致密砂岩储层微观孔喉分布特征及对可动流体的控制作用

钟红利，张凤奇，赵振宇，魏 驰,4，刘 阳

(1.西安科技大学 地质与环境学院，西安 710054；2.西安石油大学 地球科学与工程学院，西安 710065；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.中交一公局集团有限公司，北京 100024)

非常规油气中致密砂岩油气的勘探开发在我国油气勘探领域占据着越来越重要的地位[1-4]。其中，鄂尔多斯盆地延长组发育有多套致密砂岩油储层，其孔隙结构较为复杂，主要发育微、纳米级孔喉，且以纳米级孔喉为主[5-8]，流体在该尺度孔喉中流动性如何？孔隙结构的分布对流体流动性如何影响？目前，在这些方面研究和认识程度较低[9]。对国内外文献调研发现，致密砂岩储层的孔隙结构研究方法较多[10-12]，这其中核磁共振与高压压汞联合可较好地获取致密砂岩储层中多尺度孔喉的大小分布[13-14]；而离心实验和核磁共振结合可较好地分析致密砂岩储层中可动流体的赋存孔喉范围及含量[9,15]。本文以鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部延长组长6、长7和长8致密砂岩储层为研究对象，将核磁共振与高压压汞分析测试技术结合，精细表征致密砂岩储层中孔喉大小，利用离心实验和核磁共振T2谱分析相结合，来定量表征致密砂岩储层可动流体的分布，两者结合，揭示致密砂岩储层中孔喉大小分布对可流动流体的控制作用。该研究对致密砂岩储层中油气的勘探开发具有一定的指导作用。

1 实验

1.1 实验原理

核磁共振方法研究岩石孔隙结构的理论基础在于流体储层岩石孔隙大小与氢核弛豫率成反比[16]。当岩样中孔隙表面对孔隙中流体作用力较强时，岩样中部分流体会处于不可流动状态或束缚状态，它的核磁共振T2弛豫时间较小；反之，流体处于可流动状态或自由状态，它的核磁共振T2弛豫时间较大。当对饱和流体的岩样进行核磁共振测试时，得到的横向弛豫时间T2值是岩样孔隙、岩石矿物和孔隙中流体的综合体现。因此，利用核磁共振T2谱可对岩心孔隙中水的赋存(束缚或可动)状态进行分析，定量给出束缚流体饱和度及可动流体饱和度。离心实验中，离心机以不同大小离心力高速旋转，促使岩心孔隙中的可动流体(水/油)克服毛细管力而不断被分离出来，不同大小的离心力值对应不同的岩心孔喉半径值，孔喉半径值与离心力大小之间遵循毛管压力计算公式[15，17-18]；本次实验气—水系统的界面张力δ=71.8 mN/m，润湿角θ=0°。岩样每次离心后都进行核磁共振T2谱测试，离心实验和核磁共振结合可获得不同孔喉大小区间的可动流体饱和度信息[15]。本次离心实验选用4级不同离心力，分别为0.14 MPa(21 psi)，0.29 MPa(42 psi)，1.43 MPa(208 psi)，2.88 MPa(417 psi)，分别对应的孔喉半径大小为1.00，0.50，0.10，0.05 μm。

高压压汞实验是研究致密砂岩储层孔喉结构特征最重要的方法之一。实验时将非润湿相汞注入储层孔隙，每个压力点对应一定的累积进汞量，利用毛管压力公式可求出每个压力值对应的孔喉半径值[11]，从而计算出不同大小孔喉在岩石孔隙中的体积占比[19]。根据进汞饱和度与进汞压力可做出毛管压力曲线，该曲线不仅可以描述岩样连通孔喉的大小分布[20]，还可以反映储层孔隙度和渗透率与孔喉大小分布的关系。

1.2 样品及实验步骤

1.2.1 样品

研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部，中生界主力油层为三叠系延长组长6、长7、长8油层组，其中，长6和长8油层组储层主要为三角洲前缘沉积砂体，长7储层则主要为浊积砂体(图1)。对6口井40个铸体薄片的观察统计表明：长6、长7和长8储层的岩性主要为浅灰色细粒长石砂岩或岩屑长石砂岩；碎屑组成主要为长石，次为石英，再者为岩屑和云母；填隙物主要为(铁)方解石、绿泥石和水云母等。其储层孔隙度和渗透率均较低，属于典型的致密砂岩储层[10-11](表1)。长6—长8储层的面孔率为0～3.8%；孔隙类型主要为剩余粒间孔、溶蚀孔和晶间孔。本次实验选取了4口井中长6、长7和长8储层的7块样品，进行饱和水和4级不同离心力核磁共振实验及高压压汞测试，实验样品参数见表1。

图1 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区位置及地层综合柱状图

表1 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区核磁共振实验样品基本参数

1.2.2 实验仪器及步骤

本次实验使用的仪器为PC-18型专用岩样离心机以及RecCore-04型岩心核磁共振分析仪。实验方法严格按照《岩心分析方法:SY/T5336-2006》和《岩样核磁共振参数实验室测量规范:SY/T6490-2014》执行。实验在22 ℃恒温下开展。具体实验步骤如下：(1)岩心洗油，烘干，气测孔隙度，气测渗透率；(2)抽真空加压饱和盐水，利用湿重与干重差计算孔隙度(水测孔隙度)，进行核磁共振T2测量；(3)利用高速离心机，以0.14，0.29，1.43，2.88 MPa离心力对岩心进行离心实验，并分别进行核磁共振T2谱测量；(4)将做完核磁共振测试的剩余样品分别进行高压压汞测试，与不同离心力下的核磁共振T2谱结合，计算样品不同大小孔喉的分布和不同孔喉半径控制的可动流体。

2 实验结果讨论

2.1 致密砂岩储层微观孔喉分布特征

核磁共振横向弛豫时间T2与喉道半径r存在幂指数相关关系[14]；利用伪毛细管曲线法，通过高压压汞累积频率曲线的标定(图2)，可将核磁共振T2谱分布转换为孔喉半径分布[21]，它们之间的对应关系可用下式表示：

图2 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区样品5核磁共振T2谱标定

r=CT2

(1)

式中：r表示孔喉半径，nm；T2为弛豫时间，ms；C为转换系数，nm/ms。因此，确定C值之后，就可以将核磁共振T2分布转换为孔喉半径分布。通过计算，可得研究区7块核磁共振样品转换系数C值分布在6～17 nm/ms，平均值为11.3 nm/ms(表1)。

分析7块核磁共振样品的孔喉分布，得到研究区致密砂岩储层最小孔喉半径为0.60～1.70 nm，平均值为1.13 nm；最大孔喉半径为829.8～3 050.8 nm，平均值为1 949.1 nm；主体孔喉半径分布在10～500 nm，占全部孔喉的81.2%～95.4%(图3)。因此，鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部延长组长6、长7和长8致密砂岩储层主要发育微、纳米级孔喉，主体为10～500 nm的纳米级孔喉。

图3 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区7个致密砂岩样品的孔喉半径分布

2.2 致密砂岩储层中的可动流体分布

研究区3个典型致密砂岩样品在不同离心力离心后，核磁共振T2谱形态发生了不同程度的变化(图4-6)，主要有3个阶段。(1)初始状态：T2谱在饱和水状态下，3块样品的含水饱和度均为100%。(2)饱和度曲线缓慢变化阶段：当离心力为0.14 MPa时，3块样品的含水饱和度变为96.54%，97.79%和98.89%，此时，岩心含水饱和度下降幅度均较小，核磁共振T2谱变化也较小；当离心力为0.29 MPa时，3块样品的含水饱和度变为94.54%，95.39%和96.16%，其含水饱和度下降幅度仍不明显，表明此时样品中还有大量的可动流体未被分离出来。(3)饱和度明显变化阶段：当离心力为1.43 MPa时，3块样品的含水饱和度变为90.65%，93.10%和90.31%，岩心含水饱和度变化相对较大，核磁共振T2谱变化也相对较大；当离心力为2.88 MPa时，3块样品的含水饱和度变为85.39%，86.55%和82.36%，岩心含水饱和度变化最大。

图4 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区样品5不同离心力后T2谱分布及含水饱和度变化

图5 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区样品6不同离心力后T2谱分布及含水饱和度变化

图6 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区样品7不同离心力后T2谱分布及含水饱和度变化特征

可动流体T2谱截止值(T2cutoff)及最佳离心力，一般是通过观察不同离心力累积T2谱曲线的变化趋势[17-18]来确定的。本次7块样品最佳离心力取2.86 MPa(417 psi)，离心力累积T2谱曲线水平延伸线与饱和水样T2累积曲线的交点对应T2截止值；7块样品T2截止值分布于3.866 35～13.064 68 ms，平均值7.51 ms。从不同离心力对应的T2谱累积曲线可看出(图4-6)，可动流体在不同大小孔喉中的分布：小于T2cutoff的孔喉流体体积占比，随着离心力的增大，没有明显变化，应主要为束缚态毛细管水；大于T2cutoff的孔喉流体体积，离心力的增加使各孔隙区间中离心出的流体量相差不大，反映这部分孔喉中多为可动流体及以束缚水膜的形式存在的束缚水。

研究区7块岩心样品的可动流体饱和度介于9.83%～25.64%之间，平均值为17.53%(表2)，样品可动流体饱和度普遍偏低。为了描述可动流体在整个岩样中的发育程度，求取了可动流体孔隙度(Φm)：

Φm=Φ·SD

(2)

式中：Φ为岩石孔隙度，%，SD为可动流体饱和度，%。结果显示研究区7块样品的可动流体孔隙度介于0.49 %～1.84 %之间，平均值为1.25 %。

可动流体在不同孔喉区间的分布特征如下：0.05～0.10 μm孔喉所控制的可动流体饱和度为5.26%～13.68%，平均值为8.88%；0.10～0.5 μm孔喉所控制的可动流体饱和度为2.22%～6.78%，平均值为4.21%；0.5～1.0 μm孔喉所控制的可动流体饱和度为1.43%～3.39%，平均值为2.47%；大于1.0 μm孔喉所控制的可动流体饱和度为0.45%～3.46%，平均值为1.97%(表2)。对比发现，每个测试样品的4个孔喉区间控制的可动流体饱和度不同，其中0.05～0.10 μm孔喉区间的最高，大于1.0 μm孔喉区间的普遍最小，而纳米级的0.05～1 μm孔喉区间控制的可动流体占总可动流动的76.32%～95.32%，平均值为88.46%。综上所述，认为研究区致密砂岩储层中可动流体主要被0.05～1 μm的纳米孔喉所控制，为研究区致密砂岩储层赋存可动流体的主体孔喉空间(表2)。

表2 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区7个致密砂岩样品不同孔喉半径区间所控制的可动流体饱和度

2.3 致密砂岩储层孔喉分布对可动流体的控制作用

2.3.1 储层物性

储集性能、渗流性共同影响着流体在孔喉中的流动。由于致密砂岩储层孔喉的大小分布、孔隙类型与常规砂岩储层存在较大差异，所以致密砂岩储层物性与可动流体参数之间不一定具有明显的正相关关系[15,17-18,22-23]。

研究区7块样品的可动流体孔隙度与储层孔隙度、渗透率之间均表现出明显正相关性，而且，其与渗透率的相关性更高(图7)，反映了渗透率对可动流体具有更显著的控制作用。原因可能是核磁共振和高压压汞所揭示的7块样品的峰值孔喉半径值分布在20～80 nm区间内(图3，8)，对应的孔喉类型主要为黏土矿物晶间孔以及细小喉道；而对渗透率贡献最大的是半径值为100～700 nm的孔喉(图8)，这部分孔喉空间主要为剩余粒间孔、溶蚀孔、微裂缝等。因此，较细小孔喉数量的增加不能显著改善流体的自由流动，孔径更大的孔隙及喉道数量的增加才能提高可动流体含量。

图7 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区可动流体孔隙度与孔隙度及渗透率的关系

图8 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区高压压汞孔喉分布及渗透率贡献

2.3.2 孔喉大小及分布

前人研究认为，孔喉大小及分布对致密储层的可动流体含量具有重要的控制作用[24-27]。统计7块测试样品的孔喉分布，得到大于50 nm孔喉占全部孔喉比率、大于100 nm孔喉占全部孔喉比率、最大孔喉半径、峰值孔喉半径和孔喉分选系数等定量表征孔喉分布的5个代表性参数，分别将其与可动流体孔隙度建立关系，分析致密砂岩储层孔喉分布对可动流体的影响。其中，孔喉分选系数是孔喉分布累计曲线上累积频率75%时所对应的孔喉半径(r75)与累积频率25%时所对应的孔喉半径(r25)之比。

从图9可看出可动流体孔隙度与不同孔喉区间占比存在相关性，孔喉半径小于50 nm的孔喉占比与可动流体孔隙度呈负相关，表明小孔隙限制着可动流体的发育；孔喉半径50～100 nm孔喉占比与可动流体孔隙度呈弱正相关，表明这一区间既有不利可动流体发育的小孔喉，也有利于可动流体发育的较大孔喉；孔喉半径100～500 nm及500～1 000 nm孔喉占比与可动流体孔隙度均呈显著正相关，表明大于100 nm的孔喉对可动流体的分布具有较强的控制作用。图10也反映了这一点，虽然可动流体孔隙度与大于50 nm孔喉占比和大于100 nm孔喉占比两者均具有明显的正相关性，但是，大于100 nm孔喉占比要比大于50 nm孔喉占比与可动流体孔隙度的相关性更高，反映了50～100 nm孔喉半径是可动流体开始在孔喉中分布的关键孔径范围。

图9 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区可动流体孔隙度与不同孔喉区间占比的关系

图10 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区可动流体孔隙度与大于50 nm及大于100 nm孔喉占比的关系

7块样品核磁共振T2谱求取的最大孔喉半径值均小于3 050 nm，峰值孔喉半径值均小于38 nm。可动流体孔隙度与最大孔喉半径呈正相关，与峰值孔喉半径略具正相关性(图11)，也表明致密砂岩储层中相对较大的孔喉分布对可动流体的发育程度具有重要的控制作用。

图11 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区可动流体孔隙度与最大孔喉半径及峰值孔喉半径的关系

7块样品的孔喉分选系数分布范围为2.48～6.45，平均值为4.09。相关分析表明：致密砂岩储层可动流体孔隙度与孔喉分选系数略具正相关(图12)。原因是孔喉分选系数越小，孔喉的分选程度就越好，但对于致密砂岩储层来说，分选系数较小时，细小孔喉占主要地位，这时就可导致可动流体孔隙度较小；孔喉分选系数变大时，孔喉分布范围就变大，这时大孔喉占比就会有所增加，可动流体孔隙度也会相应增大。因此，致密砂岩储层中孔喉分选系数与可动流体孔隙度会表现出正相关关系。

图12 鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部研究区可动流体孔隙度与孔喉分选系数的关系

3 结论

(1)鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部三叠系长6—长8油层组致密砂岩储层孔喉大小分布范围较宽，半径值分布在0.6～3 050.8 nm，主体分布在10～500 nm，主要为微、纳米级孔喉，主体为纳米级孔喉。

(2)研究区长6—长8致密砂岩储层的可动流体含量普遍较低，可动流体饱和度为9.83%～25.64%，平均值为17.53%；可动流体孔隙度为0.49%～1.84%，平均值为1.25%。

(3)研究区致密砂岩储层中可动流体含量和分布受孔喉大小分布的影响。主体孔喉类型为黏土矿物晶间孔及细小喉道，由于孔喉半径较小，不利于可动流体渗流，孔喉数量增加不能显著提高可动流体饱和度。小于50 nm的孔喉不利于可动流体的发育；50～100 nm范围内的孔喉开始有利于可动流体的发育；大于100 nm的孔喉对致密砂岩储层可动流体含量具有重要控制作用。

(4)孔喉分选系数与可动流体含量呈现正相关，原因是研究区致密砂岩储层非常致密，分选系数小时，孔隙半径往往集中在50 nm以下；分选系数较大时，孔喉半径分布较宽，大孔喉数量增加，从而可动流体含量增加。