田 偉，劉慧卿，何順利，王 敬，謝 靈

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249；2.北京奧伯特石油科技有限公司，北京100084）

致密油是一種重要的非常規(guī)油氣資源，在中國分布廣泛、潛力巨大［1］。近年來，準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組致密油資源的勘探開發(fā)取得重大突破，成為中國目前致密油資源勘探開發(fā)的重點對象之一［2-4］?？紫督Y(jié)構(gòu)控制儲層的物性特征［5-7］，孔隙結(jié)構(gòu)研究對于認識儲層的儲集空間和流體在儲層內(nèi)的滲流規(guī)律至關(guān)重要。吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密儲層巖性復(fù)雜多變，孔隙類型多樣，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這對于利用常規(guī)手段研究其孔隙結(jié)構(gòu)帶來了很大挑戰(zhàn)。目前關(guān)于其致密油儲層的巖石和孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究還相對比較薄弱［8-9］。

致密油儲層廣泛發(fā)育納米級孔隙，孔隙半徑范圍跨度比較大，展現(xiàn)出從納米級到微米級的分布［10-11］。單一的孔隙結(jié)構(gòu)研究方法不能準確地展現(xiàn)整個孔隙空間的全尺度孔徑分布規(guī)律，具有很大的局限性［12］。目前，對于孔隙結(jié)構(gòu)的研究，主要的測試技術(shù)有掃描電鏡、氮氣吸附、核磁共振、高壓壓汞和恒速壓汞等技術(shù)。但是每一項技術(shù)都存在著無法規(guī)避的劣勢，只能適應(yīng)于對某一特定孔徑范圍內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)進行研究，因此對于研究致密油儲層孔隙半徑的全尺度展布都有一定的不足之處。掃描電鏡技術(shù)通過觀察局部孔隙形態(tài)，給出孔隙結(jié)構(gòu)的定性或者半定量分析，統(tǒng)計代表性差［13-15］。氮氣吸附技術(shù)測試孔徑范圍有限，只能有效的反映微孔的孔徑分布［16-17］。核磁共振技術(shù)受儀器最小回波間隔的限制，對微小孔隙的測試不夠準確［18-19］。由于小孔喉對與其連通的大孔隙的屏蔽效應(yīng)，高壓壓汞技術(shù)對大孔的孔徑分布解釋不夠準確［20-21］。恒速壓汞技術(shù)可以定量地區(qū)分孔道和喉道，但是其最高進汞壓力較低，無法對孔隙結(jié)構(gòu)進行全面測試［22］。

很多研究者嘗試利用多種技術(shù)相結(jié)合的方法來研究致密儲層的孔隙結(jié)構(gòu)。SCHMITT等利用氮氣吸附與壓汞技術(shù)相結(jié)合的方法研究了致密砂巖儲層從納米到微米尺度的孔隙結(jié)構(gòu)［23］；LAI等結(jié)合高壓壓汞與核磁共振技術(shù)研究了四川盆地須家河組致密砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)［24］；肖佃師等聯(lián)合核磁共振和恒速壓汞技術(shù)測定了致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)［25］。但是從原理上來說，不同的測試技術(shù)使用的計算模型完全是不同的物理模型，計算得到的孔徑全尺度分布僅僅是數(shù)學(xué)上的簡單拼接，并沒有明確的物理意義。利用聯(lián)合高壓壓汞技術(shù)與恒速壓汞技術(shù)的新方法可以準確地獲得致密油儲層的孔隙半徑全尺度分布［26］。高壓壓汞技術(shù)用來測試小孔孔徑分布，恒速壓汞技術(shù)用來測試大孔孔徑分布。因為這兩種技術(shù)揭示的都是汞侵入巖樣這一相同的物理過程，因此兩種技術(shù)獲得的孔徑分布的結(jié)合具有明確的物理意義。為此，筆者通過改進聯(lián)合高壓壓汞與恒速壓汞技術(shù)的分析方法，系統(tǒng)研究了吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲層巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，獲得了儲層巖石孔隙的全尺度孔徑分布，以期為正確認識儲層特征、指導(dǎo)致密油資源的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準噶爾盆地位于新疆的北部，是中國第二大內(nèi)陸盆地，吉木薩爾凹陷總體位于準噶爾盆地的東部向東南緣位置。吉木薩爾凹陷經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運動，凹陷邊緣的特征非常明顯，東部臨古西凸起，西部臨北三臺凸起，南部與阜康斷裂帶相臨，北部臨沙奇凸起與北三臺凸起［2］，其總體構(gòu)造單元的面積可達1 278 km2，是一個典型的西深東淺且西斷東超的箕狀凹陷。蘆草溝組儲層廣泛分布在整個凹陷內(nèi)，儲層厚度超過200 m的面積可達806 km2，呈現(xiàn)源-儲一體和近源成藏的特征；儲層縱向上整體含油，是凹陷內(nèi)重要的致密油勘探開發(fā)層位。

2 實驗方法

本次研究選取的3塊致密油儲層巖石樣品來自J174，J176和J31這3口油井的現(xiàn)場取心，巖性主要是泥質(zhì)粉砂巖、砂屑云巖、云質(zhì)粉砂巖、云屑砂巖。

掃描電鏡技術(shù) 掃描電鏡技術(shù)能提供巖石孔隙內(nèi)充填物的礦物類型、大小、產(chǎn)狀的直觀資料，是研究孔隙結(jié)構(gòu)的重要手段。將巖樣抽提清洗干凈，加工出新鮮面作為觀察面，用導(dǎo)電膠固定在樣品樁上，自然晾干，最后在真空鍍膜機上鍍金，使樣品具有良好的導(dǎo)電性能。用細聚焦電子束在樣品表面上由點到行（逐行）掃描，激發(fā)出能夠反映樣品表面特征的電信號，經(jīng)探測器放大處理后顯示出樣品的電子圖像。本次實驗采用的儀器型號為TESCANVEGAII LMU。

高壓壓汞技術(shù) 高壓壓汞法以毛管束模型為基礎(chǔ)，假設(shè)多孔介質(zhì)是由直徑大小不相等的毛管束組成。汞不潤濕巖石表面，是非潤濕相，相對來說，巖石孔隙中的空氣或汞蒸氣就是潤濕相。往巖石孔隙中壓注汞就是用非潤濕相驅(qū)替潤濕相。當注入壓力高于與孔隙相對應(yīng)的毛管壓力時，汞即進入孔隙之中，此時注入壓力就相當于毛管壓力，所對應(yīng)的毛管半徑為孔隙半徑，利用WASHBURN方程［27］計算。本次實驗儀器為美國康塔公司Poremaster壓汞儀。所有樣品測試前均在105℃下烘干至恒重，壓汞實驗包括加壓進汞、減壓退汞過程，最高實驗壓力為200 MPa。

恒速壓汞技術(shù) 以非常低的恒定速度使汞進入巖石孔隙，就可以觀察到系統(tǒng)毛管壓力的變化過程。恒定低速使得進汞過程可以近似為準靜態(tài)過程。在此過程中，界面張力與接觸角保持不變；汞的前緣所經(jīng)歷的每一處孔隙形狀的變化都會引起彎月面形狀的改變，從而引起系統(tǒng)毛管壓力的改變。根據(jù)進汞端彎月面在經(jīng)過不同的微觀孔隙形狀時發(fā)生的自然壓力漲落來確定孔隙的微觀結(jié)構(gòu)。恒速壓汞技術(shù)能夠把喉道和孔道分辨開來，分別測得孔道半徑分布和喉道半徑分布，真正得到具有力學(xué)意義的孔喉比參數(shù)。除了能夠得到常規(guī)的毛管壓力曲線外，還可以進一步分為喉道毛管壓力曲線和孔道毛管壓力曲線［28-29］。本次實驗采用的儀器為美國Coretest Systems公司生產(chǎn)的ASPE-730型恒速壓汞裝置。該裝置中內(nèi)置的高精度泵可以維持低速、恒定的進汞速度（0.000 05 mL/min）；高分辨率的壓力感應(yīng)及采集設(shè)備可以分辨0.001 psi；高性能計算機可以對每個實驗記錄30～50萬個數(shù)據(jù)點，并進行處理。

3 實驗結(jié)果

3.1 高壓壓汞技術(shù)

3.1.1 曲線特征

從3塊樣品的壓汞曲線（圖1）可以看出，其毛管壓力曲線均不存在中間平緩段，而是隨著汞飽和度的增加，毛管壓力不斷上升，表明孔隙的分選性較差。根據(jù)毛管壓力曲線特征，可將樣品分為2類，Ⅰ類包括J31和J176，Ⅱ類包括J174。Ⅰ類樣品的平均排驅(qū)壓力為4.12 MPa，高于Ⅱ類樣品（0.47 MPa）；Ⅱ類樣品毛管壓力曲線的閾壓較低，表明其孔隙半徑較大；所有樣品的最大進汞飽和度均大于90%（表1）。Ⅰ類樣品的退汞效率較高，可能是以小喉道為主，大孔隙較少。Ⅱ類樣品的退汞效率較低，殘余汞飽和度為64.78%。Ⅱ類樣品捕集滯后現(xiàn)象嚴重，可能反映其孔隙結(jié)構(gòu)主要為大孔小喉的墨水瓶孔形狀。因此，高壓壓汞曲線計算得到的孔徑分布可能會因為小孔喉對大孔隙的屏蔽效應(yīng)而使得大孔隙的數(shù)量減少。

圖1 3塊樣品的高壓壓汞曲線Fig.1 HPMI curves of three rock samples

表1 3塊樣品的高壓壓汞實驗結(jié)果Table1 Experimental results of HPMI of three rock samples

3.1.2 滲透率貢獻

致密砂巖中孔喉的大小及分布頻率是影響儲層滲流能力的重要因素［30-32］。根據(jù)高壓壓汞實驗計算得到的孔喉分布頻率與滲透率貢獻值（圖2）可知，對Ⅰ類樣品J176滲流起主要貢獻的孔隙孔徑集中在0.025～0.25 μm，提供了幾乎全部的滲透率貢獻值（圖2a）；滲透率分布峰位位于0.16 μm處，峰值為44.050%。對J31滲流起主要貢獻的孔隙孔徑集中在0.01～0.10 μm；滲透率分布峰位位于0.10 μm處，峰值為54.535%（圖2b）。對Ⅱ類樣品J174滲流起主要貢獻的孔隙孔徑集中在0.1～1 μm；滲透率分布峰位位于1 μm處，峰值為51.901%（圖2c）。結(jié)合樣品的孔喉分布頻率結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，致密油儲層的滲透率主要由占據(jù)小部分孔隙體積的較大孔隙所貢獻。

圖2 3塊樣品孔喉分布頻率與滲透率貢獻值Fig.2 Pore throat distribution frequency and permeability contribution of three rock samples

3.2 掃描電鏡技術(shù)

由掃描電鏡圖像可以看出，Ⅰ類樣品孔隙類型主要包括粒間殘余孔隙、晶間微孔隙，連通較差（圖3a，3b）；膠結(jié)物主要為粒間鐵白云石、綠/蒙混層；常見自生長石。Ⅱ類樣品孔隙發(fā)育，連通好?？紫额愋椭饕ｉg孔隙及殘余孔隙、晶間微孔隙，少量溶蝕孔隙（圖3c）。膠結(jié)物主要為粒間綠泥石、綠/蒙混層、方解石。常見石英加大Ⅰ-Ⅲ級、自生長石，少量長石淋濾。

3.3 恒速壓汞技術(shù)

3.3.1 曲線特征

3塊樣品的恒速壓汞實驗得到的特征參數(shù)值見表2。通過恒速壓汞實驗，得到3塊樣品的總毛管壓力曲線、孔隙進汞曲線和喉道進汞曲線。2類樣品的恒速壓汞曲線表現(xiàn)出明顯的不同。Ⅰ類樣品的恒速壓汞曲線特征（圖4a，4b）是：總毛管壓力曲線始終與喉道進汞曲線一致，最終的孔隙進汞飽和度非常低，排驅(qū)壓力均大于1 MPa。該類樣品中較大的孔隙較少，喉道的控制起主要作用。這也與高壓壓汞實驗的測試結(jié)果相一致。由于恒速壓汞的最大進汞壓力較低，僅為6.2 MPa，對于致密砂巖而言，該技術(shù)無法探測到樣品中較小的孔隙，特別是對滲透性較差的樣品，其局限性更加明顯（圖4b）。Ⅱ類樣品的恒速壓汞曲線特征（圖4c）是：在進汞初期，總毛管壓力曲線和孔隙進汞曲線相一致，說明汞首先進入阻力較小的大孔隙，此時喉道的影響并不明顯。隨著進汞壓力增大，汞逐步進入由小喉道控制的孔隙，此時毛管壓力急劇增大，但是孔隙的進汞飽和度卻增長緩慢，孔隙進汞曲線急劇上翹，總毛管壓力曲線與喉道進汞曲線趨勢相一致，此時喉道起主要控制作用。進一步增大進汞壓力，汞進一步占據(jù)喉道，喉道進汞飽和度增大，而孔隙進汞飽和度基本不再變化。此類樣品的排驅(qū)壓力低于1 MPa，說明滲透性較好，這與實驗測得的樣品滲透率相一致。

圖3 3塊樣品的掃描電鏡圖像Fig.3 SEM images of three rock samples

表2 3塊樣品的恒速壓汞實驗結(jié)果Table2 Experimental results of RCMI of three rock samples

3.3.2 孔徑分布

通過恒速壓汞實驗計算得到樣品的喉道半徑與孔隙半徑分布，由于樣品J31的進汞飽和度較低，無法準確反映孔隙結(jié)構(gòu)特征，因此未予展示。兩類樣品的喉道半徑分布表現(xiàn)出明顯的不同，樣品J176的喉道半徑主要為0.13～0.23 μm，平均為0.17 μm。樣品J174的喉道半徑主要為0.4～1.4 μm，平均為0.98 μm。與喉道半徑分布不同，兩類樣品的孔隙半徑分布相對均一?？紫栋霃骄鶠?00～200 μm，主峰主要分布在120 μm左右（圖5）。

3.3.3 孔喉連通關(guān)系

致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的顯著特征是大孔細喉，具有較大的孔喉比。從圖6可以看出，樣品J174的孔喉比約為100～300，平均為221.7。樣品J176的孔喉比約為800～1 000，平均為844.5。比較樣品J174和J176的孔喉比曲線可以看出，致密砂巖樣品都具有較大的孔喉比，同時兩類樣品的孔喉比也存在非常大的區(qū)別，Ⅰ類樣品的喉道極其細小，反映其滲透能力較差，滲透率較低。

圖4 3塊樣品的恒速壓汞曲線Fig.4 RCMI curves of three rock samples

圖5 2塊樣品的喉道和孔隙半徑分布Fig.5 Pore and throat size distribution of two rock samples

圖6 2塊樣品的孔喉比分布Fig.6 Pore-throat ratio distribution of two rock samples

4 討論

4.1 孔徑全尺度展布

ZHAO等利用聯(lián)合恒速壓汞技術(shù)和高壓壓汞技術(shù)計算致密砂巖的孔徑全尺度展布時，并未討論兩種技術(shù)計算得到的孔徑分布的結(jié)合點問題，是在恒速壓汞技術(shù)能夠探測到的最小喉道半徑處進行直接的拼接［26］。根據(jù)筆者的計算經(jīng)驗，在恒速壓汞中由于數(shù)據(jù)區(qū)間的選取原因，使得更多的進汞體積累加到了最后一個數(shù)據(jù)區(qū)間，造成在0.12 μm處的數(shù)值偏大，因此得到的結(jié)果是微孔占優(yōu)勢的部分都是處于0.12 μm左右，這樣計算得到的結(jié)果可能與實際不符。筆者將結(jié)合點選擇為兩種技術(shù)的共同可測量區(qū)間內(nèi)的交點，其中交點利用插值的方法計算求得。根據(jù)實驗的計算結(jié)果，高壓壓汞與恒速壓汞的交點多發(fā)生在1 μm左右，因此交點落在高壓壓汞與恒速壓汞的共同可測量區(qū)間內(nèi)，在這一區(qū)間內(nèi)計算選取的模型都是WASHBURN方程［27］，因此兩種測量技術(shù)的結(jié)合具有物理模型一致性。而且根據(jù)LOUCKS等提出的孔分類方法［33］，1 μm以下屬于納米孔區(qū)，在這一區(qū)間內(nèi)高壓壓汞技術(shù)的測量在一定程度上是比較準確的，可以避免孔的屏蔽效應(yīng)。因此筆者提出的計算孔徑全尺度分布的方法可以更加合理準確地反映致密砂巖的孔隙空間分布規(guī)律。

從本質(zhì)上講，孔徑分布規(guī)律的表達主要有孔體積增量法和孔體積增量微分法2種方法［34］，以進汞飽和度表達的孔徑分布規(guī)律［26］即為孔體積增量法，此時計算得到的孔徑分布規(guī)律結(jié)果依賴于實驗點間隔的選取。因為在一個大的孔徑區(qū)間內(nèi)，更多的體積會被累加。而孔體積增量微分法可以消除這一影響。因此選擇以孔體積增量微分法來表達孔徑分布規(guī)律。

從兩類樣品的全尺度孔徑分布曲線可以看出：Ⅱ類樣品的孔徑全尺度展布呈現(xiàn)出比較明顯的雙峰態(tài)，第1個峰出現(xiàn)在0.1～1 μm處，第2個峰出現(xiàn)在150 μm左右，小孔的分布范圍較寬，大孔的分布范圍較為集中（圖7a）；Ⅰ類樣品的孔徑全尺度展布呈現(xiàn)出弱雙峰態(tài)，主峰出現(xiàn)在0.07 μm處，弱峰出現(xiàn)在120 μm處（圖7b）；兩類樣品中10～100 μm的孔隙都不發(fā)育。

4.2 孔的分類

不同于IUPAC的孔分類法，LOUCKS等根據(jù)油氣儲層的實際，提出了一種更加適合于石油工業(yè)應(yīng)用的新的孔分類法，孔徑為1 nm～1 μm是納米孔區(qū)，1～62.5 μm 是微孔區(qū)，62.5 μm～4 mm 是中孔區(qū)［33］。Ⅰ類樣品以納米孔為主，中孔不占優(yōu)勢；Ⅱ類樣品以納米孔和中孔為主。兩類樣品中微孔都不發(fā)育。以上結(jié)果可能與樣品中孔隙類型的發(fā)育情形有關(guān)。根據(jù)掃描電鏡實驗結(jié)果，2類樣品中粒間殘余孔隙均較為發(fā)育，這些孔隙的孔徑多大于100 μm。2類樣品中的納米孔主要由晶間微孔隙所貢獻，孔徑在十幾至幾百納米之間。相對于粒間殘余孔隙及晶間微孔隙，樣品中其他類型的孔隙數(shù)量較少，這可能是2類樣品中微孔不發(fā)育的主要原因。

圖7 2塊樣品全尺度孔徑分布曲線Fig.7 Overall pore size distribution of two rock samples

5 結(jié)論

準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油儲層巖石樣品的高壓壓汞曲線不存在中間平緩段，說明其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙分選性較差。孔隙類型主要為粒間孔隙及殘余孔隙、晶間微孔隙，滲透率主要由占據(jù)小部分孔隙體積的較大孔隙所貢獻。高壓壓汞可以比較準確地探測小孔隙，而恒速壓汞可以比較準確的探測較大的孔隙，聯(lián)合高壓壓汞與恒速壓汞技術(shù)可以比較準確地計算得到致密砂巖儲層的全尺度孔徑分布。兩種技術(shù)的結(jié)合點選擇為共同可測量區(qū)間內(nèi)的交點。樣品的全尺度孔徑分布曲線呈雙峰態(tài)，小孔孔徑主要為0.07～1 μm左右，大孔孔徑主要為120～150 μm左右。根據(jù)LOUCKS等提出的孔分類方法，研究區(qū)蘆草溝組致密油儲層巖石發(fā)育大量的納米孔隙，微孔不發(fā)育。