库车坳陷迪北地区致密砂岩孔喉形态特征及其对储层的影响

林　潼，冉启贵，魏红兴，孙雄伟，王　蓉

(1.中化石油 勘探开发有限公司，北京　100031；2.中国石油勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊　065007；

3.中国石油 塔里木油田分公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒　841000)



库车坳陷迪北地区致密砂岩孔喉形态特征及其对储层的影响

林潼1,2，冉启贵2，魏红兴3，孙雄伟3，王蓉2

(1.中化石油 勘探开发有限公司，北京100031；2.中国石油勘探开发研究院 廊坊分院，河北 廊坊065007；

3.中国石油 塔里木油田分公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒841000)

摘要：通过铸体薄片、扫描电镜、激光共聚焦显微镜、微纳米CT扫描等直观分析手段，对库车坳陷迪北地区致密砂岩气储层中的孔喉微观形态特征开展了系统研究。观测结果显示，该区致密砂岩储层中发育大量的狭长、扁平状孔喉，其中微纳米级的喉道、黏土矿物晶间孔是本区主要的储集空间。同时借助低温氮气吸附测试、恒速压汞试验、覆压条件下储层物性分析等定量研究手段，显示迪北致密砂岩储层中喉道大小分布在1～4 μm，喉道体积占总孔隙体积的2/3。综合研究认为储层的渗流能力受喉道大小、孔喉比值影响，直观地反映了孔喉形态对渗流能力的影响；孔喉中黏土矿物对储层的渗流能力起到重要的影响。

关键词：致密砂岩；激光共聚焦显微镜；喉道半径；孔喉比；孔喉形态；迪北地区；库车坳陷

孔隙度和渗透率一直是评价储层质量的主要参数，两者具有较好的线性相关。然而在非常规油气藏中，致密砂岩储层、页岩储层、致密灰岩以及火山岩储层，孔隙度与渗透率之间的相关性远不如常规油气藏储层那样密切[1-4]。越来越多的学者认识到，储层中的喉道才是影响储层渗流能力的关键[5-7]，喉道控制储层的渗透率，同时也影响储层的油气产能。Nelson[7]曾详细地介绍了不同类型岩石中储层喉道大小的分布特征，并通过实测的实验数据认为喉道大小的变化对储层渗透率的影响最为敏感，喉道大小改变1个数量级，渗透率值将改变2个数量级以上，因此喉道才是评价储层质量的关键参数。Winland早在1989年就建立了以喉道大小来评价低渗透储层质量的方法并取得了较好的效果[8]。以喉道为参数开展的储层质量评价，特别是对致密砂岩储层的评价是比较科学和有效的，相关的评价研究工作也取得了一定的成果[9-11]。

然而目前学者似乎仅仅关注分析测试得到的储层参数如孔隙度、渗透率、喉道大小与分布范围、黏土矿物含量等，而孔喉的形态特征能否影响到油气藏储层质量以及开发效果则讨论的较少[12-13]。Roger在研究Barnett和Woodford页岩气储集空间时认识到与传统的常规储层所不同，页岩气储层的储集空间类型更加广泛，发育大量形态各异的有机孔、黏土晶间孔、生物壳内孔以及晶体颗粒内的微细裂缝等，这些都是页岩气的有效聚集场所[6]，但Roger的研究也并未指出这些形态各异的储集空间是否会对气藏的聚集能力和开采效果产生影响。而Deng[14]在开展砂岩储层分类的时候则明确指出了颗粒间、石英次生加大边之间的狭长缝对储层质量和油气的产量具有明显的控制作用，并且这种形态的裂缝对应力表现得十分敏感。

本文在研究库车坳陷迪北地区侏罗系阿合组致密砂岩气时，发现该致密砂岩储层岩心孔隙度低，分布在3%～10%，平均值为6.8%；而岩心渗透率值相对较高，分布在(0.1～10)×10-3μm2，主峰值为1×10-3μm2。在孔隙度相近的条件下，迪北地区储层的渗透率值较其他地区致密砂岩要高出许多[5]。数据对比显示测井解释孔隙度与岩心实测孔隙度值相近，而测井解释渗透率值则要明显低于实测值1个数量级以上。本文通过多手段的显微观察与定量分析测试，认为迪北气藏致密砂岩储层中孔喉发育的微观形态是造成上述现象的主要原因。

1研究区地质特征

库车坳陷位于塔里木盆地最北部(图1)，为三叠纪塔里木地块向天山俯冲碰撞背景下形成的前陆坳陷[15]。受南天山造山带浅层向南逆冲推覆作用的影响，库车前陆区发育一系列东西走向、向盆地方向逆掩的冲断断层，背斜形态呈狭长带状、高陡展布。迪北致密气藏位于库车坳陷东部的依奇克里克断裂带中段、阳霞凹陷北缘，以发育线性背斜、断背斜和断鼻构造为特征(图2)。断裂带在康村期开始侵位，并持续到库车期和西域期。早期以断层传播褶皱为主，而后形成大规模的转折褶皱背斜。三叠纪沉积以后该区经历了侏罗纪—早白垩世的应力松弛以及晚白垩世的挤压隆升和剥蚀[16]，形成了现今的地层沉积特征。

图1　库车坳陷迪北地区构造位置

图2　库车坳陷东部地区南北向地层与构造

目前工区钻遇侏罗系阿合组致密砂岩储层井有15口，其中Yn2井、Dx1井、Db104井等获高产工业油气流，Yn5井为低产油气井，其余井都有不同程度的油气显示，表明迪北是油气成藏的重要区域。目的层下侏罗统阿合组气层埋深4 500～5 000 m，为一套辫状河三角洲平原河道砂体。砂体横向连片展布，平均厚度在180～230 m之间。根据区域沉积特征阿合组内部可划分出多套旋回，每套旋回的底部为泛滥平原相辫状河道含砾粗砂岩，向上变细逐渐过渡到泛滥平原相细粒、泥岩沉积。由于受泛滥平原相河道砂体横向迁移的冲刷，顶部泥质沉积普遍缺失，从而形成了以河道下部沉积为主的多套不完整旋回的组合体。储层的物性与沉积旋回具有正相关性，旋回底部颗粒较粗的砂体物性明显好于顶部较细的砂体。

2致密砂岩储层孔喉形态

阿合组砂体沉积时受北部南天山物源与沉积相带的控制，岩性为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩，颗粒分选性中等，以粗砂岩、含砾粗砂岩、中砂岩为主。砂岩整体致密，岩心上几乎未见溶蚀孔，但在少部分的井段可见溶蚀缝和构造缝，如在Yn5井岩心上发育较为密集的节理缝。

2.1铸体薄片观察

阿合组致密砂岩储层原生孔隙不发育，次生溶蚀孔多呈分散孤立状分布，孔隙半径较小(50～150 μm)，孔隙间连通性较差。主要发育粒间泥质溶蚀微孔，其次是颗粒内溶蚀孔，特别是长石颗粒(微斜双晶的钾长石为主，图3a)内溶蚀，火山岩岩屑颗粒内溶蚀孔次之。微裂缝在部分样品中为主要的孔隙空间，也是本区重要的储集空间类型之一。镜下发现裂缝对孔隙的形态与分布具有显著影响。溶蚀孔隙沿裂缝带分布(图3b,c)，孔隙轮廓呈细长的椭圆状，长轴方向与裂缝的延伸方向一致(图3c)，个别溶蚀孔因溶蚀扩大作用可形成长轴与裂缝垂直的大孔隙(图3b)。孔隙受裂缝影响的另一种表现形式为“微孔集群式发育”，即微小的溶蚀孔隙“集群”组成一个溶蚀条带(图3d)，在镜下表现为靠近条带中心部位微小孔隙集中发育，而远离条带中心微小孔隙的个数变少并逐渐呈孤立状。然而也有些裂缝并未对孔隙的溶蚀起到作用，这些裂缝表现为缝间干净无杂质，多条裂缝平行分布，裂缝的开启宽度较大(0.15～0.5 mm)，部分位置可见缝两侧凹凸对峙特征(图3e,f)。

根据镜下特征，可将迪北储层的孔隙形态划分为3种类型：(1)短轴型，孔隙近圆型长宽比较小(图3b)；(2)长轴型孔隙，孔隙形态呈明显的扁平椭圆型(图3c)，长轴是短轴的3～10倍长；(3)片状孔隙，孔隙形态呈狭长片状(图3e，f)。本区主要的孔隙形态类型为(2)和(3)型。

2.2扫描电镜分析

扫描电镜下可清晰地看出颗粒间填充着形态各异的黏土矿物，伊利石最为发育，其形态呈毛发、针状，与书页状的高岭石共生填充于颗粒间或颗粒内(图4a，b)。扫描电镜下可识别出3种类型的孔—喉特征：(1)颗粒与黏土矿物之间的孔喉，孔喉形态呈狭长缝状(图4c，d)，缝宽在2～5 μm之间，这类孔喉在本区十分常见；(2)晶间孔，表现为石英次生加大形成的晶间孔隙(图4e)以及高岭石晶间孔(图4f，孔径约10 μm)；(3)长石溶蚀缝，孔缝呈扁平状沿着长石的节理面断续分布，(图4g，h)。通过薄片在扫描电镜下的观察可以发现，铸体薄片下染色剂显示的区域并非完全是孔隙，大多数为黏土矿物填充后的吸附色，而真正作为气体的储集空间是这种黏土矿物晶间孔，因此该孔隙更确切的定义应属于喉道级别。正是因为这些填充在粒间的黏土矿物吸附了染色剂，在显微镜下被误认为是孔隙空间(铸体颜色)，造成了铸体薄片下所统计出的面孔率值普遍偏大，从而错误地估算了岩石的储集空间。从图4f上可以看出，孔隙中几乎90%以上的空间被高岭石和伊利石所填充。迪北气藏储层中绝大多数的储集空间都为这种晶间的微小孔喉。

图3　库车坳陷迪北地区阿合组致密砂岩储层铸体薄片微观特征

图4　库车坳陷迪北地区阿合组致密砂岩扫描电镜下孔隙空间及其空间内矿物的发育形态特征

通过以上扫描电镜的观察，可以确认迪北储层中主要的孔喉形态为狭长扁平状与纳米级的微小孔喉。

2.3孔喉的激光共聚焦显微镜观测

激光共聚焦显微镜能够弥补传统偏光显微镜与扫描电镜的不足，能够获取高清晰、高分辨率的图像，同时通过对薄片添加特殊荧光剂能够实现微小孔喉的清晰显示与定量统计，对致密储层的研究具有明显的优势。本文通过对本区样品的激光共聚焦显微镜观察，清晰地识别出了常规铸体薄片下无法观测到的裂缝、孔隙，特别是细小的喉道(图5)。

图5　库车坳陷迪北地区气藏储层

a.Yn2井，J1a，构造缝清晰发育，缝间干净无杂质，缝两侧凹凸对应清晰； b.a图薄片正交偏光下图像与激光共聚焦显微镜下图像叠置 ；c.Yn2井，J1a，微细溶蚀孔聚集的溶蚀条带，细小孔隙清晰可见； d.c图薄片正交偏光下图像与激光共聚焦显微镜下图像叠置； e.Yn5井，J1a，激光共聚焦下薄片全扫描图像，喉道与溶蚀孔隙网状连通

Fig.5Laser confocal scanning microscope photographs showing

pores in gas reservoirs in Dibei area of the Kuqa Depression

成像特征显示，储层以微细的溶蚀孔为主要的储集空间，发育少量的粒间大孔隙，喉道是不可忽视的重要的储集空间，储层内孔喉之间存在着密切的连通关系，喉道成网络状分布并沟通纳米级微孔，从而形成了致密储层的油气储、运系统。激光共聚焦显微镜在本区研究过程中最重要的意义是肯定了本区喉道对储层具有重要的控制作用，但这种以网络状发育的喉道易受到黏土矿物的堵塞，使得流体运移不畅，渗流能力降低。

2.4扫描CT对致密储层的分析

近年来岩石CT扫描分析技术在非常规储层中的应用越来越广泛[17-19]。通过高精度的微纳米CT扫描可以实现岩心孔喉的空间重构，从而实现对储层的空间形态特征直观观测。对迪北致密砂岩样品开展CT扫描，并结合e-core数字岩心软件对孔喉开展定量分析(表1)，统计结果显示喉道的体积占到总孔隙体积的一半左右，说明致密砂岩储层中喉道不仅是连通孔隙的通道，也是重要的储集空间。

通过以上的多种分析手段开展致密砂岩储层的微观研究，可以认识到迪北地区致密砂岩储层中主要的储集空间为喉道、纳米级晶间孔和粒内微孔隙，储集空间的形态特征总体表现为狭长、扁平状与网络状。

3孔喉参数的定量识别

以上对迪北地区致密储层微观形态特征的直观观察与描述，虽然能够进行储层参数的统计，但受到各种分析手段自身识别能力以及仪器分辨率条件等限制，统计的参数仅具有相对的可比性，并不能完全做到定量地识别孔、喉的数量与体积。传统的孔喉识别方法如常规压汞、高压压汞已经在常规储层中开展过大量的应用也取得了理想的效果，然而针对低孔、低渗的样品特别是致密砂岩样品，这些方法由于自身的局限性，应用效果都不理想[10]。本次研究过程中选取氮气吸附测试与恒速压汞手段对气藏储层中的孔隙空间与喉道特征进行定量分析，从而更加精确地对该地区储层进行评价与研究。具体的测试机理与实验过程参考文献[20-21]。

表1　库车坳陷迪北地区气藏储层致密砂岩

3.1氮气吸附测试

氮气吸附测试法能够详细地分析出样品中孔径的分布情况，特别是能够识别出致密储层中的微孔喉特征[20,22-23]。根据吸附等温线的形状可以定性地评价样品中孔径的分布情况与形态特征(图6)。与国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的分类相比较，迪北储层中的吸附曲线形态类型为Ⅳ类型。等温线的吸附曲线与脱附曲线不一致，可以观察到迟滞回线，在p/p0值较高的区域(大于0.4)可观察到一个平台，以等温线的最终转而向上结束，该类型曲线说明了本区样品中以中孔隙为主(根据IUPAC的分类，中孔的直径介于2～50 nm)，这种孔隙在常规的分析测试中无法获得。同时从滞后回线(脱附曲线)的形态分析[20]，认为本区样品的孔隙形态类型主要有2种：(1)细口径广体状墨水瓶孔隙形态，孔/喉较大，不利于气体的渗流；(2)平板状、扁平状孔隙形态，一般该类型的样品由片状颗粒组成，如黏土或由集簇状微孔组成。这与直观观察到的形态特征相似，反映了迪北地区致密储层中主要以粒间黏土矿物内细小孔为主，其次是狭长扁平状的喉道。根据孔径计算公式(BJH)求得样品中孔径分布范围(图7)，孔喉半径主要分布在1.5～2.5 nm之间，2～50 nm的孔径所含的体积占到总孔隙体积的95%以上，说明了本区储层的储集空间以纳米级微孔喉为主。

3.2恒速压汞

恒速压汞技术在评价储层孔喉时具有明显的优势，特别是针对致密砂岩储层，它能够有效地反映出孔隙和喉道的个数、大小、分布特征等[23-25]。从本区测试的4块样品数据可以看出，迪北储层喉道大小分布在1～4 μm之间(图8a)，孔/喉比峰值分布在40~150之间(图8b)。气藏储层的平均进汞饱和度为36.4%，其中孔隙的平均进汞饱和度为10.4%，喉道的平均进汞饱和度为26%，可以看出气藏储层中喉道贡献了2/3以上的储集空间，喉道不仅仅起到连通孔喉的渗流作用，更是本区致密气藏的主要储集类型。这一认识与常规储层中孔隙作为主要的储集空间有着明显的不同。

图6　库车坳陷迪北地区致密砂岩低温氮气吸附解吸等温线

图7　库车坳陷迪北地区致密砂岩样品孔径分布曲线

4讨论

4.1孔喉形态对储层渗流能力的影响

储层中孔喉形态具有杂乱无规律性，无法准确描述，多数学者开展储层评价时也都未谈及形态对储层质量的影响。然而它又是评价储层的重要内容，因此少数人尝试利用分形几何理论开展复杂孔隙结构的特征研究[26-28]，但是这种方法应用起来复杂、抽象，且应用效果无法评价。通过本次的研究分析，认为可以通过氮气吸附测试过程中的吸附与解析曲线形态特征来判别样品中孔喉的形态(图6)，它是对样品内所有孔喉形态特征的综合反映。其次也可以利用连通的孔隙与喉道各自的半径比值、孔隙(或喉道)的长宽比来简单描述孔喉的形态。图8a中的曲线分布越宽表示样品中存在着越大的喉道。图8b反映了孔喉的形状。孔隙与喉道半径比值越大代表孔喉的形态越不对称，如细口径广体状墨水瓶孔喉形态；比值越小表示孔喉形态越规则，如椭圆形、圆形；比值在100左右表示孔喉为扁平细长条状。渗透率值14.36×10-3μm2的样品孔/喉比主峰位于横坐标40，随着渗透率值的减小，主峰对应的孔/喉比值逐渐增大，可以看到当样品渗透率值为0.29×10-3μm2时主峰位于150，因此孔/喉比的主峰位置与渗透率值关系密切，说明渗透率值受孔喉形态的影响，而不是受孔喉大小的影响。虽然渗透率值与储层喉道的大小具有一定的关联(图8a)，如样品的渗透率值越大，大喉道所占的比率也相应地增加。但真正反映储层渗流能力的是孔喉的比值即孔喉的形态，而喉道对渗流能力的影响仅表现为当喉道半径较小时容易发生气体的滑脱效应，从而造成渗透率值变小[29]。

4.2孔喉形态对致密气生产的影响

评价地层条件下的孔喉形态特征对致密气储层质量的影响尤为重要。因为低渗储层受围压的影响十分敏感[14，30]，在常压下测试的渗透率值不能真实反映地层条件下的储层渗流能力[10]。因此，许多国家在针对致密砂岩储层分类时都以覆压条件下的储层渗透率值来开展评价。数据统计显示，覆压下的渗透率值一般仅为常压下的1/10。迪北地区气层砂岩样品同样也表现出覆压条件下渗透率值较常压急剧变小的特征，然而不同的样品在覆压条件下渗透率值的变化趋势有着较大的差异。从图9可以看出，覆压下(50 MPa)第Ⅱ、Ⅲ样品区的渗透率值几乎全部位于0.1×10-3μm2以下，与常压下的值相比减小了1～2个数量级，而位于第Ⅰ类区的疏松样品渗透率值变化不明显；与之相反的是，第Ⅰ类区的疏松样品孔隙度值在覆压下变化明显，而第Ⅱ、Ⅲ区的样品几乎无明显变化。迪北致密气藏以第Ⅱ类储层为主，次为Ⅲ类储层。

图8　库车坳陷迪北地区致密砂岩不同物性的样品其喉道半径、孔—喉半径比分布特征

图9　库车坳陷迪北地区致密砂岩样品覆压条件下孔、渗关系

通过比对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类样品的孔喉空间形态，认为造成覆压条件下孔隙度和渗透率值差异变化的主要原因是狭长扁平喉道在覆压下的闭合效应，其次是黏土矿物对喉道的堵塞效应。Ⅰ类区样品的常压孔隙度都大于15%，发育的孔隙以大孔径为主(直径多数分布在0.2～0.5 mm)，孔隙长宽比值较小，颗粒与颗粒间为点接触或线接触，个别样品颗粒呈悬浮特征。由于孔隙空间较发育，在覆压条件下颗粒格架发生改变造成孔隙空间的减小，从而使孔隙度降低，但是颗粒之间仍然保存有较充裕的渗流空间，流体在颗粒间的渗透能力减小则十分有限。对Ⅱ类致密砂岩样品来说，覆压条件下储层中孔隙空间的减少主要体现在扁平、狭长状的微孔—喉道发生闭合或压缩成更加狭窄的孔喉。对总孔喉空间来说可能减小的体积不大，但是对孔喉间流体的渗流能力来讲，这种空间的减小直接造成了喉道的闭合以及流体滑脱效应的增大，从而严重影响了流体的渗流能力。因此，储层中孔/喉比值较大的狭长空间对储层质量的影响十分明显。

同时，在致密砂岩中黏土矿物对储层质量的影响也较为敏感，特别是在微细喉道中，黏土矿物的存在能够严重堵塞喉道。对本区这种狭长孔喉类型为主的储层来说，黏土矿物的存在加剧了孔喉的封堵，严重阻碍了流体的渗流。Ⅲ类样品存在大量的泥质杂基，杂基以原生黏土矿物为主，在压实过程中发生假杂基现象使得孔隙空间严重减小，而钻井过程中不当的改造措施可能会加剧喉道的堵塞。由于本区储层的酸敏性较强，后期的酸化压裂过程容易造成储层的污染，从而错失了气层的发现。而目前迪北地区实施的氮气钻进技术能够有效地保护储层，使得后期气层的发现率和钻探成功率都显著提高。

5结论

(1)迪北气藏储层致密，储层中杂基含量较高且黏土矿物发育，主要的储集空间类型为狭长、扁平状的孔喉以及黏土矿物晶间纳米级微孔。

(2)储层中喉道半径主要分布在1～4 μm之间，喉道占据致密砂岩储层中近2/3的储集空间。孔喉的比值即孔喉的形态直接影响了储层的渗流能力。

(3)实验室分析观测到的储层特征与实际地层条件下的储层特征具有较大的差异。以狭长、扁平状的孔喉形态为主的迪北致密砂岩储层在地层条件下，易于发生喉道的闭合与流通空间的压缩，使得流体渗流能力急剧下降，再加上孔喉中黏土矿物的存在，则会形成更严重的封堵效应，阻碍了流体的渗流作用，这些原因造成了迪北气藏早期的勘探与开发效果差，因此需要采取相应的保护与改造措施才能提高本区气层的发现率与天然气的产量。

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(编辑黄娟)

Pore-throat characteristics of tight sandstones and its influence on

reservoirs in Dibei area of the Kuqa Depression

Lin Tong1,2, Ran Qigui2, Wei Hongxing3, Sun Xiongwei3, Wang Rong2

(1.SinochemPetroleumE&PCoLtd,Beijing100031,China; 2.ResearchInstituteofPetroleumExploration

andDevelopment-Langfang,PetroChina,Langfang,Hebei065007,China; 3.ResearchInstituteof

ExplorationandDevelopment,TarimOilfieldCompany,PetroChina,Kuerle,Xinjiang834000,China)

Abstract:The pore-throat characteristics of tight sandstones from Dibei area of the Kuqa Depression were studied using cast thin section, scanning electron microscope, laser scanning confocal microscope and micro/nano CT analyses. A large amount of long, narrow and flat pore-throats were observed. Micro/nano throats and intercrystal pores in clay minerals are the most common in reservoirs. According to nitrogen adsorption, constant velocity mercury injection, and physical property analyses under overburden pressure, the throat radius ranges from 1 to 4 μm, accounting for about 2/3 of the total reservoir space. The fluid flow in tight reservoirs is directly influenced by throat radius and pore/throat ratio. Clay minerals in pore-throats control fluid mobility.

Key words:tight sandstone;laser scanning confocal microscope;throat radius;pore/throat ratio;pore-throat chara-cteristics;Dibeiarea;Kuqa Depression

基金项目：国家重大科技专项“中国大型气田形成条件、富集规律及目标评价(二期)”项目(2011ZX05007)资助。

作者简介：林潼(1980—)，男，工程师，从事储层分析与油气成藏研究。E-mail:lintong1980@163.com。

收稿日期：2014-10-31；

修订日期：2015-09-18。

中图分类号：TE122.2

文献标志码：A

文章编号：1001-6112(2015)06-0696-08doi：10.11781/sysydz201506696