致密砂岩储层黏土矿物晶间孔隙特征及其对物性影响的研究——以鄂尔多斯盆地延长组长 6 油层组为例

汪贺 师永民, 张志强 孙彤 史世元 关平 徐大卫

致密砂岩储层黏土矿物晶间孔隙特征及其对物性影响的研究——以鄂尔多斯盆地延长组长 6 油层组为例

汪贺1,2师永民1,2,†张志强1,2孙彤1,2史世元1,2关平1,2徐大卫3

1.北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.北京大学石油与天然气研究中心, 北京 100871;3.School of Petroleum Engineering, University of Science and Technology of Missouri, Rolla MO 65401; †通信作者, E-mail: sym@pku.edu.cn

针对致密砂岩储层黏土矿物晶间孔隙定量表征不足的问题, 以扫描电子显微镜图像和 EDS 能谱分析资料为基础, 研究鄂尔多斯盆地延长组长 6 油层组黏土矿物及晶间孔隙的发育特征, 将晶间孔参数定量化, 对不同类型黏土矿物晶间孔进行定性与定量结合表征。在此基础上, 根据矿物含量计算不同类型黏土矿物对储层孔隙度的贡献, 探究其对致密砂岩储层物性参数的影响机制。结果表明, 不同黏土矿物的发育特征及晶间孔特征有较大的差异; 黏土矿物的孔喉和面孔率大小趋势为伊蒙混层>绿泥石>伊利石, 类圆状孔隙和孔隙缩小型喉道发育较广泛; 黏土矿物发育特征和孔隙结构是储层物性及剩余油分布的主要影响因素。

致密砂岩储层; 黏土矿物; 晶间孔隙; 定量表征; 储层物性; 鄂尔多斯盆地; 延长组

随着勘探技术的发展, 致密砂岩油气逐渐成为全球开发的重点对象。致密砂岩储层常发育微‒纳米尺度的复杂孔喉系统, 其孔隙结构是影响储层物性和油气储集能力的重要因素[1]。致密砂岩储层的物性和孔隙结构受岩石组分、成岩作用、保存条件和黏土矿物特征等多种因素的影响[2]。黏土矿物在致密砂岩储层中广泛发育, 研究其含量、类型和分布等特征, 对研究致密砂岩储层的孔隙结构以及油气开发意义重大[3‒7]。在我国含油气盆地中, 江汉盆地和柴达木盆地第三系地层中大量发育伊利石和绿泥石, 鄂尔多斯盆地石炭‒二叠系含煤地层中高岭石分布较普遍, 渤海湾盆地广泛发育蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石及伊蒙混层矿物[8‒10]。

不同类型黏土矿物的性质、产状及晶间孔的大小等特征差异明显, 对致密砂岩储层的孔隙结构有着不同程度的影响[11‒15]。有关黏土矿物的孔隙特征及其对储层物性的影响, 已有不少研究。Loucks等[12]、吉利明等[13]和高凤琳等[14]通过场发射扫描电子显微镜和原子力显微镜等手段, 对黏土矿物的发育特征及晶间孔大小做定性观察, 并进行简单的定量描述。另有学者结合氮气吸附实验和压汞实验, 研究页岩和纯黏土矿物样品的孔隙结构特征(晶间孔隙的大小、形态和分布等)[16‒19], 但未针对致密砂岩储层黏土矿物及孔隙特征进行系统的分析。有关黏土矿物对储层物性的影响, 朱平等[20]利用光学薄片和扫描电子显微镜资料等定性手段进行观察研究; 另有学者利用X射线衍射方法测定不同类型黏土矿物的含量, 并与储层孔隙度和渗透率进行回归分析, 研究黏土矿物类型及含量对储层物性的影响趋势[21‒24]。

综上所述, 前人针对致密砂岩储层黏土矿物晶间孔的研究主要是对晶间孔发育特征的定性描述, 缺乏定量参数的表征。本文以鄂尔多斯盆地延长组长 6 油层组为研究对象, 在高倍扫描电子显微镜图像观察和 EDS 能谱分析的基础上, 提取黏土矿物晶间孔隙的孔喉直径、类型和面孔率等参数进行定量统计, 并根据矿物含量计算不同黏土矿物的孔隙度贡献率, 分析黏土矿物含量和孔隙结构对致密砂岩储层物性的影响。

1 储层岩石学特征

样品来自鄂尔多斯盆地华庆油田延长组长 6 储层。研究区长 6 储层物性较差, 孔隙度分布范围为4.95%~15.38%, 渗透率分布范围为 0.007~0.051mD,非均质性较强, 属于低孔‒特低孔致密砂岩。铸体薄片观察显示, 致密砂岩储层孔喉群落定向发育, 非均质性较强, 图 1(a)中可见浅色砂岩层与暗色黏土层互层现象。孔隙以矿物粒间残余孔隙、黏土矿物晶间孔隙及颗粒内部溶蚀孔隙为主(图 1(b)箭头所示), 喉道以缩颈型喉道和弯片状喉道为主, 发育较多微裂缝, 对储层渗透率具有一定改善作用。主要骨架矿物为石英和长石, 岩屑和云母含量丰富, 黏土矿物广泛存在, 可见颗粒表面被黏土矿物包裹(图 1(c)和(d)中箭头所示)。

X 射线衍射分析结果表明, 研究区致密砂岩储层中黏土矿物主要有伊利石、绿泥石和伊蒙混层, 多为长石等骨架颗粒的蚀变交代产物, 原生及自生黏土矿物含量不高。黏土矿物的平均含量为 18.6%, 伊蒙混层黏土矿物的含量最高(平均 49.1%), 绿泥石和伊利石次之(二者的平均含量分别为 39.3%和11.6%)。

2 黏土矿物晶间孔发育特征

在扫描电子显微镜下, 伊利石单体常呈丝缕状和羽毛状贴附于颗粒表面, 集合体常呈搭桥式, 晶间孔隙形态多样, 平行的伊利石晶体间常形成 0.5~ 2.5μm 的缝状孔隙, 其余呈三角形或不规则形态的晶间孔隙, 孔径在 0.5~4.0μm 之间(图 2(a))。绿泥石多呈针叶状, 以薄膜的方式包裹于颗粒表面, 或呈玫瑰花状充填在孔隙中, 晶体间常发育 2.5~5.0μm的三角形孔隙, 经压实平行排列的板片状绿泥石会形成宽 20nm 至 1μm 的缝状孔隙(图 2(b))。伊蒙混层黏土矿物常呈蜂巢状、网状和棉絮状充填于孔隙中间, 晶间孔发育, 常见孔径为 5~20μm 的不规则大孔(图 2(c))。

3 晶间孔径特征

筛选研究区样品中各类型黏土矿物的高倍显微镜图像, 利用图像孔喉识别系统进行图像的二值化处理, 根据形态特征识别不同类型的孔隙和喉道, 对其进行定量的参数统计, 并根据矿物含量计算不同类型黏土矿物对储层孔隙度和渗透率的贡献。

3.1 孔喉直径

对样品中不同类型黏土矿物高倍显微镜下的平均孔隙直径和平均喉道直径进行分析(图 3), 结果如下。

图1 样品铸体薄片与扫描电子显微镜照片

(a)伊利石; (b)绿泥石; (c)伊蒙混层

1)平均孔隙直径。不同类型黏土矿物的孔隙直径主要由其晶体结构和分布方式决定, 总体而言, 伊蒙混层>绿泥石>伊利石。其中, 绿泥石在 88.6~ 901.2nm 之间, 平均 396.6nm; 伊利石在 92.9~218.4nm 之间, 平均 192.9nm; 伊蒙混层在 285.2~713.5nm 之间, 平均 543.8nm。

2)平均喉道直径。总体而言, 伊蒙混层>绿泥石>伊利石。其中, 绿泥石在 63.1~455.6nm 之间, 平均 192.6nm; 伊利石在 67.1~174.4nm 之间, 平均112.5nm; 伊蒙混层在 138.3~556.1nm 之间, 平均305.6nm。

以样品 1 为例, 分析黏土矿物的孔隙和喉道直径分布特征, 结果如图 4 所示。该样品的黏土矿物孔隙直径介于 17.6~6752.8nm 之间, 主体位于 500~ 1000nm 之间; 黏土矿物喉道直径介于 16.6~3209.4nm之间, 主体位于 50~500nm 之间。

图3 不同类型黏土矿物的孔喉直径分布

3.2 孔喉形状类型

黏土矿物孔隙和喉道的形状主要由其晶体结构和分布方式决定。以样品 1 为例, 依据从不同黏土矿物中得到的孔隙形状因子和喉道截面半径, 对孔隙和喉道的形状进行分析, 结果如表 1 所示。

该样品中黏土矿物孔隙可分为圆状、椭圆状和条带状 3 类。绿泥石、伊利石和伊蒙混层 3 种黏土矿物均主要为圆状孔隙, 占比分别为 63%, 78%和68%。与伊利石和伊蒙混层矿物相比, 绿泥石中椭圆状和条带状孔隙相对更多, 可能与压实作用后绿泥石的紧密平行排列有关。

表1 不同类型黏土矿物的孔喉形状类型占比

该样品中黏土矿物喉道可以分为颈缩状、缩小状和弯片状 3 类。绿泥石、伊利石和伊蒙混层 3 种黏土矿物均主要为缩小状喉道, 占比分别为 81%, 93%和 70%。

3.3 黏土矿物面孔率

提取各样品中不同类型黏土矿物的扫描电子显微镜图像, 对黏土矿物所在区域进行面孔率分析, 结果如图 5 所示。可以看出, 不同样品之间黏土矿物面孔率差别较大, 主要分布在 6.5%~18.4%之间, 平均值为 14.8%; 同一样品中不同黏土矿物面孔率差异较大, 整体趋势为伊蒙混层>绿泥石>伊利石。其中, 绿泥石的面孔率介于 4.7%~23.1%之间, 平均值为 12.6%; 伊利石的面孔率介于 0.5%~22.1%之间, 平均值为 11.1%; 伊蒙混层黏土矿物的面孔率介于 10.8%~34.5%之间, 平均值为 20.6%。

3.4 孔隙度贡献率

根据各种黏土矿物的晶间孔隙面孔率和黏土矿物含量, 计算黏土矿物晶间孔的孔隙度, 结果如图6 所示。可以看出, 不同黏土矿物孔隙度不同, 伊蒙混层>绿泥石>伊利石。

对比样品的总孔隙度, 计算得到黏土矿物孔隙度贡献率。结果表明, 各样品中黏土矿物对总孔隙度的贡献不同, 分布范围为 11%~66%, 平均值为40.0%, 说明广泛发育的黏土矿物晶间孔是影响致密砂岩储层物性的重要因素。不同黏土矿物对总孔隙度的贡献率不同, 绿泥石、伊利石和伊蒙混层黏土矿物的平均贡献率分别为 16.9%, 3.1%和 19.9%, 总体趋势为伊蒙混层>绿泥石>伊利石。

4 黏土矿物对储层物性的影响

4.1 黏土矿物含量及类型与储层物性的关系

图 7 展示黏土矿物含量及类型与储层孔隙度和渗透率的关系, 从中可以看出以下特征。

1)黏土矿物含量与储层物性在一定程度上负相关, 总体来讲, 随着黏土矿物含量的增加, 储层孔隙度和渗透率呈现下降趋势。

2)随着绿泥石含量增加, 储层的孔隙度和渗透率不断降低。研究区绿泥石在黏土矿物中占比最大, 对储层物性的影响相对较大。绿泥石主要呈薄膜式包于颗粒表面, 呈玫瑰花状充填在孔隙中, 或经压实后紧密地平行排列于孔隙中, 从而减小孔隙的有效半径, 导致孔隙喉道堵塞。

3)伊利石的存在对孔隙度和渗透率都有一定程度的影响。孔隙度与伊利石含量呈现微弱的负相关关系, 伊利石含量对渗透率的影响相对较大, 主要与伊利石的赋存状态有关。尤其是长石溶蚀过程中产生大量毛发状和丝状自生伊利石, 通常呈搭桥式分布于粒间孔隙中, 切割原始粒间孔隙, 严重地降低储层渗透率, 压实作用下容易堵塞孔隙和喉道, 降低储层物性[15]。

4)伊蒙混层矿物对孔隙度和渗透率的影响均较明显, 随着伊蒙混层矿物含量增加, 储层孔隙度和渗透率下降, 呈现一定程度的负相关关系。伊蒙混层矿物是蒙脱石向伊利石转化的过渡产物, 常呈蜂窝状和网状分布于孔隙中, 有较强的水敏性, 从而对储层物性造成影响。

4.2 黏土矿物孔隙喉道直径与储层物性的关系

样品黏土矿物孔隙喉道平均直径与孔隙度和渗透率的关系如图 8 所示。1)从总体上看, 随着黏土矿物孔隙喉道平均直径增加, 孔隙度和渗透率呈上升趋势, 黏土矿物晶间孔隙对储层(尤其是致密砂岩储层)的物性有重大影响, 孔隙喉道直径与孔隙度和渗透率之间呈现一定程度的正相关性。2)孔隙度与黏土矿物孔隙喉道直径之间呈较微弱的正相关性, 可能是由于充填在储层孔隙中的黏土矿物会减小储层的孔隙空间, 黏土矿物晶间孔在一定程度上影响储层的孔隙度。另外, 由于黏土矿物孔喉直径与孔隙度的关系受黏土矿物含量的影响较大, 因此该相关性较弱。3)渗透率与黏土矿物孔隙喉道直径之间呈现相对明显的正相关性, 可能是由于黏土矿物对储层孔隙喉道的堵塞使得储层的渗透率大大地降低, 较大孔径的黏土矿物晶间孔对储层渗透率的影响相对较小。存在一个异常点渗透率低于平均值, 可能与该样品较高的伊蒙混层矿物含量有关。另外, 压实作用及孔隙连通性也可能在一定程度上影响渗透率。

5 剩余油分布特征

致密砂岩储层中黏土矿物在一定程度上影响和控制储层中微观剩余油的分布, 因此研究黏土矿物晶间孔隙中剩余油的分布特征, 对致密砂岩储层剩余油分布的预测和进一步开发具有指导意义。本研究通过对未洗油样品进行喷铬处理, 结合 EDS 能谱分析数据(表 2)识别剩余油分布, 利用环境扫描电子显微镜对黏土矿物晶间孔隙中剩余油的分布特征进行观察(图 9), 可知剩余油主要以薄膜状附着于黏土矿物表面或呈游离态分布于晶间孔中。

在环境扫描电子显微镜下观察到, 剩余油主要分布于黏土矿物晶间孔内或未被黏土矿物完全充填的残余粒间孔内, 伊利石中剩余油主要呈薄膜状附着于丝缕状伊利石表面, 绿泥石中可见薄膜状剩余油和少量游离态剩余油分布于三角形晶间孔中, 伊蒙混层矿物中可见薄膜状剩余油和分布于网状不规则晶间孔的游离态剩余油(图 10)。

表2 黏土矿物中剩余油EDS能谱分析结果

6 结论

本文基于扫描电子显微镜图像和能谱资料, 研究鄂尔多斯盆地延长组长 6 油层组不同类型黏土矿物及晶间孔隙的发育特征, 并探究其对致密砂岩储层物性的影响, 主要结论如下。

鄂尔多斯盆地延长组长 6 油层组黏土矿物的孔隙直径分布在 500~1000nm 之间, 喉道直径分布在50~500nm 之间, 孔喉大小的整体趋势为伊蒙混层>绿泥石>伊利石。黏土矿物晶间孔隙中, 类圆状孔隙和缩小状喉道均较多。

黏土矿物对总孔隙度的贡献率介于 11%~66%之间, 平均 40.0%, 不同黏土矿物对总孔隙度的贡献率排序为伊蒙混层>绿泥石>伊利石。

黏土矿物含量与晶间孔的孔隙结构是影响储层物性的重要因素。孔隙度对绿泥石的存在较为敏感, 渗透率对伊利石的存在较为敏感。剩余油主要以薄膜状附着于黏土矿物表面, 少量呈游离态分布于晶间孔中。

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Characteristics of Nano-pores of Clay Minerals in Tight Reservoirs and Their Effects on Reservoir Properties: A Case Study of Yanchang-6 Oil Formation in Ordos Basin

WANG He1,2, SHI Yongmin1,2,†, ZHANG Zhiqiang1,2, SUN Tong1,2, SHI Shiyuan1,2, GUAN Ping1,2, XU Dawei3

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of Oil and Gas, Peking University, Beijing 100871; 3. School of Petroleum Engineering, University of Science and Technology of Missouri, Rolla MO 65401; † Corresponding author, E-mail: sym@pku.edu.cn

In view of the lack of quantitative characterization of intercrystalline pores of clay minerals in tight sandstone reservoirs, the development characteristics of clay minerals and intercrystalline pore in Yanchang-6 oil formation in Ordos Basin were studied based on scanning electron microscope image and energy spectrum analysis. The intercrystalline pore parameters were quantified, and the intercrystalline pores of different types of clay minerals were characterized qualitatively and quantitatively. On this basis, the contribution of different types of clay minerals to reservoir porosity was calculated according to the mineral content, and the mechanism of its influence on the physical properties of tight reservoirs was explored. The results showed that there were significant differences in the development characteristics of different clay minerals and the characteristics of intercrystalline pores. The size trend of pore throat and facial rate of clay minerals was illite/smectite formation > chlorite > illite. Clay mineral development characteristics and pore structure were the main influencing factors of reservoir physical properties and residual oil distribution.

tight sandstone reservoir; clay minerals; intercrystalline pore; quantitative characterization; reservoir property; Ordos Basin; Yangchang Formation

10.13209/j.0479-8023.2020.037

国家自然科学基金(41930103)资助

2019‒05‒16;

2019‒10‒13