戴亞威, 袁 珍, 武富禮, 李愛榮

西安石油大學(xué) a. 地球科學(xué)與工程學(xué)院, b. 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065

0 引言

近年來, 隨著全球?qū)τ蜌赓Y源需求的不斷增長,油氣勘探開發(fā)難度也不斷增加, 全球油氣勘探開發(fā)由常規(guī)資源轉(zhuǎn)向非常規(guī)資源[1]。 鄂爾多斯盆地上古生界盒8 段致密砂巖儲層勘探開發(fā)潛力較大[2], 具有超低孔、 超低滲的物性特征, 研究其儲層物性特征及微觀孔喉結(jié)構(gòu)對油氣勘探開發(fā)具有重要意義。 分形理論為法國數(shù)學(xué)家Mandelbrot 提出, 可以度量復(fù)雜形體的不規(guī)則性, 應(yīng)用于致密砂巖儲層, 可表征儲層孔喉的復(fù)雜程度, 通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn)和X 全巖衍射實(shí)驗(yàn)得到儲層物性、 孔喉特征和礦物成分等參數(shù), 并計(jì)算出儲層分形維數(shù), 進(jìn)而探究各影響因素與分形維數(shù)之間的關(guān)系, 分析影響儲層物性的條件, 為致密砂巖儲層的勘探、 開發(fā)及評價(jià)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地上古生界自下而上發(fā)育了石炭系—二疊系(圖1b) 的本溪組、 太原組、 山西組、 下石盒子組、 上石盒子組和石千峰組6 套地層[1], 二疊系下石盒子組盒8 段為上古生界致密砂巖氣藏主力含氣層系之一[3]。 G 井區(qū)位于盆地東南部(圖1a), 現(xiàn)今構(gòu)造面貌為近南北走向的不對稱單斜。 研究區(qū)盒8 段沉積相類型為三角洲前緣沉積[4], 地層厚度為50 ～71 m, 同時(shí)受南北物源控制, 以河口壩砂體和水下分流河道砂體為主要儲集體, 砂層厚度較大, 巖性以中—細(xì)砂巖為主, 儲層較為致密。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置和上古生界地層柱狀圖Fig.1 Structural location and stratigraphic column of Upper Paleozoic in the study area

2 儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)盒8 段儲層巖性以中砂巖、 細(xì)粒砂巖為主, 粒徑主要為0.2～0.55 mm, 分選較好, 磨圓度以次棱和次圓為主。 根據(jù)X 全巖衍射定量分析結(jié)果并做砂巖分類三角圖(圖2), 得出研究區(qū)儲層巖石類型有石英砂巖、 巖屑砂巖和巖屑石英砂巖[5]; 在填隙物中, 黏土礦物膠結(jié)物有伊利石 (2.5%)、 高嶺石(1.2%) 和綠泥石(1.3%); 碳酸鹽膠結(jié)物以方解石(1.2%) 和鐵方解石 (1%) 為主, 其次為白云石(0.3%) 和鐵白云石(0.15%); 硅質(zhì)膠結(jié)物平均體積分?jǐn)?shù)3.2%, 主要來源石英次生加大。

圖2 研究區(qū)盒8 段砂巖分類三角圖Fig.2 Triangulation of sandstone classification of He8 Member in the study area

2.2 孔喉特征

盒8 段儲層致密, 通過顯微鏡觀察統(tǒng)計(jì), 孔隙類型有原生孔隙和次生孔隙。 原生孔隙主要為殘余粒間孔(圖3a、 圖3b), 形狀通常為不規(guī)則多邊形, 且孔徑較小。 次生孔隙有溶蝕孔、 晶間孔和微裂縫, 溶蝕孔以粒間溶孔為主, 粒間溶孔顆粒邊緣凹凸不整, 呈半圓狀, 并殘留較多溶蝕后的碎屑顆粒(圖3a); 粒內(nèi)溶孔有長石溶孔和巖屑溶孔, 主要呈條帶狀(圖3c)。 晶間孔主要以黏土礦物晶間孔為主(圖3d、 圖3e), 此類孔隙較小, 連通性差, 對儲層物性貢獻(xiàn)有限; 顯微鏡下觀察到微裂縫較發(fā)育, 呈彎曲狀或鋸齒狀(圖3f、 圖3g), 大部分具開啟性, 有利于天然氣的運(yùn)移, 對儲層的孔隙度貢獻(xiàn)有限, 卻對儲層滲流能力改善作用較強(qiáng)。

喉道是孔隙之間連通的通道, 影響著儲層的滲流能力[6]。 按羅蟄潭教授得喉道分類, 研究區(qū)盒8 段致密砂巖儲層, 以縮頸喉道、 片狀喉道和彎片狀喉道為主(圖3h), 縮頸型喉道較少。

圖3 研究區(qū)盒8 段孔喉類型Fig.3 Pore-throat types of He 8 in the study area

2.3 物性特征

根據(jù)研究區(qū)盒8 段儲層巖心實(shí)測分析資料, 儲層孔隙度分布區(qū)間為1.5%～12.64%, 平均值為5.31%;滲透率為0.004×10-3μm2～0.964×10-3μm2, 平均值為0.101×10-3μm2, 孔隙度范圍值較大, 表明非均質(zhì)性較強(qiáng); 做孔隙度與滲透率散點(diǎn)圖(圖4), 發(fā)現(xiàn)有明顯的正相關(guān)關(guān)系, 相關(guān)性為0.590 1, 按照DZ/T 0217-2020 碎屑巖儲層分類標(biāo)準(zhǔn), 研究區(qū)盒8 儲層主要為特低孔—超低孔的致密砂巖儲層, 反應(yīng)了儲集性能力低、 滲流能力差的特點(diǎn)。

圖4 孔隙度和滲透率相關(guān)性圖Fig.4 Correlation between porosity and permeability

3 分形維數(shù)計(jì)算

分形理論是20 世紀(jì)70 年代由數(shù)學(xué)家Mandelbrot提出[7], 儲層的分形維數(shù)特征在一定程度上能夠反映儲層的孔隙類型、 孔隙結(jié)構(gòu)以及其儲集物性[8]。 分形維數(shù)數(shù)值在2～3 之間, 其值越大, 表明儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征越復(fù)雜; 反之, 值越小, 孔隙結(jié)構(gòu)特征越簡單。 基于高壓壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 并結(jié)合前人推導(dǎo)出的分形維數(shù)計(jì)算公式, 如下:

式中:S為潤濕相飽和度,S= 1-SHg,SHg為進(jìn)汞飽和度,Pmin為汞開始進(jìn)入孔隙的毛細(xì)管壓力,Pc為毛細(xì)管壓力,D為分形維數(shù)[9-10]。

根據(jù)上述公式(1), 通過研究區(qū)儲層高壓壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù), 對毛管壓力Pc和進(jìn)汞飽和度SHg進(jìn)行計(jì)算,做lgS和lgPc交會圖(圖5), 可計(jì)算出孔隙分形維數(shù)D。

圖5 研究區(qū)盒8 儲層典型樣品分形特征Fig.5 Fractal characteristics of typical samples from He 8 reservoir in the study area

通過分形特征曲線可以得出, 毛細(xì)管壓力和潤濕相飽和度的雙對數(shù)呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系[7], 相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9 以上, 曲線為一段式, 結(jié)合物性特征分析, 表明盒8 儲層以小孔隙的分形特征為主。 分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1, 分形維數(shù)范圍值為2.168 5～2.887 6,平均2.658, 分形維數(shù)比較大, 大部分大于2.5, 表明盒8 儲層的孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性[11]。

表1 研究區(qū)盒8 段樣品分形維數(shù)表Table 1 Fractal dimension table of He 8 samples in the study area

4 討論

4.1 分形維數(shù)和儲層物性的關(guān)系

儲層分形維數(shù)與儲層層內(nèi)非均質(zhì)性相關(guān), 影響著儲層的物性[9,12]。 一般來說, 非均質(zhì)性越強(qiáng), 孔喉結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 儲層的連通性越低, 儲層的物性越差。 在研究區(qū)盒8 段, 儲層的孔隙度和滲透率與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6), 分形維數(shù)隨儲層物性變差的而增大, 表明孔喉大小和孔喉復(fù)雜程度影響儲層物性。

圖6 分形維數(shù)與儲層物性關(guān)系Fig.6 Relationship between fractal dimension and reservoir material

4.2 分形維數(shù)和孔喉特征參數(shù)的關(guān)系

致密砂巖儲層的孔喉結(jié)構(gòu)特征受沉積作用和成巖作用等多因素的影響[13]。 通過變異系數(shù)、 中值壓力、中值孔喉半徑、 最大進(jìn)汞飽和度、 殘留汞飽和度和面孔率, 分析孔喉特征與分形維數(shù)的關(guān)系[14], 研究發(fā)現(xiàn)變異系數(shù)和中值壓力與分形維數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系, 孔喉中值半徑、 最大進(jìn)汞飽和度、 殘留汞飽和度及面孔率與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7)。

圖7 分形維數(shù)和孔喉特征參數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between fractal dimension and pore-throat characteristic parameters

變異系數(shù)可以反映孔喉大小分布的均勻程度, 變異系數(shù)為0.148 ～0.964, 平均為0.36, 其數(shù)值越小,孔喉分布越均勻, 研究區(qū)盒8 段儲層變異系數(shù)中等,表明孔喉結(jié)構(gòu)較復(fù)雜, 分形維數(shù)較高。

中值壓力作為油氣產(chǎn)出能力的標(biāo)志, 并受控于孔喉結(jié)構(gòu)特征, 孔喉結(jié)構(gòu)特征越復(fù)雜, 巖石越致密, 研究區(qū)盒8 段儲層的中值壓力為1.834 ～138.381 MPa,平均30.304 MPa, 表明樣本中值壓力較高, 且差異性較大, 樣本的中值壓力越高, 分形維數(shù)越大, 油氣產(chǎn)出能力也越差[15]。

孔喉中值半徑可以近似代表平均孔喉半徑, 其大小影響著儲層的滲流能力, 研究區(qū)盒8 段儲層孔喉中值半徑為0.005～0.424 μm, 平均值為0.132 μm, 孔喉中值半徑越大, 滲流能力越強(qiáng), 儲層非均質(zhì)性越低, 儲層孔喉越簡單, 分形維數(shù)越低。

最大進(jìn)汞飽和度表示在實(shí)驗(yàn)儀器達(dá)到注汞最大壓力時(shí), 汞所侵入的孔喉體積的百分?jǐn)?shù), 可以表征儲層的儲集性能[5], 研究區(qū)盒8 段儲層最大進(jìn)汞飽和度為40.13%～99.16%, 平均75.66%, 最大進(jìn)汞飽和度隨分形維數(shù)的增加而降低, 整體表現(xiàn)為較高的儲集性能。

殘留汞飽和度的大小可以近似反應(yīng)儲層的采出程度, 樣品殘留汞飽和度為28.97% ～67.18%, 平均48.55%, 殘留汞含量較高, 殘留汞飽和度隨分形維數(shù)的增加而減小, 表明研究區(qū)盒8 段致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 孔隙與喉道分布差異顯著, 大量孔隙中的滯留汞由于小孔的屏蔽效應(yīng)所造成采出程度較低[16]。

面孔率為孔隙面積占觀測視域面積的百分比, 研究區(qū)盒8 段樣品儲層面孔率為2.1%～9.5%, 面孔率大小隨分形維數(shù)增大而減小。

4.3 分形維數(shù)和礦物成分的關(guān)系

為進(jìn)一步研究影響分形維數(shù)的因素, 分析礦物成分及含量與分形維數(shù)的關(guān)系, 做散點(diǎn)圖(圖8), 得出分形維數(shù)與石英含量和硅質(zhì)膠結(jié)物含量呈負(fù)相關(guān),分形維數(shù)與長石含量、 巖屑含量和黏土礦物含量呈正相關(guān)[17], 分形維數(shù)與碳酸鹽膠結(jié)物含量無明顯相關(guān)性。

圖8 分形維數(shù)與礦物成分關(guān)系Fig.8 Relationship between fractal dimension and mineral composition

石英含量與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān), 石英含量越高,分形維數(shù)越小。 石英成分相對穩(wěn)定, 不易風(fēng)化變形,石英含量越高, 儲層抗壓實(shí)能力越強(qiáng)[18], 可以保護(hù)儲層中的粒間孔隙, 增大孔喉間的連通性。

通常長石含量與分形維數(shù)呈負(fù)相關(guān), 由于長石易被溶蝕產(chǎn)生溶蝕孔隙, 使儲集空間增大, 改善滲流能力, 降低非均質(zhì)性。 研究區(qū)盒8 段儲層長石含量與分形維數(shù)呈正相關(guān), 長石含量越高, 分形維數(shù)越大, 結(jié)果與前人認(rèn)識相反, 其原因?yàn)楸緟^(qū)長石含量較低, 且長石溶蝕作用遠(yuǎn)小于長石向黏土礦物轉(zhuǎn)化作用, 長石溶蝕孔隙的發(fā)育有利于黏土礦物的保存, 黏土礦物充填于孔喉間[7], 導(dǎo)致孔喉堵塞, 使分形維數(shù)增大[19]。

巖屑含量與分形維數(shù)呈正相關(guān), 巖屑含量越高,分形維數(shù)越大。 巖屑含量的增加, 導(dǎo)致孔隙和喉道被小顆粒的巖屑填充和堵塞, 使儲層物性變差, 分形維數(shù)增大[20]。

碳酸鹽巖含量與分形維數(shù)無明顯相關(guān)性。 早期的碳酸鹽膠結(jié)物對儲層有降低孔隙度和保留儲集空間的作用, 后期溶蝕作用溶蝕前期形成的碳酸鹽膠結(jié)物,從而對儲層物性具有雙重作用。

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)盒8 段儲層為三角洲前緣沉積, 巖性以中—細(xì)粒砂巖為主, 粒徑主要為0.2～0.55 mm, 分選較好, 磨圓度中等偏好; 儲集空間總面孔率平均為3.35%, 類型以次生孔隙為主, 喉道類型為縮頸喉道、 片狀喉道和彎片狀喉道等, 孔隙度和滲透率較低, 儲層物性較差。

(2) 研究區(qū)盒8 段儲層分形特征曲線為一段式,表明孔隙以小孔為主, 分形維數(shù)較大, 普遍大于2.5,表現(xiàn)出較復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu), 非均質(zhì)性較強(qiáng)。

(3) 分形維數(shù)與儲層物性及孔喉特征參數(shù)有較好的相關(guān)性, 分形維數(shù)越小, 儲層物性越好, 孔喉的分選越好, 孔喉中值半徑越大, 儲集性能越高, 對應(yīng)采收效率越高; 分形維數(shù)與石英含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 石英提高抗壓實(shí)能力, 有效的保護(hù)粒間孔隙, 分形維數(shù)與長石、 巖屑和黏土礦物含量存在正相關(guān), 長石溶蝕作用遠(yuǎn)小于長石向黏土礦物轉(zhuǎn)化作用, 長石含量越高, 轉(zhuǎn)化的黏土礦物量越多, 導(dǎo)致儲層物性降低; 巖屑充填于孔隙, 并堵塞喉道, 使孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 使儲層物性變差。 礦物成分及含量是影響儲層質(zhì)量的內(nèi)在因素, 決定了與分形維數(shù)關(guān)系。