盧晨剛，張遂安，毛瀟瀟，趙迪斐

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 煤層氣研究中心，北京 102200； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102200；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102200； 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

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致密砂巖微觀孔隙非均質(zhì)性定量表征及儲(chǔ)層意義
——以鄂爾多斯盆地X地區(qū)山西組為例

盧晨剛1,2，張遂安1,2，毛瀟瀟3，趙迪斐4,5

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 煤層氣研究中心，北京 102200； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102200；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102200； 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

以鄂爾多斯盆地東部X地區(qū)山西組致密砂巖儲(chǔ)層為例，采用Matlab編程，提出鑄體薄片圖像面孔率提取的新方法，基于面孔率提出非均質(zhì)系數(shù)U定量表征微觀孔隙非均質(zhì)性，并討論非均質(zhì)系數(shù)U和儲(chǔ)層物性關(guān)系及微觀孔隙非均質(zhì)性的儲(chǔ)層意義。結(jié)果表明，X地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性強(qiáng)烈，微觀孔隙分布十分不均勻；非均質(zhì)系數(shù)U與孔隙度和滲透率均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，非均質(zhì)系數(shù)U越大，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越強(qiáng)，儲(chǔ)層物性越差，反之儲(chǔ)層物性越好；致密砂巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性控制著孔隙(儲(chǔ)集空間和滲流空間)的微觀發(fā)育特征，致密砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)系數(shù)定量評(píng)價(jià)有利于指導(dǎo)后期開發(fā)、開采中優(yōu)質(zhì)層位的圈定。

孔隙結(jié)構(gòu)；微觀尺度；非均質(zhì)性；致密砂巖；山西組；鄂爾多斯盆地

油氣儲(chǔ)層的非均質(zhì)性是指由于沉積環(huán)境、物源供應(yīng)、水動(dòng)力條件、成巖作用等的影響，油氣儲(chǔ)層在巖性、物性、產(chǎn)狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面都存在明顯的差異[1]，這種儲(chǔ)層油氣分布的不均勻受控于儲(chǔ)集條件的差異發(fā)育，由儲(chǔ)層自身的非均質(zhì)性控制[2-4]。近年來很多學(xué)者對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性進(jìn)行研究，將宏觀大尺度上碎屑巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性分為層間非均質(zhì)性、層內(nèi)非均質(zhì)性和平面非均質(zhì)性三類[5-11]。

層間非均質(zhì)性是油氣田開發(fā)主要研究問題，這種非均質(zhì)性常使用層間滲透率的變異、突進(jìn)、極差參數(shù)表征，微觀的孔隙非均質(zhì)研究較少，缺乏從毫米級(jí)、微米級(jí)、納米級(jí)探究砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)油氣富集影響。毫米級(jí)非均質(zhì)性主要表現(xiàn)為巖心內(nèi)部層理縫構(gòu)造與沉積層理構(gòu)造，微、納米級(jí)非均質(zhì)性主要表現(xiàn)在其研究尺度下可識(shí)別的礦物組分非均質(zhì)性、孔隙分布非均質(zhì)性[12-13]。

儲(chǔ)層非均質(zhì)性的定量表征有助于制定油氣田勘探開發(fā)方案和評(píng)價(jià)油氣藏產(chǎn)能潛力[14-15]，目前對(duì)孔隙非均質(zhì)評(píng)價(jià)多停留在定性描述階段，以測(cè)試法和圖像法為基礎(chǔ)建立的分形模型[16]，是一種在多種尺度下反映儲(chǔ)層非均質(zhì)程度的定量評(píng)價(jià)方法。測(cè)試法是利用高壓壓汞或液氮吸附測(cè)試數(shù)據(jù)，建立分形模型，采用分形維數(shù)量化表征儲(chǔ)層微觀孔隙的非均質(zhì)性[13,17-18]。圖像法通過提取孔隙二值圖像，對(duì)二值圖經(jīng)行測(cè)度關(guān)系求分形維數(shù)[19]，孔隙信息的準(zhǔn)確提取對(duì)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)具有關(guān)鍵作用。目前，圖像分形的測(cè)度是取薄片圖像的某一點(diǎn)為圓心進(jìn)行圓心區(qū)域統(tǒng)計(jì)，無法完整提取矩形圖像信息，且圖像法的孔隙提取是基于RGB圖像的二值化[14,20]，這種方法可能無法準(zhǔn)確區(qū)分孔隙與基質(zhì)顆粒，造成計(jì)算錯(cuò)誤。基于圖像法的儲(chǔ)層分形特征是指局部和整體間的自相似程度，通過分形維數(shù)定量描述儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布和相互配置關(guān)系，反映的是不同尺度間孔隙結(jié)構(gòu)的差異程度，而不能表征在同一微觀尺度下的非均質(zhì)[19]。為了彌補(bǔ)以上不足，需要尋求可以評(píng)價(jià)儲(chǔ)層非均質(zhì)性的新參數(shù)。本文以致密砂巖為例，基于新的鑄體薄片圖像孔隙提取方法，提出新的微觀孔隙非均質(zhì)性表征參數(shù)來討論儲(chǔ)層意義。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

1.1 樣品特征

實(shí)驗(yàn)致密砂巖樣品來自鄂爾多斯盆地東部X地區(qū)的山西組，主要為灰色中粒石英砂巖和淺灰色—灰色中粒巖屑石英砂巖；膠結(jié)方式為硅質(zhì)膠結(jié)、鐵白云石膠結(jié)等，可見菱鐵礦沿層理分布；粒度向上變化較小，見楔形交錯(cuò)層理與板狀交錯(cuò)層理，紋層面主要由巖屑構(gòu)成的層面顯現(xiàn)，為水下分流河道沉積。通過偏光顯微鏡可以觀察鑄體薄片(圖1)：碎屑顆粒主要為石英，顆粒支撐，膠結(jié)物包括硅質(zhì)、鐵白云石、高嶺石等；所受成巖作用主要是壓實(shí)和壓溶作用、溶蝕作用、膠結(jié)作用、交代作用，演化至晚成巖期C階段。

圖1 單偏光顯微鏡下鄂爾多斯盆地 X地區(qū)山西組致密砂巖儲(chǔ)層微觀特征Fig.1 Microstructure characteristics under single polarized light microscope of tight sandstone reservoirs in the Shanxi Formation, X area, Ordos Basin

1.2 微觀孔隙非均質(zhì)性發(fā)育特征

受沉積和成巖作用影響，微觀孔隙發(fā)育具有非均質(zhì)性，其非均質(zhì)性體現(xiàn)在孔隙分布、孔隙類型與形態(tài)特征等幾個(gè)方面。偏光顯微鏡下可見，孔隙類型主要為殘余粒間孔、溶蝕孔、高嶺石晶間孔等，其中以溶蝕孔和殘余粒間孔最為常見?？紫吨胁糠殖涮罡邘X石或石英加大邊，形成殘余粒間孔，直徑在100～300 μm之間，提供的儲(chǔ)集空間大，其形態(tài)受高嶺石和硅質(zhì)石英加大的影響呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)，非均質(zhì)性強(qiáng)；溶蝕孔直徑在100～400 μm之間，其形狀不規(guī)則，邊緣常呈港灣狀，由于溶蝕對(duì)象和溶蝕作用程度不同，溶蝕孔隙的部分也不均勻，非均質(zhì)性極強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)流程與結(jié)果

2.1 獲取鑄體薄片圖像

采用偏光透射微鏡及配套NIS-Elements F軟件，在單偏光模式下對(duì)致密砂巖樣品鑄體薄片進(jìn)行采集。第一步，在低倍鏡下選取典型的微觀觀測(cè)區(qū)域，獲取1張整體圖像；第二步，為了后期計(jì)算面孔率更精確，需要提高圖像分辨率，切換高倍物鏡，使用載物臺(tái)標(biāo)尺移動(dòng)薄片調(diào)整視野，獲取高倍鏡下9張(3×3，依次編號(hào)①～⑨)可以拼接成低倍鏡下整體圖像的圖像瓦片。

2.2 面孔率提取

面孔率的計(jì)算使用Matlab軟件進(jìn)行圖像處理。傳統(tǒng)采用二值化識(shí)別孔隙將RGB圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像，僅采用含有灰度信息的矩陣識(shí)別，在灰度轉(zhuǎn)換計(jì)算過程中會(huì)出現(xiàn)非孔隙的像素點(diǎn)計(jì)算值與孔隙像素點(diǎn)相同的問題，造成識(shí)別出錯(cuò)。為了解決這一問題，本次試驗(yàn)采用RGB三通道形成的三層矩陣識(shí)別孔隙(圖2)，從R、G、B3個(gè)通道同時(shí)限制孔隙的紅色范圍(根據(jù)注膠顏色取)，直接提取鑄體薄片圖像中孔隙像素。

圖2 二值化與RGB識(shí)別矩陣處理圖示Fig.2 Binary pattern and RGB recognition matrix processing diagram

鑄體薄片中孔隙鑄膠為紅色，圖像中孔隙紅色范圍的RGB范圍為P(可實(shí)際染色調(diào)整參數(shù)范圍)：

(1)

薄片圖像的一個(gè)像素點(diǎn)的RGB值滿足P則識(shí)別該像素點(diǎn)為孔隙。為了方便顯示，將識(shí)別為孔隙的像素點(diǎn)設(shè)置為0(黑色)，非孔隙部分像素置1(白色)，結(jié)果見圖3。統(tǒng)計(jì)圖像孔隙的像素點(diǎn)有k個(gè)，則圖像面孔率p為：

(2)

式(2)中m為圖像高度，矩陣的行數(shù)；n為圖像寬度，矩陣的列數(shù)；k為識(shí)別為孔隙的點(diǎn)數(shù)。

選取5塊致密砂巖樣品(S1～S5)，使用上述方法編程計(jì)算每個(gè)樣品鑄體薄片拍攝的整體圖像和9張瓦片的面孔率(表1)。為了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)5塊樣品進(jìn)行常規(guī)物性的孔隙度測(cè)試和滲透率測(cè)試，其值見表2。

3 討論

3.1 微觀孔隙非均質(zhì)性

致密砂巖儲(chǔ)層微觀尺度下非均質(zhì)性體現(xiàn)在礦物含量分布、孔隙特征等方面，隨著觀測(cè)尺度的減小，非均質(zhì)性顯著增強(qiáng)。以S1樣品為例討論孔隙非均質(zhì)性(圖4)，低倍鏡下整體圖像顯示薄片中礦物主要為石英顆粒和高嶺石集合體填隙，石英顆粒堆積散亂，其計(jì)算面孔率為1.53%；發(fā)育有殘余粒間孔、溶蝕孔、高嶺石晶間孔。高倍鏡下9張瓦片圖像面孔率分布在0.23%～4.6%間，面孔率分布區(qū)間較大，非均質(zhì)性強(qiáng)。

圖3 樣品S1基于Matlab孔隙提取結(jié)果Fig.3 Pore extract results of sample S1 by Matlab表2 鄂爾多斯盆地X地區(qū)山西組 致密砂巖樣品常規(guī)物性測(cè)試結(jié)果Table 2 Conventional physical properties of tight sandstone samples from the Shanxi Formation, X area, Ordos Basin

樣品孔隙度/%滲透率/10-3μm2S12．90．278S23．60．551S33．90．699S42．50．218S56．31．018

表1 鄂爾多斯盆地X地區(qū)山西組致密砂巖樣品面孔率計(jì)算結(jié)果

圖4 樣品S1整體圖像和瓦片圖像Fig.4 Overall and tile images of sample S1

瓦片①面孔率為1.8%，圖中主要為400～600 μm石英顆粒，硅質(zhì)膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)，存在少量殘余粒間孔和溶蝕孔；瓦片②面孔率為1.1%，圖中礦物主要是石英顆粒，部分高嶺石集合體，僅少量交代和溶蝕產(chǎn)生的孔隙；瓦片③為最小面孔率，僅0.23%，不足整體面孔率的1/5，圖中石英為主導(dǎo)礦物，僅殘留較少的殘余粒間孔和高嶺石晶間孔；瓦片④面孔率為1.6%，溶蝕孔和高嶺石晶間孔為主要孔隙貢獻(xiàn)；瓦片⑤面孔率為0.88%，主要為溶蝕孔，為儲(chǔ)層流體溶蝕礦物在顆粒間形成；瓦片⑥具有最大面孔率，為4.6%，超過整體圖面孔率3倍；瓦片⑥中發(fā)育大量的溶蝕孔和高嶺石晶間孔，溶孔邊緣呈不規(guī)則溶蝕港灣狀，高嶺石集合體中也存在溶蝕孔隙；瓦片⑦面孔率為0.63%，圖中石英為主要礦物，發(fā)育在石英的溶蝕過程和交代作用中；瓦片⑧面孔率為2.3%，溶蝕作用和交代作用提供孔隙，石英間伸長(zhǎng)型的孔隙發(fā)育好，貢獻(xiàn)大量孔隙；瓦片⑨面孔率為0.72%，圖中可見500 μm左右高嶺石集合體，孔隙主要是高嶺石顆粒間孔隙和石英間少量的殘余孔隙。

各種孔隙在各瓦片間的差異造成整體具有非均質(zhì)性，這種差異以各微區(qū)面孔率不同表現(xiàn)出來。而各瓦片面孔率的差異是由微觀成巖作用場(chǎng)的時(shí)空差異造成的[21]，面孔率高的瓦片其溶蝕作用十分發(fā)育，面孔率低的瓦片中以石英顆粒和硅質(zhì)膠結(jié)為主。

3.2 面孔率非均質(zhì)系數(shù)

實(shí)驗(yàn)樣品的非均質(zhì)性強(qiáng)，面孔率在薄片中的分布極其不均勻，面孔率在數(shù)值上離散性強(qiáng)(圖5)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)地質(zhì)學(xué)思想[22-23]，面孔率非均質(zhì)性在統(tǒng)計(jì)學(xué)角度是一種數(shù)值的離散性，概率統(tǒng)計(jì)用標(biāo)準(zhǔn)差定量評(píng)價(jià)一系列數(shù)據(jù)的離散性，因此可以用面孔率的標(biāo)準(zhǔn)差作為面孔非均質(zhì)系數(shù)U，定量反映非均質(zhì)性。

圖5 鄂爾多斯盆地X地區(qū)山西組 致密砂巖樣品面孔率離散圖Fig.5 Discrete figure of areal porosity of tight sandstone samples from the Shanxi Formation, X area, Ordos Basin

非均質(zhì)系數(shù)計(jì)算中的瓦片分割數(shù)量根據(jù)鏡下研究所需尺度進(jìn)行選擇，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)樣本群與標(biāo)準(zhǔn)差關(guān)系，同一圖像隨著非均質(zhì)尺度的減小，瓦片分割數(shù)量增加，U值在數(shù)值上增加，因此不同薄片的非均質(zhì)系數(shù)分析需要在相同尺度下進(jìn)行。采用式(3)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的9個(gè)瓦片進(jìn)行非均質(zhì)系數(shù)計(jì)算：

(3)

由式(3)計(jì)算得樣品S1至S5非均質(zhì)系數(shù)U依次為1.31，1.35，1.09，1.65，1.05。非均質(zhì)系數(shù)U越大，瓦片面孔率數(shù)值離散性越強(qiáng)，薄片中面孔表現(xiàn)為分布很不均勻，其非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層物性較差；反之非均質(zhì)系數(shù)U越小，瓦片面孔率數(shù)值分布較集中，薄片中面孔分布趨于一致，非均質(zhì)性弱，儲(chǔ)層物性較好。

3.3 非均質(zhì)系數(shù)與儲(chǔ)層物性關(guān)系

孔滲性是致密油氣儲(chǔ)層宏觀物性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，很大程度上受微觀孔隙的發(fā)育程度與非均質(zhì)

圖6 非均質(zhì)系數(shù)與孔滲關(guān)系Fig.6 Relationship between inhomogeneity coefficient and porosity

性的影響，利用非均質(zhì)系數(shù)表征儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，需要對(duì)非均質(zhì)系數(shù)U與儲(chǔ)層孔滲性的相關(guān)性進(jìn)行探討。圖6為非均質(zhì)系數(shù)U與儲(chǔ)層孔隙度及滲透率的相關(guān)關(guān)系圖，非均質(zhì)系數(shù)與孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6a)，相關(guān)系數(shù)R2=0.616 2，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越強(qiáng)，孔隙度越低；與滲透率也呈負(fù)相關(guān)(圖6b)，相關(guān)系數(shù)R2=0.726 7，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越強(qiáng)滲透率越低。非均質(zhì)系數(shù)U所表征的孔滲特征符合傳統(tǒng)非均質(zhì)性與孔滲關(guān)系的認(rèn)識(shí)：非均質(zhì)性越強(qiáng)，儲(chǔ)層物性越差。認(rèn)為非均質(zhì)系數(shù)U可以作為定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔隙非均質(zhì)性的參數(shù)。

3.4 非均質(zhì)性的儲(chǔ)層意義

基于致密砂巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性特征的認(rèn)知，提出致密砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)控氣理論，認(rèn)為：在沉積—成巖作用下，致密砂巖物質(zhì)組分和孔隙特征在微觀具有非均質(zhì)性，并且這種非均質(zhì)性對(duì)油氣富集、運(yùn)移具有控制作用。早期受沉積環(huán)境控制，致密砂巖儲(chǔ)層在物質(zhì)組分及原生孔隙發(fā)育程度上表現(xiàn)出差異性；后期在成巖作用控制下，發(fā)生原始堆積物質(zhì)和原生孔隙的改造，加劇這種非均質(zhì)程度。由于孔隙是主要的儲(chǔ)集空間和滲流空間，控制著流體的運(yùn)聚機(jī)理，各流動(dòng)單元的配置關(guān)系、比例、分布等非均質(zhì)特性對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力影響巨大。微觀尺度下致密砂巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性是主要的控制因素，決定了微觀儲(chǔ)集空間類型與分布特征、氣體賦存方式、氣體導(dǎo)通能力等儲(chǔ)層物性關(guān)鍵因素。微觀非均質(zhì)控氣理論通過量化非均質(zhì)特征進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，通過非均質(zhì)性系數(shù)U反映致密砂巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性變化規(guī)律，指導(dǎo)致密砂巖氣開發(fā)中優(yōu)質(zhì)層位的圈定與開發(fā)。

4 結(jié)論

(1)致密砂巖微觀礦物類型和微觀孔隙具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性特征，以鄂爾多斯盆地X地區(qū)山西組致密砂巖為例，孔隙的類型主要是溶蝕孔、高嶺石晶間孔和殘余粒間孔，微觀孔隙分布十分不均勻。

(2)通過直接提取鑄體薄片微區(qū)二值圖像，能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)面孔率的離散性，計(jì)算非均質(zhì)系數(shù)U進(jìn)而定量表征致密砂巖微觀孔隙的非均質(zhì)性。非均質(zhì)系數(shù)U與孔隙度和滲透率均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，非均質(zhì)系數(shù)U越大，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越強(qiáng)，儲(chǔ)層物性越差；反之，儲(chǔ)層非均質(zhì)性越弱，儲(chǔ)層物性越好。

(3)致密砂巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性控氣理論提供了通過非均質(zhì)系數(shù)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)致密儲(chǔ)層的新思路，可用于指導(dǎo)后期開發(fā)、開采中優(yōu)質(zhì)層位的圈定。

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(編輯 徐文明)

Quantitative characterization of microscopic pore heterogeneity in tight sandstones and its reservoir significance: A case study of the Shanxi Formation in X area, Ordos Basin

Lu Chengang1,2, Zhang Suian1,2, Mao Xiaoxiao3, Zhao Difei4,5

(1.CoalbedMethaneResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102200,China; 2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102200,China;3.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102200,China; 4.SchoolofResourcesandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China; 5.KeyLaboratoryofCBMResourceandReservoir-generatingProcess,ChinaMinistryofEducation,Xuzhou,Jiangsu221008,China)

This paper presents a new method to extract the face rate of casting a thin section image of tight sandstones from the Shanxi Formation in the eastern Ordos Basin based on Matlab software programming. A heterogeneity coefficientUis proposed according to face rate, which quantitatively characterizes microscopic pore heterogeneity. The reser-voir significance of the heterogeneity coefficientUand the relationship between reservoir physical properties and microscopic pore heterogeneity were discussed. The results show that the micro-heterogeneity of the tight sandstone reservoirs in X area is very strong and the micro-pore distribution is very heterogeneous. A larger heterogeneity coefficientUand a stronger reservoir heterogeneity is associated with poorer reservoir physical properties, and vice versa.The microscopic heterogeneity of tight sandstone reservoirs influenced the microscopic development characteristics of pore space (reservoir space and permeability). The quantitative evaluation of the heterogeneity coefficient of tight sandstone reservoirs can guide the selection of high-quality strata for production.

pore structure;micro-scale; heterogeneity; tight sandstone; Shanxi Formation; Ordos Basin

1001-6112(2017)04-0556-06

10.11781/sysydz201704556

2017-01-07；

2017-05-28。

盧晨剛(1994—)，男，碩士研究生，從事非常規(guī)能源勘探開發(fā)研究。E-mail: lcg.29@163.com。

國(guó)家“十三五”科技重大專項(xiàng)(2016ZX05066)和煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))開放基金項(xiàng)目 (2015-007)資助。

TE122.23

A