鄂尔多斯盆地五蛟地区长7段致密砂岩物性分级评价

田伟超，文志刚，罗雨舒，席颖洋，韩欣

1.油气地球化学与环境湖北省重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100 2.长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100

2019年我国石油和天然气对外依存度高达70.8%和43%，亟需加大油气勘探开发力度，以保障国家能源安全。随着非常规油气勘探开发理论取得重大突破，非常规油气资源逐渐成为我国油气产量的重要增长点，其中致密油已成为非常规油气研究的热点。初步评价表明，我国致密油资源非常丰富，地质资源量在(74～125.8)×108t[1-3]，其中鄂尔多斯盆地致密油地质资源量达到了(35～40)×108t[3]，展现出了极好的勘探开发前景。但是，截至2017年底，鄂尔多斯盆地致密油建成产能约137.8×104t，年产量仅为53.8×104t[4]，勘探开发程度相对滞后。提升致密油勘探开发效率的关键在于优选“甜点”区(段)，而刻画“甜点”区(段)的关键在于致密储层的分级评价[5]。因此，建立致密储层的分级评价方案，对于致密油“甜点”的优选及提升致密油勘探开发效率均具有重要意义。

近年来，许多研究者开展了储层分级评价工作，分级评价方法大致划分为3种：以试油资料或者含油级别作为分类依据，进行储层物性分类[6,7]；以微观孔喉参数作为分类依据，聚类分析储层类型[8,9]；依据不同尺寸孔喉的发育特征，进行储层分类[10,11]。第1种方法的可靠性受限于试油资料的丰富程度，另外2种方法本质上都是基于孔喉结构特征进行储层分类。笔者以鄂尔多斯盆地五蛟地区长7段致密砂岩为研究对象，首先利用研究区丰富的压汞、铸体薄片和扫描电镜资料，对致密砂岩孔喉结构进行表征；然后，基于分形理论，建立适合研究区致密砂岩的孔喉分类方案，并在此基础上探讨致密砂岩分级评价方案，进而厘定各类砂岩孔隙度和渗透率界限；最后，借助试油资料验证砂岩分级方案的可靠性，并指出研究区未来的重点勘探有利区(段)。

1 工区概况及样品特征

鄂尔多斯盆地是我国一个多旋回克拉通盆地，五蛟地区在构造单元上属于陕北斜坡，地理位置位于鄂尔多斯盆地西南部，华池以西、环县以东、庆城以北的局部范围。在晚三叠世延长组沉积期，发育一套内陆河流-三角洲-湖泊相碎屑岩系[12]。在长7时期，湖泊发展到鼎盛阶段，以黑色页岩和暗色泥岩为主，夹薄层浊积成因的粉细砂岩[12,13]，砂地比普遍低于0.3，平均砂地比为0.235。长7段自下而上细分为长73亚段、长72亚段和长71亚段，从长73亚段～长71亚段，砂体的范围和厚度逐渐增加。目前，研究区致密油的勘探主要集中在长72亚段和长71亚段的致密砂岩夹层。岩石类型主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩(见图1)，填隙物主要是水云母(9.9%)、碳酸盐胶结物(3.8%)及硅质胶结物(0.8%)，颗粒分选中等偏好，磨圆度以次棱角为主，表现出较低的成分成熟度和结构成熟度。

图1 五蛟地区长7段致密砂岩三角图 Fig.1 Triangular diagram of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

2 计算方法

压汞试验可以获得致密砂岩样品的孔喉分布，借助分形理论，可将致密砂岩的孔喉进行分类，每一类孔喉都应有相同的分形维数。

基于分形理论，孔喉数量与孔喉半径满足以下关系[14]：

(1)

式中：Nr+为半径大于r的孔喉数量；r为孔喉半径，μm；rmax为最大孔喉半径，μm；f(r)为孔喉半径的密度函数，%；a为分形系数；D为分形维数，取值在2～3之间[15]。

式(1)可转变为：

(2)

压汞试验常用毛细管束模型来代表孔喉，基于毛细管束模型计算常规/高压压汞试验中岩石孔喉半径时，常假设孔喉长度(l)和孔喉半径(r)满足l=Cr(其中，C为比例系数)[16]。在该假设下，半径为r的单一孔喉对应孔喉体积g(r)可以表达为：

g(r)=πr2l=Cπr3

(3)

因此，综合式(2)和(3)可转变为：

(4)

式中：Vr+为半径大于r的累计孔喉体积，μm3。

将式(2)带入式(4)可得：

(5)

岩石样品的总孔喉体积(V)可以表达为：

(6)

因此，可将孔喉体积转换成进汞饱和度，即：

(7)

(8)

两边取对数可得：

(9)

3 结果分析

3.1 长7段砂岩物性及孔隙类型特征

五蛟地区长7段砂岩孔隙度主要分布在2%～12%之间，渗透率主要分布在0.3mD以下(见图2)，研究区砂岩属于致密储层范畴[17]。研究区致密砂岩储层渗透率与孔隙度的关系较差(见图3)，主要原因是长7段致密砂岩在成岩过程中经历了强烈的溶蚀和胶结作用[18,19]。

图2 五蛟地区长7段致密砂岩物性柱状图Fig. 2 The histograms of physical properties of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

图3 五蛟地区长7段致密砂岩渗透率-孔隙度关系 Fig. 3 Permeability-porosity relationship of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

基于场发射扫描电镜和铸体薄片鉴定分析结果可知，研究区长7段致密砂岩储层主要发育粒间孔、溶蚀孔(粒间溶孔、长石溶孔、岩屑溶孔、胶结物溶蚀孔)和晶间孔(黏土矿物晶间孔和自生石英晶间孔)(见图4)。大量镜下照片统计发现，长石溶孔在研究区长7段致密砂岩中最为发育，其次是粒间孔。粒间孔、粒间溶孔孔径较大，大多在10μm以上，其他溶蚀孔隙大多在10μm以下，晶间孔大多处于纳米级别。

3.2 孔喉分布特征

研究区致密砂岩具有小孔喉和高毛细管压力的特征，最大连通孔喉半径分布在0.0928～0.649μm之间，平均0.298μm；排替压力分布在1.13～7.92MPa之间，平均3.13MPa；中值压力分布在3.47～21.71MPa之间，平均8.49MPa。退汞效率较低，分布在11.9%～33.2%之间，说明研究区长7段致密砂岩储层孔喉连通性较差。进汞曲线可分为平台型、弱平台型和上凸型，并且随着致密砂岩物性变差而逐渐变差，进汞曲线由平台型转变为上凸型(见图5(a))。研究区所有致密砂岩样品的喉道半径全部分布在1μm以下，随着物性的变差，致密砂岩样品的孔喉分布逐渐向左偏移(见图5(b))。

注：(a)B278井，1992.5m，长72亚段，粒间孔和长石溶孔，少量微裂缝,铸体薄片；(b)B240井，2234.8m，长72亚段，长石溶孔为主，少量粒间孔和岩屑溶孔,铸体薄片；(c)L337井，2316.22m，长71亚段，粒间溶孔和长石溶孔为主，少量碳酸盐溶孔,铸体薄片；(d)B240井，2257.8m，长73亚段，长石溶孔,扫描电镜；(e)B488井，1912.79m，长71亚段，伊利石晶间孔,扫描电镜；(f)B240井，2262.7m，长73亚段，石英晶间孔,扫描电镜。图4 五蛟地区长7段致密砂岩孔隙类型Fig. 4 Pore types of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

图5 五蛟地区长7段致密砂岩进汞曲线特征及孔喉分布特征Fig. 5 Mercury injection curves and pore-throat distribution characteristics of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

3.3 孔喉分形特征

图6 五蛟地区长7段致密砂岩孔喉分形特征Fig.6 Fractal characteristics of pore-throats of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

4 物性分级评价

4.1 长7段致密砂岩物性分类

孔喉的分布控制着致密砂岩的渗流能力，且渗透率主要由较大孔喉贡献，渗透率越低，小孔喉贡献的占比越大[20]。因此，依据不同尺寸孔喉的体积占比可将研究区致密砂岩划分为4类：Ⅰ类砂岩，富含大孔喉和中孔喉，小孔喉和微孔喉的体积占比较低，孔隙度(>10%)和渗透率(>0.15mD)高；Ⅱ类砂岩，以中孔喉为主，其次是小孔喉，孔隙度(>8%)和渗透率(0.075～0.15mD)较高；Ⅲ类砂岩，以小孔喉为主，其次是中孔喉，孔隙度(>6%)和渗透率(0.05～0.075mD)较低；Ⅳ类砂岩，主要富集小孔喉和微孔喉，孔隙度和渗透率(孔隙度<6%或者渗透率<0.05mD)低(见图7)。

图7 五蛟地区长7段致密砂岩分级图版Fig. 7 Classification map of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

各类砂岩在渗透率上的界限最为明显，不同类型砂岩在渗透率分布上基本上不存在交叉，而孔隙度在不同类型砂岩中存在明显重叠(见图8(a)，因此渗透率可以作为研究区砂岩分级的有效指标。

王伟明等[21]在吐哈致密砂岩气储层的分级评价中构建了储能评价参数(孔隙度×渗透率×含气饱和度)，该参数能够综合反映致密砂岩的油气富集程度及流体的流动能力，可作为储层分级评价的有效参数。该次研究也构建了类似的储能评价参数(孔隙度×渗透率×含油饱和度)，储能评价参数与渗透率展现了极好的正相关关系(见图8(b))，依据渗透率的分级界限，可以厘定不同类型砂岩储能评价参数的分级界限分别为20×10-4、6×10-4、2×10-4mD。

图8 五蛟地区长7段各类致密砂岩渗透率与孔隙度及储能评价参数的关系Fig. 8 The relationship between permeability-porosity and reservoir potential assessment parameter of various tight sandstones of Chang 7 member in Wujiao Area

综上，给出研究区致密砂岩的分级评价方案(见表1)。

表1 五蛟地区长7段致密砂岩分级评价方案

4.2 不同类型砂岩在各层段的分布特征

通过对研究区长7段4215个致密砂岩样品的孔隙度和渗透率数据进行统计分析发现，研究区主要发育Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类砂岩，占比分别为20.5%、23.3%和51.8%，Ⅰ类砂岩占比仅为4.4%。从占比和数量上综合分析发现，Ⅰ类和Ⅱ类砂岩主要分布在长71亚段，其次是长72亚段(见图9)。

图9 五蛟地区不同类型砂岩在长71、长72、长73亚段的发育特征Fig. 9 Development characteristics of different types of sandstones in the sub-member of Chang 71, Chang 72, and Chang 73 in Wujiao Area

根据孔隙度和渗透率的测井解释结果，绘制了不同类型砂岩在平面上的分布特征(见图10)，可以看出，Ⅰ、Ⅱ类砂岩在长71和长72亚段的分布均主要集中在研究区的中南部，但Ⅰ、Ⅱ类砂岩在长71亚段的分布范围更广，除了研究区的中南部，在B450井-L404井一线附近也有大量发育。此外，研究区试油井主要分布在Ⅰ、Ⅱ类砂岩发育的位置，且高产试油井主要分布在研究区的中南部，也进一步证明该研究的砂岩分类方案是合理的。因此，研究区中南部是未来致密油勘探的有利区块，且长71亚段是未来勘探的最有利层段，其次是长72亚段。

图10 五蛟地区不同类型砂岩在长71和长72亚段的分布特征 Fig. 10 Distribution characteristics of different types of sandstones in the sub-member of Chang 71 and Chang 72 in Wujiao Area

5 结论

1)研究区长7段致密砂岩主要发育粒间孔、溶蚀孔和自生矿物晶间孔，其中，长石溶孔最为发育，其次是粒间孔。

2)基于分形理论，将研究区砂岩孔喉分为4类：大孔喉、中孔喉、小孔喉和微孔喉。依据不同类型孔喉的发育特征，将致密砂岩划分为四级：Ⅰ类砂岩、Ⅱ类砂岩、Ⅲ类砂岩、Ⅳ类砂岩。从Ⅰ类砂岩到Ⅳ类砂岩，其物性、孔喉结构参数及储能评价参数都变差。

3)鄂尔多斯盆地五蛟地区中南部是未来致密油勘探的有利区块，长71亚段是未来致密油勘探的最有利层段，其次是长72亚段。