徐家围子断陷沙河子组致密储层分级评价

王晓莲

(中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163712)



徐家围子断陷沙河子组致密储层分级评价

王晓莲

(中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163712)

针对徐家围子断陷沙河子组致密储层孔隙结构、物性下限与油层分级标准亟待研究的需要，应用扫描电镜、低温N2吸附、核磁共振等多项技术，开展致密储层微观孔隙结构和流体可动性研究，明确了致密储层孔隙类型、孔喉特征及组合关系，建立了储层孔隙结构与可动流体饱和度的关系。在此基础上，采用束缚水膜厚度法、可动性拐点法和试气产能法，建立了沙河子组致密气储层物性下限和储层分级评价标准，该研究为下步致密储层致密化成因、成岩演化序列和优质储层甜点预测奠定了坚实的基础。

致密储层；孔隙结构；束缚水膜；储层分级；徐家围子断陷；沙河子组

0 引 言

随着近几年国内外致密油气的成功勘探，徐家围子断陷沙河子组内部与源岩紧密互层的致密砂质砾岩和砂岩储层引起广泛关注，已成为大庆油田天然气勘探的主要对象，是继深层火山岩之后提交天然气地质储量的重要接替领域[1-3]。以往深层天然气勘探主要以营城组火山岩和沉积岩为主要目的层，沙河子组只作为其烃源岩开展研究，尚未系统开展过致密储层孔隙结构和储层分级评价研究。

致密油气储层评价的核心是优选具有商业价值的优质储层[4]。利用扫描电镜、恒速压汞、低温N2吸附等多项技术，联合标定核磁共振得到致密岩样全尺度孔隙体积分布，明确了致密储层微观孔隙结构特征及其与储层可动流体饱和度关系。在此基础上，应用束缚水膜法确定了沙河子组致密气储层物性下限，并综合应用岩心实验和试气资料建立了储层分级评价标准。

1 孔隙结构特征及可动性评价

研究致密储层孔隙结构特征不仅可以明确储层孔隙类型和孔喉分布特点，而且是揭示致密油气富集规律和可动性的基础[5]。由于致密储层发育纳米级孔喉系统，传统孔隙表征方法已不能满足致密储层精细表征需要，须采用高精度实验仪器，如低温N2吸附、高压(恒速)压汞、核磁共振等设备[6-7]，根据不同仪器分析测量范围，得到致密岩样全尺度孔隙体积分布，实现纳米级別孔隙结构精细表征。

1.1 孔隙类型及孔喉分布特征

由偏光显微镜、扫描电镜等可知，沙河子组致密储层主要发育“三微”孔隙类型：溶蚀微孔、晶间微孔和微裂隙。由于岩石成分成熟度低，岩浆岩岩屑和长石等不稳定组分含量高(占65%以上)，且与优质源岩紧邻互层，使得储层中粒内、粒间溶蚀孔隙发育；原生孔隙由于储层埋深大，压实作用强，很难见到完整的原生粒间孔，仅见部分残余原生粒间孔；杂基中的晶间孔较为发育，主要为黏土矿物晶间微孔；微裂隙发育规模小，主要为成岩缝和构造缝。由沙河子组不同类型孔隙面孔率分布可知，溶蚀微孔最为发育，面孔率主要集中在2%～6%；晶间孔及微裂缝发育一般，面孔率主要分布在0～1%。徐家围子断陷不同地区储层的孔隙类型也具有差异性，安达—宋站地区以粒内岩屑溶蚀为主，而徐西和徐东地区则以粒间溶蚀和微裂缝为主。

联合低温N2吸附[8]和压汞实验资料得到复合累计孔隙度曲线，用其标定核磁共振弛豫时间和孔隙半径转换关系，得到岩石样品全尺度不同孔径的孔隙体积分布。根据39块样品联测实验结果统计，沙河子组致密储层孔径多呈双峰状，且小孔部分体积明显高于大孔，其分布范围主要集中在10～100 nm，表明沙河子组致密储层孔径窄小，以纳米级孔隙为主；孔喉类型以片状、弯片状和管束型为主，孔隙和喉道半径比为43～332，平均为109，明显高于常规储层，表现出微孔、极细喉特征。喉道半径是控制致密储层渗透率的主要因素，随着最大连通喉道半径的增大，渗透率将迅速增加。基于恒速压汞实验结果，将孔隙和喉道间组合关系划分为：孔隙型、孔喉型和喉道型。由样品统计可知，沙河子组致密储层以喉道型和孔喉型为主，孔隙型发育较少。

1.2 孔隙结构与可动流体饱和度关系

储层可动性定量评价是致密储层评价的重点，而核磁共振是目前研究可动流体分布最重要的手段[9]。通过对徐家围子断陷39块岩石样品进行饱和、离心状态下核磁共振T2谱测定，确定不同岩样的T2谱截止值，进而得到可动流体饱和度参数。由实验结果可知，沙河子组岩样T2谱截止值为2.01～285.11 ms，分布范围较广，表明不同岩样孔隙结构差异较大，储层非均质性强，不能采用相同截止值来确定所有样品的可动流体饱和度。

由孔隙半径几何均值、最大连通喉道半径与可动流体饱和度的关系(图1)可知，孔隙半径几何均值与可动流体饱和度关系较分散，整体呈较弱的正相关，说明孔隙半径并不是制约可动性的主要因素。但孔隙半径与可动流体饱和度关系呈“两分型”：当孔隙半径几何均值小于0.04 μm时，可动流体饱和度达到最小，且基本不随孔隙半径增加而增大；当孔隙半径几何均值大于0.04 μm时，孔隙半径几何均值越大，可动流体饱和度越高，说明较大的孔径是获得高可动流体饱和度的前提。与孔隙半径几何均值相比，最大连通喉道半径与可动流体的正相关性较强。当最大连通喉道半径小于0.4 μm时，可动流体饱和度变化速率慢；当喉道半径大于0.4 μm时，可动流体饱和度增加速率明显变大。因此，孔隙半径和喉道半径共同制约着致密储层的可动性，前者控制可动流体赋存量，后者决定了可动流体量的大小。

图1 可动流体饱和度与孔隙半径几何均值、最大连通喉道半径关系

2 致密储层物性下限确定

由文献[10-11]可知，油气能否在致密储层中自由流动，取决于孔喉内束缚水膜厚度和甲烷分子吸附层厚度与孔喉半径的关系。当孔喉半径小于束缚水膜厚度与油气吸附层厚度之和时，油气不能通过喉道进入孔隙内聚集成藏，也很难从孔隙内流出，此时对应的喉道半径即为临界喉道半径。应用临界喉道半径与储层孔渗值关系即可确定致密储层的物性下限。

根据孔喉连通情况及流体可动性，将地层水划分为微孔隙水、可动流体和束缚水。微孔隙水是与较小喉道或未与喉道连通的孔隙中的水，且不可动；可动流体与束缚水都是指与较大喉道连通的孔隙中的水，且大多数可动，但束缚水形成于岩石颗粒表面，其厚度即为束缚水膜厚度[12-14]。根据核磁共振和高压压汞的测量原理，建立了束缚水膜厚度计算方法。首先，由核磁离心转速为6 000 r/min和气水界面张力为0.072 8 N/m等参数确定该实验条件下所对应的可动孔喉半径为50 nm，则：

(1)

式中：VSW为束缚水膜体积，μm3；V岩为岩心样品体积，μm3；φ为有效孔隙度，%；SHg50为孔喉半径等于50 nm时的累计进汞饱和度，%；SNMR为核磁可动水饱和度，%。

其次，假设岩石孔隙为理想球状，且实际地层中孔喉半径在一定范围内变化，在计算过程中必须考虑孔喉半径的分布函数，则：

(2)

式中：A50为孔喉半径大于50 nm时的孔隙总表面积，μm2；r为核磁孔喉半径，μm；Dφ为孔喉半径分布函数，μm3。

此外，需要考虑从孔隙总表面积A50中消除微孔隙水表面积。利用连通孔隙体积(束缚水+可动水)占总孔隙体积的比例，即孔喉半径为50 nm时所对应的累计进汞饱和度SHg50和孔喉半径大于50 nm核磁饱和度ST50的比值，进而求取束缚水膜对应的表面积Airr。最后根据束缚水体积含量VSW及其表面积Airr的比即可得到单块样品的束缚水膜厚度。

(3)

式中：Airr为束缚水表面积，μm2；ST50为孔径大于50 nm的核磁饱和度，%。

应用上述方法对沙河子组岩石样品进行束缚水膜厚度的确定。由实验结果可知，单块样品的水膜厚度为4.76～35.47 nm，分布范围较大，平均值较难反映样品的整体性。采用斜率法建立束缚水膜体积和表面积的散点关系，最终确定的水膜厚度约为21.57 nm；同时考虑到甲烷分子被稳定吸附的喉道尺寸临界值约为20 nm，因此，综合确定沙河子组致密储层临界喉道半径下限为40 nm。根据最大连通喉道半径与渗透率关系以及渗透率与孔隙度关系(图2)，可以确定致密储层物性下限。当最大连通喉道半径为40 nm时，对应的致密储层渗透率下限值为0.02×10-3μm2，砂质砾岩和含砾砂岩对应的孔隙度分别为2.7%和4.5%。

图2 沙河子组最大连通喉道半径与渗透率、孔隙度和渗透率间关系

3 致密储层分级评价标准

压汞和核磁联测资料表明，对于相同孔隙度致密岩样，孔隙结构不同，其可动流体饱和度差别较大[15]。在确定储层物性下限的基础上，根据大孔比例-可动性拐点法和试气产能法，联合孔喉组合关系、孔隙类型等综合确定致密储层的分级评价标准。

3.1 大孔比例-可动性拐点法

对于致密储层，控制岩石可动性的关键因素是整个孔隙系统在不同孔径大小范围内的孔隙度组分百分比。可动流体主要赋存于大孔部分，小孔部分以束缚水为主，当平均孔径大于40 nm时，储层可流动量明显改善。因此，确定孔径大于40 nm的孔隙组分百分比与可流动性间的关系，是决定沙河子组致密储层分级评价标准的关键。

将饱和状态下核磁T2谱转化为孔径分布，编制了大于40 nm孔隙占总孔隙的比例与核磁可动饱和度间关系图(图3)。由图3可知，致密储层可动流体饱和度整体随大孔所占比例的增加而增大，且存在着明显的拐点，即大孔比例小于70%时，可动流体饱和度基本在20%以下；当大孔比例大于70%时，可动流体饱和度急剧增加，可动流体饱和度最高可达60%。该拐点可以作为致密储层分级的界限。由图1可知，可动流体饱和度20%时其对应的最大临界喉道半径为0.4 μm；由图2可知，0.4 μm喉道半径对应的渗透率为0.06×10-3μm2，砂质砾岩和含砾砂岩对应的孔隙度下限值分别为5.6%和7.5%。再结合样品喉道半径分布曲线特征、孔喉组合关系及孔隙类型等，将高于储层物性下限的致密储层分为Ⅰ类和Ⅱ类储层。

图3 可动流体饱和度与大于40nm孔隙所占比例关系

3.2 试气产能法

试气产能法是确定致密储层分级评价最直接、最可靠的手段。由于已试气层取心资料少，利用测录井综合解释成果，统计试气层段对应的孔隙度和渗透率，根据试气强度确定储层分级界限。将单层单位厚度的试气产能划分为大于1 000、100～1 000 m3/(d·m)和小于100 m3/(d·m)。对于砂质砾岩致密储层(图4a)，当孔隙度小于2.7%，渗透率小于0.02×10-3μm2时，录井气测无显示，综合解释为干层，储层试气强度小于100 m3/(d·m)的数据点均位于该区域，划分为无效储层；当孔隙度大于5.6%，渗透率大于0.06×10-3μm2时，储层试气强度大于1 000 m3/(d·m)的数据点均落在该区域，可定为Ⅰ类储层；无效和Ⅰ类储层之间的区域，试气强度明显弱于Ⅰ类储层，划分为Ⅱ类储层。对于含砾砂岩致密储层(图4b)，采用相同方法可确定Ⅰ类和Ⅱ类储层物性界限，即孔隙度为7.5%、渗透率为0.06×10-3μm2。

图4 单层试气强度与物性关系

3.3 致密储层分级评价标准确定

将试气产能法确定的分级界限与可动性拐点法、束缚水膜法确定的界限进行对比，在考虑了储层的岩性、物性、孔隙类型、最大连通喉道半径、可动性和试气产能等指标的基础上，确定了沙河子组致密储层分级评价标准(表1)。

Ⅰ类储层渗透率大于0.06×10-3μm2，砂质砾岩和含砾砂岩的孔隙度界限分别为5.6%和7.5%，其孔隙类型主要为溶蚀孔和残留粒间孔组合，微裂缝发育的更佳；进汞曲线偏向粗歪度、排驱压力较小，最大连通喉道半径大于0.4 μm；该类型储层孔喉结构最好，可动流体饱和度值较高，常温下核磁共振测试可动流体饱和度普遍高于20%，单位厚度试气产能普遍大于1 000 m3/(d·m)。

表1 徐家围子断陷沙河子组致密层分类参数特征

Ⅱ类储层渗透率为0.02×10-3～0.06×10-3μm2，砂质砾岩和含砾砂岩的孔隙度界限分别为2.7%和4.5%。该类型储层孔隙结构中等，孔隙类型以溶蚀孔和晶间孔组合为主，残留粒间孔很难见到，微裂缝的发育可极大改善该类储层的渗透性。进汞曲线偏向细歪度、排驱压力较大，最大连通喉道半径为0.04～0.40 μm，喉道半径主峰多小于0.1 μm；该类型储层可动流体饱和度值为10%～20%，单位厚度试气产能普遍小于1 000 m3/(d·m)。

无效储层的渗透率小于0.02×10-3μm2，该类储层孔喉结构最差，孔隙类型以晶间孔为主，局部发育微裂缝和少量溶蚀孔，杂基和碳酸盐岩胶结物含量较高。该类储层进汞曲线排驱压力大，最大连通喉道半径小于0.04 μm；储层中可动流体饱和度最低，普遍低于10%，试气多为干层。

4 结 论

(1) 徐家围子断陷沙河子组为微孔、微喉型储层，纳米级孔隙较发育，可动流体主要集中在大于100 nm的大孔中；粒间孔和溶蚀孔组合的致密储层孔喉结构最佳，溶蚀孔和晶间孔及微裂缝组合孔喉结构次之。

(2) 采用束缚水膜厚度法确定了沙河子组致密储层临界喉道半径下限为40 nm，对应的渗透率下限值为0.02×10-3μm2，砂质砾岩和含砾砂岩的孔隙度下限值分别为2.7%和4.5%。

(3) 联合大孔比例-可动性拐点法、试气产能法分岩性确定了沙河子组致密储层分级评价标准，I类和II类储层渗透率划分界限为0.06×10-3μm2，砂质砾岩和含砾砂岩的孔隙度界限分别为5.6%和7.5%。

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编辑 刘 巍

20160106；改回日期：20160328

中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发攻关项目“大庆探区非常规油气勘探开发关键技术研究与现场试验”(2012E-2603)

王晓莲(1979-)，女，工程师，2002年毕业于吉林大学经济信息管理专业，现从事沙河子组致密气储层评价工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.03.027

TE122

A

1006-6535(2016)03-0113-05