王永詩，高陽，方正偉

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東東營 257000；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015）

0 引言

進入21世紀，全球非常規(guī)油氣發(fā)現(xiàn)進入活躍期，2018年，全球石油產(chǎn)量為44.5×108t，其中非常規(guī)油約占14%[1-2]，作為其中的重要組成部分，致密油已成為全球非常規(guī)石油發(fā)展的“亮點領(lǐng)域”[3]。全球致密油資源分布廣、潛力大[4]，全球技術(shù)可采致密油儲量約為639.3×108t[5]。

致密油是指儲集在覆壓基質(zhì)滲透率小于或等于0.1×10-3μm2（空氣滲透率小于 1×10-3μm2）的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集層中的石油[6]。賈承造等在2012年運用資源豐度類比法初步預(yù)測中國致密油地質(zhì)資源總量約為（106.7～111.5）×108t[7]，截至2020年初，中國石油已探明致密油和頁巖油地質(zhì)儲量為7.37×108t，剩余控制+預(yù)測儲量為 18.3×108t，建成產(chǎn)能 400×104t/a以上[1]，已在準噶爾盆地二疊系蘆草溝組、風城組[8]、鄂爾多斯盆地三疊系延長組 7段（簡稱“長 7段”）[9]、松遼盆地白堊系泉頭組[10]、渤海灣盆地古近系孔店組—沙河街組[11-12]、四川盆地侏羅系[13]等地區(qū)發(fā)現(xiàn)陸相致密油。濟陽坳陷古近系致密油資源豐富，截至2019年，已上報致密油探明儲量為1.94×108t、控制儲量為0.87×108t、預(yù)測儲量1.1×108t，預(yù)測遠景資源量超過5×108t。

致密儲集層多發(fā)育納米級孔喉（孔徑小于1 μm）[14]，具有孔喉尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強的特點，影響了致密油的儲集和滲流[15]。前人研究發(fā)現(xiàn)，濟陽坳陷古近系致密儲集層孔滲關(guān)系復(fù)雜，相同孔隙度的儲集層滲透率相差幾十至數(shù)百倍，而孔喉結(jié)構(gòu)決定了儲集層的滲透性[16]，因此有必要對濟陽坳陷古近系致密儲集層孔喉結(jié)構(gòu)特征開展分析研究。目前國內(nèi)外學者在致密儲集層孔喉結(jié)構(gòu)研究方法方面取得了很多進展[17-20]。目前儲集層孔喉大小和形態(tài)研究的定性和定量方法可以分為數(shù)據(jù)分析技術(shù)和圖像分析技術(shù)兩類。數(shù)據(jù)分析技術(shù)包括壓汞技術(shù)、低溫N2吸附技術(shù)、核磁共振技術(shù)等，其優(yōu)點是可以通過實驗數(shù)據(jù)對致密儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)進行準確定量的表征，但缺點是每一種技術(shù)測試的孔隙范圍有限。圖像分析技術(shù)包括鑄體薄片、掃描電鏡技術(shù)、聚焦離子束顯微鏡技術(shù)、微納米CT掃描技術(shù)等，以及由此發(fā)展而來的數(shù)字巖心技術(shù)[21-22]。由于每一項技術(shù)方法都有其適用的測試和觀測范圍，有其各自的優(yōu)點和缺點，因此為表征致密儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)，很多學者將多種方法進行融合，例如楊正明等綜合利用高壓壓汞、低溫N2吸附和核磁共振與離心相結(jié)合的物理模擬實驗方法，建立了致密油巖心全尺度孔喉測試方法[23]。劉薇等利用場發(fā)射掃描電鏡、恒速壓汞、高壓壓汞和低溫N2吸附等技術(shù)，對松遼盆地龍虎泡油田龍26井外擴區(qū)上白堊統(tǒng)青山口組二、三段致密砂巖儲集空間類型以及微觀全孔喉直徑分布進行定性及定量表征[24]?；谀壳皾栛晗葜旅軆瘜拥刭|(zhì)條件和資料現(xiàn)狀，選用了常規(guī)壓汞、恒速壓汞、微納米級 CT掃描相結(jié)合的方法描述儲集層孔喉結(jié)構(gòu)特征。濟陽坳陷致密儲集層有 1 100組常規(guī)壓汞分析資料，依托大量的常規(guī)壓汞分析資料，可以查清儲集層孔喉尺寸及分布，但不能分別得到孔隙和喉道的尺寸和分布情況，因此需要補充樣品開展恒速壓汞分析。研究發(fā)現(xiàn)濟陽坳陷古近系致密儲集層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔喉連通性對物性影響較大，因此補充了微納米級CT掃描，用以直觀表征孔喉的連通性。

為查清濟陽坳陷古近系致密儲集層孔喉結(jié)構(gòu)特征，基于激光粒度分析、鑄體薄片等測試資料研究致密儲集層的巖石學組成及結(jié)構(gòu)特征，通過常規(guī)壓汞資料、恒速壓汞、微納米級CT掃描等實驗手段，分析致密儲集層的孔喉結(jié)構(gòu)特征，利用統(tǒng)計學方法開展基于孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的儲集層分類研究，對濟陽坳陷古近系不同類型致密儲集層進行分類評價，以期在濟陽坳陷古近系致密油的勘探實踐中得到良好的應(yīng)用。

1 致密儲集層分類與巖石組構(gòu)特征

1.1 致密儲集層分類

根據(jù)構(gòu)造位置和沉積成因，將濟陽坳陷古近系發(fā)育的致密儲集層劃分為致密砂巖和致密砂礫巖兩大類，其中致密砂巖主要是指發(fā)育在箕狀斷陷湖盆洼陷帶和緩坡帶的致密砂巖，按照沉積相不同又可以進一步分為濁積相致密砂巖、三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖，這些砂巖以中—細粒砂巖、粉砂質(zhì)細砂巖為主[16]。

致密砂礫巖主要發(fā)育在箕狀斷陷湖盆的陡坡帶，其沉積類型多，包括近岸水下扇相致密砂礫巖、扇三角洲相致密砂礫巖、湖底扇相致密砂礫巖等，巖性上包括礫巖、砂質(zhì)礫巖、礫質(zhì)砂巖、含礫砂巖，巖石中普遍含礫，砂質(zhì)顆粒以中粒和粗粒為主。盡管這些砂礫巖在沉積成因上有所不同，但都是近源快速堆積的重力流沉積物，在物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、孔喉特征和成巖特征等方面具有相似性，因此將陡坡帶的這些含礫砂巖、礫巖等沉積巖統(tǒng)稱為“致密砂礫巖”。

濟陽坳陷的致密儲集層主要分布在古近系沙河街組三段和四段（后文簡稱“沙三段”、“沙四段”），統(tǒng)計4 897組巖心物性分析數(shù)據(jù)，儲集層孔隙度小于12%，平均孔隙度為 7%，空氣滲透率為（0.001～3.000）×10-3μm2，平均空氣滲透率為 0.64×10-3μm2，其中 77%的儲集層樣品空氣滲透率低于1×10-3μm2，23%的樣品空氣滲透率為（1～3）×10-3μm2，各評價單元內(nèi)致密油層井數(shù)與所有油井數(shù)之比均超過 74%，按照《致密油地質(zhì)評價方法》國家標準[6]，為致密儲集層。

由于沉積環(huán)境和成巖過程差異，濟陽坳陷古近系相同孔隙度的致密砂巖和砂礫巖滲透性及含油性差別很大，以孔隙度為核心的常規(guī)儲集層評價方法不適用于致密儲集層的評價，而從大量壓汞資料統(tǒng)計來看，儲集層的滲透性與儲集層孔喉結(jié)構(gòu)之間有明顯的相關(guān)關(guān)系，因此有必要研究濟陽坳陷致密儲集層孔喉結(jié)構(gòu)特征，并根據(jù)其孔喉結(jié)構(gòu)特征對儲集層進行分類。

1.2 致密儲集層物質(zhì)組成

對濟陽坳陷古近系 2 013組致密砂巖和砂礫巖鑄體薄片資料統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)致密砂巖和砂礫巖中的含礫砂巖、礫質(zhì)砂巖具有石英含量低、長石和巖屑含量高，成分成熟度低的特征（見圖1a）。其中濁積相致密砂巖、三角洲前緣亞相致密砂巖和濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖顆粒組成具有高度一致性，其石英、長石和巖屑含量相近，而致密砂礫巖中的含礫砂巖、礫質(zhì)砂巖石英含量低，平均僅30.7%，長石和巖屑含量高，分別為38.5%和30.8%（見表1）。

石英含量與長石、巖屑總含量之比能夠表征砂巖的成分成熟度。砂礫巖中砂巖的石英含量與長石、巖屑總含量之比為0.40～0.80，平均值僅0.46，而三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖的石英含量與長石、巖屑總含量之比的分布頻率相似，集中分布在0.60～1.00，平均值分別為0.85、0.79和0.80（見表1）。

濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖中的含礫砂巖、礫質(zhì)砂巖具有沉積巖巖屑含量低，變質(zhì)巖和巖漿巖巖屑含量高的特征（見圖1b），其中變質(zhì)巖巖屑主要來自太古宇的片麻巖、結(jié)晶巖；巖漿巖巖屑主要為偉晶巖、花崗巖巖屑；沉積巖巖屑主要來自下古生界碳酸鹽巖以及中生界的沉凝灰?guī)r、砂巖。致密砂巖和砂礫巖的巖屑組成有明顯差別，致密砂礫巖中的含礫砂巖、礫質(zhì)砂巖的變質(zhì)巖巖屑含量高，平均含量為77.5%，遠高于三角洲前緣亞相致密砂巖、灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖的58.1%～63.3%，致密砂礫巖中的含礫砂巖、礫質(zhì)砂巖的巖漿巖巖屑含量低于后三者，平均值為11.5%（見表1）。

圖1 濟陽坳陷古近系致密儲集層砂巖分類三角圖和巖屑組成三角圖

表1 濟陽坳陷古近系不同沉積類型致密砂巖和砂礫巖巖石學組成統(tǒng)計表

濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖的填隙物主要由碳酸鹽膠結(jié)物和泥質(zhì)雜基構(gòu)成，埋深集中在3 200～4 500 m，處于中成巖B期，由于成巖流體環(huán)境和成巖演化程度相似，砂巖和砂礫巖中膠結(jié)物成分以碳酸鹽膠結(jié)物為主，發(fā)育方解石、白云石、鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)，以及少量的菱鐵礦膠結(jié)、沸石膠結(jié)，偶見石英次生加大。雜基以泥質(zhì)雜基、泥云質(zhì)雜基為主，雜基的含量受沉積相帶和巖石分選程度控制。

1.3 致密儲集層結(jié)構(gòu)特征

濁積相致密砂巖、三角洲前緣亞相致密砂巖和濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖以細砂巖、含粉砂細砂巖、粉砂質(zhì)細砂巖為主，細砂巖占 70%，粉砂巖占 5%～20%，三者的粉砂巖占比分別為9%，5%，20%，不等粒砂巖分別占 22%，20%，5%，粒度中值的平均值分別為0.20，0.14，0.11 mm。而致密砂礫巖粒度粗、分選差，含礫砂巖和礫質(zhì)砂巖中不等粒砂巖占44.5%，粗砂巖占48.1%，中砂巖和細砂巖僅占 6.9%，粉砂巖占0.5%，粒度中值的平均值為 0.61 mm，與前三者具有明顯的差別。

鏡下薄片發(fā)現(xiàn)，濟陽坳陷古近系 90%的致密砂巖和砂礫巖的顆粒呈次棱角狀—棱角狀、顆粒支撐，部分雜基含量高的樣品為雜基-基質(zhì)支撐（見圖 2a），膠結(jié)類型都是以孔隙式膠結(jié)為主（見圖2b、圖2c），偶見連晶、嵌晶膠結(jié)（見圖 2d）。顆粒之間的接觸關(guān)系以點-線、線接觸為主，少見凹凸接觸和壓溶現(xiàn)象，表現(xiàn)出相近的壓實程度。致密砂巖和砂礫巖儲集空間類型多樣，發(fā)育殘余原生孔隙（見圖2e）、次生溶蝕孔隙（見圖2f）、顆粒破裂縫和粒緣縫（見圖2g、圖2h），次生溶蝕多發(fā)育在原生孔隙周緣、或是對堵塞原生孔隙的碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕，對儲集層孔喉結(jié)構(gòu)具有一定改善作用。

圖2 濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖典型鏡下薄片照片

綜上可知，濟陽坳陷古近系三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖在巖石組構(gòu)上具有相似性，而致密砂礫巖與前三者有明顯差別。

2 致密儲集層孔喉結(jié)構(gòu)特征

2.1 基于常規(guī)壓汞實驗的孔喉結(jié)構(gòu)分析

常規(guī)壓汞實驗的最大進汞壓力約為29.7 MPa，能夠表征半徑大于25 nm的孔喉的分布特征。

統(tǒng)計了濟陽坳陷古近系 647組致密砂巖和砂礫巖常規(guī)壓汞資料（見表2）。在孔喉尺寸上，濟陽坳陷古近系致密砂礫巖的R0值為0.050～4.669 μm，平均值為1.635 μm。三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖的R0值平均分別為1.461，1.298，1.459 μm，致密砂礫巖R0值平均比3種致密砂巖大170～340 nm。4種類型致密儲集層的R50值和Ra值相差不大，R50值為 0.025～0.661 μm，不同類型致密儲集層的R50平均值僅相差20～40 nm。Ra值為 0.025～0.966 μm，其中致密砂礫巖Ra值平均值為0.348 μm，三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖的Ra平均值分別為0.363，0.290，0.335 μm。在結(jié)構(gòu)系數(shù)上，致密砂礫巖結(jié)構(gòu)系數(shù)為0.06～9.70，平均值為2.59，三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖的結(jié)構(gòu)系數(shù)為0.27～8.96，平均分別為2.92，2.76，2.95，致密砂礫巖的結(jié)構(gòu)系數(shù)變化范圍大，結(jié)構(gòu)系數(shù)的平均值低于其余三者，體現(xiàn)出致密砂礫巖孔喉迂曲程度低。

在最大進汞飽和度上，致密砂礫巖的最大進汞飽和度平均值為57.1%，而三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖的最大進汞飽和度平均值分別為 67.2%，60.8%，63.8%，致密砂礫巖的進汞飽和度平均值明顯低于其余三者。

在均質(zhì)系數(shù)上，4種類型致密砂巖的均質(zhì)系數(shù)相近，均質(zhì)系數(shù)的平均值為0.25～0.27，表明主要的滲流孔喉半徑約為最大孔喉半徑的1/4，但考慮到致密砂礫巖的最大孔喉半徑較高，其主要的滲流孔喉半徑也較大。

在特征結(jié)構(gòu)參數(shù)上，致密砂礫巖和濁積相致密砂巖的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)平均值分別為0.50和0.49，遠低于三角洲前緣亞相致密砂巖和濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖的0.55和0.56（見表2），體現(xiàn)了重力流成因的致密砂礫巖與濁積相致密砂巖的孔喉分選性差。

表2 濟陽坳陷古近系致密砂巖常規(guī)壓汞孔喉結(jié)構(gòu)特征參數(shù)統(tǒng)計表

總的來看，三角洲前緣亞相致密砂巖、濁積相致密砂巖和濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖在孔喉尺寸、孔喉分布均值性、孔喉的迂曲程度上高度相似，與前三者相比，致密砂礫巖的最大孔喉半徑大，孔喉迂曲程度低，孔喉的分選性差，最大進汞飽和度低。

2.2 基于恒速壓汞實驗的孔喉結(jié)構(gòu)分析

恒速壓汞能夠得到準確的孔隙、喉道、孔喉比大小及含量分布，更適用于孔喉性質(zhì)差別很大的特低滲—致密砂巖儲集層。但恒速壓汞實驗最終進汞壓力約為6.2 MPa，僅能夠表征半徑大于120 nm的孔隙和喉道的分布特征[25]。

從濟陽坳陷古近系11塊致密砂巖和砂礫巖樣品恒速壓汞實驗分析結(jié)果來看，致密砂巖和砂礫巖孔隙半徑均值為 128.702～150.917 μm，平均值為 141.894 μm。喉道半徑均值為0.342～1.834 μm，平均值為0.735 μm，主流喉道半徑為0.055～2.117 μm，平均值為 0.411 μm，呈現(xiàn)大孔微喉的孔喉分布特征，表現(xiàn)為微米級孔隙，次微米級—納米級喉道，孔喉半徑比均值變化較大，為99.382～441.159（見表3）。

表3 濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖恒速壓汞實驗結(jié)果統(tǒng)計表

從孔隙和喉道半徑頻率分布圖上看，致密砂巖和砂礫巖的孔隙大小集中在100～150 μm（見圖3a），樣品的喉道半徑分布有較大的差別（見圖 3b），與樣品的滲透性密切相關(guān)，其中 B667-1樣品孔喉半徑主要為1～2 μm，滲透率為 2.455×10-3μm2，Y172-1、S126-2、Y22-22-2和 S548-1樣品的喉道半徑為 0.4～0.9 μm，樣品的滲透率分別為 0.126×10-3，0.237×10-3，0.112×10-3，0.186×10-3μm2。S126-1、Y172-2 樣品喉道半徑為 0.3～0.4 μm，其滲透率分別為 0.046×10-3，0.052×10-3μm2。

圖3 濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖恒速壓汞孔隙半徑和喉道半徑頻率分布圖

從恒速壓汞參數(shù)與滲透率的關(guān)系來看，喉道半徑均值、主流喉道半徑、最大連通喉道半徑都與滲透率呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系，表明研究區(qū)致密砂巖和砂礫巖滲透性主要受喉道大小控制?？缀戆霃奖染蹬c滲透率之間呈負相關(guān)，表明孔隙、喉道半徑差別越小，樣品的滲透性越好，孔喉半徑比越大，流體滲流空間非均質(zhì)性越強，容易發(fā)生“賈敏效應(yīng)”，使得流體滲流不易。相對分選系數(shù)與滲透率明顯正相關(guān)，表明孔喉分選越好，巖石的滲透性越好（見圖4）。

圖4 濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖恒速壓汞孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)與滲透率關(guān)系

Skp表征孔喉大小分布的對稱性，Skp=0時表明孔喉對稱分布，Skp>0為粗歪度，Skp<0為細歪度，Kp表征孔喉分布頻率曲線陡峭程度，Kp=1時為正態(tài)分布曲線，Kp>1為高尖峰曲線，Kp<1時為緩峰或者雙峰，研究區(qū)致密砂巖孔喉分布表現(xiàn)為粗歪度、高尖峰特征，且峰態(tài)與滲透率成正比，歪度與滲透率成反比。

2.3 基于微米級CT掃描的孔喉結(jié)構(gòu)三維表征

X射線斷層成像（CT）技術(shù)是一種利用 X射線對巖石樣品全方位、大范圍快速無損掃描成像，然后利用掃描圖像數(shù)值重構(gòu)孔喉三維結(jié)構(gòu)特征的技術(shù)方法[26-28]。本次研究采用Sanying（三英）精密儀器公司的 nanoVoxel2000型 X-CT掃描儀，并利用 Avizofire數(shù)字巖心分析軟件對數(shù)據(jù)進行了圖像分析與參數(shù)計算。為解決致密砂巖多尺度孔喉描述難題，首先對將巖心制備成2.54 cm的圓柱體，采用X-CT掃描觀察其微觀孔喉特征（根據(jù)儀器掃描參數(shù)設(shè)定，圖像分辨率達10～25 μm），并利用探針標定圖像中礦物信息，然后在2.54 cm直徑柱樣上鉆取2～3個直徑為1.0～5.0 mm的圓柱體子樣，開展較高精度X-CT掃描，理論圖像分辨率最高可達0.5 μm。在不同精度圖像下，利用同視域圖像孔隙分割一致的原則，在低分辨率圖像上孔隙-顆粒邊界模糊或灰度值高于孔隙灰度值時，進行給定閾值分割，逐步調(diào)整閾值使其分割后的孔隙面積與高分辨率圖像同視域一致，最后利用該閾值對低分辨率圖像進行分割，獲取直徑為 2.54 cm柱樣的孔隙三維分布，這樣可以近似實現(xiàn)柱樣內(nèi)部多尺度孔隙的分布特征。

通過微米級CT掃描與圖像處理軟件相結(jié)合，可以實現(xiàn)對孔喉結(jié)構(gòu)三維可視化定量表征（見圖5a），配合孔喉骨化模型，除了能夠獲取孔隙半徑分布、喉道半徑分布，還可以計算出喉道長度、配位數(shù)等孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)（見圖5b）。

對 B667-2、Y22-22-1、Y22-22-2、S548-1、S548-2、S126-1、Y172-2共7塊樣品開展微米級CT掃描及孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)定量分析，從分析結(jié)果來看，濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖具有微米級孔隙、次微米級—納米級喉道，其中平均喉道半徑為1.20～4.35 μm，最大喉道長度為23.9～67.7 μm，平均喉道長度為5.60～14.11 μm，平均配位數(shù)為1～5，整體的喉道短、連通性差，但在局部連通性較好，樣品的最大配位數(shù)可達9～34（見表4）。由于本次實驗儀器的理論空間分辨率為500 nm，實際能夠表征半徑超過1～2 μm的孔隙和喉道，根據(jù)CT掃描得到的平均喉道半徑比壓汞實驗得到的平均喉道半徑偏大。

表4 濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖CT掃描計算孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)

對比同一沉積類型，同一井段、滲透率不同的兩個樣品CT掃描重構(gòu)的孔喉結(jié)構(gòu)三維圖可以看出：孔隙度為 3.6%、滲透率為 0.099×10-3μm2的 Y22-22-1樣品（見圖 5c）微米級 CT能夠識別的孔喉僅在樣品的局部孤立發(fā)育，孔喉之間的連通性差，孔隙度為5.9%、滲透率為0.112×10-3μm2的Y22-22-2樣品（見圖5d）孔喉連通性較好，微米級CT能夠識別的孔喉在樣品中分布較為均勻。孔喉結(jié)構(gòu)決定了兩塊樣品的含油性，孔喉連通性好、孔喉分布均勻的Y22-22-2樣品含油級別為油浸，Y22-22-1樣品不含油。

圖5 濟陽坳陷古近系致密砂巖微米級CT掃描重構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)三維表征

對比不同測試手段得到的致密儲集層孔喉分布，發(fā)現(xiàn)有較大差異，這主要是由于各表征方法的測量范圍和測量精度存在差異。常規(guī)壓汞實驗?zāi)軌虮碚靼霃匠^25 nm的孔喉的分布，恒速壓汞實驗表征的是半徑超過120 nm的孔隙和喉道的分布特征，而受限于分辨率，微米級 CT掃描能夠表征的孔喉分布范圍更局限，后二者得到的平均孔喉半徑等參數(shù)明顯高于常規(guī)壓汞資料，但為獲取配位數(shù)、孔喉體積比、孔喉半徑比、孔喉空間分布特征等結(jié)構(gòu)參數(shù)，仍然需要借助恒速壓汞和CT掃描資料。

3 基于孔喉結(jié)構(gòu)特征的儲集層評價

《致密油地質(zhì)評價方法》給出了致密儲集層的分類建議，對于碎屑巖而言，標準規(guī)定：孔隙度大于12%，覆壓滲透率大于0.1×10-3μm2的儲集層為Ⅰ類；孔隙度為 8%～12%，覆壓滲透率大于（0.01～0.10）×10-3μm2的儲集層為Ⅱ類；孔隙度為 5%～8%，覆壓滲透率大于（0.001～0.010）×10-3μm2的儲集層為Ⅲ類，為致密油的儲集層物性評價提供了依據(jù)[6]。但致密儲集層能產(chǎn)出多少油氣受地層流體、儲集層本身的孔喉結(jié)構(gòu)等多種因素控制，需要根據(jù)研究區(qū)儲集層特征和產(chǎn)量情況建立儲集層分類標準。目前國內(nèi)很多學者基于儲集層孔喉結(jié)構(gòu)分析，開展儲集層分類評價，取得了良好的應(yīng)用效果[18,22,29-33]。高陽等人利用大量壓汞資料開展聚類分析，劃分了空氣滲透率小于15×10-3μm2的低滲透—致密砂巖儲集層類型[16]。本文基于大量壓汞資料，利用系統(tǒng)聚類分析的方法，結(jié)合試油產(chǎn)量，對空氣滲透率小于 3×10-3μm2的特低滲透—致密砂巖和砂礫巖進行分類。

3.1 聚類分析原理

聚類分析的基本思想來自于方差分析，聚類原則是指兩類合并則離差平方和增加，選擇使離差平方和增加最小的兩類合并。本次聚類分析選用Ward系統(tǒng)聚類法，樣品間距離量度采用平方Euclidean距離。將壓汞實驗得到的孔喉半徑均值（Ra）、最大孔喉半徑（R0）、孔喉半徑中值（R50）、均質(zhì)系數(shù)、變異系數(shù)、結(jié)構(gòu)系數(shù)、最大進汞飽和度、退汞效率、巖性系數(shù)、特征結(jié)構(gòu)系數(shù)共10個參數(shù)作為聚類分析的變量參與聚類。

3.2 分類結(jié)果分析

通過聚類分析可以將參與聚類的樣品劃分為多種類型，然后對比分析每一類致密儲集層的滲透率分布和壓汞曲線形態(tài)差異，據(jù)此對聚類分析的結(jié)果進行合并[24]。通過分析，將濟陽坳陷古近系不同類型致密砂巖和砂礫巖儲集層劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4類。

統(tǒng)計了不同類型Ⅰ—Ⅳ類儲集層的R0、Ra和R50的分布，發(fā)現(xiàn)Ⅰ—Ⅳ類儲集層Ra和R50差異明顯，其中Ⅰ類儲集層Ra的平均值約 0.6 μm，R50的平均值約0.25 μm，Ⅱ類儲集層Ra的平均值約 0.40 μm，R50的平均值約為0.14 μm，Ⅲ類儲集層Ra的平均值約為 0.30 μm，R50的平均值約為0.10 μm，Ⅳ類儲集層Ra的平均值僅有0.15 μm，R50的平均值約為0.06 μm，可以利用R50、Ra作為劃分儲集層孔喉結(jié)構(gòu)類型的參數(shù)。

進一步對比不同類型致密砂巖和致密砂礫巖Ⅰ—Ⅳ類儲集層孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的分布，發(fā)現(xiàn)三角洲前緣亞相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和濁積相致密砂巖Ⅰ—Ⅳ類儲集層孔喉半徑參數(shù)的分布具有相似性，同一類儲集層不同沉積類型砂巖的R50值、Ra值相差不到0.1 μm，而致密砂礫巖Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類儲集層的R0值、Ra值明顯高于其他 3種類型，R50值則相近，說明在相同滲透率的情況下，致密砂礫巖的最大孔喉半徑較高、孔喉半徑均值較高，而孔喉半徑中值相似，孔喉分布非均質(zhì)性強（見圖6）。

圖6 濟陽坳陷古近系致密砂巖和致密砂礫巖Ⅰ—Ⅳ類儲集層Ra、R50、R0分布（樣品數(shù)為647）

以濁積相致密砂巖為例，Ⅳ類儲集層R0值主要分布在小于0.8 μm的區(qū)間，Ra值低于0.2 μm，R50值低于 0.15 μm；Ⅲ類儲集層R0值分布呈現(xiàn)雙峰態(tài)，主要為 0.2～0.8 μm、1.4～1.6 μm，Ra值為 0.2～0.4 μm，R50值為0.05～0.15 μm；Ⅱ類儲集層R0也呈現(xiàn)雙峰態(tài)，主要分布區(qū)間為 1.4～1.6 μm、2.0～2.6 μm，Ra值為0.4～0.7 μm，R50值為 0.05～0.20 μm；Ⅰ類儲集層R0值的主要分布區(qū)間為 1.4～1.6 μm、2.0～2.6 μm，Ra值為 0.6～1.0 μm，R50值為 0.15～0.55 μm（見圖 7）。濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖、三角洲前緣亞相致密砂巖與濁積相致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的分布具有相似性，不再贅述。

圖7 濟陽坳陷古近系濁積相致密砂巖Ⅰ—Ⅳ類儲集層R0、Ra、R50頻率分布直方圖（樣品數(shù)為215）

致密砂礫巖的Ⅳ類儲集層R0值也分布在小于 0.8 μm 的區(qū)間，Ra值小于 0.2 μm，R50值小于 0.1 μm；Ⅲ類儲集層R0值分布呈現(xiàn)雙峰態(tài)，主峰為1.2～1.6 μm，次峰為 2.2～2.6 μm，Ra值為 0.2～0.4 μm，R50值低于0.15 μm；Ⅱ類儲集層R0值呈雙峰態(tài)，為1.2～1.6 μm和 2.2～3.2 μm，Ra值主要為 0.4～0.7 μm，R50值為0.05～0.25 μm；Ⅰ類儲集層R0值主要為 2.2～3.2 μm，Ra值主要為0.5～1.0 μm，R50值呈雙峰態(tài)分布，主要為0.05～0.15 μm 和 0.30～0.55 μm（見圖 8）。

圖8 濟陽坳陷古近系致密砂礫巖Ⅰ—Ⅳ類儲集層R0、Ra、R50頻率分布直方圖（樣品數(shù)為114）

根據(jù)系統(tǒng)聚類分析結(jié)果，建立了基于孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的致密儲集層分類方案（見表 5）。從分類方案中可以看出，Ra是影響儲集層分類效果的重要指標，可以作為儲集層孔喉結(jié)構(gòu)分類的主要參數(shù)，R50、R0可以作為分類的次要參數(shù)，其中Ⅲ、Ⅳ類儲集層分類界線最明確，Ⅰ類和Ⅱ類儲集層孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)分布有明顯重疊，重疊區(qū)在200 nm范圍。

表5 濟陽坳陷古近系致密砂巖和砂礫巖基于孔喉結(jié)構(gòu)的儲集層分類方案

3.3 致密儲集層分類與油氣產(chǎn)能

統(tǒng)計了66口井101層致密儲集層試油層的壓汞數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)砂巖孔喉半徑均值與地層測試產(chǎn)量之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，即儲集層Ra值越大，油氣產(chǎn)量越高。對于濁積相致密巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和三角洲前緣亞相致密砂巖，Ⅰ類儲集層不經(jīng)過壓裂等改造措施就能產(chǎn)出工業(yè)油流，其砂巖的Ra平均值都超過0.6 μm，其中84%的試油層Ra平均值超過0.8 μm；Ⅱ類和Ⅲ類儲集層常規(guī)測試為低產(chǎn)油層或干層，經(jīng)過壓裂改造措施才能產(chǎn)出工業(yè)油流，其砂巖的Ra平均值為 0.3～0.8 μm，其中 64%的試油層Ra平均值為0.4～0.6 μm；Ⅳ類儲集層在現(xiàn)有技術(shù)條件下經(jīng)過壓裂等改造措施不能產(chǎn)出工業(yè)油流，其砂巖的Ra平均值小于 0.2 μm（見圖 9a）。

圖9 濟陽坳陷古近系致密砂巖試油層平均孔喉半徑均值與日產(chǎn)液量關(guān)系圖

對于致密砂礫巖而言，Ⅰ類儲集層不經(jīng)過壓裂等儲集層改造措施就能產(chǎn)出工業(yè)油流，其平均孔喉半徑均值都超過0.8 μm；Ⅱ類和Ⅲ類儲集層常規(guī)測試為低產(chǎn)油層或干層，經(jīng)過壓裂改造措施才能產(chǎn)出工業(yè)油流，其砂巖的Ra平均值為0.3～0.8 m；Ⅳ類儲集層在現(xiàn)有技術(shù)條件下，經(jīng)過壓裂等改造措施不能產(chǎn)出工業(yè)油流，其砂巖的Ra平均值小于0.2 μm。

結(jié)合試油層砂巖Ra值分析結(jié)果和聚類分析結(jié)果，認為Ⅰ類儲集層不經(jīng)過壓裂改造措施就能夠產(chǎn)出工業(yè)油流，將濁積相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和三角洲前緣亞相致密砂巖Ⅰ類儲集層Ra值下限定為0.6 μm，致密砂礫巖Ⅰ類儲集層Ra值下限定為0.8 μm；認為Ⅱ類和Ⅲ類儲集層經(jīng)過壓裂改造措施后能夠產(chǎn)出工業(yè)油流，其Ra值下限為 0.2 μm；Ra值小于 0.2 μm的砂巖儲集層為現(xiàn)有壓裂改造措施條件下的無效儲集層。文中提及的儲集層壓裂改造措施為常規(guī)壓裂改造，壓裂總液量為103.60～441.46 m3，地層加砂量為5.3～51.5 m3。

對比了近年來多位學者提出的致密儲集層分類評價方案[18,22,29-33]。與松遼盆地白堊系致密砂巖、鄂爾多斯盆地長 7段致密砂巖相比，本次研究提出的分類方案界線值偏高。徐永強等研究了鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長 7段致密砂巖[33]，提出Ⅰ類儲集層滲透率大于0.25×10-3μm2，Ra值超過 0.3 μm，相當于本區(qū)的Ⅲ類，Ⅱ類儲集層滲透率為（0.10～0.25）×10-3μm2，Ra值為0.15～0.30 μm，相當于本區(qū)的Ⅳ類，Ⅲ類儲集層滲透率小于 0.1×10-3μm2，Ra值小于 0.15 μm。通過分析認為：導致本區(qū)致密儲集層分類方案偏高的原因在于流體的流動性。目前儲集層分類均立足于儲集層物性，而對流體影響考慮較少，但對于同為納米級別的孔隙介質(zhì)和流體系統(tǒng)，流體的尺寸及結(jié)構(gòu)的影響不可忽視[34]?？紤]到流體流動性的因素，濟陽坳陷古近系油源為沙三段、沙四段的咸水烴源巖，目前主力烴源巖的Ro值小于0.9%，受生烴母質(zhì)的影響，生成的原油密度大多超過0.85 g/cm3，原油的含蠟量高，長鏈烷烴分子尺度更大、導致原油在納米級孔喉中流動性較差，產(chǎn)出工業(yè)油流所需的儲集層孔喉半徑下限更高，因此濟陽坳陷古近系的致密儲集層孔喉分類界線高于鄂爾多斯盆地長7段。

3.4 儲集層分類方案評價及應(yīng)用

上述儲集層分類方案在濟陽坳陷古近系致密儲集層壓裂層優(yōu)選、甜點預(yù)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在壓裂層優(yōu)選方面，利用測井資料評價儲集層孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)選Ⅰ—Ⅱ類有效儲集層發(fā)育的井段作為優(yōu)選壓裂段，有效提高了壓裂后單井產(chǎn)能。以YX233區(qū)塊為例，該區(qū)鉆探的 3口探井測井解釋致密砂礫巖油層3層，分別為YX232井4 470～4 480 m、YX229井4 266.0～4 273.2 m、YX233井3 670.0～3 678.5 m，3套致密砂礫巖油層測井解釋孔隙度相近，分別為7.1%、7.7%、7.8%，但利用測井資料評價了儲集層的孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，3層的Ra平均值分別為1.01，0.54，0.38 μm，按照分類標準分別為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類儲集層。根據(jù)上述評價結(jié)果，對 3個致密砂礫巖油層采取不同的試油方式，針對YX232井4 470～4 480 m井段的Ⅰ類儲集層進行常規(guī)測試（不壓裂），采用直徑為5 mm的油嘴、直徑為22 mm的孔板試油，獲得日產(chǎn)油24.5 t，日產(chǎn)氣3 473 m3；針對YX229井4 266.0～4 273.2 m的Ⅱ類儲集層開展 CO2增能壓裂作業(yè)，壓裂前該井段敞放日產(chǎn)油2.89 t，為低產(chǎn)油層，壓裂后日產(chǎn)油43.5 t（壓裂總液量472 m3，加砂44 m3，施工最大排量5.58 m3/min）；針對YX233井3 670.0～3 678.5 m的Ⅲ類儲集層開展大型 CO2增能壓裂，壓裂前該層不產(chǎn)油氣，壓裂后日產(chǎn)油5.27 t（壓裂總液量988 m3，加砂50 m3，施工最大排量9.5 m3/min）。3套致密砂礫巖油層的產(chǎn)量與儲集層分類方案預(yù)測吻合。目前該套致密儲集層分類方案已在41口井壓裂層優(yōu)選中得以應(yīng)用，其中37口井獲得工業(yè)油氣流，取得良好的應(yīng)用效果。

利用核磁共振測井橫向弛豫時間譜反演偽毛細管壓力曲線，或者利用壓汞資料標定常規(guī)測井曲線，建立孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)測井評價模型，可以得到單井儲集層孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合本文建立的分類標準，可以得出單井Ⅰ—Ⅱ類有效儲集層厚度，利用大量單井測井評價結(jié)果，可以預(yù)測致密油評價單元Ⅰ+Ⅱ類有效儲集層的空間展布。利用上述方法，對濟陽坳陷古近系致密油19個預(yù)測儲量區(qū)塊和23個控制儲量區(qū)塊開展基于孔喉結(jié)構(gòu)的儲集層分類評價。通過評價優(yōu)選出Ⅰ類+Ⅱ類儲集層比例超過70%的YX233沙四段上亞段致密砂礫巖、T764沙四段上亞段致密砂礫巖、XX49沙三段下亞段致密三角洲前緣砂巖等 12個區(qū)塊開展評價部署，在2015—2019年期間，部署YX236等探井16口，升級控制儲量 3 880.5×104t，升級探明儲量 408.8×104t，取得良好的勘探效果。

4 結(jié)論

濟陽坳陷古近系致密儲集層包括致密砂巖和致密砂礫巖兩類，其中致密砂巖按照沉積相又可以分為濁積相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖、三角洲前緣亞相致密砂巖 3種類型，其中致密砂巖具有粒度細、成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低、雜基和碳酸鹽膠結(jié)物為主要填隙物的特征，而致密砂礫巖中含礫砂巖和礫質(zhì)砂巖粒度粗、砂巖的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度更低。

基于常規(guī)壓汞、恒速壓汞、和微米級CT掃描實驗分析，濟陽坳陷古近系致密儲集層具有大孔微喉的特征，孔喉半徑比變化較大。濁積相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖、三角洲前緣亞相致密砂巖在孔喉尺寸、孔喉分布均值性、孔喉的迂曲程度上高度相似，而致密砂礫巖的最大孔喉半徑大，孔喉迂曲程度低，孔喉的分選性差，最大進汞飽和度低。

依據(jù)致密砂巖和砂礫巖常規(guī)壓汞實驗分析結(jié)果，優(yōu)選孔喉半徑均值作為儲集層孔喉結(jié)構(gòu)分類的主要參數(shù)，孔喉半徑中值和最大孔喉半徑作為分類的次要參數(shù)。結(jié)合試油結(jié)果，認為Ⅰ類儲集層不需壓裂改造措施就能夠產(chǎn)出工業(yè)油流，濁積相致密砂巖、濱淺湖亞相灘壩微相致密砂巖和三角洲前緣亞相致密砂巖Ⅰ類儲集層孔喉半徑均值下限為0.6 μm，致密砂礫巖Ⅰ類儲集層孔喉半徑均值下限為0.8 μm；Ⅱ類和Ⅲ類儲集層需要經(jīng)過壓裂改造措施后能夠產(chǎn)出工業(yè)油流，其下限為0.2 μm；Ⅳ類儲集層的孔喉半徑均值小于0.2 μm，為現(xiàn)有壓裂改造措施條件下的無效儲集層。

上述標準的建立，為濟陽坳陷古近系致密儲集層分類評價提供依據(jù)，有效指導了儲集層壓裂層優(yōu)選、甜點儲集層評價和致密油儲量的勘探評價。

符號注釋：

Kp——壓汞實驗得到的孔喉半徑分布曲線的峰態(tài)，無因次；R0——壓汞實驗得到的最大孔喉半徑，μm；R50——壓汞實驗得到的孔喉半徑中值，μm；Ra——壓汞實驗得到的孔喉半徑均值，μm；Skp——壓汞實驗得到的孔喉半徑分布曲線的歪度，也稱為偏度，無因次。