汪賀 師永民, 張志強(qiáng) 孫彤 史世元 關(guān)平 徐大衛(wèi)

致密砂巖儲(chǔ)層黏土礦物晶間孔隙特征及其對(duì)物性影響的研究——以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng) 6 油層組為例

汪賀1,2師永民1,2,?張志強(qiáng)1,2孫彤1,2史世元1,2關(guān)平1,2徐大衛(wèi)3

1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871; 2.北京大學(xué)石油與天然氣研究中心, 北京 100871;3.School of Petroleum Engineering, University of Science and Technology of Missouri, Rolla MO 65401; ?通信作者, E-mail: sym@pku.edu.cn

針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層黏土礦物晶間孔隙定量表征不足的問題, 以掃描電子顯微鏡圖像和 EDS 能譜分析資料為基礎(chǔ), 研究鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng) 6 油層組黏土礦物及晶間孔隙的發(fā)育特征, 將晶間孔參數(shù)定量化, 對(duì)不同類型黏土礦物晶間孔進(jìn)行定性與定量結(jié)合表征。在此基礎(chǔ)上, 根據(jù)礦物含量計(jì)算不同類型黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的貢獻(xiàn), 探究其對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層物性參數(shù)的影響機(jī)制。結(jié)果表明, 不同黏土礦物的發(fā)育特征及晶間孔特征有較大的差異; 黏土礦物的孔喉和面孔率大小趨勢(shì)為伊蒙混層>綠泥石>伊利石, 類圓狀孔隙和孔隙縮小型喉道發(fā)育較廣泛; 黏土礦物發(fā)育特征和孔隙結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)層物性及剩余油分布的主要影響因素。

致密砂巖儲(chǔ)層; 黏土礦物; 晶間孔隙; 定量表征; 儲(chǔ)層物性; 鄂爾多斯盆地; 延長(zhǎng)組

隨著勘探技術(shù)的發(fā)展, 致密砂巖油氣逐漸成為全球開發(fā)的重點(diǎn)對(duì)象。致密砂巖儲(chǔ)層常發(fā)育微?納米尺度的復(fù)雜孔喉系統(tǒng), 其孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲(chǔ)層物性和油氣儲(chǔ)集能力的重要因素[1]。致密砂巖儲(chǔ)層的物性和孔隙結(jié)構(gòu)受巖石組分、成巖作用、保存條件和黏土礦物特征等多種因素的影響[2]。黏土礦物在致密砂巖儲(chǔ)層中廣泛發(fā)育, 研究其含量、類型和分布等特征, 對(duì)研究致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)以及油氣開發(fā)意義重大[3?7]。在我國(guó)含油氣盆地中, 江漢盆地和柴達(dá)木盆地第三系地層中大量發(fā)育伊利石和綠泥石, 鄂爾多斯盆地石炭?二疊系含煤地層中高嶺石分布較普遍, 渤海灣盆地廣泛發(fā)育蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石及伊蒙混層礦物[8?10]。

不同類型黏土礦物的性質(zhì)、產(chǎn)狀及晶間孔的大小等特征差異明顯, 對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)有著不同程度的影響[11?15]。有關(guān)黏土礦物的孔隙特征及其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響, 已有不少研究。Loucks等[12]、吉利明等[13]和高鳳琳等[14]通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡等手段, 對(duì)黏土礦物的發(fā)育特征及晶間孔大小做定性觀察, 并進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量描述。另有學(xué)者結(jié)合氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)和壓汞實(shí)驗(yàn), 研究頁(yè)巖和純黏土礦物樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征(晶間孔隙的大小、形態(tài)和分布等)[16?19], 但未針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層黏土礦物及孔隙特征進(jìn)行系統(tǒng)的分析。有關(guān)黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層物性的影響, 朱平等[20]利用光學(xué)薄片和掃描電子顯微鏡資料等定性手段進(jìn)行觀察研究; 另有學(xué)者利用X射線衍射方法測(cè)定不同類型黏土礦物的含量, 并與儲(chǔ)層孔隙度和滲透率進(jìn)行回歸分析, 研究黏土礦物類型及含量對(duì)儲(chǔ)層物性的影響趨勢(shì)[21?24]。

綜上所述, 前人針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層黏土礦物晶間孔的研究主要是對(duì)晶間孔發(fā)育特征的定性描述, 缺乏定量參數(shù)的表征。本文以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng) 6 油層組為研究對(duì)象, 在高倍掃描電子顯微鏡圖像觀察和 EDS 能譜分析的基礎(chǔ)上, 提取黏土礦物晶間孔隙的孔喉直徑、類型和面孔率等參數(shù)進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì), 并根據(jù)礦物含量計(jì)算不同黏土礦物的孔隙度貢獻(xiàn)率, 分析黏土礦物含量和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層物性的影響。

1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

樣品來(lái)自鄂爾多斯盆地華慶油田延長(zhǎng)組長(zhǎng) 6 儲(chǔ)層。研究區(qū)長(zhǎng) 6 儲(chǔ)層物性較差, 孔隙度分布范圍為4.95%~15.38%, 滲透率分布范圍為 0.007~0.051mD,非均質(zhì)性較強(qiáng), 屬于低孔?特低孔致密砂巖。鑄體薄片觀察顯示, 致密砂巖儲(chǔ)層孔喉群落定向發(fā)育, 非均質(zhì)性較強(qiáng), 圖 1(a)中可見淺色砂巖層與暗色黏土層互層現(xiàn)象?？紫兑缘V物粒間殘余孔隙、黏土礦物晶間孔隙及顆粒內(nèi)部溶蝕孔隙為主(圖 1(b)箭頭所示), 喉道以縮頸型喉道和彎片狀喉道為主, 發(fā)育較多微裂縫, 對(duì)儲(chǔ)層滲透率具有一定改善作用。主要骨架礦物為石英和長(zhǎng)石, 巖屑和云母含量豐富, 黏土礦物廣泛存在, 可見顆粒表面被黏土礦物包裹(圖 1(c)和(d)中箭頭所示)。

X 射線衍射分析結(jié)果表明, 研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層中黏土礦物主要有伊利石、綠泥石和伊蒙混層, 多為長(zhǎng)石等骨架顆粒的蝕變交代產(chǎn)物, 原生及自生黏土礦物含量不高。黏土礦物的平均含量為 18.6%, 伊蒙混層黏土礦物的含量最高(平均 49.1%), 綠泥石和伊利石次之(二者的平均含量分別為 39.3%和11.6%)。

2 黏土礦物晶間孔發(fā)育特征

在掃描電子顯微鏡下, 伊利石單體常呈絲縷狀和羽毛狀貼附于顆粒表面, 集合體常呈搭橋式, 晶間孔隙形態(tài)多樣, 平行的伊利石晶體間常形成 0.5~ 2.5μm 的縫狀孔隙, 其余呈三角形或不規(guī)則形態(tài)的晶間孔隙, 孔徑在 0.5~4.0μm 之間(圖 2(a))。綠泥石多呈針葉狀, 以薄膜的方式包裹于顆粒表面, 或呈玫瑰花狀充填在孔隙中, 晶體間常發(fā)育 2.5~5.0μm的三角形孔隙, 經(jīng)壓實(shí)平行排列的板片狀綠泥石會(huì)形成寬 20nm 至 1μm 的縫狀孔隙(圖 2(b))。伊蒙混層黏土礦物常呈蜂巢狀、網(wǎng)狀和棉絮狀充填于孔隙中間, 晶間孔發(fā)育, 常見孔徑為 5~20μm 的不規(guī)則大孔(圖 2(c))。

3 晶間孔徑特征

篩選研究區(qū)樣品中各類型黏土礦物的高倍顯微鏡圖像, 利用圖像孔喉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行圖像的二值化處理, 根據(jù)形態(tài)特征識(shí)別不同類型的孔隙和喉道, 對(duì)其進(jìn)行定量的參數(shù)統(tǒng)計(jì), 并根據(jù)礦物含量計(jì)算不同類型黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的貢獻(xiàn)。

3.1 孔喉直徑

對(duì)樣品中不同類型黏土礦物高倍顯微鏡下的平均孔隙直徑和平均喉道直徑進(jìn)行分析(圖 3), 結(jié)果如下。

圖1 樣品鑄體薄片與掃描電子顯微鏡照片

(a)伊利石; (b)綠泥石; (c)伊蒙混層

1)平均孔隙直徑。不同類型黏土礦物的孔隙直徑主要由其晶體結(jié)構(gòu)和分布方式?jīng)Q定, 總體而言, 伊蒙混層>綠泥石>伊利石。其中, 綠泥石在 88.6~ 901.2nm 之間, 平均 396.6nm; 伊利石在 92.9~218.4nm 之間, 平均 192.9nm; 伊蒙混層在 285.2~713.5nm 之間, 平均 543.8nm。

2)平均喉道直徑。總體而言, 伊蒙混層>綠泥石>伊利石。其中, 綠泥石在 63.1~455.6nm 之間, 平均 192.6nm; 伊利石在 67.1~174.4nm 之間, 平均112.5nm; 伊蒙混層在 138.3~556.1nm 之間, 平均305.6nm。

以樣品 1 為例, 分析黏土礦物的孔隙和喉道直徑分布特征, 結(jié)果如圖 4 所示。該樣品的黏土礦物孔隙直徑介于 17.6~6752.8nm 之間, 主體位于 500~ 1000nm 之間; 黏土礦物喉道直徑介于 16.6~3209.4nm之間, 主體位于 50~500nm 之間。

圖3 不同類型黏土礦物的孔喉直徑分布

3.2 孔喉形狀類型

黏土礦物孔隙和喉道的形狀主要由其晶體結(jié)構(gòu)和分布方式?jīng)Q定。以樣品 1 為例, 依據(jù)從不同黏土礦物中得到的孔隙形狀因子和喉道截面半徑, 對(duì)孔隙和喉道的形狀進(jìn)行分析, 結(jié)果如表 1 所示。

該樣品中黏土礦物孔隙可分為圓狀、橢圓狀和條帶狀 3 類。綠泥石、伊利石和伊蒙混層 3 種黏土礦物均主要為圓狀孔隙, 占比分別為 63%, 78%和68%。與伊利石和伊蒙混層礦物相比, 綠泥石中橢圓狀和條帶狀孔隙相對(duì)更多, 可能與壓實(shí)作用后綠泥石的緊密平行排列有關(guān)。

表1 不同類型黏土礦物的孔喉形狀類型占比

該樣品中黏土礦物喉道可以分為頸縮狀、縮小狀和彎片狀 3 類。綠泥石、伊利石和伊蒙混層 3 種黏土礦物均主要為縮小狀喉道, 占比分別為 81%, 93%和 70%。

3.3 黏土礦物面孔率

提取各樣品中不同類型黏土礦物的掃描電子顯微鏡圖像, 對(duì)黏土礦物所在區(qū)域進(jìn)行面孔率分析, 結(jié)果如圖 5 所示。可以看出, 不同樣品之間黏土礦物面孔率差別較大, 主要分布在 6.5%~18.4%之間, 平均值為 14.8%; 同一樣品中不同黏土礦物面孔率差異較大, 整體趨勢(shì)為伊蒙混層>綠泥石>伊利石。其中, 綠泥石的面孔率介于 4.7%~23.1%之間, 平均值為 12.6%; 伊利石的面孔率介于 0.5%~22.1%之間, 平均值為 11.1%; 伊蒙混層黏土礦物的面孔率介于 10.8%~34.5%之間, 平均值為 20.6%。

3.4 孔隙度貢獻(xiàn)率

根據(jù)各種黏土礦物的晶間孔隙面孔率和黏土礦物含量, 計(jì)算黏土礦物晶間孔的孔隙度, 結(jié)果如圖6 所示。可以看出, 不同黏土礦物孔隙度不同, 伊蒙混層>綠泥石>伊利石。

對(duì)比樣品的總孔隙度, 計(jì)算得到黏土礦物孔隙度貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明, 各樣品中黏土礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)不同, 分布范圍為 11%~66%, 平均值為40.0%, 說(shuō)明廣泛發(fā)育的黏土礦物晶間孔是影響致密砂巖儲(chǔ)層物性的重要因素。不同黏土礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率不同, 綠泥石、伊利石和伊蒙混層黏土礦物的平均貢獻(xiàn)率分別為 16.9%, 3.1%和 19.9%, 總體趨勢(shì)為伊蒙混層>綠泥石>伊利石。

4 黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

4.1 黏土礦物含量及類型與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

圖 7 展示黏土礦物含量及類型與儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的關(guān)系, 從中可以看出以下特征。

1)黏土礦物含量與儲(chǔ)層物性在一定程度上負(fù)相關(guān), 總體來(lái)講, 隨著黏土礦物含量的增加, 儲(chǔ)層孔隙度和滲透率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2)隨著綠泥石含量增加, 儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率不斷降低。研究區(qū)綠泥石在黏土礦物中占比最大, 對(duì)儲(chǔ)層物性的影響相對(duì)較大。綠泥石主要呈薄膜式包于顆粒表面, 呈玫瑰花狀充填在孔隙中, 或經(jīng)壓實(shí)后緊密地平行排列于孔隙中, 從而減小孔隙的有效半徑, 導(dǎo)致孔隙喉道堵塞。

3)伊利石的存在對(duì)孔隙度和滲透率都有一定程度的影響。孔隙度與伊利石含量呈現(xiàn)微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 伊利石含量對(duì)滲透率的影響相對(duì)較大, 主要與伊利石的賦存狀態(tài)有關(guān)。尤其是長(zhǎng)石溶蝕過(guò)程中產(chǎn)生大量毛發(fā)狀和絲狀自生伊利石, 通常呈搭橋式分布于粒間孔隙中, 切割原始粒間孔隙, 嚴(yán)重地降低儲(chǔ)層滲透率, 壓實(shí)作用下容易堵塞孔隙和喉道, 降低儲(chǔ)層物性[15]。

4)伊蒙混層礦物對(duì)孔隙度和滲透率的影響均較明顯, 隨著伊蒙混層礦物含量增加, 儲(chǔ)層孔隙度和滲透率下降, 呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。伊蒙混層礦物是蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的過(guò)渡產(chǎn)物, 常呈蜂窩狀和網(wǎng)狀分布于孔隙中, 有較強(qiáng)的水敏性, 從而對(duì)儲(chǔ)層物性造成影響。

4.2 黏土礦物孔隙喉道直徑與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

樣品黏土礦物孔隙喉道平均直徑與孔隙度和滲透率的關(guān)系如圖 8 所示。1)從總體上看, 隨著黏土礦物孔隙喉道平均直徑增加, 孔隙度和滲透率呈上升趨勢(shì), 黏土礦物晶間孔隙對(duì)儲(chǔ)層(尤其是致密砂巖儲(chǔ)層)的物性有重大影響, 孔隙喉道直徑與孔隙度和滲透率之間呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)性。2)孔隙度與黏土礦物孔隙喉道直徑之間呈較微弱的正相關(guān)性, 可能是由于充填在儲(chǔ)層孔隙中的黏土礦物會(huì)減小儲(chǔ)層的孔隙空間, 黏土礦物晶間孔在一定程度上影響儲(chǔ)層的孔隙度。另外, 由于黏土礦物孔喉直徑與孔隙度的關(guān)系受黏土礦物含量的影響較大, 因此該相關(guān)性較弱。3)滲透率與黏土礦物孔隙喉道直徑之間呈現(xiàn)相對(duì)明顯的正相關(guān)性, 可能是由于黏土礦物對(duì)儲(chǔ)層孔隙喉道的堵塞使得儲(chǔ)層的滲透率大大地降低, 較大孔徑的黏土礦物晶間孔對(duì)儲(chǔ)層滲透率的影響相對(duì)較小。存在一個(gè)異常點(diǎn)滲透率低于平均值, 可能與該樣品較高的伊蒙混層礦物含量有關(guān)。另外, 壓實(shí)作用及孔隙連通性也可能在一定程度上影響滲透率。

5 剩余油分布特征

致密砂巖儲(chǔ)層中黏土礦物在一定程度上影響和控制儲(chǔ)層中微觀剩余油的分布, 因此研究黏土礦物晶間孔隙中剩余油的分布特征, 對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層剩余油分布的預(yù)測(cè)和進(jìn)一步開發(fā)具有指導(dǎo)意義。本研究通過(guò)對(duì)未洗油樣品進(jìn)行噴鉻處理, 結(jié)合 EDS 能譜分析數(shù)據(jù)(表 2)識(shí)別剩余油分布, 利用環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)黏土礦物晶間孔隙中剩余油的分布特征進(jìn)行觀察(圖 9), 可知剩余油主要以薄膜狀附著于黏土礦物表面或呈游離態(tài)分布于晶間孔中。

在環(huán)境掃描電子顯微鏡下觀察到, 剩余油主要分布于黏土礦物晶間孔內(nèi)或未被黏土礦物完全充填的殘余粒間孔內(nèi), 伊利石中剩余油主要呈薄膜狀附著于絲縷狀伊利石表面, 綠泥石中可見薄膜狀剩余油和少量游離態(tài)剩余油分布于三角形晶間孔中, 伊蒙混層礦物中可見薄膜狀剩余油和分布于網(wǎng)狀不規(guī)則晶間孔的游離態(tài)剩余油(圖 10)。

表2 黏土礦物中剩余油EDS能譜分析結(jié)果

6 結(jié)論

本文基于掃描電子顯微鏡圖像和能譜資料, 研究鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng) 6 油層組不同類型黏土礦物及晶間孔隙的發(fā)育特征, 并探究其對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層物性的影響, 主要結(jié)論如下。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng) 6 油層組黏土礦物的孔隙直徑分布在 500~1000nm 之間, 喉道直徑分布在50~500nm 之間, 孔喉大小的整體趨勢(shì)為伊蒙混層>綠泥石>伊利石。黏土礦物晶間孔隙中, 類圓狀孔隙和縮小狀喉道均較多。

黏土礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率介于 11%~66%之間, 平均 40.0%, 不同黏土礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率排序?yàn)橐撩苫鞂?綠泥石>伊利石。

黏土礦物含量與晶間孔的孔隙結(jié)構(gòu)是影響儲(chǔ)層物性的重要因素?？紫抖葘?duì)綠泥石的存在較為敏感, 滲透率對(duì)伊利石的存在較為敏感。剩余油主要以薄膜狀附著于黏土礦物表面, 少量呈游離態(tài)分布于晶間孔中。

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Characteristics of Nano-pores of Clay Minerals in Tight Reservoirs and Their Effects on Reservoir Properties: A Case Study of Yanchang-6 Oil Formation in Ordos Basin

WANG He1,2, SHI Yongmin1,2,?, ZHANG Zhiqiang1,2, SUN Tong1,2, SHI Shiyuan1,2, GUAN Ping1,2, XU Dawei3

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of Oil and Gas, Peking University, Beijing 100871; 3. School of Petroleum Engineering, University of Science and Technology of Missouri, Rolla MO 65401; ? Corresponding author, E-mail: sym@pku.edu.cn

In view of the lack of quantitative characterization of intercrystalline pores of clay minerals in tight sandstone reservoirs, the development characteristics of clay minerals and intercrystalline pore in Yanchang-6 oil formation in Ordos Basin were studied based on scanning electron microscope image and energy spectrum analysis. The intercrystalline pore parameters were quantified, and the intercrystalline pores of different types of clay minerals were characterized qualitatively and quantitatively. On this basis, the contribution of different types of clay minerals to reservoir porosity was calculated according to the mineral content, and the mechanism of its influence on the physical properties of tight reservoirs was explored. The results showed that there were significant differences in the development characteristics of different clay minerals and the characteristics of intercrystalline pores. The size trend of pore throat and facial rate of clay minerals was illite/smectite formation > chlorite > illite. Clay mineral development characteristics and pore structure were the main influencing factors of reservoir physical properties and residual oil distribution.

tight sandstone reservoir; clay minerals; intercrystalline pore; quantitative characterization; reservoir property; Ordos Basin; Yangchang Formation

10.13209/j.0479-8023.2020.037

國(guó)家自然科學(xué)基金(41930103)資助

2019?05?16;

2019?10?13