致密砂岩储层微观孔喉结构及其分形特征
2024-02-27刘硕王飞于瑞高建星师昊朱玉双
刘硕 王飞 于瑞 高建星 师昊 朱玉双
摘要：孔喉微观结构定量评价一直是致密砂岩储层研究的热点和难点。以分形维数为突破口，在鄂爾多斯盆地子长地区不同井中采集了上三叠统延长组长6段12个岩心样品，通过扫描电镜、铸体薄片、高压压汞等实验方法以及分形理论对致密砂岩样品的孔喉结构及其分形特征进行了研究。结果表明，研究区致密砂岩储层的孔隙类型主要由剩余粒间孔、溶孔和晶间孔组成。总分形维数与孔隙度和渗透率存在良好的负相关性，表明研究区致密砂岩储层孔喉结构的复杂程度和非均质性对物性具有一定的影响。中孔的分形维数与孔喉结构参数的相关性更好，表明中孔的非均质性和表面粗糙度主要影响储集空间和渗流性质。致密砂岩储层的品质与分形维数呈明显的负相关关系，越有利于油气富集的储层，其分形维数越小。
关键词：鄂尔多斯盆地；致密砂岩；高压压汞；孔喉结构；分形特征；分形维数
doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220166 中图分类号：TE122 文献标志码：A
收稿日期：2022-06-01
作者简介：刘硕（1998-），男，硕士研究生，主要从事油气田地质与开发方面的研究，E-mail：1260561583@qq.com
通信作者：朱玉双（1968-），女，教授，博士，主要从事油层物理和油气田开发地质学方面的研究，E-mail：yshzhu@nwu.edu.cn
基金项目：国家科技重大专项（2017ZX05008-004-004-001）；国家自然科学基金项目（41972129）
Supported by the National Science and Technology Major Project （2017ZX05008-004-004-001）and the National Natural Science Foundation of China（41972129）
Micro Pore Throat Structure and Fractal Characteristics of
Tight Sandstone ReservoirLiu Shuo1，Wang Fei2，Yu Rui2，Gao Jianxing2，Shi Hao2，Zhu Yushuang1
1. State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology， Northwest University， Xian 710069， China
2. Zichang Oil Product Factory，Yanchang Petroleum（Group） Co.， Ltd.， Yanan 717399， Shaanxi， China
Abstract： The quantitative evaluation of pore throat microstructure has always been a hot and difficult point in the study of tight sandstone reservoirs. Taking fractal dimension as a breakthrough point， 12 core samples of Chang 6 Member of Yanchang Formation of Upper Triassic were collected from different wells in Zichang area of Ordos basin. The pore throat structure and fractal characteristics of tight sandstone samples were studied by means of scanning electron microscope， casting thin section， high pressure mercury injection and other experimental methods and fractal theory. The results show that the pore types of tight sandstone reservoirs in the study area are mainly composed of residual intergranular pores， dissolution pores and intercrystal pores. There is a obvious negative correlation between total fractal dimension and porosity and permeability， which indicates that the complexity and heterogeneity of pore throat structure of tight sandstone reservoirs in the study area have a certain impact on the physical properties. The correlation between the fractal dimension of mesopores and pore throat structure parameters is better， which indicates that the heterogeneity and surface roughness of mesopores mainly affect the reservoir space and seepage properties. There is a positive correlation between the quality of tight sandstone reservoir and the fractal dimension. The more favorable the reservoir is for oil and gas enrichment， the smaller the corresponding fractal dimension is.
Key words： Ordos basin; tight sandstone; high pressure mercury injection;pore throat structure; fractal characteristics; fractal dimension
0 引言
隨着世界能源需求的不断增加和常规油气藏可采资源的快速减少，致密砂岩油气等非常规能源越来越受到油气行业的重视[1-4]。致密砂岩储层的渗透率和微观孔喉结构一直是油气行业研究的重点[5-8]。与常规油气藏不同，致密砂岩储层微观孔喉具有结构复杂、非均质性强、组合复杂等特点，对储层储集能力和流体渗流能力有着重要的影响。因此，为了更好地对致密砂岩储层进行评价和开发，有必要准确、定量地评价微观孔喉结构。
分形理论的提出是为了解释不规则性、不稳定性和高度复杂的结构特征，是研究具有自相似特征复杂系统的重要方法，被广泛应用于石油勘探开发及储层微观孔喉结构研究[9-11]。分形理论不仅是定量描述低渗透储层孔喉结构复杂程度的有效方法，也是连接储层微观孔喉结构和宏观表现的重要桥梁[12]。分形维数（D）是表征孔喉结构非均质性的重要参数，在以往的研究中已被用来研究孔喉结构[13]。孔喉表面和结构会随着矿物的填充和溶蚀而变得更加粗糙和复杂，分形维数能有效评价储层孔喉结构的这种特性。砂岩储层孔喉的分形维数变化在2.0 ～ 3.0之间，可反映砂岩孔喉结构的复杂性和表面粗糙程度：D值越接近2.0，表明孔喉形状分布越规律且孔喉表面越光滑；而越接近3.0，表明孔喉结构越复杂，表面越粗糙。研究区长6段致密砂岩储层横向差异大，微观孔喉结构非均质性强，制约了油气勘探开发，研究分形结果对于研究区致密砂岩孔喉结构和非均质性的定量表征以及勘探开发具有重要意义。
1 地质背景
鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，位于华北克拉通西部，属于克拉通边缘坳陷盆地，在中国致密油气勘探开发中发挥着主导作用[14-17]。盆地基底为太古宙和元古宙变质结晶岩系，被古生代、中生代和新生代盖层覆盖。鄂尔多斯盆地发育早古生代、晚古生代和中生代多套油气组合，是一个具有丰富油气勘探前景的大型沉积盆地[18]。研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中东部（图1），其上三叠统延长组长6段沉积期为湖泊河流三角洲平原亚相沉积，受东北物源控制，主要发育分流河道和分流河道间微相[20]。储层岩性以灰色、灰绿色砂岩和黑色泥岩为主，岩石类型以灰色细粒长石砂岩为主，岩石颗粒之间主要为点-线接触和线接触，少量呈点接触，具有成分成熟度中等、结构成熟度中等—较高的特点[21]。
2 实验方法及理论基础
前人利用恒速压汞实验对致密砂岩孔喉结构和分形特征进行了研究，认为致密砂岩孔喉具有分形特征，可以利用分形维数来表征致密砂岩非均质性[22]。但恒速压汞进汞压力低，无法明确微纳米孔喉分形特征。高压压汞进汞压力高，最高可达200 MPa，并且可以表征的孔喉半径范围较大[23]。因此，通过高压压汞可以针对研究区致密砂岩储集层的孔喉及其分形特征进行更好的研究。
2.1 高压压汞
复杂的孔喉结构被认为是由一系列相互连接的、具有自相似性的不规则毛细网络组成[24]。当汞（非润湿相）注入多孔样品时，毛细管力阻止汞侵入孔喉。因此，需要一个注入压力来克服毛细阻力，每一个注入压力对应相应大小的毛细管力。其中，注入压力下汞的量表示相应大小的连通孔喉体积。在毛细管压力平衡下，记录汞的注入压力和注入量，然后根据注入压力与汞饱和度之间的关系，得到表征孔喉结构的毛管压力曲线[25-26]。通过毛管压力与孔喉半径的关系（式（1））得到孔喉半径曲线，以评价致密油储层的孔喉结构。研究表明，高压压汞可用于测量0.001～96 μm之间的孔喉空间[27]。
式中：Pc为毛细管压力，MPa； θ为润湿角，（°）；σ为表面张力，mN/m；r为孔喉半径，μm。
2.2 分形理论
根据前人研究，普遍认为砂岩储层孔喉结构具有自相似性，可用分形理论予以描述，并且分形维数与储层孔喉表面粗糙度相关[28]。本文基于高压压汞实验进汞压力高、可表征孔喉半径范围大的优势，对所得到的实验样品数据进行分形特征研究，以定量表征研究区长6段致密砂岩储层孔喉结构的非均质性。
在高压压汞实验中，毛管压力可以反映汞进入不同孔喉半径的难易程度。根据分形几何原理，当致密砂岩孔喉半径属性符合分形结构时，将半径大于r的孔喉数计为N。N与r之间的相关关系可以表示为
式中：rmax为孔喉半径最大值，μm；F（r）为孔喉半径分布密度函数；a为比例常数。由于孔喉半径最小值rmin远小于rmax，故可得
式中，S为毛管压力Pc对应的润湿相饱和度，%。
假设θ不受孔喉大小的影响，可得到孔喉半径分布的分形公式：
式中，Pmin为rmax对应的毛管压力，MPa。对式（4）两边取对数，得到
lgS=（D-3）lg（Pc）-（D-3）lg（Pmin）。 （5）
首先，根据毛细管压力实验数据，可以确定lg（S）与lg（Pc）的相关关系。其次，在高压压汞实验中，润湿相是空气，非润湿相是汞，故lg（S）可以表示为lg（1-SHg），其中SHg为汞饱和度。然后，通过该实验得到lg（1-SHg）-lg（Pc）相关性趋势线的斜率，即为Hurst指数（H）。最后计算得到分形维数：
D=3+H。 （6）
根据分形理论，孔隙喉道结构分形可分为整体分形和分段分形[29]。当lg（1-SHg）-lg（Pc）图分形曲线是一条直线时，说明大孔喉和小孔喉结构相似，分形维数相近。当lg（1-SHg）-lg（Pc）图曲线的分段分形曲线不是一条直线，而有明显的拐点时，则该曲线可分割成若干段，需计算不同大小孔喉的分形维数。通过对不同大小孔喉孔隙度的加权平均计算，可以得到整个孔喉的总分形维数，以此确定孔隙大小分布和孔喉结构的分形特征。
3 实验结果
3.1 物性和孔隙类型
通过常规岩石物性测量，获得了研究区长6段12个代表性致密砂岩样品的孔隙度和渗透率结果（表1），其孔隙度分布范围为8.71% ～ 10.54%，平均值为9.43%；渗透率分布范围为（0.127～0.839）×10-3μm2，平均值为0.281×10-3μm2，属于典型的致密砂岩。
通过对铸体薄片和扫描电镜的观察，研究区长6段储集层主要孔隙类型为剩余粒间孔、溶孔和晶间孔（图2）。剩余粒间孔形状不规则，常与绿泥石薄膜或石英自生加大胶结共存，孔径多大于50 μm（图2a）；本区溶孔的形成是由于长7段烃源岩生烃时产生的酸性流体侵入到上覆长6段致密砂岩中，导致易溶矿物在酸性环境下发生溶蚀而形成次生孔隙，常被黏土矿物充填[16]，孔径多小于0.1 μm（图2b、d）；剩余粒间孔和溶孔常被杂基和胶结物充填，形成众多晶间孔，孔径多小于0.1 μm，连通性较差（图2c）。
3.2 微观孔喉结构特征
通过高压压汞实验可以获得样品的孔喉结构和孔径分布特征。 根据本次测试12块代表性样品的高压压汞数据（表2），可见研究区长6段致密砂岩储层孔喉分布较为均匀。从进汞曲线可以看出（图3a），绝大部分样品的进汞曲线趋于一致，进汞曲线前段较平缓，后段逐渐抬升，表明较大孔喉的分选性优于较小孔喉。
利用高压压汞进汞曲线可以得到研究区孔喉分布曲线。其孔喉主要分布范围为0.03～1.00 μm（图3b），曲线呈多峰型分布。较小孔喉主要集中在0.03 μm左右，较大孔主要集中在0.18 μm左右，虽然储层孔喉半径变化范围基本相似，但不同大小孔喉的分布频率仍有较大差异，表明研究区长6段致密砂岩储层的孔喉分布比较复杂，非均质性较强。
根据孔隙分类标准[30]，有效孔隙空间类型分为大孔（≥1 000 nm）、中孔（100～1 000 nm）、过渡孔（10～100 nm）和微孔（≤10 nm）。研究区长6段致密砂岩样品主要发育中孔、过渡孔和微孔，大孔几乎不发育。中孔、过渡孔和微孔所占的体积分数分别为28.71%、37.95%和33.34%。通过统计分析不同孔径孔喉的孔隙度（表3），明确中孔、过渡孔和微孔的平均孔隙度分别为2.70%、3.58%和3.14%。
3.3 分形特征
根据毛管压力曲线，构建全部样品的lg（1-SHg） -lg （Pc）的关系散点图。图4为5号典型样品的lg （1-SHg）-lg （Pc）关系曲线，对比不同尺度的孔喉的分形特征，各段曲线拟合良好，判定系数（R2）均大于0.9，其他样品也具有相似的特征，表明该致密砂岩样品总体具有多重分形特征，可以通过分形几何理论进行表征。
分别统计实验样品中孔、过渡孔和微孔对应的分形维数D1、D2和D3（表3）可以看出，各段的分形维数变化范围均在2～3之间，且具有较高的相关性，判定系数均大于0.7。D1明显大于D2， D2明显大于D3（图5），说明较大孔隙空间具有较强的非均质性且孔隙分布较为离散。对中孔、过渡孔和微孔孔隙度加权平均，得到整个孔喉的总分形维数：
通过式（7）计算，D值介于2.416 2～2.746 6之间，平均值为2.564 5，分布较为分散。D值分析结果表明，研究区致密储层孔喉结构复杂，非均质性强。
4 讨论
4.1 分形维数与储层物性
为了在微观尺度上定量表征致密砂岩储集层性质，建立了分形维数与储层孔隙度和渗透率之间的关系。结果表明，总分形维数与储层物性呈较好的负相关关系（图6a），以此可得到分形维数的地质意义为分形维数越小，孔隙的连通性和均质性越好，孔喉表面越光滑并且储集能力越强，该类储集层发育的层位是油气勘探的甜點区；相反，分形维数大、孔喉表面粗糙、非均质性强的储集层，孔喉连通性差，其对油气的渗流和储集能力弱，不利于油气的富集。
D1、D2、D3与孔隙度、渗透率也具有明显的分异特征（图6b、c）。其中：D1与孔隙度、渗透率的负相关性显著较好，说明较大孔喉的复杂程度对储层物性影响较大，中孔的分形维数越高，其复杂程度越强，对应的物性贡献越低；D2和D3与孔隙度和渗透率之间的相关性不高，说明较小孔喉对储层物性影响不显著，影响其分布非均质性的因素更加复杂。当流体在岩石中流动时，会经过一系列复杂多变的孔喉组合，孔隙和喉道都会影响其流动。束缚水倾向于在小孔喉中积聚，限制了小孔喉对渗透率的贡献。
4.2 分形维数与孔喉结构特征
通过绘制分形维数与孔喉结构参数关系的散点图，分析二者之间的关系，确定分形维数的变化规律以及分形特征对孔喉结构特征的影响。图7a显示孔喉半径中值仅与D1存在明显的负相关关系，表明中孔的分形维数越小，其结构分布越规则，孔喉半径越大。D1与分选系数呈正相关关系，D2、D3与分选系数相关性并不显著（图7b），说明孔喉大小的分选性对中孔的非均质性有影响，对过渡孔和微孔的非均质性无明显影响。歪度与D1呈负相关关系，与D2、D3无明显相关关系，说明孔喉分布的对称性对中孔分形特征具有影响，对过渡孔和微孔的分形特征的影响较为微弱，且歪度越大，其非均质性越强（图7c）。最大进汞饱和度只与D1具有较好的负相关性，说明中孔虽然在数量上占比小于过渡孔和微孔的和，但在孔隙空间中对储层储集空间的影响较大（图7d）。平均孔喉半径与D2、D3均无明显相关性，与储集空间主要贡献者中孔的分形维数D1的相关性也较为微弱，说明该孔喉结构参数的分形特征并不明显（图7e）。退汞效率可以反应储层的孔喉连通性，仅与D1存在较好的负相关性，表明随着分形维数的增大，储层孔隙结构越复杂，孔喉连通性越差（图 7f）。D1与孔喉结构参数相关性较好，特别是与最大进汞饱和度和孔喉半径中值相关性较为显著，但D2和D3与各孔喉结构参数几乎无相关性。可见中孔的非均质性和表面粗糙度主要影响着储层的渗流能力和储集空间大小，是储层孔隙度最主要的贡献者。而过渡孔和微孔对储层的储集性质影响较小，并且其孔喉结构较为复杂。
4.3 分形维数与储层分类
基于致密储层孔喉结构的复杂性， 若建立分类评价标准需充分考虑各种因素， 将各类评价参数进行综合分析。本次根据徐永强等[31]研究中所采用的多元分类系数计算方法，选定8项定量评价参数（表4）， 包括孔隙度、渗透率、平均孔喉半径、最大孔喉半径、最大进汞饱和度、退汞效率、分选系数、排驱压力， 构建致密储层多元分类系数（Feci）：
式中：Φi、Φmax为孔隙度及其最大值；Ki、Kmax为渗透率及其最大值；Ri、Rmax为平均孔喉半径及其最大值；Rai、Ramax为最大孔喉半径及其最大值；Si、Smax为最大进汞饱和度及其最大值；Roi、Romax为退汞效率及其最大值；Xpi、Xpmax为分选系数及其最大值；Pcdi、Pcdmax为排驱压力及其最大值。
通过计算， 研究区致密储层多元分类系数介于-6.0～3.5， 结合储层其他特征参数， 依据多元分类系数将研究区致密储层分为3类， 根据每一类中各参数值的大小分布建立了适合研究区的致密储层分类评价标准 （表4）， 将致密储层品质由好到差依次分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。Ⅰ类储集层包括 4 号、8 号、10 号和 11 号样品，该类储集层的储集空间主要由中孔级孔喉组成，其次为过渡孔级孔喉，同时发育一定数量的微孔级孔喉，因此，该类储集层应具有较高的储集和渗流能力。Ⅱ类储集层包括1号、5号、7号和12号样品，该类储集层的储集空间主要为过渡孔级孔喉和微孔级孔喉，其储集和渗流能力较Ⅰ类储集层差。Ⅲ类储集层包括2 号、3 号、6号和9号样品，该类储集层的孔喉主要为微孔级孔喉，其次为过渡孔级孔喉，其储集和渗流能力较差。通过绘制分形维数与储层分类级别关系的散点图（图8），分析二者之间的关系以确定分形维数与研究区致密储层对油气的渗流和储集能力之间的联系。图8显示总分形维数与储层类别存在明显的负相关关系，判定系数大于0.8。表明致密砂岩储层品质越好，其对应的分形维数越小，孔隙的连通性和均质性越好，孔喉表面越光滑并且越有利于油气的富集。通过物性参数与孔喉结构参数进行储层类别划分，分析样品的分类结果与对应分形维数之间的关系，提供了一种定量化的储层品质划分方案，对于致密砂岩微观孔喉结构非均质性以及储层定量评价具有重要的地质意义。
5 结论
1）鄂尔多斯盆地子长地区延长组长6段致密砂岩储层整体物性较差，平均孔隙度和渗透率分别为9.43%和0.281×10-3μm2，属于典型的特低孔低渗储层。主要孔隙类型包括剩余粒间孔、溶孔和晶间孔。其有效储集空间主要由中孔、过渡孔和微孔组成，儲层孔喉半径变化范围基本相似，但不同大小孔喉的分布频率有较大差异，孔喉大小分布曲线主要呈多峰状特征，孔喉结构特征主要受中孔发育影响。
2）在非均质性和分布离散程度上，研究区长6段致密砂岩储层的中孔大于过渡孔和微孔。总分形维数平均值为2.564 5，也反映研究区长6段致密砂岩储层孔喉结构较复杂，储层非均质性强的特点。
3）研究区长6段致密砂岩储层孔喉的分形维数与孔隙度和渗透率存在较好的负相关性，较大的孔喉对储层物性贡献更大。
4）与过渡孔和微孔对应的分形维数相比，中孔对应的分形维数与孔喉结构参数的相关性更好，其中与最大进汞饱和度和孔喉半径中值最为显著。
5）研究区致密砂岩储层品质越好，其对应的分形维数越小，孔隙的连通性和均质性越好，孔喉表面越光滑并且越有利于油气的富集。
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