压汞法与数字图像分析技术在致密砂岩储层微观孔隙定量分析中的应用——以鄂尔多斯盆地吴起油田X区块为例

孙雅雄，张 坦，丁文龙，姚 威，张 驰

1.中国石化 江苏油田分公司，江苏 扬州 225009；2.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318；3.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；4.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083

随着常规油气资源的日渐枯竭，非常规致密砂岩油气逐渐成为热门领域。致密砂岩油气资源存在良好发展前景，开发致密砂岩油气必然成为许多国家能源安全计划的重要组成部分[1]。中国致密油勘探在鄂尔多斯盆地延长组和延安组、准噶尔盆地二叠系芦草沟组及松辽盆地青山口—泉头组等都取得了重大突破，形成了3个超亿吨级规模储量区[2-4]。其中，鄂尔多斯盆地吴起油田X区块致密油可采储量达到150.42×104t，具有一定的资源潜力。目前，该区勘探开发已进入滚动扩边阶段。侏罗系延安组延9、延10，三叠系延长组长4+5、长6等主力油层段井网已基本完善。然而，鄂尔多斯盆地致密砂岩储层普遍存在低孔、低渗、非均质性强的特点，严重影响了产量及产能[5-7]。而油气的运移和富集与孔隙密度、孔隙结构复杂性及微孔隙连通性密切相关[8-9]。因此，为了探究致密砂岩孔隙特征，本次研究运用相关实验测试、图像分析技术(DIA)和分形几何学，旨在：(1)评估鄂尔多斯盆地吴起油田X区块致密砂岩储层的孔隙结构特征；(2)根据MICP方法计算分形维数；(3)利用DIA确定孔隙几何参数；(4)研究分形维数与孔隙结构、几何参数之间的关系；(5)量化沉积相及成岩作用对储层孔隙结构的影响。其结果以期为致密砂岩储层孔隙的研究提供科学参考与地质依据。

1 实验和方法

1.1 实验材料

本次研究采集了12 块来自鄂尔多斯盆地中西部吴起油田X区块侏罗系延安组、三叠系延长组的致密砂岩岩心样品(图1)。其中T-1、T-9、T-16 来自延安组延9油层组；T-3、T-7、T-11 来自延安组延10油层组；T-5、T-12、T-14来自延长组长4+5油层组；T-6、T-13、T-15来自延长组长6油层组。本区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡西部，区域构造为一平缓的西倾单斜，地层倾角小于1°。该区延9亚段为三角洲平原亚相沉积，岩性以浅灰色细—中粒岩屑长石砂岩为主；延10亚段为辫状河道沉积，岩性以浅灰色中—细粒岩屑长石砂岩和长石砂岩为主，少量长石岩屑砂岩；长4+5亚段为三角洲前缘亚相沉积，岩性以浅灰、灰色中—细长石砂岩或岩屑长石砂岩为主，少量长石岩屑砂岩；长6亚段为三角洲前缘亚相沉积，岩性以浅灰、灰色细粒—极细粒岩屑长石砂岩或长石砂岩为主，少见长石岩屑砂岩。

图1 鄂尔多斯盆地吴起油田X区位置(a)及岩性柱状图(b)

1.2 实验

1.2.1 孔渗及孔隙结构参数测量

在中国石油大学(北京)石油工程学院中央实验室利用高压压汞实验对12块致密砂岩岩心的孔隙参数进行了分析。压汞实验采用Micromeritics公司Autopore IV压汞仪，并依照行业标准《岩石毛管压力曲线的测定：SY/T5346—2005》进行。测试压力从0.008 8 MPa 增加到204 MPa，测量喉道范围在0.006～360 μm 之间。高压压汞实验可得到孔隙度、渗透率等岩心物性参数，以及分选系数、变异系数、退汞效率(We)、平均孔喉比、最大喉道半径等孔隙结构参数(表1)。

表1 鄂尔多斯盆地吴起油田X区样品压汞数据

1.2.2 薄片鉴定

中海油工程技术分公司非常规实验中心利用其Leica DM4500PFCHG-013 偏光显微镜对12个致密砂岩薄片进行鉴定，检测过程遵循《岩石薄片鉴定：SY/T 5368—2000》标准。实验将所有样品切片切割至2 cm×2 cm，并在分析前染色，镜下观察样品岩性、矿物、孔隙结构、胶结方式等，并对其岩性特征和孔隙空间类型进行了定性描述和分类(表2)。

1.2.3 场发射扫描电镜分析

使用瑞华通正非常规油气技术检测(北京)有限公司的Quanta 200F FE-SEM，对12 个样品做了电镜分析，观测面均为自然断面，放大倍数可从300 增大至12 000 倍。SEM 观察模式包括二次电子模式，背散射电子模式和吸收电子模式等。在这项研究中，采用观察断面效果较好的二次电子模式，能清晰反映样品在纳米尺度上的矿物组成及微观孔隙结构特征。

1.2.4 全岩X衍射

在中国地质大学(北京)实验室利用X射线衍射方法对致密砂岩样品的矿物组成进行了分析。所有岩样均研磨为细粉末，通过Panalytical X’PertPRO X射线衍射仪进行分析，从而得到岩石中各矿物组分的含量(表2)。实验方法和依据参照我国石油天然气行业标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法：SY/T5163—2010》。

表2 鄂尔多斯盆地吴起油田X区样品薄片观察及全岩衍射数据

1.3 分形维数和数字图像分析

1.3.1 利用压汞法计算孔隙结构的分形维数

压汞测试早已被用于测量分形维数，截至目前已经形成了几种模型与方法。其中对于致密储层，J函数曲线模型[10]在表征毛细管压力和流体特征具有独特优势。依据前人经验[11]，此模型计算分形维数的公式为：

(1)

式中：S为给定半径R处的累计孔隙体积，即进汞饱和度；D为分形维数，介于2～3之间；f(f=Lp/L，Lp是孔长度，L是流体流动长度)是毛细管的曲折度[12]；J即J函数，其定义为：

(2)

式中：Pc是毛细管压力；K是渗透率；φ是孔隙度；接触角θ为130°；表面张力σ为480 mN/m；Sw为含水饱和度。

1.3.2 数字图像分析技术

分别对砂岩电镜扫描图像和偏光显微镜下的岩石薄片图像进行处理，得到岩石孔隙特征参数。其中来自偏光显微镜的图像可以提供大孔隙度信息，而电镜扫描图像提供微孔信息。

图像分割技术是数字图像分析中的一个极其重要的过程。其核心目标就是将所要研究的孔隙、微孔隙区域从整个背景中提取出来，以进一步计算孔隙几何参数。图像分割技术包括区域分割方法[13]、阈值分割方法[14]、手动分割方法[15]、阈值边缘检测方法等。其中阈值边缘检测方法在微孔分割中效果突出，本次研究采用该方法。

图像分割原理就是将原始图像转化为灰度图像(其中灰度范围是0～255，0与255分别表示纯黑色和纯白色)，已确定孔隙区域和背景区域在灰度特性上的差异分析，根据差异选择阈值，并以该阈值确定每个像素点处于目标区域还是背景区域，进而得到二值数据。然后，可用Image-Pro Plus 6.0对得到的二值数据进一步参数化，得到周长面积比(POA)，主要孔径尺寸(DOMsize)，孔喉比(BTR)及颗粒平均圆度(γa)等参数。POA是围绕孔隙空间的周长之和与这些孔的面积之和的比率，可以被认为是二维空间上等效于孔体积和孔表面之间之比的参数[16]。根据前人经验，对于不同比例的图像，需要将其POA值进行平均处理：

(3)

式中：CTS为薄片中孔隙空间的周长；CSEM1.0K为放大1 000倍的FE-SEM图像中孔隙空间的周长，依此类推；ATS为薄片中的孔隙空间面积。

POA用于描述孔结构的复杂性。通常较小的POA值表示简单的几何形状，而该值较大表示复杂的孔隙系统。主要孔径尺寸(DOMsize)被确定为孔隙度占孔隙率的50%的孔径的上边界[17]。为了计算出这个参数，需要得出孔径面积累积曲线，即由小到大的增加孔径尺寸，并将他们的面积顺需求和。因此，累积面积曲线上占总面积50%的孔径阈值即是DOMsize。DOMsize描述了岩样的孔径范围，并给出了孔隙网络有效尺寸的良好指示。

孔体比(BTR)由从二维图像提取的主要孔径尺寸与孔径测量值相关联来确定[16,18]。这是DOMsize和临界孔喉大小(Rc)之间的比率：

(4)

颗粒圆度(γ)由颗粒的周长(C)与面积(A)之间的关系来确定，其计算公式为：

(5)

完美圆形的圆度值为1，且越接近于正圆圆度值越接近1。而γa反映了颗粒圆度的平均值，其值是由单个颗粒的圆度根据面积加权平均确定的。

(6)

2 结果

2.1 砂岩矿物特征及孔隙发育状况

图2 鄂尔多斯盆地吴起油田X区样品岩心及薄片

延10亚段样品呈细—中砂状结构，颗粒分选好，多呈点—短线接触。其主要矿物为石英，平均值49.1%；次要矿物为长石，平均值为16.3%。成分成熟度本区最低，Cm值为0.508～0.655，平均0.554。孔隙为少量原生粒间孔和粒内溶孔。喉道细小，多呈片状或弯片状。填隙物含量较高，包括黏土矿物、铁白云石及次生石英等，严重堵塞孔隙空间，孔隙连通性极差。

长4+5亚段样品呈中粗砂状结构，较少细砂，颗粒分选好，多呈短线接触。其主要矿物为石英，平均值49.4%；次要矿物为长石，含量相对较低，平均值为13.3%。成分成熟度较低，Cm值为0.429～0.977，平均0.630。原生粒间孔局部剩余，孔隙以粒间溶孔和粒内溶孔为主，见高岭石晶间孔。喉道呈点状，孔喉比较大。表明岩样原生孔隙虽遭压实作用破坏，但溶蚀作用在一定程度上改善了储层物性。填隙物含量较少，以黏土矿物和铁白云石为主。孔隙发育好—中等，连通性中等。

长6 样品呈细—极细砂状结构，含少量粗砂，碎屑颗粒略定向分布。其主要矿物为石英，平均为40.7%；次要矿物为长石，平均为18.1%。成分成熟度本区最高，Cm值为0.576～0.700，平均值0.656。孔隙发育较差，填隙物含量较高，以铁白云石和黏土矿物为主，见石英次生加大和菱铁矿。

2.2 孔隙类型及结构特征

在高分辨率电子显微镜下，4个亚段的样品显示出微观孔隙及结构特征上的巨大差异(图3)。

图3 鄂尔多斯盆地吴起油田X区样品扫描电镜特征

延9亚段样品整体来看原生粒间孔局部发育，孔道长宽比多大于3，呈筛管状，连通性较好。局部晶间孔和溶蚀孔发育，孔道长宽比较小，呈球状，数量较多，多数孤立分布彼此连通性差。发育少量自生矿物，如高岭石、绿泥石等。

延10亚段样品原生粒间孔不发育。次生孔隙有少量晶间孔和溶蚀孔，多呈球状，彼此孤立分布连通性差。填隙物含量较多，片状黏土矿物顺层理分布。部分颗粒表面发育绿泥石膜，且绿泥石含量较高。

长4+5亚段样品原生孔隙局部剩余，呈筛管装。次生溶蚀孔及晶间孔发育，可见粒表绿泥石、硅质纤维及其他溶蚀产物，伊利石或伊蒙混层发育蜂窝状晶间孔。显微构造见碎粒及石英破裂。表明该层段受压实及溶蚀作用较强。

长6亚段样品总体来看，粒间孔不发育。粒间次生矿物类型多样，有高岭石、伊利石及黄铁矿等，发育少量晶间孔。晶间孔多呈球状，彼此孤立，连通性较差。可见挤压面及擦痕，说明压实作用很强，且晶间孔已严重损失。

2.3 孔隙结构及分形维数

孔隙结构是指岩石所具有的孔喉的几何形状、大小、分布及相互连通关系[20]。根据12个致密砂岩样品的压汞(MI)测试可知，砂岩样品较常规储层相对致密，孔隙结构较复杂。孔隙度为3.6%～18.3%，平均值11.3%；渗透率为(0.003 2～61.269 5)×10-3μm2，平均值为5.769 ×10-3μm2。其中T-12样品裂缝发育，导致其渗透率出现异常高值(61.269 5×10-3μm2)，排除异常值后渗透率平均值为0.724×10-3μm2。孔隙度和渗透率之间存在一定程度的线性关系(R2=0.70，排除掉一组异常值)，这与前人的结论一致[21](图4)，表明砂岩样品随着孔隙度增大，孔隙结构变得简单，渗流特性变好。孔径相对较小，主要在0.01～10 μm。此范围内的孔径是压汞实验中汞进入岩样的主要通道和储集单元。

图4 鄂尔多斯盆地吴起油田X区样品孔隙度(φ)与渗透率(K)关系

孔喉结构参数可归结为3类，分别反映孔喉大小、分选、连通性。孔喉分布特征参数主要有分选系数(Sp)、歪度等[22]。根据压汞测试结果，从致密砂岩样品总体来看，分选系数平均0.670，歪度1.670，储层孔喉分选程度较好，分布较均匀。孔喉大小特征参数主要有最大孔喉半径及平均孔喉比等。从测试结果来看，样品的最大孔喉半径分布范围在0.027～12.570 μm之间，平均值为2.172 μm；平均孔喉比数值范围在1.885～11.667之间，平均值为3.519，表明样品孔喉半径偏小。喉道多呈片状和弯片状，孔喉比较大。孔喉连通性参数直接反映了储层的渗流能力，包括中值压力、退汞效率等。结果显示，样品的平均中值压力为32.204 MPa、平均退汞效率为24.911%，中值压力较高、退汞效率较低。结合电镜分析可知，原生孔隙剩余较少，晶间孔多不连通，孔喉迂曲度较高。反映储层孔喉连通性差、渗流能力较弱。

如图5所示，基于“J曲线”模型可以得出LnS与LnJ之间的关系，其斜率(k=D-2)即反映样品分形维数的大小。从图5可以看出，曲线分成斜率完全不同的两段，其中第一段(D1)的分形维数在3.0～9.0之间变化，而第二段(D2)的分形维数在2.0～3.0之间变化(表3)。从分形维数的定义上看，显然第二段曲线斜率反映了样品的真实孔隙结构特征。根据前人经验，第一段中分形维数与实际的偏差与压汞仪的分辨率有关，是水银侵入样品造成的误差，不能评估样品的孔隙结构特征。因此，分形维数(D2)可用于表征本研究中致密砂岩样品的分形特征。12个样品的分形维数结果如表1所示，所有相关系数均大于0.95，表明致密砂岩孔隙结构符合分形理论。分形维数D的分布范围为2.164～2.895，平均值为2.395。由于致密砂岩的分形维数越大，孔隙结构越复杂。因此，样品空隙结构相对复杂。

表3 样品分形维数计算结果

2.4 数字图像分析结果

利用数字图像分析技术(DIA)对铸体薄片图像、扫描电镜进行分析，获取样品的孔隙几何参数(表4)。其中孔径大小的范围为2.017～6.302 μm，平均值为4.012 μm，反映岩样的主要孔径尺寸较小，岩石致密。面积周长比的范围为536.580～1 854.432 mm-1，平均值为930.334 mm-1，表明孔隙结构相对复杂。孔体比是通过DOMsize与Rc计算得到的，其范围为0.108～37.352，平均值为11.50。颗粒圆度的范围为2.248～3.766，平均值为2.840。

3 讨论

3.1 分形维数与孔隙结构参数的关系

砂岩样品的分形维数D与孔隙度、渗透率均表现为负相关关系(R2分别为0.53和0.71)(图6a,b)。表明具有高分形维数的复杂孔隙结构势必会导致岩石的渗流能力下降，而孔隙度较大的样品，其原生孔隙剩余较多，溶蚀孔隙发育，黏土矿物等填隙物含量较少，孔隙连通性较好，孔隙结构也相对简单。平均孔喉半径(Ra)表示岩样孔喉半径的平均值。分形维数D和平均孔喉半径之间存在明显的负相关关系(R2=0.76)(图6c)。孔隙和喉道的特征决定了致密砂岩的孔隙结构特征，孔隙和喉道的直径越大，砂岩的孔隙结构越好。随着平均孔喉半径的增大，大孔相对发育，从而降低了孔隙结构的非均质性。分选系数(Sp)与分形维数D之间存在极强的正相关性(R2= 0.91)(图6d)。表明砂岩孔隙分选越好，均一性越强，孔隙结构的自相似性越高；反之，孔隙结构的自相似性越低，孔隙结构越复杂。退汞效率(We)是反映孔喉连通特性的重要参数，退汞效率与分形维数之间存在较弱的负相关(图6e)，表明复杂孔隙结构会影响退汞过程，导致流体在其中的渗流能力下降。

图6 样品分形维数与孔隙度(a)、渗透率(b)、平均孔喉半径(c)、分选系数(d)以及退汞效率(e)的关系

3.2 分形维数与孔隙几何参数的关系

图7反映了分形维数与孔隙几何参数的关系。POA与分形维数D存在很强的正相关关系(R2=0.85)(图7a)。POA的值本身表示孔隙的复杂性，这与分形维数D的意义是相近的，因此它们关系较强。POA值越小，则表明孔隙结构较简单，流体渗流越容易；反之孔隙结构越复杂，流体渗流阻碍越大。DOMsize与分形维数D存在较强的负相关关系(R2=0.72)(图7b)，表明占支配地位的孔径越大，孔隙结构也就越简单，这再次验证了前面的结论。BTR值表示有多少孔隙空间有效地用于流体流动。BTR值越高，则不可用于渗流的孔隙越多。BTR与分形维数D存在较好的正相关关系(R2= 0.62)(图7c)，这表明BTR值越小，参与渗流的孔隙越多，孔隙结构相对越简单。总体来看，致密砂岩岩样具有低DOMsize、高POA、较低BTR的特性，表明其孔隙结构相对复杂和非均质性较强的特点。

图7 样品分形维数与周长面积比(a)、主要孔径(b)以及孔体比(c)的关系

3.3 分形维数与沉积相的关系

沉积相对致密砂岩孔隙结构具有一定控制作用。已知颗粒圆度能够反映砂岩的结构成熟度。颗粒越圆，沉积物的结构成熟度越高。而常用石英与长石加岩屑的比值作为成分成熟度(Cm)的标志。因此，本次研究从成分成熟度和结构成熟度两方面，量化描述沉积相与分形维数之间的关系。

从整体来看，颗粒圆度与分形维数存在强正相关关系(R2=0.86)(图8)，这表明颗粒磨圆越差，结构成熟度越低，孔隙结构也会相对复杂。而Cm与分形维数关系不明显，这与本区储层岩石整体成分成熟度较低(平均值不足1)，单个样品之间差异不大有关。

图8 样品颗粒圆度与分形维数(a)和主要孔径的关系(b)

从各个层位来看，本区延9、延10、长4+5、长6 四个亚段，其分形维数平均值分别为2.197，2.648，2.307，2.427。γa平均值分别为2.363，3.436，2.615，2.944，与分形维数呈强正相关关系(R2=0.99)。而γa值与沉积环境密切相关。延9、长4+5、长6亚段分别为三角洲平原、前缘亚相沉积，因此整体磨圆较好。其中长4+5、长6亚段由于埋深较深，压实作用较强，部分颗粒变形甚至破碎影响了其整体圆度，这一现象在电镜中可以清晰地显示出来。而延10亚段为辫状河道沉积，且河道迁移迅速、稳定性差，因此其磨圆较差，结构成熟度较低。Cm平均值分别为0.631，0.554，0.630，0.656，与分形维数呈较弱负相关关系(R2=0.53)，从多个样品综合来看，Cm与分形维数具有一定相关性。而成分成熟度同样与沉积环境有关，延9、长4+5、长6亚段均为三角洲相，搬运距离较长、水流筛选作用较强，成分成熟度较高。而延10亚段为辫状河道相，搬运距离较短，水流筛选作用较弱，因此成分成熟度偏低。

3.4 分形维数与成岩作用的关系

成岩作用一般包括沉积物的压实作用、胶结作用、结晶作用、淋滤作用等。而在不同沉积相中，成岩作用对储层孔隙结构也有着不同程度的影响。

延9亚段储层埋深最浅，受压实作用影响较小。颗粒之间呈点—短线接触，原生粒间孔隙剩余较多。胶结作用主要表现为铁白云石胶结。溶蚀作用主要表现为两种，一种为长石、岩屑等不稳定颗粒溶蚀形成少量粒内溶孔；另一种为高岭石等不稳定填隙物溶蚀形成少量粒间溶孔。总之，溶蚀对储层的建设性改造作用较小。延9亚段储层因原生孔隙剩余较多、连通性较好，因此，孔隙结构相对简单，分形维数最低。

延10亚段同样埋深较浅，受压实作用影响较小。但其受沉积相影响较大，泥质杂基含量较多，铁白云石胶结严重堵塞孔隙。溶蚀作用类似延9亚段，粒间及粒内溶孔均少量发育。因此，孔隙结构复杂，分形维数本区最高。

长4+5亚段埋深较深，受压实作用严重影响，原生粒间孔仅局部剩余。该层溶蚀现象发育，扫描电镜下可见不稳定颗粒及填隙物被溶蚀形成的溶蚀产物，粒间溶蚀孔发育。且见硅质碎屑，表明受到了滨湖的波浪淘洗作用，对储层孔隙结构具有一定改善。因此，本区长4+5亚段孔隙结构相对简单，分形维数较低。

长6亚段埋深最深，压实作用影响最大，电镜下见明显擦痕及挤压面，孔隙发育极差。胶结作用以铁白云石胶结为主，严重堵塞孔隙空间。因其颗粒较细、压实严重，且填隙物以铁白云石和泥质为主，溶蚀现象不发育，溶蚀孔数量较少。因此，孔隙结构复杂，分形维数较高。

4 结论

(1)压汞测试表明，所选砂岩岩样孔隙结构较复杂，非均质性较强，属于致密储层。孔隙分形维数与孔隙度呈较好的负相关关系，与渗透率、平均孔径及分选系数呈强的负相关关系。

(2)数字图像分析结果表明，这些样品具有较强的非均质性和复杂的孔结构。分形维数与DOMsize呈强的负相关关系，与POA，BTR呈较好的负相关关系。

(3)分形维数还与岩石的沉积环境及成岩作用有关。不同沉积环境的砂岩其粒度、分选、磨圆及填隙物种类和含量都会有较大的差别，且不同沉积环境的岩石也会遭到不同成岩作用的改造，这都对岩石的孔隙结构产生较大的影响。因此，沉积环境及成岩作用的差异会导致分形维数的值发生较大变化。

(4)本区延9亚段层结构成熟度较高、成分成熟度较低，整体上物性最好；其埋深最浅，受压实作用影响小，原生孔隙较多，连通性好，因而分形维数最低。延10亚段结构成熟度、成分成熟度最低，物性最差；其受压实作用影响小，溶蚀孔隙不发育，因此，分形维数最高。长4+5亚段结构成熟度较高、成分成熟度较低，整体物性较好；其受压实作用较强，但溶蚀孔隙发育，因此，分形维数较低。长6亚段结构成熟度较低、成分成熟度较高；其受压实作用最强，铁白云石胶结严重，溶蚀现象不发育，因此分形维数较高。