胜利油区碎屑岩纳米尺度孔隙结构特征

杨少春，王惠娟，2，罗海宁，陈国宁

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛 266555;2.胜利石油管理局地质科学研究院，山东东营 257000）

胜利油区碎屑岩纳米尺度孔隙结构特征

杨少春1，王惠娟1，2，罗海宁1，陈国宁1

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛 266555;2.胜利石油管理局地质科学研究院，山东东营 257000）

选取胜利油区的3个不同油田取样分析资料，在储层微观孔隙结构研究的基础上通过扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜对储层中纳米尺度的孔隙结构和孔喉配置关系进行研究。结果表明:碎屑岩储层中存在纳米级的孔隙和喉道，且孔隙类型多样，同样可分为原生孔隙和次生孔隙两大类;纳米级原生孔隙包括单晶片层间缝、矿物解理缝、晶内孔、粒间孔和晶间缝5种类型，纳米级次生孔隙包括粒内溶孔、溶蚀缝、构造缝;研究区纳米尺度下的孔喉配置关系归结为孔喉一致型、弯曲沙漏型、“X”形孔喉交叉型、“丰”字形孔隙交叉型和杯形交叉缝型5种类型。

储层;孔隙结构;碎屑岩;纳米尺度;孔喉配置

在石油地质领域，对于碎屑岩储层孔喉的研究一般只限于微米尺度，研究方法包括铸体薄片法［1-2］、扫描电镜法［3-4］、压汞实验法［5］、真实砂岩微观模型法［6］和激光共聚焦扫描方法等。对孔喉结构的定量表征也主要体现在二维平面上，目前的研究尺度下剩余油开采很难取得大的突破。胜利油区的宁海、胜坨、广利等油田构造上位于渤海湾盆地东南部、四周有凸起环绕的东营凹陷，断层切割作用明显，沉积了前震旦系变质基底到第四系平原组的多组地层。该区主力产油层分布于沙河街组的二段和四段，主要储集空间为原生粒间孔或次生孔隙，喉道类型包括粗喉、中喉和缩颈状喉道，孔喉连通性好，微观尺度下表现出的孔隙结构特征有利于油气的储集和运移。笔者试图探究碎屑岩储层中纳米尺度的孔隙结构和孔喉配置关系，并利用高分辨率扫描电镜、透射电镜以及目前该领域较少应用的原子力显微镜［7-9］进行孔隙结构的三维表征，通过试验观察对此类微观孔喉进行更为细致的纳米级分类，以期为研究区今后的油气勘探提供更明确的方向。

1 纳米尺度的原生孔隙

原生孔隙在常规的毫米、微米尺度下主要是粒间孔，也有部分的单晶片层间缝、矿物解理缝等。通过高分辨率扫描电镜和透射电镜的观察，发现在纳米尺度上的原生孔隙以单晶片层间缝和矿物解理缝为主，也有少量晶内孔，粒间孔一般尺度较大。

1.1 单晶片层间缝

通过对研究区目的层段的岩矿特征分析得知，填隙物中黏土矿物含量大于92%，碳酸盐矿物含量最多为8%，黏土矿物又以高岭石和伊蒙混层为主，因高岭石具有规则的单晶片层结构，而伊蒙混层以弯曲大片状和半蜂窝状为主，所以单晶片层间缝主要分布于高岭石的单晶片层间。

镜下观察发现，高岭石单晶片层间缝隙宽度不均匀，约为20～200 nm（图1），似两组连通关系良好的集合体间的层面缝，与高岭石充填的原生孔隙始终贯通。Matthews［10］在1996年做出的对烃类分子的大小归类中阐明，甲烷分子直径约0.4 nm，其他正构烷烃分子直径介于0.4～200 nm。所以，此类缝隙也属于油气储集的优势空间。单晶片层厚度差异较大，因此相邻两个片层的层面缝隙宽度有可能相差很大。

图1 高岭石单晶片层间缝Fig.1 Kaolinite single crystal layer seam s

除高岭石外，还有大片状的伊蒙混层与伊利石中发育层面缝，与高岭石相比，这种缝隙一般无规则形态，缝隙宽度不均匀，但往往延伸较长，与粒间孔隙贯通，起到沟通被黏土分隔的两个骨架颗粒的桥梁作用。

1.2 矿物解理缝

受晶体结晶习性的制约，对于骨架矿物石英和长石来说，石英无节理，长石则通常具有一组或两组极完全解理。扫描电镜下，长石解理缝非常常见，缝宽一般小于100 nm，最宽处达300 nm，解理缝间距也是纳米级。只有极少的解理缝与孔隙连通，大多呈孤立状存在（图2）。透射电镜下的现象正好与扫描电镜下的现象相互对应，一组平行的解理缝相互之间宽度有所差别，长度也各不相同，其间还掺杂极微细的小缝，但整体上延伸方向非常一致（图3）。

图2 矿物解理缝Fig.2 M ineral clevage joints

图3 长石解理缝Fig.3 Feldspar clevage joints

1.3 晶内孔

对于纳米级的原生孔来说晶内孔最为常见。在石英这种无解理的较均质晶体内，其透射电镜下的孔隙和裂缝的形态都非常清晰。如图4所示，石英单晶体内部发育串珠状的规则晶内孔，相互之间没有喉道连通，孔径小于100 nm。与串珠线近垂直的方位同时发育一条极微细晶间缝，缝宽小于10 nm。除此之外，还有扁圆状的孔隙严格按一条直线分布，但与图3不同的是，该处部分孔隙间以喉道连通，孔径更小，最宽的只有40 nm。

图4 串珠状晶内孔Fig.4 Beaded intracrystalline pores

1.4 粒间孔

岩石在沉积过程中一般会经受上覆岩层的压实作用，颗粒间接触紧密，受矿物晶体本身粒径的限制，即使多个颗粒间存在原生孔隙，其尺度也不会太小。镜下特征与这一理论推断相符合，粒间孔多为微米级孔隙，只有极少数的纳米级孔隙也发育在被填隙物充填的原生孔隙中填隙物与骨架颗粒的边缘部位。

1.5 晶间缝

晶体生长过程中各晶粒间并不是完全紧密堆积的，在晶粒间存在微细的缝隙，观察测量发现作为骨架矿物的石英和长石，以及作为填隙物的方解石和铁白云石的晶间都会残留晶间缝，缝隙最宽为100 nm，最窄处只有几个纳米。这种缝隙边缘平整，相互之间有一定的连通性，扫描电镜下的照片中缝隙只呈现于表层深度，纵向贯通性不好。

2 纳米尺度的次生孔隙

次生孔隙是指在岩层沉积之后成岩作用形成的孔隙，包括各种溶孔、溶洞以及构造缝、成岩收缩缝等。常规的孔隙结构研究认为碎屑岩的次生孔隙以粒间溶孔为主，在纳米尺度下则以粒内溶孔、溶缝为主，同时也会有因受到构造作用影响而形成的晶内孔或晶内缝。

2.1 粒内溶孔

黏土矿物单晶片层中纳米级溶蚀孔隙最为发育，尤以伊蒙混层为主，高岭石单晶中非常少见。伊蒙混层中除明显的层面缝外，还可见零星分布的纳米级溶孔，这些孔隙大都不连续分布，有的区域可见多个小孔有规律的分布，应为地层水活动的结果。骨架矿物中偶尔也见有直径小于100 nm的溶孔，但溶孔形状极不规则，棱角分明（图5）。

图5 伊蒙混层纳米级孔隙Fig.5 Nanoscale pores in illite-smectitem ixed layer

2.2 溶蚀缝

溶蚀缝和构造缝是岩层中另外两种常见的纳米尺度的次生缝。长石中除规则的节理缝以外，还有经溶蚀作用形成的微细溶蚀缝，缝隙延伸长度不大，缝宽约为50 nm，属无规则排列，且溶蚀缝的发育部位不存在明显规律性，同样属于流体活动的产物。

2.3 构造缝

石英晶体上有月牙状弯曲和锯齿状弯曲的构造缝，宽度小于10 nm，缝隙之间为平行关系。这种缝隙往往只在单体颗粒上发育，与边缘的晶间孔没有连通，是孤立存在的。除此之外，透射电镜下还可见石英晶体边缘部位发育帚状散开的极微细裂缝，缝宽较为均匀，最宽处只有2 nm，散开端裂缝终止于晶体内部，上部各裂缝束状集合处与晶间大孔隙也未有连通。

在泥晶碳酸盐岩的研究中，尤其在构造活动发育部位的取样中经常见到反“Z”字形的错折缝，缝隙中间可见明显位移。透射电镜对石英的观察同样存在类似现象（图6），镜下的微细构造缝延伸长度大，缝宽极小，只有几个纳米，中间位移也不大于30 nm。长石晶体中见有两组错折缝围限的规则平行四边形颗粒。

图6 反“Z”字形错折缝Fig.6 Anti-"Z"-shaped crease

3 纳米尺度的孔喉配置关系

喉道是指两个颗粒之间连通的狭窄部分，因此对于纳米级孔隙来说连通孔隙的喉道并不发育。前已述及，纳米尺度的孔隙大多孤立存在或直接与大孔隙相连通，扫描电镜下分析观察的结果显示:在充填孔隙的黄铁矿晶间发育的喉道分为孔隙的缩小部分和片状规则喉道两类，宽度约为200 nm。另外，在石英颗粒中见有弯片状喉道，宽度最大为80 nm，最窄处仅约为20 nm。作为填隙物的黏土矿物中也有管束状喉道，形态不明显，分布不规则。

本次研究中，为满足定量表征储层中纳米尺度孔喉三维空间特征的需要，特选用原子力显微镜对岩心样品进行分析观测。原子力显微镜最基本的功能就是通过检测微悬臂探针与样品间的相互作用力来表征样品表面的三维形貌。它能够以数值的形式准确获取样品表面的高低起伏状态，它在对整体图像进行分析时可得到样品的颗粒度、孔结构和孔径分布等参数，同时也能够对样品的表面形态进行丰富的三维模拟显示，从而使得到的图像更符合人的直观视觉感受。但是，将原子力显微镜应用于岩石样品观察时也存在一定的缺陷，即因仪器对样品表面平整度要求高，因此制样要求苛刻、操作过程中需谨慎，避免损坏针尖。

与微观尺度下的分类方式不同，在纳米尺度的范围内，研究区目的层的孔喉配置关系可分为孔喉一致型、弯曲沙漏型、“X”形孔喉交叉型、“丰”字形孔隙交叉型和“丁”字形交叉缝型5种。

3.1 孔喉一致型

微观尺度下，喉道的定义为连通颗粒孔隙的缩小部分，因此对于同一组孔喉来说，喉道的中值半径一定比孔隙小很多。但是，在纳米尺度下可见晶体内发育孔隙和喉道半径相差无几的孔喉一致型连通结构。从剖面上看，孔隙直径在剖面上约为250 nm，而喉道直径达到了200 nm甚至更大，因此孔隙和喉道在尺寸上几乎没有区别，喉道连通了3个孔隙，形成“Y”字形通道，从形态来看，无法明确区分孔隙和喉道的确切交界部位。

3.2 弯曲沙漏型

该类孔喉连通结构与光学显微镜下见到的类似，即喉道是孔隙的缩小部分，属片状规则喉道。喉道连接了两个近平行状产出的孔隙，起到桥接作用。喉道宽度明显小于孔隙。喉道宽约50 nm，而孔隙可显示的最大宽度大于200 nm。且孔隙的下切深度明显大于喉道，仅从视域显示就能看出喉道很短，只有约150 nm。这种结构相对于窄片状长喉道来说其渗透性能更好。

3.3 “X”形孔隙交叉型

此类孔隙类似于微观尺度下的管束状喉道，但展布形态不如管束状复杂，呈规则的“X”形或者两组反“Z”字形的交叉结构。此类孔隙结构与上述两类相比，其孔隙半径明显增大。如图7所示，孔隙半径为600～800 nm，交叉部位为边长近400 nm的正方形区域，三维纵深方向上喉道和孔隙的下边缘几乎平齐，因此该类喉道对孔隙的贯通非常有利。

图7 “X”形孔隙交叉型Fig.7"X"-shaped pore cross type

3.4 “丰”字形孔隙交叉型

受控于矿物晶体单晶颗粒的形状和排列方式的限制，镜下可见到几条平直的孔缝被一条稍有弯曲的喉道连通，形成“丰”字或半“丰”字形结构。规则排列的单晶颗粒间孔隙也呈规则的平行状，同一方向的若干个颗粒间受晶体自身形状的影响，保留小的缺口，晶体走向垂直方向上的多个小缺口连接起被晶粒分隔的若干条孔缝形成一种规则排列的孔喉配置关系（图8）。

图8 “丰”字形孔隙交叉型Fig.8"丰"-shaped pore cross type

3.5 杯形交叉缝型

除上述4种类型以外，试验过程中偶尔可见两条稍有弯曲的缝隙交叉呈酒杯形，无前述4种类型明显的孔隙和喉道形态，其中两条缝隙的交界处即充当了喉道的功能，形式上介于孔喉一致型与“丰”字孔隙交叉型之间。

4 纳米孔喉与油气运移

经上述试验发现，碎屑岩储层在纳米尺度下表现出比微观尺度下更为精细的孔喉连通关系，且此类纳米级孔喉与微观孔喉也有部分连通，由此推断，储层纳米级孔喉同样可以作为油气运移的通道来衡量，其与已发现微观孔隙网络的结构关系将更明确地揭示储层孔渗性能的优劣。

5 结论

（1）除常规的微米级孔隙外，碎屑岩储层中同时还存在种类丰富的纳米级孔隙和裂缝。与微米级孔隙类似，碎屑岩储层中的纳米级孔隙同样可分为原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙包括单晶片层间缝、矿物解理缝、晶内孔、粒间孔和晶间缝5种类型，次生孔隙包括粒内溶孔、溶蚀缝、构造缝3种类型。

（3）碎屑岩储层中纳米级的孔喉配置关系，按其产出形态可分为孔喉一致型、弯曲沙漏型、“X”形孔喉交叉型、“丰”字形孔隙交叉型和杯形交叉缝型5种，各种孔喉连通类型的连通性依次变差。

（4）碎屑岩储层纳米级孔喉发育情况与储层孔渗性能呈正相关关系。

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Nanoscale pore structure characteristics of clastic rock in Shengli Oilfield

YANG Shao-chun1，WANG Hui-juan1，2，LUO Hai-ning1，CHEN Guo-ning1
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China; 2.Institute of Geological Sciences，Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying 257000，China）

The analysis samples were taken from three different oilfields in Shengli Oilfield.By using high magnification scanning electron microscopy（SEM），transmission electronmicroscopy（TEM）and atomic forcemicroscopy（AFM），the research of nanoscale observation and analysis of reservoir pore structure and pore-throat configuration relationships were conducted based on the investigation of reservoirmicro-structures.The results show that the nanoscale poreand throat really exist in clastic reservoir and there are various pore types，and they can also be divided into primary pores and secondary pores.The nanoscale primary pores include five types，that is，single crystal layer seams，mineral cleavage joints，intracrystalline pores，intergranular pores and intercrystalline joints.The nanoscale secondary pores include intragranular dissolved pores，dissolution joints and construction joints.In research area，five types of nanoscale pore-throat configuration relationships are established，that is，pore-throat consistent type，curved hourglass type，"X"-shaped pore cross type，"丰"-shaped porecross type and goblet-shaped cross joint type.

reservoirs;pore structure;clastic rock;nanoscale;pore-throat configuration

TE 19;TE 135.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.002

1673-5005（2012）01-0008-05

2011－07－16

国家科技重大油气专项课题（2011ZX05009－003）;中央高校基本科研业务费专项资金项目（09CX04011A）

杨少春（1962－），男（汉族），广西桂林人，教授，博士，博士生导师，主要从事油气地质及油藏描述研究工作。

（编辑 徐会永）