不同岩性火山岩孔隙度压力敏感性及其影响因素——以长岭断陷火山岩为例

张丽华，王 敏，单刚义，潘保芝，曹 玥

1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026 2.中国石化东北油气分公司, 长春 130000

0 引言

近年来，火山岩油气藏已成为我国天然气勘探和开发的主要领域之一，目前在松辽盆地、准噶尔盆地、渤海湾盆地等均有发现[1]。我国火山岩油气藏一般埋藏比较深[2]。在油气藏的开采过程中，随着储层内部流体的产出，储层孔隙压力降低，储层岩石原有的受力平衡状态发生改变。根据岩石力学理论，从一个压力状态变到另一个压力状态必然要引起岩石的压缩或拉伸，即岩石发生弹性或塑性变形。同时，岩石的变形必然要引起岩石孔隙结构和孔隙体积的变化，如孔隙体积的缩小、孔隙喉道和裂缝的闭合等，最终表现为孔隙度、渗透率随有效压力的增加而降低。国内外很多学者对孔隙度渗透率的压力敏感性进行了研究[3-14]。如：杨正明等[3]对火山岩塞样和全直径样品进行渗透率的压力敏感性研究发现，全直径岩心样品的渗透率随有效压力的升高而下降幅度比塞样的大；谢玉洪等[4]对莺-琼盆地中深层砂岩储层岩样进行了气体介质的变温及高温变围压孔隙度和渗透率测量，结果表明，温度及压力敏感特性主要受岩石刚性颗粒体积分数及胶结强度的控制；杨满平等[5]对大庆油田升平地区营城组升深2-1井10块流纹岩样品进行压力敏感性实验，得到的结论是流纹岩孔隙度的下降幅度在5%～22%之间，说明流纹岩的压力敏感性是不明显的；朱华银等[6]对大庆油田的火山岩的主要储集岩类进行的压力敏感性实验和岩石力学实验分析结果表明，大庆火山岩硬度大，抗压强度高，应力敏感性不强，当有效压力从5 MPa增大到60 MPa时，孔隙度下降率小于5%(相对值)； Zhang等[7]对平顶山矿区不同深度煤样渗透率和孔隙度的压力敏感性进行了研究。Cao等[8]研究了致密储层在压力加卸载过程中的渗透率压力敏感性；Zhao等[9]和Liu等[10]对不同微裂缝致密砂岩的渗透率压力敏感性进行了实验研究；Gao等[11]利用核磁共振技术研究鄂尔多斯盆地致密砂岩储层的孔隙度压力敏感性，结果表明，渗透率较高的岩样表现出较强的孔隙度压力敏感性。已有的文献对砂岩气藏的孔隙度和渗透率随压力的变化情况研究较多，目前普遍认为：地层压力变化在20 MPa范围内，砂岩孔隙度的改变量在5%之内，改变量不大[15]。随着净覆压的增大，孔隙度、渗透率值变小；净覆压对低孔渗砂岩的影响较大，对高孔渗砂岩的影响较小[16]。前人对火山岩岩样的压力敏感性研究比较少，尤其是对孔隙度的压力敏感性和对影响压力敏感性的因素进行的分析更少。火山岩岩样由于孔隙结构复杂、而且发育有裂缝和孔洞，导致其孔隙度和渗透率随压力的变化情况与砂岩有所不同。火山岩孔隙结构非常复杂，孔隙结构对生产过程中的压力变化非常敏感。孔隙结构的变化影响岩石的物性，从而影响流体的动态流动。松辽盆地长岭断陷龙凤山地区火山岩岩性主要为安山岩、玄武岩和凝灰岩[17-18]。本文针对长岭断陷龙凤山地区火山岩不同岩性的岩样进行孔隙度随压力变化的实验，探索压力对火山岩不同岩性的岩样孔隙度的影响，以期了解安山岩、含角砾凝灰岩和凝灰岩等不同岩性的孔隙度压力敏感性。

1 仪器设备和实验过程

1.1 实验设备和条件

实验仪器是美国CORETEST公司生产的适用于覆压条件下的孔隙度和渗透率自动测量仪[19](AP-608)。测试过程和结果输出完全自动化，可实现精确和可重复的测量。该仪器的Hassler型岩心夹持器具有快速释放功能。该仪器的围压范围(静水应力条件)为3.4～65.5 MPa，试验中使用的孔隙压力由设备程序自动控制。该仪器可测量的渗透率范围为(0.001～5 000.000)×10-3μm2，有效孔隙度范围为0.1%～40.0%。

1.2 实验样品

实验样品采自松辽盆地长岭断陷龙凤山地区的火山岩,采集了安山岩、角砾凝灰岩和凝灰岩3种岩性岩样。松辽盆地南部断陷型盆地群总面积约5.36×104km2，由16个分割独立的断陷盆地组成，平面上可划分为西、中、东3个断陷带，长岭断陷位于中部断陷带，中生界自下而上发育有下白垩统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组，上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组[20-21]。火石岭组沉积时期处于盆地的初始裂陷阶段，主要岩性为沉积岩，发育有灰色粉砂岩、泥岩、粗砂岩和砂砾岩不等厚互层；局部发育火山岩，岩性为灰、深灰色安山岩、玄武安山岩及凝灰岩。营城组沉积时期处于盆地的断陷期，早期火山活动发育大套火山岩，岩性主要为安山岩、玄武岩和凝灰岩。

1.3 实验过程

打开仪器电源，按照本次实验要求依据仪器取值原则设定氮气出口压力为1.5 MPa,气泵压力为0.7 MPa。先将切割成圆柱状的样品经洗油、洗盐、烘干后，测量岩样的长度和直径等，把岩样装入岩心夹持器，孔隙压力设为3.4 MPa，施加的围压分别为3.4、8.3、13.1、17.9、22.8、27.6、32.4、37.2 MPa。然后开始测量不同压力条件下岩样的孔隙度。孔隙度的压力敏感性文中定义为围压改变时孔隙度的变化情况。采用的标准是石油行业标准SY/T 《6385—2016覆压下岩石孔隙度和渗透率测定方法》[22]。岩样的基本信息如表1所示。

1.4 实验结果

岩心到达地面以后，由于地应力完全释放，岩石孔喉结构会发生变化。因此，在地面条件下进行的孔隙度和渗透率分析结果不能真实反映储层条件下的储集性能与渗流特性,需对实验数据进行压力敏感性分析。安山岩、角砾凝灰岩和凝灰岩的孔隙度比(φi/φ0)随压力变化的实验结果如图1所示。从图1可以看出，3种岩性的孔隙度比都随着压力增大而减小，但是减小的幅度和速率是不同的：压力小于13.80 MPa时，安山岩和角砾凝灰岩的孔隙度随着压力的增大而急剧减小，压力大于13.80 MPa时，则减小的速率变缓；而凝灰岩从3.4～37.2 MPa施加时，孔隙度随着压力的增大而减少的幅度一直变化不大。在37.20 MPa压力下，安山岩的平均孔隙度φi/φ0为0.62，角砾凝灰岩的平均孔隙度φi/φ0为0.43，而凝灰岩的平均孔隙度φi/φ0为0.10。

2 结果分析

经分析发现，火山岩的孔隙度压力敏感性完全不同于砂岩[23-24]，也不同于其他地区的火山岩[5-6]。并且不同岩性火山岩的压力敏感性不同。通过X射线衍射全岩分析、偏光显微镜下岩石薄片鉴定、高压压汞仪实验和基于CPMG脉冲序列的核磁共振实验对影响因素进行分析。在储量计算中，要求计算油气藏孔隙中的含油气量, 应该考虑用储层压力条件下的孔隙度，而且要考虑岩性的不同。构造变形和体变形是岩石压力敏感性的主要原因[25]，这两种变形主要受岩石组分、胶结物类型、岩粒接触方式和孔隙类型等因素的影响。因此下面从岩石组分、颗粒分选和孔径分布方面对孔隙度的压力敏感性进行分析。

表1 岩样的基本信息表

φ0是围压为3.4 MPa下的孔隙度值，φi是在不同压力下的孔隙度值。a. 安山岩；b. 角砾凝灰岩；c. 凝灰岩。

图1 孔隙度比随压力变化关系图

Fig.1 Relationship between porosity ratio and pressure

2.1 岩石组分

在外力作用下，硬度高的矿物不易变形或变形小，矿物硬度越低，越容易变形。矿物的硬度由强到弱的顺序为石英、长石、方解石和黏土矿物。在外力作用下，岩石中黏土矿物体积分数高的岩石易变形或破碎，使孔隙体积减小，也可能引起颗粒运移堵塞孔喉，使储层孔隙度和渗透率显著降低。从3块代表性岩样的X射线衍射全岩分析结果(表2)来看：安山岩岩样(X18_7)主要矿物是斜长石，斜长石、石英和钾长石体积分数达到63.5%，黏土矿物为27.8%。角砾凝灰岩岩样(X13_4)的斜长石、石英和钾长石体积分数达到54.0%，黏土矿物体积分数为28.6%；凝灰岩岩样(X17_1)斜长石、石英和钾长石体积分数之和为59.9%，黏土矿物体积分数为31.6%。施压后，孔隙度压力敏感性由强到弱的顺序为：凝灰岩、角砾凝灰岩和安山岩。黏土矿物为塑性矿物。表明塑性矿物体积分数越大，孔隙度的压力敏感性越强。

2.2 颗粒分选

据Xiao等[25]研究可知，储层岩石颗粒分选越好，在外力作用下变形的幅度越小，孔隙度压力敏感性越弱。观察显微镜下岩石薄片照片(图2)。X18_7安山岩岩样整体为斑状结构，岩石主要由斜长石斑晶和基质组成，其中斜长石斑晶体积分数约占55%，基质体积分数约占45%，斜长石斑晶粒径为0.45～0.85 mm(图2a)。由于分选较好，在施压后其变形幅度较小。X13_4角砾凝灰岩岩样为火山碎屑结构，块状构造。岩石由安山岩屑组成，岩屑粒径分布在0.25～5.10 mm，其中大于2.00 mm颗粒约为40%，小于2.00 mm颗粒约为60%。岩屑颗粒全部为浑圆状，分选好(图2b)。岩屑颗粒大小不均，分选较差，在施压后其变形幅度较大。X17_1凝灰岩岩样为火山碎屑结构，块状构造，火山碎屑粒径以0.30～1.85 mm为主，属于火山凝灰粒级，仅有个别颗粒粒径大于2.00 mm，成分为安山岩屑和长石，火山碎屑形状多为次圆状，分选较好。火山碎屑体积分数约为85%，填隙物为粒度更细的火山灰(图2c)。火山碎屑颗粒大小不均，分选差，且以粒径小的为主，在施压后其变形幅度最大。

本次研究得出的结论与文献[25]一致，岩石颗粒分选越好，孔隙度压力敏感性越弱。且火山岩的颗粒粒径越小，孔隙度的压力敏感性越强。

2.3 孔径分布

据岩石薄片和铸体薄片鉴定结果，研究区孔隙类型主要为粒间溶孔、粒内溶孔及晶间微孔，孔隙分布不均，局部发育构造裂缝。从扫描电镜图片分析，孔隙类型以粒间孔隙为主，填隙物较多，以胶结物为主，主要为绿泥石、伊利石和次生石英。

传统的压汞技术是基于假设多孔介质由不同直径的毛细管束组成[26-27]。采用高压压汞和核磁共振技术对岩样的孔隙分布情况进行了研究。图3显示了3块代表性岩样的孔径分布区间以及孔径分布频率。3块岩样的孔径有明显差异。安山岩岩样X18_7孔径主要介于0.004 0～1.000 0 μm之间，峰值分布频率约为7%(图3a)；角砾凝灰岩岩样X13_4孔径主要介于0.004 0～0.250 0 μm之间，峰值分布频率约为18%(图3b)；凝灰岩岩样X17_1孔径主要介于0.004 0～0.063 0 μm之间，峰值分布频率约为33%(图3c)。可以看出，小孔喉的比例越高，越容易被压缩。

表2 岩样全岩分析结果表

a.岩样X18_7; b.岩样X17_1; c.岩样X13_4。

a. 岩样X18_7;b. 岩样X13_4;c. 岩样X17_1。

图4是3种岩样核磁共振T2谱图。从图4中可以看出：岩样的孔隙结构都比较单一，以小孔隙为主；X13_4的孔隙尺寸最小，岩样X18_7的孔隙尺寸最大，岩样X17_1的孔隙尺寸居中。施压后，孔隙度压力敏感性由强到弱的顺序为：凝灰岩、角砾凝灰岩和安山岩。表明岩石颗粒分选越好，孔隙度的压力敏感性越弱；火山岩的颗粒粒径越小，孔隙度的压力敏感性越强。

图4 3种岩样核磁共振T2谱图

3 结论与建议

1)火山岩孔隙度随着压力的增大而减小，且不同岩性的样品，孔隙度随着压力增大而减小的幅度不同。安山岩减小的幅度最小，凝灰岩减小的幅度最大。故凝灰岩的孔隙度受压力的影响最明显。

2)塑性矿物体积分数越大，孔隙度的压力敏感性越强。

3)岩石颗粒分选越好，孔隙度的压力敏感性越弱；火山岩的颗粒粒径越小，孔隙度的压力敏感性越强。

4)孔隙度的压力敏感性与孔喉分布相关。孔喉越小，孔隙度的压力敏感性越强。

储量计算是要求计算油气藏孔隙中的含油气量, 应该使用地层条件下的孔隙度。本文虽然通过实验发现了不同岩性孔隙度的不同压力敏感性，但没有对覆压孔隙度的校正方法进行研究，这将是下一步的研究方向。