鄂尔多斯盆地志靖—安塞地区延长组7段致密砂岩微观孔隙结构评价

余光展 王健 吴楠 徐清海 刘显凤 付清萌

摘要：储层微观孔隙结构的研究对油气勘探开发具有重要意义。本文采用氮气吸附、铸体薄片观察、扫描电子显微镜（SEM）观察、X射线衍射（XRD）和核磁共振等实验手段研究志靖—安塞地区延长组7段致密砂岩的微观孔隙结构，计算孔隙结构参数，观察微孔分布，分析微孔隙类型，探讨并分析影响微孔发育的矿物成分、粒度及分选等相关参数。结果表明：研究区长7段的岩性主要为长石砂岩;致密砂岩微孔隙结构复杂，主要以黏土粒间溶孔、长石溶孔等形式存在；长7段主要发育小孔喉，微孔体积平均值为6.19×10^-3mL/g，孔隙发育差；长7油层组砂岩样品中，长7段的BET（Brunauer-Emmett-Teller）比表面積平均值为4.252 m²/g，总孔体积平均值为0.018 3 mL/g，最大孔径平均值为185.9 nm；砂岩孔隙以介孔为主，宏孔和微孔次之。

关键词：鄂尔多斯盆地；长7段；致密砂岩；氮气吸附；微观孔隙研究

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220270 中图分类号：TE122 文献标志码：A

收稿日期：2022-09-29

作者简介：余光展（1999—），男，硕士研究生，主要从事油气成藏方面的研究，E-mail：2021710395@yangtzeu.edu.cn

通信作者：王健（1992—），男，中级实验师，主要从事油气成藏及油气地球化学方面的研究，E-mail：wangjian2017@yangtzeu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（42172179，41772145，42202150）；构造与油气资源教育部重点实验室（中国地质大学）开放基金（TPR-2022-12）

Supported by the National Natural Science Foundation of China（42172179，41772145，42202150）and the Open Fund for Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources （China University of Geosciences）， Ministry of Education （TPR-2022-12）

Micropore Structure Evaluation of Chang 7 Tight Sandstone

in Zhijing-Ansai Area， Ordos BasinYu Guangzhan¹， Wang Jian^1，2 ， Wu Nan¹， Xu Qinghai¹， Liu Xianfeng¹， Fu Qingmeng¹

1. School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China

2. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources（China University of Geosciences），Ministry of Education，

Wuhan 430074， China

Abstract：  The study of micropore structure in reservoirs is of great significance for oil and gas exploration and development. This article uses experimental methods such as nitrogen adsorption， blue-dye thin section observation， scanning electron microscopy （SEM） observation， X-ray diffraction （XRD）， and nuclear magnetic resonance to study the micropore structure of the tight sandstone in the Yanchang Formation 7 Member of the Zhijing-Ansai area. The pore structure parameters and distribution are calculated， and the types of micropores are analyzed. The mineral composition， particle size， and sorting parameters that affect the development of micropores are discussed. The results show that the lithology of the Chang 7 Member is mainly feldspar sandstone. The micropore structure of tight sandstone is complex， mainly existing in the form of clay intergranular dissolution pores， feldspar dissolution pores， etc. The Chang 7 Member mainly develops small pore throats， with an average pore volume of 6.19× 10^-3mL/g， indicating poor pore development. In the sandstone samples of the Chang 7 oil layer， the average BET （Brunauer-Emmett-Teller） specific surface area of the Chang 7 Member is 4.252 m²/g， the average total pore volume is 0.018 3 mL/g， and the average maximum pore size is 185.9 nm. The sandstone pores are mainly mesopores， followed by macropores and micropores.

Key words： Ordos basin; Chang 7 Member; tight sandstone; nitrogen adsorption; microscopic pore research

0 引言

随着石油勘探行业技术的进步和发展，非常规油气逐渐成为全球勘探的热点^[1]。致密砂岩油气是非常规油气重要组成部分，在鄂尔多斯盆地、四川盆地等中国主要含油气盆地均有分布，勘探面积超过1.6×10⁵km²，资源潜力约为2×10¹⁰ t^[2]。按照致密油劃分标准，长7段储层为典型的致密储层^[3]。长7段致密砂岩油分布广泛，初步估计致密油地质资源量达9×10⁸t^[3]。

前人对长7段做过大量的研究^[4-8]，包括沉积学特征、岩石学特征、岩石物性特征等，结果表明，储层微观孔隙结构对油气的储集等有重要影响，对比常规储层，致密储层的孔隙结构更为复杂，所以研究致密储层孔隙结构对后续勘探研究非常重要。目前有多种方法研究致密砂岩储层孔隙特征，如铸体薄片观察、扫描电子显微镜（SEM）观察和高压压汞实验等。致密砂岩孔隙直径一般为10～1 000 nm^[9-10]，由于普通光学显微镜的局限性，极限观测大小是200 nm，无法覆盖整个微观孔隙，成像效果不清晰，无法准确观察到铸体薄片中的纳米级微孔孔隙;而高压压汞实验用以识别介孔和宏孔，测量的孔径规模一般在50 nm左右^[11-12]；因此，以上常规方法不能准确地描述致密砂岩微孔孔隙结构。一般定量研究微孔（孔径小于300 nm）的有效方法是氮气吸附法^[13]，氮气吸附-脱附曲线的迟滞环能很好地体现孔喉的形状，由吸附-脱附曲线得到的相关数据可计算微孔体积、比表面积以及微孔隙分布^[13-19]。

本文以鄂尔多斯盆地志靖—安塞地区延长组7段为例，通过氮气吸附、铸体薄片观察、扫描电子显微镜观察、X射线衍射（XRD）和核磁共振实验等手段，突破以往单一手段方法存在局限性，综合全面地获取致密砂岩孔径分布、孔喉几何类型、孔隙体积等，以期揭示孔隙结构和成岩作用对储层物性的控制作用，为后续的研究勘探提供基础。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是一个位于华北地台的多旋回大型克拉通盆地^[20-21]。盆地构造简单，根据构造演化史，鄂尔多斯盆地一共被分为6个一级构造单元：晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷、西缘逆冲带、伊盟隆起和渭北隆起（图1）。三叠纪时期，盆地自下而上主要发育刘家沟组、和尚沟组、纸坊组和延长组。研究区位于伊陕斜坡中部，北起靖边，南到志丹，西至吴起，东抵安塞。研究区延长组7段主要发育三角洲前缘与滨浅湖相沉积，长7₃段主要为泥岩和页岩（图2），为晚三叠世主要的烃源岩，长7₁、长7₂段的砂体较为发育，纵向上与湖相泥岩互层共生^[22]。储层物性较差，孔隙度多小于7%，渗透率多小于1×10^-3μm²，为典型的致密砂岩储层。

2 实验样品与方法

本次研究样品取自鄂尔多斯盆地志靖—安塞地区中—上三叠统延长组7段。样品岩性主要为灰黑色砂岩、灰黑色泥岩和黑色页岩。首先，取样品部分粉碎进行X射线衍射分析，确定其矿物成分及其相关含量，待检测完成后进行低温氮气吸附实验，以获得其吸附-脱附曲线及相关孔隙结构参数。其次，取样品新鲜部分制成薄片，通过铸体薄片观察和扫描电子显微镜观察确定孔隙度微观特征。然后，取样品部分进行核磁共振实验确定孔喉分布特征。最后，对获取的相关数据整理，得到研究区长7段孔隙、孔径等微观结构的分布特征。

3 储层特征

3.1矿物组成

研究区延长组7段岩性多样，主要以长石砂岩为主（图3），矿物组成复杂，主要由长石、石英和黏土矿物组成（表1）。长石体积分数为35%～76%，平均值为58%；石英体积分数为9%～48%，平均值为17%；黏土矿物体积分数为7%～35%，平均值为16%。同时，部分样品方解石也比较发育，如丹228井长7₂段和新140井长7₁段样品方解石体积分数分别为28%和26%。此外黄铁矿、菱铁矿、白云石和金红石等也有发育，但体积分数较少，平均体积分数分别为0.10%、0.10%、1.15%和0.10%。在黏土矿物（表2）中：绿泥石占主导，平均体积分数为41%；伊利石次之，平均体积分数为22%；伊/蒙混层再次之，平均体积分数为20%；高岭石也有部分发育，平均体积分数为18%；无蒙脱石发育。

3.2 孔隙类型及特征

各类孔隙构成了研究区储层研究的基础，通过铸体薄片观察（图4）可以看出：延长组7段致密砂岩碎屑长轴具定向性（图4a、b），主要以长石、方解石、岩屑、绿泥石和云母溶蚀产生的粒间溶孔和长石溶孔为主（图4c、d），孔隙之间普遍充填黏土矿物，可见矿物蚀变作用（图4e）；大部分含有微裂缝（图4a、b、e、f），孔隙发育普遍较差。长7₁孔隙类型主要为粒间孔和溶孔型两类，磨圆度为次圆状，在研究区长7段中最好；长7₂孔隙类型主要为微裂缝-溶孔型，磨圆度为次棱状，在研究区长7段中最差；长7₃孔隙类型主要为微裂缝型和溶孔型两类，磨圆度中等，为次圆-次棱状。

4 储层孔隙特征

4.1 致密砂岩微孔隙类型

研究区延长组7段发育粒间孔和晶间孔等孔隙（图4）。为了进一步了解致密砂岩微孔隙类型及形态，使用扫描电镜对致密砂岩微孔进行观察。粒间孔为颗粒之间的孔隙，研究区发育长石因溶蚀作用形成的溶孔，表现为微孔洞（图5a、b），孔径一般为1.0～3.0 μm，连通性较好。晶间孔则主要是自生伊利石、自生绿泥石、伊/蒙混层等次生加大形成的晶间微孔隙，这类孔隙孔径整体较小，一般为0.1～1.0 μm，表现为微裂缝（图5c、d），连通性较差。部分井可见自形黄铁矿草莓晶（图5e）和方解石自形晶（图5f）。通过对研究区样品镜下观察及其孔隙类型分析可知，粒间、晶间孔的长石、岩屑、胶结物等因溶蚀作用形成的溶孔是最主要的储集空间，微裂缝则少量发育。

4.2 基于核磁共振表征孔隙形态

核磁共振主要用于研究储层的流体可动空间和流体赋存能力。T₂（横向弛豫时间）截止值是核磁共振的重要数值，可以通过它来判断岩石中束缚流体和可动流体饱和度，当岩石孔隙中分布单相流体时，T₂时间分布曲线上每个峰反映特定范围内孔径中的流体信号，峰的面积反映流体含量和此范围孔隙度所占比例。当孔隙中的单相流体达到饱和后，T₂谱中峰面积能够反映孔隙体积。所以通过T₂谱，可以对储层内部的孔隙结构和孔隙内流体做出一个很好的表征^[23]。

张鹏^[24]认为T₂截止值与储层可见尺度呈正相关，T₂截止值越小，储层内部束缚水含量越小，流体可动空间越大。志靖—安塞地区延长组7段T₂截止值整体为1.047～51.511 ms，平均值为13.960 ms，其中：长7₁段储层样品T₂截止值为1.047～51.511 ms（图6a、b），平均值为21.320 ms；长7₂段储层样品T₂截止值为1.488～51.393 ms（图6c、d），平均值为12.810 ms；长7₃段储层样品T₂截止值为2.077～13.396 ms（图6e、f），平均值为6.310 ms。由此可知研究区延长组7段孔喉半径大小为长7₃段最小，长7₂段次之，长7₁段最大。

根据各样品在核磁共振实验下饱和水状态下的T₂谱以及在饱和水状态下各区域的信号强度可知，志靖—安塞地区延长组7段T₂频谱曲线离心前后有单峰型、左高右低双峰型、左低右高双峰型、不明显双峰型和左低右高三峰型5种形态。其中：单峰型T₂频谱曲线（图6c，f）的主峰T₂值位置小于10 ms；左高右低双峰型（图6d，e）主峰T₂值小于10 ms，次要峰T₂值位于10～100 ms或大于100 ms；左低右高双峰（图6a）与其相反，主峰T₂值位于10～100 ms或大于100 ms区间内；不明显双峰型（图6b）2个主峰的T₂值均位于1～100 ms内；左低右高三峰型仅在长7₂段样品内出现。以上研究表明延长组7段砂岩样品内主要发育微孔喉的同时也发育介、宏孔喉，但微孔喉与介、宏孔喉的尺寸与分布均具有差异。

4.3 基于氮气吸附-脱附曲线表征孔隙形态

低溫氮气吸附法主要对砂岩中的微孔（孔径0～2 nm）、介孔（2～50 nm）的形态特征与砂岩样品的比表面积和孔体积进行测量^[16]，同时可以较好地表征研究区致密砂岩样品的微孔与介孔的形态特征，更加形象地对研究区储层的特征进行描述。研究区延长组7段整体氮气吸附-脱附曲线如图7所示，根据曲线的具体情况可对研究区延长组7段每一小段进行具体分析。

4.3.1 长7₁段吸附-脱附曲线

研究区长7₁段砂岩样品的吸附曲线在低压段（p/p₀<0.2）（p/p₀为相对压力）与中压段（0.2< p/p₀<0.8）上升缓慢，而在高压段（0.8< p/p₀<1.0）快速上升，在p/p₀=1.0时未出现吸附饱和现象（图7a）；表明发育一定量孔径大于50 nm的孔隙，也发育孔径0～50 nm的孔隙，长7₁段砂岩与泥岩吸附-脱附曲线整体表现为H3型回滞环的特征。

长7₁段砂岩吸附-脱附曲线主要可以分为两种类型。

1）如图7a中镰118井和顺269井所示，脱附曲线在高压段快速下降，并在中压段存在拐点;表明孔隙主要以狭缝平板状孔隙为主，存在部分狭窄的裂隙孔。

2）如图7a中新283井和高135井所示，脱附曲线在高压段快速下降，并未出现明显拐点；表明孔隙基本较大，主要以狭缝平板状孔隙为主，呈开放状，连通性较好。

4.3.2 长7₂段吸附-脱附曲线

研究区长7₂段砂岩样品的吸附曲线在低压段（p/p₀<0.2）与中压段（0.2< p/p₀<0.8）上升缓慢，而在高压段（0.8< p/p₀<1.0）快速上升，在p/p₀=1.0时未出现吸附饱和现象（图7b）；表明发育一定量孔径大于50 nm的孔径，也发育0～50 nm的孔隙。长7₂段砂岩吸附-脱附曲线整体表现为H3型。

长7₂段砂岩吸附-脱附曲线主要可以分为两种类型：

1）如图7b中丹228井所示，以平板狭缝孔为主，脱附曲线在中压段出现不明显拐点，表明存在孔径0～50 nm的较小的孔隙。

2）如图7b中吴475井所示，回滞环较小，脱附曲线并无明显拐点，表明孔隙基本为50 nm以上，存在少量0～50 nm孔隙。

4.3.3 长7₃段吸附-脱附曲线

研究区长7₃段砂岩样品的吸附曲线在低压段（p/p₀<0.2）与中压段（0.2< p/p₀<0.8）上升缓慢，而在高压段（0.8< p/p₀<1.0）快速上升，在p/p₀=1.0时未出现吸附饱和现象（图7c）；表明发育一定量孔径大于50 nm的孔喉，也发育0～50 nm的孔隙。

长7₃段砂岩吸附-脱附曲线主要可以分为两种类型：

1）如图7c中丹228井所示，回滞环以H3型为主，主要为大于50 nm的板状狭缝孔，连通性较好，脱附曲线中压段拐点不明显，较小孔隙占比较少。

2）如图7c中高47井所示，回滞环具有H3与H4的特征，0～50 nm的孔隙中在含有连通性较好的平板狭缝孔的同时还含有狭窄的裂隙孔。

4.4 基于氮气吸附的孔径分布

国际理论与应用化学联合会（IUPAC）将孔隙以2 nm和50 nm孔径为界划分为3类：微孔（孔径<2 nm）、介孔（2～50 nm）和宏孔（>50 nm）^[14]。采用dV/dlg D随孔径D的变化图，用来表征致密砂岩样中孔径分布情况。其中，V为单位孔隙体积，mL；dV为一定孔区间的孔体积，mL/g;D为孔隙直径，nm。

以平均孔径为横坐标，以孔隙体积对孔径对数的微分作纵坐标，作孔隙体积微分分布曲线（图8）。从图8可以看出，研究区延长组7段致密砂岩储层样品孔径存在多个不同的峰值，孔径分布范围比较广泛，主要集中在2～8 nm之间，研究区样品的平均孔径为5 nm，微孔体积平均值为6.19×10^-3mL/g；说明研究区致密砂岩以介孔和宏孔为主，均较发育，连通性好，是有利的孔隙类型。从基于低温氮气吸附-脱附实验的孔径分布曲线和累计单位孔隙体积曲线（图9）可以看出，研究区延长组7段样品孔径分布曲线呈多峰分布，在介孔和宏孔的范围内存在多个峰值，其中介孔范围内峰值较大，呈半峰状。累计单位孔隙体积曲线在介孔范围内缓慢增长，大孔范围内迅速增长，其他孔隙范围内基本无增长，累計单位孔隙体积基本无变化。说明研究区致密砂岩以介孔和宏孔为主，主要发育介孔，其次发育宏孔，微孔再次，是有利的孔隙类型。

4.5 比表面积和孔体积

利用BET（Brunauer-Emmett-Teller）模型对延长组砂岩和泥岩样品进行计算，可以获得BET比表面积。据测试结果（表3），志靖—安塞地区长7油层组砂岩样品中：长7₁段的BET比表面积在2.181～10.286 m²/g之间，平均值为4.038 m²/g，总孔体积在0.011 8～0.024 0 mL/g之间，平均值为0.017 3 mL/g，最大孔径在175.8～220.9 nm之间，平均值为187.6 nm；长7₂段的BET比表面积在1.696～8.613 m²/g之间，平均值为4.221 m²/g，总孔体积在0.013 8～0.035 2 mL/g之间，平均值为0.019 4 mL/g，最大孔径在178.7～210.1 nm之间，平均值为187.9 nm；长7₃段的BET比表面积在2.000～8.364 m²/g之间，平均值为4.498 m²/g，总孔体积在0.010 5～0.029 7 mL/g之间，平均值为0.018 1 mL/g，最大孔径在173.4～192.6 nm之间，平均值为182.3 nm。根据测试结果，志靖—安塞地区延长组7段油层组砂岩中，长7₃段的BET比表面积最大，长7₁段BET比表面积最小；长7₂段总孔体积和最大孔径值最大，长7₁段总孔体积最小，长7₃段最大孔径值最小。整体上看，延长组7段BET比表面积平均值为4.252 m²/g，总孔体积平均为0.018 3 mL/g，最大孔径平均值为185.9 nm。

5 结论

1）研究区延长组7段致密砂岩矿物成分主要由长石、石英和黏土矿物构成。碎屑颗粒的磨圆度为次棱、次棱—次圆与次圆状，长7₁段砂岩碎屑颗粒磨圆度最好，长7₂段砂岩碎屑颗粒磨圆度最差；岩性主要为细砂岩与中砂岩，分选程度为中等—好；孔隙一般为粒间孔和溶孔。

2）志靖—安塞地区延长组7段油层组砂岩样品中，延长组7段的BET比表面积平均值为4.252 m²/g，总孔体积平均值为0.018 3 mL/g，最大孔径平均值为185.9 nm，砂岩孔隙以介孔为主，宏孔和微孔次之。

3）志靖—安塞地区延长组7段油层组致密砂岩储层发育有较多的两端开口、连通性较好的平板狭缝孔：长7₁段、长7₂段砂岩的吸附-脱附曲线回滞环呈现H3型特征，表明其孔径0～50 nm的孔隙以平板狭缝孔为主；而长7₃段砂岩的吸附-脱附曲线回滞环呈现H3、H4型混合的特征，表明其0～50 nm的孔隙除了平板狭缝孔外，还发育有狭窄的裂隙孔、微孔和介孔。

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