鄂尔多斯盆地东缘A区块上古生界致密砂岩储层微观孔喉结构表征*

刘 畅 陈桂华 路媛媛 王恩博

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

“十三五”期间，中国海油在鄂尔多斯东缘A区块上古生界探明致密砂岩气储量超千亿方，是未来中国海油天然气增储上产的主战场，成为研究的热点领域[1-3]。伴随着勘探开发进程及成藏主控因素研究的不断深入，致密砂岩储层强非均质性的特点愈发显现，具体体现在同一沉积微相类型储层物性差异很大，这主要是由于致密砂岩储层在沉积后普遍经历了多期多种类型的成岩作用，导致储层微观孔喉结构复杂，继而宏观上控制了储层物性差异、储层内气水分布规律以及储层含气量[4]。总结来说，储层微观孔喉结构直接决定了储层品质，导致压后产能差异巨大，在不断刷新高产记录的同时，也出现了一批低产低效井，严重制约了气田未来的开发上产进程。致密砂岩储层微观孔喉结构表征方法很多，可分为直接图像观测和间接数值测定两类。铸体薄片和扫描电镜可直接观察孔隙和喉道的大小、形态、连通性以及孔喉配置关系[5]，是最为常见的直接观察孔隙结构的定性实验方法。间接测量法主要包括三类：通过流体充注获取孔喉结构信息的常规/高压/恒速压汞技术[6-7]；
利用自旋原子核的核磁共振弛豫现象分析微观孔喉结构特征的核磁共振技术，可以获取样品的毛管束缚水含量[8]；
借助X射线的穿透性的CT实验，通过三维重构技术可以获取样品孔喉配置关系、分布及连通性等孔隙结构定量参数[9-11]。上述孔喉结构表征方法都具有各自一定的局限性和适用范围，在不同角度和尺度上研究储层孔隙结构[12]。由于致密砂岩储层非均质性强，孔喉半径分布范围较广(从几个纳米到几百微米)，单一方法很难全面表征其孔喉系统，国内外学者研究中多采用多方法结合开展综合表征[13-18]。本次研究综合采用铸体薄片、扫描电镜、纳米CT、高压压汞、恒速压汞以及核磁共振等高精度实验技术，从定性及定量两个维度，对鄂尔多斯东缘上古生界致密砂岩储层开展微观孔喉结构表征研究，明确微观孔喉基本特征及与储层物性的关系，揭示孔隙组合及分布特征并开展可动性评价，同时也将对鄂尔多斯东缘上古生界致密砂岩气藏下一步滚动勘探具有一定的理论指导作用。

鄂尔多斯盆地东缘A区块构造上位于伊陕斜坡与晋西挠褶带的交汇处[19](图1a)，多年勘探评价揭示，上古生界是研究区致密砂岩气主力产层，自下而上发育本溪组、太原组、山西组、石盒子组以及石千峰组[20](图1b)。其中本溪组至山西组为研究区主要的煤系烃源岩层系，石盒子组至石千峰组是研究区主力勘探层系，为陆相三角洲沉积，广泛发育的分流河道砂岩提供了优质储层发育的物质基础，分流间湾的泥质沉积提供了良好的区域性上覆盖层及侧向封堵，整体具备形成有效岩性圈闭的储盖条件。储层岩石学特征相对复杂，主要为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩及岩屑石英砂岩等。强烈的压实及胶结作用造成储层整体致密化，孔隙度主体4%～10%，渗透率主体0.1～1.0 mD，总体属于低孔—特低渗型储层。本次研究所选200余块致密砂岩样品垂向上覆盖石盒子组及石千峰组，平面上均匀分布于A区块不同井区，岩性覆盖含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩和细砂岩，所有样品均进行铸体薄片鉴定及孔隙度、渗透率测定。由于研究区石盒子组及石千峰组地层整体具有相似的沉积背景，因此综合考虑岩性和物性差异，同时为更好表征微观孔喉差异，选择典型层位、岩性及物性的代表性样品(①～④)进行扫描电镜、压汞、核磁及CT实验，系统研究致密砂岩储层微观孔喉结构对储集能力和渗流能力的影响(表1)。

图1 鄂尔多斯盆地东缘A区块构造位置(a)及地层岩性柱状图(b)

表1 研究区典型致密砂岩样品

2.1 孔隙类型

通过铸体薄片及扫描电镜观察，结合高压压汞、核磁共振等实验结果，揭示出研究区主要发育残余粒间孔、溶蚀孔和晶间孔3种孔隙类型。

残余粒间孔是原生粒间孔经压实、胶结作用后的剩余部分，残余粒间孔孔径大、连通性好，其发育层段是勘探开发的甜点区(图2a)。高压压汞曲线形态上，残余粒间孔的特征主要为进汞饱和度高(达到90%)，排驱压力排驱压力低(0.1 MPa)，进汞曲线存在明显的“弱平台状”(图3a-①)，孔喉半径主要分布在0.1～3 μm(图3b-①)，样品渗流能力强，分选好。核磁共振T2谱分布曲线呈现明显双峰特征，双峰峰值对应的T2弛豫时间长，左峰离心效果差，主要由连通性差的小孔隙组成，主要代表了粒内溶孔和晶间孔；
右峰离心效果好，右峰所代表的孔隙部分可动性好，主要为孔径较大的孔隙组成(图4a)。

图2 研究区扫描电镜下典型孔隙类型特征

图3 研究区典型压汞曲线形态(a)及孔径分布(b)特征

图4 研究区典型样品核磁共振T2谱分布特征

溶蚀孔主要为不稳定组分经酸性流体溶解后所形成的储集空间，可分为粒间溶孔和粒内溶孔两类(图2b、c)。粒间溶孔一般连通性好，进汞曲线特征呈现短暂“弱平台状”，排驱压力低(0.6 MP)，进汞饱和度高(达到80%)(图3a-②)，孔喉半径主要分布在0.2～1 μm(图3b-②)，颗粒分选较好。核磁共振T2谱分布曲线呈现双峰特征，左峰高于右峰，表明小孔所占的比例略高，左峰离心效果差，基本上全为束缚流体，右峰可动性好(图4b)。因此粒间溶孔对储层储集物性具有明显的改善作用，特别在埋深较大，压实作用强烈，原生孔隙破坏严重的情况下，粒间溶孔的发育贡献了主要的孔隙体积。粒内溶孔孔隙连通性差，多为孤立的死孔隙，压汞曲线形态上表现为一种“斜直状”，表明样品颗粒分选性极差，排驱压力较高，进汞饱和度偏低(图3a-③)，孔喉半径均小于1 μm(图3b-③)。核磁共振T2谱分布曲线为单峰，离心效果差，表明孔隙连通性差，可动饱和度低(图4c)，因此粒内溶孔对岩石储集物性改善不明显。

晶间孔主要为黏土矿物晶间孔，多为发育在矿物晶粒之间的孔隙(图2d)，该类孔隙孔径小，多为微纳米级别，对天然气的储集和渗流能够起到一定的贡献。晶间孔的高压压汞曲线呈现短而小的特征，进汞饱和度低(仅为24%)，排驱压力高(2 MPa)，表明样品渗流能力差，孔隙连通差(图3a-④)，孔喉半径小于0.2 μm(图3b-④)。核磁共振T2谱分布曲线主要为单峰，T2弛豫时间短，峰值之所对应的孔隙度分量小，表明总孔隙度低，离心效果差，几乎全为束缚水(图4d)。

高压压汞和核磁共振能够很好的反映了研究区内岩石样品渗流能力的变化。图3、4中①、②两个样品反映出孔隙度相近(样品①孔隙度11.76%；
样品②孔隙度10.13%)，但渗透率存在较大差异的特点。与样品②相比，样品①进汞曲线呈现明显的“下凹状”，存在弱平台段，核磁共振T2谱呈现出明显的双峰的特征，总的弛豫时间长，表明样品中存在较大的连通喉道，使得在较低压力时便能在样品中形成连通的通道，孔喉半径多大于1 μm。样品①从进汞饱和度20%到60%压力仅增加了1.5 MPa，而样品②的进汞压力则增加了8 MPa，表明样品②中存在大量的小孔喉，孔喉半径均小于1 μm，核磁共振T2谱主要表现为单峰，峰值所对应的弛豫时间短，总弛豫时间短。这些微观孔喉的差异导致两者渗透率存在明显差别(样品①渗透率为17.270 mD，而样品②的渗透率仅为1.334 mD)。可见储层微观孔喉结构决定了其宏观物性，大孔不仅对孔隙起着重要的控制作用，同时对样品的渗流特征也存在明显的影响。

2.2 孔隙组合特征

根据不同类型孔隙相互依存关系及相对含量，研究区发育以下5种孔隙组合类型。

粒间孔型：表现为粒间溶孔发育，同时可见明显的残余粒间孔，晶间孔比例小于20%。这类组合孔隙大，连通性好，是甜点区的孔隙组合类型。

粒间孔+溶蚀孔+晶间孔型：粒间孔比例下降，溶蚀孔比例增加，孔隙类型整体以溶蚀孔为主，晶间孔比例小于40%。这类组合孔隙较发育，但连通性一般。

粒间孔+晶间孔型：表现为少量粒间孔发育，同时可见长石向高岭石蚀变或溶蚀孔被高岭石充填以及粒间孔被绿泥石充填从而形成的晶间孔。

溶蚀孔+晶间孔型：残余粒间孔不发育，溶蚀孔比例大于30%，溶蚀孔可被伊利石、高岭石所充填，表现为片状分布的溶蚀孔和黏土矿物晶间孔。

晶间孔型：孔隙类型主要为黏土矿物晶间孔，很难见到明显的粒间孔或溶蚀孔。

岩石中的储集空间除孔隙外，还包括起连接孔隙作用的喉道。孔隙反映储层储集能力的高低，而喉道反映储层的渗流能力，使孔隙能够相互连通，孔隙中的流体发生流动。通过恒速压汞技术，依据进汞压力的涨落曲线可判别孔隙与喉道，获取孔隙半径、喉道半径和孔喉半径比分布等参数，提供总体、孔隙及喉道3条毛细管压力曲线。同时结合高压压汞、CT扫描技术能够较为全面的表征研究区储层的孔喉特征。

粒间孔型：该类组合恒速压汞的孔隙进汞与喉道进汞存在明显差异，在低进汞压力时(<1 MPa)孔隙进汞要明显大于喉道进汞，孔隙进汞曲线呈现明显的弱平台状，孔隙进汞组成了总进汞的大部分，表明样品中存在大量的大孔隙，主要由粒间溶孔组成，而沟通该部分的喉道则相对较小，组成大孔细喉的孔喉匹配，“大孔细喉”型孔喉空间大于45%。当进汞压力较高时，则孔隙进汞增加很少，喉道进汞呈现出“斜直状”，此时已经无明显的孔隙和喉道的区分，此时的孔喉连通关系为“树形孔隙”。高压压汞呈现出高进汞饱和度低排驱压力的特征，低进汞压力时进汞曲线存在“弱平台”，表明样品中存在大量的大孔隙且连通性好；
CT扫描亦表明单个孔隙较大，连通性好，孔喉配位数大于4(图5a)。

粒间孔+溶蚀孔+晶间孔型：该类组合在低进汞饱和度时恒速压汞的孔隙进汞与喉道进汞依然存在较大差异，呈现出“大孔细喉”的孔喉匹配关系，“大孔细喉”型空间大于20%，当进汞压力升高时，孔隙进汞饱和度不再增加，此时所对应的进汞饱和度约为40%，表明与上一种组合类型相比粒间孔比例下降，溶蚀孔比例增强，当进汞压力大于1 MPa时，孔喉连通关系转变为“树形孔隙”，反映出样品中存在较多的晶间孔。高压压汞进汞饱和度依然很高，排驱压力低，粒间孔占主导的进汞部分依然很大；
CT扫描表明，与粒间孔组合相比，单个孔隙的孔径略有减小，但是孔体积以然较大，连通性好(图5b)。

粒间孔+晶间孔型：恒速压汞中孔隙进汞所对应的进汞饱和度低，表明存在少量的粒间孔隙，此时的孔喉匹配关系主要为“大孔细喉”型，当进汞压力进一步增加时，孔喉呈现出“树形孔隙”的匹配关系。高压压汞曲线呈现出“双平台”，进汞压力低时的平台对应于粒间孔，而高进汞压力时的“斜直状”为“树形孔隙”段，样品排驱压力较高，进汞饱和度低。CT扫描表明，单个孔隙孔体积较小，连通性一般，存在少量粒间孔，晶间孔较发育(图5c)。

溶蚀孔+晶间孔型：恒速压汞中孔隙进汞很少，大部分进汞由喉道进汞组成，粒间孔不发育，存在少量溶蚀孔隙，而大部分孔隙主要由晶间孔组成。高压压汞曲线平直递增，缺少平台状，大部分孔隙由“树形孔隙”组成，排驱压力高，进汞饱和度低。黏土含量高，一般以伊利石为主(图5d)。

晶间孔型：恒速压汞中几乎没有孔隙进汞，晶间孔占孔隙空间的主体，粒间孔和溶蚀孔均不发育。高压压汞曲线进汞曲线平直递增，缺少平台，排驱压力最高，进汞饱和度最低。方解石胶结严重，黏土含量高，高岭石发育时孔隙度高、渗透率低(图5e)。

图5 研究区典型样品恒速压汞、高压压汞及CT扫描特征

总体来看粒间孔组合类型砂岩对应最佳的进汞曲线形态，启动压力点均小于1 MPa，进汞饱和度均大于60%，在低压段通常呈现出明显平台，但随启动压力点降低，平台逐渐变弱。溶蚀孔为主的砂岩储层的进汞曲线变差，启动压力点通常位于1 MPa附近，低压段曲线表现出弱平台状。随晶间孔含量增多，启动压力点明显增加，总进汞饱和度降低，进汞曲线整体呈现平直上升或上凸形态，指示孔喉分布逐渐减小。由图6不同孔隙组合类型孔隙度与渗透率关系可知，由晶间孔型过渡到粒间孔型组合，孔隙度和渗透率值均明显增加，粒间孔组合类型孔隙度与渗透率之间关系最好，分布集中，相关性好，孔隙异常发育带与粒间孔组合发育基本吻合。而以溶蚀+晶间孔型及晶间孔型孔隙度与渗透率之间关系最差，孔隙度与渗透率之间关系混乱，相关性差，以晶间孔型为主的组合整体孔隙度小于6%。

图6 研究区不同孔隙组合类型孔隙度与渗透率关系

针对低温氮气吸附无法表征较大宏孔的体积及分布，引入核磁共振实验来表征宏孔的分布[21]。核磁共振属于静态测量，基于孔隙流体中氢核的横向弛豫时间T2来全面反映孔隙小分布和可动流体分布。对于半径较小的致密砂岩储层，T2弛豫以面扩散弛豫为主，面弛豫与孔隙体的体积V与表面积S的比值有关，而V/S又正相关于孔隙的大小，因此T2值与孔径之间具有近似一一对应关系，但需要确定相应的转换系数C，采用累积法将核磁实验和压汞实验的累积孔隙度与孔隙半径的在同一坐标系中作图，通过调整C值使核磁曲线左右移动，使其与压汞实验所得到的曲线达到最好的匹配，从而确定最终的C值(图7a)；
而dv/dlgr法是以dv/dlgr与孔隙半径作图(图7b)。前者可以展示总孔隙的分布，而后者可以显示具体的孔隙孔径分布。利用该方法对研究区共119个砂岩样品的核磁共振结果进行了标定，并确定了相应的转换系数C。

图7 利用累积法(a)及dv/dlgr法(b)标定核磁共振示意图

4.1 孔隙分布

核磁共振得到的孔隙分布能整体反映砂岩样品的孔隙类型及分布[22]，其刻画的砂岩孔隙分布范围为0.01～100 μm，不同孔组合类型的孔隙孔径分布存在明显差异(图8)。粒间孔组合类型中，核磁共振曲线右峰部分几乎全由残留粒间孔组成，孔隙半径一般大于1 μm，而左峰部分孔隙半径一般小于1 μm，大部分位于0.1～1 μm，主要由粒间溶孔组成，因此粒间孔占据了该类组合孔隙的绝大部分；
粒间孔+溶蚀孔+晶间孔组合孔隙孔径分布略有减小，但是分布区间较大，右峰中残留粒间孔部分减小，而粒间溶孔部分增加，另外小于1 μm的部分含量也不容忽视，该部分主要由晶间孔组成，因此该类组合类型中的孔隙组成包括粒间孔、溶蚀孔以及晶间孔；
溶蚀孔+晶间孔组合类型中，大于1 μm的部分只占了很少的部分，主体主要为小于1 μm的部分，表明孔隙半径的减小，孔隙主要由粒内溶孔和晶间孔组成；
粒间孔+晶间孔组合类型中，可见大于1 μm的部分存在一个弱峰，表明了少量粒间孔的存在，而峰的主体依然位于小于0.1 μm处，因此依然存在大量的晶间孔，该类组合的孔隙主要由粒间孔和晶间孔组成；
晶间孔组合类型则呈现明显的单峰，且基本小于1 μm，表明孔隙中没有孔径较大的部分，而晶间孔组成了孔隙的主体。

图8 研究区典型样品不同组合类型孔隙分布

4.2 可动性评价

不同组合孔隙组合类型的流体可动性也存在较大差异(图9)，其中粒间孔组合类型可动饱和度最高，孔隙度最高，束缚水饱和度一般小于50%，孔隙度一般大于10%；
粒间孔+溶蚀孔+晶间孔组合类型束缚水饱和度也较低，一般小于60%，孔隙度一般位于8%～13%。以上两种孔隙组合类型是优质储集空间的主要组合类型，孔隙连通性好，储集空间大。溶蚀孔+晶间孔以及粒间孔+晶间孔的组合类型，束缚水饱和度较高，一般大于60%，孔隙度一般小于10%，流体可动性较差；
晶间孔组合类型束缚水饱和度最高，基本上都大于80%，流体可动性差，多为束缚流体。总体上束缚水饱和度与孔隙度之间关系较差，但依然可以看出两者之间存在一种弱相关关系，既孔隙度越大流体可动性越强。图10展示不同孔隙孔径分布以及孔隙组合类型样品的可动流体分布情况。可以看出，由下到上大孔含量依次减少，可动饱和度也依次减小。其中粒间孔及粒间孔+晶间孔和溶蚀孔+晶间孔的组合类型中大于1 μm的孔隙含量高，主要为粒间孔，孔径大，流体流动性好，可动饱和度高，可动部分达到55%以上，粒间孔组合类型可达60%，孔隙半径位于0.1～1 μm的部分孔隙中的流体也有较大部分是可动的。而粒间孔+晶间孔以及溶蚀孔+晶间孔的组合类型中，孔隙半径大于1 μm的孔隙含量少，晶间孔含量多，主要为小孔组成，流体可动性差，可动部分一般小于30%。

图9 研究区不同孔隙组合类型束缚水饱和度与孔隙度关系

图10 研究区典型样品饱和及离心状态核磁共振T2谱对比

1)基于微观孔喉结构表征研究，将研究区致密砂岩孔隙组合划分为粒间孔型、粒间孔+溶蚀孔+晶间孔型、粒间孔+晶间孔型、溶蚀孔+晶间孔型以及晶间孔型5种类型。

2)粒间孔型对应最佳的进汞曲线形态，孔喉半径大，大孔含量多，储层品质最好，孔隙度最高，一般大于10%；
随晶间孔含量增多，孔喉分布逐渐减小，以晶间孔型为主的组合整体孔隙度小于6%。

3)大孔分布是评价致密砂岩储层流体可动性的直接指标，粒间孔型大孔含量多，可动饱和度最高，可达60%；
以晶间孔为主的组合类型主要为小孔组成，流体可动性差，可动部分一般小于30%，多为束缚流体，束缚水饱和度基本大于80%。

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