于 波

0 引言

隨著常規(guī)油氣藏資源日漸匱乏，低滲和致密砂巖天然氣資源越來越受到重視，致密砂巖氣作為一種重要的接替性資源，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［1－4］。致密砂巖氣是指儲層氣體滲透率小于1×10－3μm2的天然氣，其經(jīng)濟(jì)開發(fā)必須經(jīng)過大型水力壓裂或者采用水平井、多分支井技術(shù)［5－6］。最新資源評價(jià)結(jié)果表明鄂爾多斯盆地致密砂巖氣資源量為10．37×1012m3，累計(jì)地質(zhì)儲量約為3．53×1012m3，勘探實(shí)踐及大量實(shí)驗(yàn)分析表明鄂爾多斯盆地上古生界砂巖主要為致密砂巖氣藏，其含氣層段集中在下石盒子組的盒8段和山西組山1，山2段［7］。致密砂巖氣藏儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，滲流特征并不遵循達(dá)西定律，并具有特殊的氣水分布形式，這些特性使得氣藏單井產(chǎn)量低、遞減快、采出程度低，根本原因在于其微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的特殊性［8－10］。因此，研究分析其儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征，分析孔隙和喉道特別是幾何形態(tài)、大小、分布特征及其互相連通關(guān)系，對于油氣儲層評價(jià)、氣藏分布預(yù)測及氣藏開發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。

1 孔隙類型及分布特征

一般常用儲層巖心實(shí)驗(yàn)、顯微鏡薄片觀察、常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)以及更為精確的恒速壓汞實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行儲層孔隙微觀研究。其中常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)方法是應(yīng)用最廣泛、也是最便于操作的直觀反映儲層孔隙空間展布特征的方法之一［11－16］。文中通過砂巖鑄體薄片顯微鏡下觀察，結(jié)合掃描電鏡觀察致密砂巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，所觀察的212塊砂巖樣品均來自鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲層的盒8，山1和山2段。

通過掃描電鏡觀察儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示為盒8段和山2段的石英孔隙結(jié)構(gòu)掃描圖。掃描結(jié)果顯示盒8，山1，山2層段的的主要孔隙類型是粒間孔隙、粒內(nèi)溶孔、晶間孔和微裂縫，但所占比例差別比較大。如圖1顯示出盒8段和山2段孔隙結(jié)構(gòu)以粒間溶孔含量最高。

圖1 上古生界氣層砂巖盒8段和山2段孔隙結(jié)構(gòu)Fig．1 Pore structure of He 8 and Shan 2 sections，the Upper Paleozoic gas reservoir

實(shí)驗(yàn)還得到盒8段和山1段砂巖總面孔率約為3．6%，山2段總面孔率約為6．6%．不同孔隙類型所占面孔率比例如圖2所示。

圖2 上古生界氣層砂巖不同類型孔隙所占比例Fig．2 Ratio of different pore types in the Upper Paleozoic gas reservoir sandstone

從圖2可以看出，盒8和山1的主要孔隙類型是粒內(nèi)溶孔和晶間孔，兩者之和占到了90%以上，而粒間孔含量較少，部分區(qū)域微裂縫發(fā)育。山2最主要的孔隙類型是粒間孔，所占比例為58．8%，晶間孔和粒內(nèi)溶孔所占比例相當(dāng)，山2比盒8和山1整體上微裂縫更為發(fā)育，但差別不大。

2 孔喉結(jié)構(gòu)特征

砂巖孔隙結(jié)構(gòu)是指孔隙和喉道2個(gè)基本因素的大小、形態(tài)及分布連通演化特征。壓汞技術(shù)是測定致密油儲層巖樣的孔喉大小及分布的重要手段，通過加壓使汞進(jìn)入巖石孔隙，壓力越大，汞能夠進(jìn)入巖石的孔半徑越?。?7－18］。

2.1 孔喉結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

定量表征儲層孔喉結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要包括孔喉大小、分選、連通性及控制流體運(yùn)動等參數(shù)［19－20］。利用壓汞法對鄂爾多斯盆地石盒子組35個(gè)樣品和山西組52個(gè)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果見表1．

從表1可以看出，大部分砂巖樣品的儲集性能較差，石盒子組樣品的最大孔喉半徑和孔喉半徑平均值相對山西組樣品較好，但其孔喉分選性較差，中值孔喉半徑小于山西組樣品。整體上上古生界儲層毛管壓力參數(shù)變化較大、毛細(xì)管壓力偏高，孔隙結(jié)構(gòu)普遍具有大孔隙、小喉道、孔喉連通性差及非 均質(zhì)性較強(qiáng)等特征，為低孔低滲致密儲層。

表1 鄂爾多斯盆地上古生界氣層砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Tab．1 Pore structure characteristic parameters of Upper Paleozoic gas reservoir

2.2 毛管壓力曲線特征

毛管壓力曲線的形態(tài)變化受控于孔隙分布歪度、孔隙分選性等綜合因素，一般有單一或多個(gè)臺階形態(tài)，也有不規(guī)則形態(tài)。以所取87個(gè)巖心樣品的毛管壓力曲線形態(tài)和參數(shù)特征，可將研究區(qū)毛管壓力曲線特征劃分為4種類別。

表2 砂巖孔隙結(jié)構(gòu)毛管力壓力曲線類別Tab．2 Types of pore structure of sandstone capillary pressure curve

研究區(qū)所取巖心的毛管壓力曲線形態(tài)的4種類別特征分別如圖3所示。

由壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及毛管壓力曲線可以表明，石盒子組砂巖的儲集性能整體比山西組好，排驅(qū)壓力低，粗孔喉占比例較大，Ⅰ類和Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)的儲層較為發(fā)育;山西組則以Ⅱ類和Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)的儲層為主。

3 成巖作用對孔隙特征的影響

巖石在沉積過程中，會因?yàn)槌练e環(huán)境變化而伴隨發(fā)生成巖作用，所形成的孔隙空間也因此不斷發(fā)生變化，其空間展布規(guī)律也隨之改變［11］?，F(xiàn)針對研究區(qū)儲層分析成巖作用對孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 壓實(shí)作用

研究區(qū)域的上古生界山西組含煤較多，因而儲層較軟。其中千枚巖和泥巖是主要的巖屑成分［21］。這也決定了山西組儲層很容易受到壓實(shí)作用的影響而進(jìn)一步壓縮其孔隙空間，特別是儲層圍壓變化十分頻繁的成巖作用早期，壓實(shí)作用是最為顯著的壓縮儲層孔隙空間的主要作用。

對不同層段提取的巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到了研究層段的孔隙度數(shù)據(jù)，以及受因不同成巖類型作用而發(fā)生的孔隙度變化數(shù)據(jù)，見表3．

表3 盒8，山1，山2受到成巖作用影響發(fā)生的孔隙度變化Tab．3 Changing porosity of He 8，Shan 1 and Shan 2 during diagenesis %

圖3 所取巖心4種類別毛管壓力曲線形態(tài)Fig．3 Four types of capillary pressure curve of the core

從表3可以看出，成巖作用使得山2的孔隙度減小86．1%，大于山1的85．6%和盒8的83．1%．對比3個(gè)層段的數(shù)據(jù)，壓實(shí)作用對于盒8的孔隙度影響最小，而膠結(jié)作用和溶解作用對于盒8孔隙度的影響最大。對比3種成巖作用對儲層孔隙度的影響可以發(fā)現(xiàn):壓實(shí)作用對于孔隙度影響相對最大，而溶蝕作用影響相對最小。

3.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)儲層主要有3種膠結(jié)作用:粘土膠結(jié)、硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)。其中，粘土礦物膠結(jié)作用形式比較多樣，其分布主要是碎屑的邊緣，也有如伊利石或者高嶺石填充粒間并不斷的發(fā)育占據(jù)更多的孔隙空間。同時(shí)高嶺石也會產(chǎn)生晶間微孔隙，并提高了儲層的耐壓能力，有助于改善孔隙結(jié)構(gòu)。硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽礦物膠結(jié)對于儲層孔隙結(jié)構(gòu)都具有2方面的影響。在成巖過程中，硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽巖膠結(jié)都在一定程度上提高了儲層對于圍壓的承受能力，降低了壓實(shí)作用對于儲層孔隙結(jié)構(gòu)的影響;同時(shí)，這2種膠結(jié)物質(zhì)都會在發(fā)育過程中不斷擠占孔隙空間，使得儲層變差。

對不同層段提取的巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到了盒8，山1，山2層段的壓實(shí)率和膠結(jié)率見表4．

表4 盒8，山1，山2段儲層壓實(shí)率、膠結(jié)率數(shù)據(jù)Tab．4 Compaction rate and cement ratio of He 8，Shan 1 and Shan 2 %

從表4可以看出，山2段的平均壓實(shí)率相對最高，達(dá)到54．4%，其分布范圍也是最廣的;而盒8段的平均膠結(jié)率相對最高，達(dá)到46．8%，同樣有相對最廣的分布區(qū)間。而山1的平均壓實(shí)率和膠結(jié)率都居中。

3.3 溶蝕作用

研究區(qū)溶蝕作用一般使得儲層孔隙度降低，并且其溶蝕強(qiáng)大相對較大，基本所有的礦物成分，甚至石英巖屑等硬度較大的成分都存在不同程度的溶蝕。通過巖心顯微鏡觀察還發(fā)現(xiàn)研究區(qū)礦物溶蝕具有較廣的范圍，大多數(shù)組分特別是膠結(jié)成分、雜基、碎屑顆粒等都發(fā)生了溶蝕。與壓實(shí)作用、膠結(jié)作用一樣，溶蝕作用也產(chǎn)生了一些微孔。

對不同層段提取的巖心進(jìn)行試驗(yàn)，得到了盒8，山1，山2層段的溶蝕率和微孔率見表5．

表5 盒8、山1、山2段儲層溶蝕率、微孔率數(shù)據(jù)表Tab．5 Dissolution rate and porosity of He 8，Shan 1 and Shan 2 %

從表5可以看出，盒8段受溶蝕作用最為強(qiáng)烈，其平均溶蝕率達(dá)到8．2%，而山2段溶蝕作用相對最弱，平均溶蝕率只有6．5%．3種成巖作用均會產(chǎn)生微孔，而壓實(shí)作用產(chǎn)生的微孔相對會更多，對比可以看出山2的微孔率因而也是最高的。

4 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲層普遍具有毛細(xì)管壓力偏高、喉道偏小、微裂縫不發(fā)育、孔喉連通性差的孔隙結(jié)構(gòu)，為低孔低滲致密儲層，主要發(fā)育有粒間孔隙、粒內(nèi)溶孔、晶間孔和微裂縫4類孔隙;

2)盒8和山1的主要孔隙類型是粒內(nèi)溶孔和晶間孔，山2最主要的孔隙類型是則是粒間孔，其次是晶間孔和粒內(nèi)溶孔，其所占比例相當(dāng);山2比盒8和山1整體上微裂縫更為發(fā)育，但差別不大;

3)3種成巖作用對儲層孔隙特征都有很大的改造作用。其中壓實(shí)作用對于孔隙度影響最大，而溶蝕作用影響最小。強(qiáng)烈的壓實(shí)作用也導(dǎo)致儲層的微孔率很高。

［1］ 趙文智，汪澤成，王紅軍，等．中國中、低豐度大油氣田基本特征及形成條件［J］．石油勘探與開發(fā)，2008，35(6):641－650．ZHAO Wen-zhi，WANG Ze-cheng，WANG Hong-jun，et al．Principal characteristics and forming conditions for medium-low abundance large scale oil/gas fields in China［J］．Petroleum Exploration and Development，2008，35(6):641－650．

［2］ Law BE．Basin-centered gas systems［J］．American Association of Petroleum Geologists Bulletin，2002，86(11):1891－1919．

［3］ 朱如凱，鄒才能，張 鼐，等．致密砂巖氣藏儲層成巖流體演化與致密成因機(jī)理——以四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組為例［J］．中國科學(xué)D輯:地球科學(xué)，2009，39(3):327－339．ZHU Ru-kai，ZOU Cai-neng，ZHANG Nai，et al．Diagenetic fluids evolution and genetic mechanism of tight sandstone gas reservoirs:A case study of Upper Triassic Xujiahe Formation in Sichuan Basin，China［J］．Science in China:Series D:Earth Sciences，2009，39(3):327 －339．

［4］ 趙靖舟．非常規(guī)油氣有關(guān)概念、分類及資源潛力［J］．天然氣地球科學(xué)，2012，23(3):393 －406．ZHAO Jing-zhou．Conception，classification and resource potential of unconventional hydrocarbons［J］．Natural Gas Geoscience．2012，23(3):393 －406．

［5］ Holditch S．Tight gas sands［J］．Society of Petroleum Engineer，2006(1):86 －93．

［6］ Kawata Y，F(xiàn)ujita K．Some predictions of possible unconventional hydrocarbon availability until［J］．Society of Petroleum Engineer，2001(1):1 －10．

［7］ 楊 華，付金華，劉新社，等．鄂爾多斯盆地上古生界致密氣成藏條件與勘探開發(fā)［J］．石油勘探與開發(fā)，2012，39(3):295 －303．YANG Hua，F(xiàn)U Jin-hua，LIU Xin-she，et al．Accumulation conditions and exploration and development of tight gas in the Upper Paleozoic of the Ordos Basin［J］．Petroleum Exploration and Development，2012，39(3):295－303．

［8］ 嚴(yán)云奎．鄂爾多斯盆地延長油區(qū)上古生界沉積相及儲層微觀特征研究［D］．西安:西北大學(xué)，2010．YAN Yun-kui．Study on micro-characteristics and sedimentary facies of Upper Palezoic in Yanchang Area of Ordos Basin［D］．Xi’an:Northwest University，2010．

［9］ 丁曉琪，張哨楠，周 文，等．鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖儲層特征及其成因探討［J］．石油與天然氣地質(zhì)，2007，28(4):491 －496．DING Xiao-qi，ZHANG Shao-nan，ZHOU Wen，et al．Characteristics and genesis of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in the northerm Ordos Basin［J］．Oil＆ Gas Geology，2007，28(4):491 －496．

［10］張曙光，石京平，劉慶菊，等．低滲致密砂巖氣藏巖石的孔隙結(jié)構(gòu)與物性特征［J］．新疆地質(zhì)，2004，22(4):438－441．ZHANG Shu-guang，SHI Jing-ping，LIU Qing-ju，et al．Reserch on pore structure and character of tight sand gas reservoirs［J］．Xinjiang Geology，2004，22(4):438－441．

［11］馮娟萍，郭艷琴，余 芳．鄂爾多斯盆地富縣探區(qū)延長組物源與沉積體系分析［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(2):178 －184．FENG Juan-ping，GUO Yan-qin，YU Fang．Analysis on source and depositional systems of Yanchang Formation of upper triassic of Fuxian exploration area in Ordos Basin［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(2):178 －184．

［12］尚 婷．鄂爾多斯盆地子長地區(qū)上古生界盒8段儲層特征［J］．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(5):623－629．SHANG Ting．Characteristics of He 8 member reservoir of Upper Paleozoic in Zichang Area，Ordos Basin［J］．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35(5):623 －629．

［13］于 波，羅小明，喬向陽，等．鄂爾多斯盆地延長油氣區(qū)山西組山2段儲層物性影響因素［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，43(10):3931 －3937．YU Bo，LUO Xiao-ming，QIAO Xiang-yang，et al．Influential factor and characteristics of Shan 2 Member of Shanxi Formation in Yanchang Oil-Gas Field，Ordos Basin［J］．Journal of Central South University:Natural Science Edition，2012，43(10):3931 －3937．

［14］ Purcell W R．Capillary pressures-their measurement using mercury and calculation of permeability thereform［J］．Trunsations，1949，186:39 － 48．

［15］ Pittman E D，Duschatko R W．Use of pore casts and scanning electron miecroscope to study poregeometry［J］．Petrology，1970，40(4):1153 －1158．

［16］王寶鋒，趙忠揚(yáng)．環(huán)境掃描電鏡及其在石油技術(shù)中的應(yīng)用［J］．油田化學(xué)，1999，16(3):278 －281．WANG Bao-feng，ZHAO Zhong-yang．The application of environmental scanning in researches for petroleum industry［J］．Oilfied Chemistry，1999，16(3):278 －281．

［17］高 輝，敬曉鋒，張 蘭．不同孔喉匹配關(guān)系下的特低滲透砂巖微觀孔喉特征差異［J］．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2013，35(4):401 －406．GAO Hui，JING Xiao-feng，ZHANG Lan．Diffence of micro-pore throat characteristics in extra-low permeability sand stone of different pore throat matching ralationship［J］．Petroleum Geologe and Experiment，2013，35(4):401－406．

［18］劉志明，殷文著．空氣滲流法測定巖心孔喉半徑分布［J］．油田化學(xué)，1987，4(3):207 －213．LIU Zhi-ming，YIN Wen-zhu．Determination of the distribution of pore-throat radius of cores by air through method［J］．Oilfield Chemistry，1987，4(3):207 －213．

［19］田 華，張永昌，柳少波，等．致密儲層孔隙度測定參數(shù)優(yōu)化［J］．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2012，34(3):334 －339．TIAN Hua，ZHANG Yong-chang，LIU Shao-bo，et al．Parameter optimization of tight reservoir porosity determination［J］．Petroleum Geology and Experiment，2012，34(3):334－339．

［20］高 輝，解 偉，楊建鵬，等．基于恒速壓汞技術(shù)的特低－超低滲砂巖儲層微觀孔喉特征［J］．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33(2):206 －214．GAO Hui，XIE Wei，YANG Jian-peng，et al．Pore throat characteristics of extra-ultra low permeability sandstone reservoir based on constant-rate mercury penetration technique［J］．Petroleum Geology and Experiment，2011，33(2):206 －214．

［21］王香增，張麗霞，于 波，等．鄂爾多斯盆地延長油氣區(qū)山西組山2段儲層砂巖成巖作用［J］．地質(zhì)科技情報(bào)，2013，32(1):114 －118．WANG Xiang-zeng，ZHANG Li-xia，YU Bo，et al．Diagenesis of Shan 2 Member of Shanxi Formation in Yanchang Oil-gas Field in Ordos Basin［J］．Geological Science and Technology Information，2013，32(1):114－118．