基于孔隙结构表征的低渗透砂岩流体赋存特征及渗透率评价

摘要：以渤海湾盆地G油田古近纪低渗透砂岩储层为研究对象，综合铸体薄片、扫描电镜（SEM）、高压压汞（MICP）及核磁共振（NMR）分析探讨了孔隙结构及其对储层品质和流体赋存的影响。低渗透砂岩储层的孔喉大小分布范围广，微、纳米级孔喉共存，且普遍呈现双峰分布的特征。大孔喉系统主要由残余粒间孔和溶蚀扩大孔组成；而微小孔喉系统则主要由粒内溶孔和晶间孔构成。研究结果表明，孔喉连通能力及连通孔喉的体积分数是影响低渗透砂岩储层储集物性和流体赋存特征的关键因素。物性越好的砂岩储层中，连通性好的大孔喉（右峰）所占体积分数越高，储层渗流能力越强；反之，物性越差的储层孔隙系统则主要由连通性差的微小孔喉（左峰）主导，储层渗流能力较弱。束缚流体主要赋存在孔喉半径较小、微观连通性较差、分形维数较大的小孔喉系统中；而中、大孔隙系统的微观连通性好、分形维数较小，主要富集可动流体。研究还明确了半径最大的孔喉是影响低渗透砂岩储层渗透率和流体赋存特征的关键因素，并根据毛管压力曲线和核磁共振T2（横向弛豫时间）谱参数建立了两套适用于低渗透砂岩储层的渗透率评价模型。与经典模型（如Coates和Schlumberger Doll research（SDR））相比，新模型具有更好的有效性和适用性。

关键词：渤海湾盆地；低渗透砂岩；孔隙结构；储层质量；可动流体

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230056

中图分类号：TE122.2

文献标志码：A

Supported by the National Science and Technology Major Project Foundation of China （2016ZX05058001）

Fluid Occurrence State and Permeability Evaluation of Low-Permeability Sandstone Based on Pore Structure Characterization

Liu Zongbin， Li Chao， Lu Yan， Wang Ya， Huang Jianting

Tianjin Branch of CNOOC China Limited，Tianjin 300452，China

Abstract： This paper selected the Eocene low-permeability sandstones in the G oilfield， Bohai Bay basin as an example， and the influences of pore structure on reservoir quality and fluid occurrence were investigated by cast thin sections， scanning electron microscope （SEM）， mercury injection capillary pressure （MICP）， and nuclear magnetic resonance （NMR）. Due to a highly variable pore size distribution， micro-scale and nano-scale pore throats coexist. The pore-throat size distributions generally present bimodal behaviors. The large pore systems are mainly composed of residual intergranular pores and enhanced intergranular dissolution pores，while the micropore systems are dominated by intragranular dissolution pores and intergranular pores. The results indicate that pore connectivity is the key factor affecting the physical properties and fluid occurrence state of the low permeability sandstone reservoirs. The sandstones with better petrophysical properties have a high proportion of macroscopic pore throats （right peak） with good connectivity， and the permeability capacity of the sandstones is strong. In contrast， the pore systems of the sandstones with poor petrophysical properties are dominated by the microscopic pore throats （left peak） with poor pore connectivity， and the permeability capacity of the sandstones is weak. Bound fluids mainly exist in small pore systems with poor pore connectivity and large fractal dimensions， while large pore systems have good pore connectivity and small fractal dimensions and mainly contain movable fluids. The study also clarified that the permeability and fluid occurrence state of low-permeability sandstone reservoirs is mainly controlled by the relatively large pore throats in the pore network. It is revealed that the permeability prediction model based on MICP data and porosity derived from the “effective movable fluid method” provides a better estimation eect compared with the classic models （e.g.， Coates and SDR）.

Key words： Bohai Bay basin; low-permeability sandstones; pore structure; reservoir quality; movable fluids

0 引言

古近纪低渗透砂岩储层作为渤海湾盆地G油田最重要的储层类型之一，具有巨大的油气勘探开发潜力[12]。低渗透砂岩储层孔隙结构复杂、孔喉大小分布多变，微观非均质性强，导致储层评价及宏观预测难度大[3]。另外，复杂的孔隙结构极大程度地控制着流体在砂岩中的赋存状态及渗流规律[46]。因此，微观孔隙结构对油气藏评价及开发影响重大，决定着油气藏产能的差异分布及油田的开发效果。准确评价低渗透砂岩储层复杂孔隙结构，明确复杂孔隙结构对储层品质、流体赋存的控制作用，探知不同孔隙系统控制下的渗流特征及渗流规律，对储层精细评价、预测及提高采收率具有重大的理论和实际意义。

国内外学者[79]围绕微观孔隙结构特征，如孔喉几何形态、类型、大小分布、连通性及润湿性等开展了诸多研究工作。渗透率作为微观孔隙结构的宏观体现，也是评价储层质量和控制流体在储层中渗流行为的一个关键参数[1011]。目前，业内学者在渗透率评价方面开展了一些研究工作，并建立了用于渗透率评价的经验方程、模型等，主要包括Kozeny-Carman （KC）方程、PaRiS方程、Winland模型、Schlumberger Doll research（SDR）模型以及Coates模型等[1216]。这些模型在孔隙结构简单的中、高渗储层的渗透率评价方面取得了较好的应用效果。但对于低渗透砂岩储层，其复杂的孔隙结构系统和孔喉连通性是导致低渗透特性的重要因素，也是对渗透率评价起决定性作用的因素。以往的渗透率解释模型难以有效地刻画低渗透砂岩不同尺度孔喉及其连通性控制下的渗流特征差异。

本文综合铸体薄片、扫描电镜（scanning electron microscope， SEM）、高压压汞（mercury injection capillary pressure， MICP）及核磁共振（nuclear magnetic resonance， NMR）精细刻画了低渗透砂岩的微观孔隙结构特征。在此基础上，探究微观孔隙结构特征对储层品质和流体赋存的影响，建立适用于低渗透砂岩的渗透率预测模型，对低渗透砂岩储层流体流动机制研究、储层质量及非均质性评价具有重要意义。

1 区域地质概况

G油田位于中国渤海湾盆地的北东部（图1）。古近系沙河街组是G油田的重要含油气地层单元之一，自下而上可细分为4个沉积单元，即沙四段（Es4）、沙三段（Es3）、沙二段（Es2）、沙一段（Es1）（图2）。沙四上亚段（Es4s）是本研究的目标层段，其地层埋深为2 160 ～3 563 m，发育广泛滨浅湖滩坝

砂沉积体[1315]。岩性类型主要为细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩（图2）。由于受古地貌、古水流、古沉积物供应和古基准面变化的影响，砂体表现出复杂的横向迁移和纵向变化特征，储层宏观和微观非均质性强，而储层微观非均质性在很大程度上受控于微观孔隙结构。

2 储集空间与孔隙结构特征

2.1 储集空间特征

根据铸体薄片和扫描电镜的岩相学分析可知，低渗透砂岩的孔隙系统主要由次生溶孔、残余粒间孔隙、微裂缝和微孔隙组成，孔隙空间大小呈纳米级—微米级不等，相应的与孔隙连接的喉道类型也复杂多样。从铸体薄片岩相学观察结果来看（铸体薄片无法获取微孔隙体积分数），细砂岩平均总面孔率最高，孔隙系统主要由原生孔隙和次生溶孔组成；粉砂岩平均总面孔率次之，孔隙系统主要由次生溶孔组成；泥质粉砂岩的平均总面孔率最低，其孔隙系统主要由原生孔隙和次生溶孔组成（图3）。

由不稳定组分溶蚀产生的次生溶孔是研究区主导的孔隙类型。部分次生溶孔与残余粒间孔隙组成了扩大孔，显著地改善了孔隙系统的储集能力（图4a、b）。与残余粒间孔隙组成的扩大孔相连的喉道主要为孔隙缩小型和缩颈状喉道，而局部不完全溶蚀作用形成的粒内次生溶孔则多被微孔喉构成的管束状喉道连接（图4c），在铸体薄片的分辨率下呈孤立的死孔。

残余粒间孔隙主要分布于粒径较粗的细砂岩中，而在粉砂岩、泥质粉砂岩中少见。连接残余粒间孔隙的喉道以孔隙缩小型、缩颈状和片状喉道为主。孔隙缩小型喉道主要发育在颗粒支撑的细砂岩中局部颗粒之间不接触的位置（图4d）；缩颈状喉道多见于点接触、点线接触的砂岩中（图4e）；片状喉道常见于点接触、点线接触的砂岩中，喉道极细，是低渗透砂岩中最常见的喉道类型（图4f）。

微裂缝对砂岩储集空间的贡献较小（图4g），但微裂缝能够显著改善孔隙系统的连通性和渗流能力，也能够通过提供有效的孔隙流体渗流通道，促进溶蚀反应的进行，从而对储层品质的改造具有重要意义。

扫描电镜显示，微孔隙主要包括自生黏土矿物晶间孔（图4h）及长石、岩屑等碎屑颗粒不完全溶蚀形成的微孔隙（图4i）。自生黏土矿物晶间孔和碎屑颗粒溶蚀形成的微孔隙对提高储层孔隙度（φ）具有一定的促进作用，但由于微孔隙的孔径通常小于1 μm，对储层渗流性能基本没有贡献。

2.2 孔隙结构特征

2.2.1 孔喉大小及分布

研究区低渗透砂岩储层的孔隙结构复杂、类型多样，孔喉大小分布范围广，自微米级到纳米级均有发育（图5）。按照其在低渗透砂岩储层中的占比情况，可大致划分三类。

占比最多的孔隙结构毛管压力曲线在进汞阶段形态较陡峭，平缓段不发育，且排驱压力较高（图5a）。该类孔隙结构主要发育在泥质粉砂岩和粉砂岩中，所对应的储层储集物性较差（渗透率（k）多分布在1×10-3 μm2以下）。喉道半径大多小于1.0 μm（图5b），孔隙系统以小孔喉为主，大孔喉发

育较少，小孔喉、中孔喉和大孔喉所占的平均体积分数分别为77.94%，20.51%和1.55%（图5c）。

占比次多的孔隙结构的毛管压力曲线在进汞阶段曲线形态较平缓，同时表现出较高的排驱压力（图5d），表明孔隙系统以小孔喉为主。孔径分布范围较窄，孔喉半径基本在5.0 μm以下（图5e），且小孔喉、中孔喉和大孔喉所占的平均体积分数分别为29.03%，37.79%和33.18%（图5f）。该类孔隙结构主导的储层储集物性较好（渗透率多分布在1×10-3～10×10-3 μm2之间），主要发育在粉砂岩和细砂岩中。

占比最少的孔隙结构的毛管压力曲线在进汞阶段表现出一个较长的平缓段，具有较低的排驱压力（图5g），表明孔喉连通性较好。该类孔隙结构主要发育于细砂岩和粉砂岩中，所对应的储层储集物性最好（渗透率多分布在10×10-3 μm2以上），孔隙系统主要由大孔喉主导（图5h）。据统计分析，小孔喉、中孔喉和大孔喉所占的平均体积分数分别为24.22%，24.43%和51.35%（图5i）。

联合压汞核磁标定的方式获取了低渗透砂岩全孔径范围内的孔隙大小分布[1617]。如图6所示，基于核磁共振数据获取的孔隙大小分布特征与压汞获取的喉道大小分布特征整体呈现相同的趋势。当砂岩物性致密时（渗透率lt;0.1×10-3 μm2），孔隙和喉道均呈现单峰分布特征，以半径小于0.1 μm的小孔喉占绝对主导（图6a），储集空间主要由晶间孔和微孔隙组成（图4h、i）；随着渗透率增加，砂岩孔喉开始呈现双峰多峰分布特征（图6b、c），主要由残余粒间孔隙构成的半径大于1.0 μm的大孔喉也开始发育（图4a），但砂岩渗透率在小于5.0×10-3 μm2时，其孔喉系统仍是由小孔喉和中孔喉主导，其储集空间仍主要由晶间孔和粒内溶孔组成；随着渗透率增加，大孔喉开始占据主导地位（图6d、e），残余粒间孔（图4d）和粒间溶蚀扩大孔发育，孔喉分布开始向大孔喉绝对主导的方向演化（图6f）。

2.2.2 孔隙结构分形特征及表征

分形维数的概念是Mandelbrot于1977年首次提出的，其核心内涵是分形物体的自相似性不随着放大倍数或者尺度的变化而改变[18]。通过计算核磁共振和高压压汞数据的分形维数，可以定量地表征孔隙结构在几何学方面的不规则性和复杂程度，进而定量地评价孔隙结构的几何非均质性[1920]。

通过绘制进汞饱和度（SHg）和毛管压力（pc）的双对数交会图即可得到基于高压压汞数据计算的分形维数（D），lg（SHg）和lg（pc）交会图中的转折点实际上对应于Pittman交会图的apex点[13]（图7）。因此，rapex为区分较大孔喉系统与较小孔喉系统的孔径界限，将孔喉系统分割为分形特征截然不同的两部分[21]。根据毛管压力曲线计算的分形结果可知[1920]，较小孔喉系统（孔喉半径（r）＜rapex）的分形维数D2为2.1～2.8，平均值为2.3，而较大孔喉系统（r≥rapex）的分形维数D1变化较大，为3.4～6.5，平均值为4.7。因此，较大的孔喉系统要比较小的孔隙系统更为复杂，非均质性也更强，原因可能为大孔喉系统成因和几何形状更为复杂，而小孔喉系统通常为微孔喉，成因相对简单，几何形状相对规则。

从基于核磁共振实验获取的累积孔隙体积分数（PV）和横向弛豫时间（T2）的双对数交会曲线（图8）可以看出，随着横轴lg（T2）数值的增加，曲线的斜率逐渐减小，即孔隙半径增大，分形维数增大，这也与高压压汞实验得到的结论一致，即大孔喉相对于小孔喉具有更加复杂和非均质的几何学特征，从而呈现出更高的分形维数。

3 孔隙结构对储层品质的控制作用

孔隙度和渗透率是表征储层岩石物理性质的关键参数，分别反映了储层的储集能力和渗流能力。孔隙度和渗透率的大小及分布与孔隙结构密切相关，其中微观孔隙结构特征显著控制了渗透率的大小及其与孔隙度的对应关系[21]。由于压汞实验能够将储层微观孔隙结构参数与储层宏观物性参数联系起来，因此主要采用压汞参数来探讨孔喉连通性和孔喉大小分布对储集物性的影响。

3.1 孔喉连通性对储层物性的影响

定义Papex为较大有效连通孔喉（r≥rapex）所占的体积分数[21]。这些孔隙体积均由较大的连通孔喉组成，也对渗透率起主要贡献作用。回归分析表明，渗透率相同的砂岩样品的Papex变化范围较大，即渗透率不仅取决于连通孔隙的体积，还受孔喉连通能力的控制（图9a）。一般而言，孔喉半径越大，孔喉的连通能力越强。大孔喉和这些大孔喉连通的孔隙体积对控制储层质量起着重要作用。此外，渗透率与排驱压力和之间呈现出良好的负相关关系，即排驱压力越大对应最大孔喉半径越小，孔喉连通性越差，砂岩的渗流能力越差（图9b）。

为了更加定量、深入地表征具有差异连通性的不同半径的孔喉对储层物性的影响，对半径小于0.1 μm的孔喉和半径大于等于1.0 μm的孔喉所连接的孔隙体积占总孔隙空间的体积分数进行统计分析。在孔喉半径小于0.1 μm的孔喉主导的孔喉系统中，由于孔隙系统连通性差，储层渗透率较低，一般小于1×10-3 μm2，且在同等孔隙度下，呈现出的渗透率显著低于其他两种孔隙系统，常出现“相对高孔低渗”的现象；而在以半径大于等于1.0 μm的孔喉主导的孔隙系统中，孔隙空间连通性好，储层渗透率较高，多大于10×10-3 μm2，且在同等孔隙度条件下显示出最高的渗透率，常出现“相对低孔高渗”的现象（图10）。

3.2 孔喉大小分布对储层物性的影响

砂岩的最大孔喉半径（rmax）和中值孔喉半径（r50）与渗透率之间均存在很强的指数相关性（R2≥0.77，图11），表明孔喉大小分布在控制砂岩储层渗流能力方面起关键作用。泥质粉砂岩的最大孔喉半径基本小于1.0 μm（图11a），表明其孔隙系统由微孔喉主导。微孔喉在孔隙网络中普遍不连通或连通性很差，对渗透率贡献微乎其微，这是导致泥质粉砂岩样品出现“相对高孔低渗”的主要原因。此外，微孔喉通常赋存在黏土矿物中，而黏土矿物的结晶习性通常导致孔隙空间具有很高的迂曲度，不利于岩

石中的流体流动。与之相反，细砂岩往往具有较大的孔喉系统，细砂岩的中值孔喉半径一般大于0.5 μm（图11b），最大孔喉半径基本在1.0 μm以上（图11a）。细砂岩中的大孔喉系统通常与埋藏过程中保存较好的原生孔隙有关，这些原生孔隙孔径较大，更有可能被相邻的喉道连通，并在砂岩中形成连通的路径。即使这些较大的孔喉只占孔隙空间的一小部分，它们也对渗透率具有显著的贡献。

通过统计不同渗透率级别砂岩样品孔喉半径与绝对渗透率的关系可知：不同半径的孔喉对渗透率的贡献差异显著，随着孔喉半径的增大，其对渗透率的绝对贡献升高（图12）。对于渗透率大于1×10-3 μm2的砂岩，孔隙系统中需存在半径大于1.0 μm的孔喉，而渗透率大于10×10-3 μm2时，砂岩的孔隙系统中需存在半径大于4.0 μm的孔喉（图12），这也正是低渗透砂岩孔隙系统最大孔喉半径与渗透率存在强正相关性（图11a）的主要原因。因此，总的来说，连通的孔隙体积以及大孔喉的半径及体积分数控制了储层的渗流能力。

4 孔隙结构对流体赋存状态的影响

4.1 可动流体与束缚流体分析

核磁共振实验过程采用盐度为12 000 mg/L的氯化钠溶液对岩样进行饱含水处理，并采集100%饱含水状态下的核磁共振T2谱。以6 000 r/min的转速对饱含水的岩样进行离心处理，去除岩心柱塞中的自由水，然后再次测量以获得离心状态下的核磁共振T2谱。其中，饱含水的岩样中存在两种类型的流体[22]，即可动流体和束缚流体。离心后仍保留在黏土矿物微孔隙中或受毛细管力束缚而难以流动的流体称为束缚流体，其赋存的孔隙称为束缚流体孔隙[2324]。中、大孔隙内的流体由于受孔隙壁面岩石骨架作用力的影响较小，毛细管力对其束缚作用不大，主要富集可动流体。低渗透砂岩储层中的流体赋存状态与孔喉大小分布及连通性紧密相关：可动流体总是倾向于赋存在核磁获取的孔隙大小分布的右峰，即连通性好、较大的孔隙系统内，并且随着渗透率增加，右峰的可动流体孔隙占比显著增加，左峰的束缚流体孔隙占比逐渐增大（图13）。

4.2 可动流体赋存影响因素分析

低渗透砂岩储层强烈的微观非均质性，复杂多变的孔喉网络极大程度地控制着砂岩储层中流体的赋存状态，是影响砂岩储层中渗流行为的关键因素。

由于大孔隙通常具有更为复杂的几何形态，因而在核磁共振实验中，可动流体孔隙的分形维数（2.6～3.0）也明显大于束缚流体孔隙的分形维数（1.2～2.4）（图14a、b）。从核磁共振实验获取的分形维数来看：可动流体对应的大孔隙部分具有分形特征，且与渗透率具有较好的负相关性（图14a），表明可动流体孔隙的几何形态越复杂，越不利于流体在孔隙网络中的渗流；而束缚流体孔隙则不具有分形特征，其分形维数值与渗透率大小基本没有相关性（图14b）。此外，作为微观孔隙结构连通性的宏观表现，低渗透砂岩储层的渗透率和储层品质指数都与可动流体饱和度呈现出较好的正相关性，表明随着储层品质变好和储层渗透率的增大，储层孔隙系统连通性变好，流体的可动性也随之增大（图14c、d）。可动流体参数能够表征储层的储集能力和流体在岩石孔隙中的赋存特征，是评价储层储集、渗流性能的重要参数。

5 基于孔隙结构的渗透率评价

5.1 基于改进的Winland方程的渗透率评价模型

由于渗透率与孔喉大小分布之间存在很强的相关性，因此基于孔喉半径的渗透率预测模型通常表现出较好的预测效果[8]。Winland模型描述了渗透率、孔喉半径和孔隙度之间的关系，并指出常规储层的渗透率主要受r35和孔隙度的控制[9]。有关学者[10，12]对Winland方程进行了扩展和重新拟合，发现与渗透率拟合度最高的孔喉半径随着储层类型改变而变化。随着储层变得更加致密，最佳拟合半径向大孔喉方向转变。本研究通过对渗透率、孔隙度和间隔孔喉半径（r5～r50）的多元回归分析，建立了渗透率与间隔孔喉半径的多元回归方程。结果表明（表1），研究区低渗透砂岩储层的渗透率与r10的相关性最好。此外，研究还发现沙四上亚段储层的r10主要集中在0.1～5.0 μm之间，表明低渗透砂岩储层的渗透率主要受大孔喉系统控制。

如图15所示，预测渗透率与实测渗透率的拟合度较高，验证了该渗透率预测模型的有效性。此外，根据建立的经验方程，还可以通过渗透率和孔隙度反向预测所对应的孔喉半径。

5.2 基于可动流体孔隙度的渗透率评价模型

前文研究表明，砂岩中不连通或弱连通的孔隙对渗透率的贡献很小。因此，与总孔隙度相比，可动流体孔隙度（φm）更加适用于渗透率预测[11]，φm可以通过式（1）计算得到。φm与渗透率的回归分析表明，φm和渗透率之间存在很强的指数相关性（R2=0.92，表2）。因此，利用φm来预测渗透率是可行的，基于φm的渗透率预测模型如式（2）所示。

φm=φNSm；（1）

k=0.0423e0.7899φm。（2）

式中：φN为核磁共振孔隙度，%；Sm为可动流体饱和度，%。

如图16所示，基于可动流体孔隙度模型的渗透率预测值与实测值具有较高的吻合度。此外，与经典的Coates和Schlumberger Doll research（SDR）模型相比，可动流体孔隙度模型提供了更好的预测效果（表2，图16），表明新模型对于渗透率预测具有更好的有效性和适用性。

6 结论

1）低渗透砂岩储层的孔隙结构复杂、微观非均质性强，孔喉大小分布范围广，普遍呈现微、纳米级孔喉共存的多尺度分布特征。孔隙系统主要由次生溶孔、残余粒间孔隙、

微裂缝和微孔隙组成。其中，大的残余粒间孔和溶蚀扩大孔主要通过孔隙缩小型和缩颈状喉道相连，而粒内溶孔和微孔隙则主要通过管束状喉道连接。

2）储层的宏观物性极大程度上受控于微观孔隙结构。整体上，孔喉半径越大、连通性越好的孔喉对渗透率的贡献越显著。孔喉半径大于等于1.0 μm的孔喉所主导的孔隙系统对渗透率的贡献作用显著；而由不连通或弱连通的孔喉（rlt;0.1 μm）所主导的孔隙系统的渗透率值多小于1×10-3 μm2。束缚流体主要赋存在孔喉半径较小、微观连通性较差的小孔喉系统中；而中、大孔隙系统的微观连通性好，且孔隙内的流体受孔隙壁面岩石骨架作用力的影响较小，毛细管力对其束缚作用较小，主要富集可动流体。

3）低渗透砂岩储层的孔喉大小及连通性的非均质性强，渗透率主要受控于孔隙网络中半径最大的孔喉，r10是评价研究区低渗透砂岩储层渗透率的最佳孔喉参数。此外，考虑到砂岩储层的渗透率主要由大而有效连通的孔隙贡献，不连通或弱连通的孔隙对渗透率的贡献很小，构建了基于可动流体孔隙度的渗透率预测模型，相较于经典的Coates和SDR模型，展现出更好的预测性能。

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