恒速压汞及核磁共振技术在四川盆地西部致密砂岩储层评价中的应用

2021-04-21冯动军肖开华

石油实验地质 2021年2期

冯动军，肖开华

(中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083)

孔隙度和渗透率参数是常规储层的主要评价指标，而致密砂岩储层非均质性强，且具有低孔、低渗、孔隙类型多样、孔喉细小、孔隙结构复杂的特点[1-2]，常规储层评价方法并不适用。同时，致密砂岩储层孔喉结构普遍具有很高的毛细管压力，因此，孔隙结构的差异会导致储层中流体流动赋存状态和分布的不同，进而制约和影响致密砂岩气藏的高效开发[3]。恒速压汞可以区分孔隙和喉道，并能够定量获取孔隙半径、喉道半径等相关参数[4]。核磁共振作为一种新兴的岩心实验分析手段，可以获取物性、微观孔隙结构及可动流体参数等储层特征[5-8]。本文利用恒速压汞和核磁共振测试结果，分析川西上三叠统须家河组储层孔隙结构类型和特征及其与孔、渗的相关关系，探讨孔喉特征对可动流体参数的影响，优选与储层物性和流体可流动性相关性较好的孔隙结构参数，通过数学分析，建立指示储层好坏的孔隙结构指数，开展单井全井段储层综合评价，解决了致密非均质储层无法用孔隙结构参数进行全井段储层评价的问题。

1 实验介绍

本次实验采用中国石油勘探开发研究院廊坊分院从美国引进的ASPE-730型恒速压汞实验装置，注射速率最低能到0.000 05 mL/min，最高到1 mL/min，岩心取截面为1 cm×1 cm的圆柱体，压力范围0～1 000 psi，岩石孔隙结构的空间分辨率为0.000 01 mL。汞作为非润湿相注入岩石孔隙中时需要施加外部压力，接触角、界面张力和孔喉半径决定了进汞压力的大小[9]。恒速压汞技术是在样品分析过程中始终保持接触角与界面张力不变，以极低的准静态进汞速度(一般为5×10-5mL/min)将汞注入岩石孔隙内，当驱替压力达到6.2 MPa时实验结束。根据进汞压力的升降来区分岩石内部的孔隙和喉道[10-12]，获得孔隙和喉道的毛细管压力曲线，并据此计算孔隙和喉道半径及孔喉半径比的分布[13-14]。核磁共振技术是通过对完全饱和水的岩心进行CPMG脉冲序列测试而获得T2谱，可以反映岩心内所有的孔喉分布[15]，T2越小，代表孔径的孔隙越小，反之亦然，因此，T2分布反映了孔隙体积的分布。当孔隙半径小到一定程度后，由于受黏滞力或毛细管力束缚，孔隙中的流体将无法流动。因此在T2谱上就存在一个驰豫时间界限，当孔隙流体的T2驰豫时间大于某一值时，流体为可动流体，反之为不可动流体，这个界限常被称为可动流体T2截止值。总之，利用核磁共振技术可以快速、无损、准确地测定岩样中的可动流体量和孔隙体积的分布[16]。

2 实验样品及结果

选取14块四川盆地西部新场地区须家河组致密气岩心样品进行恒速压汞和核磁共振实验(直径2.5 cm，长度0.5 cm)，样品平均孔隙度11.03%，平均渗透率0.25×10-3μm2，为典型致密储层样品，计算孔喉特征参数如表1所示。上亚段为致密砂岩储层，以孔隙型储层为主，基质孔隙度和渗透率较高，平均分别为8.22%，0.72×10-3μm2，喉道半径平均值为0.61 μm，孔隙半径平均值为143.58 μm，孔喉半径比平均值为304.81，最终进汞饱和度27.54%，核磁共振计算上亚段可动流体孔隙度平均6.48%，可动流体百分比平均为20.10%。下亚段为致密砂砾岩储层，裂缝发育，以裂缝—孔隙型储层为主，基质孔隙度和渗透率较低，平均分别为4.07%，0.12×10-3μm2，喉道半径平均值为0.39 μm，孔隙半径平均值为76.75 μm，孔喉半径比平均值为152.6，最终进汞饱和度26.98%，核磁共振计算下亚段可动流体孔隙度平均2.95%，可动流体百分比平均为24.13%。

表1 四川盆地西部新场地区须家河组四段砂岩储层孔隙结构参数统计Table 1 Statistics of pore structure parameters of sandstone reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

3 孔隙结构特征

3.1 储集空间类型

通过大量岩石铸体薄片鉴定、扫描电镜分析可知，新场地区须四段储层孔隙包括原生孔隙、次生孔隙、微裂隙(缝)三类，以次生孔隙为主，包括粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔、晶间溶孔等，其中粒间溶孔多为70～120 μm，是溶蚀粒间杂基和沿颗粒边缘溶蚀扩大而成，呈不规则状，孔中常含残余黏土矿物；粒内溶孔一般在20～300 μm，孔中常有黏土化后的残余骨架，孔中充填自形和他形石英及方解石、钠长石等；微裂缝和原生孔隙次之，原生孔隙主要为残余粒间孔(图1)。

3.2 孔隙结构类型

储层的孔隙结构是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其连通关系[17]，孔隙结构特征在微观上反映了储集层的储集及渗流能力，是储集层评价和分类的重要依据[18-19]。据扫描电镜、高压压汞及恒速压汞资料，新场地区须四段储层较差，样品排驱压力和中值压力值较高，孔喉半径和喉道半径小。歪度是指孔喉大小分布偏向粗孔喉或是细孔喉，相应地称之为粗歪度或细歪度[4]。样品分选系数值较大，歪度值较小，偏细歪度，表明孔喉分选较差，且以微孔喉为主。

图1 四川盆地西部新场地区须家河组四段砂岩储层储集空间类型Fig.1 Reservoir space types of sandstone reservoirs in fourth mem- ber of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

利用高性能全自动压汞仪AutoPore IV 9520获取排驱压力、孔喉大小及毛管曲线特征，把须四段孔隙结构分为4类(图2)：(1)粗喉大孔型：毛管曲线特征表现为下凹型，其储层排驱压力比较低，一般小于0.5 MPa，喉道较粗，孔隙个体大，分选中等；毛细管压力曲线为平台状，同时曲线均凹向左下方，略显粗歪度；孔隙度、渗透率及孔隙结构均较好，为好储层；(2)粗喉小孔型：毛管曲线特征表现为下凹上凸型，毛细管压力曲线出现平台或略显平台；其排驱压力高于粗喉大孔型，一般0.5～1.0 MPa，微—细孔喉，分选较差，孔隙度低—偏中，渗透率中等—偏低，孔隙结构较好，为差储层；(3)细喉大孔型：毛细管压力曲线特征表现为平直型，排驱压力较高，1.0～2.0 MPa，微—细孔喉，最大进汞饱和度较高，孔隙较大，分选差；孔隙度一般，渗透率较低，孔隙结构较差，为较好储层；(4)细喉小孔型：毛管曲线特征表现为上凸型，排驱压力很高，20～50 MPa，喉道偏细，最大进汞饱和度低，孔隙较小，分选较差，细歪度；孔隙度和渗透率均较低，孔隙结构差，为差储层或非储层。其中上亚段以粗喉大孔型为主，下亚段以粗喉小孔型为主。

3.3 孔喉特征

孔隙决定了储层的储集性能[20]，新场须四上亚段砂岩孔隙型储层5个样品渗透率逐渐增大，孔隙半径主要分布在100～200 μm之间，峰值分布在120 μm左右。须四下亚段砂砾岩孔隙—裂缝型储层6个样品渗透率逐渐增大，孔隙半径主要分布在80～180 μm，峰值在120 μm左右(图3)。总体来看不同渗透率样品孔隙半径分布变化不明显，基本呈单峰正态分布，上亚段孔隙半径分布较为集中，下亚段除样品XC22-9和XC31-5外，孔隙分布相对集中，可能与砾岩的存在导致微裂缝发育有关，储层均以小孔为主。喉道反映了孔隙之间的连通情况，喉道半径大小、分布特征及其形状是影响储层储、渗透性能的主要因素，喉道越发育，储层渗流能力越强[21]。须四段储层喉道半径呈多峰态分布，上亚段砂岩孔隙型储层喉道半径明显高于下亚段砂砾岩孔隙—裂缝型储层(图4)，总体以微喉为主。随着渗透率的增大，大喉道分布范围增大，小喉道分布范围减小。样品渗透率越高，大喉道所占比增大，其喉道半径分布范围越宽且分布频率越低；渗透率越低，喉道半径越小且分布越集中。实验结果表明，对于致密储层而言，不同渗透率储层其孔隙半径的分布范围基本相同，喉道半径的大小和分布范围存在差异，喉道控制了低渗透储层的物性特征，决定了储层的好坏，是决定气藏开发效果的关键性因素。

图2 四川盆地西部新场地区须家河组四段致密储层孔隙结构类型Fig.2 Pore structure types of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

图3 四川盆地西部新场地区须家河组四段致密储层孔隙半径分布Fig.3 Pore radius distribution of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

图4 四川盆地西部新场地区须家河组四段致密储层喉道半径分布Fig.4 Throat radius distribution of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

3.4 孔喉比特征

孔喉比可以用来衡量孔隙开度的非均匀程度，反映了孔隙结构的均质性。图5可以看出，渗透率和孔喉比分布范围呈负相关。当孔喉比较小时，单个孔隙被多个喉道连通，渗透率较高，孔隙内储存的气体容易通过喉道被采出。而当孔喉比较大时，少数小喉道控制单个孔隙，孔隙的连通性较差，气体要想从孔隙内排出需要克服很大的阻力，因此很难被采出，很多赋存气体的孔隙成为无效孔隙。研究发现，孔喉比高的样品，孔隙度并不一定高，说明低—特低渗储层孔隙度不是影响储层好坏的最主要的因素之一。与中、高渗储层相比，低—特低渗储层的孔喉比较大且分布范围较宽，孔隙连通性差，体现了低—特低渗储层微观孔隙结构的显著特征，也是该类储层开发效果差的主要原因[22-23]。

3.5 毛细管曲线特征

采用ASPE-730型恒速压汞仪，通过恒速压汞技术不仅能够得到总的毛细管曲线，还可以分别获得喉道和孔隙的毛细管曲线。从图6可以看出，样品XC22-2当进汞压力较小时，总毛细管曲线主要取决于孔隙毛细管压力曲线的变化，而当进汞压力增加到一定程度时，总体毛细管曲线的变化则主要由喉道的变化决定，其余5块样品总体毛细管曲线均主要取决于喉道毛细管曲线的变化。恒速压汞实验分析总孔隙进汞饱和度比总喉道进汞饱和度要小，说明样品微裂隙发育，微裂隙沟通孔隙，使其成为有效孔隙。因此，对于低—超低渗透砂砾岩储层而言，气藏的开发应重视喉道的开发，也就是说要寻找微裂隙发育带。

4 孔喉特征对可动流体参数的影响

可动流体参数主要包括可动流体百分数和可动流体孔隙度[24]。可动流体百分数是指孔径大于截止孔径的孔隙体积占岩样总孔隙体积的百分数[25-26]，是评价储层渗流能力及开发潜力的一个重要物性参数，比孔隙度和渗透率更能表征储层的渗透性[27]。可动流体孔隙度具体量化了可动流体百分数的绝对含量，是储层开发潜力的重要评价参数[16]。通过对可动流体参数与平均孔隙半径、平均喉道半径的相关性对比分析可见(图7)，可动流体参数与平均孔隙半径的相关性比与平均喉道半径相关性略好，与常规砂岩储层的规律相反，表明储层喉道发育；而电镜分析结果表明新场须四段致密砂岩微裂隙发育，可能是喉道发育的主要原因。因此在致密储层评价中，应适当降低孔隙度参数的权重，重视微裂缝对储集性能的影响[28]。

图5 四川盆地西部新场地区须家河组四段致密储层孔喉比分布Fig.5 Distribution of pore-throat ratio of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

图6 四川盆地西部新场地区须家河组四段毛细管曲线特征Fig.6 Characteristics of capillary curves of fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

5 基于孔隙结构的储层评价方法及应用

目前，常见的利用孔隙结构参数进行储层评价的基本思路是通过对取心段的岩心或地面岩石样品进行采样后，在实验室通过铸体薄片、扫描电镜、压汞及核磁共振等手段，来确定其储层的孔隙结构参数，进而以点代面来确定某一目标层的储层孔隙结构参数，无法对目标层全井段进行纵向上的连续评价。显然，上述方法对于取心资料较多且储层非均质性较弱的地区比较适用，但对于储层非均质性较强的致密砂岩储层则不太适用，主要存在两方面的问题：一是由于受钻井取心成本等的限制，不可能在钻井过程中进行大规模的取心，因沉积环境、后期成岩作用和构造运动等因素的变化，致密砂岩储层在纵向上具有很大的非均质性，即使取心很多，也不可能取全所有类型的储层样品；二是由于受分析测试工作量和成本等因素的限制，也很难进行高密度的、大量的铸体薄片、电镜扫描、压汞及核磁共振等分析测试。因此，利用数量有限的样品孔隙结构参数来对目标层进行储层评价具有很大的局限性。

针对目前利用孔隙结构参数进行储层评价的缺陷，本文建立了一种利用孔隙结构参数进行全井段储层评价的新方法。具体方法流程是：对采取的每块岩心样品分别进行恒速压汞和核磁共振分析测试，得到它们的喉道半径、孔隙半径及最终进汞饱和度等参数数据。利用测井曲线计算的全井段的孔隙度、渗透率曲线，求取全井段的渗透率与孔隙度比值曲线。分别把孔隙半径、喉道半径、最终进汞饱和度参数与孔隙度、渗透率/孔隙度进行交会，拟合出相应的函数关系(图8)，计算出研究目标全井段的孔隙半径指示曲线(Rp)、喉道半径指示曲线(Rth)和最终进汞饱和度指示曲线(SHg)。利用数学变换的方法，根据影响储渗性能的程度对参数进行缩放，建立孔隙结构指数(Rc)计算模型，进而计算出孔隙结构指示曲线，参考测井解释的储层类型、储层中流体性质及测试产能，建立孔隙结构参数储层评价标准(表2)，对研究目标全井段储层进行评价。

Rc=(A·Rth+Rp/B)·SHg/C

式中：A、B、C为常数。

本次岩样恒速压汞和核磁共振分析的对象是川西新场地区8口井须家河组的岩心样品，共取14块样品，先进行核磁共振实验，然后再进行恒速压汞实验，保证两项分析测试具有一一对应关系。从对新场某井的评价来看，储层分类评价结果与测井解释结果具有较好的对应关系，一类和二类储层测井解释为气层或差气层，井段3 832.3～3 887.9 m综合评价一类和二类储层发育，测试无阻流量12.86×104m3/d，为中产工业气流井，证明基于恒速压汞和核磁共振建立的致密砂砾岩储层评价方法是适用的(图9)。

图7 四川盆地西部新场地区须家河组四段孔隙结构与可动流体参数相关关系Fig.7 Correlation between pore structure and movable fluid parameters of fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

图8 四川盆地西部新场地区致密储层孔隙结构参数与孔、渗相关性Fig.8 Correlation between pore structure parameters and porosity and permeability of tight reservoirs in Xinchang area, western Sichuan Basin

表2 四川盆地西部新场地区须家河组四段储层孔隙结构参数评价标准Table 2 Evaluation criteria of pore structure parameters of fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin