喻　建，馬　捷，路俊剛，曹　琰，馮勝斌，李衛(wèi)成

(1．中國石油 長慶油田分公司，西安　710018； 2．西南石油大學 地球科學與技術學院，成都　610500)

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壓汞—恒速壓汞在致密儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)定量表征中的應用
——以鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)長7儲層為例

喻建1，馬捷2，路俊剛2，曹琰2，馮勝斌1，李衛(wèi)成1

(1．中國石油 長慶油田分公司，西安710018； 2．西南石油大學 地球科學與技術學院，成都610500)

摘要：鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)是典型的致密油氣富集區(qū)，儲層物性差，微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征復雜，孔喉結(jié)構(gòu)對油氣的富集和后期開采有較大影響。利用壓汞—恒速壓汞法探討華池—合水地區(qū)延長組長7致密砂巖儲層納米孔喉定量表征及孔喉體系中流體滲流特征。研究表明：研究區(qū)儲層排替壓力較高，平均喉道半徑較小，孔喉體積比及孔喉比較大，滲流能力差；不同物性巖樣的孔隙半徑分布范圍一致，喉道分布差異明顯，進汞飽和度隨孔隙個數(shù)的增多而增大；SHg—ΔSHg/ΔPc曲線能較好地反映進汞速率及孔喉結(jié)構(gòu)，致密儲層中納米級孔喉發(fā)育，且對儲層儲集及滲流能力有較大的貢獻；流體在注入過程中，首先進入孔隙主控區(qū)，緊接著進入孔喉共控區(qū)，最后進入喉道主控區(qū)；恒速壓汞在研究致密儲層孔喉結(jié)構(gòu)時不能反映納米孔喉特征，評價物性較好的儲層效果較好。

關鍵詞：致密儲層；微觀孔喉結(jié)構(gòu)；定量表征；壓汞；恒速壓汞；鄂爾多斯盆地

Application of mercury injection and rate-controlled mercury penetration in

隨著油氣勘探的進步及油氣資源的接替，致密油氣在油氣資源勘探中具有越來越重要的地位[1-4]，而儲層的微觀孔喉結(jié)構(gòu)直接影響油氣富集情況、后期開發(fā)難易程度及開發(fā)效果，因此，研究儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)定量表征方法具有非常重要的意義。國內(nèi)外學者做了大量研究，對儲層微觀孔喉結(jié)構(gòu)的研究也越來越重視定量化技術的應用，目前主要包括間接測量的氣體吸附法、壓汞及恒速壓汞法和直接觀測的場發(fā)射掃描電鏡法、CT掃描法等[5-11]。根據(jù)目前研究，場發(fā)射掃描電鏡及CT掃描能直觀地認識納—微米級孔喉的形狀、大小并構(gòu)建孔喉三維立體結(jié)構(gòu)[5-7]，卻不能反映流體在孔喉中的滲流特征；恒速壓汞不僅可測定孔隙和喉道的數(shù)量、半徑等信息，還能反映儲層流體滲流過程中的動態(tài)特征[8-10]。然而由于實驗壓力(最高進汞壓力通常為900 psi)的限制，只能反映大于0.12 μm(微米、亞微米級)的喉道及其控制的孔喉體系特征[11]，不能表現(xiàn)納米級孔喉的特征。因此，有必要對微觀孔喉結(jié)構(gòu)的定量表征做出更深入的研究。

此次研究主要在前人對壓汞、恒速壓汞技術應用的基礎上，結(jié)合壓汞壓力較大、能反映納米級孔喉體系特征的特點，著重探討了壓汞在納米級孔喉體系定量表征中的應用，及其在致密儲層評價中的優(yōu)缺點。并以鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)延長組長7致密儲層為例，對納米級孔喉體系進行了詳細的定量表征，旨在為研究區(qū)致密油藏微觀運聚機理研究及后期開發(fā)提供可靠的地質(zhì)基礎。

1研究區(qū)儲層基本特征

鄂爾多斯盆地是我國東部中—新生代典型陸相沉積盆地之一。華池—合水地區(qū)位于盆地次級構(gòu)造單元伊陜斜坡的西南部，該區(qū)上三疊統(tǒng)延長組地層為典型的河流—三角洲—湖泊相發(fā)育區(qū)。在底部主要沉積一套厚度大且穩(wěn)定、富含有機質(zhì)的黑色泥巖。由于河流注入，在其上部層段發(fā)育濁積砂體[12]。

研究區(qū)延長組長7儲層以細粒長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主。儲層致密，物性差，孔隙度主要分布在3%~12%之間，平均孔隙度為8.9%；滲透率主要分布在小于0.3×10-3μm2范圍內(nèi)，平均為0.15×10-3μm2?？紫额愋椭饕獮榱ｉg孔、溶孔等(圖1a，b)，喉道類型以片狀、管狀喉道為主(圖1c，d)。

圖1　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)

低滲透儲層內(nèi)孔喉按大小主要可分為微米級、納米級孔喉[13]。研究區(qū)長7油層為典型的致密儲層，排替壓力一般大于1 MPa，即喉道半徑以小于1 μm為主，按此前的分類標準幾乎均為納米級孔喉。此外恒速壓汞可以反映的是大于0.12 μm的孔喉體系特征。因此本文結(jié)合鄂爾多斯盆地地質(zhì)實際，參考國內(nèi)專家的劃分標準，將研究區(qū)長7致密油儲層孔喉分為微米級(>1 μm)、亞微米級(0.1~1 μm)和納米級(<0.1 μm)3類。

2微觀孔喉結(jié)構(gòu)定量表征

流體在復雜的孔隙系統(tǒng)中流動時，要經(jīng)歷一系列連通的孔隙和喉道。無論是油氣向孔隙介質(zhì)的二次運移(驅(qū)替沉積期所充滿的水)，還是在開采過程中油氣從孔隙介質(zhì)中被驅(qū)替出來，都要受到流動通道中最小截面(喉道)的控制[14]。因此，喉道的大小、分布及其幾何形態(tài)，是影響儲層滲流能力的重要因素。

通過對研究區(qū)長7砂巖儲層27塊砂巖樣品進汞曲線(圖2)的研究發(fā)現(xiàn)，喉道細小，排替壓力較高，主要集中在1~5 MPa；曲線的平緩段較長，各樣品在曲線過渡段的斜度并無明顯區(qū)別，孔喉分選均勻；微細喉道發(fā)育，中值壓力較大，并且部分樣品無中值壓力；最大進汞飽和度存在較大差異，主要集中在40%~80%，多數(shù)大于60%，儲層的非均質(zhì)性較強。

2.1孔喉大小及分布

圖2　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)

由于進汞過程中主要反映喉道半徑，因此通過不同半徑對其飽和度進行加權(quán)[14-15]：

式中：ri為某一區(qū)間孔喉半徑中值，μm；SHgi為某一孔喉半徑區(qū)間進汞飽和度，%。

計算得到研究區(qū)平均喉道半徑為0.068 2~0.433 5 μm，主要大于0.1 μm，平均為0.191 7 μm，喉道偏細，以微細喉道為主(表1)。另外，從表1中可以看出，孔隙度、滲透率隨平均喉道半徑的增大而明顯增大。因此喉道半徑直接控制儲層物性的好壞，也決定了油氣在儲層中儲集及滲流的能力。

表1　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)

對研究區(qū)長7儲層5塊不同孔隙度、滲透率巖樣進行恒速壓汞實驗分析表明：不同物性的樣品，其孔隙半徑分布基本一致，主要集中在100~250 μm，而不同半徑的孔隙個數(shù)存在明顯差異(圖3a)，孔隙半徑分布頻率卻無差異(圖3b)；不同物性的低滲透樣品喉道半徑分布存在較大差異，如陽測1井滲透率0.38×10-3μm2，喉道主要分布在0.2~0.8 μm范圍內(nèi)，而滲透率小于0.1×10-3μm2的樣品(寧52、陽測2、莊143井)的喉道主要分布于0.1~0.5 μm范圍，主峰位于0.3 μm左右(圖3c)，同樣不同物性的樣品的喉道半徑分布頻率也存在明顯差異(圖3d)。此外從分析中還發(fā)現(xiàn)板19、寧52、陽測1、陽測2、莊143井的進汞飽和度分別為45.13%，46.7%，59.89%，51.84%，35.96%，進汞飽和度隨孔隙個數(shù)的減少而降低。這充分說明，孔隙度的高低主要受孔隙個數(shù)的影響，與孔隙大小分布頻率關系不明顯；滲透率的好壞主要受喉道大小及分布頻率的影響，滲透率越大，粗喉道貢獻率越大(圖3e)。

圖3　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)

對比前文，由壓汞得到的平均喉道半徑為0.191 7 μm，恒速壓汞的喉道分布主峰位于0.3 μm左右，明顯大于儲層真實的平均喉道半徑。主要由于恒速壓汞壓力較小，所測得的孔喉有效半徑大于0.12 μm，不能反映納米級的孔喉結(jié)構(gòu)特征及分布，而對于致密油儲層來說，納米級孔喉對油氣的富集具有較大的貢獻。因此僅用恒速壓汞進行儲層微觀特征研究存在不妥。

2.2孔喉體積比及孔喉比

在壓汞和退汞曲線中，進汞曲線為巖石喉道體積與巖石孔隙體積之和，退汞曲線僅反映巖石喉道的體積，而殘余汞飽和度則反映巖石孔隙的大小，殘余汞主要存在于巖石孔隙中(圖4)。因此通過以下算式可以算出巖樣孔喉體積比[16]：

式中：bt為平均孔喉體積比；SR為殘余汞飽和度，%；Smax為最大進汞飽和度，%。

孔喉體積比越小，說明喉道較發(fā)育，滲透率越高，越有利于油氣的運移，孔隙中的油氣也越容易通過喉道被驅(qū)替出來；反之，孔喉體積比越大，滲透率低，不利于油氣的運移富集及后期開采。研究區(qū)長7儲層孔喉體積比一般分布在2~5范圍內(nèi)，平均為4.339(表2)。表明喉道空間較少，僅為總孔隙的18.7%，喉道相對較細，油氣難以流動。

圖4　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)

井號層位孔隙度/%滲透率/(10-3μm2)孔喉體積比板7長7213.60.2731.91城75長7211.90.1322.43里9長711.80.1233.97里94長7110.30.0733.16里96長729.30.0754.23木40長711.50.1343.69寧97長710.30.1113.89寧79長718.00.0512.27寧30長717.90.2056.89西79長7111.60.1197.29西68長7210.90.19210.6莊15長7110.00.0773.28莊89長719.20.0792.61莊97長7113.30.3084.52

孔喉比是孔隙與喉道半徑或直徑比，通常用其衡量孔隙開度的非均勻程度[17]，能較好反映孔隙、喉道的形態(tài)?？缀肀仍酱?，反映孔隙較粗而喉道相對細小，滲透率低，滲流能力差，油氣在其孔喉中不易流動；反之，滲流能力較好。如研究區(qū)5口井的孔喉比分布結(jié)果(圖5)，孔喉比分布范圍均較寬，陽測1井滲透率為0.38×10-3μm2，孔喉比主要分布于400~600范圍；板19井滲透率為0.175×10-3μm2，孔喉比主峰為350~800；寧52井滲透率為0.09×10-3μm2，孔喉比主要分布于500~900范圍；陽測2井滲透率為0.014×10-3μm2，孔喉比主峰為450~1 050。表明不同滲透性樣品的孔喉比分布差異明顯，滲透性越弱，孔喉比主峰越大。

圖5　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)長7巖樣恒速壓汞孔喉比頻率及累計頻率分布

2.3納米級喉道控制體積及微細喉道

由于實驗條件原因，恒速壓汞的壓力較低，不能測得小于0.12 μm的孔喉體系的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而壓汞在約50 MPa條件下就可以使流體進入喉道小至15 nm的喉道體系中。因此本文在此對壓汞曲線進行深入研究，探討其在納米級微觀孔喉結(jié)構(gòu)定量表征中的應用。

在壓汞過程中，汞的進入過程是先進入粗喉道控制的孔隙空間，然后再進入細喉道控制的孔隙空間，因而可以知道各喉道半徑區(qū)間對應的孔隙體積，由：

可以得到r=0.1 μm對應的毛管壓力，同樣可以在壓汞曲線上得到大于0.1 μm所對應的飽和度，因此可以得到大于0.1 μm孔喉體系體積，也就能求得納米級(<100 nm)孔喉體系體積(圖4)，從而得到納米級孔喉體系占總孔隙空間的比例。研究區(qū)長7納米級孔喉體系的比例分布于35.43%~87.77%，平均為60.65%(表3)。此外從表3中可看出，滲透率越大的巖樣，其納米孔喉體系的孔隙體積所占比例越小，即物性越好的儲層，其大于0.12 μm的孔喉體系比例就越大，因此恒速壓汞表征物性較好的儲層孔喉特征比致密儲層的效果更好。

在雙對數(shù)壓汞曲線中，雙曲線頂點就是在壓汞曲線上汞在巖石中開始形成一個連續(xù)且內(nèi)部連通良好的孔隙系統(tǒng)時的位置，此時，注壓使汞充填控制流動的內(nèi)部有效連通的整個主孔隙系統(tǒng)內(nèi)的孔隙，對應汞飽和度代表液體流動的有效空間部分。頂點處的孔喉半徑r頂點代表了內(nèi)部連通成有效孔隙系統(tǒng)的孔喉半徑[18]。ΔSHg/ΔPc表示單位變化壓力下進汞量的多少，即進汞曲線斜率的倒數(shù)，反映瞬時對應的孔喉體系進汞的難易程度，也就是說主要表現(xiàn)孔喉結(jié)構(gòu)特征。

表3　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)

從鎮(zhèn)97井壓汞資料可以看出，雙對數(shù)壓汞曲線(圖6a)中的r頂點與進汞曲線(圖6b)中的B點對應，此時對應的喉道為滲透率貢獻值最大段喉道半徑。進汞曲線(圖6b)的AB段比較平緩，同樣ΔSHg/ΔPc值迅速增大，在B點達到最大，反映此階段汞比較容易進入，孔喉較粗，連通性較好，該段為

圖6　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)鎮(zhèn)97井2 247.32 m砂巖壓汞曲線及SHg-ΔSHg/ΔPc關系

有效控制流體流通的主要空間；在BC段ΔSHg/ΔPc值快速遞減，進汞速率減小，對應的喉道半徑變小，滲透率貢獻值也在遞減，因此該段被稱為過渡段；在C點之后，ΔSHg/ΔPc值已經(jīng)變得很小，對應喉道半徑的滲透率很低，稱為微細喉道段；D點之后為納米級孔喉體系，對應進汞壓力的進汞速率基本上接近0，對滲透率貢獻值較低，不利于流體流動。總之，AC段是流體儲集及流動的主要空間。

研究中還發(fā)現(xiàn)微細孔喉體系隨滲透率的減小而向喉道半徑較小的方向移動，當滲透率低到一定時，微細孔喉體系的半徑小至100 nm以下(即圖6中的C、D點發(fā)生位置交換)；另外，鎮(zhèn)97井納米級孔喉體系的比例為35.43%。因此納米級喉道對儲層的儲集及滲流能力具有較大貢獻。

2.4流體體積與孔隙、喉道關系

在恒速壓汞的進汞過程中，界面張力與接觸角保持不變；汞液前緣經(jīng)歷的每個孔隙形狀的變化，都會引起彎液面形狀的改變，從而引起毛細管壓力的改變；汞侵入巖石孔隙的過程受喉道控制，依次由一個喉道進入下一個喉道。在這樣的準靜態(tài)過程中(汞的飽和度在一個瞬時可以認為不變)，當汞突破喉道的限制進入孔隙體的瞬時，汞在孔隙空間內(nèi)以極快的速度發(fā)生重新分布，從而產(chǎn)生一個壓力降落，之后壓力回升至把整個孔隙填滿，然后進入下一個喉道[10-11 ]。因此，恒速壓汞能準確地反映流體在孔喉體系中的滲流情況。

經(jīng)恒速壓汞分析表明，流體在注入過程中，先進入孔隙主控區(qū)(總進汞量曲線與孔隙進汞量曲線重合)，緊接著進入孔喉主控區(qū)(總進汞量曲線與喉道進汞曲線及孔隙進汞曲線分離)，最后進入喉道主控區(qū)(總進汞量曲線與喉道進汞量曲線重合，此時喉道的總進汞量曲線幾乎為水平直線)。在整個過程中，可以發(fā)現(xiàn)喉道的充注量變化不明顯，而孔隙的充注量發(fā)生明顯變化，流體進入過程中隨半徑的逐漸變細，進入量也由孔隙決定逐漸轉(zhuǎn)向由喉道決定(圖7)。在整個過程中，孔隙主控區(qū)是控制流體儲集及滲流的主要孔隙空間，孔喉共控區(qū)反映孔隙與喉道的配置關系。

同理，油氣在充注儲層孔喉時，首先進入相對較粗的喉道，以及和粗喉道相連的大孔隙中；然后進入喉道細小、孔隙較細的孔喉系統(tǒng)中；最后進入微細喉道、孔隙基本被束縛水控制的孔喉系統(tǒng)中，此時只有喉道中能充注油氣。

陽測1井、板19井滲透率大于0.1×10-3μm2，孔隙主控區(qū)位于喉道半徑大于0.3 μm范圍內(nèi)；寧52井、陽測2井滲透率小于0.1×10-3μm2，孔隙主控區(qū)位于喉道半徑小于0.3 μm范圍內(nèi)(圖7)。表明滲透率越高，孔隙主控區(qū)喉道半徑越大。

3結(jié)論

鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)長7儲層排替壓力較高，平均喉道半徑較小，平均為0.191 7 μm；納米級孔喉體系發(fā)育，所占空間比例分布于35.43%~87.77%，平均為60.65%；孔喉體積比較大，喉道細小且所占空間較少，僅為總孔隙的18.7%，滲流能力差；孔喉比較大，分布較寬，滲透率隨孔喉比增大而減小。

圖7　鄂爾多斯盆地華池—合水地區(qū)長7巖樣喉道半徑—進汞量關系

不同物性巖樣的孔隙半徑分布范圍一致且較寬，喉道分布差異明顯，進汞飽和度隨孔隙個數(shù)的增多而增大；SHg-ΔSHg/ΔPc曲線能較好地反映進汞速率及孔喉結(jié)構(gòu)，致密儲層中納米級孔喉發(fā)育，且對儲層儲集及滲流能力仍有較大的貢獻；流體在注入過程中，首先進入孔隙主控區(qū)，緊接著進入孔喉共控區(qū)，最后進入喉道主控區(qū)。另外，恒速壓汞由于壓力較小，不能反映納米孔喉特征，導致在研究致密儲層孔喉特征時比實際偏大，用于評價物性較好的儲層時效果較好。

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(編輯韓彧)

quantitative characterization of microscopic pore structure of tight reservoirs:

A case study of the Chang7 reservoir in Huachi-Heshui area, the Ordos Basin

Yu Jian1, Ma Jie2, Lu Jungang2, Cao Yan2, Feng Shengbin1, Li Weicheng1

(1.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi710018,China;

2.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

Abstract:Huachi-Heshui area in the Ordos Basin is a typical enrichment region for tight reservoirs. It has poor physical properties and complicated characteristics of microscopic pore throat structure, which has a great effect on oil and gas accumulation and exploitation.Mercury injection and rate-controlled mercury penetration were used to quantitatively characterize nanometer pore throats and to study fluid mobility characteristics in tight sandstone reservoirs in the seventh member of the Yanchang Formation (Chang7). The reservoir in the study area has high displacement pressure, low average throat radius, large pore/throat volume ratio, big pore throat and poor permeability. The distribution range of pore radius of rock samples with different properties is consistent, while the distribution of throat geometry among them is obviously different. Mercury injection saturation increases with the increase of pore numbers. The curve of SHg-ΔSHg/ΔPccan preferably reflect mercury injection velocity and pore throat structure. Nanometer throat pore sare well developed in tight reservoirs, which make a great contribution to reservoir capacity and permeability. In the course of injection, fluid first enters the main controlling area of the pore, then the common control area of pore and throat, and finally the main control area of the throat.Rate-controlled mercury penetration is useful for the reservoirs with good physical properties, but it can not reflect the characteristics of nanometer pore throats in studying the pore throat structure of tight reservoirs.

Key words:tight reservoir; microscopic pore throat structure; quantitative characterization; mercury injection; rate-controlled mercury penetration; Ordos Basin

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“中國陸相致密油(頁巖油)形成機理與富集規(guī)律基礎研究”(2014CB239005)和國家自然科學基金(41502146，41572137)聯(lián)合資助。

通信作者：路俊剛(1980—)，男，博士，講師，從事油氣地質(zhì)與地球化學研究及教學。E-mail:lujungang21@aliyun.com。

作者簡介：喻建(1965—)，男，博士，高級工程師，從事盆地油氣地質(zhì)綜合研究。E-mail:534203161@qq.com。

收稿日期：2014-08-27；

修訂日期：2015-09-10。

中圖分類號：TE122.2

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6112(2015)06-0789-07doi：10.11781/sysydz201506789