鄂尔多斯盆地城华地区长4+5段储层孔隙结构及分形特征研究

陈曦， 肖玲*， 张希， 雷宁

(1.西安石油大学地球科学与工程学院, 西安 710065； 2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室, 西安 710065； 3.中国石油长庆油田分公司第六采油厂, 西安 710018)

鄂尔多斯盆地延长组长4+5油层组油气成藏条件优越，油气资源丰富，属于典型致密砂岩油藏，加强对低渗透油藏储层的研究，有利于低渗透油藏的开发利用[1-4]。城华地区长4+5储层非均质强、孔隙结构复杂,造成近年来城华地区长4+5储层建产效果不理想。王洪建等[5]研究认为沉积物物源及物源组合特征是影响长4+5储层发育的重要因素。魏虎等[6]研究认为沉积相带展布、沉积物源和成岩作用是储层形成过程中的关键因素。吴旭光[7]研究表明，成岩作用是研究区储层物性演化的关键因素。前人仅对城华地区储层宏观特征的影响因素进行了研究，对微观孔隙结构重视不够。

孔隙结构是影响岩石性质的重要因素之一，流体通过地下储层的运移过程与微观孔隙结构密切相关。然而，由于孔隙结构的复杂性和不规则性，使得欧氏几何等传统实验方法难以定量表征孔隙结构。分形几何学已成功地用于表征沉积岩大范围孔隙中不同模式的空间非均质性，分形维数被广泛用于定量表征岩石孔隙结构和物性的复杂性[8-9]。基于此，通过高压压汞毛管压力曲线测定孔隙分形维数，结合图像资料研究长4+5储层孔隙系统，分析孔隙结构参数与分形维数之间的相关性，对研究区孔隙结构分形特征及成因进行了系统分析，并探讨了分形维数的地质意义，研究成果对城华地区长4+5储层评价以及优选开发有利区具有重要意义。

1 基于高压压汞的分形理论

高压压汞技术现已广泛应用于确定储层的孔隙体积和孔径分布情况。由压汞毛细管压力曲线计算的分形维数常用于表征储层孔隙结构非均质性，并且孔隙结构非均质性随着分形维数的增大而增强[10-12]。基于压汞法表征孔隙结构分形特征的方法主要有水饱和度法以及汞饱和度法，其中汞饱和度法已经被证实适用于表征低渗储层的分形维数[13-14]。

根据压汞毛细管模型与分形理论可得到式(1)

(1)

式(1)中：N(r)为孔隙半径为r的孔隙数量；r为孔隙半径，μm；∝为正比关系；L为毛细管的长度，μm；VHg为进汞体积；Df为分形维数。

根据Y-Laplace方程将毛细管压力Pc换算为孔喉半径，计算公式为

(2)

式(2)中：Pc为毛细管力， MPa；σ为表面张力，N/m；θ为接触角，(°)。

将式(2)代入式(1)，可以得出进汞体积VHg与毛细管压力之间的关系为

(3)

进汞饱和度SHg与进汞体积VHg的关系可表示为

(4)

式(4)中：Vp为样品的孔隙体积，%。

将式(4)代入式(3)，得到汞饱和度与分形维数Df关系式为

(5)

式(5)中：a为常数。

对式(5)两端分别取对数得到lgSHg-lgPc分形曲线，得出分形维数Df=S+2，其中S为分形曲线的斜率。分形维数上限值3对应完全不规则或粗糙的表面，下限值2对应完全光滑的表面。

2 储层基本特征

2.1 岩石学及物性特征

研究区位于鄂尔多斯盆地一级构造伊陕斜坡西南部，南起城壕、北至坪庄、东至义正，西至五蛟。长4+5段储层岩石类型以长石砂岩和岩屑长石砂岩为主。长4+51石英含量平均为23.93%,长石平均含量为44.89%,岩屑平均含量为17.99%；填隙物总量为13.08%，以铁方解石、绿泥石为主，其次为伊利石，可见硅质胶结物。长4+51亚段储集岩岩屑以变质岩岩屑为主，占岩屑总量的50.8%。长4+52亚段储层石英含量平均为31.79%，长石平均含量为31.85%，岩屑平均含量为21.89%，填隙物总量为13.29%，以伊利石、铁方解石为主，其次为绿泥石，可见硅质胶结物。根据薄片鉴定及统计结果，长4+52亚段储集岩岩屑以变质岩岩屑为主，占岩屑总量的44.9%。

长4+51孔隙度以10%～12%为主，平均为11.66%；渗透率以0.1～0.5 mD为主，平均渗透率为0.49 mD。长4+52孔隙度以<10%为主，平均为9.19%；渗透率以0.1～0.5 mD为主，平均渗透率为0.36 mD(图1)。长4+5储层孔隙度平均为9.93%，平均渗透率为0.41 mD。

按照《油气储层评价方法》(SY/T 6285—2011)，长4+5段主要为特低孔超低渗储集层，局部为低孔特低渗储层。储层孔渗相关性较差，说明储层孔喉间连通性较差，孔渗非均质性强[图1(c)]。孔隙度和渗透率的低值反映出研究区储层喉道细小、孔隙偏细的特征，砂岩的储渗能力主要由储层砂岩基质孔隙与喉道决定。

图1 城华地区长4+5储层孔渗分布特征Fig.1 Porosity and permeability distribution characteristics of the Chang 4+5 reservoir in the Chenghua area

2.2 孔隙类型

根据镜下特征分析,城华地区长4+5储层发育多种类型孔隙，并且不同类型孔隙之间差异性明显，储层结构致密[图2(d)]，孔隙之间连通性差，非均质性强。研究区长4+5段砂岩的孔隙类型以粒间孔为主[图2(a)]，约占总面孔率的51.4%。其次为长石溶孔和岩屑溶孔,含有少量晶间孔、粒间溶孔和微裂缝，喉道以缩颈状喉道及不规则片状喉道为主(图2)，并且镜下可见铸模孔和超大孔，长石铸模孔常呈板状形态而易于识别[图2(b)]。超大孔主要是由于后期的强烈溶解作用，造成胶结物和碎屑颗粒被强烈溶解形成超大孔隙，一般大小超过周围的颗粒[图2(c)]。晶间孔主要形成于高岭石、绿泥石、片状伊利石等黏土矿物晶体之间[图2(e)]。储层可见微裂缝[图2(f)]，其仅占面孔率的0.1%～0.5%，但其对改善储层物性具有重要作用。

3 孔隙结构特征

3.1 孔隙结构分类

在表征储层孔隙结构方面，高压压汞相比恒速压汞能够表征更小半径的孔喉[15]。为精细表征研究区储层孔喉的发育程度和组合关系，选取研究区具有代表性的14个样品进行高压压汞测试，并结合分形特征表征储层孔隙结构。压汞测试结果显示：排驱压力为0.08～2.0 MPa，平均为0.61 MPa;孔喉中值半径为0.06～1.33 μm，平均为0.41 μm；孔喉分选系数平均值为1.89，反映出孔喉分布不均匀，非均质性较强。最大进汞饱和度为88.01%～99.96%，平均为94.15%。长4+5储层毛管压力参数变化范围较大，反映出储层孔隙结构非均质性较强。

结合压汞资料、扫描电镜资料及铸体薄片，将研究区孔隙结构由优到次分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类[图3(a)]。Ⅰ类孔隙结构为低排驱压力-中喉型，压汞曲线呈较缓平台型，进汞饱和度大于95%，渗透率一般大于1 mD，孔喉分选和连通性较好，粗歪度，排驱压力小于0.3 MPa，平均排驱压力为0.16 MPa，中值半径一般大于0.5 μm。Ⅱ类孔隙结构为中排驱压力-细喉型，压汞曲线为具有一定斜率的平台型，进汞饱和度大于90%，渗透率为0.5～1 mD。排驱压力小于0.5 MPa，平均排驱压力为0.46 MPa，中值半径为0.15～0.5 μm，一般小于0.5 μm。Ⅲ类孔隙结构为高排驱压力-微细喉型，压汞曲线斜率大，进汞饱和度小于90%，孔隙度一般小于10%，渗透率小于0.2 mD，排驱压力一般大于1 MPa，平均排驱压力为1.12 MPa，中值半径一般小于0.15 μm。研究区储层主要以Ⅱ类和Ⅲ类孔隙结构为主。

孔径分布的频率图可以定量表征储层的非均质性[16]。根据Washburn公式对3个不同类型样品毛细管压力进行计算，得出3个类型样品的孔喉半径分布曲线[图3(b)]。W88样品孔径分布曲线为呈现出较好的单峰形态，峰值大于30%。W111、W206样品孔径分布曲线都呈现为分选较差的双峰形态，并且曲线带有一定的平台分布。W206样品曲线主峰对应孔喉半径较W111样品更小，较大半径孔喉所占比例更低，从而W206样品物性更差。

图2 城华地区长4+5储层孔隙类型及微观特征Fig.2 Pore types and microscopic characteristics of Chang 4+5 reservoir in Chenghua area

图3 不同类型孔隙结构压汞曲线及孔喉半径分布Fig.3 Mercury pressure curve and pore throat radius distribution of different types of pore structure

3.2 孔隙结构分形特征

三类样品的分形曲线相关性均较好(R2>0.90)，表明储层样品普遍具有分形特征，分形几何理论能够应用于表征其孔隙结构。图4为3个样品的分形曲线，分形曲线均出现不同程度的转折，表明样品具有不同分形特征的孔隙结构[17-18]。以转折点对应孔喉半径为界，将样品孔喉划分为相对小孔和相对大孔，通过拟合曲线的斜率得出样品的分形维数D1和D2，其分别为相对小孔与相对大孔的分形维数。从分形曲线斜率可以看出，W88样品孔隙结构分形曲线D1为2.13，表明该样品相对小孔具有极好的分形特征，孔隙结构规则，均质性强。转折点以下孔喉结构对应分形维数大于3，说明其对应的相对大孔不具分形特征，孔隙结构不规则。W206样品的分形曲线同样出现了转折点，相对小孔的分形维数为2.53，相对于W111样品孔隙结构的相对小孔分形特征较差。

图4 不同类型孔隙结构样品分形曲线Fig.4 Fractal curves of samples with different types of pore structures

对比不同样品孔喉分形特征曲线表明，随着样品物性逐渐变差，相对小孔的分形维数逐渐增大，孔喉结构分形逐渐变差，并且样品中不具分形特征的孔喉所占进汞饱和度比例逐渐增大，不具分形特征的孔喉占样品孔隙体积越大，孔喉非均质性变强。

3.3 分形维数意义

根据lgPc～lgSHg曲线斜率得出所有样品的分形维数，相对小孔分形维数D1为2.13～2.53，平均值为2.31，整体较小，说明相对小孔普遍具有良好的分形特征，非均质性较弱。Ⅰ类储层D1平均值为2.23，Ⅱ类储层D1平均值为2.29，Ⅲ类储层D1平均值为2.40。相对大孔分形维数D2为3.25～6.40，平均值为4.93，整体均大于3，说明相对大孔不具有分形特征。D1与渗透率、中值半径之间有较明显的负相关性[图5(a)]，表明物性较好的样品相对小孔均质性更强。D1与孔隙结构参数相关性优于D2，结合前人研究成果[19-20]，说明致密砂岩储层的孔渗能力主要由分形特征较好的相对小孔决定，不具分形特征的相对大孔对储层的孔渗能力具有一定的改善作用[图5(b)]。

图5 分形维数与孔喉结构参数相关性Fig.5 Correlation between fractal dimension and pore throat structure parameters

4 讨论

4.1 分形曲线转折点意义

王伟等[21]利用进汞饱和度增量与毛细管压力曲线研究了两段式分形拐点的意义，发现转折点对应于进汞饱和度增量曲线的明显变化点。Pittman[22]提出了进汞饱和度与进汞饱和度/毛细管压力的关系图。如图6所示，关系曲线产生一个拐点，曲线拐点表明孔隙由宽连通良好向小连通不良过渡，拐点相对应的孔喉半径称为转折点半径，与拐点半径对应的毛细管压力为转折点压力。通过SHg/Pc-SHg曲线计算出样品的转折点压力与孔喉半径，分析其与孔隙结构参数的相关性。从图7(a)可以看出，转折点压力与渗透率表现为明显的负相关，与排驱压力表现出明显的正相关关系，排驱压力越大，说明储层中对应的最大孔喉半径越小，储层中由连通较好的孔喉向连通不良转变对应的孔喉半径越小，相对应的转折点压力越大。图7(b)显示转折点半径与渗透率、中值半径有极好的正相关性(R2分别为0.924 4与0.934 6)，转折点半径越大，表明储层中连通较好的大孔喉发育，中值半径越大，储层渗透率得到提高。

图6 W88样品转折曲线Fig.6 Turning curve of W88 sample

图7 转折点参数与孔隙结构参数相关性Fig.7 Correlation between turning point parameters and pore structure parameters

4.2 大孔隙分形维数偏大的原因

分形维数理论上应小于物体本身物理维数，因此孔喉分形维数不应大于3。研究区储层大孔隙主要由溶蚀孔以及粒间孔隙组成，并且大孔隙常被黏土矿物及自生石英晶体充填，从而影响大孔隙结构形态。依据《碎屑岩成岩阶段划分规范》(SY/T 5477—2003)，研究区长4+5储层总体属于中成岩A-B阶段，储层受压实、溶蚀作用改造强烈，相对大孔以形态不规则的溶蚀孔为主[图2(c)]，研究区储层长石、岩屑含量高，会增加储层孔隙结构复杂性[23]，并且储层相对大孔抗压能力相对较弱，易受压实作用改造，导致孔隙结构不规则。

汞饱和度与注入压力之间的分形关系的公式是基于孔隙空间圆柱体形状的假设[式(2)]。然而，低孔低渗储层的实际孔隙空间不同于简化的圆柱体形状。只有当孔径在小孔隙领域接近规则形态时，汞饱和度与注入压力之间才存在理想的分形关系。镜下观察到研究区储层中发育微裂缝[图2(f)]，较长微裂缝以及与微裂缝连接较大孔隙不能简单地假定为圆柱形，微裂缝会显著影响大孔隙物理形态，导致储层大孔隙没有理想分形关系。同时由于微裂缝的存在，即使在较低的进汞压力下，也会导致进汞饱和度迅速增加，导致大尺度分形维数偏大。Li[24]指出裂缝发育良好的储层不适用于Brooks-Corey模型，认为试验装置的压力越大，可能会导致分形维数偏大。研究表明，压汞实验不能摆脱麻皮效应的影响，易导致分形维数偏大[25]。

4.3 Rapex的意义

Pittman通过SHg/Pc-SHg曲线提出了计算转折点半径Rapex与储层物性之间的数学关系，并认为其对油气圈闭研究具有重要意义，可表示为

lgRapex=0.117+0.475lgK-0.099lgφ

(6)

式(6)中:Rapex为计算转折点半径，μm；K为渗透率，mD；φ为孔隙度，%。

通过式(6)分别计算14个样品所对应的Rapex，可得：Ⅰ类储层Rapex平均值为1.407 μm，Ⅱ类储层Rapex平均值为0.668 μm，Ⅲ类储层Rapex平均值为0.379 μm。由图8可知，计算转折点半径Rapex与渗透率、中值半径之间有极好的相关性。分析可知，随着Rapex的增大，连通优良的孔喉分布范围越广，控制的孔隙体积越大，由连通优良的孔喉向连通变差的孔喉转变的半径增大，渗透率逐渐增加。Rapex与孔隙结构参数之间极好的相关性表明Rapex可作为用于表征储层孔隙结构非均质性的参数。

图8 Rapex与储层孔隙结构参数相关性Fig.8 Correlation between Rapex and pore structure parameters

5 结论

(1)城华地区储层岩石类型以长石砂岩和岩屑长石砂岩为主。长4+5储层孔隙度平均为9.93%，平均渗透率为0.41 mD。储层孔喉间连通性较差，孔渗非均质性强。储层孔隙类型复杂，主要发育粒间孔与粒内溶孔，含有少量晶间孔、粒间溶孔和微裂缝。

(2)相对小孔分形维数适用于表征砂岩储层孔隙结构的非均质性，随着物性变差，相对小孔分形维数逐渐变大。研究区储层相对小孔分形维数平均值为2.31，表明小孔隙整体均质性较强。对低渗储层而言，小孔隙是决定储层渗流能力的关键因素，大孔隙对于改善储层渗流能力起到一定作用。

(3)成岩作用、进汞压力过大以及微裂缝的存在等因素是导致研究区储层孔隙结构大孔隙分形维数计算结果出现偏差的原因。应用经验公式计算转折点半径与孔隙结构参数有良好的相关性，其可以作为评价研究区储层孔喉结构非均质性的重要参数，对于选找优质储层具有重要意义。