鄂尔多斯盆地富县探区延长组长6—长8段超低渗砂岩储集层孔喉特征

郑忠文，张汉生（.长安大学资源学院，西安70054；2.延长油田股份有限公司，陕西延安70054）



鄂尔多斯盆地富县探区延长组长6—长8段超低渗砂岩储集层孔喉特征

郑忠文1，2，张汉生1
（1.长安大学资源学院，西安710054；2.延长油田股份有限公司，陕西延安710054）

摘要：采用恒速压汞、原油边界层测试及分形几何方法，精细描述鄂尔多斯盆地伊陕斜坡富县探区延长组长6—长8段超低渗砂岩储集层微观孔隙结构及喉道分布，定量表征超低渗储集层微观孔隙结构特征及其对渗流能力的控制作用。研究表明，研究区延长组长6—长8段砂岩储集层孔隙喉道弯曲迂回程度强烈，孔喉大小悬殊，分布形式以单峰正偏态型和双峰偏粗态型为主；储集层为大孔细喉型，喉道半径的大小及其分布是低渗储集层渗流能力的决定性因素；储集层具有良好的分形几何结构，沉积环境和成岩作用差异使得储集层具多重分形特性；超低渗储集层原油吸附层厚度占孔隙体积15%～23%，原油吸附层的形成是储集层渗流能力变差的主要原因。

关键词：鄂尔多斯盆地；伊陕斜坡；延长组；砂岩储集层；分形维数；微观孔隙结构；恒速压汞

富县探区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部（图1），上三叠统延长组长6—长8段超低渗砂岩储集层发育多种孔隙类型，有残余粒间孔、粒间溶孔、长石溶孔、岩屑溶孔、浊沸石溶孔、晶间孔及微裂隙等，储集层面孔率为1.2%～4.9%，以残余粒间孔为主，占孔隙总量的61.61%；平均渗透率小于0.5 mD.储集层孔隙结构复杂，孔喉细小，可动流体饱和度低，启动压力梯度大，难以建立有效压力系统，开发效果差[1-4]。

文献［5］和文献［6］采用普通薄片、铸体薄片、图像分析、电镜扫描以及常规压汞等测试方法，对富县探区延长组长6—长8段超低渗砂岩储集层孔隙结构进行分析，认为其为小孔微喉型储集层；文献［7］和文献［8］认为，超低渗砂岩储集层岩石孔隙结构非均质性强，孔隙喉道类型多样，是储集层渗透性差的主要原因，储集层物性参数及孔喉特征参数的差异均归因于微观孔隙结构的差异。以往对储集层微观孔隙结构特征的研究，对孔隙和喉道分布特征及其对渗流特征的影响涉及均较少，同时忽视了超低渗致密储集层原油吸附层厚度对孔隙结构的影响，将孔隙、喉道对渗透率的控制作用等同对待[9-11]，测试手段也相对陈旧，不能精细分析孔隙与喉道的分布特征。笔者在常规分析测试基础上，引入恒速压汞测试和原油吸附层测试技术，精细描述储集层微观孔隙及喉道分布；采用分形几何数学方法，定量表征超低渗储集层微观孔隙结构特征及其对渗流能力控制作用。

图1　研究区构造位置（据文献［1］）

1　超低渗储集层常规压汞测试

常规压汞结果表明，富县探区延长组长6—长8段超低渗砂岩储集层平均排驱压力为0.6 MPa，平均中值压力0.6 MPa；最大连通孔喉半径2.35 μm，平均孔喉半径为0.63 μm，平均歪度1.09，为近对称粗歪度，平均峰态系数0.77，峰态较宽缓，平均结构系数为10.33，说明孔隙弯曲迂回程度较强烈；平均孔喉分选系数9.44，孔喉大小悬殊，分选性差；平均退汞率为26.12%；孔喉分布分为单峰正偏态细孔喉型、多峰分散型（不均匀型）、单峰负偏态微孔喉型、双峰双重介质孔喉型，以单峰正偏态细孔喉为主。

2　超低渗储集层恒速压汞测试

恒速压汞测试作为新兴的孔隙结构分析手段，在低渗透储集层研究中得到广泛应用。该测试方法能够有效区分孔隙、喉道，并提供其含量分布[12-13]。

从研究区16块岩心恒速压汞测试结果可知，长6—长8段储集层孔隙半径主要为100～200 μm，喉道半径主要为0.2～0.7 μm，喉道偏细，孔隙偏粗（图2）。不同渗透率岩心样品孔隙大小及分布差别不大，而喉道大小及分布差异显著。较大半径的喉道所占比例越高，喉道对储集层渗流能力的贡献就越大。

图2　研究区延长组长6—长8段储集层孔隙半径（a）和喉道半径（b）分布曲线

根据喉道分布测试结果，推导出单根喉道对整个岩心样品渗透率的贡献率：

ΔKi=r2iαi/∑r2iαi.（1）

利用（1）式，可以计算单根喉道对测试样品渗透率的贡献率。从图3可以看出，对渗透率起主要贡献的喉道半径集中在峰值喉道半径，峰值右侧喉道半径含量相对较高，曲线不是很快降低到零，而是较为缓慢地降低，即存在大喉道。较大喉道的出现，增加了超低渗透储集层的渗流能力。

图3　研究区延长组储集层喉道半径与渗透率贡献率的关系

从图4可看出，主流喉道半径为控制主要渗流能力的喉道半径，主流喉道半径越大，渗流能力越大。因此，主流喉道半径及其分布是低渗透油藏渗流能力的决定性因素。分选系数（即标准偏差）是反映喉道大小分选程度的参数，分选越好，分选系数越小，喉道结构越均匀。统计表明，延长组长6—长8段低渗透岩心喉道的分选系数相对较大，平均为0.64，岩心微观非均质性强。渗透率与喉道分选系数呈正相关（图5），说明渗透率主要贡献率由大喉道提供，具有大喉道的储集层渗透性要好。

图4　研究区延长组长6—长8段储集层渗透率与主流喉道半径关系

图5　研究区延长组长6—长8段储集层渗透率与分选系数关系

综上所述，延长组长6—长8段超低渗储集层的渗流能力在微观上主要受喉道控制，与孔隙大小无关；决定渗流能力的因素不仅仅是喉道半径，喉道半径的分布形态也决定了油藏的有效渗流能力；与中高渗透储集层不同，低渗透储集层存在较强的微观非均质性，较大的喉道具有较高的渗流能力。

3　孔隙结构的分形几何描述

根据分形几何理论，推导出储集层岩石的孔径分布、毛细管压力曲线、J函数曲线的分形几何公式[14-16]。超低渗储集层孔隙结构极其复杂，经典的欧几里得几何学难以对储集层岩石不规则的孔隙结构给出恰当的描述，因此应采用分形几何理论对储集层岩石孔隙分形结构进行描述。根据分形几何原理，得到毛细管压力为pc时的储集层中润湿相饱和度的分形几何公式为

S=(pc/pmin)D-3.（2）

引入无量纲毛细管压力J函数的概念[14-16]，该函数的定义式为

J=(pc/σcosθ)(K/ϕ)1/2.（3）

（3）最后得到J函数曲线的分形几何公式

对（2）式和（4）式取对数，分别得到

cminD-3 log J=1log13-D+1log S .（6）

从（5）式和（6）式可知，logpc与logS，logJ与logS呈线性相关，据此求取直线的斜率及截距可计算出孔隙分形维数D、入口毛细管压力pmin、毛细管弯曲度f.分形维数可以是小数，分形维数越大，表征孔隙越弯曲，孔隙结构越复杂。

根据研究区20口井68块储集层岩心样品压汞实验分析资料，通过绘制各测试样品logS与logpc关系曲线，从而求出分形维数。统计数据发现，储集层的logpc与logS线性相关系数为0.980 5～0.999 9，说明储集层具有良好的分形几何结构。从分形维数与渗透率的关系（图6）可以看出，不同渗透率储集层孔隙结构的分形维数变化较小，为2.227～2.953，平均为2.608，说明这些岩石具有相似的孔隙结构特征。

图6　富县探区延长组长6—长8油层组渗透率与分形维数的关系

通过对logS—logpc双对数曲线统计发现，除少量岩心具有单一的分形特征（图7a），大多岩心具有多重分形特征（图7b）。不同的分形特征说明其沉积环境和成岩作用过程不同。当岩心具有单一分形特征的时候，这些储集层多具有单一的孔隙结构，后期溶蚀作用不明显，主要为粒间孔隙类型。储集层孔隙普遍具有多重分形特征，孔隙结构复杂，孔隙类型多样。

4　超低渗储集层原油边界层测试

对于超低渗储集层来说，原油恒速流过储集层孔喉，形成一层油膜，使实际孔喉半径减小[17]。因此，动态研究超低渗储集层原油吸附层厚度及其对孔喉半径的影响，对真实反映孔喉特征、渗流特征至关重要。

根据文献［18］描述的方法，让原油恒速流过岩心样品，随着原油在孔壁上的吸附，孔隙半径减小，增加注入压力，直至吸附达到饱和，压差不再变化为止。根据毛细管束模型和Poseiulle公式[19]，原油吸附层形成前、后流量的表达式分别为

q0=nπr4Δp0/8ηL；（7）

图7　具单一分形特征（a）和具多重分形特征（b）的logpc—logS曲线

图8　原油驱替时注入压力变化曲线

图9　原油驱替时吸附层厚度与孔隙半径的比值δ/r变化曲线

联合（7）式和（8）式，得到原油吸附层厚度δ和毛细管半径的计算公式分别为

实验中将干岩心直接放置在夹持器中，用原油或者模拟原油（原油与煤油的混合物，黏度与未脱气原油相当）以低于3 mL/h的流速注入，由于岩心中空气分子小，黏度低，此过程可以看作是岩心饱和油的过程，完全饱和后确定Δp0，继续进行72 h以上的原油或者模拟原油注入，从压力变化转换成吸附层厚度变化，岩心的注入压力在一定时间后都达到一个近似稳定的平台（表1，图8）。

表1　超低渗油层原油吸附层数据

同理，对应的原油吸附层厚度与孔隙半径的比值（δ/r）的变化曲线，都达到了一个平台（图9），也就是说，原油在岩石孔壁上吸附形成的边界层，当其厚度达到一定程度后，将不再增长，此时，吸附层厚度与流体中原油的含量以及驱替时间没有关系。

从实验结果可知，原油的吸附层厚度与孔隙半径的比值达到0.295～0.461时，原油吸附层厚度为0.110～ 0.345 μm，平均为0.194 μm.

5　结论

（1）鄂尔多斯盆地富县探区延长组长6—长8段致密砂岩储集层发育多种储集空间类型，以残余粒间孔为主，渗透率主要受控于喉道的大小及数量，孔隙弯曲迂回程度较强，孔喉大小悬殊，以单峰正偏态为主。

（2）长6—长8段致密砂岩储集层应为大孔隙细喉道型储集层，而非前人认为的细孔微喉道型储集层，喉道半径的大小及其分布是低渗透油藏渗流能力的决定性因素，存在较强的微观非均质，其渗流能力主要由较大半径的喉道所提供。

（3）储集层具有良好的分形几何结构，平均分形维数为2.608，沉积环境和成岩作用差异使得储集层具有不同的分形维数，大孔喉的分形维数大于小孔喉的分形维数。

（4）长6—长8段特低渗储集层孔喉中原油吸附层厚度为0.110～0.345 μm，原油吸附层占孔隙体积15%～23%，是储集层渗流能力变差的主要原因。

符号注释

D——分形维数；

f——毛细管弯曲度；

K——岩石的渗透率，mD；

n——毛细管数目；

pc——储集层的毛细管压力，MPa；

pmin——储集层孔隙最大孔径rmax相应的毛细管压力，即入口毛细管压力，MPa；

Δp——吸附层形成后岩心两端注入压力差，MPa；

Δp0——吸附层形成前岩心两端注入压力差，MPa；

q0——原油吸附层形成前流量，mL/min；

q——原油吸附层形成后流量，mL/min；

r——毛细管平均半径，μm；

ri——岩心某一喉道的半径，μm；

S——毛细管压力pc时储集层中润湿相饱和度，%；

αi——某一喉道半径归一化的分布频率，%；

θ——岩石的润湿接触角度；

ϕ——岩石的孔隙度，%；

σ——油水的界面张力，N/m；

η——原油黏度，mPa·s；

δ——原油吸附层厚度，μm.

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（编辑顾新元）

Pore and Throat Characteristics of Chang6-Chang8 Ultra⁃Low Permeability Sandstone Reservoirs of Yanchang Formation in Fuxian Exploration Area, Ordos Basin

ZHENG Zhongwen1,2, ZHANG Hansheng1
(1.School of Resources, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710054, China; 2.Yanchang Oilfield Limited Liability Company, Yan’an, Shaanxi 716001, China)

Abstract：The micro⁃pore structures and throat distribution of Chang6-Chang8 reservoirs of Yanchang formation in Fuxian exploration areaof Yishan slope in Ordos basin are described in detail by means of constant speed mercury injection test, crude oil boundary layer test andfractal geometry method, and the control effect of micro⁃pore structure features on the percolation capacity is quantitatively characterized.Result shows that the sandstone reservoirs of Chang6-Chang8 members in this area are characterized by big pores and fine throats withstrongly curved pore throat and size disparity, and dominated by distribution patterns of single⁃peak positive skewness and double⁃peak coarseskewness, for which the size and distribution of the throat radius could be decisive factor controlling the low⁃permeability reservoir’s fluidflow capacity. Also, they have good fractal geometry structures, and the sedimentary environment and diagenetic differences allow the reser⁃voirs to be of multi⁃fractal properties, while crude oil adsorption layer thickness in the extra⁃low permeability reservoirs accounts for 15%～23% of pore volume, and it is the formation of crude oil adsorption layer that could make the reservoir percolation capacity become poor.

Keywords：Ordos basin; Yishan slope; Yanchang formation; sandstone reservoir; fractal dimension; micro⁃pore structure; constant speed mercury injection

作者简介：郑忠文（1963-），男，陕西三原人，高级工程师，博士研究生，石油地质，（Tel）13572028523（E-mail）642622216@qq.com.

基金项目：国家973项目（2003CB214601）;博士后基金（20070420489）

收稿日期：2015-08-25

修订日期：2015-10-07

文章编号：1001-3873（2016）01-0013-05

DOI：10.7657/XJPG20160103

中图分类号：TE112.23

文献标识码：A