致密砂岩储层孔隙结构特征及其对开发的影响

詹国卫，顾战宇，庞河清 ，蔡左花

1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川 成都 610041；2.中国石化西南油气分公司，四川 成都610041

引言

致密气藏往往无自然产能或低产，需经过改造才能实现有效开采，该类气藏在中国广阔分布[1]。与常规储层相比，致密砂岩岩性颗粒小、储渗能力差、非均质性强、泥质含量高、骨架颗粒组分中岩屑含量高，以致孔喉体系复杂、非均值性强、连通性差，高效开发难度大，如何有效评价该类储层的孔喉结构尤为重要[2]。

受物源及成岩作用的影响，致密砂岩储层孔隙结构尤其复杂，渗流特征受控于微观孔隙结构的差异性[3]。许多学者常利用常规方法如图像孔喉分析、压汞、核磁共振等方法来开展微观孔隙结构表征，可以直观表征并计算孔喉半径，能较好判断孔喉中流体的可动性，但在多期叠置窄河道中应用存在一定的局限性[4]。

随着近几年高精度分析测试方法的发展及推广，如恒速压汞、聚焦离子束、场发射扫描电镜、小角X 射线散射、CT-扫描、数字岩芯以及分形理论应用于孔隙定量表征等，有力推动了致密砂岩孔隙结构的定量化研究进程[5-13]。卢振东等[2]采用分形理论分析孔隙结构特征参数与可流动体参数相关性好，致密孔隙结构制约着流体的流动性；黎盼[3]认为不同流动单元、成岩、微观孔隙发育程度、孔喉配置关系等方面影响了生产特征；雷倩倩等[6]认为影响储层储集性能主要为压实及胶接作用，有利储层主要分布于水下分流河道主体部分；刘薇等[7]综合恒速压汞、高压压汞、低温氮气吸附等方法认为小孔喉对致密储层渗透率影响不大，但对储集性能存在一定影响。

针对中江气田沙溪庙组气藏河道窄难以识别、成藏规律不清等问题，前期重点研究了沉积微相、窄河道精细雕刻、断砂配置关系以及油气富集模式等方面做了大量细致的研究工作，支撑了中江气田的勘探突破及快速建产。随着开发实践的深入，部署在同一套砂组、相同河道、甚至相邻井中，单井产能差异大、采出程度高低不一，储层非均质性强，反映出区内砂岩储层微观孔隙结构研究尤为薄弱[8]。为了实现开发效益最大化，微观孔隙结构研究势必走向精细化。

本文首先采用铸体薄片、扫描电镜定性描述孔喉特征，结合X 衍射矿物组分分析，探讨成岩作用对微观孔隙结构的影响；再利用恒速压汞技术对储层微观孔隙结构进行定性--半定量表征；最后优选评价参数，并从渗流特征、产能、生产特征等角度来分析微观孔隙结构对开发的影响，从而为气藏合理开发与评价提供科学依据[4，9-13]。

1 地质背景

中江气田包括高庙子、丰谷、永太、知新场、中江—回龙、福兴多个勘探开发区块，涉及合兴场--丰谷构造、黄鹿向斜、中江--回龙构造及知新场—石泉场构造4 个构造区带（图1），区内构造主要为NE 向、NEE 向和NW 向，以合兴场和知新场--石泉场构造的断层较发育，走向为NE和SN向。沙溪庙组从上到下分为上沙溪庙组、下沙溪庙组（Js3），其中，上沙溪庙组又可划分为上下两个亚段（Js1、Js2），基于高分辨率层序地层学分析，可将沙溪庙组划分为11 套砂组15 个气层（图2）[6]。由于研究区面积范围广，沙溪庙组纵向小层多，细条带状窄河道非常发育，气藏类型多样，合理的断砂配置关系为致密砂岩气发育提供有利地质条件。

图1 中江气田沙溪庙组构造图Fig.1 Structure of Shaximiao Formation in Zhongjiang Gas Field

图2 中江气田沙溪庙组综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of Shaximiao Formation in Zhongjiang Gas Field

2 储层岩石学特征及其对物性的影响

2.1 岩石学特征

据1 341 个样品薄片鉴定统计结果，区内沙溪庙组砂岩岩石类型以岩屑砂岩、岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、长石砂岩以及杂砂岩为主，占全部样品的比例为96.25%，其中，又以岩屑长石砂岩最多，占全部岩石样品的68.08%，长石岩屑砂岩和岩屑砂岩分别占全部岩石样品的17.38%和7.01%，而岩屑石英砂岩仅占3.06%（图3）。

图3 岩石类型三角图Fig.3 Rock type triangle

从骨架颗粒组分来看，Js1气藏砂岩中富长石是其典型特征，不同砂组长石含量也具有一定差异，Js1气藏内重点砂组砂岩长石含量较高，岩石类型以岩屑长石砂岩为主。从不同构造部位来看，构造主体的高庙子、丰谷以及中江回龙地区，主要为岩屑长石砂岩，次为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩；研究区南部的知新场地区主要为岩屑石英砂岩；福兴地区则主要为岩屑砂岩，次为长石岩屑砂岩。

Js2气藏砂岩也以富长石作为其典型特征，长石含量均较高，以岩屑长石砂岩为主，岩屑含量相对增高。从不同构造主体来看，由北到南，砂岩的长石含量逐渐升高，岩屑含量逐渐降低，北边的高庙子地区以长石岩屑砂岩、岩屑砂岩为主，次为岩屑长石砂岩，所占比例分别为49.06%、33.96% 及16.98%，而南边的福兴地区则主要为岩屑长石砂岩，所占比例高达100.00%。

Js3气藏砂岩中同样富含长石，其中长石含量最高次之。从不同构造主体来看，构造北部的高庙子、丰谷、中江回龙地区以岩屑长石砂岩、岩屑砂岩为主，基本不含长石岩屑砂岩，而构造南部的知新场、福兴地区主要为岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩及一定的岩屑砂岩。

2.2 物性特征

中江气田沙溪庙组气藏46 口井2 600 余块砂岩样品物性统计结果见表1，可以看出，Js1气藏砂岩孔隙度小于14.57%，平均为9.88%，93.00%的样品分布在8.00%～12.00%；基质渗透率为0.008 0～1.479 0 mD，平均为0.170 0 mD，97.70%的样品小于1.000 0 mD。

表1 中江气田沙溪庙组气藏砂岩物性统计Tab.1 Sandstone physical properties of Shaximiao Formation gas reservoir in Zhongjiang Gas Field

Js2气藏砂岩孔隙度小于15.33%，平均7.65%，93.47% 样品在10.00%～14.00%；砂岩基质渗透率小于1.453 0 mD，平均为0.160 0 mD，90.80%样品小于1.000 0 mD。

Js3气藏砂岩孔隙度小于15.33%，平均9.00%，80.90%样品在10.00%～16.00%，分布较广；砂岩基质渗透率为0.009 0～1.750 0 mD，平均在0.330 0 mD，63.50%样品小于1.000 0 mD，裂缝较发育。

2.3 矿物成分与物性关系

受矿物类型及含量大小的影响，不同类型砂岩物性变化较大[9-10]。从图4、图5 所示的不同矿物含量与物性之间的关系可以看出：

（1）石英含量与孔隙度、渗透率的相关性都很差，但与渗透率的相关性稍好，这是由于致密砂岩压实破碎作用强烈，石英颗粒易碎产生一定量的微裂缝，从而改善渗流性能（图4a，图5a）。

（2）方解石含量与孔隙度、渗透率都呈负相关关系，以Js1、Js2的相关性较好，表明研究区Js1、Js2气藏的碳酸盐胶结作用明显，平面上胶结作用差异不大（图4b，图5b）。

（3）黏土总量越高，储层的孔隙度和渗透率就越低，以Js3气藏的相关性最明显，Js2气藏的黏土矿物含量与孔隙度相关性不明显，但由于Js2气藏黏土矿物主要是在喉道中沉淀结晶，因而对渗透率的影响较明显（图4c，图5c）。

（4）高岭石含量与孔隙度呈正相关、与渗透率呈负相关关系，高岭石晶间孔在一定程度上改善了储集空间，但高岭石大量存在又会堵塞孔喉，使渗透率降低，不同气藏存在细微差异（图4d，图5d）。

（5）伊利石含量与孔隙度、渗透率均呈明显的负相关关系，伊利石化作用明显，伊利石的大量存在不利于油气运移富集（图4e，图5e）。

（6）绿泥石含量与孔隙度、渗透率相关性不明显，在绿泥石膜形成初期，在一定程度上抑制了石英的次生加大，但随着绿泥石膜的加厚及绿泥石的伊利石化，储层物性变差（图4f，图5f）[2]。

图4 矿物含量与孔隙度关系Fig.4 Relationship between mineral content and porosity

图5 矿物含量与渗透率关系Fig.5 Relationship between mineral content and permeability

3 孔隙特征

3.1 孔隙、喉道类型

1 341 个样品铸体薄片及部分样品扫描电镜观察表明，中江气田沙溪庙组储层发育多种孔隙类型，以粒间溶孔、粒内溶孔为主，少量原生粒间孔、铸模孔、晶间孔、微裂缝等。粒间溶孔为成岩过程中原生粒间孔隙被部分压实和部分充填后剩余的孔隙，在工区纵向上3 个气藏储层中都十分发育，颗粒间以点线接触，孔隙形态呈三角形、不规则形等，孔径普遍较大，但非均质性较强，镜下可见缩颈状、片状或弯片状、管束状喉道，连通性中等--较差，局部孔隙之间无喉道连通[9-12（]图6a，图6b，图6c）；粒内溶孔以长石、岩屑溶蚀为主（图6d，图6e），长石颗粒解理及裂隙中发生溶孔现象，呈网状、不规则的斑点状或铸模孔溶蚀（图6f）；晶间孔主要包括高岭石晶间孔、绿泥石晶间孔、伊利石晶间微孔等，孔隙直径微小，连通性较差（图6g）；微裂隙主要有破裂缝或溶蚀缝两种，缝宽相对较大，连通性较好，渗透能力得到改善，但发育非均质性强（图6h）。

图6 中江气田沙溪庙组主要孔隙类型Fig.6 Main pore types of Shaximiao Formation in Zhongjiang Gas Field

3.2 常规压汞孔隙结构特征

表2 为229 个压汞样品致密砂岩储层常规压汞特征参数统计结果，可以看出，研究区沙溪庙组不同气藏及地区的砂岩储层孔隙结构特征参数存在较大差异，表现为中值半径差异大（0.015～0.140 μm），分选较差，最大进汞饱和度普遍较高（24.99%～99.95%，平均87.38%），退汞效率很低（0.37%～61.81%，平均32.67%）。由表2 可知，3 个气藏中以Js3气藏的孔隙结构最好，其次为Js1，Js2最差；平面上以高庙子、中江--回龙最好，知新场孔喉最差，孔隙结构复杂性表明研究区储层砂岩发育多种孔喉组合。

表2 致密砂岩储层常规压汞特征参数Tab.2 Characteristic parameters of conventional mercury injection in tight sandstone reservoir

常规压汞实验分析表明，研究区沙溪庙组储层喉道半径主要呈单峰、双峰态分布，单峰态的喉道半径主要分布于0.100～2.000 μm，渗透率贡献曲线与累计进汞饱和度曲线变化趋势一致，表明喉道分布比较集中，分选越好，进汞饱和度就越高[15-18]。双峰态的孔喉累计进汞饱和度曲线总是滞后于渗透率贡献曲线，其喉道半径峰值分别位于0.100～2.000 μm 和2.000～8.000 μm。渗透率小于0.50 mD 的样品，喉道半径基本都小于2.000 μm；渗透率大于1.00 mD 的样品，喉道半径既有大于4.000 μm，又有小于2.000 μm 的小喉道。一般而言，渗透率越大孔喉分布体积就越大，峰值反而降低，反映储层非均值性相应较强，中大孔喉对渗透率贡献最大，小孔喉除了贡献渗透率，对储集能力的贡献相对更高[4]（图7，图8）。

图7 典型孔隙结构压汞曲线特征Fig.7 Characteristics of mercury injection curve of typical pore structure

图8 孔喉进汞量及孔喉大小对渗透率贡献值的影响Fig.8 The influence of mercury intake in pore throat and pore throat size on permeability contribution

3.3 恒速压汞实验孔隙结构特征

以非常低的恒定进汞速度（0.000 5 mL/min）将汞注入岩石孔隙，近似保持准静态进汞过程，通过检测注汞过程中压力涨落来区分孔隙和喉道，可直接测量喉道和孔隙半径[19]。

恒速压汞分析表明，中江气田不同区域的砂岩储层孔隙结构特征差异较大。在孔喉半径基本一致的情况下（110.000～200.000 μm），喉道半径（0.200～3.400 μm）差异较大，总体呈单峰状，渗透率较高的样品却对应相对较小的喉道半径，孔喉半径比跨度范围大，如，ZJ11 井样品（2 394.90 m，，孔隙度为8.96%，渗透率为0.24 mD，对应的喉道半径最小（0.300～0.500 μm），孔喉半径比（15～1 035）较其他样品（15～400）跨度大，形态呈双峰或多峰状。反映出样品中渗透率大小与孔喉半径比对应较好，孔喉半径比越大其渗透率也就越大，相对较大的孔隙被小--微小喉道所控制[4，19]，为典型的中、低孔、小--微小喉储层（图9）。

图9 恒速压汞参数特征Fig.9 Characteristics of constant velocity mercury injection parameters

3.4 孔隙结构分类评价

从恒速压汞资料可知，小喉道是控制渗透率的主要因素[4]。但由于研究区恒速压汞样品较少，难以对孔隙结构进行分类。依据229 个常规压汞资料对区内致密砂岩储层进行分类[6，20-23]：一类曲线孔喉孔隙度≥11.0%，渗透率大于0.40 mD，最大孔喉半径≥1.300 μm，压汞曲线形态平台明显，呈粗歪度特征，孔喉组合以低孔微细喉为主，分选和连通性好；二类曲线孔喉的孔隙度为9.0%～11.0%，渗透率0.14～0.40 mD，曲线形态平台较明显，最大孔喉半径0.900～1.300 μm，孔喉组合以低—特低孔微细喉为主，分选中等，渗流能力一般；三类曲线孔喉的孔隙度6.0%～9.0%，渗透率0.04～0.14 mD，压汞曲线基本无平台，呈细歪度特征，平均最大孔喉半径0.500～0.900 μm，孔喉组合以超低孔微细喉为主，分选较差，渗流能力较差（图10，表3）。

图10 不同类型储层压汞曲线形态Fig.10 Mercury injection curves of different reservoirs

表3 中江气田沙溪庙组砂岩孔隙结构分类标准Tab.3 Classification standard of pore structure of Shaximiao Formation sandstone in Zhongjiang Gas Field

4 孔隙结构对开发的影响

4.1 对渗流特征的影响

对比相对渗透率曲线特征参数与形态，研究区沙溪庙组储层砂岩的17 个样品的气相渗透率几乎一致，而水相相对渗透率存在差异。根据水相相对渗透率曲线特征，可进一步划分为水相上凹型、水相靠椅型及水相直线型3 种类型[4，24]（图11）。

图11 气-水相对渗透率曲线Fig.11 Gas water relative permeability curve

（1）水相上凹型。该类相渗曲线在气水共渗区，随着含水饱和度的增加，水相相对渗透率先缓慢增加至某个值后曲线的斜率陡然增大，对应的气相相对渗透率先迅速下降至这个值后缓慢下降，此时，岩石中水、气共存。该类束缚水饱和度普遍较低，反映孔隙结构非均质性较弱，黏土矿物含量较低且不易膨胀[7]。该类砂岩以中粗粒岩屑长石砂岩为主，孔隙发育，分布较均匀，连通性较好，孔隙类型以粒间溶孔为主，粒内溶孔次之。

（2）水相靠椅型。该类渗流曲线可分为3 个阶段：①随着含水饱和度的增加，水相相对渗透率缓慢增加；②随着含水饱和度的增加，水相相对渗透率增加迅速；③随着含水饱和度的增加，水相相对渗透率增加不明显。该类曲线特征反映样品以中粒岩屑长石砂岩为主，孔隙较发育，分布较均匀，但相互连通性差，粒间溶孔、粒间溶孔可能受方解石胶结及绿泥石膜的影响，呈三角形或不规则形。

（3）水相直线型。该类样品束缚水饱和度较高，随含水饱和度的缓慢增加，水相相对渗透率呈直线匀速上升或在末端稍微上凸，基本不存在拐点，推测其原因可能是受部分填隙物膨胀的影响，削减了随水相饱和度的增加水相相对渗透率增加的特点[11]。该类曲线特征反映样品以细粒的岩屑长石砂岩、岩屑砂岩为主，孔隙较发育，分布不均匀，连通性差，粒间溶蚀孔受方解石胶接或绿泥石薄膜影响，呈狭缝长或楔状。

4.2 对产能的影响

前述进行致密砂岩储层孔隙结构分类评价时，主要基于压汞特征参数进行分类，但参数种类繁多，难于兼顾周全[24]。储层储集性能主要受分选性、歪度以及退汞效率等因素控制，分选越好、歪度越粗、退汞效率越高，反映储层储集性能就越好、产能也越大、相应的采收率就越高[25-27]。因而，在此挑选分选系数和退汞效率两个参数来对致密砂岩储层的孔隙结构进行综合评价。其计算公式为Ep=C(100-We)/100（式中：Ep孔隙结构均质系数，无因次；C--分选系数，无因次；We退汞效率，%），孔隙结构均质系数越小则储层孔隙结构非均质性越小，非均质程度越弱[27]。I 类孔隙结构的Ep≤1.5，II 类孔隙结构1.5＜Ep≤2.5，III 类孔隙结构的Ep＞2.5（表3）。图12 为致密砂岩储层孔隙结构参数与无阻流量关系。

图12 孔隙结构参数与无阻流量关系Fig.12 Relationship between pore structure parameters and open flow

排除钻井砂体钻遇率较差的情况，I 类孔隙结构的气井无阻流量普遍大于8×104m3/d，II 类孔隙结构的气井无阻流量在（5～8）×104m3/d，III 类孔隙结构的气井无阻流量小于5×104m3/d（图12a）。排驱压力、中值压力及分选系数与无阻流量具有较好的负相关关系（图12b，图12c，图12d），退汞效率及最大进汞饱和度与无阻流量呈正相关关系（图12e，图12f），表明孔隙结构对产能影响十分明显。

4.3 对生产特征的影响

I 类孔隙结构的气井储层物性好、厚度大、含气饱和度高，表现为试采产量高、动态储量较大、弹性产率高中等、基本不产水等特征，主要分布于中江、高庙子两个地区，共有I 类气井33 口，日产气153.000×104m3，平均单井产量3.832×104m3/d，典型井（如：GS301 井、ZJ19H 井及JS312HF 井等）平均日产气在（1.950～3.060）×104m3(表4），具有较低的排驱压力和中值压力，储层孔隙结构分选好，最大进汞饱和度和退汞效率都较高[24]。

表4 致密砂岩储层气井生产特征Tab.4 Production characteristics of gas wells in tight sandstone reservoir

II 类孔隙结构的气井储层物性、含气性较好，气井测试产量一般，但累产气较低，如JS302 井。

III 类孔隙结构气井的储层物性及含气性较差，气井测试产量中等，累产气少，气水同产或产水量较大，中江、高庙子共有此类孔隙结构气井7口，平均单井产量0.210×104m3/d；其中，直井5 口，平均单井产量0.220×104m3/d，水平井两口，平均单井产量0.180×104m3/d，如JS7 井及JS33-7 井，平均日产气为0～0.330×104m3，生产效果差（表4，表中目前一列数据截至2021-12-25）。

5 结论

（1）中江气田沙溪庙组致密砂岩储层以岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩、岩屑砂岩为主，少量长石砂岩、杂砂岩，具有不稳定矿物含量高、成分及结构成熟度低的特点。

（2）岩石矿物成分与储层物性有着密切关系，不同层位、不同区域的矿物成分与储层物性相关性差异大，总体以Js2的相关性最好，区域上则以中江--回龙最好。

（3）孔隙结构特征是影响致密砂岩储层储集性能与渗流特征的主要因素，其中，喉道大小、孔喉组合关系是决定储层储集与渗流能力的关键，孔隙的绝对大小似乎对储层储集性能的关系不大，大孔喉对储层渗流能力贡献更大，中--小喉道则对储集能力的贡献相对更高，孔喉组合关系以中--低孔与小--微小喉组合最优。

（4）孔隙结构对气藏渗流特征、产能大小以及气井生产特征影响明显，孔隙结构均质性越好，渗流能力就越强，产能就越高，气井生产效果就越好，反之亦然，3 个气藏孔隙结构差异不大，总体以Js3气藏最好。