三塘湖盆地致密沉凝灰岩储层孔隙结构及流体可动性特征

李 帅，杨胜来，王 爽，高鑫远，张 政，焦 宝，于家义

(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 2.长庆油田分公司 第五采油厂，陕西 西安 710200； 3.吐哈油田分公司 勘探开发研究院，新疆 哈密 839009)

引 言

近年来，三塘湖盆地二叠系条湖组致密沉凝灰岩油藏成为了中国乃至世界上第一个勘探开发成功的凝灰岩类致密油藏[1-2]，该油藏的经济有效开发极大地丰富了国内外致密油藏勘探开发的内涵，具有重要的理论和实践价值[3-4]。

作为一类正处于开发早期、潜力巨大的新型致密油藏，明确储层孔隙结构和流体可动性对于确定其储集能力[5-7]、渗流能力[8-10]、开发方式和生产动态[11-12]等具有重要意义。目前，学者们关于致密油藏的孔隙结构及流体可动性已经进行了大量的研究，如马铨铮等[13]采用铸体薄片、扫描电镜等研究了芦草沟组致密储层的储集空间类型和孔隙分布特征。黄兴等[14]基于高压压汞和核磁共振等研究了致密油藏微观孔隙结构特征及其对水驱油的影响。周尚文等[15]利用高压压汞和核磁共振分析了致密油藏可动流体饱和度。郭和坤等[16]运用核磁共振和气水高速离心法分析了致密油藏的孔隙结构类型及可动流体饱和度特征。前人在致密油藏孔隙结构及流体可动性方面已经取得大量成果，但仍存在以下问题：①未对新型致密沉凝灰岩油藏开展孔隙结构及流体可动性的系统研究；②较少系统研究致密油藏孔隙结构、流体可动性及二者关系；③研究致密油藏孔隙结构及流体可动性的方法相对单一。

鉴于此，本文以三塘湖盆地二叠系条湖组致密沉凝灰岩油藏井下真实岩心为对象，采用多种实验手段分析了岩心的孔隙结构、流体可动性及二者关系，以期为系统认识致密沉凝灰岩储层特征及开发方案的制定提供依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验岩心为具有代表性的井下真实岩心，取芯深度为2 644.18～2 712.34 m，共计13块，编号依次为Z1─Z13。岩心直径2.470～2.529 cm，长度1.744～7.762 cm。岩心渗透率(0.026～0.125)×10-3μm2，平均为0.06×10-3μm2，孔隙度介于14.09%～22.64%，平均为18.29%。实验用油为煤油，室温20 ℃时黏度为1 mPa·s，密度为0.795 kg/m3。实验用水根据地层水类型配制而成，为NaHCO3型，矿化度为9 000 mg/L。

1.2 实验仪器

岩心孔隙度、渗透率和高压压汞测试分别采用113型氦孔隙度仪、112型空气渗透率仪和Poremaster PM-33-13压汞仪；电镜扫描采用COXEM-EM-30 Plus超高分辨率台式扫描电镜；铸体薄片由北京日月石矿业有限公司制作完成，并采用偏光显微镜进行观察和鉴定；离心机采用YXL-14B岩心分析离心机；核磁共振仪采用SPEC-PMR型核磁共振岩心分析仪；长岩心水驱实验中，驱替泵为ISCO泵，中间容器、压力传感器、恒温箱、高压夹持器和液体计量装置等均由江苏海安石油科研仪器有限公司生产。

1.3 实验步骤

岩心孔隙度、渗透率和高压压汞测试参照SY/T5336—2006和 SY/T5346—2005，铸体薄片和扫描电镜测试参照SY/T6103—2004，核磁共振测试参照SY/T6490—2014。离心法结合核磁共振测试岩心可动性的步骤为：①测试岩心完全饱和地层水时的核磁信号量及T2谱曲线；②测试岩心离心后的核磁信号量及T2谱曲线；③对比岩心离心前后核磁信号量的变化，求取岩心可动流体饱和度及核磁T2截止值；④利用岩心核磁T2值与孔隙半径r的关系，求取岩心可动流体孔隙半径下限。长岩心水驱实验采取逐级升压法，主要记录不同压差下的产液规律及最小水驱压力梯度。

2 结果分析

2.1 孔隙结构特征

2.1.1 铸体薄片

铸体薄片测试结果既可以反映岩石矿物组成，也可以反映岩石孔隙特征。Z1和Z2的铸体薄片测试结果如图1所示。

由图1知，条湖组致密岩心为(沉)凝灰岩，矿物组成相对简单，主要包括凝灰质、方解石和石英，基本不含黏土矿物。Z1和Z2的面孔率分别为6%和8%，孔隙主要由构造缝、气泡状结构和基质微孔组成，其中Z1发育1条构造缝，缝内完全充填了方解石，Z2发育2条构造缝，但缝内未见方解石充填。沉凝灰岩内同样可见大量的气泡状结构，其内充填着大量方解石单晶，而基质内既可见呈团状的钙质胶结，也可见漂浮分布的、呈次棱角状-次圆状、粒度多为粉砂的石英颗粒，基质内也发育了大量未充填的微孔。

图1 铸体薄片图像

2.1.2 扫描电镜

扫描电镜实验是观察岩心微观孔隙特征最直接有效的方法。Z3的扫描电镜测试结果如图2所示。

图2 扫描电镜测试结果

图2(a)为岩心端面局部放大500倍后的图像，由图可以明显观察到较为致密的基质孔隙和数量较少但尺度相对较大的裂缝。图2(b)是将该端面继续放大1 000倍，此时裂缝形态相对较为清晰，但基质孔隙仍然较为致密，无法清晰观察。图2(c)是将基质部分继续放大2 000倍观察，此时部分孔隙呈明显的气泡状结构。图2(d)是将裂缝部分放大了5 000倍，此时可以清楚地看到裂缝内的方解石分布。图2(e)─2(h)是分别将基质部分放大5 000倍、6 000倍、7 000倍和10 000倍，可以看出当观测尺度足够小时，基质孔隙又可细分为更小的微尺度裂缝和微孔隙，但此时岩心的孔隙尺度已经达到了微纳米级。因此，整体而言，致密沉凝灰岩孔隙主要由较大尺度的构造缝、气泡状结构以及微纳米尺度的基质微孔组成，其中基质微孔体积在总孔隙体积中的比例最大，并处于绝对的主导地位。

2.1.3 高压压汞

高压压汞实验是观察岩心进/退汞和孔喉分布特征的重要手段。实验结果如图3所示。

图3 毛管压力曲线

由图3知，6块岩心进汞曲线的中间段不仅跨度大而且均较为平缓，说明岩心内孔隙分布集中，而分选系数介于0.976～1.174，平均仅为1.048，说明岩心的孔隙分选性良好。岩心排驱压力4.124～5.499 MPa，平均为4.354 MPa，孔喉半径平均值0.060～0.081 μm，平均为0.069 μm，孔喉半径中值0.065～0.090 μm，平均为0.073 μm，说明岩心孔隙尺度整体属于微纳米级。岩心进汞效率介于98.3%～98.9%，平均为98.6%，表明压汞法能较为准确地反映致密沉凝灰岩的孔隙结构，但岩心退汞效率30.6%～39.2%，平均为34.0%，说明岩心孔隙内毛管力滞留效应非常明显，这也是造成矿场压裂液及注入水返排率低的重要原因。

不同岩心的孔喉半径分布频率及其渗透率贡献曲线如图4所示。

图4 各孔喉的分布频率及对渗透率贡献率

由图4知，岩心Z4、Z5、Z6和Z7中分布最多的孔隙尺度是0.063 μm，该尺度在各岩心总孔隙体积中的占比依次为28.0%，30.1%、38.8%和36.6%，在岩心Z8和Z9中，孔隙尺度0.063 μm和0.1 μm占岩心总孔隙体积的比例接近。结合本研究之前的多块岩心测试数据知，致密沉凝灰岩孔隙中占据岩心孔隙体积最多的孔隙尺寸是0.063 μm。对渗透率而言，在岩心Z4、Z5、Z6、Z8和Z9中，贡献最大的孔隙半径是0.1 μm，贡献率依次为48.5%，54.9%、41.6%、59.4%和50.4%，在Z7中孔隙尺度为0.063 μm和0.100 μm对渗透率的贡献相近。因此，致密沉凝灰岩中分布最多的孔隙尺度是0.063 μm，但对渗透率贡献最大的孔隙尺度是0.100 μm。

2.1.4 核磁共振

核磁共振在测试和表征致密岩心孔隙结构方面具有独特优势。Z7、Z8和Z9充分饱和地层水后的核磁共振T2谱曲线如图5所示。

由图5知，致密沉凝灰岩岩心核磁共振横向弛豫时间T2值主要集中在0.1 ～ 10 ms，各岩心核磁信号总量较为稳定，且T2谱曲线形态均呈单峰，说明岩心均质性相对较好，孔隙分布较为集中。概括而言，致密沉凝灰岩是一类矿物组成相对简单，孔隙整体较为致密但均质性较好的储集体。

图5 岩心核磁共振T2谱曲线

2.2 流体可动性特征

核磁共振技术同样在表征致密岩心流体可动性、 各类孔喉的产液规律及剩余油分布特征等方面具有广泛用途，但核磁共振测试结果的横坐标是该岩心的弛豫时间，而非孔隙半径。因此，要利用核磁共振技术确定各类孔隙内含油量的变化就必须首先建立岩心孔隙半径r与其核磁共振弛豫时间T2的关系，其基本步骤包括[17]：①将岩心压汞数据进行归一化处理，得到不同孔隙半径r的累计分布频率；②将岩心核磁共振测试数据进行归一化处理，得到不同核磁弛豫时间T2的累计分布频率；③对所有在相同累计分布频率处的孔隙半径r和其核磁弛豫时间T2进行幂函数拟合，利用拟合的函数即可得到岩心核磁弛豫时间T2与其孔隙半径r的关系。以岩样Z7为例，其拟合过程和结果如图6所示。

由图6(b)知，岩心lnr和lnT2具有极好的相关性，相关系数R2达到了0.965 8，说明致密沉凝灰岩岩心孔隙半径r和横向弛豫时间T2之间具有良好的幂函数关系，二者的换算关系为

r=C×(T2)n。

(1)

两边求对数得

lnr=lnC+nlnT2。

(2)

根据图6(b)中lnr和lnT2的拟合关系式得

图6 核磁弛豫时间T2与孔隙半径r的换算过程及结果

lnr=0.778 2 lnT2-3.376 3，

(3)

进一步换算得

r=0.034 2×(T2)0.778 2。

(4)

图6(c)是利用式(4)将岩心Z7的核磁共振T2值换算为对应的孔隙半径，然后与压汞实测的孔隙半径分布频率图进行对比的结果。图6(c)表明两条曲线的形态特征、数值大小均呈良好的一致性，尤其是当孔隙半径大于0.063 μm时(该区间为主要的渗流区间)，两条曲线基本重合，转换精度极高。因此，后续在致密沉凝灰岩孔隙半径r和其核磁共振T2值转化时均利用此式。

2.2.1 可动孔隙半径下限

核磁共振结合离心法测试岩心T2截止值是描述致密岩心流体可动性的主要方法之一。在核磁共振曲线中，小于核磁T2截止值的流体为束缚流体，大于核磁T2截止值的流体为可动流体，各岩心的测试结果如图7所示。

图7 岩心离心前后核磁信号的变化

由图7中岩心离心前后的核磁数据、核磁T2截止值概念及式(4)得，岩心Z10、Z11、Z12和Z13的核磁T2截止值依次为1.847 8 ms、0.982 1 ms、1.734 7 ms和1.968 4 ms，平均为1.633 0 ms，可动流体饱和度依次为44.47%、57.44%、51.26%和50.09%，平均为50.81%，可动孔隙半径下限依次为0.055 1 μm、0.033 7 μm、0.052 5 μm和0.057 9 μm，平均为0.049 8 μm。

2.2.2 有效渗流孔喉半径下限

在高压压汞实验中，当渗透率的累计贡献率达到90%时所对应的孔隙半径即为该岩心的有效渗流孔喉半径下限。各岩心的孔隙半径与其渗透率累计贡献率曲线如图8所示。

图8 有效渗流孔喉半径下限

由图8知，各岩心的渗透率累计贡献率曲线在不同的孔隙半径区间内变化幅度明显不同，呈现“两头慢，中间快”的特点。由此可将岩心的孔隙划分为三个区间，分别是小孔隙(0～0.063 μm)、中孔隙(0.063～0.160 μm)和大孔隙(0.160～0.250 μm)。在此标准下，则致密沉凝灰岩的渗透率主要由中孔隙提供，大孔隙和小孔隙的贡献相对较少，出现该现象的主要原因是致密沉凝灰岩的孔隙分布相对较为集中，即岩心孔隙主要集中在中孔隙，而大孔隙和小孔隙的体积占总孔隙体积的比例较小，同时流体在小孔隙中的流动较为困难也是造成小孔隙对渗透率贡献较小的原因之一。当渗透率的累计贡献率达到90%时，由图8知，岩心Z4、Z6、Z7和Z9的有效渗流孔喉半径下限均为0.063 μm，而Z5和Z8的有效渗流孔喉半径下限比0.063 μm稍大一些，但与0.063 μm非常接近。因此，整体而言，致密沉凝灰岩的有效渗流孔喉半径下限是0.063 μm。

2.2.3 水驱压力梯度下限

长度为0.43 m的组合长岩心水驱实验结果如表1所示。

表1 长岩心水驱适应性评价

由表1知，当压力梯度小于等于3.75 MPa/m时，长岩心内流体完全无法被驱动，而只有当压力梯度大于等于7.25 MPa/m时才能驱动。根据室内及矿场经验知，对于现场100 m的井距，按此压力梯度，则注采井之间的驱替压差至少要在100 MPa以上才能实现有效水驱，而这显然不现实。因此，致密沉凝灰岩油藏基质孔隙内的原油依靠常规水驱难以动用，必须采取扩大压裂规模、缩短井距、超破裂压力注水或吞吐置换等工艺进行增产。整体而言，致密沉凝灰岩孔隙的流体可动性较差，水驱压力梯度下限为7.25 MPa/m，平均可动流体饱和度仅为50%，且低于10 nm级别的孔隙基本难以动用。

2.3 孔隙结构对流体可动性的影响

岩石的矿物组成和孔隙结构是决定其流体可动性的主要因素。由于致密沉凝灰岩的矿物成分相对简单，且不含黏土矿物，因此，孔隙结构应是决定其流体可动性的主要因素。前面的孔隙结构测试已经表明，致密沉凝灰岩孔隙分布集中，均质性较好，因此岩心平均孔隙半径应是制约其流体可动性的关键因素。岩心渗透率、可动孔隙半径下限和排驱压力等参数也可直接或间接地反映岩心平均孔隙半径。一般而言，岩心渗透率越大，其平均孔隙半径越大，而岩心可动孔隙半径下限越低，排驱压力越小，其平均孔隙半径越大。岩心平均孔隙半径、渗透率、可动孔隙半径下限及排驱压力与其可动流体饱和度的关系如图9所示。

由图9知，在特定的平均孔隙半径、渗透率、可动孔隙半径下限和排驱压力区间内，岩心可动流体饱和度与其渗透率、平均孔隙半径呈现良好的正相关趋势，而与可动孔隙半径下限和排驱压力呈现良好的负相关趋势，这充分说明平均孔隙半径是影响致密沉凝灰岩流体可动性的关键因素，尤其在图9(a)中，岩心平均孔隙半径与可动流体饱和度之间的拟合系数达到1，更是直接说明了平均孔隙半径对致密沉凝灰岩流体可动性的重要影响。因此，致密沉凝灰岩的流体可动性主要取决于岩心的平均孔隙半径，而岩心较低的流体可动饱和度正是由于其平均孔隙半径太小。

图9 岩心可动流体饱和度与孔隙参数的关系

3 结 论

(1)三塘湖盆地致密沉凝灰岩由凝灰质、方解石和石英组成。孔隙类型包括构造缝、气泡状结构和基质微孔，其中基质微孔是主要的储集空间，其分选性良好。岩石内分布最多的孔隙尺度是0.063 μm，但对渗透率贡献最大的孔隙尺度是0.1 μm。

(2)三塘湖盆地致密沉凝灰岩的平均可动流体饱和度为50.81%，平均可动孔喉半径下限为0.049 8 μm，平均有效渗流孔喉半径下限为0.063 μm，水驱压力梯度下限为7.25 MPa/m。

(3)三塘湖盆地致密沉凝灰岩油藏流体可动性差的根本原因在于储层岩石的平均孔隙半径太小，流体渗流阻力太大。