致密砂岩孔喉结构分析与渗透率预测方法——以川中地区侏罗系沙溪庙组为例

陈少云,杨勇强,2,邱隆伟,2,王小娟,杨保良,叶热杰普·哈布腊什木

1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580;2.深层油气全国重点实验室,山东 青岛 266580;3.中国石油 西南油气田公司 勘探开发研究院,成都 610041

随着全球对化石能源需求的不断增加,非常规油气已成为当今世界油气勘探开发的重要领域[1-7]。致密气是一种分布广泛、勘探潜力巨大的非常规油气资源[8-11]。中国致密砂岩气广泛分布于四川、鄂尔多斯、塔里木、准噶尔等多个盆地,有利勘探面积达32.46×104km2,地质资源量为21.85×1012m3,是中国现阶段十分重要的非常规天然气勘探领域[11-13]。近年来,四川盆地中部地区中侏罗统沙溪庙组陆相致密砂岩取得了重大勘探进展,累计提交探明储量达千亿立方米[14-16]。川中地区沙溪庙组属于典型的“孔隙型”致密砂岩,孔隙类型多样、孔喉结构复杂,储层质量差异受孔喉结构制约明显,强烈的非均质性严重制约着油气开发工作的进行[17-20]。

孔喉结构包括孔喉的几何形状、大小、连通性以及分布特征等几个方面[21]。表征储层孔喉结构的常用方法有:铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、恒速压汞、核磁共振、微米CT、氮气吸附、二氧化碳吸附、图像分析等[21-25]。近年来,分形理论表征孔喉结构在非常规油气研究中受到越来越多的关注[26-30]。前人利用分形维数(Df)在研究储层孔喉非均质强度、储层分类、储层评价等方面进行了大量工作,但在利用分形维数表征渗透率方面研究较浅[27,31-32]。笔者从储集空间类型、储集物性研究出发,结合高压压汞实验和分形理论,重点分析了川中沙溪庙组致密砂岩孔喉结构特征,探讨了孔喉结构、分形维数、储层物性之间的关系,并进一步分析孔喉尺寸对渗透率的贡献,建立了适用于研究区的渗透率预测模型。

1 地质背景

四川盆地是在扬子克拉通地台基础上发展起来的一个大型叠合盆地,现今已经成为中国西部重要的含油、富气的大型盆地之一[33-34]。四川盆地侏罗系自下而上发育自流井组、凉高山组、沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组5套地层[35-37]。研究区位于四川盆地中部,研究层位为中侏罗统沙溪庙组(图1)。

图1 四川盆地构造分区与侏罗系岩性特征

沙溪庙组以中间一套分布广泛的黑色“叶肢介页岩”为分界线分为沙一段和沙二段[16]。沙一段发育2～4组灰色砂岩与灰色、红色泥岩的韵律层,底部发育一套灰色厚层的砂岩与下伏凉高山组相区分;沙二段主要由灰色的中厚砂岩与紫红色泥岩组成不等厚互层。地层沉积环境为浅水三角洲,三角洲前缘水下分流河道砂体分布广泛,单期河道砂体分布面积超4 000 km2,河道水流方向主要呈北东—南西向[14]。

2 实验过程及研究方法

2.1 样品来源和实验方法

本次研究共收集川中地区沙溪庙组475块致密砂岩样品、2 421份物性测试数据,样品与数据均来源于中国石油西南油气田勘探开发研究院。除收集到资料外,本次研究所有实验测试均在中国石油大学(华东)深层油气重点实验室完成。

2.2 孔隙微观形貌观察

利用偏光显微镜对109块蓝色铸体薄片的储层空间类型与孔喉配置样式进行观察;通过CoxemEM-30扫描电镜对34块砂岩样品进行孔隙微观形貌观察,并测量孔隙大小。

2.3 高压压汞实验

参考石油工业标准《岩石毛管压力曲线的测定:SY/T 5346—2005》,利用AutoPore Ⅳ 9500压汞仪对33块不同砂岩样品进行高压压汞实验,取样位置见图1。在测试之前将样品磨制成直径2.5 cm、长度2.5 cm的两端平整的圆柱体,并将样品清洗干净、烘干至恒重,测量样品的几何形态、孔隙度和渗透率。本次实验最大压力约为200 MPa,得到的主要实验参数有排驱压力(Pcd)、最大进汞饱和度(Smax)、剩余饱和度(Sr)、最大孔喉半径(Rp)、平均孔喉半径(Ra)、孔喉分选系数(Sp)、渗透率贡献度等。

2.4 计算分形维数

在高压压汞实验分析的基础上,采用Li Kewen Model[38]分形模型探究致密砂岩孔喉分形特征,具体实验方法与计算过程见参考文献[39]。分形维数的计算结果详见表1。

表1 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩高压压汞实验数据与分形维数

3 结果

3.1 储层物性与储集空间类型

研究区储层以长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩和长石砂岩为主,含有少量的岩屑砂岩(图2a)。砂岩整体致密,孔隙度主要分布在6%～14%之间(图2b,c),平均孔隙度和渗透率分别为10.06%、1.999×10-3μm2,82.24%砂岩渗透率小于1×10-3μm2(图2b,d),属于典型的致密砂岩。

图2 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩储层岩石学与物性分布特征

孔隙类型主要包括粒间孔隙、粒内孔隙、微裂隙及少量晶间孔。粒间孔包括剩余原生粒间孔(图3a-c)和复合孔隙(图3d),剩余原生孔隙边缘平直,在铸体薄片中呈现三角形或者多边形,孔隙边缘发育绿泥石薄膜(图3a)。溶蚀孔主要是由长石(图3e,f)、岩屑(图3g)溶蚀形成的粒内溶孔、沿浊沸石解理缝溶蚀形成的微裂缝(图3h)及少量石英溶蚀形成的微小孔隙(图3i)构成。另外,黏土矿物晶间孔(图3j,k)和云母层间孔(图3l)也少量发育。喉道类型包括片状喉道(图3m)、缩颈喉道(图3n)和孔隙缩小型喉道(图3o),储集空间类型多样,孔喉大小从几纳米到几十微米不等。

图3 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩孔喉微观特征

3.2 孔喉结构参数特征

研究区样品可分为4种类型,不同类型样品的孔喉参数存在明显差异(表1、图4、图5)。

图4 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩不同类型样品的毛细管压力曲线、孔喉分布与孔喉含量特征

图5 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩不同类型样品的孔喉结构参数与物性对比

Ⅰ类砂岩的排驱压力小于0.4 MPa,最大进汞饱和度平均值为74.47%,最高值为94.22%,剩余汞饱和度在29.18%～57.09%之间;孔喉半径差异较大,平均孔喉半径为0.598～1.605 μm,最大孔喉半径均值大于4 μm,孔喉分选系数位于3～4之间;该类砂岩平均孔隙度为13.61%,平均渗透率为4.624×10-3μm2,储层物性好。

Ⅱ类砂岩的排驱压力在0.4～1.0MPa之间,最大进汞饱和度为45.24%～90.47%,平均剩余汞饱和度为46.31%;平均孔喉半径为0.307 μm,最大孔喉半径在1 μm左右,孔喉分选系数小于Ⅰ类砂岩;样品平均孔、渗分别为9.72%、0.375×10-3μm2。

Ⅲ类样品的排驱压力在1.0～5.0 MPa之间,最大进汞饱和度平均值为60.53%;平均孔喉半径为0.081～0.161 μm,最大孔喉半径小于0.6 μm,孔喉分选系数在2～3之间;该类样品孔隙度较小,平均值仅为6.68%,平均渗透率为0.047×10-3μm2。

Ⅳ类样品排驱压力大于5 MPa,进汞饱和度低至70%以下,剩余汞饱和度在28%～36%之间;平均孔喉半径分布在0.015～0.046 μm之间,最大孔喉半径小于0.2 μm,孔喉分选系数小于2;该类型砂岩平均孔隙度仅为5.03%,平均渗透率为0.196×10-3μm2。

3.3 孔喉半径及分布特征

沙溪庙组致密砂岩平均孔喉半径在0.015～1.605 μm之间,不同样品孔喉分布具有明显差异性。根据前人的孔喉分类标准[26,40],基于孔隙尺寸可划分为大孔(R≥1 000 nm)、中孔(100 nm≤R<1 000 nm)、过渡孔(10 nm≤R<100 nm)和微孔(R<10 nm)。

Ⅰ类样品孔喉分布具有单峰或者双峰的特征,最大峰值在1 μm处,部分样品在0.01～0.02 μm处存在次级峰(图4a1)。大孔含量在20%～40%之间,大、中孔占比最大,微孔占比最小(图4a2)。

Ⅱ类样品在0.3～0.6 μm之间存在最大峰值,0.01μm处存在次级峰值(图4b1)。Ⅱ类砂岩大孔喉含量减少,微孔喉比例增大,中孔和过渡孔是主要的孔隙类型(图4b2)。

Ⅲ类砂岩缺失大孔,以中孔和过渡孔为主(图4c2),孔喉半径在0.1～0.2 μm范围存在最大值(图4c1),次级峰值出现在0.01 μm处,微孔喉含量较Ⅱ类样品略有增加。过渡孔是Ⅳ类砂岩最主要的孔隙类型,孔喉半径主要分布在0.01～0.1 μm之间(图4d1,d2)。

3.4 分形维数

川中沙溪庙组致密砂岩孔喉分形曲线主要为两段式(图6a-d),部分为三段式(图6e)和单段式(图6f)。所有样品lgSHg-lgPc图分形曲线的拟合相关系数平方(R2)均大于0.9,确保不同段的分形维数的准确性。

图6 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩孔喉分形曲线

沙溪庙组致密砂岩孔喉分形维数主要在2.0～2.4之间,两个样品分形维数高,分别为2.741、2.785。Ⅰ类样品分形维数在2.04～2.17之间,平均值为2.11,分形曲线有三段式和两段式2种形式,以两段式为主,拐点处半径大约为1 μm(图6a,e);Ⅱ类样品分形维数在2.13～2.27之间,平均值为2.20,分形曲线为两段式,拐点半径略小于1 μm(图6b);Ⅲ类样品分型维数平均值为2.26,拐点处孔喉半径在0.1～1 μm之间(图6c)。Ⅳ类样品分形曲线有两段式和单段式2种形态,分形维数较高,由Ⅰ类到Ⅳ类孔喉分形维数逐渐变大。

4 讨论

4.1 分形维数与孔喉结构的关系

孔喉结构与半径大小是影响砂岩储层渗流能力的重要因素[20],孔喉结构参数与分形维数的相关性研究是致密砂岩孔喉表征的基础。研究区致密砂岩孔喉分形维数与孔喉半径呈负相关关系,孔喉半径越大,分形维数越小;最大孔喉半径大于1 μm的样品分形维数均小于2.2,而分形维数大于2.3的样品最大孔喉半径小于0.3 μm(图7a,b)。分形维数与排驱压力存在正相关关系,与最大进汞饱和度存在负相关关系,孔喉分形维数越小的样品排驱压力越小、最大进汞饱度越大,该类样品孔隙连通性高、非均质性弱、储层物性好(图7c,d)。另外,孔喉分形维数与颗粒粒度、颗粒分选系数存在着明显的相关性,颗粒越大,分选越好的样品,分形维数越小(图7e,f),这可能与强水动力条件下原生孔保存较多、连通性良好、孔喉非均质性弱有关。储层物性与分形维数具有明显的负相关关系(图7g,h),分形维数越低、渗透率越高。

图7 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩分形维数与储层物性、孔喉结构关系

孔喉相对分选系数为孔喉分选系数与孔喉半径均值的比值,反映了孔喉大小分布的均匀程度。分形维数与孔喉相对分选系数存在明显的正相关关系(图7i),相关系数高达0.851 5,进一步证实了分形维数表征孔喉结构与非均质性的可行性。

以0.1 μm为分界,将孔喉分为2部分,建立了不同半径孔喉含量与分形维数的关系图(图8a)。该图显示分形维数与孔喉含量有明显的线性关系(R2=0.943 2),分形维数会随着半径大于0.1 μm孔喉含量的减少而增大。分形维数小于2.15,半径大于0.1μm的孔喉含量不小于70%;分形维数上升至2.15～2.25之间时,半径大于0.1 μm孔喉含量下降至50%～70%之间;而分形维数大于2.25时,半径大于0.1 μm孔喉含量下降至50%以下,半径小于0.1 μm孔喉占主导作用(图8a)。孔喉频率与分形维数的强相关性,表明分形维数是指示孔喉组成的重要指标。

图8 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩孔喉分布频率与渗透率贡献度、分形维数的关系

4.2 孔喉半径分布对渗透率的控制作用

孔喉大小及组成是控制致密砂岩储层物性的关键因素,致密砂岩渗透率随着孔喉半径的增大而增大,渗透率贡献度随着大孔含量的增加而上升(图8b,c)。

在一次完整的高压压汞实验中,累积渗透率贡献曲线都会随着压力的升高经历3个不同的阶段(图9)。第一阶段发生在压力到达排驱压力之前,在此阶段累积渗透率始终为0。压力到达排驱压力之后,渗透率累积量迅速增加至95%以上,与此同时,进汞量也呈现为一种快速上升趋势,但进汞饱和度仅为25%～42%,远远未达到最大值,此阶段称为“快速增长阶段”。随着压力的进一步增大,累积汞饱和度曲线依旧呈现为一种快速上升过程,但累积渗透率贡献曲线进入缓慢增加阶段,渗透率增加不明显。

图9 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩孔喉分布对渗透率的控制作用

致密砂岩渗透率主要受控于小部分半径相对较大的孔喉[20],而相对小的孔喉对渗透率的贡献度有限。川中沙溪庙组致密砂岩最小流动孔喉半径平均值为0.059 μm,属于过渡孔范围;半径大于0.1 μm的孔喉渗透率贡献度达98%以上(图8c、图9、图10)。半径大于1μm大孔对渗透率有着绝对的控制作用,大孔含量越多,渗透率贡献度越大(R2=0.972 5)(图8b)。中孔渗透率贡献度明显高于过渡孔和微孔,过渡孔与微孔所占进汞饱和度与渗透率贡献度之间具有正相关关系,相关系数R2分别为0.59与0.79,但两类孔隙渗透率贡献度分别集中在0.01%～10%与0%～1%之间,暗示这类小孔隙对总体渗透率贡献有限,但作用不可忽视。

图10 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩孔喉相对百分含量与渗透率贡献柱状图

不同类型砂岩样品孔喉分布与渗透率贡献特征差异性明显。Ⅰ类样品大孔以小于40%的含量贡献了90%以上的渗透率;Ⅱ、Ⅲ类砂岩大孔的渗透率贡献度降低,中孔成为最主要的渗透率贡献者;Ⅳ类储层中过渡孔含量、渗透率贡献度均达到最高(图10)。

4.3 基于孔喉半径及分形维数的渗透率预测模型

利用岩心实测孔渗资料,建立渗透率与孔隙度的拟合关系(图11a)。渗透率与孔隙度的线性、指数、对数拟合关系较差,相关系数小于0.5,而渗透率与孔隙度幂函数拟合R2虽然达到0.5,但依旧无法满足储层精细评价的要求[41]。前人研究中提出了多种基于孔隙度、压汞参数以及其他参数的渗透率模型[42-44],但大多数模型并未考虑孔喉分形特征对渗透率的贡献。

图11 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩实测渗透率与孔隙度、预测渗透率交会图

基于前面的讨论,选取孔隙度、分形维数、不同孔喉半径对渗透率进行多元回归拟合与相关性分析(表2),并选取相关性最好的公式作为渗透率预测模型。最终确定了基于最大孔喉半径、分形维数、孔隙度的渗透率预测公式:

表2 川中侏罗系沙溪庙组致密砂岩渗透率与分形维数、孔隙度、孔喉半径相关性

lgK=4.452Df+2.014lgRa+0.065Ф-10.588

(1)

式中:孔隙度(Φ)表示砂岩中孔隙含量,单位%;分形维数(Df)表征孔喉的非均质性与组成特征;最大孔喉半径(Ra)指示孔喉大小,单位μm。

通过公式(1)对研究区及邻近研究区样品进行预测并验证(图11b),除两个异常点之外,预测结果与实测结果整体相关性极高(R2大于0.9)。图11b中有两个预测渗透率明显小于实测渗透率的红色异常点,对两个异常样品薄片观察发现发育明显的微裂缝,造成渗透率偏高。由此表明,基于孔隙度、分形维数、最大孔喉半径的回归公式可以更准确地计算致密砂岩“孔隙型”储层的渗透率,但对微裂缝较为发育的砂岩预测效果不理想。

5 结论

(1)川中沙溪庙组储层具有岩性致密、孔喉结构复杂、非均质性强的特点。原生孔隙、次生溶蚀孔隙、微裂缝与晶间孔均有发育,孔隙半径从几纳米到几十微米均有分布。Ⅰ类砂岩排驱压力小于0.4MPa,平均渗透率大于4×10-3μm2,半径大于0.1 μm的大孔和中孔占绝对主导地位;Ⅱ类样品排驱压力在0.4～1.0 MPa之间,平均孔、渗分别为9.72%、0.375×10-3μm2,分形维数为2.20,半径大于0.1 μm中孔含量上升;Ⅲ类砂岩渗透率仅为0.047×10-3μm2,以中孔和过渡孔为主;Ⅳ类砂岩排驱压力大于5 MPa,孔隙度低,且因缺乏大孔导致渗透率较低。

(2)致密储层最小流动孔喉半径平均值为0.059 μm,处于过渡孔范围内,半径大于0.1 μm的孔喉渗透率贡献度达98%以上。大孔贡献了Ⅰ类砂岩90%以上的渗透率,中孔贡献了Ⅱ、Ⅲ类砂岩绝大部分渗透率,Ⅳ类砂岩中过渡孔渗透率贡献最大。大孔、中孔含量决定了渗透率的高低,过渡孔与微孔渗透率贡献度有限,但其含量与渗透率贡献关系明显,不可忽视。

(3)分形维数是指示孔喉组成的重要指标。沙溪庙组致密砂岩分形维数主要介于2.0～2.4之间,分形曲线呈现多段式的特征。分形维数与孔喉半径、进汞饱和度呈负相关关系,与排驱压力呈正相关关系。半径大于0.1 μm的孔喉含量不小于70%时,分形维数主要在2.00～2.15之间;分形维数在2.15～2.25之间时,半径大于0.1 μm孔喉含量在50%～70%之间;而分形维数大于2.25时,半径小于0.1 μm孔喉占主导作用,含量不小于50%。

(4)孔隙含量、孔喉组成、孔喉半径是影响渗透率的关键因素,基于分形维数、孔隙度、最大孔喉半径建立的渗透率预测模型在沙溪庙组“孔隙型”储层中具有极高的适用性。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

陈少云、杨勇强、邱隆伟完成了研究思路制定、数据分析等方面的工作。王小娟提供了部分研究区的原始数据,指出了研究区实际问题与研究内容的联系。杨保良、叶热杰普·哈布腊什木对部分数据进行整理,并参与图片绘制工作。陈少云、杨勇强全程参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

CHEN Shaoyun, YANG Yongqiang and QIU Longwei carried out the tasks of formulating research ideas and analyzing data. WANG Xiaojuan provided some of the raw data of the study area, pointed out the connection between the actual problems of the study area and the content of the study. YANG Baoliang and Erejep HABILAXIM organized part of the data and participated in the drawing of pictures. CHEN Shaoyun and YANG Yongqiang participated in writing and revising the paper. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.