勝利油區(qū)碎屑巖納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征

楊少春，王惠娟，2，羅海寧，陳國寧

（1.中國石油大學地球科學與技術(shù)學院，山東青島 266555;2.勝利石油管理局地質(zhì)科學研究院，山東東營 257000）

勝利油區(qū)碎屑巖納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征

楊少春1，王惠娟1，2，羅海寧1，陳國寧1

（1.中國石油大學地球科學與技術(shù)學院，山東青島 266555;2.勝利石油管理局地質(zhì)科學研究院，山東東營 257000）

選取勝利油區(qū)的3個不同油田取樣分析資料，在儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上通過掃描電鏡、透射電鏡以及原子力顯微鏡對儲層中納米尺度的孔隙結(jié)構(gòu)和孔喉配置關(guān)系進行研究。結(jié)果表明:碎屑巖儲層中存在納米級的孔隙和喉道，且孔隙類型多樣，同樣可分為原生孔隙和次生孔隙兩大類;納米級原生孔隙包括單晶片層間縫、礦物解理縫、晶內(nèi)孔、粒間孔和晶間縫5種類型，納米級次生孔隙包括粒內(nèi)溶孔、溶蝕縫、構(gòu)造縫;研究區(qū)納米尺度下的孔喉配置關(guān)系歸結(jié)為孔喉一致型、彎曲沙漏型、“X”形孔喉交叉型、“豐”字形孔隙交叉型和杯形交叉縫型5種類型。

儲層;孔隙結(jié)構(gòu);碎屑巖;納米尺度;孔喉配置

在石油地質(zhì)領(lǐng)域，對于碎屑巖儲層孔喉的研究一般只限于微米尺度，研究方法包括鑄體薄片法［1-2］、掃描電鏡法［3-4］、壓汞實驗法［5］、真實砂巖微觀模型法［6］和激光共聚焦掃描方法等。對孔喉結(jié)構(gòu)的定量表征也主要體現(xiàn)在二維平面上，目前的研究尺度下剩余油開采很難取得大的突破。勝利油區(qū)的寧海、勝坨、廣利等油田構(gòu)造上位于渤海灣盆地東南部、四周有凸起環(huán)繞的東營凹陷，斷層切割作用明顯，沉積了前震旦系變質(zhì)基底到第四系平原組的多組地層。該區(qū)主力產(chǎn)油層分布于沙河街組的二段和四段，主要儲集空間為原生粒間孔或次生孔隙，喉道類型包括粗喉、中喉和縮頸狀喉道，孔喉連通性好，微觀尺度下表現(xiàn)出的孔隙結(jié)構(gòu)特征有利于油氣的儲集和運移。筆者試圖探究碎屑巖儲層中納米尺度的孔隙結(jié)構(gòu)和孔喉配置關(guān)系，并利用高分辨率掃描電鏡、透射電鏡以及目前該領(lǐng)域較少應用的原子力顯微鏡［7-9］進行孔隙結(jié)構(gòu)的三維表征，通過試驗觀察對此類微觀孔喉進行更為細致的納米級分類，以期為研究區(qū)今后的油氣勘探提供更明確的方向。

1 納米尺度的原生孔隙

原生孔隙在常規(guī)的毫米、微米尺度下主要是粒間孔，也有部分的單晶片層間縫、礦物解理縫等。通過高分辨率掃描電鏡和透射電鏡的觀察，發(fā)現(xiàn)在納米尺度上的原生孔隙以單晶片層間縫和礦物解理縫為主，也有少量晶內(nèi)孔，粒間孔一般尺度較大。

1.1 單晶片層間縫

通過對研究區(qū)目的層段的巖礦特征分析得知，填隙物中黏土礦物含量大于92%，碳酸鹽礦物含量最多為8%，黏土礦物又以高嶺石和伊蒙混層為主，因高嶺石具有規(guī)則的單晶片層結(jié)構(gòu)，而伊蒙混層以彎曲大片狀和半蜂窩狀為主，所以單晶片層間縫主要分布于高嶺石的單晶片層間。

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，高嶺石單晶片層間縫隙寬度不均勻，約為20～200 nm（圖1），似兩組連通關(guān)系良好的集合體間的層面縫，與高嶺石充填的原生孔隙始終貫通。Matthews［10］在1996年做出的對烴類分子的大小歸類中闡明，甲烷分子直徑約0.4 nm，其他正構(gòu)烷烴分子直徑介于0.4～200 nm。所以，此類縫隙也屬于油氣儲集的優(yōu)勢空間。單晶片層厚度差異較大，因此相鄰兩個片層的層面縫隙寬度有可能相差很大。

圖1 高嶺石單晶片層間縫Fig.1 Kaolinite single crystal layer seam s

除高嶺石外，還有大片狀的伊蒙混層與伊利石中發(fā)育層面縫，與高嶺石相比，這種縫隙一般無規(guī)則形態(tài)，縫隙寬度不均勻，但往往延伸較長，與粒間孔隙貫通，起到溝通被黏土分隔的兩個骨架顆粒的橋梁作用。

1.2 礦物解理縫

受晶體結(jié)晶習性的制約，對于骨架礦物石英和長石來說，石英無節(jié)理，長石則通常具有一組或兩組極完全解理。掃描電鏡下，長石解理縫非常常見，縫寬一般小于100 nm，最寬處達300 nm，解理縫間距也是納米級。只有極少的解理縫與孔隙連通，大多呈孤立狀存在（圖2）。透射電鏡下的現(xiàn)象正好與掃描電鏡下的現(xiàn)象相互對應，一組平行的解理縫相互之間寬度有所差別，長度也各不相同，其間還摻雜極微細的小縫，但整體上延伸方向非常一致（圖3）。

圖2 礦物解理縫Fig.2 M ineral clevage joints

圖3 長石解理縫Fig.3 Feldspar clevage joints

1.3 晶內(nèi)孔

對于納米級的原生孔來說晶內(nèi)孔最為常見。在石英這種無解理的較均質(zhì)晶體內(nèi)，其透射電鏡下的孔隙和裂縫的形態(tài)都非常清晰。如圖4所示，石英單晶體內(nèi)部發(fā)育串珠狀的規(guī)則晶內(nèi)孔，相互之間沒有喉道連通，孔徑小于100 nm。與串珠線近垂直的方位同時發(fā)育一條極微細晶間縫，縫寬小于10 nm。除此之外，還有扁圓狀的孔隙嚴格按一條直線分布，但與圖3不同的是，該處部分孔隙間以喉道連通，孔徑更小，最寬的只有40 nm。

圖4 串珠狀晶內(nèi)孔Fig.4 Beaded intracrystalline pores

1.4 粒間孔

巖石在沉積過程中一般會經(jīng)受上覆巖層的壓實作用，顆粒間接觸緊密，受礦物晶體本身粒徑的限制，即使多個顆粒間存在原生孔隙，其尺度也不會太小。鏡下特征與這一理論推斷相符合，粒間孔多為微米級孔隙，只有極少數(shù)的納米級孔隙也發(fā)育在被填隙物充填的原生孔隙中填隙物與骨架顆粒的邊緣部位。

1.5 晶間縫

晶體生長過程中各晶粒間并不是完全緊密堆積的，在晶粒間存在微細的縫隙，觀察測量發(fā)現(xiàn)作為骨架礦物的石英和長石，以及作為填隙物的方解石和鐵白云石的晶間都會殘留晶間縫，縫隙最寬為100 nm，最窄處只有幾個納米。這種縫隙邊緣平整，相互之間有一定的連通性，掃描電鏡下的照片中縫隙只呈現(xiàn)于表層深度，縱向貫通性不好。

2 納米尺度的次生孔隙

次生孔隙是指在巖層沉積之后成巖作用形成的孔隙，包括各種溶孔、溶洞以及構(gòu)造縫、成巖收縮縫等。常規(guī)的孔隙結(jié)構(gòu)研究認為碎屑巖的次生孔隙以粒間溶孔為主，在納米尺度下則以粒內(nèi)溶孔、溶縫為主，同時也會有因受到構(gòu)造作用影響而形成的晶內(nèi)孔或晶內(nèi)縫。

2.1 粒內(nèi)溶孔

黏土礦物單晶片層中納米級溶蝕孔隙最為發(fā)育，尤以伊蒙混層為主，高嶺石單晶中非常少見。伊蒙混層中除明顯的層面縫外，還可見零星分布的納米級溶孔，這些孔隙大都不連續(xù)分布，有的區(qū)域可見多個小孔有規(guī)律的分布，應為地層水活動的結(jié)果。骨架礦物中偶爾也見有直徑小于100 nm的溶孔，但溶孔形狀極不規(guī)則，棱角分明（圖5）。

圖5 伊蒙混層納米級孔隙Fig.5 Nanoscale pores in illite-smectitem ixed layer

2.2 溶蝕縫

溶蝕縫和構(gòu)造縫是巖層中另外兩種常見的納米尺度的次生縫。長石中除規(guī)則的節(jié)理縫以外，還有經(jīng)溶蝕作用形成的微細溶蝕縫，縫隙延伸長度不大，縫寬約為50 nm，屬無規(guī)則排列，且溶蝕縫的發(fā)育部位不存在明顯規(guī)律性，同樣屬于流體活動的產(chǎn)物。

2.3 構(gòu)造縫

石英晶體上有月牙狀彎曲和鋸齒狀彎曲的構(gòu)造縫，寬度小于10 nm，縫隙之間為平行關(guān)系。這種縫隙往往只在單體顆粒上發(fā)育，與邊緣的晶間孔沒有連通，是孤立存在的。除此之外，透射電鏡下還可見石英晶體邊緣部位發(fā)育帚狀散開的極微細裂縫，縫寬較為均勻，最寬處只有2 nm，散開端裂縫終止于晶體內(nèi)部，上部各裂縫束狀集合處與晶間大孔隙也未有連通。

在泥晶碳酸鹽巖的研究中，尤其在構(gòu)造活動發(fā)育部位的取樣中經(jīng)常見到反“Z”字形的錯折縫，縫隙中間可見明顯位移。透射電鏡對石英的觀察同樣存在類似現(xiàn)象（圖6），鏡下的微細構(gòu)造縫延伸長度大，縫寬極小，只有幾個納米，中間位移也不大于30 nm。長石晶體中見有兩組錯折縫圍限的規(guī)則平行四邊形顆粒。

圖6 反“Z”字形錯折縫Fig.6 Anti-"Z"-shaped crease

3 納米尺度的孔喉配置關(guān)系

喉道是指兩個顆粒之間連通的狹窄部分，因此對于納米級孔隙來說連通孔隙的喉道并不發(fā)育。前已述及，納米尺度的孔隙大多孤立存在或直接與大孔隙相連通，掃描電鏡下分析觀察的結(jié)果顯示:在充填孔隙的黃鐵礦晶間發(fā)育的喉道分為孔隙的縮小部分和片狀規(guī)則喉道兩類，寬度約為200 nm。另外，在石英顆粒中見有彎片狀喉道，寬度最大為80 nm，最窄處僅約為20 nm。作為填隙物的黏土礦物中也有管束狀喉道，形態(tài)不明顯，分布不規(guī)則。

本次研究中，為滿足定量表征儲層中納米尺度孔喉三維空間特征的需要，特選用原子力顯微鏡對巖心樣品進行分析觀測。原子力顯微鏡最基本的功能就是通過檢測微懸臂探針與樣品間的相互作用力來表征樣品表面的三維形貌。它能夠以數(shù)值的形式準確獲取樣品表面的高低起伏狀態(tài)，它在對整體圖像進行分析時可得到樣品的顆粒度、孔結(jié)構(gòu)和孔徑分布等參數(shù)，同時也能夠?qū)悠返谋砻嫘螒B(tài)進行豐富的三維模擬顯示，從而使得到的圖像更符合人的直觀視覺感受。但是，將原子力顯微鏡應用于巖石樣品觀察時也存在一定的缺陷，即因儀器對樣品表面平整度要求高，因此制樣要求苛刻、操作過程中需謹慎，避免損壞針尖。

與微觀尺度下的分類方式不同，在納米尺度的范圍內(nèi)，研究區(qū)目的層的孔喉配置關(guān)系可分為孔喉一致型、彎曲沙漏型、“X”形孔喉交叉型、“豐”字形孔隙交叉型和“丁”字形交叉縫型5種。

3.1 孔喉一致型

微觀尺度下，喉道的定義為連通顆?？紫兜目s小部分，因此對于同一組孔喉來說，喉道的中值半徑一定比孔隙小很多。但是，在納米尺度下可見晶體內(nèi)發(fā)育孔隙和喉道半徑相差無幾的孔喉一致型連通結(jié)構(gòu)。從剖面上看，孔隙直徑在剖面上約為250 nm，而喉道直徑達到了200 nm甚至更大，因此孔隙和喉道在尺寸上幾乎沒有區(qū)別，喉道連通了3個孔隙，形成“Y”字形通道，從形態(tài)來看，無法明確區(qū)分孔隙和喉道的確切交界部位。

3.2 彎曲沙漏型

該類孔喉連通結(jié)構(gòu)與光學顯微鏡下見到的類似，即喉道是孔隙的縮小部分，屬片狀規(guī)則喉道。喉道連接了兩個近平行狀產(chǎn)出的孔隙，起到橋接作用。喉道寬度明顯小于孔隙。喉道寬約50 nm，而孔隙可顯示的最大寬度大于200 nm。且孔隙的下切深度明顯大于喉道，僅從視域顯示就能看出喉道很短，只有約150 nm。這種結(jié)構(gòu)相對于窄片狀長喉道來說其滲透性能更好。

3.3 “X”形孔隙交叉型

此類孔隙類似于微觀尺度下的管束狀喉道，但展布形態(tài)不如管束狀復雜，呈規(guī)則的“X”形或者兩組反“Z”字形的交叉結(jié)構(gòu)。此類孔隙結(jié)構(gòu)與上述兩類相比，其孔隙半徑明顯增大。如圖7所示，孔隙半徑為600～800 nm，交叉部位為邊長近400 nm的正方形區(qū)域，三維縱深方向上喉道和孔隙的下邊緣幾乎平齊，因此該類喉道對孔隙的貫通非常有利。

圖7 “X”形孔隙交叉型Fig.7"X"-shaped pore cross type

3.4 “豐”字形孔隙交叉型

受控于礦物晶體單晶顆粒的形狀和排列方式的限制，鏡下可見到幾條平直的孔縫被一條稍有彎曲的喉道連通，形成“豐”字或半“豐”字形結(jié)構(gòu)。規(guī)則排列的單晶顆粒間孔隙也呈規(guī)則的平行狀，同一方向的若干個顆粒間受晶體自身形狀的影響，保留小的缺口，晶體走向垂直方向上的多個小缺口連接起被晶粒分隔的若干條孔縫形成一種規(guī)則排列的孔喉配置關(guān)系（圖8）。

圖8 “豐”字形孔隙交叉型Fig.8"豐"-shaped pore cross type

3.5 杯形交叉縫型

除上述4種類型以外，試驗過程中偶爾可見兩條稍有彎曲的縫隙交叉呈酒杯形，無前述4種類型明顯的孔隙和喉道形態(tài)，其中兩條縫隙的交界處即充當了喉道的功能，形式上介于孔喉一致型與“豐”字孔隙交叉型之間。

4 納米孔喉與油氣運移

經(jīng)上述試驗發(fā)現(xiàn)，碎屑巖儲層在納米尺度下表現(xiàn)出比微觀尺度下更為精細的孔喉連通關(guān)系，且此類納米級孔喉與微觀孔喉也有部分連通，由此推斷，儲層納米級孔喉同樣可以作為油氣運移的通道來衡量，其與已發(fā)現(xiàn)微觀孔隙網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)關(guān)系將更明確地揭示儲層孔滲性能的優(yōu)劣。

5 結(jié)論

（1）除常規(guī)的微米級孔隙外，碎屑巖儲層中同時還存在種類豐富的納米級孔隙和裂縫。與微米級孔隙類似，碎屑巖儲層中的納米級孔隙同樣可分為原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙包括單晶片層間縫、礦物解理縫、晶內(nèi)孔、粒間孔和晶間縫5種類型，次生孔隙包括粒內(nèi)溶孔、溶蝕縫、構(gòu)造縫3種類型。

（3）碎屑巖儲層中納米級的孔喉配置關(guān)系，按其產(chǎn)出形態(tài)可分為孔喉一致型、彎曲沙漏型、“X”形孔喉交叉型、“豐”字形孔隙交叉型和杯形交叉縫型5種，各種孔喉連通類型的連通性依次變差。

（4）碎屑巖儲層納米級孔喉發(fā)育情況與儲層孔滲性能呈正相關(guān)關(guān)系。

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Nanoscale pore structure characteristics of clastic rock in Shengli Oilfield

YANG Shao-chun1，WANG Hui-juan1，2，LUO Hai-ning1，CHEN Guo-ning1
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China; 2.Institute of Geological Sciences，Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying 257000，China）

The analysis samples were taken from three different oilfields in Shengli Oilfield.By using high magnification scanning electron microscopy（SEM），transmission electronmicroscopy（TEM）and atomic forcemicroscopy（AFM），the research of nanoscale observation and analysis of reservoir pore structure and pore-throat configuration relationships were conducted based on the investigation of reservoirmicro-structures.The results show that the nanoscale poreand throat really exist in clastic reservoir and there are various pore types，and they can also be divided into primary pores and secondary pores.The nanoscale primary pores include five types，that is，single crystal layer seams，mineral cleavage joints，intracrystalline pores，intergranular pores and intercrystalline joints.The nanoscale secondary pores include intragranular dissolved pores，dissolution joints and construction joints.In research area，five types of nanoscale pore-throat configuration relationships are established，that is，pore-throat consistent type，curved hourglass type，"X"-shaped pore cross type，"豐"-shaped porecross type and goblet-shaped cross joint type.

reservoirs;pore structure;clastic rock;nanoscale;pore-throat configuration

TE 19;TE 135.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.002

1673-5005（2012）01-0008-05

2011－07－16

國家科技重大油氣專項課題（2011ZX05009－003）;中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（09CX04011A）

楊少春（1962－），男（漢族），廣西桂林人，教授，博士，博士生導師，主要從事油氣地質(zhì)及油藏描述研究工作。

（編輯 徐會永）