鐘紅利，張鳳奇，趙振宇，魏 馳,4，劉 陽

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054；2.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024)

非常規(guī)油氣中致密砂巖油氣的勘探開發(fā)在我國油氣勘探領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位[1-4]。其中，鄂爾多斯盆地延長組發(fā)育有多套致密砂巖油儲層，其孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要發(fā)育微、納米級孔喉，且以納米級孔喉為主[5-8]，流體在該尺度孔喉中流動性如何？孔隙結(jié)構(gòu)的分布對流體流動性如何影響？目前，在這些方面研究和認(rèn)識程度較低[9]。對國內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，致密砂巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)研究方法較多[10-12]，這其中核磁共振與高壓壓汞聯(lián)合可較好地獲取致密砂巖儲層中多尺度孔喉的大小分布[13-14]；而離心實(shí)驗(yàn)和核磁共振結(jié)合可較好地分析致密砂巖儲層中可動流體的賦存孔喉范圍及含量[9,15]。本文以鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部延長組長6、長7和長8致密砂巖儲層為研究對象，將核磁共振與高壓壓汞分析測試技術(shù)結(jié)合，精細(xì)表征致密砂巖儲層中孔喉大小，利用離心實(shí)驗(yàn)和核磁共振T2譜分析相結(jié)合，來定量表征致密砂巖儲層可動流體的分布，兩者結(jié)合，揭示致密砂巖儲層中孔喉大小分布對可流動流體的控制作用。該研究對致密砂巖儲層中油氣的勘探開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

核磁共振方法研究巖石孔隙結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)在于流體儲層巖石孔隙大小與氫核弛豫率成反比[16]。當(dāng)巖樣中孔隙表面對孔隙中流體作用力較強(qiáng)時，巖樣中部分流體會處于不可流動狀態(tài)或束縛狀態(tài)，它的核磁共振T2弛豫時間較小；反之，流體處于可流動狀態(tài)或自由狀態(tài)，它的核磁共振T2弛豫時間較大。當(dāng)對飽和流體的巖樣進(jìn)行核磁共振測試時，得到的橫向弛豫時間T2值是巖樣孔隙、巖石礦物和孔隙中流體的綜合體現(xiàn)。因此，利用核磁共振T2譜可對巖心孔隙中水的賦存(束縛或可動)狀態(tài)進(jìn)行分析，定量給出束縛流體飽和度及可動流體飽和度。離心實(shí)驗(yàn)中，離心機(jī)以不同大小離心力高速旋轉(zhuǎn)，促使巖心孔隙中的可動流體(水/油)克服毛細(xì)管力而不斷被分離出來，不同大小的離心力值對應(yīng)不同的巖心孔喉半徑值，孔喉半徑值與離心力大小之間遵循毛管壓力計算公式[15，17-18]；本次實(shí)驗(yàn)氣—水系統(tǒng)的界面張力δ=71.8 mN/m，潤濕角θ=0°。巖樣每次離心后都進(jìn)行核磁共振T2譜測試，離心實(shí)驗(yàn)和核磁共振結(jié)合可獲得不同孔喉大小區(qū)間的可動流體飽和度信息[15]。本次離心實(shí)驗(yàn)選用4級不同離心力，分別為0.14 MPa(21 psi)，0.29 MPa(42 psi)，1.43 MPa(208 psi)，2.88 MPa(417 psi)，分別對應(yīng)的孔喉半徑大小為1.00，0.50，0.10，0.05 μm。

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)是研究致密砂巖儲層孔喉結(jié)構(gòu)特征最重要的方法之一。實(shí)驗(yàn)時將非潤濕相汞注入儲層孔隙，每個壓力點(diǎn)對應(yīng)一定的累積進(jìn)汞量，利用毛管壓力公式可求出每個壓力值對應(yīng)的孔喉半徑值[11]，從而計算出不同大小孔喉在巖石孔隙中的體積占比[19]。根據(jù)進(jìn)汞飽和度與進(jìn)汞壓力可做出毛管壓力曲線，該曲線不僅可以描述巖樣連通孔喉的大小分布[20]，還可以反映儲層孔隙度和滲透率與孔喉大小分布的關(guān)系。

1.2 樣品及實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 樣品

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，中生界主力油層為三疊系延長組長6、長7、長8油層組，其中，長6和長8油層組儲層主要為三角洲前緣沉積砂體，長7儲層則主要為濁積砂體(圖1)。對6口井40個鑄體薄片的觀察統(tǒng)計表明：長6、長7和長8儲層的巖性主要為淺灰色細(xì)粒長石砂巖或巖屑長石砂巖；碎屑組成主要為長石，次為石英，再者為巖屑和云母；填隙物主要為(鐵)方解石、綠泥石和水云母等。其儲層孔隙度和滲透率均較低，屬于典型的致密砂巖儲層[10-11](表1)。長6—長8儲層的面孔率為0～3.8%；孔隙類型主要為剩余粒間孔、溶蝕孔和晶間孔。本次實(shí)驗(yàn)選取了4口井中長6、長7和長8儲層的7塊樣品，進(jìn)行飽和水和4級不同離心力核磁共振實(shí)驗(yàn)及高壓壓汞測試，實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)見表1。

圖1 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)位置及地層綜合柱狀圖

表1 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)核磁共振實(shí)驗(yàn)樣品基本參數(shù)

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及步驟

本次實(shí)驗(yàn)使用的儀器為PC-18型專用巖樣離心機(jī)以及RecCore-04型巖心核磁共振分析儀。實(shí)驗(yàn)方法嚴(yán)格按照《巖心分析方法:SY/T5336-2006》和《巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測量規(guī)范:SY/T6490-2014》執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)在22 ℃恒溫下開展。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)巖心洗油，烘干，氣測孔隙度，氣測滲透率；(2)抽真空加壓飽和鹽水，利用濕重與干重差計算孔隙度(水測孔隙度)，進(jìn)行核磁共振T2測量；(3)利用高速離心機(jī)，以0.14，0.29，1.43，2.88 MPa離心力對巖心進(jìn)行離心實(shí)驗(yàn)，并分別進(jìn)行核磁共振T2譜測量；(4)將做完核磁共振測試的剩余樣品分別進(jìn)行高壓壓汞測試，與不同離心力下的核磁共振T2譜結(jié)合，計算樣品不同大小孔喉的分布和不同孔喉半徑控制的可動流體。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 致密砂巖儲層微觀孔喉分布特征

核磁共振橫向弛豫時間T2與喉道半徑r存在冪指數(shù)相關(guān)關(guān)系[14]；利用偽毛細(xì)管曲線法，通過高壓壓汞累積頻率曲線的標(biāo)定(圖2)，可將核磁共振T2譜分布轉(zhuǎn)換為孔喉半徑分布[21]，它們之間的對應(yīng)關(guān)系可用下式表示：

圖2 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品5核磁共振T2譜標(biāo)定

r=CT2

(1)

式中：r表示孔喉半徑，nm；T2為弛豫時間，ms；C為轉(zhuǎn)換系數(shù)，nm/ms。因此，確定C值之后，就可以將核磁共振T2分布轉(zhuǎn)換為孔喉半徑分布。通過計算，可得研究區(qū)7塊核磁共振樣品轉(zhuǎn)換系數(shù)C值分布在6～17 nm/ms，平均值為11.3 nm/ms(表1)。

分析7塊核磁共振樣品的孔喉分布，得到研究區(qū)致密砂巖儲層最小孔喉半徑為0.60～1.70 nm，平均值為1.13 nm；最大孔喉半徑為829.8～3 050.8 nm，平均值為1 949.1 nm；主體孔喉半徑分布在10～500 nm，占全部孔喉的81.2%～95.4%(圖3)。因此，鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部延長組長6、長7和長8致密砂巖儲層主要發(fā)育微、納米級孔喉，主體為10～500 nm的納米級孔喉。

圖3 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)7個致密砂巖樣品的孔喉半徑分布

2.2 致密砂巖儲層中的可動流體分布

研究區(qū)3個典型致密砂巖樣品在不同離心力離心后，核磁共振T2譜形態(tài)發(fā)生了不同程度的變化(圖4-6)，主要有3個階段。(1)初始狀態(tài)：T2譜在飽和水狀態(tài)下，3塊樣品的含水飽和度均為100%。(2)飽和度曲線緩慢變化階段：當(dāng)離心力為0.14 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?6.54%，97.79%和98.89%，此時，巖心含水飽和度下降幅度均較小，核磁共振T2譜變化也較??；當(dāng)離心力為0.29 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?4.54%，95.39%和96.16%，其含水飽和度下降幅度仍不明顯，表明此時樣品中還有大量的可動流體未被分離出來。(3)飽和度明顯變化階段：當(dāng)離心力為1.43 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?0.65%，93.10%和90.31%，巖心含水飽和度變化相對較大，核磁共振T2譜變化也相對較大；當(dāng)離心力為2.88 MPa時，3塊樣品的含水飽和度變?yōu)?5.39%，86.55%和82.36%，巖心含水飽和度變化最大。

圖4 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品5不同離心力后T2譜分布及含水飽和度變化

圖5 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品6不同離心力后T2譜分布及含水飽和度變化

圖6 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)樣品7不同離心力后T2譜分布及含水飽和度變化特征

可動流體T2譜截止值(T2cutoff)及最佳離心力，一般是通過觀察不同離心力累積T2譜曲線的變化趨勢[17-18]來確定的。本次7塊樣品最佳離心力取2.86 MPa(417 psi)，離心力累積T2譜曲線水平延伸線與飽和水樣T2累積曲線的交點(diǎn)對應(yīng)T2截止值；7塊樣品T2截止值分布于3.866 35～13.064 68 ms，平均值7.51 ms。從不同離心力對應(yīng)的T2譜累積曲線可看出(圖4-6)，可動流體在不同大小孔喉中的分布：小于T2cutoff的孔喉流體體積占比，隨著離心力的增大，沒有明顯變化，應(yīng)主要為束縛態(tài)毛細(xì)管水；大于T2cutoff的孔喉流體體積，離心力的增加使各孔隙區(qū)間中離心出的流體量相差不大，反映這部分孔喉中多為可動流體及以束縛水膜的形式存在的束縛水。

研究區(qū)7塊巖心樣品的可動流體飽和度介于9.83%～25.64%之間，平均值為17.53%(表2)，樣品可動流體飽和度普遍偏低。為了描述可動流體在整個巖樣中的發(fā)育程度，求取了可動流體孔隙度(Φm)：

Φm=Φ·SD

(2)

式中：Φ為巖石孔隙度，%，SD為可動流體飽和度，%。結(jié)果顯示研究區(qū)7塊樣品的可動流體孔隙度介于0.49 %～1.84 %之間，平均值為1.25 %。

可動流體在不同孔喉區(qū)間的分布特征如下：0.05～0.10 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為5.26%～13.68%，平均值為8.88%；0.10～0.5 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為2.22%～6.78%，平均值為4.21%；0.5～1.0 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為1.43%～3.39%，平均值為2.47%；大于1.0 μm孔喉所控制的可動流體飽和度為0.45%～3.46%，平均值為1.97%(表2)。對比發(fā)現(xiàn)，每個測試樣品的4個孔喉區(qū)間控制的可動流體飽和度不同，其中0.05～0.10 μm孔喉區(qū)間的最高，大于1.0 μm孔喉區(qū)間的普遍最小，而納米級的0.05～1 μm孔喉區(qū)間控制的可動流體占總可動流動的76.32%～95.32%，平均值為88.46%。綜上所述，認(rèn)為研究區(qū)致密砂巖儲層中可動流體主要被0.05～1 μm的納米孔喉所控制，為研究區(qū)致密砂巖儲層賦存可動流體的主體孔喉空間(表2)。

表2 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)7個致密砂巖樣品不同孔喉半徑區(qū)間所控制的可動流體飽和度

2.3 致密砂巖儲層孔喉分布對可動流體的控制作用

2.3.1 儲層物性

儲集性能、滲流性共同影響著流體在孔喉中的流動。由于致密砂巖儲層孔喉的大小分布、孔隙類型與常規(guī)砂巖儲層存在較大差異，所以致密砂巖儲層物性與可動流體參數(shù)之間不一定具有明顯的正相關(guān)關(guān)系[15,17-18,22-23]。

研究區(qū)7塊樣品的可動流體孔隙度與儲層孔隙度、滲透率之間均表現(xiàn)出明顯正相關(guān)性，而且，其與滲透率的相關(guān)性更高(圖7)，反映了滲透率對可動流體具有更顯著的控制作用。原因可能是核磁共振和高壓壓汞所揭示的7塊樣品的峰值孔喉半徑值分布在20～80 nm區(qū)間內(nèi)(圖3，8)，對應(yīng)的孔喉類型主要為黏土礦物晶間孔以及細(xì)小喉道；而對滲透率貢獻(xiàn)最大的是半徑值為100～700 nm的孔喉(圖8)，這部分孔喉空間主要為剩余粒間孔、溶蝕孔、微裂縫等。因此，較細(xì)小孔喉數(shù)量的增加不能顯著改善流體的自由流動，孔徑更大的孔隙及喉道數(shù)量的增加才能提高可動流體含量。

圖7 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與孔隙度及滲透率的關(guān)系

圖8 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)高壓壓汞孔喉分布及滲透率貢獻(xiàn)

2.3.2 孔喉大小及分布

前人研究認(rèn)為，孔喉大小及分布對致密儲層的可動流體含量具有重要的控制作用[24-27]。統(tǒng)計7塊測試樣品的孔喉分布，得到大于50 nm孔喉占全部孔喉比率、大于100 nm孔喉占全部孔喉比率、最大孔喉半徑、峰值孔喉半徑和孔喉分選系數(shù)等定量表征孔喉分布的5個代表性參數(shù)，分別將其與可動流體孔隙度建立關(guān)系，分析致密砂巖儲層孔喉分布對可動流體的影響。其中，孔喉分選系數(shù)是孔喉分布累計曲線上累積頻率75%時所對應(yīng)的孔喉半徑(r75)與累積頻率25%時所對應(yīng)的孔喉半徑(r25)之比。

從圖9可看出可動流體孔隙度與不同孔喉區(qū)間占比存在相關(guān)性，孔喉半徑小于50 nm的孔喉占比與可動流體孔隙度呈負(fù)相關(guān)，表明小孔隙限制著可動流體的發(fā)育；孔喉半徑50～100 nm孔喉占比與可動流體孔隙度呈弱正相關(guān)，表明這一區(qū)間既有不利可動流體發(fā)育的小孔喉，也有利于可動流體發(fā)育的較大孔喉；孔喉半徑100～500 nm及500～1 000 nm孔喉占比與可動流體孔隙度均呈顯著正相關(guān)，表明大于100 nm的孔喉對可動流體的分布具有較強(qiáng)的控制作用。圖10也反映了這一點(diǎn)，雖然可動流體孔隙度與大于50 nm孔喉占比和大于100 nm孔喉占比兩者均具有明顯的正相關(guān)性，但是，大于100 nm孔喉占比要比大于50 nm孔喉占比與可動流體孔隙度的相關(guān)性更高，反映了50～100 nm孔喉半徑是可動流體開始在孔喉中分布的關(guān)鍵孔徑范圍。

圖9 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與不同孔喉區(qū)間占比的關(guān)系

圖10 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與大于50 nm及大于100 nm孔喉占比的關(guān)系

7塊樣品核磁共振T2譜求取的最大孔喉半徑值均小于3 050 nm，峰值孔喉半徑值均小于38 nm。可動流體孔隙度與最大孔喉半徑呈正相關(guān)，與峰值孔喉半徑略具正相關(guān)性(圖11)，也表明致密砂巖儲層中相對較大的孔喉分布對可動流體的發(fā)育程度具有重要的控制作用。

圖11 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與最大孔喉半徑及峰值孔喉半徑的關(guān)系

7塊樣品的孔喉分選系數(shù)分布范圍為2.48～6.45，平均值為4.09。相關(guān)分析表明：致密砂巖儲層可動流體孔隙度與孔喉分選系數(shù)略具正相關(guān)(圖12)。原因是孔喉分選系數(shù)越小，孔喉的分選程度就越好，但對于致密砂巖儲層來說，分選系數(shù)較小時，細(xì)小孔喉占主要地位，這時就可導(dǎo)致可動流體孔隙度較??；孔喉分選系數(shù)變大時，孔喉分布范圍就變大，這時大孔喉占比就會有所增加，可動流體孔隙度也會相應(yīng)增大。因此，致密砂巖儲層中孔喉分選系數(shù)與可動流體孔隙度會表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

圖12 鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部研究區(qū)可動流體孔隙度與孔喉分選系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部三疊系長6—長8油層組致密砂巖儲層孔喉大小分布范圍較寬，半徑值分布在0.6～3 050.8 nm，主體分布在10～500 nm，主要為微、納米級孔喉，主體為納米級孔喉。

(2)研究區(qū)長6—長8致密砂巖儲層的可動流體含量普遍較低，可動流體飽和度為9.83%～25.64%，平均值為17.53%；可動流體孔隙度為0.49%～1.84%，平均值為1.25%。

(3)研究區(qū)致密砂巖儲層中可動流體含量和分布受孔喉大小分布的影響。主體孔喉類型為黏土礦物晶間孔及細(xì)小喉道，由于孔喉半徑較小，不利于可動流體滲流，孔喉數(shù)量增加不能顯著提高可動流體飽和度。小于50 nm的孔喉不利于可動流體的發(fā)育；50～100 nm范圍內(nèi)的孔喉開始有利于可動流體的發(fā)育；大于100 nm的孔喉對致密砂巖儲層可動流體含量具有重要控制作用。

(4)孔喉分選系數(shù)與可動流體含量呈現(xiàn)正相關(guān)，原因是研究區(qū)致密砂巖儲層非常致密，分選系數(shù)小時，孔隙半徑往往集中在50 nm以下；分選系數(shù)較大時，孔喉半徑分布較寬，大孔喉數(shù)量增加，從而可動流體含量增加。