延安气田北部山1段储层微观孔隙结构对可动流体赋存的影响

刘江斌,李文厚,吴小斌,崔宏俊,高其宇

(1.延安大学 石油工程与环境工程学院, 陕西 延安 716000;2.西北大学 地质学系,陕西 西安 710069;3.陕西延长石油油气勘探公司 采气一厂,陕西 延安 716000)

致密砂岩气为非常规天然气勘探的重要领域[1]，中国致密砂岩的大气田主要分布在鄂尔多斯盆地、四川盆地和塔里木盆地[2]。苏里格气田和大牛地气田的发现，标志着鄂尔多斯盆地上古生界天然勘探取得重大突破,经过不断的创新和发展,建成了中国最大的整装气田——苏里格气田[3],形成以二叠系石盒子组盒8段为主要层段的上古生界致密砂岩气的生产格局[4]。延长油田的天然气探区位于陕北斜坡的东南部,随着勘探工作的不断深入，在上古生界石盒子组和山西组取得了突破[5]。延安气田处于延长石油天然气探区的中部,目前已建成以山西组山2段为主要产层的天然气开发模式,天然气稳产面临较大压力。延安气田山1段储量的动用程度不高,但其开采难度大,流体赋存特征认识不足,直接制约着山1段致密砂岩气的开发。因此，急需对其开展深入研究,以明确孔隙中流体的赋存特征,进一步指导天然气的高效开发。

致密储层的孔喉尺寸小，孔隙结构复杂，非均质性强[6],储层孔隙结构的精细刻画成为致密储层研究的关键内容。目前已形成的场发射扫描电镜、聚焦离子束场发射扫描电镜、透射电镜、CT扫描、气体吸附、高压/恒速压汞等技术，有力地推动了致密储层孔隙结构的研究。恒速压汞技术在表征致密储层的孔隙、喉道特征等精细分析方面得到了较好的应用,相比常规高压压汞有着明显的优势[7-10]。核磁共振技术用来表征致密储层微观孔隙结构和流体特征,是表征孔隙流体赋存特征的重要手段,其反映出的可动流体饱和度对致密油气的开发有着重要意义[11]。核磁共振技术具有直观、迅速的优势,在评价可动流体赋存特征方面得到了良好应用[12-15]。可动流体赋存特征方面的研究成果认为，孔隙结构、渗透率、黏土矿物、次生孔隙的发育、压实作用等因素影响着可动流体的赋存状态[16]。目前，对鄂尔多斯盆地可动流体赋存特征的研究主要集中在中生界延长组,对古生界致密砂岩储层的研究相对较少,特别对延安气田山1段储层的可动流体的赋存特征仍缺乏研究。因此，选取延安气田北部典型区块为研究对象,通过铸体薄片、扫描电镜、恒速压汞、核磁共振等实验方法,分析其储层的岩石学特征、孔隙类型、微观孔隙结构、可动流体赋存特征,研究储层微观孔隙结构对可动流体赋存的影响,以期准确有效地评价储层,进一步指导该区块致密砂岩气的勘探开发工作。

1 储层岩石学特征

鄂尔多斯盆地经历了早古生代海相沉积时期[17],逐步进入由海陆过渡相到陆相的晚古生代时期,二叠系山西期自北向南依次发育河流相、三角洲平原相、三角洲前缘相[18-19]。延安地区二叠纪山西期发育三角洲前缘相,水下分流河道砂体为良好的储集体。

延安气田北部山1段储层主要为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩,砂岩以中粒为主,次棱—次圆状,颗粒分选较好,胶结方式为孔隙胶结。黏土矿物为主要的胶结物,其次为方解石、铁方解石及少量硅质。X衍射(XRD)结果表明，黏土矿物主要为伊利石,其次为绿泥石,高岭石和伊/蒙间层矿物含量较少。伊/蒙间层比仅为10%,表明储层成岩作用进入了中成岩B期。储层孔隙度为1.03%～10.15%,平均为5.6%;储层渗透率为(0.01～11.98)×10-3μm2,平均为0.16×10-3μm2。

2 储层微观孔隙结构

2.1 孔隙及喉道类型

样品铸体薄片显示，山1储层以溶蚀孔、晶间孔和微裂隙为主,原生粒间孔隙较少,平均面孔率在0.1%～2.8%,平均面孔率为1.6%,平均孔径约为15 μm。溶蚀孔主要为岩屑溶孔(见图1A)、粒间溶孔(见图1B)及少量的长石溶孔。晶间孔(见图1C)以高岭石的晶间孔最为常见,如图1F所示,高岭石充填粒间孔,其矿物间形成晶间孔。薄片显示，微裂隙多以断续状分布(见图1D),缝宽基本上小于10 μm,偶见云母矿物受挤压形成的微裂隙(见图1E)。铸体薄片及扫描电镜显示，研究区发育缩颈型喉道、片状及弯片状喉道。

A 岩屑溶孔(样品1)；B 粒间溶孔(样品3)；C 晶间孔(样品1)；D 微裂隙(样品6)；E 微裂隙(样品4)；F 高岭石充填孔隙(样品5)

2.2 孔隙、喉道分布特征

恒速压汞技术通过均匀进汞时的压力涨落来记录和反映喉道和孔隙特征,分别获得喉道、孔隙的毛管压力曲线,在此基础上计算孔隙、喉道参数及孔喉比[20]。本次测试共选用6个样品,测试结果如表1所示。由表1可知，其喉道半径为0.3～24.34 μm,集中在0.4～1μm,主流喉道半径为0.64～2.21 μm,平均喉道半径为0.55～1.48 μm;孔隙半径5～450 μm,集中分布在80～200 μm,平均孔隙半径为113.32～190.81 μm。结合致密储层的孔喉分类可知[21],其储层具有中—大孔隙、微细喉道的特征。其总进汞饱和度为47.55%～67.44%,平均孔喉比为141.48～320.44,孔喉比变化较大。平均喉道半径、平均孔隙半径与储层物性的关系如图2所示。由图2可知，其平均喉道半径、平均孔隙半径与储层孔隙度相关性较差,平均孔隙半径与渗透率具有一定相关性,而平均喉道半径与储层渗透率相关性好,表明喉道为影响储层渗流的主要因素。储层渗流与储层孔隙度相关性差,主要原因在于山1储层的溶蚀孔和微裂隙发育,尤其是微裂隙在增加孔隙空间方面不明显,却能够极大改善储层的渗透性。此外，样品孔喉比变化大可能与溶蚀孔和微裂隙发育有关,溶蚀孔的发育，局部增加了孔隙空间,进而加剧了孔隙与喉道的差异。

图2 平均喉道、孔隙半径与储层物性的关系

表1 恒速压汞及核磁共振结果

考虑到溶蚀及微裂隙对储层的影响,依据恒速压汞结果及铸体薄片观察，大致可将其划分为晶间孔-溶蚀孔型、微裂隙型和溶蚀孔型。晶间孔-溶蚀孔型以样品1、样品5为代表。样品1的喉道分布见图3,其呈单峰,峰值对应的喉道半径为0.4 μm,主要集中在0.3～0.7 μm,主流喉道半径为0.80 μm,平均喉道半径为0.57 m,发育微细喉道;其孔隙分布呈多峰状,可能与溶孔发育有关,主要集中在95～165 μm,其平均孔隙半径为128.46 μm;平均孔喉比为279.73。铸体薄片分析此类储层发现，其主要发育溶蚀孔、晶间孔,粒间溶蚀孔，微裂隙较少。样品1铸体薄片显示，其岩屑溶孔为0.3%,晶间溶孔为0.2%;样品5中除了0.3%的晶间孔,含0.1%的微裂隙。此类储层微裂隙相对较少,储层渗透性一般,孔喉比相对稳定,平均孔喉比为275.63～279.73。

微裂隙型以样品2、样品4、样品6为典型。样品2的喉道分布如图3所示,呈单峰分布,分布较宽(0.3～4.5 μm),主要集中在0.4～2.1 μm,主流喉道半径为2.21 μm,平均喉道半径为1.48 m;孔隙分布呈多峰状,主要集中在90～145 μm,平均孔隙半径为124.00 μm;平均孔喉比为141.48。储层主要发育微裂隙,且连通性较好。溶蚀孔较少发育,造成储层孔隙空间较小,孔隙与喉道差异较小,进而造成其孔喉比相对较低,而由于微裂隙的沟通,该储层渗透性能良好。样品2的铸体薄片仅见微裂隙发育,其体积分数约为0.15%,微裂隙联通性略好,面孔率低。样品6中可见少量晶间孔及岩屑溶孔,仍以微裂隙为主,其体积分数为0.5%。此类储层发育微细、细喉道,储集空间有限,储层渗透性最好,局部受溶蚀孔影响,孔喉比变化明显,平均孔喉比为141.48～320.11。

图3 不同样品的喉道半径与孔隙半径分布

溶蚀孔型以样品3为代表,喉道分布如图3所示,仍为单峰分布,主要集中在0.3～0.8 μm,0.3 μm的喉道占较高比例,主流喉道半径为1.01 μm,平均喉道半径为0.68 m;孔隙分布呈多峰状,主要集中在55～155 μm,在55～85 μm仍占较多比例,与样品1和样品2明显不同,此类孔隙对增加孔隙空间有重要意义。其平均孔隙半径为124.00 μm;平均孔喉比为141.48。此类储层主要发育溶蚀孔,溶蚀孔为岩屑溶孔、粒间溶孔及少量长石溶孔,溶蚀孔体积分数可达到为2.3%,晶间孔为0.2%,微裂隙为0.3%,面孔率最高,可达到2.8%。微裂隙连续性较差,原生粒间孔保存不好。喉道以缩颈喉道为主,储层储集性能最好,渗透性中等。

3 可动流体赋存特征

核磁共振技术根据流体氢原子核的磁性及与其在外加磁场下的响应特征,经过实验测定、建立和分析不同的驰豫时间表现出的T2谱，从而研究储层的孔隙及流体特征[22]。核磁共振数据还有另一个重要参数T2——驰豫时间截止值,当驰豫时间大于T2截止值时,孔隙内流体为可动流体,当驰豫时间小于T2截止值时,孔隙内流体为不可动流体,即为束缚流体[23]。T2截止值一般通过饱和地层水条件下的离心实验获得。通过离心实验得出的研究区储层的T2截止值为34 ms,6个样品可动流体饱和度为14.82%～ 55.16 %,平均为32.23%(见表1)。样品7的流体饱和度为18.9%,样品8可动流体饱和度达到33%。样品4反映的微裂隙型储层可动流体饱和度达到最大。依据可动流体饱和度的评价标准,研究区的储层基本为中等、较差储层,仅样品4达到较好的标准。研究区储层的T2谱分布如图4所示,主要为单峰型和双峰型。单峰型(样品1、样品4)未出现明显台阶,主峰越偏左,可动流体饱和度越低(样品1);主峰越偏右,可动流体饱和度越高(样品4)。样品大多呈双峰型,频谱分布较宽,曲线起伏明显,均以左峰为主峰,左高右低。左峰越偏左,可动流体饱和度越低(样品7)。样品3和样品8的左峰位于样品7的右侧,因而可动流体饱和度要高于样品7。样品5虽然左峰与样品7位置相当,但频谱分布较为均匀,主峰优势不明显,可动流体饱和度仍达到一定水平。

图4 山1储层样品T2谱分布

4 孔隙结构对可动流体赋存的影响

基于恒速压汞及核磁共振测试,可研究不同储层孔隙、喉道的发育对可动流体饱和度的影响。研究区储层可动流体饱和度与平均喉道半径呈较好的正相关,与平均孔隙半径呈一定程度的正相关(见图5)。图5表明，喉道和孔隙会对可动流体饱和度产生影响,而喉道为影响可动流体饱和度的关键参数。3种不同类型的储层平均喉道半径越大,可动流体饱和度越高。尤其以微裂隙型储层可动流体饱和度最高,较大喉道的发育极大地降低了束缚水饱和度。微裂隙型储层≥1.5 μm以上的喉道所占的比例明显高于其他储层,样品4半径≥1.5 μm的喉道体积分数可达到11%,而样品样1和样品3的中半径≥1.5 μm的喉道(细喉以上)体积分数分别为2.81%和6.44%。裂隙型储层可动流体饱和度高，其主要原因在于大于1.5 μm以上的喉道发育,尽管含量不高,却能够提高储层的流动性能,降低流动阻力,进而降低束缚水含量。同时，样品4中，半径≤0.3 μm的微喉道体积分数约为8.58%，样品2中含量更低，样品1和样品3中，半径≤0.3 μm的微喉道的体积分数约为15.7%以上，这表明半径≤0.3 μm的微喉道占比越低，可动流体饱和度越高。同种类型的储层如样品1和样品5中表现尤为明显，可动流体饱和度差别的原因在于微喉道的发育。样品5中,半径≤0.3 μm的微喉道体积分数约11.89%，低于样品3中的占比，可动流体饱和度略高。储层中，半径≤0.3 μm的微喉道空间细小，连通复杂，毛管阻力增大，不利于流体流动，此类孔隙越发育，储层束缚水饱和度就越高。晶间孔-溶蚀孔型及溶蚀孔型储层，细喉以上的喉道占比较少,而微喉道含量较高,特别是局部溶蚀及细小晶间孔更是加剧了喉道的复杂性,因而可动流体饱和度偏低。

由图5C可知，研究区储层的平均孔喉比与可动流体饱和度呈负相关,平均孔喉比越小,可动流体饱和度越高。其原因在于，平均孔喉比越大,孔隙与喉道尺寸差别就越大,流体进出喉道的阻力也越大,流体不容易流动,易形成束缚水;反之，孔喉比越小,孔隙与喉道尺寸相当,流动阻力降低,可动流体饱和度增加。相对分选系数用来表征孔喉的分选性,致密砂岩中，分选系数越大，表明储层中大孔隙的比例相对增高[24-25]。由图5D可知，研究区储层的相对分选系数与可动流体饱和度呈较好的正相关性,相对分选系数越高，可动流体饱和度越高，这表明大孔隙有利于流体的流动,改善了渗流能力,降低了束缚水的含量。

图5 山1储层孔喉参数与可动流体饱和度

5 结论

1)延安气田北部山1段储层主要为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩, 溶孔、晶间孔和微裂隙为主要的孔隙类型, 发育缩颈型喉道以及片状、弯片状喉道。

2)延安气田北部山1段储层样品具有中—大孔隙、微细喉道的特征,喉道、孔隙的发育主要影响储层的渗透性,喉道为影响储层渗透性的关键因素,微裂隙及溶蚀影响孔隙、喉道的发育。研究区储层可划为晶间孔-溶孔型、微裂隙型、溶蚀孔型,微裂隙型储层喉道半径大,喉道频谱分布宽,渗透性最好。

3)延安气田北部山1段储层可动流体饱和度为14.82%～55.16 %,平均为32.23%,微裂隙型储层样品可动流体饱和度最高。喉道半径、孔隙半径、孔喉比及分选性影响可动流体饱和度,以喉道半径影响最为显著,平均喉道半径越大,特别是半径≥1.5 μm的喉道占比越高,可动流体饱和度越高;半径≤0.3 μm的微喉道比例越高,可动流体饱和度越低。分选系数越高,可动流体饱和度越高。