储层的孔隙度下限为9%，渗透率介于1.0～10.0 mD，主要发育粒间溶孔，T2谱亦呈现双峰特征，左锋面积明显大于右峰，压汞曲线呈现下凹状；该类储层自然产能较高，压裂后产能进一步提高。Ⅲ1类储层孔隙度介于6%～12%，渗透率介于0.2～1.0 mD，R15介于0.60～0.25 μm，发育粒内溶孔以及少量粒间溶孔。Ⅲ2类储层孔隙度介于6%～12%，渗透率介于0.1～0.3 mD，主要发育粒内溶孔和晶间孔；与Ⅲ1类相比，大孔孔隙度差异不大，但Ⅲ2类储层R15值明显变小，压汞曲线呈斜线状，表明渗流能力降低，孔隙分选变差；两个级别储层在压裂改造性上存在明显差异，Ⅲ1类储层压裂改造性好，压裂前和压裂后产能存在数量级的差异，压裂前没有自然产能，压裂后产能甚至能高达数万方；而Ⅲ2类储层压裂前自然产能低，压裂后改造不明显，这可能与Ⅲ2类储层孔喉结构差有关。

表3 临兴区块致密储层分类评价标准表

5 结论

1）基于分形理论可将致密砂岩孔隙划分为大孔、中孔和小孔，其中大孔孔隙度与有效孔隙度关系最好，是评价致密砂岩储集能力和储集可动流体能力的直接指标。

2）基于相关系数法，确定孔喉半径R15与孔隙度、渗透率间的关系最佳，是表征该区致密砂岩渗流特征的最优孔喉参数，能够用于评价致密储层渗流能力。

3）联合Ri和大孔孔隙度建立致密砂岩储层分类图版，综合考虑致密砂岩在储集和渗流能力方面的差异，将临兴区块致密砂岩储层划分为4类，由Ⅰ类储层至Ⅲ2类储层，孔隙类型由粒间（溶蚀）孔主导逐渐过渡为溶蚀孔和晶间孔主导，孔隙分布及连通性均逐渐变差。Ⅰ类和Ⅱ类储层可获得自然高产，是目前勘探开发甜点，压裂对Ⅲ1类储层改善最为明显，Ⅲ2类储层压裂前后测试效果均较差。