压汞—恒速压汞在致密储层微观孔喉结构定量表征中的应用——以鄂尔多斯盆地华池—合水地区长7储层为例

喻　建，马　捷，路俊刚，曹　琰，冯胜斌，李卫成

(1．中国石油 长庆油田分公司，西安　710018； 2．西南石油大学 地球科学与技术学院，成都　610500)



压汞—恒速压汞在致密储层微观孔喉结构定量表征中的应用
——以鄂尔多斯盆地华池—合水地区长7储层为例

喻建1，马捷2，路俊刚2，曹琰2，冯胜斌1，李卫成1

(1．中国石油 长庆油田分公司，西安710018； 2．西南石油大学 地球科学与技术学院，成都610500)

摘要：鄂尔多斯盆地华池—合水地区是典型的致密油气富集区，储层物性差，微观孔喉结构特征复杂，孔喉结构对油气的富集和后期开采有较大影响。利用压汞—恒速压汞法探讨华池—合水地区延长组长7致密砂岩储层纳米孔喉定量表征及孔喉体系中流体渗流特征。研究表明：研究区储层排替压力较高，平均喉道半径较小，孔喉体积比及孔喉比较大，渗流能力差；不同物性岩样的孔隙半径分布范围一致，喉道分布差异明显，进汞饱和度随孔隙个数的增多而增大；SHg—ΔSHg/ΔPc曲线能较好地反映进汞速率及孔喉结构，致密储层中纳米级孔喉发育，且对储层储集及渗流能力有较大的贡献；流体在注入过程中，首先进入孔隙主控区，紧接着进入孔喉共控区，最后进入喉道主控区；恒速压汞在研究致密储层孔喉结构时不能反映纳米孔喉特征，评价物性较好的储层效果较好。

关键词：致密储层；微观孔喉结构；定量表征；压汞；恒速压汞；鄂尔多斯盆地

Application of mercury injection and rate-controlled mercury penetration in

随着油气勘探的进步及油气资源的接替，致密油气在油气资源勘探中具有越来越重要的地位[1-4]，而储层的微观孔喉结构直接影响油气富集情况、后期开发难易程度及开发效果，因此，研究储层微观孔喉结构定量表征方法具有非常重要的意义。国内外学者做了大量研究，对储层微观孔喉结构的研究也越来越重视定量化技术的应用，目前主要包括间接测量的气体吸附法、压汞及恒速压汞法和直接观测的场发射扫描电镜法、CT扫描法等[5-11]。根据目前研究，场发射扫描电镜及CT扫描能直观地认识纳—微米级孔喉的形状、大小并构建孔喉三维立体结构[5-7]，却不能反映流体在孔喉中的渗流特征；恒速压汞不仅可测定孔隙和喉道的数量、半径等信息，还能反映储层流体渗流过程中的动态特征[8-10]。然而由于实验压力(最高进汞压力通常为900 psi)的限制，只能反映大于0.12 μm(微米、亚微米级)的喉道及其控制的孔喉体系特征[11]，不能表现纳米级孔喉的特征。因此，有必要对微观孔喉结构的定量表征做出更深入的研究。

此次研究主要在前人对压汞、恒速压汞技术应用的基础上，结合压汞压力较大、能反映纳米级孔喉体系特征的特点，着重探讨了压汞在纳米级孔喉体系定量表征中的应用，及其在致密储层评价中的优缺点。并以鄂尔多斯盆地华池—合水地区延长组长7致密储层为例，对纳米级孔喉体系进行了详细的定量表征，旨在为研究区致密油藏微观运聚机理研究及后期开发提供可靠的地质基础。

1研究区储层基本特征

鄂尔多斯盆地是我国东部中—新生代典型陆相沉积盆地之一。华池—合水地区位于盆地次级构造单元伊陕斜坡的西南部，该区上三叠统延长组地层为典型的河流—三角洲—湖泊相发育区。在底部主要沉积一套厚度大且稳定、富含有机质的黑色泥岩。由于河流注入，在其上部层段发育浊积砂体[12]。

研究区延长组长7储层以细粒长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主。储层致密，物性差，孔隙度主要分布在3%~12%之间，平均孔隙度为8.9%；渗透率主要分布在小于0.3×10-3μm2范围内，平均为0.15×10-3μm2。孔隙类型主要为粒间孔、溶孔等(图1a，b)，喉道类型以片状、管状喉道为主(图1c，d)。

图1　鄂尔多斯盆地华池—合水地区

低渗透储层内孔喉按大小主要可分为微米级、纳米级孔喉[13]。研究区长7油层为典型的致密储层，排替压力一般大于1 MPa，即喉道半径以小于1 μm为主，按此前的分类标准几乎均为纳米级孔喉。此外恒速压汞可以反映的是大于0.12 μm的孔喉体系特征。因此本文结合鄂尔多斯盆地地质实际，参考国内专家的划分标准，将研究区长7致密油储层孔喉分为微米级(>1 μm)、亚微米级(0.1~1 μm)和纳米级(<0.1 μm)3类。

2微观孔喉结构定量表征

流体在复杂的孔隙系统中流动时，要经历一系列连通的孔隙和喉道。无论是油气向孔隙介质的二次运移(驱替沉积期所充满的水)，还是在开采过程中油气从孔隙介质中被驱替出来，都要受到流动通道中最小截面(喉道)的控制[14]。因此，喉道的大小、分布及其几何形态，是影响储层渗流能力的重要因素。

通过对研究区长7砂岩储层27块砂岩样品进汞曲线(图2)的研究发现，喉道细小，排替压力较高，主要集中在1~5 MPa；曲线的平缓段较长，各样品在曲线过渡段的斜度并无明显区别，孔喉分选均匀；微细喉道发育，中值压力较大，并且部分样品无中值压力；最大进汞饱和度存在较大差异，主要集中在40%~80%，多数大于60%，储层的非均质性较强。

2.1孔喉大小及分布

图2　鄂尔多斯盆地华池—合水地区

由于进汞过程中主要反映喉道半径，因此通过不同半径对其饱和度进行加权[14-15]：

式中：ri为某一区间孔喉半径中值，μm；SHgi为某一孔喉半径区间进汞饱和度，%。

计算得到研究区平均喉道半径为0.068 2~0.433 5 μm，主要大于0.1 μm，平均为0.191 7 μm，喉道偏细，以微细喉道为主(表1)。另外，从表1中可以看出，孔隙度、渗透率随平均喉道半径的增大而明显增大。因此喉道半径直接控制储层物性的好坏，也决定了油气在储层中储集及渗流的能力。

表1　鄂尔多斯盆地华池—合水地区

对研究区长7储层5块不同孔隙度、渗透率岩样进行恒速压汞实验分析表明：不同物性的样品，其孔隙半径分布基本一致，主要集中在100~250 μm，而不同半径的孔隙个数存在明显差异(图3a)，孔隙半径分布频率却无差异(图3b)；不同物性的低渗透样品喉道半径分布存在较大差异，如阳测1井渗透率0.38×10-3μm2，喉道主要分布在0.2~0.8 μm范围内，而渗透率小于0.1×10-3μm2的样品(宁52、阳测2、庄143井)的喉道主要分布于0.1~0.5 μm范围，主峰位于0.3 μm左右(图3c)，同样不同物性的样品的喉道半径分布频率也存在明显差异(图3d)。此外从分析中还发现板19、宁52、阳测1、阳测2、庄143井的进汞饱和度分别为45.13%，46.7%，59.89%，51.84%，35.96%，进汞饱和度随孔隙个数的减少而降低。这充分说明，孔隙度的高低主要受孔隙个数的影响，与孔隙大小分布频率关系不明显；渗透率的好坏主要受喉道大小及分布频率的影响，渗透率越大，粗喉道贡献率越大(图3e)。

图3　鄂尔多斯盆地华池—合水地区

对比前文，由压汞得到的平均喉道半径为0.191 7 μm，恒速压汞的喉道分布主峰位于0.3 μm左右，明显大于储层真实的平均喉道半径。主要由于恒速压汞压力较小，所测得的孔喉有效半径大于0.12 μm，不能反映纳米级的孔喉结构特征及分布，而对于致密油储层来说，纳米级孔喉对油气的富集具有较大的贡献。因此仅用恒速压汞进行储层微观特征研究存在不妥。

2.2孔喉体积比及孔喉比

在压汞和退汞曲线中，进汞曲线为岩石喉道体积与岩石孔隙体积之和，退汞曲线仅反映岩石喉道的体积，而残余汞饱和度则反映岩石孔隙的大小，残余汞主要存在于岩石孔隙中(图4)。因此通过以下算式可以算出岩样孔喉体积比[16]：

式中：bt为平均孔喉体积比；SR为残余汞饱和度，%；Smax为最大进汞饱和度，%。

孔喉体积比越小，说明喉道较发育，渗透率越高，越有利于油气的运移，孔隙中的油气也越容易通过喉道被驱替出来；反之，孔喉体积比越大，渗透率低，不利于油气的运移富集及后期开采。研究区长7储层孔喉体积比一般分布在2~5范围内，平均为4.339(表2)。表明喉道空间较少，仅为总孔隙的18.7%，喉道相对较细，油气难以流动。

图4　鄂尔多斯盆地华池—合水地区

井号层位孔隙度/%渗透率/(10-3μm2)孔喉体积比板7长7213.60.2731.91城75长7211.90.1322.43里9长711.80.1233.97里94长7110.30.0733.16里96长729.30.0754.23木40长711.50.1343.69宁97长710.30.1113.89宁79长718.00.0512.27宁30长717.90.2056.89西79长7111.60.1197.29西68长7210.90.19210.6庄15长7110.00.0773.28庄89长719.20.0792.61庄97长7113.30.3084.52

孔喉比是孔隙与喉道半径或直径比，通常用其衡量孔隙开度的非均匀程度[17]，能较好反映孔隙、喉道的形态。孔喉比越大，反映孔隙较粗而喉道相对细小，渗透率低，渗流能力差，油气在其孔喉中不易流动；反之，渗流能力较好。如研究区5口井的孔喉比分布结果(图5)，孔喉比分布范围均较宽，阳测1井渗透率为0.38×10-3μm2，孔喉比主要分布于400~600范围；板19井渗透率为0.175×10-3μm2，孔喉比主峰为350~800；宁52井渗透率为0.09×10-3μm2，孔喉比主要分布于500~900范围；阳测2井渗透率为0.014×10-3μm2，孔喉比主峰为450~1 050。表明不同渗透性样品的孔喉比分布差异明显，渗透性越弱，孔喉比主峰越大。

图5　鄂尔多斯盆地华池—合水地区长7岩样恒速压汞孔喉比频率及累计频率分布

2.3纳米级喉道控制体积及微细喉道

由于实验条件原因，恒速压汞的压力较低，不能测得小于0.12 μm的孔喉体系的结构参数，而压汞在约50 MPa条件下就可以使流体进入喉道小至15 nm的喉道体系中。因此本文在此对压汞曲线进行深入研究，探讨其在纳米级微观孔喉结构定量表征中的应用。

在压汞过程中，汞的进入过程是先进入粗喉道控制的孔隙空间，然后再进入细喉道控制的孔隙空间，因而可以知道各喉道半径区间对应的孔隙体积，由：

可以得到r=0.1 μm对应的毛管压力，同样可以在压汞曲线上得到大于0.1 μm所对应的饱和度，因此可以得到大于0.1 μm孔喉体系体积，也就能求得纳米级(<100 nm)孔喉体系体积(图4)，从而得到纳米级孔喉体系占总孔隙空间的比例。研究区长7纳米级孔喉体系的比例分布于35.43%~87.77%，平均为60.65%(表3)。此外从表3中可看出，渗透率越大的岩样，其纳米孔喉体系的孔隙体积所占比例越小，即物性越好的储层，其大于0.12 μm的孔喉体系比例就越大，因此恒速压汞表征物性较好的储层孔喉特征比致密储层的效果更好。

在双对数压汞曲线中，双曲线顶点就是在压汞曲线上汞在岩石中开始形成一个连续且内部连通良好的孔隙系统时的位置，此时，注压使汞充填控制流动的内部有效连通的整个主孔隙系统内的孔隙，对应汞饱和度代表液体流动的有效空间部分。顶点处的孔喉半径r顶点代表了内部连通成有效孔隙系统的孔喉半径[18]。ΔSHg/ΔPc表示单位变化压力下进汞量的多少，即进汞曲线斜率的倒数，反映瞬时对应的孔喉体系进汞的难易程度，也就是说主要表现孔喉结构特征。

表3　鄂尔多斯盆地华池—合水地区

从镇97井压汞资料可以看出，双对数压汞曲线(图6a)中的r顶点与进汞曲线(图6b)中的B点对应，此时对应的喉道为渗透率贡献值最大段喉道半径。进汞曲线(图6b)的AB段比较平缓，同样ΔSHg/ΔPc值迅速增大，在B点达到最大，反映此阶段汞比较容易进入，孔喉较粗，连通性较好，该段为

图6　鄂尔多斯盆地华池—合水地区镇97井2 247.32 m砂岩压汞曲线及SHg-ΔSHg/ΔPc关系

有效控制流体流通的主要空间；在BC段ΔSHg/ΔPc值快速递减，进汞速率减小，对应的喉道半径变小，渗透率贡献值也在递减，因此该段被称为过渡段；在C点之后，ΔSHg/ΔPc值已经变得很小，对应喉道半径的渗透率很低，称为微细喉道段；D点之后为纳米级孔喉体系，对应进汞压力的进汞速率基本上接近0，对渗透率贡献值较低，不利于流体流动。总之，AC段是流体储集及流动的主要空间。

研究中还发现微细孔喉体系随渗透率的减小而向喉道半径较小的方向移动，当渗透率低到一定时，微细孔喉体系的半径小至100 nm以下(即图6中的C、D点发生位置交换)；另外，镇97井纳米级孔喉体系的比例为35.43%。因此纳米级喉道对储层的储集及渗流能力具有较大贡献。

2.4流体体积与孔隙、喉道关系

在恒速压汞的进汞过程中，界面张力与接触角保持不变；汞液前缘经历的每个孔隙形状的变化，都会引起弯液面形状的改变，从而引起毛细管压力的改变；汞侵入岩石孔隙的过程受喉道控制，依次由一个喉道进入下一个喉道。在这样的准静态过程中(汞的饱和度在一个瞬时可以认为不变)，当汞突破喉道的限制进入孔隙体的瞬时，汞在孔隙空间内以极快的速度发生重新分布，从而产生一个压力降落，之后压力回升至把整个孔隙填满，然后进入下一个喉道[10-11 ]。因此，恒速压汞能准确地反映流体在孔喉体系中的渗流情况。

经恒速压汞分析表明，流体在注入过程中，先进入孔隙主控区(总进汞量曲线与孔隙进汞量曲线重合)，紧接着进入孔喉主控区(总进汞量曲线与喉道进汞曲线及孔隙进汞曲线分离)，最后进入喉道主控区(总进汞量曲线与喉道进汞量曲线重合，此时喉道的总进汞量曲线几乎为水平直线)。在整个过程中，可以发现喉道的充注量变化不明显，而孔隙的充注量发生明显变化，流体进入过程中随半径的逐渐变细，进入量也由孔隙决定逐渐转向由喉道决定(图7)。在整个过程中，孔隙主控区是控制流体储集及渗流的主要孔隙空间，孔喉共控区反映孔隙与喉道的配置关系。

同理，油气在充注储层孔喉时，首先进入相对较粗的喉道，以及和粗喉道相连的大孔隙中；然后进入喉道细小、孔隙较细的孔喉系统中；最后进入微细喉道、孔隙基本被束缚水控制的孔喉系统中，此时只有喉道中能充注油气。

阳测1井、板19井渗透率大于0.1×10-3μm2，孔隙主控区位于喉道半径大于0.3 μm范围内；宁52井、阳测2井渗透率小于0.1×10-3μm2，孔隙主控区位于喉道半径小于0.3 μm范围内(图7)。表明渗透率越高，孔隙主控区喉道半径越大。

3结论

鄂尔多斯盆地华池—合水地区长7储层排替压力较高，平均喉道半径较小，平均为0.191 7 μm；纳米级孔喉体系发育，所占空间比例分布于35.43%~87.77%，平均为60.65%；孔喉体积比较大，喉道细小且所占空间较少，仅为总孔隙的18.7%，渗流能力差；孔喉比较大，分布较宽，渗透率随孔喉比增大而减小。

图7　鄂尔多斯盆地华池—合水地区长7岩样喉道半径—进汞量关系

不同物性岩样的孔隙半径分布范围一致且较宽，喉道分布差异明显，进汞饱和度随孔隙个数的增多而增大；SHg-ΔSHg/ΔPc曲线能较好地反映进汞速率及孔喉结构，致密储层中纳米级孔喉发育，且对储层储集及渗流能力仍有较大的贡献；流体在注入过程中，首先进入孔隙主控区，紧接着进入孔喉共控区，最后进入喉道主控区。另外，恒速压汞由于压力较小，不能反映纳米孔喉特征，导致在研究致密储层孔喉特征时比实际偏大，用于评价物性较好的储层时效果较好。

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(编辑韩彧)

quantitative characterization of microscopic pore structure of tight reservoirs:

A case study of the Chang7 reservoir in Huachi-Heshui area, the Ordos Basin

Yu Jian1, Ma Jie2, Lu Jungang2, Cao Yan2, Feng Shengbin1, Li Weicheng1

(1.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi710018,China;

2.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

Abstract:Huachi-Heshui area in the Ordos Basin is a typical enrichment region for tight reservoirs. It has poor physical properties and complicated characteristics of microscopic pore throat structure, which has a great effect on oil and gas accumulation and exploitation.Mercury injection and rate-controlled mercury penetration were used to quantitatively characterize nanometer pore throats and to study fluid mobility characteristics in tight sandstone reservoirs in the seventh member of the Yanchang Formation (Chang7). The reservoir in the study area has high displacement pressure, low average throat radius, large pore/throat volume ratio, big pore throat and poor permeability. The distribution range of pore radius of rock samples with different properties is consistent, while the distribution of throat geometry among them is obviously different. Mercury injection saturation increases with the increase of pore numbers. The curve of SHg-ΔSHg/ΔPccan preferably reflect mercury injection velocity and pore throat structure. Nanometer throat pore sare well developed in tight reservoirs, which make a great contribution to reservoir capacity and permeability. In the course of injection, fluid first enters the main controlling area of the pore, then the common control area of pore and throat, and finally the main control area of the throat.Rate-controlled mercury penetration is useful for the reservoirs with good physical properties, but it can not reflect the characteristics of nanometer pore throats in studying the pore throat structure of tight reservoirs.

Key words:tight reservoir; microscopic pore throat structure; quantitative characterization; mercury injection; rate-controlled mercury penetration; Ordos Basin

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“中国陆相致密油(页岩油)形成机理与富集规律基础研究”(2014CB239005)和国家自然科学基金(41502146，41572137)联合资助。

通信作者：路俊刚(1980—)，男，博士，讲师，从事油气地质与地球化学研究及教学。E-mail:lujungang21@aliyun.com。

作者简介：喻建(1965—)，男，博士，高级工程师，从事盆地油气地质综合研究。E-mail:534203161@qq.com。

收稿日期：2014-08-27；

修订日期：2015-09-10。

中图分类号：TE122.2

文献标志码：A

文章编号：1001-6112(2015)06-0789-07doi：10.11781/sysydz201506789