李易霖，張云峰，尹淑麗，叢 琳，閆 明，田肖雄

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318;2.非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油 新疆油田公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

致密砂巖儲集空間多尺度表征
——以松遼盆地齊家地區(qū)高臺子油層為例

李易霖1,2，張云峰1,2，尹淑麗3，叢 琳1,2，閆 明1,2，田肖雄1,2

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318;2.非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油 新疆油田公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

以松遼盆地齊家地區(qū)高臺子油層三、四段致密砂巖儲層為研究對象，利用納米與微米CT、自動礦物識別系統(tǒng)(QEMSCAN)、MAPS圖像拼接技術(shù)以及環(huán)境掃描電鏡(ESEM)等非常規(guī)測試新技術(shù)，從宏觀和微觀兩個尺度對齊家地區(qū)高臺子致密儲層空間進行表征。研究表明：①宏觀尺度下，儲層巖性主要以粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖為主；層理構(gòu)造多樣，以塊狀層理、槽狀交錯層理、楔狀層理和透鏡狀層理為主；砂泥間互特征明顯，層理構(gòu)造的多樣性增強了致密儲層的非均質(zhì)性，塊狀層理最有利于致密油富集。②微觀尺度下，孔隙具有微米-納米連續(xù)分布的特征，微米孔隙峰值主要集中在2～3 μm，納米孔主體孔喉分布在200～300 nm。不同三維建模區(qū)域孔喉空間分布及連通性特征具有明顯的微觀非均質(zhì)性；微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和微裂縫為主，孔隙度高值區(qū)對應(yīng)有機酸高值區(qū),存在較明顯的耦合關(guān)系，受溶蝕作用控制顯著。

納米孔喉；微米孔喉；微觀非均質(zhì)性；致密砂巖；齊家地區(qū)； 松遼盆地

致密油是指以吸附或游離狀態(tài)賦存于生油巖中,或存在于與生油巖互層、緊鄰的致密儲集巖中，未經(jīng)過大規(guī)模長距離運移，單井無自然產(chǎn)能,需要借助包括水平鉆井和水力壓裂在內(nèi)的增產(chǎn)技術(shù)進行開發(fā)的原油[1-4]。 致密油是繼頁巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)又一重大發(fā)現(xiàn)，被石油工業(yè)界譽為“黑金”[5]。以北美的威利斯頓盆地Bakken致密油[6]、德克薩斯南部Eagle Ford致密油[7]以及德克薩斯州中北部Fort Woth盆地Barnett致密油[8]為代表的致密油勘探開發(fā)獲得重大進展。國內(nèi)致密油資源豐富，主要分布在鄂爾多斯盆地延長組[9-10]、四川盆地侏羅系[11-12]、松遼盆地青山口組[13]、準噶爾盆地烏夏地區(qū)風(fēng)城組[14-15]和吐哈盆地侏羅系[16]等，勘探前景廣闊。以鄂爾多斯盆地延長組為典型代表，率先建成了國內(nèi)首個工業(yè)化生產(chǎn)致密油區(qū)。近年來，松遼盆地北部致密油勘探在齊家地區(qū)青山口組高臺子油層三、四段中取得了新突破[17]，成為大慶油田重要的接替資源。施立志等人對齊家地區(qū)高臺子油層三、四段致密油的地質(zhì)特征，形成條件，分布規(guī)律進行了深入研究[13]，而在致密砂儲層空間多尺度表征方面研究相對薄弱。中國致密油儲層以陸相沉積、分布面積相對小、物性差、多微-納米級孔隙以及非均質(zhì)性強等為主要特征[18-19]，有效開發(fā)面臨產(chǎn)量低、采收率低以及效益差等方面的挑戰(zhàn)[20-21]。常規(guī)儲層測試分析技術(shù)不能直觀反映儲層內(nèi)部孔吼大小、形態(tài)、分布與空間連通性，同時存在實驗周期長與實驗數(shù)據(jù)不全面等問題。恒速壓汞、高壓壓汞、Maps成像分析技術(shù)與微納米CT掃描技術(shù)等非常規(guī)儲層測試方法成為精細刻畫致密儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的主要解決手段[22]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，從宏觀和微觀兩個尺度揭示了松遼盆地齊家地區(qū)高臺子油層致密砂巖的非均質(zhì)性。致密砂巖儲集空間多尺度精細表征是揭示非常規(guī)油氣富集規(guī)律的基礎(chǔ)，同時也為致密儲層的有效開發(fā)與準確評價致密儲層甜點區(qū)提供了有力的技術(shù)保障。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于松遼盆地中央拗陷，主要包括齊家凹陷及龍虎泡-大安階地(圖1)，是一個區(qū)域鼻狀構(gòu)造背斜之上的穹隆背斜構(gòu)造，表現(xiàn)為西高東低的單斜形態(tài)，斷層走向為北北東向。臨近齊家凹陷的生油中心，油源充足，致密油主要分布在青山口組高臺子油層三、四段，為大型的河流三角洲平原-三角洲前緣沉積，源儲匹配關(guān)系好，為致密油形成提供了良好的地質(zhì)基礎(chǔ)[13]。

圖1 松遼盆地齊家地區(qū)地理位置[23]Fig.1 Location of Qijia area,the Songliao Basin[23](modified)

2 樣品與實驗

2.1 樣品分布與采集

對研究區(qū)30口探評井進行了3 100 m取心段觀察描述，利用巖心物性統(tǒng)計結(jié)果，優(yōu)選了齊家地區(qū)高臺子油層三、四段致密砂巖樣品，具有較強的代表性(表1)。

2.2 實驗

鑄體薄片等常規(guī)儲層測試分析技術(shù)已無法滿足致密砂巖儲集空間的研究需求。本次研究采用Maps成像分析實驗、QEMSCAN礦物識別分析實驗以及微納米 CT 掃描成像實驗等方法，綜合分析齊家地區(qū)高臺子油層致密砂巖儲集空間孔隙類型及成因。

2.2.1 Maps成像分析

Maps圖像拼接技術(shù)是利用美國FEI公司生產(chǎn)的Helios 650雙束電鏡,在選定區(qū)域內(nèi)掃描出數(shù)千張超高分辨率的大小相同的小圖像，利用小圖像拼接成一張超高分辨率、超大面積的二維背散射電子圖像(可任意縮放，便于觀察)(圖2)，最高分辨率達10nm。利用Maps圖像分析結(jié)果,可對二維尺度下的孔吼進行定性分析和評價，實現(xiàn)從微米-納米級多尺度連續(xù)定量表征，對致密砂巖微觀非均質(zhì)的研究至關(guān)重要，為準確認識致密儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

2.2.2 QEMSCAN礦物識別分析

利用美國FEI公司生產(chǎn)的QEMSCAN 650F礦物自動識別及分析系統(tǒng)(最高分辨率達1.2nm)，對樣品進行礦物種類分類、定量分析、礦物嵌布特征、礦物粒級分布以及礦物解離度等重要參數(shù)進行自動定量分析。通過QEMSCAN數(shù)據(jù)與MAPS成像分析結(jié)果疊加，可得到孔吼分布與礦物賦存的關(guān)系(圖3)。礦物定量識別及其空間分布，為地應(yīng)力、井筒穩(wěn)定性分析、工程力學(xué)甜點以及脆性評價等提供了巖石物理模型參數(shù)。

2.2.3 微-納米CT掃描

采用中國石油大學(xué)(北京)納米巖石物理實驗室MicroXCT-200型微米CT掃描儀和Ultra-XRM-L200型納米CT掃描儀，最高分辨率達 65 nm。利用avizo軟件內(nèi)置的先進數(shù)學(xué)算法，建立了松遼盆地齊家地區(qū)高臺子油層致密儲集空間三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(圖4，圖5)。微納米CT掃描技術(shù)與常規(guī)巖心測試手段相比具有結(jié)果直觀，數(shù)據(jù)豐富、簡單易行等優(yōu)勢，實現(xiàn)了巖石原始狀態(tài)無損三維成像，成為微觀刻畫致密儲層微納米孔隙結(jié)構(gòu)及微觀滲流模擬的主要解決手段。

表1 松遼盆地齊家地區(qū)高臺子油層樣品信息

圖2 松遼盆地齊家地區(qū)G933井Z1樣品Maps成像分析結(jié)果(圖像大小為17.96 mm×16.76 mm)Fig.2 MAPS imaging analysis results of Sample Z1 from Well G933 in Qijia area,the Songliao Basin(image size 17.96 mm×16.76 mm)

3 結(jié)果與討論

3.1 致密砂巖儲層宏觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.1.1 巖石學(xué)特征

齊家地區(qū)高臺子油層三、四段沉積期以三角洲相和湖泊相為主，砂體類型以水下分流河道、河口壩、席狀砂與濱淺湖為主，各類砂體在平面上分布范圍廣，砂體厚度大，連續(xù)性較好，平面分布穩(wěn)定[12，24]。巖心觀察描述結(jié)果顯示，①高三、高四段宏觀裂縫不發(fā)育，以層理縫、粒內(nèi)縫與粒緣縫等為主。②層理構(gòu)造多樣，可見塊狀層理(圖 6a)，槽狀交錯層理(圖 6b)，楔狀層理(圖 6c)與透鏡狀層理(圖 6f)，同時可見斜層理(圖 6h)，波狀層理(圖 6e)與平行層理(圖 6d)等，砂巖底部見沖刷突變面(圖6i)，砂泥間互特征明顯(圖 6l)。巖心內(nèi)部普遍存在的鈣質(zhì)膠結(jié)，可見動植物化石(圖 6j)，介形蟲等生物層(圖 6k)發(fā)育。大量巖心觀察結(jié)果表明，層理構(gòu)造使致密儲層增加了含油非均質(zhì)性。根據(jù)致密油的富集程度，將齊家地區(qū)高臺子油層三、四段劃分為油侵、油斑與油跡三種含油級別。塊狀層理含油性最好，有利于油氣的聚集，多見油侵(圖 6a)。

圖3 齊家地區(qū)松遼盆地G933井Z1樣品QEMSCAN分析結(jié)果Fig.3 QEMSCAN analysis results of Sample Z1 from Well G933 in Qijia area,the Songliao Basin

圖4 松遼盆地齊家地區(qū)G933井Z1樣品微米尺度下不同建模區(qū)域孔隙網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Micro scale pore model for different modeling zones in Sample Z1 from Well G933 in Qijia area,the Songliao Basin

圖5 松遼盆地齊家地區(qū)G933井Z1樣品納米尺度下不同建模區(qū)域孔隙網(wǎng)絡(luò)模型Fig.5 Nano scale pore model for different modeling zones in Sample Z1 from Well G933 in Qijia area,the Songliao Basin

圖6 松遼盆地齊家地區(qū)高臺子油層高三、高四段沉積層理構(gòu)造Fig.6 Sedimentary bedding structures of G3 and G4 members of Gaotaizi reservoir in Qijia area，the Songliao Basina.塊狀層理;b.槽狀交錯層理;c.楔狀交錯層理;d.平行層理;e.波狀層理;f.透鏡狀層理;g.包卷層理;h.斜層理;i.沖刷突變面; j.生物化石; k.介形蟲層;l.脈狀砂質(zhì)條帶

巖心觀察及巖石薄片鑒定結(jié)果顯示，齊家地區(qū)高臺子致密砂巖儲層巖石類型以長石巖屑砂巖和長石巖屑砂巖為主，巖性主要以粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖為主，普遍含油，砂泥互層現(xiàn)象較為明顯。利用美國FEI公司生產(chǎn)的QEMSCAN 650F礦物自動識別及分析系統(tǒng)進行礦物種類分類與定量分析，進而得到巖石中礦物的百分比含量信息。實驗結(jié)果表明，齊家地區(qū)高臺子油層致密砂巖樣品顆粒骨架由石英與鈉長石等構(gòu)成，平均面積百分比約為75.51%；填隙物主要以碳酸鹽膠結(jié)為主，膠結(jié)物主要為方解石，平均面積百分比約為8.46%，同時還伴有少量伊利石、綠泥石膠結(jié)(圖3)。膠結(jié)作用對致密砂巖儲層孔滲影響較為復(fù)雜，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，方解石含量與孔隙度呈明顯的負相關(guān)，受到烴源巖成熟后排出酸性流體的影響，部分方解石溶蝕可形成粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔等有效孔隙。

3.1.2 物性特征

利用132口探評井6216塊樣品，分別對松遼盆地齊家地區(qū)高臺子油層孔隙度和水平滲透率進行了統(tǒng)計，結(jié)果表明高臺子油層三、四段平均孔隙度為8.4%，小于10%的樣品約占40%。水平滲透率一般在(0.01～0.5)×10-3μm2，小于1.0×10-3μm2的樣品約占70%。參照我國石油天然氣行業(yè)物性分級標準SY/T 6285—2011，高臺子油層主要為低孔-超低孔、超低滲-致密儲層，物性較差。

3.2 致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

松遼盆地齊家地區(qū)高臺子致密儲層孔隙具有微米-納米級多尺度連續(xù)分布的特征，微觀非均質(zhì)性顯著，可分為高孔區(qū)、低孔區(qū)以及裂縫發(fā)育區(qū)三種分布類型(圖2)。對致密儲層孔隙半徑進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明微米孔隙主要集中在2～3 μm，約占總孔隙的30%，納米級孔隙也較為發(fā)育，主要集中在200～300 nm，約占總孔隙的20%(圖7)。利用微納米 CT掃描測試，進一步構(gòu)建致密砂巖儲層孔吼三維網(wǎng)絡(luò)模型，從而對致密儲層孔吼形狀、大小與分布進行定性分析與定量表征，綜合各項測試結(jié)果對致密油儲集空間孔隙類型及成因進行綜合分析。

3.2.1 微米級孔隙結(jié)構(gòu)

微米尺度下，對在相同建模尺度(300×300×300)pixel3下(分辨率1 μm)，選取典型區(qū)域進行三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建。不同三維建模區(qū)，對儲集空間微觀孔隙結(jié)構(gòu)進行定性分析和評價。分析結(jié)果顯示：①微米尺度下，建模區(qū)域最大孔隙度為10.1%，最小孔隙度為1.1%，平均孔隙度為6.58%，不同建模區(qū)域孔隙度有一定差異；②不同建模區(qū)域孔喉半徑分布范圍差異較大，孔喉半徑分布介于0.5～5.0 μm，主體孔喉半徑分布2～3 μm(圖8a)；③從建模a區(qū)到f區(qū)(圖4),孤立狀粒內(nèi)溶蝕微孔隙逐漸減少，條帶狀粒間溶蝕孔隙逐漸增多，連通性逐漸變好(圖4)。物性最差的a區(qū)，以孤立狀粒內(nèi)溶蝕微孔隙為主，孔隙大多不連通(圖4a)，物性最好的F區(qū)，以條帶狀的粒間溶蝕孔隙為主，連通孔隙占50%以上(圖4f)。

圖7 松遼盆地齊家地區(qū)G933井不同孔隙半徑頻率分布直方圖Fig.7 Pore radius distribution histogram in Sample Z1 from Well G933 in Qijia area,the Songliao Basin

3.2.2 納米級孔隙結(jié)構(gòu)

納米尺度下，同樣在(100×100×100)pixel3建模尺度下(分辨率65nm)，選取典型區(qū)域進行三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建。分析結(jié)果顯示:①建模區(qū)域最大孔隙度為10.1%，最小孔隙度為1.6%，平均孔隙度為6.45%，不同建模區(qū)域孔隙度有一定差異。納米級建模區(qū)域平均孔隙度和微米級建模區(qū)域平均孔隙度相差不大。②孔喉半徑分布介于30～250 nm，主體孔喉存在100～150 nm 和200～250 nm兩個峰值區(qū)(圖8b)。③微觀非均質(zhì)性與微米尺度基本相同(圖5)，不同的是納米尺度多以粒內(nèi)溶蝕孔隙為主，納米孔隙之間的連通程度受微裂縫控制明顯(圖5a)，微裂縫縫寬為200nm左右，延伸長度為4μm左右。

3.2.3 致密砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)類型與成因

利用微納米CT掃描成像技術(shù)與Maps成像分析技術(shù)同時結(jié)合鑄體薄片和ESEM(環(huán)境掃描電鏡)對松遼齊家地區(qū)高臺子致密油層孔隙類型(圖9)及成因進行了分析。結(jié)果表明，齊家地區(qū)高臺子三、四段儲集空間以粒間溶蝕孔隙(圖9a，f)、粒內(nèi)溶蝕孔隙(圖9d，e)和微裂縫(圖9b，c)為主。溶蝕型孔隙在CT二維灰度圖像上形狀不均勻，孔隙界面模糊；粒間溶蝕孔隙三維空間呈條帶狀分布；粒內(nèi)溶蝕孔隙三維空間多呈小球狀分布，長石和巖屑遭受的溶蝕作用明顯。微裂縫對滲透的貢獻作用明顯，納米孔隙之間的連通性主要受微裂縫控制。微米縫寬度為2.73～10.35 μm，平面最大延伸為1 700 μm。納米縫寬度為170 nm左右，延伸長度為4 μm左右。微裂縫主要分為構(gòu)造型微裂縫(圖9c)和溶蝕型微裂縫(圖9c)。構(gòu)造型微裂縫主要是由脆性物質(zhì)破碎而形成的狹小裂隙。利用X衍射確定了高三、高四段儲層全巖礦物成分，計算得致密層段脆性指數(shù)主體在45%～60%，易形成構(gòu)造型微裂縫。溶蝕型微裂縫及溶蝕型孔隙主要由中成巖階段產(chǎn)生的有機酸溶蝕作用引起，高三、高四段有機質(zhì)處于高成熟階段，孔隙水溶液中含有大量有機酸物質(zhì)，對巖石溶蝕較為強烈。

圖8 松遼盆地齊家地區(qū)G933井Z1樣品不同建模區(qū)域孔喉半徑分布Fig.8 Nano scale pore throat model for different modeling zones in Sample Z1 from Well G933 in Qijia area,the Songliao Basina.微米級孔喉半徑分布；b.納米級孔喉半徑分布

圖9 松遼盆地齊家地區(qū)高臺子致密砂巖儲空間孔隙類型Fig.9 Pore types of tight sandstone reservoir space in Qijia area，the Songliao Basina.粒間溶蝕孔隙，Z1，微米CT，粉砂巖；b.溶蝕型微裂縫，Z4，微米CT，泥質(zhì)粉砂巖；c.構(gòu)造型微裂縫，Z5，微米CT，泥質(zhì)粉砂巖；d.粒內(nèi)溶蝕孔隙，Z1，Maps成像分析，粉砂巖；e.長石沿解理溶蝕，粒內(nèi)納米孔，Z5，ESEM，粉砂巖； f.粒間溶蝕孔隙，Z3，鑄體薄片，單偏光，粉砂巖

4 結(jié)論

1) 宏觀尺度下，松遼盆地齊家地區(qū)高臺子致密儲層巖性主要以粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主；層理構(gòu)造多樣，以塊狀層理與槽狀交錯層理、楔狀層理、透鏡狀層理為主，其中塊狀層理最有利于致密油富集；砂泥間互特征明顯，沉積層理的存在，增加了致密儲層的非均質(zhì)性。

2) 微觀尺度下，齊家地區(qū)高臺子油層三、四段儲集空間以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和微裂縫為主，孔隙具有微米～納米多尺度連續(xù)分布的特征；微米孔隙峰值主要集中在2～3 μm，納米孔主體孔吼分布在200～300 nm；不同三維建模區(qū)域孔隙空間分布及連通性特征具有明顯的微觀非均質(zhì)性。

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(編輯 董 立)

Characterization of the pore space in tight sandstone reservoirs from macroscopic and microscopic perspectives:A case study of Gaotaizi reservoir in Qijia area,the Songliao Basin

Li Yilin1，2,Zhang Yunfeng1，2,Yin Shuli3，Cong Lin1，2,Yan Ming1，2,Tian Xiaoxiong1，2

(1. College of Earth Sciences,Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China;2.UnconventionalOilandGasReservoirFormingandExploitationKeyLaboratoryCultivationBaseCo-sponsoredbyProvinceandMinistry,Daqing,Heilongjiang163318,China；3.EngineeringTechnologyResearchInstituteofXinjiangOilfieldCompany，PetroChina，Karamay，Xinjiang834000，China)

Comprehensive analyses are conducted to characterize the Gaotaizi tight reservoir in Qijia area from macroscopic and microscopic perspectives,through Nano Micron CT,automatic mineral identification system (QEMSCAN),MAPS image mosaic technology,and environmental scanning electron microscopy (ESEM).From the macroscopic perspective,lithologies are mainly siltstone and argillaceous siltstone.The sedimentary bedding structures are diversified-massive bedding are the majority but cross-bedding,wedge bedding and lenticular bedding are also present.The obvious sand-shale interlayer and complicated sedimentary beddings commonly contribute to the heterogeneity of the tight reservoirs,even though the massive bedding is the most favorable for the enrichment of tight oil.The microscopic perspective reveals more interesting characteristics.Pores are continuously distributed in the micro to nano meter level,with the peak of micro pore sizes concentrated in the range of 2-3 μm,and that of nano pores around 200-300 nm.Microscopic heterogeneity can be obviously displayed in the pore-throat spatial distribution and connectivity features of different 3D modeling areas.The main pore spaces are intergranular dissolved pore,intragranular dissolved pore and micro cracks.Moreover,high porosity generally corresponds to high concentration of organic acids,indicating the controlling of porosity by dissolution.

nano pore-throat，micro pore-throat，microscopic heterogeneity，tight sandstone，Qijia area，Songliao Basin

2016-01-21;

2016-10-20。

李易霖(1988—)，男，博士研究生，沉積與儲層地質(zhì)學(xué)。E-mail:liyilindaqing @163.com。

張云峰(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，沉積與儲層地質(zhì)學(xué)。E-mail:yunfeng4510@163.com。

國家自然科學(xué)基金面上項目(41572132)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA064903)；黑龍江省自然科學(xué)基金項目(重點項目)(ZD2016007)。

0253-9985(2016)06-0915-08

10.11743/ogg20160613

TE122.2

A