王 寧，吳 琳，吳春燕，沈 英

（陜西延長石油 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710006）

致密砂巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源，成為我國現(xiàn)今油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)之一［1-5］。致密砂巖儲層通常具有低孔隙度、低滲透率、強(qiáng)非均質(zhì)性特點(diǎn)，其孔隙結(jié)構(gòu)特征對致密油氣開發(fā)具有重要意義，不僅控制著儲層滲流特征，而且直接影響致密氣井的產(chǎn)量和最終采收率［6-9］。

致密油氣儲層的儲集空間主體為納米級孔吼體系，局部發(fā)育微米-毫米級孔隙。傳統(tǒng)孔吼表征技術(shù)法已經(jīng)不能滿足致密儲集層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)研究［3］。氣體吸附法是納米級孔吼結(jié)構(gòu)分析的首選方法［10］，常用的主要是低溫氮?dú)馕?。通過低溫氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)對致密砂巖納米級孔隙的孔吼大小、形態(tài)、分布進(jìn)行研究，可以極大地提高致密儲層微觀孔吼結(jié)構(gòu)的表征范圍［11］。

鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖具有豐富的天然氣資源。隨著上古生界致密砂巖氣的勘探領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，人們對本溪組生烴能力的評價已經(jīng)逐步認(rèn)識，但對宜川地區(qū)致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)及其分形特征的認(rèn)識有限。為此，本文以盆地東南部宜川地區(qū)本溪組致密砂巖儲層為研究對象，通過氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，分析致密砂巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)及其分形特征，以期對該地區(qū)致密砂巖儲層有新的認(rèn)識。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及分析方法

1.1 樣品特征

實(shí)驗(yàn)樣品選自鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)本溪組致密砂巖儲層。巖石類型以石英砂巖為主，少量為巖屑石英砂巖，石英含量普遍大于90%，黏土礦物及碳酸鹽礦物含量較低，總體物性較差，孔隙度普遍小于10%，滲透率均低于1×10-3μm2（表1）。樣品具有典型的低孔低滲致密砂巖特點(diǎn)。

表1 樣品礦物組成及物性特征

1.2 低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)

低溫氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)采用WKY-1型微孔分析儀，儀器孔徑測量范圍為1～500nm，比表面測量范圍≥0.01m2／g，儀器以氮?dú)庾鳛槲劫|(zhì)，采用等溫物理吸附靜態(tài)容積法。測定不同平衡壓力下樣品的氮?dú)馕搅?，以相對壓力為橫坐標(biāo)，以單位樣品的吸附量為縱坐標(biāo)，繪制氮?dú)馕?脫附曲線。根據(jù)吸附-脫附曲線形成的吸附回線判斷孔隙形態(tài)，并采用BET和BJH模型計(jì)算孔徑大小和分布、孔容及比表面積等參數(shù)。

1.3 孔徑分形維數(shù)的計(jì)算

儲層巖石的孔隙結(jié)構(gòu)具有分形特征，可以用分形維數(shù)來定量描述孔隙結(jié)構(gòu)分布的均勻程度。分形維數(shù)計(jì)算方法有熱力學(xué)方法、分形BET模型法、粒度法、FHH模型法等［12］。Pfeifer等人提出FHH模型分形維數(shù)計(jì)算方法較為常用，F(xiàn)HH模型如式（1）所示：

根據(jù)公式 （1）推導(dǎo)得出分形維數(shù)表達(dá)式為：

式中：V為平衡壓力P下的氣體吸附量，cm3／g；P0為吸附氣體的飽和蒸氣壓，0.11117MPa；P為吸附平衡時的壓力，MPa；C為常數(shù)；K為ln V對ln（ln P0／P）作圖擬合趨勢線的斜率，為常數(shù)；D為分形維數(shù) （2≤D≤3）。

分形維數(shù)越大，說明研究材料孔隙表面越粗糙。根據(jù)測得的氮?dú)馕降葴鼐€，選取P／P0大于0.4的毛細(xì)凝聚區(qū)間內(nèi)的測試數(shù)據(jù)，以ln V對ln（ln P0／P）作圖，根據(jù)擬合趨勢線的斜率，計(jì)算得到分形維數(shù)D。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 基于吸附-脫附曲線的孔隙形態(tài)特征

宜川地區(qū)本溪組致密儲層氮?dú)馕?脫附曲線如圖1所示。各樣品吸附曲線在形態(tài)上差異較小，整體呈反 “S”型。在低壓段 （P／P0＜0.2），吸附曲線緩慢上升，整體較為平緩，且略上凸，表明氮?dú)庠趦涌缀鸨砻娉蕟畏肿訉游?；在中壓段?.2＜P／P0＜0.8），隨相對壓力增大吸附量緩慢增加，吸附曲線近似為線性，表明氮?dú)庠趦涌缀鸨砻鏋槎喾肿訉游剑辉诟邏憾?（0.8＜P／P0＜1），吸附曲線快速上升，呈下凹狀，在平衡壓力接近飽和蒸汽壓時，大部分樣品的吸附曲線斜率在不斷增加，但樣品未出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象，表明樣品發(fā)育少量孔隙大于50nm的孔吼。在P／P0＞0.45時，樣品脫附曲線位于吸附曲線上方或與吸附曲線近似重合。

圖1 宜川地區(qū)本溪組致密儲層氮?dú)馕?脫附曲線特征

一般認(rèn)為，開放型孔 （兩端開口的圓筒孔和楔形孔、四邊開口的平行板孔）和特殊形態(tài)的細(xì)頸瓶裝孔都能產(chǎn)生吸附回線，而封閉型孔 （一端封閉的圓筒孔和平行板孔、尖壁形孔）不能產(chǎn)生吸附回線［13，14］。整體上所測樣品吸附-脫附曲線特征可以分成兩類，第一類為無吸附回線型曲線，如：Y1、Y4；第二類為具狹窄吸附回線型曲線，如：Y2、Y3、Y5、Y6、Y7、Y8。兩類曲線顯示均未出現(xiàn)吸附飽和。第一類指示樣品以一端封閉的圓筒孔和平行板孔、尖壁形的封閉型孔隙為主，第二類反應(yīng)以開放型孔隙為主。根據(jù)國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）對吸附回環(huán)的分類，所測具吸附回線的樣品吸附脫附曲線與H3型相似，表現(xiàn)為吸附回線范圍普遍較窄，且隨相對壓力的增加，吸附曲線、脫附曲線上升速度較快，在相對壓力接近1時，曲線近乎垂直于P／P0軸，仍未出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象，說明氮?dú)馕竭^程中毛細(xì)孔發(fā)生了凝聚。此后相對壓力降低，脫附量快速下降。吸附曲線與脫附曲線無均明顯拐點(diǎn)，這種吸附脫附特點(diǎn)常發(fā)生在兩端開口的楔形孔中或似片狀顆粒組成的非剛性聚集體的槽狀孔［15］。

2.2 孔徑分布特征

孔徑分布采用BJH法，計(jì)算并繪制孔徑分布曲線如圖2所示。本溪組致密砂巖儲層樣品孔徑存在多個不同的峰值，但主要集中在2～8nm區(qū)間內(nèi)?？紫督Y(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，本溪組致密砂巖儲層各樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍不大。樣品的平均孔徑在5.658～9.408nm，平均為7.8943nm。根據(jù)張大智 （2017）對致密砂巖的孔隙分類可知，研究區(qū)本溪組致密砂巖主體孔徑在微孔 （小于10nm）范圍內(nèi)，但由于存在一定量的過渡孔 （10～50nm）及極少量的中孔 （50～100nm）和大孔 （大于100nm），從而使得曲線出現(xiàn)了 “拖尾”的現(xiàn)象。

圖2 宜川地區(qū)本溪組致密砂巖儲層的孔隙分布

樣品的BET比表面積在0.2447～0.8312m2／g，平均為0.5033m2／g；總孔體積在 0.7～2.720μL／g，平均為1.560μL／g（如表2所示）。隨著比表面積的增加，總孔體積也呈現(xiàn)增大的趨勢，二者線性相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8113，這可能由于樣品主要發(fā)育微孔，對氮?dú)馕匠潭认鄬σ恢拢虼吮憩F(xiàn)出總孔體積與BET比表面積之間的變化趨勢相對一致 （圖3）。

表2 致密砂巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 BET比表面積與總孔體積相關(guān)關(guān)系

3 孔隙結(jié)構(gòu)分形特征

根據(jù)FHH模型，由式 （1）作出分形擬合曲線，從而建立宜川地區(qū)本溪組致密砂巖儲層孔隙分形模型 （圖4）。由圖4可知，該致密砂巖儲層孔隙分形擬合曲線具有顯著的分段式特征，其中以封閉型孔隙為主的樣品Y1、Y4具有四段式分形特點(diǎn)，其余具有開放型孔隙的樣品均具有兩段式的分形特點(diǎn)，樣品各段分形擬合相關(guān)系數(shù)均在0.94以上。根據(jù)分形擬合曲線計(jì)算得到的兩段式和四段式樣品各段分形維數(shù)D（表3、表4），其中具有兩段式分形特點(diǎn)的樣品Y2、Y3、Y5、Y6、Y7、Y8在0.40＜P／P0＜0.88段的分析維數(shù)介于2.3427～2.5163范圍內(nèi)，平均為2.4599；P／P0＞0.88段的分形維數(shù)介于2.7365～2.8649范圍內(nèi)，平均為2.7944；而具有四段式分形特點(diǎn)的樣品Y1、Y2在0.40＜P／P0＜0.65和0.65＜P／P0＜0.75壓力區(qū)間內(nèi)的分形維數(shù)均較低，在0.75＜P／P0＜0.88區(qū)間分形維數(shù)明顯增大，進(jìn)入P／P0＞0.88壓力區(qū)間內(nèi)樣品的分形維數(shù)已接近3。無論具兩段或四段式分形特點(diǎn)的樣品，從分形維數(shù)與壓力區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系來看，壓力越高樣品的分形維數(shù)越大，這一特點(diǎn)在具有四段式分形特征的樣品中表現(xiàn)的尤為突出 （圖5）。因此，進(jìn)一步說明同一樣品孔隙直徑越大，其區(qū)間的分形維數(shù)越大，這是因?yàn)榭紫吨睆皆酱?，分形區(qū)間內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強(qiáng)，儲集性能也越差［16，17］。

圖4 宜川地區(qū)本溪組致密儲層孔隙分形特征

表3 氮?dú)馕椒ㄓ?jì)算致密砂巖樣品兩段式分形維數(shù)

圖5 分形維數(shù)與壓力區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系

表4 氮?dú)馕椒ㄓ?jì)算致密砂巖樣品四段式分形維數(shù)

4 結(jié)論

1）基于吸附-脫附曲線形態(tài)特征，分析認(rèn)為研究區(qū)本溪組致密砂巖儲層發(fā)育兩種孔隙形態(tài)類型：即一端封閉的圓筒孔、平行板孔、尖壁形的封閉型孔，以及兩端開口的楔形或似片狀顆粒組成的非剛性聚集體的槽狀孔。

2）研究區(qū)本溪組致密砂巖儲層樣品孔徑存在多個不同的峰值，但主要集中在2～8nm區(qū)間內(nèi)，孔徑以微孔為主，存在一定量的過渡孔及極少量中孔和大孔?？紫督Y(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍不大，其中總孔體積與比表面積之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系 （相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8113）。

3）基于分形理論及氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)計(jì)算了本溪組致密砂巖儲層的分形維數(shù)。孔隙分形擬合曲線具有顯著的分段式特征，其中具有開放型孔隙的樣品均具有兩段式的分形特點(diǎn)，而以封閉型孔隙為主的樣品則具有四段式分形特點(diǎn)，且孔隙分形擬合曲線具有壓力越高、孔徑越大、區(qū)間分形維數(shù)越大的特點(diǎn)。致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征可以作為指示儲層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、非均質(zhì)性及儲集性能的重要參考。