气田致密砂岩气储层不同孔隙结构表征研究

张翔　闫旭光　张雷　周晓　王欢欢

摘 要：以鄂尔多斯盆地某气田致密砂岩储层为研究对象，利用多种实验综合分析方法揭示不同孔隙尺寸分布、孔隙形状、孔隙类型。实验结果表明，研究区域的孔隙主要为次生溶孔、杂基孔、粒间孔以及微裂缝，由三维孔隙网络观察到孔隙形状以柱状和球状为主，分布不均匀，且致密砂岩中发育有较多的孤立孔隙。核磁共振T2谱具有双峰特征，表明孔隙尺寸主要分布在2个范围内。利用改进的K-C方程确定了新的孔隙结构分类参数PSCI。利用该分类模型将来自某气田的致密砂岩样品分成了4类，按类别拟合了孔隙关系曲线，获析了各类孔隙结构的孔渗关系式，这有助于通过孔隙度更准确的预测渗透率。

关键词：致密砂岩；孔隙结构；流动机制；渗流能力

中图分类号：TE311+.2 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0107-04

Characterization of pore structure of tight sandstone gas reservoirs in a certain area of the ordos basin

ZHANG Xiang1，YAN Xuguang2，ZHANG Lei3，ZHOU Xiao2，WANG Huanhuan2

（1.Yanchang Petroleum （Group） Co.，Ltd.，Oil and Gas Exploration Company，Yanan 716000， Shaanxi China;2.Xian Alberta Environmental Analysis and Testing Technology Co.，Ltd.，Xian 710018， China;3.Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Hengshan Oil Production Plant，Yulin 719100， Shaanxi China）

Abstract：This article takes a tight sandstone reservoir in a gas field in the Ordos Basin as the research object，and uses various experimental comprehensive analysis methods to reveal the distribution of pore size，pore shape，and pore type.The experimental results indicate that the pores in the study area are mainly secondary dissolution pores，mixed matrix pores，intergranular pores，and microcracks.From the three-dimensional pore network，it is observed that the pore shapes are mainly columnar and spherical，with uneven distribution.Additionally，there are many isolated pores developed in dense sandstone.The nuclear magnetic resonance T2 spectrum exhibits a bimodal characteristic，indicating that pore size is mainly distributed within two ranges.A new pore structure classification parameter PSCI was determined using the improved K-C equation.Using this classification model，the tight sandstone samples from a certain gas field were divided into four categories，and the pore relationship curves were fitted according to the categories.The pore permeability relationships of various pore structures were obtained，which helps to predict permeability more accurately through porosity.

Key words：dense sandstone;pore structure;flow mechanism;seepage capacity

化石燃料资源丰富，开发利用相对经济，是人类的主要能源。天然气作为一种重要的化石燃料，在致密气和页岩气资源持续开发的推动下，实现了全球化石燃料产量最大的增长。非常规油气资源的快速开发使北美地区的石油产量增加了31％，引发了全球致密油气开采热潮［1-2］。非常规致密砂岩储层在我国多个油田也相继成功开发［3-7］。与常规砂岩储层相比，致密砂岩储层孔隙类型多，孔喉半径分布范围广，孔隙空间连通性差，非均质性强［8-10］。因此，研究孔隙结构特征揭示致密砂岩孔隙结构与流动机制有着直接内在联系［11-13］。

目前国内外关于致密砂岩储层孔隙结构表征的研究多采用单一的实验方法，未能全面获取孔隙结构参数、精准评价孔隙结构特征。在前人的研究基础上，本文通过收集某气田井区的致密砂岩样品，对其开展实验分析，获得各样品的物性参数，将多种实验与分类理论相结合，综合表征了研究区域的致密砂岩储层的孔隙结构，并利用改进的K-C方程确定了新的孔隙结构分类參数。

1 試验材料与方法

1.1 试验材料

本文所用研究岩石样品取自A 6 井，选取其中8块典型样品，用于铸体薄片实验、微CT扫描实验和核磁共振实验。

1.2 试验方法

本文综合使用核磁共振、X射线衍射、实验对致密砂岩岩心进行分析。

（1）核磁共振实验分析。不仅可以分析整个样品中大小孔隙的分布情況，也可以分析出大小孔隙所分布的具体孔喉半径范围。通过核磁共振扫描得到的横向弛豫时间（T2）谱分布曲线转换为毛管压力分布曲线，可有效将微观孔喉半径与喉道半径之间的关系明确化，研究其连通性情况；

（2）X射线衍射实验分析。通过X射线衍射仪测定岩样中矿物中晶体的衍射图谱，图谱中的特征峰强度与样品中该矿物的含量正相关。基于实验的方式可以确定岩样中某种矿物的含量与其特征衍射峰的强度之前的正相关关系，进而通过测量未知样品中该矿物的特征峰的强度而求出该矿物的含量；

2 结果与讨论

2.1 致密砂岩孔隙结构特征评价

2.1.1 岩石物理特征及孔隙类型

岩心样品孔隙度和渗透率测试是研究孔隙结构的关键步骤，本次实验选用了8个样品进行常规孔渗实验。在实验测量前需对样品进行预处理。在全直径砂岩样品上钻取长为5 cm，直径为2.5 cm的标准圆柱岩心。对其进行清洗。采用SCMS-E型高温高压岩心多参数仪对所选样品进行孔渗参数测量。得到的孔隙度和渗透率将用于研究孔隙结构对砂岩储集能力和渗流能力的影响以及分形渗透率模型的可靠性验证。

研究的岩心主要灰白色致密砂岩。不同的砂岩样品的粒径无明显差别，大部分为中粗粒砂岩。8个样品的气测孔隙度2.93%～9.91%，平均值为6.38%，测得的渗透率0.013～0.237 mD，平均值为0.083 mD。计算出储层质量指数（RQI）介于0.021～0.049 μm，平均值为0.033 μm。由此可知，渗透率与孔隙度呈正相关；但相关性较弱，相关系数为0.751 3（如图1所示）。

2.1.2 岩石矿物成分分析

表1汇总了8个致密砂岩样品的XRD矿物质量分数。根据X射线衍射全岩定量分析结果可知，这些样品主要含有石英、粘土矿物、斜长石等矿物，只有部分岩心含有少量的白云石、方解石、无菱铁矿和黄铁矿。石英含量介于40%～90%，平均61.6%；长石含量介于0%～27%，平均16%。所有样品均含粘土矿物，含量介于7%～25%，平均为16.3%；粘土矿物以伊利石为主，占总粘土矿物比例39%～78%，其次是绿泥石（10%～39%）、伊蒙互层（4%～31%）和高岭石（0%～5%）。

2.1.3 核磁共振测试

核磁共振得到的N1～N8岩心T2分布曲线如图3所示。

从图2可以看出，T2谱呈明显的双峰分布，双峰分布表明岩心样品中的孔径分布不连续。左右峰T2分别在0.1～10、10～1 000 ms；T2越小，孔隙半径越小。从图2的曲线上还可知，左峰明显高于右峰，说明岩心样品中微孔比大孔发育得更好。值得注意的是，N1岩心左峰远高于其他岩心，说明N1岩心大孔隙发育程度相对较好。

N1～N8岩心样品的核磁共振孔隙度变化范围为3.12％～11.26％，平均孔隙度为6.92％。利用NMR实验数据与气测孔隙度绘制了直方图和关系曲线，具体如图3、图4所示。通过对比发现，由于NMR法测量的是总孔隙度，而气测孔隙度是有效孔隙度，所以NMR测得的孔隙度略大于气测孔隙度。对关系曲线进行回归，发现NMR测得的孔隙度与气测孔隙度之间存在良好的线性趋势（R2=0.989 7）。

2.2 致密储层孔隙结构分类

分类评价参数是关键，直接决定了储层流动单元研究结果的准确性。本研究对影响储层流体流动特性的诸多参数进行了分析和比较。在分析影响储层流体流动特征因素的基础上，对孔隙结构的分类和评价参数进行了优化，以确保这些参数能够充分反映各种因素对储层流动特征的影响。

2.2.1 孔隙结构分类指标建立

储层经历了复杂的成岩过程，导致孔隙结构具有较强的非均质性，这对多孔介质中流体的渗流特征有着重要的影响。准确划分具有相同流动特征的岩石对评价油藏的非均质性有着重要的意义。自提出划分流动单元的参数（FZI）以来，大量学者利用FZI对孔隙结构划分进行了研究。本文基于改进的K-C方程和改进的分形渗透率模型，建立了与FZI类似的流动单元（HFU）划分参数。利用改进的分形孔隙比表面积重写的K-C方程：

由式（2）可知，具有相同孔隙结构的岩石，其孔隙结构分类指标应该相同。这是由于这类岩石经历了相似的沉积和成岩过程，因此有着相似的宏观储层性质和微观孔隙结构。

相同类型的孔隙结构，在双对数坐标中落在一条斜率为1的直线上。具有不同PSCI值的样本将位于平行线上，位于同一条线上的样品具有相同的孔喉尺寸特性，因此被归入一个水力流动单元。

2.2.2 致密砂岩孔隙结构分类

1）分类方法

考虑到借助直方图和概率图确定流动单元的精确数量和分离边界的模糊性，因此需要更精确的方法。层次聚类是一种使用树形图层次树在不同尺度上同时对数据进行分组的方法。该树不是一个独立的数据集，而是一个多级分类，其中较低级别的集群与较低级别的集群相连。这些条件使得为各自的类别选择更合适的水平或聚类尺度成为可能。改进模型分类结果如图5所示，其中mROI为储层质量指数，为孔隙度。

2）分类结果评价

在改进模型分类关系曲线中，确定了4种类型的PSCI，用斜率为1的虚线加以区分。PSCI在0.17 ～1.66 μm变化，具体为：PSCI 1>0.71 μm，PSCI 2=0.46～0.71 μm，PSCI 3=0.3～0.46 μm，PSCI 4<0.3 μm。因此，依据流动单元分类，取样区域的孔隙结构可以被分为4种类型，这也标志着这4种类型的岩心中的孔隙结构和流动规律的差异。孔隙度-渗透率散点图显示出很大的分散性，结果如图6所示。

从图6可知，相关系数仅为0.460 4，这表明孔隙度不能单独解释渗透率的变化，即使是同一口井的孔隙度和渗透率数据，这种差异仍然存在。

3 结语

（1）使用综合的实验手段对真实低渗透致密砂岩岩心的孔隙和喉道的几何形状、尺寸分布、连通性、孔隙和喉道的配位关系进行了定量分析。通过岩心铸体薄片确定了致密砂岩中的孔隙类型，储层中的孔隙主要为次生溶孔，其次为杂基孔和粒间孔，虽然微裂缝的数量较少，但是能够较大程度的影响渗透率；

（2）基于致密砂岩孔隙空间满足分形规律，利用改进的K-C方程确定了孔隙结构分类参数PSCI。利用该分类模型将来自某气田的砂岩样品分成了四类，每一类的孔隙度和渗透率相关性均远高于总体的孔渗相关性。因此，可以利用分类模型划分出具有相同孔隙结构的致密砂岩储层，并通过孔隙度更准确的估计渗透率。

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收稿日期：2023-02-23；修回日期：2023-05-04

作者简介：张 翔（1983-），男，硕士，高级工程师，研究方向：石油天然气勘探开发；E-mail：gjgknw@163.com。

基金项目：国家青年基金项目（项目编号：52104032）。

引文格式：张 翔，闫旭光，张 雷，等.某气田致密砂岩气储层孔隙结构表征研究[J].粘接，2023，50（6）：107-110.