基于压汞实验的致密砂岩储层物性响应及分形特征

戴亚威, 袁 珍, 武富礼, 李爱荣

西安石油大学 a. 地球科学与工程学院, b. 陕西省油气成藏地质学重点实验室, 陕西 西安 710065

0 引言

近年来, 随着全球对油气资源需求的不断增长,油气勘探开发难度也不断增加, 全球油气勘探开发由常规资源转向非常规资源[1]。 鄂尔多斯盆地上古生界盒8 段致密砂岩储层勘探开发潜力较大[2], 具有超低孔、 超低渗的物性特征, 研究其储层物性特征及微观孔喉结构对油气勘探开发具有重要意义。 分形理论为法国数学家Mandelbrot 提出, 可以度量复杂形体的不规则性, 应用于致密砂岩储层, 可表征储层孔喉的复杂程度, 通过高压压汞实验和X 全岩衍射实验得到储层物性、 孔喉特征和矿物成分等参数, 并计算出储层分形维数, 进而探究各影响因素与分形维数之间的关系, 分析影响储层物性的条件, 为致密砂岩储层的勘探、 开发及评价提供理论依据。

1 研究区地质概况

鄂尔多斯盆地上古生界自下而上发育了石炭系—二叠系(图1b) 的本溪组、 太原组、 山西组、 下石盒子组、 上石盒子组和石千峰组6 套地层[1], 二叠系下石盒子组盒8 段为上古生界致密砂岩气藏主力含气层系之一[3]。 G 井区位于盆地东南部(图1a), 现今构造面貌为近南北走向的不对称单斜。 研究区盒8 段沉积相类型为三角洲前缘沉积[4], 地层厚度为50 ～71 m, 同时受南北物源控制, 以河口坝砂体和水下分流河道砂体为主要储集体, 砂层厚度较大, 岩性以中—细砂岩为主, 储层较为致密。

图1 研究区构造位置和上古生界地层柱状图Fig.1 Structural location and stratigraphic column of Upper Paleozoic in the study area

2 储层特征

2.1 岩石学特征

研究区盒8 段储层岩性以中砂岩、 细粒砂岩为主, 粒径主要为0.2～0.55 mm, 分选较好, 磨圆度以次棱和次圆为主。 根据X 全岩衍射定量分析结果并做砂岩分类三角图(图2), 得出研究区储层岩石类型有石英砂岩、 岩屑砂岩和岩屑石英砂岩[5]; 在填隙物中, 黏土矿物胶结物有伊利石 (2.5%)、 高岭石(1.2%) 和绿泥石(1.3%); 碳酸盐胶结物以方解石(1.2%) 和铁方解石 (1%) 为主, 其次为白云石(0.3%) 和铁白云石(0.15%); 硅质胶结物平均体积分数3.2%, 主要来源石英次生加大。

图2 研究区盒8 段砂岩分类三角图Fig.2 Triangulation of sandstone classification of He8 Member in the study area

2.2 孔喉特征

盒8 段储层致密, 通过显微镜观察统计, 孔隙类型有原生孔隙和次生孔隙。 原生孔隙主要为残余粒间孔(图3a、 图3b), 形状通常为不规则多边形, 且孔径较小。 次生孔隙有溶蚀孔、 晶间孔和微裂缝, 溶蚀孔以粒间溶孔为主, 粒间溶孔颗粒边缘凹凸不整, 呈半圆状, 并残留较多溶蚀后的碎屑颗粒(图3a); 粒内溶孔有长石溶孔和岩屑溶孔, 主要呈条带状(图3c)。 晶间孔主要以黏土矿物晶间孔为主(图3d、 图3e), 此类孔隙较小, 连通性差, 对储层物性贡献有限; 显微镜下观察到微裂缝较发育, 呈弯曲状或锯齿状(图3f、 图3g), 大部分具开启性, 有利于天然气的运移, 对储层的孔隙度贡献有限, 却对储层渗流能力改善作用较强。

喉道是孔隙之间连通的通道, 影响着储层的渗流能力[6]。 按罗蛰潭教授得喉道分类, 研究区盒8 段致密砂岩储层, 以缩颈喉道、 片状喉道和弯片状喉道为主(图3h), 缩颈型喉道较少。

图3 研究区盒8 段孔喉类型Fig.3 Pore-throat types of He 8 in the study area

2.3 物性特征

根据研究区盒8 段储层岩心实测分析资料, 储层孔隙度分布区间为1.5%～12.64%, 平均值为5.31%;渗透率为0.004×10-3μm2～0.964×10-3μm2, 平均值为0.101×10-3μm2, 孔隙度范围值较大, 表明非均质性较强; 做孔隙度与渗透率散点图(图4), 发现有明显的正相关关系, 相关性为0.590 1, 按照DZ/T 0217-2020 碎屑岩储层分类标准, 研究区盒8 储层主要为特低孔—超低孔的致密砂岩储层, 反应了储集性能力低、 渗流能力差的特点。

图4 孔隙度和渗透率相关性图Fig.4 Correlation between porosity and permeability

3 分形维数计算

分形理论是20 世纪70 年代由数学家Mandelbrot提出[7], 储层的分形维数特征在一定程度上能够反映储层的孔隙类型、 孔隙结构以及其储集物性[8]。 分形维数数值在2～3 之间, 其值越大, 表明储层的孔隙结构特征越复杂; 反之, 值越小, 孔隙结构特征越简单。 基于高压压汞实验数据, 并结合前人推导出的分形维数计算公式, 如下:

式中:S为润湿相饱和度,S= 1-SHg,SHg为进汞饱和度,Pmin为汞开始进入孔隙的毛细管压力,Pc为毛细管压力,D为分形维数[9-10]。

根据上述公式(1), 通过研究区储层高压压汞实验参数, 对毛管压力Pc和进汞饱和度SHg进行计算,做lgS和lgPc交会图(图5), 可计算出孔隙分形维数D。

图5 研究区盒8 储层典型样品分形特征Fig.5 Fractal characteristics of typical samples from He 8 reservoir in the study area

通过分形特征曲线可以得出, 毛细管压力和润湿相饱和度的双对数呈明显的线性相关关系[7], 相关系数均达到0.9 以上, 曲线为一段式, 结合物性特征分析, 表明盒8 储层以小孔隙的分形特征为主。 分形维数计算结果见表1, 分形维数范围值为2.168 5～2.887 6,平均2.658, 分形维数比较大, 大部分大于2.5, 表明盒8 储层的孔隙结构较为复杂, 具有较强的非均质性[11]。

表1 研究区盒8 段样品分形维数表Table 1 Fractal dimension table of He 8 samples in the study area

4 讨论

4.1 分形维数和储层物性的关系

储层分形维数与储层层内非均质性相关, 影响着储层的物性[9,12]。 一般来说, 非均质性越强, 孔喉结构越复杂, 储层的连通性越低, 储层的物性越差。 在研究区盒8 段, 储层的孔隙度和渗透率与分形维数呈负相关关系(图6), 分形维数随储层物性变差的而增大, 表明孔喉大小和孔喉复杂程度影响储层物性。

图6 分形维数与储层物性关系Fig.6 Relationship between fractal dimension and reservoir material

4.2 分形维数和孔喉特征参数的关系

致密砂岩储层的孔喉结构特征受沉积作用和成岩作用等多因素的影响[13]。 通过变异系数、 中值压力、中值孔喉半径、 最大进汞饱和度、 残留汞饱和度和面孔率, 分析孔喉特征与分形维数的关系[14], 研究发现变异系数和中值压力与分形维数呈正相关关系, 孔喉中值半径、 最大进汞饱和度、 残留汞饱和度及面孔率与分形维数呈负相关关系(图7)。

图7 分形维数和孔喉特征参数关系Fig.7 Relationship between fractal dimension and pore-throat characteristic parameters

变异系数可以反映孔喉大小分布的均匀程度, 变异系数为0.148 ～0.964, 平均为0.36, 其数值越小,孔喉分布越均匀, 研究区盒8 段储层变异系数中等,表明孔喉结构较复杂, 分形维数较高。

中值压力作为油气产出能力的标志, 并受控于孔喉结构特征, 孔喉结构特征越复杂, 岩石越致密, 研究区盒8 段储层的中值压力为1.834 ～138.381 MPa,平均30.304 MPa, 表明样本中值压力较高, 且差异性较大, 样本的中值压力越高, 分形维数越大, 油气产出能力也越差[15]。

孔喉中值半径可以近似代表平均孔喉半径, 其大小影响着储层的渗流能力, 研究区盒8 段储层孔喉中值半径为0.005～0.424 μm, 平均值为0.132 μm, 孔喉中值半径越大, 渗流能力越强, 储层非均质性越低, 储层孔喉越简单, 分形维数越低。

最大进汞饱和度表示在实验仪器达到注汞最大压力时, 汞所侵入的孔喉体积的百分数, 可以表征储层的储集性能[5], 研究区盒8 段储层最大进汞饱和度为40.13%～99.16%, 平均75.66%, 最大进汞饱和度随分形维数的增加而降低, 整体表现为较高的储集性能。

残留汞饱和度的大小可以近似反应储层的采出程度, 样品残留汞饱和度为28.97% ～67.18%, 平均48.55%, 残留汞含量较高, 残留汞饱和度随分形维数的增加而减小, 表明研究区盒8 段致密砂岩储层孔隙结构复杂, 孔隙与喉道分布差异显著, 大量孔隙中的滞留汞由于小孔的屏蔽效应所造成采出程度较低[16]。

面孔率为孔隙面积占观测视域面积的百分比, 研究区盒8 段样品储层面孔率为2.1%～9.5%, 面孔率大小随分形维数增大而减小。

4.3 分形维数和矿物成分的关系

为进一步研究影响分形维数的因素, 分析矿物成分及含量与分形维数的关系, 做散点图(图8), 得出分形维数与石英含量和硅质胶结物含量呈负相关,分形维数与长石含量、 岩屑含量和黏土矿物含量呈正相关[17], 分形维数与碳酸盐胶结物含量无明显相关性。

图8 分形维数与矿物成分关系Fig.8 Relationship between fractal dimension and mineral composition

石英含量与分形维数呈负相关, 石英含量越高,分形维数越小。 石英成分相对稳定, 不易风化变形,石英含量越高, 储层抗压实能力越强[18], 可以保护储层中的粒间孔隙, 增大孔喉间的连通性。

通常长石含量与分形维数呈负相关, 由于长石易被溶蚀产生溶蚀孔隙, 使储集空间增大, 改善渗流能力, 降低非均质性。 研究区盒8 段储层长石含量与分形维数呈正相关, 长石含量越高, 分形维数越大, 结果与前人认识相反, 其原因为本区长石含量较低, 且长石溶蚀作用远小于长石向黏土矿物转化作用, 长石溶蚀孔隙的发育有利于黏土矿物的保存, 黏土矿物充填于孔喉间[7], 导致孔喉堵塞, 使分形维数增大[19]。

岩屑含量与分形维数呈正相关, 岩屑含量越高,分形维数越大。 岩屑含量的增加, 导致孔隙和喉道被小颗粒的岩屑填充和堵塞, 使储层物性变差, 分形维数增大[20]。

碳酸盐岩含量与分形维数无明显相关性。 早期的碳酸盐胶结物对储层有降低孔隙度和保留储集空间的作用, 后期溶蚀作用溶蚀前期形成的碳酸盐胶结物,从而对储层物性具有双重作用。

5 结论

(1) 研究区盒8 段储层为三角洲前缘沉积, 岩性以中—细粒砂岩为主, 粒径主要为0.2～0.55 mm, 分选较好, 磨圆度中等偏好; 储集空间总面孔率平均为3.35%, 类型以次生孔隙为主, 喉道类型为缩颈喉道、 片状喉道和弯片状喉道等, 孔隙度和渗透率较低, 储层物性较差。

(2) 研究区盒8 段储层分形特征曲线为一段式,表明孔隙以小孔为主, 分形维数较大, 普遍大于2.5,表现出较复杂的孔隙结构, 非均质性较强。

(3) 分形维数与储层物性及孔喉特征参数有较好的相关性, 分形维数越小, 储层物性越好, 孔喉的分选越好, 孔喉中值半径越大, 储集性能越高, 对应采收效率越高; 分形维数与石英含量呈负相关关系, 石英提高抗压实能力, 有效的保护粒间孔隙, 分形维数与长石、 岩屑和黏土矿物含量存在正相关, 长石溶蚀作用远小于长石向黏土矿物转化作用, 长石含量越高, 转化的黏土矿物量越多, 导致储层物性降低; 岩屑充填于孔隙, 并堵塞喉道, 使孔喉结构复杂, 使储层物性变差。 矿物成分及含量是影响储层质量的内在因素, 决定了与分形维数关系。