朱晴， 喬向陽， 張磊

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院， 陜西 西安 710065)

準確評價儲層巖石的孔喉(包括孔隙和喉道)結構特征，是滲流機理研究和產能預測的基礎。目前分析巖石孔喉結構特征的主要方法包括：鑄體薄片、掃描電鏡、恒速壓汞、氮氣吸附、計算機斷層掃描(CT)三維重建、核磁共振和高壓壓汞等，但不同方法皆存在一定的應用局限性。鑄體薄片和掃描電鏡僅能實現在一定尺度下對巖心剖面的觀察和描述[1-3]；恒速壓汞法不能測量半徑小于0.1μm的孔喉[4]；氮氣吸附法主要測定半徑小于0.1μm的孔喉[5-7]；CT三維重建測試成本較高[8-9]；核磁共振無法單獨實現定量表征，需聯合其他實驗[10]；高壓壓汞法不能測量半徑小于0.003μm的孔喉。影響致密氣藏開發(fā)的有效孔喉半徑下限通常大于0.05μm[11]，CT三維重建、核磁共振和高壓壓汞等方法均能實現對有效孔喉半徑的完整表征，但CT三維重建和核磁共振的測試成本較高，而高壓壓汞法的測試成本較低[12-13]，故被廣泛采用。

高壓壓汞法的研究起源于20世紀40年代，最早由Purcell[14]在1949年提出了采用高壓壓汞測量毛管壓力，隨后國內外學者開展了大量關于高壓壓汞法的研究。例如，Wardlaw等[15-16]、Pittman[17]先后開展了毛管壓力曲線的變化特征和通過毛管壓力曲線評價孔喉尺寸相關性等方面的研究；唐仁騏等[18]、洪世鐸等[19]開展了關于退汞效率的研究；Rashid等[20]、Salimifard等[21]、廖明光等[22]分別研究了高壓壓汞與滲透率的關系；Schmitt等[23]、Clarkson等[24]開展了聯合高壓壓汞法和氮氣吸附法表征孔喉結構的研究；Gane等[25]、Marschall等[26]、公言杰等[27]、寧傳祥等[28]和李愛芬等[29]聯合高壓壓汞和核磁共振對儲層定量評價進行了研究；歐陽思琪等[30]、嚴強等[31]對高壓壓汞聯合掃描電鏡表征致密砂巖儲層孔喉結構進行了研究。在油氣儲層的孔喉結構表征和物性特征研究等方面，高壓壓汞發(fā)揮了重要作用。

鄂爾多斯油氣藏資源豐富[32-41]，東南部山西組致密氣藏開發(fā)潛力巨大[42-46]，前人已開展了相關研究。如胡林楠[47]對東南部山西組致密砂巖的成藏規(guī)律進行了研究；秦波等[48]通過掃描電鏡等手段對東南部山西組致密砂巖的有效儲層識別和定量評價進行了分析；朱晴等[4]采用恒速壓汞評價了東南部山西組致密砂巖的喉道特征；魏虎[49]采用高壓壓汞對東南部山西組致密砂巖的孔喉分布形態(tài)和孔隙結果分類進行了深入研究。目前高壓壓汞法在東南部山西組致密砂巖儲層中的應用很少，通過高壓壓汞分析東南部山西組致密砂巖孔隙和喉道分布特征亦報道不多，基于準確表征孔喉分布的重要性和高壓壓汞評價孔喉分布的實用性，亟需開展高壓壓汞實驗在鄂爾多斯盆地東南部致密砂巖儲層中的應用研究。

本文選取了鄂爾多斯山西組致密砂巖儲層巖心進行高壓壓汞實驗，根據毛管壓力曲線和孔喉半徑分布曲線研究孔喉發(fā)育情況，分析孔喉特征參數和物性參數的主要控制因素，基于高壓壓汞實驗結果，實現了完整孔喉結構的表征，進而提出了致密氣藏早期產能評價的方法。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

鄂爾多斯盆地東南部為典型的致密砂巖氣藏，主力開采層位為山西組，根據山西組致密砂巖儲層的物性特征，選取6口典型氣井進行取心，取心深度為2158.21～2916.13m，取心層位為山西組1段(簡稱“山1段”)和山西組2段(簡稱“山2段”)，鉆取柱塞樣巖心，進行孔隙度和滲透率測試。本次實驗巖心測試的基本參數如表1所示，孔隙度分布范圍為5.84%～10.64%，滲透率分布范圍為0.02～4.72mD。

表1 實驗巖心基本參數

Table 1 Basic parameters of experiment cores

樣品編號取心深度(m)層位孔隙度(%)滲透率(mD)巖心12158.21山1段9.880.02巖心22825.71山1段7.070.05巖心32672.64山2段6.070.25巖心42916.13山1段10.640.08巖心52708.70山2段6.070.82巖心62871.33山2段5.844.72

1.2 測試方法

對巖心樣品1～6進行高壓壓汞實驗，獲取巖心的毛管壓力曲線和孔喉半徑分布。本次實驗在西南石油大學油氣田開發(fā)工程實驗室進行，主要實驗儀器為AutoPore Ⅳ 9505全自動壓汞儀，設備最高實驗壓力為228MPa。實驗流程按照國家標準《巖石毛管壓力曲線的測定》(GB/T 29171—2012)進行，具體測試條件為：測試溫度25.4℃，測試濕度38%RH，表面張力0.48N/m，潤濕接觸角140°。

2 結果與討論

2.1 毛管壓力曲線特征

圖1a為實驗巖心的進汞曲線。進汞曲線呈現出明顯的三段式特征，進汞曲線反映了孔喉的整體發(fā)育及連通情況[5,29]：初始段的進汞飽和度反映出巖心的大尺度孔隙發(fā)育相對很少；中間段進汞曲線說明隨著進汞飽和度增大，孔喉之間的連通性經歷了變好再變差的過程；末端段的上翹特征表明不同巖心細小尺度孔喉的連通性差異顯著。

圖1 毛管壓力曲線特征及不同壓力區(qū)間的飽和度分布Fig.1 Capillary pressure curve characteristics and saturation distribution in different pressure intervals

圖1b為實驗巖心的退汞曲線。Wardlaw等[15]和嚴強等[31]提出了退汞曲線代表喉道的退汞過程，根據這一認知，殘余汞飽和度代表孔隙體積占比，退汞飽和度代表喉道體積占比。實驗結果顯示：殘余汞飽和度分布范圍介于43.39%～70.43%之間，平均值56.18%；退汞飽和度介于9.43%～42.10%之間，平均值31.22%；殘余汞飽和度和退汞飽和度差異均較大，表明不同巖心的孔隙和喉道發(fā)育情況差異較大。

借鑒十進制孔隙分類標準的思路[5,7]，采用十進制將毛管壓力分成四個區(qū)間：100～1000MPa、10～100MPa、1～10MPa和0.1～1MPa。

圖1c為進汞過程中不同毛管壓力區(qū)間的進汞飽和度分布。結果表明：整體孔喉發(fā)育的毛管壓力區(qū)間依次為0.1～1MPa、1～10MPa、10～100MPa和100～1000MPa，孔喉發(fā)育數量隨著毛管壓力增大呈現減少的趨勢。毛管壓力在0.1～1MPa區(qū)間孔喉整體最為發(fā)育，毛管壓力在100～1000MPa區(qū)間孔喉整體最不發(fā)育。由此可見，0.1～1MPa和1～10MPa為鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲層整體孔喉發(fā)育的主要毛管壓力區(qū)間。

圖1d為退汞過程中不同毛管壓力區(qū)間的退汞飽和度分布。結果顯示：單獨喉道發(fā)育的毛管壓力區(qū)間依次為0.1～1MPa、1～10MPa、10～100MPa和100～1000MPa，喉道發(fā)育數量隨著毛管壓力增大呈現減少的趨勢。毛管壓力在0.1～1MPa區(qū)間喉道整體最為發(fā)育，毛管壓力在100～1000MPa區(qū)間喉道整體最不發(fā)育。由此可見，0.1～1MPa和1～10MPa為鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲層單獨喉道發(fā)育的主要毛管壓力區(qū)間。

2.2 孔喉半徑分布特征

圖2a為孔喉半徑分布特征曲線。結果顯示全部巖心都呈現出典型的雙峰特征[33]。左峰峰值半徑分布范圍介于0.09～2.87μm之間，平均值1.12μm；左峰峰值占比分布范圍介于11.26%～33.18%之間，平均值21.40%。分析表明：不同巖心孔喉峰值分布兩極分化現象明顯，峰值半徑越小的巖心其峰值占比越低，峰值半徑越大的巖心其峰值占比越高，整體呈現出遞增的趨勢。

右峰與左峰完全分離，不同巖心的右峰跨度和右峰峰值半徑均比較接近，右峰峰值占比分布范圍介于0.96%～4.89%之間，平均值2.44%，左峰峰值比例遠遠超過右峰。對比表明鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲層的小尺度孔喉發(fā)育差異很大，大尺度孔喉發(fā)育比較相似，表現出獨特的孔喉發(fā)育特征。

基于全部巖心均發(fā)育雙峰且兩峰幾乎完全分離，將左峰定義為小孔喉區(qū)，將右峰定義為大孔喉區(qū)，如圖2b所示。采用積分計算左峰和右峰的面積，結果顯示：小孔喉相對體積占比分布范圍介于84.51%～94.88%之間，平均值91.59%；大孔喉相對體積占比分布范圍介于5.12%～15.49%之間，平均值8.41%。表明鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖儲層以小孔喉為主，小孔喉所占空間遠遠超過大孔喉。

2.3 孔喉分布對參數的影響

圖3a和圖3b為平均孔喉體積比的影響因素。平均孔喉體積比為退汞飽和度與殘余汞飽和度的比值，代表了孔隙體積和喉道體積的比值。分析平均孔喉體積比的影響因素，結果顯示：平均孔喉體積比與最大進汞飽和度和殘余汞飽和度之間的相關性較差，與分選系數和退出汞飽和度之間的相關性很好。對比表明喉道決定了巖心的孔喉配比情況。

圖3c和圖3d為退汞效率的影響因素。退汞效率為退出汞飽和度與最大進汞飽和度的比值，在一定程度上反映了喉道體積占孔喉總體積的比例。分析退汞效率的影響因素，結果顯示：退汞效率與最大進汞飽和度、殘余汞飽和度和分選系數之間的相關性一般，與退出汞飽和度和平均孔喉體積比之間的相關性很好。表明喉道體積決定了巖石的退汞效率，隨著孔喉發(fā)育情況越來越均勻，孔喉配比越接近1，退汞效率越高。

圖3e和圖3f為滲透率的影響因素。分析表明：滲透率與小孔喉體積占比和大孔喉體積占比之間均無明顯的相關性，與小孔喉峰值半徑和孔喉半徑均值之間的相關性很好。由于小孔喉體積遠超過大孔喉，小喉道決定了孔喉半徑均值，滲透率代表了巖石的滲流能力，揭示儲層滲流能力主要受到小孔喉發(fā)育程度的控制。

圖3g和圖3h為孔隙度的影響因素。分析表明：孔隙度與小孔喉區(qū)峰值占比和小孔喉區(qū)體積占比之間均無明顯的相關性，與大孔喉區(qū)峰值占比和大孔喉區(qū)體積占比之間的相關性很好。與滲透率主要受到小孔喉區(qū)控制相反，孔隙度主要受到大孔喉區(qū)峰值占比和大孔區(qū)喉體積占比的影響，與小孔喉區(qū)參數之間的相關性較弱，孔隙度代表了巖石的儲容性，表明儲容性主要受到大孔喉區(qū)發(fā)育程度的控制。

圖3 孔喉分布對參數的影響Fig.3 Effect of pore-throat distribution on parameters

3 實驗結果的應用

3.1 完整孔喉分布表征

本次實驗最大進汞壓力為200.33MPa，對應的孔喉半徑為3.67nm，表明小于3.67nm的喉道及其所控制的孔喉空間通過本次壓汞實驗無法測量，這亦是所有巖心最大進汞飽和度均小于100%的根本原因。

平均孔喉體積比為相對體積占比，結合最大進汞飽和度和孔隙度，分別計算得到小孔喉區(qū)和大孔喉區(qū)的絕對體積占比，拼接出巖心的高壓壓汞完整孔喉分布[7]，如圖4所示。結果顯示：巖心樣品5的未進汞孔喉絕對體積占比最高，占巖心體積的2.86%；巖心樣品2的大孔喉絕對體積占比最高，占巖心體積的0.60%；巖心樣品4的小孔喉絕對體積占比最高，占巖心體積的9.89%。

計算各巖心的絕對殘余汞體積和絕對退汞體積，絕對殘余汞體積和絕對退汞體積分別代表巖心的孔隙絕對體積和喉道絕對體積，分析大小孔喉區(qū)絕對體積占比與孔喉絕對體積之間的相關性，如圖5所示。結果顯示：大孔喉區(qū)絕對體積占比與孔喉絕對體積之間無明顯相關性，小孔喉區(qū)絕對體積占比與孔隙(圖5a)和喉道(圖5b)絕對體積之間具有較好的相關性，表明小孔喉區(qū)發(fā)育程度決定了儲層孔隙和喉道的發(fā)育程度。

3.2 早期產能評價

統計高壓壓汞實驗研究結果、可動流體飽和度和對應層位的壓裂規(guī)模。表2結果顯示可動流體飽和度隨著大孔喉區(qū)絕對體積占比增加而增大，表明大孔喉區(qū)發(fā)育程度決定了儲層的可動流體飽和度。根據滲流力學原理，氣井投產早期產能主要來自壓裂裂縫和大孔喉中可動流體的貢獻，在壓裂規(guī)模相當的情況下，早期產能主要由大孔喉區(qū)發(fā)育程度決定。實驗巖心對應氣井在相應層位的壓裂液量相當，推測大孔喉區(qū)絕對體積占比越高的氣井其早期產能越高，氣井的試氣效果證實了這一現象。氣井鉆完井未壓裂試氣之前，通過分析儲層巖心大孔喉區(qū)的發(fā)育程度，可實現對氣井早期產能的初步評價。

圖4 巖心完整孔喉分布

Fig.4 Complete pore-throat distribution of cores

表2顯示山2段儲層的大孔喉區(qū)絕對體積占比普遍超過山1段儲層，山2段儲層的可動流體飽和度整體好于山1段儲層，在壓裂規(guī)模相當的情況下，揭示了鄂爾多斯盆地東南部山西組致密砂巖氣藏山2段儲層的整體試氣效果好于山1段儲層，這與目前開發(fā)實踐相吻合。

圖5 小孔喉區(qū)絕對體積占比對孔喉絕對體積的影響Fig.5 Effect of the absolute volume ratio in the small pore-throat area on the absolute volume of pore-throat

表2 實驗結果和評價參數

Table 2 Experimental results and evaluation parameters

樣品編號層位小孔喉區(qū)絕對體積占比(%)大孔喉區(qū)絕對體積占比(%)可動流體飽和度(%)壓裂規(guī)模(m3)巖心1山1段89.854.8526.77365.2巖心2山1段79.748.4757.75356.5巖心3山2段88.166.1248.62367.5巖心4山1段92.955.0643.07360.6巖心5山2段44.648.1862.93399.7巖心6山2段88.108.2981.44366.1

4 結論

本文以鄂爾多斯東南部山西組致密砂巖儲層巖心為例，開展了高壓壓汞實驗在孔喉結構表征和早期產能評價中的應用研究。結果表明：不同巖心小尺度孔喉和喉道的發(fā)育特征差異較大，總體孔喉和單獨喉道發(fā)育的主要毛管壓力區(qū)間均為0.1～1MPa和1～10MPa，山西組致密砂巖儲層以小孔喉為主，喉道決定了巖心的孔喉配比情況和退汞效率，小孔喉區(qū)發(fā)育程度控制了儲層滲流能力，大孔喉區(qū)發(fā)育程度控制了儲層儲容性，孔隙和喉道的發(fā)育程度均由小孔喉區(qū)發(fā)育程度決定，在壓裂規(guī)模相當的情況下早期產能主要由大孔喉區(qū)發(fā)育程度決定。

高壓壓汞實驗為廣泛采用的儲層孔喉評價方法，采用退汞曲線代表喉道退汞過程的分析思路，拓展了利用高壓壓汞實驗研究儲層孔喉特征的評價范圍。本文根據孔喉半徑分布曲線劃分出小孔喉區(qū)和大孔喉區(qū)，進而實現了完整孔喉結構的表征，豐富了對鄂爾多斯東南部山西組致密砂巖孔喉分布特征的認知。結合可動流體飽和度和壓裂規(guī)模等參數，進一步提出了通過大孔喉區(qū)評價氣井早期產能的方法，為致密氣藏科學開發(fā)提供了新的思路。