祝海華，張廷山，鐘大康，李耀羽，張婧璇，陳曉慧

（1.油氣藏地質與開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；2.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500；3.中國石油大學（北京）地球科學與技術學院，北京 102249；4.RMIT University，Melbourne VIC3000，Australia）

0 引言

致密儲集層油氣資源豐富，雖然普遍致密，但仍表現(xiàn)出較強的非均質性，不同地區(qū)致密儲集層可動流體含量差異明顯[1-3]?？缀硖卣鞑粌H決定了儲集層儲集和滲流能力，也影響了壓裂效果和最終可動油氣總量[3-4]。因此致密砂巖孔隙特征及物性影響因素是致密油勘探開發(fā)的研究熱點與難點之一。

致密儲集層孔隙系統(tǒng)多為納微米級，孔喉一般小于2 μm[5-6]，如鄂爾多斯盆地三疊系延長組孔喉半徑大多為50～900 nm[7]。由于不同類型孔隙大小差異較大，致密儲集層孔徑可出現(xiàn)連續(xù)分布、單峰分布、雙峰分布等分布模式[4,7-9]。致密砂巖中，大孔喉往往決定了儲集層的滲透能力，而孔隙體積主要由小孔喉貢獻[9-13]，不同級別的孔喉對孔隙度、滲透率具有差異影響，但致密砂巖孔滲性的變化主要受哪一級別的孔喉影響，孔喉半徑分布與油相賦存有何關系則少見討論。

由于各類測試技術多基于單一的孔隙模型進行孔隙結構表征，如壓汞技術往往把孔喉模擬成毛細管模型，難以反映各級別孔喉在結構上的差異。雖然近年分形幾何被廣泛用于孔隙結構研究，但不同研究的結論存在差異，部分研究認為小孔隙是影響孔隙結構復雜性的主要因素，主要證據(jù)為小孔分形維數(shù)與滲透率呈一定的負相關性，小孔結構越復雜，滲透率越低[14-15]，也有研究得出相反的結論，認為砂巖的大孔隙分形維數(shù)更大，對孔隙結構的影響更明顯[16]，造成這種差異的主要原因是不同研究在討論儲集空間的分形特征時，對樣品的孔喉模型進行了單一化處理，而忽略了不同級別孔喉的差異性。

因此針對上述問題，本文以鄂爾多斯盆地延長組7段（后文簡稱“長 7段”）典型致密儲集層為研究對象，利用薄片、孔隙度、滲透率、含油飽和度及壓汞等相關測試數(shù)據(jù)，計算致密砂巖孔喉分形參數(shù)，探討不同級別孔喉的結構特征及對致密砂巖物性和含油飽和度變化的差異影響。

1 樣品來源及方法

1.1 實驗樣品、檢測方法和參數(shù)計算

本次研究選取了14塊鄂爾多斯盆地長7段致密油砂巖儲集層樣品進行巖石鑄體薄片觀察、物性和高壓壓汞測試，并基于壓汞數(shù)據(jù)進行孔喉分形計算（見表1、表2）。為評價孔隙結構對含油飽和度的影響，本次研究優(yōu)先挑選具有油氣顯示的巖心樣品。

表1 致密砂巖樣品巖石學特征

表2 14個樣品的壓汞參數(shù)表

從巖心中鉆取直徑為2.5 cm的柱塞樣，用于鑄體薄片磨制、物性和壓汞測試。測試前，對樣品進行洗油處理：在索氏提取器中使用甲醇和二氯甲烷混合液對樣品進行洗油處理，當洗油流體熒光極低且不變時認為洗油完畢，并將樣品在100 ℃連續(xù)微波烘干24 h。處理完畢樣品注入紅色鑄體，并磨制0.03 mm厚的薄片，在偏光顯微鏡下，利用點計法（每個樣品統(tǒng)計300點）進行巖石學、孔隙的統(tǒng)計及研究。利用巖心氦孔儀空氣法測量樣品孔隙度。利用巖心柱塞壓力降落法測試滲透率，該方法適用于（0.00 1～30 000）×10-3μm2的樣品，同時本次研究收集了11個相同深度的新鮮巖心含油飽和度測試數(shù)據(jù)。利用AutoPoreIV型壓汞計進行高壓壓汞實驗，實驗條件為室溫22 ℃，相對濕度為46%～68%，水銀界面張力σ為0.49 N/m。

1.2 壓汞孔喉結構參數(shù)計算

汞對于大多數(shù)固體界面為非潤濕相，當汞進入毛細管時需要克服毛細管壓力，由Young-Laplace方程可知[17]，進汞壓力pc與孔喉半徑r、界面張力σ和接觸角θ密切相關：

根據(jù)進汞量和相應的進汞壓力，可作出毛細管壓力曲線，獲取排驅壓力、中值壓力（進汞飽和度 50%時壓力）等參數(shù)。然后根據(jù)（1）式，可計算相應的最大連通半徑、中值半徑以及孔喉半徑-孔隙度的分布曲線。

1.3 分形維數(shù)的計算

分形通常被定義為“一個粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數(shù)個部分，且每一部分都（至少近似地）是整體縮小后的形狀”，即具有自相似的性質。本次研究利用 14個樣品壓汞測試數(shù)據(jù)計算了孔喉的分形維數(shù)D。依據(jù)分形原理，具有相同尺度物體數(shù)量N（r）與其測量的線性尺度r之間滿足冪律關系[18]，即

假設儲集層孔隙具有分形特征，那么孔喉半徑即為測量的線性尺度r，根據(jù)孔喉半徑r和進汞體積VHg換算的孔隙個數(shù)即為N（r）。對于壓汞測試，孔隙個數(shù)N（r）可根據(jù)毛細管模型獲得，即

由式（1）和式（2）得

將Young-Laplace方程式（1）代入式（5）可得：

由巖樣中水銀飽和度SHg的定義有：

假設l為定值，由式（6）和式（7）得SHg與pc的關系為：

其中α為常數(shù)，說明巖樣中的水銀飽和度與毛細管壓力之間滿足冪律關系，對式（8）兩邊取對數(shù)，可得：

在雙對數(shù)坐標系中，lgSHg和 lgpc呈線性關系，C為截距，根據(jù)直線的斜率便可計算分形維數(shù)。

2 實驗結果分析

2.1 巖石學特征

薄片統(tǒng)計顯示，14個樣品巖性包括巖屑長石砂巖，巖屑砂巖和長石巖屑質石英砂巖。石英含量為22.5%～54.0%，平均值為38.6%，長石含量為7.5%～48.0%，平均值為26.0%，巖屑類型以巖漿巖、石英巖、千枚巖為主，含量為9.0%～25.0%，平均值為14.5%。填隙物以雜基為主，主要為水云母，含量為 2.0%～31.8%，平均值為8.3%。膠結物平均值為5.5%，以鐵方解石和鐵白云石為主，平均含量分別為1.6%和1.0%，其次為石英膠結，少量黏土、鈉長石膠結。砂巖粒徑主要分布于0.08～0.30 mm，平均值為0.16 mm，主要為細砂巖、粗粉砂巖和雜砂巖，分選中等，大部分碎屑磨圓度為次棱角狀。

2.2 孔隙及物性特征

薄片觀察顯示致密砂巖孔隙類型多樣?？讖捷^大、鑄體薄片中可清晰識別統(tǒng)計的孔隙包括保存較好的粒間孔和顆粒溶蝕孔隙，面孔率統(tǒng)計也主要統(tǒng)計該部分孔隙。此外，還有一部分孔隙較小，因為吸附瀝青而易于識別，但難以統(tǒng)計面孔率，這類小孔隙包括壓實膠結剩余的粒間微孔、弱溶蝕形成的粒內溶孔、伊利石等黏土礦物晶間孔、云母礦物水化或蝕變后形成的層間孔隙、塑性巖屑蝕變形成的粒內格架狀微孔（見圖1）。

14個樣品面孔率變化大：為0.3%～3.7%，平均值為1.1%，其中溶蝕孔面孔率平均為0.8%，殘余粒間孔面孔率平均0.3%（見表1）。溶蝕孔隙以長石溶孔為主。物性測試顯示，研究樣品孔隙度 5.0%～13.8%，平均值為 9.42%，滲透率為（0.027 6～0.282 0）×10-3μm2。本次研究收集了11個相同深度新鮮巖心的含油飽和度數(shù)據(jù)。含油飽和度最低23.7%，最高72.3%，平均值為42.3%（見表2）。將油相賦存的孔隙體積與巖石總體積之比稱為含油孔隙度，含油孔隙度可根據(jù)含油飽和度與有效孔隙度乘積獲得，結果顯示含油孔隙度2.3%～10.0%，平均值為4.26%。

2.3 壓汞特征

14個樣品的壓汞曲線特征如圖2，所有曲線均表現(xiàn)出細歪度、分選較好的特征，但各樣品最大進汞飽和度差別較大：48.57%～84.93%（見表2、圖2），平均值為 69.6%，有相當一部分孔喉（約 30%）由于過于細小，在本次測試的進汞壓力條件下無法進入。排驅壓力為1.41～7.89 MPa，平均值為4.42 MPa。中值壓力為0～45.73 MPa，平均值為15.43 MPa，最大連通半徑為 0.08～0.52 μm，平均值為0.19 μm（見表2）。

圖1 研究樣品常見孔隙類型及特征

圖2 研究樣品壓汞曲線特征

根據(jù)進汞壓力與進汞體積可計算孔喉半徑-體積分布，14個樣品的孔喉半徑均小于1 μm（見圖3），孔喉半徑多呈單峰分布，若將孔隙度分量最高的孔喉所對應半徑稱為峰值半徑，則樣品峰值半徑為0.07～0.25 μm，平均為值為0.11 μm。隨孔隙度增加，孔喉峰值半徑逐漸增大，如樣品編號①—⑤以及編號⑦—⑨等，孔隙度較小，孔喉峰值半徑小于 0.1 μm；而樣品編號⑨—?，孔隙度大于 10%，孔喉峰值半徑均大于0.1 μm。

2.4 分形特征

基于進汞飽和度方法計算的分形維數(shù)結果見表3和圖4。

圖4顯示所有樣品進汞壓力pc和進汞飽和度SHg的雙對數(shù)坐標圖均具有分段性：前半段進汞壓力小，斜率高，代表大孔喉分形特征，后半段代表小孔喉分形特征，兩段擬合曲線相關性均較高，除了樣品編號⑤、⑨后半段相關系數(shù)（R2）為0.86和0.84外，其余樣品的相關系數(shù)（R1和R2）均大于0.90（見表3）。

兩段擬合曲線轉折點對應的孔喉半徑，下稱轉折半徑（見表3）與孔喉峰值半徑近乎相等，相關性達0.99（見圖5），因此可認為轉折半徑即為峰值半徑。根據(jù)（9）式，計算第1段大孔喉的分形維數(shù)D1為4.52～7.52，平均為5.62，第2段小孔喉分形維數(shù)D2為2.14～2.66，平均為2.40（見表3）。

圖3 致密砂巖樣品孔喉半徑分布圖

3 討論

3.1 不同級別孔喉對物性的影響

假設致密砂巖中大于峰值半徑的孔喉為大孔喉，所占孔隙度為φ1，小于峰值半徑且能進汞的孔喉為小孔喉，孔隙度為φ2，而未能進汞的孔喉為微孔喉，孔隙度為φ3（見表3）。14個樣品的φ1平均 2.64%，小于φ2（平均 4.11%）和φ3（平均 2.79%）。φ1的變異系數(shù)為0.51，大于φ2（0.37）和φ3（0.29），說明：①14個樣品的孔喉體積主要由小孔喉貢獻，其次為微孔喉，而大孔喉比例最低；②大孔喉的發(fā)育程度差異大，而小、微孔喉較為穩(wěn)定，各樣品差別小（見圖6）。

φ1、φ2與孔隙度φ均呈正相關（見圖7），相關系數(shù)分別為0.68、0.57，φ3與孔隙度無相關性。φ1與滲透率正相關，相關系數(shù)為 0.61，φ2與滲透率相關性變差，相關系數(shù)為 0.31，φ3與滲透率無相關性。說明大孔喉雖然對孔隙度貢獻率低，但卻是導致孔隙度、滲透率變化的主要因素，而不僅僅如前人所認為的主要影響滲透率[13-15]。小孔喉對孔隙度變化有一定貢獻，但對滲透率影響小。而微孔喉對孔隙度和滲透率幾乎無影響。因此可以認為對于致密砂巖，大于峰值半徑的孔喉發(fā)育程度是造成物性非均質性的主要因素。

3.2 不同級別孔喉對油相賦存的影響

通常認為致密油儲集層中微米級至數(shù)個納米級別的孔隙均可含油[19-20]，油相在大于0.02 μm的孔喉中即可流動[21]。但研究樣品中，含油孔隙度只與φ1呈較好的相關性（R2=0.76，見圖8），與φ2和φ3缺少相關性（R2分別為0.000 4和0.050 0）。說明：

①大孔喉的發(fā)育對油相充注至關重要，充注時油相優(yōu)先充注大孔喉，其次為小孔喉。如果油相主要分布于小孔喉，那么含油孔隙度與小孔喉相關性應較好。根據(jù)各樣品φ1值與含油孔隙度比，假設大孔喉被油相完全充注，那么將有平均約65%的油相賦存于大孔喉中。

②油相充注時，砂巖孔喉特征應與現(xiàn)今相近，即油相充注時只要大孔喉中充注了油，含油飽和度即與現(xiàn)今測試的含油飽和度較一致。因為在長 7段致密油成藏時，地層埋藏深度已較大，壓實穩(wěn)定，其次油相的充注會抑制膠結、壓實等成巖作用對孔隙影響[22-23]，因此油相大量充注之后，孔喉特征應相對穩(wěn)定。如果充注之后仍出現(xiàn)明顯變化，如大孔喉繼續(xù)大量減小為小孔喉，那么小孔喉對含油孔隙度的貢獻應該增加，兩者相關性變好，同時含油孔隙度與大孔喉的相關性應較差。

因此除了控制致密砂巖孔隙度、滲透率變化外，大孔喉發(fā)育程度對致密油充注也至關重要，是評價致密儲集層的關鍵參數(shù)。

圖4 研究樣品進汞壓力-進汞飽和度雙對數(shù)圖（R表示相關系數(shù)）

表3 分形維數(shù)計算結果及φ1、φ2、φ3計算結果表

圖5 轉折半徑與峰值半徑相關圖

3.3 不同級別孔喉的成因類型

薄片孔隙面孔率為0.3%～3.7%，明顯小于巖心孔隙度，說明仍有較多的微小孔隙未被識別統(tǒng)計[24-26]，薄片觀察主要統(tǒng)計大孔隙發(fā)育情況，微小孔隙難以觀察和統(tǒng)計[24]。壓汞技術只能提供喉道信息，而不能反映孔隙半徑分布[5]。但面孔率與巖心孔隙度、大孔喉孔隙度（φ1）呈較好的正相關關系（R2=0.77）（見圖9），說明致密砂巖中大喉道往往連通大孔隙。因此薄片中可識別統(tǒng)計的可見孔隙是影響巖石物性和孔隙結構最重要的因素，這與核磁共振分析的結論是一致的[16]。從孔隙類型來看，樣品中主要發(fā)育的可見孔隙為顆粒溶蝕孔隙和粒間孔隙，平均面孔率分別為 0.8%和0.3%。因此大孔隙是否發(fā)育是評價、預測相對優(yōu)質儲集層的重要指標之一。

圖6 研究樣品大孔喉、小孔喉和微孔喉孔隙度分布圖

圖7 φ、K 與φ1、φ2及φ3相關圖

圖8 φ1、φ2、φ3與φo散點圖

圖9 面孔率與φ、φ1、φ2及φ3散點圖

3.4 致密砂巖的二元孔隙結構

根據(jù)分形理論，當一個對象二向等比例延展，分形維數(shù)為2，三向等比例延展時，分形維數(shù)則為3，而對象三向非等比延展時，分形維數(shù)大于3（見圖10）。因此分形維數(shù)的變化可以反映孔隙結構特征及差異[27]。

圖10 不同延展特征的模型及分形維數(shù)

14個樣品的孔喉分形特征具有兩段性，小于峰值半徑的孔喉分形維數(shù)為2～3，大于峰值半徑的孔喉分形維數(shù)大于3，相似的規(guī)律在前期研究中已有較多報道[15,17]。一般認為分形維數(shù)為2～3時孔隙具有分形特征，而大于 3時則不具備分形特征[28-30]。因此根據(jù)分形理論，本次研究的致密砂巖孔隙結構具有明顯的二元特征：

當孔喉半徑小于峰值半徑時（小孔喉φ2和微孔喉φ3），孔隙結構接近于毛細管模型（見圖11a），即孔隙半徑與喉道半徑接近，在圖11b中表現(xiàn)為lgpc和lgSHg擬合直線斜率小，進汞體積隨孔喉半徑增加而緩慢增加，進汞體積由喉道半徑決定。此時孔喉分形維數(shù)為2～3，孔喉具有介于二維和三維延展之間的特征，即l隨r增加而增長，但l增長倍數(shù)小于r的增長倍數(shù)，如果相等，分形維數(shù)應為3。此時孔隙結構具有一定的自相似性，即分形特征。

當孔喉半徑大于峰值半徑時（φ1），孔隙結構接近于串珠模型（見圖11a），孔隙半徑明顯大于喉道半徑，隨孔喉半徑增加，進汞體積快速增加，孔隙對孔喉體積的貢獻明顯大于喉道。此時分形維數(shù)大于 3（見圖11b），孔喉呈三維非等比延展，lgpc和 lgSHg的擬合直線的斜率越大，孔喉半徑比可能越大。

本次研究的14個樣品，雖然巖石學特征、物性、孔喉半徑分布等均存在較大差異，但均表現(xiàn)出二元結構特征，說明該孔隙模型應具有一定的普適性。

圖11 致密砂巖二元孔隙結構模型

4 結論

長7段致密砂巖孔喉半徑分布小于1 μm，單峰分布，不同級別孔喉對物性具有差異影響。各樣品大孔喉差異大，是導致砂巖的孔隙度、滲透率非均質性的主要因素，同時也是油相賦存的主要空間。小微孔喉雖然貢獻了主要的儲集空間，但相對穩(wěn)定，對物性變化影響小，與含油飽和度也缺少相關性。

致密砂巖具有二元孔隙結構特征：當孔喉半徑大于峰值半徑時，孔隙結構近似于串珠模型，不具備分形特征，孔隙半徑明顯大于喉道半徑，孔喉體積由孔隙體積決定；當孔喉半徑小于峰值半徑時，孔隙結構為毛細管模型，孔隙、喉道半徑接近，具有分形特征，孔喉體積由喉道半徑決定。

大孔喉主要由次生孔隙和粒間孔組成，因此即使致密砂巖發(fā)育大量的微小孔隙，預測致密砂巖物性時，仍應著重分析粒間孔隙、溶蝕孔隙等大孔隙的特征、成因及主控因素。

符號注釋：

C——截距，無因次；D——分形維數(shù)，無因次；D1——大孔喉分形維數(shù)，無因次；D2——小孔喉分形維數(shù)，無因次；K——滲透率，10-3μm2；VHg——進汞體積，μm3；l——毛細管長度，μm；L——放大倍數(shù)，無因次；N（r）——分形物體容納標尺特征體的數(shù)目，個；pc——進汞壓力，MPa；r——線性尺度或毛管半徑，μm；rp——孔隙半徑，μm；R、R1和R2——相關系數(shù)，無因次；SHg——進汞飽和度，%；V0、V1、V2、V3——不同放大倍數(shù)時的孔喉體積，μm3；Vp——孔隙體積，μm3；α——常數(shù)，無因次；θ——接觸角，（°）；σ——界面張力，N/m；φ——總孔隙度，%；φ1——大孔喉孔隙度，%；φ2——小孔喉孔隙度，%；φ3——未進汞的微孔喉孔隙度，%；φo——含油孔隙度，%。