王 偉，陳朝兵，許 爽，李亞輝，朱玉雙，黃星元

1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；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(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 延安 716000；4.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069

致密砂巖油藏是目前全球石油勘探開發(fā)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1-5]。中國(guó)2020年原油進(jìn)口突破5.4×108t，對(duì)外依存度已超過70%，迫切需要提高致密砂巖油藏開發(fā)規(guī)模和效率，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)能源的戰(zhàn)略接替。致密砂巖孔喉特征影響著油藏油氣分布規(guī)律和富集特征，是致密砂巖油藏研究的關(guān)鍵[6-12]。受沉積環(huán)境和成巖作用影響，致密砂巖孔喉狹小，微觀孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，傳統(tǒng)的測(cè)試手段難以表征致密砂巖孔喉形態(tài)特征，結(jié)合分形幾何理論可以對(duì)致密砂巖復(fù)雜孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究[13-14]。前人利用分形理論對(duì)砂巖孔喉進(jìn)行研究，證實(shí)了砂巖中孔喉具備分形特征，可以用分形維數(shù)表征砂巖孔喉結(jié)構(gòu)[15-18]。但致密砂巖孔喉分布范圍大，不同半徑孔隙和喉道微觀結(jié)構(gòu)和分形特征必然有所差異，需要對(duì)不同尺度孔喉分形特征進(jìn)行研究。本次研究以鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖為研究對(duì)象，利用鑄體薄片、掃描電鏡(SEM)和恒速壓汞(RCP)方法，對(duì)砂巖孔隙和喉道的大小、形態(tài)進(jìn)行研究，并根據(jù)恒速壓汞進(jìn)汞曲線，研究了致密砂巖孔隙與喉道的分形特征。根據(jù)分形曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)，將孔喉分成小尺度和大尺度2種類型，計(jì)算了大尺度孔喉和小尺度孔喉分形維數(shù)(D)，討論了不同尺度孔喉分形維數(shù)差異及其形成原因。研究結(jié)果對(duì)了解致密砂巖微觀孔喉結(jié)構(gòu)及非均質(zhì)性有重要意義。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是具有克拉通基底的大型坳陷盆地，含有豐富的油氣資源。姬塬地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西部，橫跨天環(huán)凹陷和陜北斜坡(圖1a)[19]，該區(qū)域上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組致密油有效開發(fā)儲(chǔ)量超過20×108t，勘探前景巨大，是鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組致密砂巖油藏主力區(qū)域。姬塬地區(qū)延長(zhǎng)組自下而上劃分為長(zhǎng)10—長(zhǎng)1共10個(gè)段[20]。其中長(zhǎng)6段和長(zhǎng)7段沉積時(shí)期為三角洲—半深湖沉積環(huán)境，巖性以細(xì)粒砂巖和暗色泥巖為主(圖1b)[21-22]。長(zhǎng)7期半深湖—深湖環(huán)境中形成一套大面積分布的優(yōu)質(zhì)烴源巖，是延長(zhǎng)組油氣的主要來源[23-24]。烴源巖生成的油氣近距離運(yùn)移進(jìn)入相鄰的長(zhǎng)6段和長(zhǎng)7段致密砂巖中，形成大規(guī)模致密砂巖油藏。

圖1 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造(a)及上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組地層特征(b)

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 恒速壓汞

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)使用ASPE-730型恒速壓汞分析儀。實(shí)驗(yàn)最大進(jìn)汞壓力為6.205 MPa，汞注入速率為5×10-5mL/min，接觸角為140°，表面張力為485 dyne/cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)以極低速度向巖石樣品中注入汞，通過進(jìn)汞壓力的變化來分辨巖石中的孔隙與喉道[15]。由于恒速壓汞最大進(jìn)汞壓力較低，該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏R(shí)別的最小喉道半徑為0.12 μm。

2.2 分形維數(shù)計(jì)算原理

本次研究通過恒速壓汞進(jìn)汞曲線計(jì)算致密砂巖孔隙和喉道的分形維數(shù)。根據(jù)分形理論[25]，若致密砂巖孔喉分布符合分形結(jié)構(gòu)，則有關(guān)系式：

N(r)∝r-D

(1)

式中：r為單個(gè)孔喉的半徑，μm；D為該孔喉對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)；N(r)為半徑大于r的孔喉數(shù)。

根據(jù)毛細(xì)管模型[16]，N(r)可以表示為：

N(r)=VHg/(πr2l)

(2)

式中：l為毛細(xì)管長(zhǎng)度，μm，VHg為對(duì)應(yīng)毛細(xì)管壓力下累計(jì)進(jìn)汞體積，μm3。結(jié)合毛細(xì)管計(jì)算公式[26]：

Pc=2σcosθ/r

(3)

式中：Pc為毛細(xì)管壓力，MPa；σ為表面張力,dyne/cm；θ為接觸角，(°)。

可以得到：

N(r)∝Pc-(2-D)

(4)

因此毛細(xì)管力(Pc)和汞飽和度(VHg)取雙對(duì)數(shù)后呈線性關(guān)系，且擬合直線的斜率(S)與孔喉分形維數(shù)(D)滿足以下關(guān)系：

D=S+2

(5)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 孔喉類型

根據(jù)鏡下觀察，姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙類型主要為剩余粒間孔、溶蝕孔隙和晶間孔隙。剩余粒間孔為原始粒間孔隙受壓實(shí)和膠結(jié)等成巖作用改造后形成的，其邊緣平直，一般呈三角形等規(guī)則形狀[27](圖2a)。姬塬地區(qū)致密砂巖壓實(shí)作用強(qiáng)烈，膠結(jié)物含量高，嚴(yán)重壓縮了粒間孔隙，因此致密砂巖剩余粒間孔含量低(平均含量為0.92%)。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)6段、長(zhǎng)7段致密砂巖與長(zhǎng)7段烴源巖緊密接觸，烴源巖生烴時(shí)形成的大量酸性流體會(huì)進(jìn)入相鄰致密砂巖儲(chǔ)層溶蝕碎屑顆粒，形成墨水瓶狀、港灣狀等不規(guī)則孔隙空間(圖2b，c)。長(zhǎng)6段、長(zhǎng)7段致密砂巖溶蝕作用強(qiáng)烈，砂巖中發(fā)育大量溶蝕孔隙(平均含量為1.17%)。部分溶蝕孔隙連片形成復(fù)合孔隙。

圖2 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙和喉道微觀特征

致密砂巖中發(fā)育伊利石、綠泥石等黏土礦物。黏土礦物發(fā)育晶間孔(圖2d)。晶間孔半徑較小，在致密砂巖中含量較低(平均含量為0.08%)。受壓實(shí)作用和膠結(jié)作用影響，致密砂巖喉道類型主要為縮頸狀喉道和彎片狀喉道，其中縮頸狀喉道由多個(gè)碎屑顆粒相互接觸形成，半徑一般較小(圖2e)；彎片狀喉道為顆粒間狹長(zhǎng)空間，半徑一般較大(圖2f)。因此致密砂巖小孔隙主要為壓實(shí)作用形成的剩余粒間孔和自生黏土礦物中發(fā)育的晶間孔；大孔隙主要為溶蝕作用形成的溶蝕孔隙和復(fù)合孔隙。致密砂巖中小喉道主要為縮頸狀喉道，大喉道主要為彎片狀喉道。

3.2 孔喉分布特征

姬塬地區(qū)樣品孔隙度分布范圍為7.8%～15.5%，平均值為10.9%，滲透率分布范圍為(0.02～0.26)×10-3μm2，平均值為0.16×10-3μm2(表1)，屬于典型的致密砂巖。樣品孔隙度與滲透率之間相關(guān)性差(圖3)，表明樣品中存在微裂縫或者部分連通性極好的孔隙，這部分空間主導(dǎo)了流體在樣品中的流動(dòng)。

表1 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔喉分布和分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū) 致密砂巖孔隙度與滲透率相關(guān)性

姬塬地區(qū)致密砂巖喉道半徑和孔隙半徑分布曲線都呈現(xiàn)單峰狀，其中孔隙半徑主要分布在100～200 μm，孔隙半徑平均值為135.51 μm，整體較均勻(圖4a)；喉道半徑分布范圍較寬，主要分布在0.2～0.8μm(圖4b)，喉道半徑平均值為0.53μm。致密砂巖孔隙分布非均質(zhì)性較弱，喉道分布非均質(zhì)性較強(qiáng)。

圖4 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙和喉道分布頻率

3.3 孔喉分形特征

分形維數(shù)可以反映孔喉的非均質(zhì)性，分形維數(shù)越大，孔喉空間越復(fù)雜，非均質(zhì)性越強(qiáng)[28]。根據(jù)恒速壓汞的孔隙和喉道進(jìn)汞曲線，得到lgSHg—lgPc分形曲線，計(jì)算分形曲線線性擬合斜率，從而得到測(cè)試范圍內(nèi)孔隙和喉道的分形維數(shù)特征(圖5)。從分形曲線中觀察到，孔隙和喉道的分形曲線存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)代表滲流能力強(qiáng)的大尺度孔喉向滲流能力差的小尺度孔喉的過渡[16]。轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后分形曲線斜率差異明顯，且線性擬合性好，表明不同尺度孔喉分形維數(shù)有一定差異。

當(dāng)進(jìn)汞壓力小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)壓力時(shí)，對(duì)應(yīng)大尺度孔隙和喉道；當(dāng)進(jìn)汞壓力大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)壓力時(shí)，對(duì)應(yīng)小尺度孔隙和喉道。小尺度孔隙分形維數(shù)分布為2.16～2.99，平均值為2.50；大尺度孔隙分形維數(shù)分布為10.80～20.26，平均值為14.07。小尺度喉道分形維數(shù)分布為2.76～3.98，平均值為3.47；大尺度喉道分形維數(shù)分布為7.00～20.50，平均為10.69(表1)。大尺度孔隙和喉道的分形維數(shù)明顯大于小尺度孔隙和喉道，表明其非均質(zhì)性強(qiáng)。

圖5 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖孔隙和喉道分形特征

4 討論

4.1 分形維數(shù)與有效儲(chǔ)集空間關(guān)系

孔喉分形曲線由進(jìn)汞曲線轉(zhuǎn)換的lgSHg—lgPc散點(diǎn)擬合而成，因此分形曲線形態(tài)與進(jìn)汞曲線有很好的一致性(圖6)。當(dāng)進(jìn)汞曲線斜率高時(shí)，其轉(zhuǎn)換成分形曲線線性擬合斜率也高，形成較大的分形維數(shù)。因此當(dāng)孔喉有效儲(chǔ)集空間較大時(shí)，在進(jìn)汞壓力的驅(qū)使下，非潤(rùn)濕性的汞會(huì)更多地進(jìn)入孔隙空間，即同等驅(qū)替壓力下，儲(chǔ)集性越好的孔隙其進(jìn)汞飽和度越高，致使孔喉進(jìn)汞曲線斜率高，孔喉的分形維數(shù)較大。并且樣品中小尺度孔隙和喉道的分形維數(shù)小于大尺度孔隙和喉道的分形維數(shù)。該現(xiàn)象也證實(shí)了分形維數(shù)受孔喉儲(chǔ)集性的影響。孔喉有效儲(chǔ)集空間越大，其分形維數(shù)越大。

小尺度孔隙和喉道空間儲(chǔ)集能力低，分形曲線線性擬合斜率低，分形維數(shù)較小。大尺度孔隙和喉道具有極強(qiáng)的空間儲(chǔ)集能力，進(jìn)汞曲線轉(zhuǎn)換的分形曲線線性擬合斜率高，分形維數(shù)大于7，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了三維空間分形維數(shù)的上限3，其原因在下節(jié)討論。

4.2 成巖作用對(duì)孔喉分形特征的影響

壓汞飽和度與注入壓力的分形關(guān)系的建立，是基于孔隙空間為圓形和喉道空間為圓柱形的假設(shè)上[公式(2)][16, 29]，且三維空間分形維數(shù)理論上位于2～3之間[30]。本次研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)樣品的喉道和大尺度孔隙分形維數(shù)超過3，分形曲線線性擬合好。學(xué)者在其他層位致密砂巖和煤巖孔隙空間中也得到了分形維數(shù)大于3的結(jié)果[16,28,31]，表明分形維數(shù)大于3在巖石孔隙空間普遍存在，可以用分形模型對(duì)砂巖中大尺度孔喉空間特征進(jìn)行表征和分析。

圖6 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖恒速壓汞進(jìn)汞曲線(a)與分形特征(b)

從掃描電鏡觀察到，小尺度喉道主要為壓實(shí)作用、膠結(jié)作用形成的縮頸狀喉道，該類型喉道非均質(zhì)性較強(qiáng)，分形維數(shù)主要位于3～4，平均分形維數(shù)為3.47，與理想分形關(guān)系差異較小，表明小尺度喉道形狀有一定程度的變形。小尺度孔隙主要為壓實(shí)作用形成的剩余粒間孔和膠結(jié)礦物中的晶間孔。該類型孔隙半徑較小，形狀接近圓柱形，非均質(zhì)性較弱。其分形維數(shù)位于2～3之間，平均分形維數(shù)為2.50，滿足理想分形關(guān)系，可以用分形維數(shù)表征小尺度孔隙結(jié)構(gòu)特征。

在壓實(shí)作用影響下，致密砂巖碎屑顆粒間緊密接觸，形成狹長(zhǎng)喉道；喉道膠結(jié)作用微弱，喉道內(nèi)壁光滑，無膠結(jié)物存在，從而形成彎片狀的大尺度喉道(圖7a)。彎片狀喉道長(zhǎng)度可達(dá)50 μm(圖7b)，與微裂隙形態(tài)接近，形成較大的分形維數(shù)[16]，平均分形維數(shù)為10.69。

致密砂巖中溶蝕作用強(qiáng)烈，形成大尺度溶蝕孔隙和復(fù)合孔隙(圖7c)。相比于常規(guī)孔隙，復(fù)合孔隙形狀復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，其內(nèi)部有效儲(chǔ)集空間大，半徑可達(dá)200 μm(圖7d)。當(dāng)流體突破喉道進(jìn)入復(fù)合孔隙中時(shí)，進(jìn)汞飽和度增長(zhǎng)快，對(duì)應(yīng)分形曲線的線性擬合斜率較大，平均分形維數(shù)為14.07。

圖7 鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)致密砂巖大尺度孔隙和喉道微觀特征

致密砂巖彎片狀喉道和復(fù)合孔隙有效儲(chǔ)集空間大，孔喉空間復(fù)雜，非均質(zhì)強(qiáng)，不是理想形狀，不滿足理想分形關(guān)系。大尺度孔隙和喉道分形維數(shù)普遍大于8，甚至可以到20，表明該大尺度孔喉空間復(fù)雜，非均質(zhì)性較強(qiáng)。

綜上，成巖作用對(duì)致密砂巖孔喉分形特征有重要影響。小尺度孔隙(剩余粒間孔、晶間孔)和小尺度喉道(縮頸狀喉道)壓實(shí)作用和膠結(jié)作用強(qiáng)烈，顆粒間空間縮小，形成的孔喉半徑較小，空間變形不明顯。因此小尺度孔喉簡(jiǎn)單，非均質(zhì)性弱，分形維數(shù)較小。大尺度孔隙(溶蝕孔隙和復(fù)合孔隙)和壓實(shí)作用形成的大尺度喉道(彎片狀喉道)溶蝕作用強(qiáng)烈，膠結(jié)作用微弱，溶蝕作用擴(kuò)展了顆?？臻g，孔喉半徑較大，但孔隙形態(tài)不規(guī)則，孔喉空間變形明顯。因此大尺度孔喉空間復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，分形維數(shù)較大。

5 結(jié)論

(1)致密砂巖孔隙和喉道分形曲線具有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后線性擬合曲線斜率差異大，表明孔隙和喉道具有2種分形維數(shù)。

(2)小尺度孔隙主要為剩余粒間孔和晶間孔，分形維數(shù)平均值為2.50；大尺度孔隙主要為溶蝕孔隙和復(fù)合孔隙，分形維數(shù)平均值為14.07。小尺度喉道主要為縮頸狀喉道，分形維數(shù)平均值為3.47；大尺度喉道主要為彎片狀喉道，分形維數(shù)平均值為10.69。不同尺度孔喉分形維數(shù)差異明顯。

(3)孔隙分形維數(shù)越高，其非均質(zhì)性越強(qiáng)。小尺度孔喉壓實(shí)作用和膠結(jié)作用強(qiáng)烈，非均質(zhì)性弱，分形維數(shù)較小。大尺度孔喉溶蝕作用強(qiáng)烈，孔喉變形嚴(yán)重，非均質(zhì)性強(qiáng)，分形維數(shù)較大。成巖作用對(duì)孔喉分形特征有重要影響。