致密砂巖儲層微觀孔喉分布特征及對可動流體的控制作用

鐘紅利，張鳳奇，趙振宇，魏 馳,4，劉 陽

(1.西安科技大學 地質與環(huán)境學院，西安 710054；2.西安石油大學 地球科學與工程學院，西安 710065；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中交一公局集團有限公司，北京 100024)

非常規(guī)油氣中致密砂巖油氣的勘探開發(fā)在我國油氣勘探領域占據(jù)著越來越重要的地位[1-4]。其中，鄂爾多斯盆地延長組發(fā)育有多套致密砂巖油儲層，其孔隙結構較為復雜，主要發(fā)育微、納米級孔喉，且以納米級孔喉為主[5-8]，流體在該尺度孔喉中流動性如何？孔隙結構的分布對流體流動性如何影響？目前，在這些方面研究和認識程度較低[9]。對國內外文獻調研發(fā)現(xiàn)，致密砂巖儲層的孔隙結構研究方法較多[10-12]，這其中核磁共振與高壓壓汞聯(lián)合可較好地獲取致密砂巖儲層中多尺度孔喉的大小分布[13-14]；而離心實驗和核磁共振結合可較好地分析致密砂巖儲層中可動流體的賦存孔喉范圍及含量[9,15]。本文以鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部延長組長6、長7和長8致密砂巖儲層為研究對象，將核磁共振與高壓壓汞分析測試技術結合，精細表征致密砂巖儲層中孔喉大小，利用離心實驗和核磁共振T2譜分析相結合，來定量表征致密砂巖儲層可動流體的分布，兩者結合，揭示致密砂巖儲層中孔喉大小分布對可流動流體的控制作用。該研究對致密砂巖儲層中油氣的勘探開發(fā)具有一定的指導作用。

1 實驗

1.1 實驗原理

核磁共振方法研究巖石孔隙結構的理論基礎在于流體儲層巖石孔隙大小與氫核弛豫率成反比[16]。當巖樣中孔隙表面對孔隙中流體作用力較強時，巖樣中部分流體會處于不可流動狀態(tài)或束縛狀態(tài)，它的核磁共振T2弛豫時間較??；反之，流體處于可流動狀態(tài)或自由狀態(tài)，它的核磁共振T2弛豫時間較大。當對飽和流體的巖樣進行核磁共振測試時，得到的橫向弛豫時間T2值是巖樣孔隙、巖石礦物和孔隙中流體的綜合體現(xiàn)。因此，利用核磁共振T2譜可對巖心孔隙中水的賦存(束縛或可動)狀態(tài)進行分析，定量給出束縛流體飽和度及可動流體飽和度。離心實驗中，離心機以不同大小離心力高速旋轉，促使巖心孔隙中的可動流體(水/油)克服毛細管力而不斷被分離出來，不同大小的離心力值對應不同的巖心孔喉半徑值，孔喉半徑值與離心力大小之間遵循毛管壓力計算公式[15，17-18]；本次實驗氣—水系統(tǒng)的界面張力δ=71.8 mN/m，潤濕角θ=0°。巖樣每次離心后都進行核磁共振T2譜測試，離心實驗和核磁共振結合可獲得不同孔喉大小區(qū)間的可動流體飽和度信息[15]。本次離心實驗選用4級不同離心力，分別為0.14 MPa(21 psi)，0.29 MPa(42 psi)，1.43 MPa(208 psi)，2.88 MPa(417 psi)，分別對應的孔喉半徑大小為1.00，0.50，0.10，0.05 μm。

高壓壓汞實驗是研究致密砂巖儲層孔喉結構特征最重要的方法之一。實驗時將非潤濕相汞注入儲層孔隙，每個壓力點對應一定的累積進汞量，利用毛管壓力公式可求出每個壓力值對應的孔喉半徑值[11]，從而計算出不同大小孔喉在巖石孔隙中的體積占比[19]。根據(jù)進汞飽和度與進汞壓力可做出毛管壓力曲線，該曲線不僅可以描述巖樣連通孔喉的大小分布[20]，還可以反映儲層孔隙度和滲透率與孔喉大小分布的關系。

1.2 樣品及實驗步驟

1.2.1 樣品

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，中生界主力油層為三疊系延長組長6、長7、長8油層組，其中，長6和長8油層組儲層主要為三角洲前緣沉積砂體，長7儲層則主要為濁積砂體(圖1)。對6口井40個鑄體薄片的觀察統(tǒng)計表明：長6、長7和長8儲層的巖性主要為淺灰色細粒長石砂巖或巖屑長石砂巖；碎屑組成主要為長石，次為石英，再者為巖屑和云母；填隙物主要為(鐵)方解石、綠泥石和水云母等。其儲層孔隙度和滲透率均較低，屬于典型的致密砂巖儲層[10-11](表1)。長6—長8儲層的面孔率為0～3.8%；孔隙類型主要為剩余粒間孔、溶蝕孔和晶間孔。本次實驗選取了4口井中長6、長7和長8儲層的7塊樣品，進行飽和水和4級不同離心力核磁共振實驗及高壓壓汞測試，實驗樣品參數(shù)見表1。

圖1 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)位置及地層綜合柱狀圖

表1 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)核磁共振實驗樣品基本參數(shù)

1.2.2 實驗儀器及步驟

本次實驗使用的儀器為PC-18型專用巖樣離心機以及RecCore-04型巖心核磁共振分析儀。實驗方法嚴格按照《巖心分析方法:SY/T5336-2006》和《巖樣核磁共振參數(shù)實驗室測量規(guī)范:SY/T6490-2014》執(zhí)行。實驗在22 ℃恒溫下開展。具體實驗步驟如下：(1)巖心洗油，烘干，氣測孔隙度，氣測滲透率；(2)抽真空加壓飽和鹽水，利用濕重與干重差計算孔隙度(水測孔隙度)，進行核磁共振T2測量；(3)利用高速離心機，以0.14，0.29，1.43，2.88 MPa離心力對巖心進行離心實驗，并分別進行核磁共振T2譜測量；(4)將做完核磁共振測試的剩余樣品分別進行高壓壓汞測試，與不同離心力下的核磁共振T2譜結合，計算樣品不同大小孔喉的分布和不同孔喉半徑控制的可動流體。

2 實驗結果討論

2.1 致密砂巖儲層微觀孔喉分布特征

核磁共振橫向弛豫時間T2與喉道半徑r存在冪指數(shù)相關關系[14]；利用偽毛細管曲線法，通過高壓壓汞累積頻率曲線的標定(圖2)，可將核磁共振T2譜分布轉換為孔喉半徑分布[21]，它們之間的對應關系可用下式表示：

圖2 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品5核磁共振T2譜標定

r=CT2

(1)

式中：r表示孔喉半徑，nm；T2為弛豫時間，ms；C為轉換系數(shù)，nm/ms。因此，確定C值之后，就可以將核磁共振T2分布轉換為孔喉半徑分布。通過計算，可得研究區(qū)7塊核磁共振樣品轉換系數(shù)C值分布在6～17 nm/ms，平均值為11.3 nm/ms(表1)。

分析7塊核磁共振樣品的孔喉分布，得到研究區(qū)致密砂巖儲層最小孔喉半徑為0.60～1.70 nm，平均值為1.13 nm；最大孔喉半徑為829.8～3 050.8 nm，平均值為1 949.1 nm；主體孔喉半徑分布在10～500 nm，占全部孔喉的81.2%～95.4%(圖3)。因此，鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部延長組長6、長7和長8致密砂巖儲層主要發(fā)育微、納米級孔喉，主體為10～500 nm的納米級孔喉。

圖3 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)7個致密砂巖樣品的孔喉半徑分布

2.2 致密砂巖儲層中的可動流體分布

研究區(qū)3個典型致密砂巖樣品在不同離心力離心后，核磁共振T2譜形態(tài)發(fā)生了不同程度的變化(圖4-6)，主要有3個階段。(1)初始狀態(tài)：T2譜在飽和水狀態(tài)下，3塊樣品的含水飽和度均為100%。(2)飽和度曲線緩慢變化階段：當離心力為0.14 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?6.54%，97.79%和98.89%，此時，巖心含水飽和度下降幅度均較小，核磁共振T2譜變化也較小；當離心力為0.29 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?4.54%，95.39%和96.16%，其含水飽和度下降幅度仍不明顯，表明此時樣品中還有大量的可動流體未被分離出來。(3)飽和度明顯變化階段：當離心力為1.43 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?0.65%，93.10%和90.31%，巖心含水飽和度變化相對較大，核磁共振T2譜變化也相對較大；當離心力為2.88 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?5.39%，86.55%和82.36%，巖心含水飽和度變化最大。

圖4 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品5不同離心力后T2譜分布及含水飽和度變化

圖5 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品6不同離心力后T2譜分布及含水飽和度變化

圖6 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品7不同離心力后T2譜分布及含水飽和度變化特征

可動流體T2譜截止值(T2cutoff)及最佳離心力，一般是通過觀察不同離心力累積T2譜曲線的變化趨勢[17-18]來確定的。本次7塊樣品最佳離心力取2.86 MPa(417 psi)，離心力累積T2譜曲線水平延伸線與飽和水樣T2累積曲線的交點對應T2截止值；7塊樣品T2截止值分布于3.866 35～13.064 68 ms，平均值7.51 ms。從不同離心力對應的T2譜累積曲線可看出(圖4-6)，可動流體在不同大小孔喉中的分布：小于T2cutoff的孔喉流體體積占比，隨著離心力的增大，沒有明顯變化，應主要為束縛態(tài)毛細管水；大于T2cutoff的孔喉流體體積，離心力的增加使各孔隙區(qū)間中離心出的流體量相差不大，反映這部分孔喉中多為可動流體及以束縛水膜的形式存在的束縛水。

研究區(qū)7塊巖心樣品的可動流體飽和度介于9.83%～25.64%之間，平均值為17.53%(表2)，樣品可動流體飽和度普遍偏低。為了描述可動流體在整個巖樣中的發(fā)育程度，求取了可動流體孔隙度(Φm)：

Φm=Φ·SD

(2)

式中：Φ為巖石孔隙度，%，SD為可動流體飽和度，%。結果顯示研究區(qū)7塊樣品的可動流體孔隙度介于0.49 %～1.84 %之間，平均值為1.25 %。

可動流體在不同孔喉區(qū)間的分布特征如下：0.05～0.10 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為5.26%～13.68%，平均值為8.88%；0.10～0.5 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為2.22%～6.78%，平均值為4.21%；0.5～1.0 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為1.43%～3.39%，平均值為2.47%；大于1.0 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為0.45%～3.46%，平均值為1.97%(表2)。對比發(fā)現(xiàn)，每個測試樣品的4個孔喉區(qū)間控制的可動流體飽和度不同，其中0.05～0.10 μm孔喉區(qū)間的最高，大于1.0 μm孔喉區(qū)間的普遍最小，而納米級的0.05～1 μm孔喉區(qū)間控制的可動流體占總可動流動的76.32%～95.32%，平均值為88.46%。綜上所述，認為研究區(qū)致密砂巖儲層中可動流體主要被0.05～1 μm的納米孔喉所控制，為研究區(qū)致密砂巖儲層賦存可動流體的主體孔喉空間(表2)。

表2 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)7個致密砂巖樣品不同孔喉半徑區(qū)間所控制的可動流體飽和度

2.3 致密砂巖儲層孔喉分布對可動流體的控制作用

2.3.1 儲層物性

儲集性能、滲流性共同影響著流體在孔喉中的流動。由于致密砂巖儲層孔喉的大小分布、孔隙類型與常規(guī)砂巖儲層存在較大差異，所以致密砂巖儲層物性與可動流體參數(shù)之間不一定具有明顯的正相關關系[15,17-18,22-23]。

研究區(qū)7塊樣品的可動流體孔隙度與儲層孔隙度、滲透率之間均表現(xiàn)出明顯正相關性，而且，其與滲透率的相關性更高(圖7)，反映了滲透率對可動流體具有更顯著的控制作用。原因可能是核磁共振和高壓壓汞所揭示的7塊樣品的峰值孔喉半徑值分布在20～80 nm區(qū)間內(圖3，8)，對應的孔喉類型主要為黏土礦物晶間孔以及細小喉道；而對滲透率貢獻最大的是半徑值為100～700 nm的孔喉(圖8)，這部分孔喉空間主要為剩余粒間孔、溶蝕孔、微裂縫等。因此，較細小孔喉數(shù)量的增加不能顯著改善流體的自由流動，孔徑更大的孔隙及喉道數(shù)量的增加才能提高可動流體含量。

圖7 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與孔隙度及滲透率的關系

圖8 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)高壓壓汞孔喉分布及滲透率貢獻

2.3.2 孔喉大小及分布

前人研究認為，孔喉大小及分布對致密儲層的可動流體含量具有重要的控制作用[24-27]。統(tǒng)計7塊測試樣品的孔喉分布，得到大于50 nm孔喉占全部孔喉比率、大于100 nm孔喉占全部孔喉比率、最大孔喉半徑、峰值孔喉半徑和孔喉分選系數(shù)等定量表征孔喉分布的5個代表性參數(shù)，分別將其與可動流體孔隙度建立關系，分析致密砂巖儲層孔喉分布對可動流體的影響。其中，孔喉分選系數(shù)是孔喉分布累計曲線上累積頻率75%時所對應的孔喉半徑(r75)與累積頻率25%時所對應的孔喉半徑(r25)之比。

從圖9可看出可動流體孔隙度與不同孔喉區(qū)間占比存在相關性，孔喉半徑小于50 nm的孔喉占比與可動流體孔隙度呈負相關，表明小孔隙限制著可動流體的發(fā)育；孔喉半徑50～100 nm孔喉占比與可動流體孔隙度呈弱正相關，表明這一區(qū)間既有不利可動流體發(fā)育的小孔喉，也有利于可動流體發(fā)育的較大孔喉；孔喉半徑100～500 nm及500～1 000 nm孔喉占比與可動流體孔隙度均呈顯著正相關，表明大于100 nm的孔喉對可動流體的分布具有較強的控制作用。圖10也反映了這一點，雖然可動流體孔隙度與大于50 nm孔喉占比和大于100 nm孔喉占比兩者均具有明顯的正相關性，但是，大于100 nm孔喉占比要比大于50 nm孔喉占比與可動流體孔隙度的相關性更高，反映了50～100 nm孔喉半徑是可動流體開始在孔喉中分布的關鍵孔徑范圍。

圖9 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與不同孔喉區(qū)間占比的關系

圖10 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與大于50 nm及大于100 nm孔喉占比的關系

7塊樣品核磁共振T2譜求取的最大孔喉半徑值均小于3 050 nm，峰值孔喉半徑值均小于38 nm?？蓜恿黧w孔隙度與最大孔喉半徑呈正相關，與峰值孔喉半徑略具正相關性(圖11)，也表明致密砂巖儲層中相對較大的孔喉分布對可動流體的發(fā)育程度具有重要的控制作用。

圖11 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與最大孔喉半徑及峰值孔喉半徑的關系

7塊樣品的孔喉分選系數(shù)分布范圍為2.48～6.45，平均值為4.09。相關分析表明：致密砂巖儲層可動流體孔隙度與孔喉分選系數(shù)略具正相關(圖12)。原因是孔喉分選系數(shù)越小，孔喉的分選程度就越好，但對于致密砂巖儲層來說，分選系數(shù)較小時，細小孔喉占主要地位，這時就可導致可動流體孔隙度較??；孔喉分選系數(shù)變大時，孔喉分布范圍就變大，這時大孔喉占比就會有所增加，可動流體孔隙度也會相應增大。因此，致密砂巖儲層中孔喉分選系數(shù)與可動流體孔隙度會表現(xiàn)出正相關關系。

圖12 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與孔喉分選系數(shù)的關系

3 結論

(1)鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部三疊系長6—長8油層組致密砂巖儲層孔喉大小分布范圍較寬，半徑值分布在0.6～3 050.8 nm，主體分布在10～500 nm，主要為微、納米級孔喉，主體為納米級孔喉。

(2)研究區(qū)長6—長8致密砂巖儲層的可動流體含量普遍較低，可動流體飽和度為9.83%～25.64%，平均值為17.53%；可動流體孔隙度為0.49%～1.84%，平均值為1.25%。

(3)研究區(qū)致密砂巖儲層中可動流體含量和分布受孔喉大小分布的影響。主體孔喉類型為黏土礦物晶間孔及細小喉道，由于孔喉半徑較小，不利于可動流體滲流，孔喉數(shù)量增加不能顯著提高可動流體飽和度。小于50 nm的孔喉不利于可動流體的發(fā)育；50～100 nm范圍內的孔喉開始有利于可動流體的發(fā)育；大于100 nm的孔喉對致密砂巖儲層可動流體含量具有重要控制作用。

(4)孔喉分選系數(shù)與可動流體含量呈現(xiàn)正相關，原因是研究區(qū)致密砂巖儲層非常致密，分選系數(shù)小時，孔隙半徑往往集中在50 nm以下；分選系數(shù)較大時，孔喉半徑分布較寬，大孔喉數(shù)量增加，從而可動流體含量增加。