鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩不同尺度孔喉分形特征及其控制因素

王 伟，陈朝兵，许 爽，李亚辉，朱玉双，黄星元

1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2.西安石油大学 地球科学与工程学院，西安 710065；3.中国石油 长庆油田分公司，陕西 延安 716000；4.西北大学 地质学系，西安 710069

致密砂岩油藏是目前全球石油勘探开发领域研究的热点[1-5]。中国2020年原油进口突破5.4×108t，对外依存度已超过70%，迫切需要提高致密砂岩油藏开发规模和效率，实现非常规能源的战略接替。致密砂岩孔喉特征影响着油藏油气分布规律和富集特征，是致密砂岩油藏研究的关键[6-12]。受沉积环境和成岩作用影响，致密砂岩孔喉狭小，微观孔喉结构复杂，非均质性强，传统的测试手段难以表征致密砂岩孔喉形态特征，结合分形几何理论可以对致密砂岩复杂孔喉结构进行深入研究[13-14]。前人利用分形理论对砂岩孔喉进行研究，证实了砂岩中孔喉具备分形特征，可以用分形维数表征砂岩孔喉结构[15-18]。但致密砂岩孔喉分布范围大，不同半径孔隙和喉道微观结构和分形特征必然有所差异，需要对不同尺度孔喉分形特征进行研究。本次研究以鄂尔多斯盆地姬塬地区致密砂岩为研究对象，利用铸体薄片、扫描电镜(SEM)和恒速压汞(RCP)方法，对砂岩孔隙和喉道的大小、形态进行研究，并根据恒速压汞进汞曲线，研究了致密砂岩孔隙与喉道的分形特征。根据分形曲线转折点，将孔喉分成小尺度和大尺度2种类型，计算了大尺度孔喉和小尺度孔喉分形维数(D)，讨论了不同尺度孔喉分形维数差异及其形成原因。研究结果对了解致密砂岩微观孔喉结构及非均质性有重要意义。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是具有克拉通基底的大型坳陷盆地，含有丰富的油气资源。姬塬地区位于鄂尔多斯盆地西部，横跨天环凹陷和陕北斜坡(图1a)[19]，该区域上三叠统延长组致密油有效开发储量超过20×108t，勘探前景巨大，是鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩油藏主力区域。姬塬地区延长组自下而上划分为长10—长1共10个段[20]。其中长6段和长7段沉积时期为三角洲—半深湖沉积环境，岩性以细粒砂岩和暗色泥岩为主(图1b)[21-22]。长7期半深湖—深湖环境中形成一套大面积分布的优质烃源岩，是延长组油气的主要来源[23-24]。烃源岩生成的油气近距离运移进入相邻的长6段和长7段致密砂岩中，形成大规模致密砂岩油藏。

图1 鄂尔多斯盆地姬塬地区地质构造(a)及上三叠统延长组地层特征(b)

2 实验原理

2.1 恒速压汞

恒速压汞实验使用ASPE-730型恒速压汞分析仪。实验最大进汞压力为6.205 MPa，汞注入速率为5×10-5mL/min，接触角为140°，表面张力为485 dyne/cm。实验时以极低速度向岩石样品中注入汞，通过进汞压力的变化来分辨岩石中的孔隙与喉道[15]。由于恒速压汞最大进汞压力较低，该实验能识别的最小喉道半径为0.12 μm。

2.2 分形维数计算原理

本次研究通过恒速压汞进汞曲线计算致密砂岩孔隙和喉道的分形维数。根据分形理论[25]，若致密砂岩孔喉分布符合分形结构，则有关系式：

N(r)∝r-D

(1)

式中：r为单个孔喉的半径，μm；D为该孔喉对应的分形维数；N(r)为半径大于r的孔喉数。

根据毛细管模型[16]，N(r)可以表示为：

N(r)=VHg/(πr2l)

(2)

式中：l为毛细管长度，μm，VHg为对应毛细管压力下累计进汞体积，μm3。结合毛细管计算公式[26]：

Pc=2σcosθ/r

(3)

式中：Pc为毛细管压力，MPa；σ为表面张力,dyne/cm；θ为接触角，(°)。

可以得到：

N(r)∝Pc-(2-D)

(4)

因此毛细管力(Pc)和汞饱和度(VHg)取双对数后呈线性关系，且拟合直线的斜率(S)与孔喉分形维数(D)满足以下关系：

D=S+2

(5)

3 实验结果

3.1 孔喉类型

根据镜下观察，姬塬地区致密砂岩孔隙类型主要为剩余粒间孔、溶蚀孔隙和晶间孔隙。剩余粒间孔为原始粒间孔隙受压实和胶结等成岩作用改造后形成的，其边缘平直，一般呈三角形等规则形状[27](图2a)。姬塬地区致密砂岩压实作用强烈，胶结物含量高，严重压缩了粒间孔隙，因此致密砂岩剩余粒间孔含量低(平均含量为0.92%)。鄂尔多斯盆地延长组长6段、长7段致密砂岩与长7段烃源岩紧密接触，烃源岩生烃时形成的大量酸性流体会进入相邻致密砂岩储层溶蚀碎屑颗粒，形成墨水瓶状、港湾状等不规则孔隙空间(图2b，c)。长6段、长7段致密砂岩溶蚀作用强烈，砂岩中发育大量溶蚀孔隙(平均含量为1.17%)。部分溶蚀孔隙连片形成复合孔隙。

图2 鄂尔多斯盆地姬塬地区致密砂岩孔隙和喉道微观特征

致密砂岩中发育伊利石、绿泥石等黏土矿物。黏土矿物发育晶间孔(图2d)。晶间孔半径较小，在致密砂岩中含量较低(平均含量为0.08%)。受压实作用和胶结作用影响，致密砂岩喉道类型主要为缩颈状喉道和弯片状喉道，其中缩颈状喉道由多个碎屑颗粒相互接触形成，半径一般较小(图2e)；弯片状喉道为颗粒间狭长空间，半径一般较大(图2f)。因此致密砂岩小孔隙主要为压实作用形成的剩余粒间孔和自生黏土矿物中发育的晶间孔；大孔隙主要为溶蚀作用形成的溶蚀孔隙和复合孔隙。致密砂岩中小喉道主要为缩颈状喉道，大喉道主要为弯片状喉道。

3.2 孔喉分布特征

姬塬地区样品孔隙度分布范围为7.8%～15.5%，平均值为10.9%，渗透率分布范围为(0.02～0.26)×10-3μm2，平均值为0.16×10-3μm2(表1)，属于典型的致密砂岩。样品孔隙度与渗透率之间相关性差(图3)，表明样品中存在微裂缝或者部分连通性极好的孔隙，这部分空间主导了流体在样品中的流动。

表1 鄂尔多斯盆地姬塬地区致密砂岩孔喉分布和分形维数统计

图3 鄂尔多斯盆地姬塬地区 致密砂岩孔隙度与渗透率相关性

姬塬地区致密砂岩喉道半径和孔隙半径分布曲线都呈现单峰状，其中孔隙半径主要分布在100～200 μm，孔隙半径平均值为135.51 μm，整体较均匀(图4a)；喉道半径分布范围较宽，主要分布在0.2～0.8μm(图4b)，喉道半径平均值为0.53μm。致密砂岩孔隙分布非均质性较弱，喉道分布非均质性较强。

图4 鄂尔多斯盆地姬塬地区致密砂岩孔隙和喉道分布频率

3.3 孔喉分形特征

分形维数可以反映孔喉的非均质性，分形维数越大，孔喉空间越复杂，非均质性越强[28]。根据恒速压汞的孔隙和喉道进汞曲线，得到lgSHg—lgPc分形曲线，计算分形曲线线性拟合斜率，从而得到测试范围内孔隙和喉道的分形维数特征(图5)。从分形曲线中观察到，孔隙和喉道的分形曲线存在明显的转折点。转折点代表渗流能力强的大尺度孔喉向渗流能力差的小尺度孔喉的过渡[16]。转折点前后分形曲线斜率差异明显，且线性拟合性好，表明不同尺度孔喉分形维数有一定差异。

当进汞压力小于转折点压力时，对应大尺度孔隙和喉道；当进汞压力大于转折点压力时，对应小尺度孔隙和喉道。小尺度孔隙分形维数分布为2.16～2.99，平均值为2.50；大尺度孔隙分形维数分布为10.80～20.26，平均值为14.07。小尺度喉道分形维数分布为2.76～3.98，平均值为3.47；大尺度喉道分形维数分布为7.00～20.50，平均为10.69(表1)。大尺度孔隙和喉道的分形维数明显大于小尺度孔隙和喉道，表明其非均质性强。

图5 鄂尔多斯盆地姬塬地区致密砂岩孔隙和喉道分形特征

4 讨论

4.1 分形维数与有效储集空间关系

孔喉分形曲线由进汞曲线转换的lgSHg—lgPc散点拟合而成，因此分形曲线形态与进汞曲线有很好的一致性(图6)。当进汞曲线斜率高时，其转换成分形曲线线性拟合斜率也高，形成较大的分形维数。因此当孔喉有效储集空间较大时，在进汞压力的驱使下，非润湿性的汞会更多地进入孔隙空间，即同等驱替压力下，储集性越好的孔隙其进汞饱和度越高，致使孔喉进汞曲线斜率高，孔喉的分形维数较大。并且样品中小尺度孔隙和喉道的分形维数小于大尺度孔隙和喉道的分形维数。该现象也证实了分形维数受孔喉储集性的影响。孔喉有效储集空间越大，其分形维数越大。

小尺度孔隙和喉道空间储集能力低，分形曲线线性拟合斜率低，分形维数较小。大尺度孔隙和喉道具有极强的空间储集能力，进汞曲线转换的分形曲线线性拟合斜率高，分形维数大于7，远远超过了三维空间分形维数的上限3，其原因在下节讨论。

4.2 成岩作用对孔喉分形特征的影响

压汞饱和度与注入压力的分形关系的建立，是基于孔隙空间为圆形和喉道空间为圆柱形的假设上[公式(2)][16, 29]，且三维空间分形维数理论上位于2～3之间[30]。本次研究发现多数样品的喉道和大尺度孔隙分形维数超过3，分形曲线线性拟合好。学者在其他层位致密砂岩和煤岩孔隙空间中也得到了分形维数大于3的结果[16,28,31]，表明分形维数大于3在岩石孔隙空间普遍存在，可以用分形模型对砂岩中大尺度孔喉空间特征进行表征和分析。

图6 鄂尔多斯盆地姬塬地区致密砂岩恒速压汞进汞曲线(a)与分形特征(b)

从扫描电镜观察到，小尺度喉道主要为压实作用、胶结作用形成的缩颈状喉道，该类型喉道非均质性较强，分形维数主要位于3～4，平均分形维数为3.47，与理想分形关系差异较小，表明小尺度喉道形状有一定程度的变形。小尺度孔隙主要为压实作用形成的剩余粒间孔和胶结矿物中的晶间孔。该类型孔隙半径较小，形状接近圆柱形，非均质性较弱。其分形维数位于2～3之间，平均分形维数为2.50，满足理想分形关系，可以用分形维数表征小尺度孔隙结构特征。

在压实作用影响下，致密砂岩碎屑颗粒间紧密接触，形成狭长喉道；喉道胶结作用微弱，喉道内壁光滑，无胶结物存在，从而形成弯片状的大尺度喉道(图7a)。弯片状喉道长度可达50 μm(图7b)，与微裂隙形态接近，形成较大的分形维数[16]，平均分形维数为10.69。

致密砂岩中溶蚀作用强烈，形成大尺度溶蚀孔隙和复合孔隙(图7c)。相比于常规孔隙，复合孔隙形状复杂，非均质性强，其内部有效储集空间大，半径可达200 μm(图7d)。当流体突破喉道进入复合孔隙中时，进汞饱和度增长快，对应分形曲线的线性拟合斜率较大，平均分形维数为14.07。

图7 鄂尔多斯盆地姬塬地区致密砂岩大尺度孔隙和喉道微观特征

致密砂岩弯片状喉道和复合孔隙有效储集空间大，孔喉空间复杂，非均质强，不是理想形状，不满足理想分形关系。大尺度孔隙和喉道分形维数普遍大于8，甚至可以到20，表明该大尺度孔喉空间复杂，非均质性较强。

综上，成岩作用对致密砂岩孔喉分形特征有重要影响。小尺度孔隙(剩余粒间孔、晶间孔)和小尺度喉道(缩颈状喉道)压实作用和胶结作用强烈，颗粒间空间缩小，形成的孔喉半径较小，空间变形不明显。因此小尺度孔喉简单，非均质性弱，分形维数较小。大尺度孔隙(溶蚀孔隙和复合孔隙)和压实作用形成的大尺度喉道(弯片状喉道)溶蚀作用强烈，胶结作用微弱，溶蚀作用扩展了颗粒空间，孔喉半径较大，但孔隙形态不规则，孔喉空间变形明显。因此大尺度孔喉空间复杂，非均质性强，分形维数较大。

5 结论

(1)致密砂岩孔隙和喉道分形曲线具有明显的转折点，转折点前后线性拟合曲线斜率差异大，表明孔隙和喉道具有2种分形维数。

(2)小尺度孔隙主要为剩余粒间孔和晶间孔，分形维数平均值为2.50；大尺度孔隙主要为溶蚀孔隙和复合孔隙，分形维数平均值为14.07。小尺度喉道主要为缩颈状喉道，分形维数平均值为3.47；大尺度喉道主要为弯片状喉道，分形维数平均值为10.69。不同尺度孔喉分形维数差异明显。

(3)孔隙分形维数越高，其非均质性越强。小尺度孔喉压实作用和胶结作用强烈，非均质性弱，分形维数较小。大尺度孔喉溶蚀作用强烈，孔喉变形严重，非均质性强，分形维数较大。成岩作用对孔喉分形特征有重要影响。