致密砂岩气藏微观孔隙结构参数定量评价——以苏里格气田东南区为例

盛 军，孙 卫，赵 婷，刘艳妮，张 弢

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西西安 710069;2.中国石油青海油田分公司涩北作业公司，格尔木 816000;3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018;4.中国石油川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，陕西西安 710018)

非常规天然气作为一种潜力巨大的未来接替能源，将成为世界未来能源供应的一个重要部分［1］。但是，在研究界，关于非常规气藏稳产的问题出现了很多争论［2-3］。致密砂岩气作为一种非常规天然气资源，已在中国天然气储量中占举足轻重的地位，是中国天然气快速发展的重要资源之一，也是天然气工业的重要支柱。中国致密砂岩气分布范围广，有利区面积达32×104km2，已成为重要的增储上产领域。目前，已形成鄂尔多斯盆地上古生界与四川盆地上三叠统须家河组大致密气实现区，松辽盆地下白垩统登娄库组、渤海湾盆地古近系沙河街组沙三段和沙四段、吐哈盆地侏罗系、塔里木盆地侏罗系和白垩系、准噶尔盆地南缘侏罗系和二叠系5个致密气潜力区，预测2015年致密气产量将达到(300～400)×108m3［4-7］。

致密砂岩气藏储层在沉积、埋藏、成岩等地质作用的综合影响下，具有独特的微观孔隙结构和渗流机理，孔喉结构特征复杂，非均质性强。这些因素的综合作用导致了储层品质的差异，造成了开发过程的各种生产矛盾。储层微观孔隙结构特征决定了储层的微观渗流机理，影响着最终的采出程度。

苏里格气田地处内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗和陕西省榆林市境内，南接靖边气田，东临榆林气田。区域构造位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中北部。该文研究层段为苏东南地区上古生界下石盒子组盒8段，发育着辫状河三角洲前缘亚相，微相细分为水下分流河道、分流间湾。盒8上段以浅灰色、灰白色(含砾)粗砂岩、中砂岩为主要岩性，砂岩类型主要为石英砂岩和岩屑石英砂岩，是苏里格气田下石盒子组主要的产气层段之一。

通过研究区盒8储层砂岩岩心电性及物性测试资料统计，盒8段储层孔隙度介于4.45% ～14.28%，平均值为6.4%;渗透率介于(0.10～3.3)×10-3μm2，平均值为 0.3 ×10-3μm2;含气饱和度平均为31.7%。

1 孔喉结构特征的定性-半定量表征

孔隙结构特征的研究是储层微观研究的核心内容，同时也是影响储层储集能力和渗流能力的根本因素。其研究内容主要包括孔隙和喉道的几何形状、大小、分布状况、配置关系、相互联通关系等多方面内容。这些因素综合作用决定了储层的渗流特征。

1.1 孔隙类型

通过大量的铸体薄片与扫描电镜观察分析，发现研究段储层由于经历了较强的压实作用，大多数为次生孔隙，偶见残余粒间孔(见表1)。次生孔隙主要是由溶蚀和次生矿物胶结改造后的岩屑溶孔、晶间孔，溶蚀作用是改善储层物性的主要原因。其次发育极少量由沉积作用、成岩作用及构造应力改造形成的微裂隙(见图1)。

表1 盒8储层砂岩孔隙类型百分比统计表Tab.1 The reservoir pore types percentage statistical table of He 8 Formation

1.2 孔隙组合类型

苏里格东南区盒8段致密砂岩储层孔隙组合类型多样，根据孔隙类型所占的比例不同，可概括为溶孔-晶间孔、晶间孔-溶孔及微孔。研究区主要以溶孔-晶间孔、晶间孔-溶孔型、晶间孔型为主(见图2)。根据薄片鉴定结果，盒8段储层孔隙类型组合分布如图3所示。

1.3 喉道类型

岩石颗粒间连通孔隙的狭窄空间称为喉道。油气在储层中的运移或被驱替都要受喉道的控制。喉道的大小、分布及几何形状，是影响储层储集能力和渗流能力的关键因素。喉道的大小和形态主要取决于岩石颗粒的接触关系和胶结类型，以及颗粒的大小和形状。罗蛰潭［8］根据碎屑颗粒的接触类型和胶结类型将喉道分为4类:缩颈喉道、点状喉道、片状或弯片状喉道、管束状喉道等。根据铸体薄片和扫描电镜分析，因研究区压实作用强烈，造成目的层喉道类型主要以管束状喉道为主，同时还有点状喉道及片状喉道(见图4)。

图1 苏东南地区盒8储层孔隙类型Fig.1 The reservoir pore Type of He 8 formation in southeast area of Sulige

图2 盒8段储层铸体薄片下孔隙组合类型Fig.2 The pore combination type of He 8 formation in cast thin sections

图3 盒8段储层孔隙组合类型比例Fig.3 The reservoir pore combination type proportion

图4 盒8储层铸体薄片和扫描电镜下喉道类型Fig.4 The He 8reservoir throat type of casting thin sections and scanning electron microscope

1.4 毛管压力曲线特征

通过对苏里格气田东南区盒8段的17块样品进行高压压汞实验，分析其毛细管压力曲线形态和特征参数，并结合上述孔隙组合类型和图像孔隙结构，将样品分为4种类型(见图5，表2):Ⅰ类曲线7块样品，Ⅱ类曲线4块样品，Ⅲ类曲线4块样品，Ⅳ类曲线3块样品。

图5 研究区毛管压力曲线Fig.5 The capillary pressure curve of study area

1)Ⅰ类特征毛管曲线:排驱压力值较低，平均值为0.20 MPa;中值压力范围为0.77～6.40 MPa，平均值为2.37 MPa;最大进汞饱和度为98.59%。进汞饱和度增量呈单峰状，最大孔喉连通半径较大，平均值为4.17 μm;所选7块样品的分选系数和变异系数的平均值最大，而均值系数和歪度系数的平均值最小，说明在整体孔喉分选性不好、非均质性强的情况下，发育了较多的大孔隙和大喉道使得储层连通性较好。

2)Ⅱ类特征毛管曲线:排驱压力值同样较低，平均值为0.46 MPa;中值压力平均值为4.28 MPa;分选系数较小，平均值为2.27;最大进汞饱和度为91.38%。进汞饱和度增量呈单峰或不明显双峰状，最大孔喉连通半径较大且分布范围集中，均为1.61 μm;样品主要发育晶间孔、溶孔，含有少量微裂隙。所选4块样品的分选系数和变异系数较大而均值系数和歪度系数较小，同样表明在整体孔喉分选性不好的情况下发育较多大孔喉使得储层连通性较好。

3)Ⅲ类特征毛管曲线:排驱压力值较高，平均值为0.72 MPa;中值压力平均值为4.31 MPa;最大进汞饱和度为90.77%。进汞饱和度增量呈双峰状，最大孔喉连通半径较小，平均值为1.02 μm;样品主要发育晶间孔、溶孔、微孔、粒间孔。所选4块样品的分选系数和变异系数平均值较大，分别为2.34和0.22，均值系数和歪度系数平均值分别为10.71和1.78，这表明在孔喉分选性一般的情况下，同样发育了少量的大孔喉;较小的最大孔喉连通半径和中值半径是造成孔喉连通性较差的主要原因。

表2 高压压汞实验参数表Tab.2 The high pressure mercury injection experiment results table

4)Ⅳ类特征毛管曲线:排驱压力值较高，平均值为1.08 MPa;中值压力平均值为9.34 MPa;最大进汞饱和度为92.01%。进汞饱和度增量曲线呈双峰状，最大孔喉连通半径较小，平均值为0.60 μm。样品主要发育晶间孔、微孔。所选5块样品的分选系数和变异系数较小，平均值分别为2.17和0.19，均值系数及歪度系数平均值较大，分别为11.22和1.62;这同样表明在孔喉分选性一般的情况下，较小的最大孔喉半径平均值和中值半径是造成孔喉连通性较差的主要原因。

通过对研究区内17块砂岩样品孔喉大小参数、孔喉分选性参数和孔喉连通性参数的分析得到其对储层物性的影响。

1)孔喉大小参数与物性的关系。孔喉大小参数包括最大连通孔喉半径和中值半径。最大连通孔喉半径反映了当汞最先进入样品时所突破的孔喉半径。图6为反映孔喉大小参数与物性参数的交会图，从图中可以看出，最大连通孔喉半径与孔隙度、渗透率呈明显的线性正相关关系，与孔隙度及渗透率的相关性分别为0.731 4，0.843 4。在多孔介质中，对渗流能力起主要控制作用、对渗透率贡献比较大的是较粗喉道，其半径在很大程度上控制着多孔介质的渗透率。中值半径是孔喉大小、分布趋势的度量。储层中的孔隙和喉道一般趋于正态分布，中值半径代表分布处于最中间的孔喉半径，该值越大，储层孔隙结构越好。从图6中可以看出，中值半径与孔隙度呈明显的线性正相关关系，与孔隙度的相关性为0.636，而与渗透率也呈明显的正相关关系，与渗透率的相关性为0.678，说明随着中值半径的增大，渗透率上升比孔隙度要快。同时，在多孔介质中，对渗流能力起主要控制作用，对渗透率贡献较大的是较粗的喉道，即中值半径半定量标定整体孔喉的分布。因此，中值半径与物性的关系是对储层整体孔隙结构的描述。

2)孔喉分选性参数与物性的关系。孔喉分选性参数主要包括分选系数、变异系数、均质系数及歪度系数。图7为孔喉分选性参数与物性参数的交会图，从图中可以看出，孔隙度和渗透率与孔喉分选性参数表现出较差的相关性。分选系数、变异系数以及歪度系数与储层的物性基本没有趋势。均值系数与储层物性呈负相关，渗透率与均值系数的相关性较高，R2值为0.607，与孔隙度的相关性系数为0.503。均值系数表示全孔喉分布的平均位置，均值系数越大，总的孔隙喉道的平均值越小，曲线越偏于细歪度;这说明窄喉道在整个孔隙喉道中占优势，对储集及渗滤油气极为不利，也从另一方面突出了较大喉道的存在对渗透率的贡献，即少量较大喉道的存在使得储层渗透率上升。由此可知，孔喉分选性对储层的物性影响程度较低。

图6 孔喉大小参数与物性的关系Fig.6 The relationship of the pore and throat size parameters and physical properties

图7 孔喉分选性参数与物性的关系Fig.7 The relationship of the pore and throat sorting parameters and physical properties

3)孔喉连通性参数与物性的关系。孔喉连通性参数主要包括排驱压力、中值压力、最大进汞饱和度及退出效率。图8为孔喉连通性参数与物性参数的交会图，从图中可以看出，排驱压力及中值压力与物性呈负相关性，其与孔隙度的相关性系数分别为0.777 5，0.727 5，与渗透率的相关性系数分别为0.84，0.850 8。这说明储层的物性特征受孔喉连通影响程度大。

通过高压压汞实验分析可知，最大连通孔喉半径及中值半径与储层的物性相关性最好，反映孔喉大小是决定储层物性的关键因素之一;分选性参数中仅均值系数与储层具有较高相关性，表明储层物性受孔喉分选性的影响较小。孔喉连通性参数分析表明，储层物性受孔喉连通程度影响大。由此可知，对于致密砂岩储层，孔喉的大小以及连通程度决定了储层的物性特征。但是，通过以上参数并不能明确地反映出研究区内储层的孔隙与喉道，以及哪一个对储层物性的影响更大。所以，为了更进一步分析微观孔隙结构对储层物性的影响，需要引入更加先进的实验进行更深一步的分析。

图8 孔喉连通性参数与物性的关系Fig.8 The relationship of the pore and throat connectivity parameters and the physical properties

2 孔喉结构特征的定量表征

恒速压汞与常规压汞虽然遵循的原理相同，但常规压汞法以毛细管束模型为基础，假设多孔介质由直径大小不同的毛细管束组成;而恒速压汞假设多孔介质由直径大小不同的喉道和孔隙构成。因此，恒速压汞模型假设的孔隙结构特征更加符合低渗、特低渗油藏小孔细喉或细孔微喉的结构特征，比常规压汞模型更接近真实的孔隙结构［9］。

这种模型上的差异，直接导致了高压压汞实验所测得的结果不能将孔隙与喉道区分开来。同时，常规压汞实验给出的结果由于混合了孔隙和喉道的体积，也不能真实表征孔隙和喉道的各自分布情况。恒速压汞实验则可以克服常规压汞实验的缺陷，不仅可以直接测量孔隙和喉道的大小、数量，而且还可以给出孔隙和喉道的详细信息。因此，恒速压汞实验在微观孔隙定量研究方面具有一定的优势［10-17］。

结合高压压汞实验分析结果，利用恒速压汞实验分析可以看出，在高压压汞实验中属于I类的样品相比Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类样品，主要差异表现为较大的孔喉半径、较多的有效孔隙与喉道个数。正是微观孔喉上的优势，使得I类样品拥有较高的进汞饱和度与较低的排驱压力。根据恒速压汞实验结果可以发现，恒速实验中，Ⅲ类样品孔隙进汞量均小于喉道进汞量，这类储层的喉道进汞贡献程度要大于孔隙，因此将这类样品划分为喉道贡献型;而I，Ⅱ两类样品则呈相反的趋势，表现为孔隙贡献型(见表3，4)。

孔隙贡献型与喉道贡献型样品具有明显的渗流特征差异，孔隙贡献型具有较宽的孔隙控制区和过渡区，在这两个区域，孔隙的进汞总量曲线与总进汞曲线趋势较为接近，孔隙占主导作用，说明非润湿相的汞优先进入较大的孔隙与少量大喉道，再经过过渡区以后，喉道对渗流能力的贡献作用才突显出来(见图9)。而喉道贡献型，由于有效喉道个数少，加之喉道半径小造成此类样品的孔喉连通程度差，使得一部分孔隙成为无效孔隙。所以，此类样品孔隙作用区域很窄，孔隙进汞贡献量低(见图10)。孔隙贡献型样品较喉道贡献型样品具有更大的喉道半径范围，以及最终进汞饱和度。

表3 恒速压汞实验结果表一Tab.3 The NO.1 constant pressure experimental results table

表4 恒速压汞实验结果表二Tab.4 The NO.2 constant pressure experimental results table

图9 孔隙控制型储层进汞特征曲线Fig.9 The mercury injection curve of the porosity control reservoir

图10 喉道控制型储层进汞特征曲线Fig.10 The mercury injection curve of the throat control reservoir

1)孔喉配置关系对渗流能力的影响。依据长庆油田公司对孔隙大小的分类标准以及李道品［18］对喉道半径的分类标准(见表5)，对研究区内储层样品进行划分。

表5 孔喉大小分类标准Tab.5 The pore and throat size classification standard

依据以上的分类标准，通过孔隙喉道半径分布可以看出(见图11，12)，研究区内样品孔喉配置关系以大孔-细/微细喉道为主。

图11 孔隙半径分布Fig.11 The pore radius distribution

图12 喉道半径分布Fig.12 The throat radius distribution

为了分析孔隙与喉道对储层渗流能力的影响程度，将孔隙和喉道半径均值分别与渗透率作相关性图(见图13，14)。从图13，14可以看出，喉道的半径大小与渗透率的相关性明显要好于孔隙半径，这说明喉道对储层渗流能力的影响要远远大于孔隙。

图13 喉道半径与渗透率关系图Fig.13 The throat radius and permeability relationship graph

图14 孔隙半径与渗透率关系Fig.14 The pore radius and permeability relationship graph

2)孔喉非均质程度对渗流能力的影响。孔喉的非均质程度主要表现为孔喉半径的差异大小，其本质上也反映了孔隙与喉道的直接配置关系，孔喉半径比越大，说明孔隙半径与喉道半径的差异程度越高。图15反映了7块样品的孔喉半径比分布情况，从图中不同样品的孔喉半径比分布范围可以看出，孔喉半径比主峰值越小，分布范围越窄，孔喉半径非均质程度越低，其渗流能力越强。

图15 孔喉半径比分布频率图Fig.15 The pore throat radius ratio frequency distribution diagram

在研究区，通过恒速压汞实验发现孔喉半径比与渗透率呈较好的负相关关系(见图16)。从图16可以看出，渗透率随着孔喉半径比的增大而急剧下降，孔隙半径与喉道半径的差异程度越强，即孔喉比越大，则其渗流能力越弱。

图16 孔喉半径比与渗透率相关性图Fig.16 The pore throat radius ratio and permeability correlation diagram

3)有效孔喉体积、个数对渗流能力的影响。恒速压汞实验可以有效地将孔隙与喉道进行区分，通过孔隙进汞量和喉道进汞量可以确定出样品的孔隙体积与喉道体积。恒速压汞实验不但能区分孔隙与喉道，根据压力曲线的波动，还可以确定孔隙与喉道的个数，这对于进一步研究储层的微观渗流机理有重要意义。将单位体积有效孔隙与喉道体积、单位体积有效孔隙与喉道个数分别与物性参数进行相关性分析得出图17。从图17可以看出，本区块内喉道对物性的控制、对渗流能力的贡献要远高于孔隙，这与本地区储层的成岩演化也基本一致。研究区在经历了较强的压实作用后，原生粒间孔基本消失，储集空间主要以岩屑溶孔、黏土胶结作用形成的高岭石晶间孔为主。而恒速压汞实验仅是根据压力波动进行孔隙与喉道的识别，由于晶间孔孔距较小，会造成较大幅的压力波动，这样的结果就可能导致大量的晶间孔被当作喉道对待。这是造成喉道对孔隙度的贡献程度远高于孔隙的主要原因(见图17A，C，E，H)。研究区储层的渗流能力随着有效喉道体积与有效喉道个数的增加而增强(见图17B，D)，并且有效喉道体积与个数对渗流能力的贡献增幅明显大于有效孔隙体积与个数的贡献(见图17F，H)。

图17 单位体积有效孔隙及喉道体积、个数与物性相关性图Fig.17 The unit volume of effective pore and throat volume，number and physical correlation diagram

3 结论

1)研究区孔隙类型主要以溶孔-晶间孔、晶间孔-溶孔型、晶间孔型为主，喉道类型主要以管束状喉道为主，同时还有点状喉道及片状喉道。孔喉配置关系主要为大孔-细/微细喉道为主。

2)按照对储层最终进汞量的贡献程度，将研究区储层样品划分为孔隙贡献型与喉道贡献型。孔隙贡献型与喉道贡献型样品的差异主要体现在孔隙贡献型存在相对较大的喉道与较多的有效喉道个数，较大喉道半径与较多有效喉道的存在使得样品的孔喉连通程度相对喉道贡献型要高，从而使得此类样品有效孔隙进汞量的增加。

3)由恒速压汞实验数据可以看出，研究区储层样品间孔隙半径差距较小，喉道半径的差异巨大。孔喉比反映了样品的微观孔喉非均质程度，即孔喉比越大，储层微观孔隙结构非均质程度越强，其渗流能力越差。

4)苏里格气田东南区不同类型储层间孔隙的发育程度接近，喉道的差异是造成渗流能力差异的主要原因，单位体积孔隙在体积上与数量两方面对渗流能力的贡献均要小于喉道的贡献。所以，喉道的发育程度决定了研究区内致密砂岩气藏渗流能力的强弱。

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