致密砂巖儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)及其分形特征
——以西加拿大盆地A區(qū)塊Upper Montney段為例

黃奕銘，Richard COLLIER

（利茲大學 地球與環(huán)境學院，英國 利茲LS2 9JT）

致密油作為新增儲量的潛力資源，受到眾多專家和學者的關(guān)注。致密砂巖儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)影響其儲集能力和微觀滲流特性，決定致密油氣的分布[1-2]。因此，致密儲集層微觀孔喉特征研究是致密油勘探的重點之一，其主要研究內(nèi)容包括：孔喉大小、分布、配置、連通性及其與油氣聚集和分布的關(guān)系等[3-5]。常用鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、恒速壓汞、核磁共振、氣體吸附、微納米CT 等研究致密砂巖儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)[6-11]。前人研究表明，砂巖的微觀孔喉結(jié)構(gòu)具有很好的統(tǒng)計自相似性，利用幾何分形能夠較好地表征其非均質(zhì)性和復雜性[12-17]，因此，幾何分形常被應用于巖石微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征方面的研究。西加拿大盆地A 區(qū)塊下三疊統(tǒng)Upper Montney 段致密砂巖儲集層橫向差異大，成巖作用復雜多樣，微觀孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強，制約了油氣勘探開發(fā)[18-20]。本文選取研究區(qū)Upper Montney 段致密砂巖樣品，進行鑄體薄片、掃描電鏡和高壓壓汞分析，系統(tǒng)分析不同尺度下的孔喉結(jié)構(gòu)及其分形特征，明確分形維數(shù)與儲集層物性、孔喉大小和孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，為致密砂巖儲集層評價和油氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西加拿大盆地為南北長、東西窄的長條形盆地，由阿爾伯塔和威利斯頓2 個次盆組成，面積為1.4×106km2[20-22]。西加拿大盆地經(jīng)歷了新元古代—晚侏羅世被動大陸邊緣、晚侏羅世—始新世前陸盆地兩大構(gòu)造演化階段，下部主要為一套沉積在穩(wěn)定地臺上的古生界碳酸鹽巖，上部主要為一套前陸盆地沉積的中生界—新生界碎屑巖[22]。盆地沉積地層為西厚東薄的楔狀體，其厚度在落基山山前最大，向東逐漸變小，尖滅于加拿大地盾之上[21-22]。A 區(qū)塊位于西加拿大盆地西部邊緣，自下而上主要發(fā)育三疊系、侏羅系和白堊系[18-19，23]。本文研究的目的層為下三疊統(tǒng)Montney組Upper Montney段，以致密粉砂巖為主，夾有頁巖[18]。

2 實驗分析

將研究區(qū)Upper Montney段致密砂巖儲集層15塊樣品分別分割成3 份，進行掃描電鏡、鑄體薄片和高壓壓汞分析。利用掃描電鏡結(jié)合能譜測試，分析致密砂巖微觀孔喉和礦物特征；利用鑄體薄片分析致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)特征；鉆取直徑為2.5 cm 的柱狀巖心進行高壓壓汞實驗，實驗前將各巖心進行洗油處理，并將洗油后的樣品置于70 ℃恒溫箱中24 h，再進行孔隙度和滲透率測試。

2.1 物性和孔隙類型

研究區(qū)15 塊砂巖樣品的孔隙度為5.36%～13.00%，平均為9.55%；滲透率為0.01～0.87 mD，平均為0.22 mD（表1），表明研究區(qū)內(nèi)砂巖儲集層物性較差，是典型的致密砂巖儲集層。

表1 研究區(qū)Upper Montney段儲集層樣品物性Table 1.Porosity and permeability of the tight sandstone samples from the Upper Montney formation in the study area

研究區(qū)Montney 組Upper Montney 段儲集層主要孔隙類型為溶蝕孔（粒間溶蝕孔和粒內(nèi)溶蝕孔）、原生剩余粒間孔和晶間微孔，還見少量微裂縫（圖1）。溶蝕孔孔喉半徑分布不均，大多為1.00～80.00 μm，邊緣多呈不規(guī)則的港灣狀，長石溶蝕孔相對發(fā)育，填隙物溶蝕孔相對較少，局部發(fā)育較大的鑄?？住ＴＳ嗔ｉg孔孔喉半徑較小，為1.00～40.00 μm，邊緣較為整齊，常與粒間溶蝕孔伴生。晶間微孔以黏土礦物晶間孔為主，其孔喉半徑較小，多為幾微米至幾十微米，常與原生剩余粒間孔伴生。另外，研究區(qū)發(fā)育少量微裂縫，寬度為幾微米至幾十微米，微裂縫雖然不是研究區(qū)儲集層的主要儲集空間，但提高了儲集層的滲透性。

圖1 研究區(qū)Upper Montney段儲集層孔隙類型Fig.1.Pore types of the reservoir in the Upper Montney formation in the study area

2.2 微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)孔喉半徑，可將孔喉分為微米級孔喉（r≥1.00 μm）、亞微米級孔喉（0.10 μm≤r＜1.00 μm）和納米級孔喉（r＜0.10 μm）。研究區(qū)Upper Montney 段致密砂巖儲集層的儲集空間主要由納米級和亞微米級孔喉構(gòu)成，微米級孔喉發(fā)育相對較少。孔喉半徑呈現(xiàn)多峰分布的特征，主峰分布在0.03～2.20 μm，主要分布在0.05～0.40 μm（圖2）。儲集層排驅(qū)壓力分布范圍較大，為1.02～8.26 MPa；最大孔喉半徑跨度大，分布在0.09～0.72 μm；飽和中值壓力為5.21～25.45 MPa，孔喉半徑中值（飽和中值壓力對應的孔喉半徑）為0.03～0.14 μm，平均孔喉半徑為0.04～0.21 μm；最大進汞飽和度為58.32%～88.64%（表2）。各樣品孔喉半徑分布和孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異，體現(xiàn)了不同致密砂巖儲集層復雜的孔喉結(jié)構(gòu)特征。

圖2 研究區(qū)Upper Montney段儲集層孔喉半徑分布Fig.2.Pore throat radius distribution of the reservoir in the Upper Montney formation in study area

表2 研究區(qū)Upper Montney段儲集層孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)Table 2.Parameters of pore throat structure and physical property of the reservoir in the Upper Montney formation in the study area

通過對比分析15 塊樣品的毛細管壓力曲線和孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，將研究區(qū)致密砂巖儲集層劃分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類（表2、圖3）。Ⅰ類儲集層包括8 號、9 號、12 號和15 號樣品，其毛細管壓力曲線平緩段較長（圖3a），該類儲集層的儲集空間主要由亞微米級孔喉組成，其次為納米級孔喉，同時發(fā)育一定數(shù)量的微米級孔喉，因此，該類儲集層應具有較高的儲集和滲流能力。Ⅱ類儲集層包括2號、3號、10號、13號和14號樣品，其毛細管壓力曲線平緩段較短（圖3b），該類儲集層的儲集空間主要為亞微米級孔喉和納米級孔喉，其儲集和滲流能力較Ⅰ類儲集層差。Ⅲ類儲集層包括1 號、4 號、5 號、6 號、7 號和11 號樣品，其毛細管壓力曲線平緩段更短（圖3c），該類儲集層的孔喉主要為納米級孔喉，其次為亞微米級孔喉，其儲集和滲流能力相對較差。

圖3 研究區(qū)Upper Montney段不同類型儲集層樣品毛細管壓力曲線Fig.3.Capillary pressure curves of different types of samples from the Upper Montney formation in the study area

2.3 分形特征

由上文可知，研究區(qū)致密砂巖儲集層的儲集空間主要由納米級孔喉和亞微米級孔喉組成，微米級孔喉發(fā)育較少，因此，本文僅對納米級孔喉和亞微米級孔喉的分布規(guī)律進行分析。

分形理論已廣泛應用于分析多孔介質(zhì)孔喉結(jié)構(gòu)不規(guī)則性和復雜性[13，16]。根據(jù)Washburn 方程，孔喉半徑和進汞壓力有如下關(guān)系：

儲集層孔喉結(jié)構(gòu)的分形特征分析高壓壓汞曲線時，有如下關(guān)系：

將（2）式兩邊取對數(shù)，得：

由圖4 可知，lg（1-SHg）和lgpc呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)皆大于0.900 0，說明研究區(qū)致密砂巖儲集層具明顯的分形特征，且納米級孔喉和亞微米級孔喉的分形維數(shù)具有明顯差異。

圖4 研究區(qū)Upper Montney段不同類型儲集層孔喉分形特征Fig.4.Fractal characteristics of different reservoir pore throats in the Upper Montney formation in the study area

根據(jù)lg（1-SHg）和lgpc的線性關(guān)系，可計算各樣品的不同尺度孔喉的分形維數(shù)（表3）。納米級孔喉的孔隙度（φ1）為2.67%～9.27%，平均為4.34%，分形維數(shù)（D1）為2.20～2.72，平均為2.46，平均相關(guān)系數(shù)為0.995 8。亞微米級孔喉的孔隙度（φ2）為2.02%～8.20%，平均為5.26%，分形維數(shù)（D2）為2.30～2.86，平均為2.59，平均相關(guān)系數(shù)為0.924 1。亞微米級孔喉的分形維數(shù)較納米級孔喉的分形維數(shù)略大，說明亞微米級孔喉較納米級孔喉非均質(zhì)性更強。Ⅰ類儲集層的D1和D2分別為2.20～2.30 和2.30～2.59，平均值分別為2.27 和2.39；Ⅱ類儲集層的D1和D2分別為2.28～2.56 和2.35～2.68，平均值分別為2.46 和2.56；Ⅲ類儲集層的D1和D2分別為2.34～2.72 和2.71～2.86，平均值分別為2.59和2.77。整體上看，Ⅲ類儲集層的納米級孔喉和亞微米級孔喉的分形維數(shù)相對較大，其次為Ⅱ類儲集層，Ⅰ類儲集層較小，說明Ⅲ類儲集層非均質(zhì)性較強，Ⅱ類儲集層非均質(zhì)性中等，Ⅰ類儲集層非均質(zhì)性相對較弱。

表3 研究區(qū)Upper Montney段孔喉孔隙度、分形維數(shù)和相關(guān)系數(shù)Table 3.Fractal dimension,corresponding porosity,and correlation coefficient of different pore throats in the Upper Montney formation in the study area

總分形維數(shù)可由下式計算得到：

經(jīng)計算，總分形維數(shù)為2.28～2.73，平均為2.49。Ⅰ類儲集層孔喉的總分形維數(shù)較小，平均為2.31，儲集層非均質(zhì)性較弱；Ⅱ類儲集層孔喉的總分形維數(shù)平均為2.46，儲集層非均質(zhì)性中等；Ⅲ類儲集層孔喉的總分形維數(shù)較大，平均為2.63，儲集層非均質(zhì)性較強。

3 討論

3.1 孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)與孔喉大小的關(guān)系

分析關(guān)系曲線可知，平均孔喉半徑與φ1呈微弱的負相關(guān)關(guān)系，而與φ2呈微弱的正相關(guān)關(guān)系（圖5a）。這也體現(xiàn)出平均孔喉半徑較大的致密儲集層，其亞微米級孔喉較多，納米級孔喉較少。此外，平均孔喉半徑與φ1的相關(guān)系數(shù)大于平均孔喉半徑與φ2，說明納米級孔喉與平均孔喉半徑關(guān)系更加密切?？缀矸植挤逦环从沉藘瘜涌缀矸植嫉募汹厔?，圖5b 顯示孔喉分布峰位與φ1呈微弱的負相關(guān)，說明納米級孔喉的發(fā)育在一定程度上抑制了孔喉分布峰位向大孔喉偏移；而孔喉分布峰位與φ2不相關(guān)，這可能是由于亞微米級孔喉較少?？缀戆霃街兄蹬cφ2呈較好的正相關(guān)關(guān)系，但與φ1無相關(guān)性（圖5c）。說明孔喉半徑中值的大小受亞微米級孔喉制約，而不受納米級孔喉影響，可以判斷亞微米級孔喉對儲集層有效儲集空間的影響更為明顯。最大進汞飽和度能夠反映致密砂巖儲集層孔喉的連通性，其值越大，孔喉的連通性越好。最大進汞飽和度與φ2具有較好的正相關(guān)關(guān)系（圖5d），說明亞微米級孔喉的發(fā)育對孔喉連通性的影響較大，其數(shù)量越多，致密砂巖儲集層孔喉的連通性越好；而最大進汞飽和度與φ1無明顯關(guān)系，是由于納米級孔喉的連通性往往較差，對有效儲集空間的貢獻較低。因而可以判斷，研究區(qū)內(nèi)亞微米級孔喉發(fā)育的致密砂巖儲集層，其連通性往往較好，有利于油氣的運移和聚集，是致密砂巖油的富集區(qū)。分選系數(shù)與φ1呈微弱的負相關(guān)關(guān)系（圖5e），說明納米級孔喉發(fā)育的儲集層，其孔喉分選性往往較好；而分選系數(shù)與φ2無明顯相關(guān)性，可能是由于致密砂巖儲集層中亞微米級孔喉發(fā)育較少。歪度是反映孔喉大小分布對稱性的參數(shù)，粗歪度的儲集層具有良好的儲集和滲透能力。歪度與φ2呈正相關(guān)關(guān)系，而與φ1無明顯的相關(guān)性（圖5f），說明亞微米級孔喉的發(fā)育有助于致密砂巖儲集層的孔喉分布向較粗歪度偏移，而納米級孔喉的發(fā)育對致密砂巖儲集層的歪度無明顯影響。

圖5 研究區(qū)Upper Montney段孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)與孔隙度的關(guān)系Fig.5.Relationships between pore throat structure parameters and porosity in the Upper Montney formation in the study area

3.2 物性對分形維數(shù)的影響

儲集層物性受巖石成分、礦物顆粒、孔喉等多種因素影響，研究儲集層孔喉分形維數(shù)與物性的關(guān)系，有助于在微觀尺度上理解孔喉分布對儲集層性質(zhì)的影響。分形維數(shù)與孔隙度總體上呈負相關(guān)關(guān)系，但納米級孔喉的分形維數(shù)與其孔隙度相關(guān)性較低（圖6a）。物性較好的儲集層，孔喉分形維數(shù)小，孔喉連通性好，非均質(zhì)性弱，是油氣富集的有利場所。隨著孔隙度的增大，分形維數(shù)逐漸減小，其中亞微米級孔喉分形維數(shù)的遞減速率較納米級快，這是由于亞微米級孔喉對非均質(zhì)性的敏感性較納米級孔喉強。圖6a 中，部分樣品隨著納米級孔喉孔隙度的增大，分形維數(shù)具有增大的趨勢，說明影響小尺度孔喉分布非均質(zhì)性的因素更加復雜。由圖6b 和圖6c 可知，總分形維數(shù)與巖石的孔隙度以及空氣滲透率呈負相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)不高，說明孔喉結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性與儲集空間的大小以及孔喉連通性有一定關(guān)系。分形維數(shù)小、孔喉表面光滑、非均質(zhì)性弱的儲集層，其孔喉連通性好并且儲集能力強，該類儲集層發(fā)育的層位是油氣勘探的甜點區(qū)；相反，分形維數(shù)大、孔喉表面粗糙、非均質(zhì)性強的儲集層，孔喉連通性差，其對油氣的滲流和儲集能力弱，不利于油氣的富集。

圖6 研究區(qū)Upper Montney段孔喉分形維數(shù)與儲集層物性參數(shù)的關(guān)系Fig.6.Relationships between pore throat fractal dimension and physical parameters of the reservoir in the Upper Montney formation in the study area

3.3 孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)對分形維數(shù)的影響

D1和D2與平均孔喉半徑和孔喉分布峰位均無明顯相關(guān)性（圖7a、圖7b），說明兩者對分形維數(shù)沒有直接的影響。D2與孔喉半徑中值呈負相關(guān)關(guān)系，說明孔喉半徑中值較小的儲集層，其亞微米級孔喉非均質(zhì)性較強（圖7c）；D1與孔喉半徑中值呈不明顯負相關(guān)關(guān)系，這是由于納米級孔喉發(fā)育對孔喉半徑中值影響不大。D1與分選系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，D2與分選系數(shù)呈不顯著的正相關(guān)（圖7d），說明孔喉大小的分選性對納米級孔喉的非均質(zhì)性有影響，且孔喉大小分選性越差，納米級孔喉分形維數(shù)通常越大，非均質(zhì)性往往越強，而孔喉大小分選性對亞微米級孔喉的非均質(zhì)性無明顯影響。D2與歪度呈負相關(guān)，D1與歪度呈微弱的負相關(guān)（圖7e），說明孔喉分布的對稱性對亞微米級孔喉分形特征具有影響，且歪度越小，亞微米級孔喉非均質(zhì)性越強，而孔喉分布的對稱性對納米級孔喉分形特征的影響微弱。D1和D2與最大進汞飽和度呈負相關(guān)（圖7f），說明最大進汞飽和度越大，儲集層連通性越好，納米級孔喉和亞微米級孔喉的非均質(zhì)性越弱，該類儲集層有利于油氣的聚集。

圖7 研究區(qū)Upper Montney段孔喉分形維數(shù)與孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系Fig.7.Relationships between pore fractal dimension and pore throat structure parameters in the Upper Montney formation in the study area

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)致密砂巖儲集層整體物性較差，孔隙類型主要包括溶蝕孔（粒內(nèi)溶蝕孔和粒間溶蝕孔）、原生剩余粒間孔和晶間微孔，并發(fā)育少量微裂縫。儲集層孔喉半徑多小于0.30 μm，孔喉分布曲線呈多峰形態(tài)，有效儲集空間主要由納米級和亞微米級孔喉組成。

（2）根據(jù)毛細管壓力曲線特征和孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，可將研究區(qū)致密砂巖儲集層分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。Ⅰ類儲集層的亞微米級孔喉最發(fā)育，納米級孔喉次之；Ⅱ類儲集層的儲集空間主要由亞微米級和納米級孔喉組成；Ⅲ類儲集層中發(fā)育較多納米級孔喉，其次為亞微米級孔喉。

（3）不同類型儲集層樣品的不同大小孔喉分形維數(shù)不同，Ⅰ類儲集層樣品的物性和連通性相對較好，非均質(zhì)性相對弱，Ⅱ類和Ⅲ類儲集層樣品物性相對較差，非均質(zhì)性較強。不同大小孔喉的分形特征有差異，通常亞微米級孔喉的分形維數(shù)大于納米級孔喉。

（4）研究區(qū)致密砂巖儲集層不同類型孔喉的分形維數(shù)各異，其分形維數(shù)與孔喉結(jié)構(gòu)有關(guān)。納米級孔喉的分形維數(shù)與孔隙度、孔喉半徑中值和歪度的相關(guān)性較弱，與最大進汞飽和度的相關(guān)性較強；亞微米級孔喉的分形維數(shù)與孔隙度、孔喉半徑中值、歪度和最大進汞飽和度存在相對較強的相關(guān)性，與分選系數(shù)的相關(guān)性較弱。

符號注釋

D——總分形維數(shù)；

D1——納米級孔喉分形維數(shù)；

D2——亞微米級孔喉分形維數(shù)；

p——進汞壓力，MPa；

pc——毛細管壓力，MPa；

pmin——最小毛細管壓力，MPa；

r——孔喉半徑，μm；

SHg——累計進汞體積分數(shù)，%；

σ——界面張力，0.48 N/m；

θ——接觸角，140°；

φ1——納米級孔喉孔隙度，%；

φ2——亞微米級孔喉孔隙度，%。