致密砂巖孔喉結構分析與滲透率預測方法
——以川中地區侏羅系沙溪廟組為例

陳少云,楊勇強,2,邱隆偉,2,王小娟,楊保良,葉熱杰普·哈布臘什木

1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院,山東 青島 266580;2.深層油氣全國重點實驗室,山東 青島 266580;3.中國石油 西南油氣田公司 勘探開發研究院,成都 610041

隨著全球對化石能源需求的不斷增加,非常規油氣已成為當今世界油氣勘探開發的重要領域[1-7]。致密氣是一種分布廣泛、勘探潛力巨大的非常規油氣資源[8-11]。中國致密砂巖氣廣泛分布于四川、鄂爾多斯、塔里木、準噶爾等多個盆地,有利勘探面積達32.46×104km2,地質資源量為21.85×1012m3,是中國現階段十分重要的非常規天然氣勘探領域[11-13]。近年來,四川盆地中部地區中侏羅統沙溪廟組陸相致密砂巖取得了重大勘探進展,累計提交探明儲量達千億立方米[14-16]。川中地區沙溪廟組屬于典型的“孔隙型”致密砂巖,孔隙類型多樣、孔喉結構復雜,儲層質量差異受孔喉結構制約明顯,強烈的非均質性嚴重制約著油氣開發工作的進行[17-20]。

孔喉結構包括孔喉的幾何形狀、大小、連通性以及分布特征等幾個方面[21]。表征儲層孔喉結構的常用方法有:鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞、恒速壓汞、核磁共振、微米CT、氮氣吸附、二氧化碳吸附、圖像分析等[21-25]。近年來,分形理論表征孔喉結構在非常規油氣研究中受到越來越多的關注[26-30]。前人利用分形維數(Df)在研究儲層孔喉非均質強度、儲層分類、儲層評價等方面進行了大量工作,但在利用分形維數表征滲透率方面研究較淺[27,31-32]。筆者從儲集空間類型、儲集物性研究出發,結合高壓壓汞實驗和分形理論,重點分析了川中沙溪廟組致密砂巖孔喉結構特征,探討了孔喉結構、分形維數、儲層物性之間的關系,并進一步分析孔喉尺寸對滲透率的貢獻,建立了適用于研究區的滲透率預測模型。

1 地質背景

四川盆地是在揚子克拉通地臺基礎上發展起來的一個大型疊合盆地,現今已經成為中國西部重要的含油、富氣的大型盆地之一[33-34]。四川盆地侏羅系自下而上發育自流井組、涼高山組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮組5套地層[35-37]。研究區位于四川盆地中部,研究層位為中侏羅統沙溪廟組(圖1)。

圖1 四川盆地構造分區與侏羅系巖性特征

沙溪廟組以中間一套分布廣泛的黑色“葉肢介頁巖”為分界線分為沙一段和沙二段[16]。沙一段發育2～4組灰色砂巖與灰色、紅色泥巖的韻律層,底部發育一套灰色厚層的砂巖與下伏涼高山組相區分;沙二段主要由灰色的中厚砂巖與紫紅色泥巖組成不等厚互層。地層沉積環境為淺水三角洲,三角洲前緣水下分流河道砂體分布廣泛,單期河道砂體分布面積超4 000 km2,河道水流方向主要呈北東—南西向[14]。

2 實驗過程及研究方法

2.1 樣品來源和實驗方法

本次研究共收集川中地區沙溪廟組475塊致密砂巖樣品、2 421份物性測試數據,樣品與數據均來源于中國石油西南油氣田勘探開發研究院。除收集到資料外,本次研究所有實驗測試均在中國石油大學(華東)深層油氣重點實驗室完成。

2.2 孔隙微觀形貌觀察

利用偏光顯微鏡對109塊藍色鑄體薄片的儲層空間類型與孔喉配置樣式進行觀察;通過CoxemEM-30掃描電鏡對34塊砂巖樣品進行孔隙微觀形貌觀察,并測量孔隙大小。

2.3 高壓壓汞實驗

參考石油工業標準《巖石毛管壓力曲線的測定:SY/T 5346—2005》,利用AutoPore Ⅳ 9500壓汞儀對33塊不同砂巖樣品進行高壓壓汞實驗,取樣位置見圖1。在測試之前將樣品磨制成直徑2.5 cm、長度2.5 cm的兩端平整的圓柱體,并將樣品清洗干凈、烘干至恒重,測量樣品的幾何形態、孔隙度和滲透率。本次實驗最大壓力約為200 MPa,得到的主要實驗參數有排驅壓力(Pcd)、最大進汞飽和度(Smax)、剩余飽和度(Sr)、最大孔喉半徑(Rp)、平均孔喉半徑(Ra)、孔喉分選系數(Sp)、滲透率貢獻度等。

2.4 計算分形維數

在高壓壓汞實驗分析的基礎上,采用Li Kewen Model[38]分形模型探究致密砂巖孔喉分形特征,具體實驗方法與計算過程見參考文獻[39]。分形維數的計算結果詳見表1。

表1 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖高壓壓汞實驗數據與分形維數

3 結果

3.1 儲層物性與儲集空間類型

研究區儲層以長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖和長石砂巖為主,含有少量的巖屑砂巖(圖2a)。砂巖整體致密,孔隙度主要分布在6%～14%之間(圖2b,c),平均孔隙度和滲透率分別為10.06%、1.999×10-3μm2,82.24%砂巖滲透率小于1×10-3μm2(圖2b,d),屬于典型的致密砂巖。

圖2 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖儲層巖石學與物性分布特征

孔隙類型主要包括粒間孔隙、粒內孔隙、微裂隙及少量晶間孔。粒間孔包括剩余原生粒間孔(圖3a-c)和復合孔隙(圖3d),剩余原生孔隙邊緣平直,在鑄體薄片中呈現三角形或者多邊形,孔隙邊緣發育綠泥石薄膜(圖3a)。溶蝕孔主要是由長石(圖3e,f)、巖屑(圖3g)溶蝕形成的粒內溶孔、沿濁沸石解理縫溶蝕形成的微裂縫(圖3h)及少量石英溶蝕形成的微小孔隙(圖3i)構成。另外,黏土礦物晶間孔(圖3j,k)和云母層間孔(圖3l)也少量發育。喉道類型包括片狀喉道(圖3m)、縮頸喉道(圖3n)和孔隙縮小型喉道(圖3o),儲集空間類型多樣,孔喉大小從幾納米到幾十微米不等。

圖3 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖孔喉微觀特征

3.2 孔喉結構參數特征

研究區樣品可分為4種類型,不同類型樣品的孔喉參數存在明顯差異(表1、圖4、圖5)。

圖4 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖不同類型樣品的毛細管壓力曲線、孔喉分布與孔喉含量特征

圖5 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖不同類型樣品的孔喉結構參數與物性對比

Ⅰ類砂巖的排驅壓力小于0.4 MPa,最大進汞飽和度平均值為74.47%,最高值為94.22%,剩余汞飽和度在29.18%～57.09%之間;孔喉半徑差異較大,平均孔喉半徑為0.598～1.605 μm,最大孔喉半徑均值大于4 μm,孔喉分選系數位于3～4之間;該類砂巖平均孔隙度為13.61%,平均滲透率為4.624×10-3μm2,儲層物性好。

Ⅱ類砂巖的排驅壓力在0.4～1.0MPa之間,最大進汞飽和度為45.24%～90.47%,平均剩余汞飽和度為46.31%;平均孔喉半徑為0.307 μm,最大孔喉半徑在1 μm左右,孔喉分選系數小于Ⅰ類砂巖;樣品平均孔、滲分別為9.72%、0.375×10-3μm2。

Ⅲ類樣品的排驅壓力在1.0～5.0 MPa之間,最大進汞飽和度平均值為60.53%;平均孔喉半徑為0.081～0.161 μm,最大孔喉半徑小于0.6 μm,孔喉分選系數在2～3之間;該類樣品孔隙度較小,平均值僅為6.68%,平均滲透率為0.047×10-3μm2。

Ⅳ類樣品排驅壓力大于5 MPa,進汞飽和度低至70%以下,剩余汞飽和度在28%～36%之間;平均孔喉半徑分布在0.015～0.046 μm之間,最大孔喉半徑小于0.2 μm,孔喉分選系數小于2;該類型砂巖平均孔隙度僅為5.03%,平均滲透率為0.196×10-3μm2。

3.3 孔喉半徑及分布特征

沙溪廟組致密砂巖平均孔喉半徑在0.015～1.605 μm之間,不同樣品孔喉分布具有明顯差異性。根據前人的孔喉分類標準[26,40],基于孔隙尺寸可劃分為大孔(R≥1 000 nm)、中孔(100 nm≤R<1 000 nm)、過渡孔(10 nm≤R<100 nm)和微孔(R<10 nm)。

Ⅰ類樣品孔喉分布具有單峰或者雙峰的特征,最大峰值在1 μm處,部分樣品在0.01～0.02 μm處存在次級峰(圖4a1)。大孔含量在20%～40%之間,大、中孔占比最大,微孔占比最小(圖4a2)。

Ⅱ類樣品在0.3～0.6 μm之間存在最大峰值,0.01μm處存在次級峰值(圖4b1)。Ⅱ類砂巖大孔喉含量減少,微孔喉比例增大,中孔和過渡孔是主要的孔隙類型(圖4b2)。

Ⅲ類砂巖缺失大孔,以中孔和過渡孔為主(圖4c2),孔喉半徑在0.1～0.2 μm范圍存在最大值(圖4c1),次級峰值出現在0.01 μm處,微孔喉含量較Ⅱ類樣品略有增加。過渡孔是Ⅳ類砂巖最主要的孔隙類型,孔喉半徑主要分布在0.01～0.1 μm之間(圖4d1,d2)。

3.4 分形維數

川中沙溪廟組致密砂巖孔喉分形曲線主要為兩段式(圖6a-d),部分為三段式(圖6e)和單段式(圖6f)。所有樣品lgSHg-lgPc圖分形曲線的擬合相關系數平方(R2)均大于0.9,確保不同段的分形維數的準確性。

圖6 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖孔喉分形曲線

沙溪廟組致密砂巖孔喉分形維數主要在2.0～2.4之間,兩個樣品分形維數高,分別為2.741、2.785。Ⅰ類樣品分形維數在2.04～2.17之間,平均值為2.11,分形曲線有三段式和兩段式2種形式,以兩段式為主,拐點處半徑大約為1 μm(圖6a,e);Ⅱ類樣品分形維數在2.13～2.27之間,平均值為2.20,分形曲線為兩段式,拐點半徑略小于1 μm(圖6b);Ⅲ類樣品分型維數平均值為2.26,拐點處孔喉半徑在0.1～1 μm之間(圖6c)。Ⅳ類樣品分形曲線有兩段式和單段式2種形態,分形維數較高,由Ⅰ類到Ⅳ類孔喉分形維數逐漸變大。

4 討論

4.1 分形維數與孔喉結構的關系

孔喉結構與半徑大小是影響砂巖儲層滲流能力的重要因素[20],孔喉結構參數與分形維數的相關性研究是致密砂巖孔喉表征的基礎。研究區致密砂巖孔喉分形維數與孔喉半徑呈負相關關系,孔喉半徑越大,分形維數越小;最大孔喉半徑大于1 μm的樣品分形維數均小于2.2,而分形維數大于2.3的樣品最大孔喉半徑小于0.3 μm(圖7a,b)。分形維數與排驅壓力存在正相關關系,與最大進汞飽和度存在負相關關系,孔喉分形維數越小的樣品排驅壓力越小、最大進汞飽度越大,該類樣品孔隙連通性高、非均質性弱、儲層物性好(圖7c,d)。另外,孔喉分形維數與顆粒粒度、顆粒分選系數存在著明顯的相關性,顆粒越大,分選越好的樣品,分形維數越小(圖7e,f),這可能與強水動力條件下原生孔保存較多、連通性良好、孔喉非均質性弱有關。儲層物性與分形維數具有明顯的負相關關系(圖7g,h),分形維數越低、滲透率越高。

圖7 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖分形維數與儲層物性、孔喉結構關系

孔喉相對分選系數為孔喉分選系數與孔喉半徑均值的比值,反映了孔喉大小分布的均勻程度。分形維數與孔喉相對分選系數存在明顯的正相關關系(圖7i),相關系數高達0.851 5,進一步證實了分形維數表征孔喉結構與非均質性的可行性。

以0.1 μm為分界,將孔喉分為2部分,建立了不同半徑孔喉含量與分形維數的關系圖(圖8a)。該圖顯示分形維數與孔喉含量有明顯的線性關系(R2=0.943 2),分形維數會隨著半徑大于0.1 μm孔喉含量的減少而增大。分形維數小于2.15,半徑大于0.1μm的孔喉含量不小于70%;分形維數上升至2.15～2.25之間時,半徑大于0.1 μm孔喉含量下降至50%～70%之間;而分形維數大于2.25時,半徑大于0.1 μm孔喉含量下降至50%以下,半徑小于0.1 μm孔喉占主導作用(圖8a)?？缀眍l率與分形維數的強相關性,表明分形維數是指示孔喉組成的重要指標。

圖8 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖孔喉分布頻率與滲透率貢獻度、分形維數的關系

4.2 孔喉半徑分布對滲透率的控制作用

孔喉大小及組成是控制致密砂巖儲層物性的關鍵因素,致密砂巖滲透率隨著孔喉半徑的增大而增大,滲透率貢獻度隨著大孔含量的增加而上升(圖8b,c)。

在一次完整的高壓壓汞實驗中,累積滲透率貢獻曲線都會隨著壓力的升高經歷3個不同的階段(圖9)。第一階段發生在壓力到達排驅壓力之前,在此階段累積滲透率始終為0。壓力到達排驅壓力之后,滲透率累積量迅速增加至95%以上,與此同時,進汞量也呈現為一種快速上升趨勢,但進汞飽和度僅為25%～42%,遠遠未達到最大值,此階段稱為“快速增長階段”。隨著壓力的進一步增大,累積汞飽和度曲線依舊呈現為一種快速上升過程,但累積滲透率貢獻曲線進入緩慢增加階段,滲透率增加不明顯。

圖9 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖孔喉分布對滲透率的控制作用

致密砂巖滲透率主要受控于小部分半徑相對較大的孔喉[20],而相對小的孔喉對滲透率的貢獻度有限。川中沙溪廟組致密砂巖最小流動孔喉半徑平均值為0.059 μm,屬于過渡孔范圍;半徑大于0.1 μm的孔喉滲透率貢獻度達98%以上(圖8c、圖9、圖10)。半徑大于1μm大孔對滲透率有著絕對的控制作用,大孔含量越多,滲透率貢獻度越大(R2=0.972 5)(圖8b)。中孔滲透率貢獻度明顯高于過渡孔和微孔,過渡孔與微孔所占進汞飽和度與滲透率貢獻度之間具有正相關關系,相關系數R2分別為0.59與0.79,但兩類孔隙滲透率貢獻度分別集中在0.01%～10%與0%～1%之間,暗示這類小孔隙對總體滲透率貢獻有限,但作用不可忽視。

圖10 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖孔喉相對百分含量與滲透率貢獻柱狀圖

不同類型砂巖樣品孔喉分布與滲透率貢獻特征差異性明顯。Ⅰ類樣品大孔以小于40%的含量貢獻了90%以上的滲透率;Ⅱ、Ⅲ類砂巖大孔的滲透率貢獻度降低,中孔成為最主要的滲透率貢獻者;Ⅳ類儲層中過渡孔含量、滲透率貢獻度均達到最高(圖10)。

4.3 基于孔喉半徑及分形維數的滲透率預測模型

利用巖心實測孔滲資料,建立滲透率與孔隙度的擬合關系(圖11a)。滲透率與孔隙度的線性、指數、對數擬合關系較差,相關系數小于0.5,而滲透率與孔隙度冪函數擬合R2雖然達到0.5,但依舊無法滿足儲層精細評價的要求[41]。前人研究中提出了多種基于孔隙度、壓汞參數以及其他參數的滲透率模型[42-44],但大多數模型并未考慮孔喉分形特征對滲透率的貢獻。

圖11 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖實測滲透率與孔隙度、預測滲透率交會圖

基于前面的討論,選取孔隙度、分形維數、不同孔喉半徑對滲透率進行多元回歸擬合與相關性分析(表2),并選取相關性最好的公式作為滲透率預測模型。最終確定了基于最大孔喉半徑、分形維數、孔隙度的滲透率預測公式:

表2 川中侏羅系沙溪廟組致密砂巖滲透率與分形維數、孔隙度、孔喉半徑相關性

lgK=4.452Df+2.014lgRa+0.065Ф-10.588

(1)

式中:孔隙度(Φ)表示砂巖中孔隙含量,單位%;分形維數(Df)表征孔喉的非均質性與組成特征;最大孔喉半徑(Ra)指示孔喉大小,單位μm。

通過公式(1)對研究區及鄰近研究區樣品進行預測并驗證(圖11b),除兩個異常點之外,預測結果與實測結果整體相關性極高(R2大于0.9)。圖11b中有兩個預測滲透率明顯小于實測滲透率的紅色異常點,對兩個異常樣品薄片觀察發現發育明顯的微裂縫,造成滲透率偏高。由此表明,基于孔隙度、分形維數、最大孔喉半徑的回歸公式可以更準確地計算致密砂巖“孔隙型”儲層的滲透率,但對微裂縫較為發育的砂巖預測效果不理想。

5 結論

(1)川中沙溪廟組儲層具有巖性致密、孔喉結構復雜、非均質性強的特點。原生孔隙、次生溶蝕孔隙、微裂縫與晶間孔均有發育,孔隙半徑從幾納米到幾十微米均有分布。Ⅰ類砂巖排驅壓力小于0.4MPa,平均滲透率大于4×10-3μm2,半徑大于0.1 μm的大孔和中孔占絕對主導地位;Ⅱ類樣品排驅壓力在0.4～1.0 MPa之間,平均孔、滲分別為9.72%、0.375×10-3μm2,分形維數為2.20,半徑大于0.1 μm中孔含量上升;Ⅲ類砂巖滲透率僅為0.047×10-3μm2,以中孔和過渡孔為主;Ⅳ類砂巖排驅壓力大于5 MPa,孔隙度低,且因缺乏大孔導致滲透率較低。

(2)致密儲層最小流動孔喉半徑平均值為0.059 μm,處于過渡孔范圍內,半徑大于0.1 μm的孔喉滲透率貢獻度達98%以上。大孔貢獻了Ⅰ類砂巖90%以上的滲透率,中孔貢獻了Ⅱ、Ⅲ類砂巖絕大部分滲透率,Ⅳ類砂巖中過渡孔滲透率貢獻最大。大孔、中孔含量決定了滲透率的高低,過渡孔與微孔滲透率貢獻度有限,但其含量與滲透率貢獻關系明顯,不可忽視。

(3)分形維數是指示孔喉組成的重要指標。沙溪廟組致密砂巖分形維數主要介于2.0～2.4之間,分形曲線呈現多段式的特征。分形維數與孔喉半徑、進汞飽和度呈負相關關系,與排驅壓力呈正相關關系。半徑大于0.1 μm的孔喉含量不小于70%時,分形維數主要在2.00～2.15之間;分形維數在2.15～2.25之間時,半徑大于0.1 μm孔喉含量在50%～70%之間;而分形維數大于2.25時,半徑小于0.1 μm孔喉占主導作用,含量不小于50%。

(4)孔隙含量、孔喉組成、孔喉半徑是影響滲透率的關鍵因素,基于分形維數、孔隙度、最大孔喉半徑建立的滲透率預測模型在沙溪廟組“孔隙型”儲層中具有極高的適用性。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

陳少云、楊勇強、邱隆偉完成了研究思路制定、數據分析等方面的工作。王小娟提供了部分研究區的原始數據,指出了研究區實際問題與研究內容的聯系。楊保良、葉熱杰普·哈布臘什木對部分數據進行整理,并參與圖片繪制工作。陳少云、楊勇強全程參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

CHEN Shaoyun, YANG Yongqiang and QIU Longwei carried out the tasks of formulating research ideas and analyzing data. WANG Xiaojuan provided some of the raw data of the study area, pointed out the connection between the actual problems of the study area and the content of the study. YANG Baoliang and Erejep HABILAXIM organized part of the data and participated in the drawing of pictures. CHEN Shaoyun and YANG Yongqiang participated in writing and revising the paper. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.