松辽盆地低渗透储层孔隙结构及分形特征

吕天雪，张国一，易立新，李忠诚，宋 鹏，李思圻

(1.南开大学，天津 300350；2.中国石油吉林油田分公司，吉林 松原 138000；3.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

国内外常规油气的勘探开发已步入中后期，低渗透储层的油气开采成为油田发展的主要趋势[1-2]。在储层评价中，孔隙结构特征评价最为重要，其对储层储集能力、孔隙流体渗透特征、油气藏的产能与采收率具有重要影响[3-7]。从上个世纪80年代Mandelbrot 创立了分形几何学起，该方法为分析孔隙结构提供了一条新的途径[8-11]，目前已被广泛应用于地学领域。杨峰等[11-18]通过压汞实验数据计算常规砂岩、低渗透砂岩、致密砂岩等储层的分形维数，并探讨了分形维数的地质意义与测井意义；尹帅等[12-18]通过NMR核磁共振实验数据计算致密砂岩、页岩储层的分形维数；李志清[15]、罗磊[19]等通过低温氮气吸附实验数据计算了页岩、低阶煤的分形维数；江峰[20]等通过几何维数的方式计算了碳酸盐岩的分形维数。前人大多使用一种方法对储层进行刻画，存在很明显的局限性，要想对储层有彻底认识，必须同时开展几种实验手段，用以深层探究。因此，以松辽盆地王府断陷低渗透砂岩储层为例，采用X射线衍射、铸体薄片、SEM扫描电镜、NMR核磁共振实验对该储层的矿物成分及孔隙结构特征进行定性、定量分析。通过将高压压汞实验数据与分形理论相结合，得到了该储层的分形维数，探究了储层分形维数与储层物性的关系，确定了储层分形维数的影响因素。研究结果为松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层分类提供了新思路。

1 地质概况

研究区位于松辽盆地东部断陷带的王府断陷泉头组(图1)。泉头组地层以东南部、北东向和北部物源供给为主，其主河道呈南北向、北东向分布于研究区中部的辫状河沉积体系，主要发育辫状河道、冲积平原亚相。样品采自泉头组一段4口井共9块岩心，用以探究泉头组低渗透储层孔隙结构特征及其分形特征。

图1 研究区位置

2 低渗透砂岩孔隙结构特征

松辽盆地王府断陷泉头组储层为典型的低孔低渗储层，平均孔隙度为9.6%，渗透率为3.75 mD，岩性以粉砂岩、细砂岩为主，岩石类型以长石岩屑砂岩为主，石英含量为25%～40%，长石含量为30%～45%，岩屑含量为25%～40%。常见的胶结物有二氧化硅和黏土矿物，胶结类型主要以硅质和泥质胶结为主。岩石颗粒接触关系以点-线接触为主，粒间胶结物以泥质为主，长石可见次生加大现象，长石表面绢云母化严重(图2)。

图2 松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层孔隙类型与矿物组分

泉头组储层孔隙类型以原生粒间孔隙与粒内溶蚀孔隙组合为主。通过扫描电镜对样品进行观察发现：该储层孔隙较为发育，连通性较差，平均孔径一般为40～60 μm。胶结物主要为绿泥石、伊利石、伊蒙混层、钙芒硝、少量石膏，常见石英加大及少量长石加大，局部见金红石淋滤，偶见方解石。

通过D8 DISCOVER型X射线衍射仪对9块样品进行黏土矿物及全岩矿物测定(表1)。由表1可知：黏土矿物主要为伊蒙混层、绿泥石和伊利石；所有样品中绿泥石含量的变化范围最大，为6.0%～39.0%,平均为23.7%，D-1样品的绿泥石含量最高。伊利石含量的变化较为集中，为12.0%～31.0%，平均为19.7%，A-2样品伊利石含量最高。伊蒙混层在黏土矿物中含量最高，平均为55.6%。

泉头组的低渗透砂岩主要由石英、长石和黏土矿物组成(表1)。其中，石英的含量最高，平均为44.4%；钾长石的含量普遍低于斜长石的含量，平均为5.6%，而斜长石的含量为33.5%，样品A-3含量最高，为46.0%；黏土矿物含量较少，平均为8.2%。另外，泉头组岩石中还存在少量的方解石和硬石膏，二者平均含量分别为3.4%和8.3%。

表1 松辽盆地王府断陷泉头组黏土矿物及全岩定量分析结果

3 低渗透砂岩孔隙结构分形特征

3.1 分形理论

20世纪80年代，法国科学家Mandelbrot创立了分形几何学，用于解释自然界中不规则、不稳定和具有高度复杂结构的现象，并取得了显著的效果，目前已被广泛应用于地学领域。具有分形特征的储层，其分形维数介于2.000 0～3.000 0。分形维数值越靠近2.000 0，说明该储层的孔隙结构越简单，孔隙内表面越光滑，孔隙的均质性越好；若分形维数值靠近3.000 0，则上述性质相反。依据GB/T 29171—2012《岩石毛管压力曲线的测定》标准，应用AutoPore Ⅳ 9505孔隙分析仪对泉头组9组样品进行了高压压汞实验。基于此项实验数据，并结合前人关于分形理论研究[11-18]，探究松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层孔隙结构分析特征。

基于压汞实验数据的分形维数为：

lgS=(3-D)lgr+(D-3)lgrmax

(1)

式中：S为半径小于r的孔隙体积占总孔隙体积的比例，%；D为分形维数；r为孔隙半径，μm；rmax为最大孔隙半径，μm。

首先绘制lgS与lgr的散点图，其次对散点图进行线性回归，算出回归直线的斜率H，则分形维数D可通过式(2)求出：

D=3-H

(2)

3.2 分形结果

高压压汞实验被广泛用于评价储层孔隙，其优点是测试的孔径范围广泛，且成本低廉。由于压汞实验对于小于100 nm的孔隙测试不够灵敏，此次实验舍弃了孔隙小于100 nm的数据。

将压汞实验测得的9组数据按照上述方法，绘制lgS-lgr坐标系下的散点图，计算分形维数，拟合结果如图3所示。

图3 不同井的孔隙分形特征

由图3可知，散点拟合得出的并非直线，而是有明显的转折点。经过分析，认为松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩孔隙具有多重分形特征，且不同地区(井次)的储层孔隙具有不同的分形特征。根据转折点的个数，可将松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层孔隙分形特征划分为Ⅰ、Ⅱ 2个类型。表2、3为松辽盘地王府断陷泉头组储层拟合结果。

类型Ⅰ：A、D井。这2口井有2个转折点，分别将其划分为0.1～1.0 μm、1.0～10.0 μm以及10.0～100.0 μm 3个孔隙区间。按照水力压裂中孔隙大小的划分标准，上述3个孔隙区间分别对应小孔、中孔、大孔。

由表2可知：低渗透砂岩储层中小孔的分形维数为2.603 1～2.992 2，平均为2.804 9；中孔的分形维数为2.477 1～2.997 7，平均为2.852 7；大孔的分形维数为2.978 5～2.985 4，平均为2.984 3。从上述数据可知：3种孔隙的分形维数由大到小依次为小孔、中孔、大孔，即I类储层的小孔孔隙结构更好、均质性更强，中孔、大孔的孔隙结构更复杂。

表2 松辽盆地王府断陷泉头组Ⅰ类分形特征储层拟合结果

类型Ⅱ：B、C井。这2口井只有一个明显转折点，将其分别划分为0.1～1.0 μm和1.0～100.0 μm 2个孔隙区间，即该类储层的大孔和中孔具有同一分形特征，与小孔的分形特征存在明显差异。

由表3可知，Ⅱ类低渗透砂岩储层中小孔的分形维数为2.383 3～2.987 5，平均为2.804 9；中孔和大孔的分形维数值为2.954 6～2.991 8，平均为2.973 5。整体上看依旧是小孔隙的孔隙结构更好、均质性更强且表面更加光滑。另外，Ⅱ类低渗透砂岩储层中的小孔分形维数明显优于中孔和大孔的分形维数，说明该类型储层的小孔隙的孔隙结构很好。

表3 松辽盆地王府断陷泉头组Ⅱ类分形特征储层拟合结果

4 讨论

4.1 储层物性与分形维数的关系

孔隙度和渗透率是储层的基本性质。为探究松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩的分形维数与储层物性关系，将全孔径分形维数D全孔径，小孔分形维数D小，中、大孔分形维数D中-大分别与储层的渗透率进行拟合(图4)。需要指出的是A、D井以D中与D大的平均数作为D中-大。拟合数据后发现，松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩的分形维数与储层的孔隙度相关性非常差，相关系数R2均低于0.100 0。因此，该地区储层的分形维数与孔隙度无关。

图4 松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层渗透率与分形维数的关系

由图4可知：全孔径分形维数与渗透率呈负相关，相关性系数R2为0.731 3(图4a)，相关性良好，小孔分形维数与渗透率呈高度负相关，R2为0.900 4(图4b)，即全孔径分形维数、小孔分形维数均随着渗透率的增大而减小。根据分形维数地质意义可知，其数值越小，孔隙的连通性越好、孔隙表面越光滑，均质性越好，宏观上表现为渗透率越大，储层孔隙的连通性好。中、大孔的分形维数与渗透率不相关(图4c)，说明松辽盆地王府断陷泉头组的渗透率贡献率主要由小孔贡献。

4.2 储层矿物成分与分形维数的关系

为进一步探究影响分形维数大小的因素，分析石英、长石及黏土矿物的相对含量与储层孔隙分形维数的关系(图5)。D全孔径随着石英、长石相对含量增加而降低，而黏土矿物的相对含量与全直径分形维数呈高度正相关。

图5 松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层矿物成分与分形维数的关系

石英、长石的表面相对光滑，且石英的矿物性质相对稳定，不易风化，长石易形成溶蚀孔隙，使得孔隙的连通性变好，因此，这2种矿物的存在可降低孔隙内表面的粗糙程度，简化孔隙结构，提高孔隙的连通性，从而孔隙的分形维数值更靠近于2.000 0。而黏土矿物的矿物性质极不稳定，遇水易膨胀坍塌，同时，黏土矿物的层状结构，增大了孔隙的比表面积，这些性质均会影响影响分形维数，使分形维数值更接近于3.000 0。

分别对小孔、中大孔的分形维数与石英、长石、黏土矿物相对含量进行拟合，发现小孔分形维数与石英、黏土矿物的相对含量有关，而中、大孔分形维数仅与长石相对含量(图5d—f)相关。由图5可知：小孔分形维数与石英相对含量呈正相关，中、大孔分形维数与长石相对含量呈负相关；小孔分形维数与黏土矿物相对含量呈高度正相关。

石英的相对含量主要对小孔分形维数产生影响，进而影响到全孔径分形维数；长石的相对含量主要影响中、大孔分形维数，进而影响全直径分形维数；黏土矿物的相对含量也对小孔的分形维数产生较大影响，从而影响全孔径分形维数。

5 结 论

(1) 松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层孔隙类型主要以粒间原生孔隙和粒内溶蚀孔隙为主。该地区储层的矿物成分以石英和长石为主，同时包含黏土矿物，三者的平均含量为44.4%、39.1%和8.2%。黏土矿物中伊蒙混层含量最高，平均为55.6%。

(2) 松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩储层孔隙具有多重分形特征。根据拟合直线上的转折点个数可将该地区的分形特征分为I型和II型。整体上，小孔隙的孔隙结构更好、均质性更强且表面越光滑。另外， Ⅱ型分型特征的低渗透砂岩储层的小孔分形维数明显优于中孔和大孔，说明该类储层小孔的孔隙结构很好。

(3) 松辽盆地王府断陷泉头组低渗透砂岩的分形维数与储层孔隙度相关性很差。全孔径分形维数、小孔分形维数均与渗透率呈负相关。中、大孔的分形维数与渗透率并不相关，说明松辽盆地王府断陷泉头组的贡献率主要由小孔隙贡献。

(4) 石英含量、长石含量与全孔径分形维数均呈负相关关系，黏土矿物的含量与全孔径分形维数成高度正相关。石英的含量主要对小孔分形维数产生影响；长石的含量主要影响中、大孔分形维数；而黏土的含量也对小孔的分形维数产生较大影响。