寧 凡，趙 欣，鄒妞妞，謝 淵，許安東

(1. 長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安 710054；2. 貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；3. 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；4. 中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

0 引言

柴達(dá)木盆地北緣斷塊帶(柴北緣)是盆地一級構(gòu)造單元，面積3.67×104km2[1]。柴北緣侏羅系發(fā)育一套獨(dú)立的含油氣系統(tǒng)，烴源巖為中、下侏羅統(tǒng)暗色泥巖、炭質(zhì)頁巖及煤系地層，有機(jī)碳平均為1.85%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ-Ⅱ2型為主，處于成熟-高成熟階段，具有較好的生油氣潛力；儲(chǔ)層主要為侏羅系砂巖，單層厚度較薄，縱向上多層疊加，累計(jì)厚度較大；蓋層為侏羅系和第三系泥質(zhì)巖[2-3]。目前，研究區(qū)侏羅系油氣已在冷湖等地區(qū)進(jìn)行開發(fā)，油氣勘探也開始向非常規(guī)致密儲(chǔ)層轉(zhuǎn)變，亟待加強(qiáng)相關(guān)的基礎(chǔ)研究特別是儲(chǔ)層孔喉特征的精細(xì)評價(jià)[4]。

前人主要采用巖石薄片、鑄體薄片、掃描電鏡及壓汞分析等方法對柴北緣侏羅系大煤溝組儲(chǔ)層物性特征進(jìn)行研究，由于儲(chǔ)層具有低孔低滲、特低孔特低滲的特征[5-7]，常規(guī)測試手段很難精確表征儲(chǔ)層完整孔喉特征，影響油氣勘探開發(fā)的深入研究。因此，需采用更多有針對性的測試手段表征大煤溝組儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征，完善研究區(qū)內(nèi)砂巖儲(chǔ)層微納米級孔喉的研究。目前，高壓壓汞實(shí)驗(yàn)(MICP)能夠精確反映微米-亞微米級孔隙特點(diǎn)，解決常規(guī)測試手段測量孔喉半徑范圍小、精度不高的難題[8]，但過高的壓力也容易破壞樣品的原始孔隙結(jié)構(gòu)，難以獲得巖石中納米級孔隙的信息[9]。而核磁共振實(shí)驗(yàn)(NMR)可探測巖石中納米級孔隙半徑，彌補(bǔ)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)在分析納米級和不連通孔隙結(jié)構(gòu)中的不足，該方法需要結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)或采取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)將T2譜轉(zhuǎn)化為孔徑分布圖[10-11]。目前，越來越多的學(xué)者采用核磁共振與高壓壓汞或恒速壓汞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法[12-14]，研究超低孔滲儲(chǔ)層納米級孔隙結(jié)構(gòu)分布特征。

由于前人對研究區(qū)大煤溝組砂巖儲(chǔ)層在微納米級孔喉特征的研究較少，制約了對該儲(chǔ)層深入評價(jià)。該文在柴北緣侏羅系大煤溝組實(shí)測剖面基礎(chǔ)上，對31塊砂巖樣品進(jìn)行巖石薄片、鑄體薄片及掃描電鏡等分析，選取8塊典型砂巖樣品，進(jìn)行高壓壓汞與核磁共振實(shí)驗(yàn)分析，探討高壓壓汞下孔喉分布特征和NMR中T2譜轉(zhuǎn)化的全孔喉分布特征，對大煤溝組砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行評價(jià)。

1 地層特征

柴達(dá)木盆地侏羅系在柴北緣地區(qū)連續(xù)沉積[15]，地層由老至新依次是大煤溝組(J1-2d)，采石嶺組(J3c)及紅水溝組(J3h)。大煤溝組1～4段地層主要分布在盆地北緣西北部，厚度由北向南逐漸變薄，最大厚度集中在冷湖構(gòu)造帶，柴北緣東段僅在紅山斷陷內(nèi)發(fā)育[16]；大煤溝組5～8段地層主要沿賽什騰—魚卡一線分布，地層厚度向南逐漸增大，且具有紅山、魚卡凹陷等多個(gè)沉積中心[16-17]，研究區(qū)侏羅系大煤溝組處在紅山斷陷內(nèi)(如圖1a所示)，接受了侏羅系中下侏羅統(tǒng)完整沉積。因此，大煤溝剖面成為柴達(dá)木盆地中下侏羅統(tǒng)的典型剖面[18]，研究儲(chǔ)層的孔喉分布特征具有代表意義。根據(jù)前人研究，大煤溝組主要發(fā)育辮狀河三角洲、扇三角洲與湖泊3種沉積相類型，形成一套深灰-灰綠色含煤、油頁巖及油氣的碎屑沉積(如圖1b所示)[19]。

圖1 柴北緣大煤溝剖面位及大煤溝組巖性柱狀圖Fig.1 Position of Dameigou Section and lithologic bar map of Dameigou Formation, northern Qaidam Basin

2 樣品與測試

2.1 樣品描述

大煤溝組實(shí)測剖面(起點(diǎn)(N37°31′39.2″，E96°00′54.9″)，終點(diǎn)(N37°30′23.2″，E96°01′32.1″)，剖面長度1 211.28 m)位于大柴旦鎮(zhèn)東南約80 km處的大煤溝地區(qū)(如圖1a所示)。該剖面中砂巖主要發(fā)育在大煤溝組二段及三段，其余層位巖性主要為礫巖、砂礫巖、油頁巖、泥巖和粉砂巖等，因此在大煤溝組二段、三段采集31塊砂巖樣品，鏡下觀察其微觀特征，從其中選取8塊樣品做高壓壓汞和核磁共振實(shí)驗(yàn)。

2.2 測試方法和儀器

選取的8塊代表性砂巖樣品，主要為細(xì)-中粒巖屑砂巖，均加工為規(guī)則柱樣(長度2.5 cm，直徑2.5 cm)。樣品抽真空飽和蒸餾水恒壓8 h，使樣品在100%飽和水狀態(tài)下測試核磁共振T2譜。核磁共振實(shí)驗(yàn)采用MesoMR核磁共振巖心分析與成像系統(tǒng)，T2譜測量采用CPMG自旋回波方法，共振頻率為12 MHz，回波間隔0.1 ms，等待時(shí)間3 000 ms，回波數(shù)12 000，采樣頻率200 kHz，隨后在50 ℃下烘干進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)。高壓壓汞測試采用美國Micromeritics公司生產(chǎn)的AutoPoreIV9505型全自動(dòng)壓汞儀，分析方法與文獻(xiàn)[20]相同。柴北緣大煤溝組儲(chǔ)層樣品高壓壓汞測試結(jié)果見表1。

表1 柴北緣大煤溝組砂巖樣品高壓壓汞測試結(jié)果

3 測試結(jié)果及分析

3.1 巖石學(xué)特征

巖石學(xué)分析表明：柴北緣大煤溝組砂巖類型主要為巖屑砂巖以及長石巖屑砂巖，其次為巖屑石英砂巖以及巖屑長石砂巖，大煤溝組砂巖分類三角圖如圖2所示。

圖2 柴北緣侏羅系大煤溝組砂巖分類三角圖Fig.2 Triangle map of sandstone classification of Jurassic Dameigou Formation in northern Qaidam Basin

石英以單晶為主，多晶石英較少，石英含量為53.5%～77.0%，平均為62.4%；長石主要為斜長石，其次為鉀長石，長石含量為1%～30%，平均為10.3%；巖屑為沉積巖和巖漿巖巖屑，含量為14.3%～42.0%，平均為27.3%，成分成熟度中等。碎屑顆粒粒徑為0.125～0.500 mm，主要在0.25～0.50 mm，以細(xì)-中粒砂狀結(jié)構(gòu)為主。碎屑顆粒分選中等，磨圓度中等-較好，主要為次棱角-次圓狀。碎屑顆粒之間多為點(diǎn)-線接觸，凹凸接觸現(xiàn)象較少，膠結(jié)物多為鈣質(zhì)，硅質(zhì)較少，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

3.2 孔隙喉道特征

基于鑄體薄片和掃描電鏡觀察研究區(qū)大煤溝組砂巖儲(chǔ)層孔喉特征，表明儲(chǔ)層以次生孔隙為主，次生孔隙包括長石、巖屑及碳酸鹽膠結(jié)物等溶蝕孔隙(如圖3a～圖3e所示)，以長石和碳酸鹽膠結(jié)物溶孔為主，巖屑溶孔較少，溶蝕孔隙半徑為6.00～70.67 μm；原生孔隙主要分布在石英等剛性顆粒之間，占比小，半徑在4.00～72.33 μm(如圖3d～圖3f所示)；微裂隙不發(fā)育，多為石英等剛性顆粒在應(yīng)力作用下破裂形成(如圖3h所示)。喉道類型以縮頸型為主(如圖3e所示)，其次為片狀喉道(如圖3g所示)。

圖3 柴北緣大煤溝組砂巖樣品孔隙喉道特征Fig.3 Pore throat characteristics of Dameigou Formation sandstone samples,northern Qaidam Basin

3.3 高壓壓汞

3.3.1 物性特征

大煤溝組8塊巖石樣品物性實(shí)驗(yàn)分析表明：砂巖儲(chǔ)層孔隙度為1.4%～13.5%，平均值為9.59%；滲透率為(0.019～14.863)×10-3μm2，平均值為2.33×10-3μm2。依照標(biāo)準(zhǔn)《油氣儲(chǔ)層評價(jià)方法》(SY/T 6285—2011)，大煤溝組儲(chǔ)層主要為低孔超低滲儲(chǔ)層，其次為超低孔超低滲儲(chǔ)層。

3.3.2 毛管壓力曲線特征

圖4a為實(shí)驗(yàn)巖心進(jìn)退汞曲線，進(jìn)汞初期，曲線整體較為平緩，表明此時(shí)毛管壓力對應(yīng)的半徑相對較大的孔喉數(shù)量較多，孔喉連通性較好；隨進(jìn)汞量增加，進(jìn)汞曲線變陡，表明孔喉較細(xì)，半徑相對較小的孔喉逐漸增加。分析高壓壓汞測試結(jié)果，顯示研究區(qū)大煤溝組砂巖排驅(qū)壓力為1.00～1.84 MPa，平均為1.32 MPa，僅13號(hào)樣品排驅(qū)壓力大，為2.78 MPa；中值壓力主要在4.01～8.36 MPa，少數(shù)樣品為17.66～28.41 MPa，因此，中排驅(qū)壓力與中值壓力反映儲(chǔ)層孔滲性較差。退汞效率較低，為12.86%～48.54%，平均為37.54%，表明儲(chǔ)層儲(chǔ)集性較差。大煤溝組砂巖歪度主體為正值，為0.02～0.50，少數(shù)為-0.12～-7.20，說明儲(chǔ)層孔喉整體為細(xì)歪態(tài)，偏向于小孔。變異系數(shù)為0.061～0.135，平均為0.110，表明孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性不高。分選系數(shù)較小，為0.85～1.74，平均為1.38，說明大煤溝組砂巖儲(chǔ)層孔喉分選好，分布集中。

3.3.3 孔喉分布特征

通過毛管壓力與孔喉半徑換算公式得到研究區(qū)大煤溝組砂巖孔喉分布圖(如圖4b所示)，孔喉半徑分布均呈現(xiàn)典型的單峰態(tài)，半徑為0.016～7.140 μm，不同類型樣品孔喉大小主體分布存在差異，但整體孔喉半徑分布在0.016～0.630 μm。結(jié)合儲(chǔ)層物性特征，孔隙度越大、滲透率越高時(shí)，孔喉半徑峰值越高，同時(shí)孔喉半徑分布范圍越大。因此，物性較好的儲(chǔ)層孔喉半徑及分布范圍較大，物性較差的儲(chǔ)層孔喉半徑較小。

圖4 柴北緣大煤溝組砂巖樣品高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 High-pressure mercury injection experiment results for the samples from Dameigou Formation reservoirs,northern Qaidam Basin

根據(jù)進(jìn)汞壓力、孔喉半徑大小及分布，將毛管壓力曲線劃分為4個(gè)區(qū)間：大孔喉區(qū)對應(yīng)進(jìn)汞壓力為0.01～0.10 MPa，孔喉半徑6.3～63.0 μm；中孔喉區(qū)對應(yīng)進(jìn)汞壓力為0.1～1.0 MPa，孔喉半徑0.63～6.30 μm；小孔喉區(qū)對應(yīng)進(jìn)汞壓力1～10 MPa，孔喉半徑0.063～0.630 μm；微孔喉區(qū)對應(yīng)進(jìn)汞壓力大于10 MPa，孔喉半徑小于0.063 μm[21]?？紫抖扰c最大進(jìn)汞飽和度代表儲(chǔ)層儲(chǔ)集性，分析孔隙度與最大進(jìn)汞飽和度(SHg)及小孔喉峰值占比關(guān)系，結(jié)果表明孔隙度與SHg及小孔喉峰值占比相關(guān)性較高(如圖4c和圖4d所示)，說明儲(chǔ)層孔隙度主要由最大進(jìn)汞飽和度與小孔隙峰值占比決定。因此，研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性主要受小孔喉區(qū)發(fā)育程度控制。

3.4 核磁共振

3.4.1T2譜特征

巖石100%飽和水狀態(tài)下核磁共振T2譜分布特征可分析其孔喉分布特點(diǎn)，譜峰越多，孔喉分布特征越復(fù)雜[22]。研究區(qū)大煤溝組砂巖儲(chǔ)層核磁共振T2譜可劃分為單峰態(tài)和雙峰態(tài)2種(如圖5a所示)，雙峰態(tài)中左峰明顯高于右峰，表明儲(chǔ)層整體孔喉分布特征較單一。單峰態(tài)T2譜各峰峰值分布較集中，平均峰值為7.51 ms，說明不同巖心尺度較小的儲(chǔ)集空間發(fā)育特征相似；雙峰T2譜的第2峰與第1峰連續(xù)性差異較大，從連續(xù)性較好到連續(xù)性很差都有發(fā)育，說明不同巖心尺度較大的儲(chǔ)集空間發(fā)育特征差異較大。

基于NMR “三孔隙度組分百分比法”進(jìn)行儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)評價(jià)[23]，即橫向弛豫時(shí)間T2為1～10 ms，10～100 ms，100～1 000 ms分別對應(yīng)小、中、大3種孔徑儲(chǔ)集空間，計(jì)算3種孔隙度組分百分比(S1，S2和S3)[23]，并根據(jù)三者大小關(guān)系進(jìn)行儲(chǔ)層類型劃分，用不同類型儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)質(zhì)量評價(jià)參數(shù)(即“PORCLA”)評價(jià)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的好壞[24]。研究區(qū)大煤溝組8塊樣品中，8號(hào)和2號(hào)樣品表現(xiàn)出S2>S1>S3，“PORCLA”值取10，代表第3類儲(chǔ)層；其他6塊樣品S1>S2>S3，“PORCLA”值取1，代表第4類儲(chǔ)層?？傮w表現(xiàn)為S1>S2>S3(如圖5b所示)，表明大煤溝組砂巖儲(chǔ)層以中小孔喉為主要儲(chǔ)滲空間，大孔喉不發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)較差。

3.4.2 核磁參數(shù)特征

表2 柴北緣大煤溝組砂巖樣品核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 NMR experiment results of Dameigou Formation sandstone samples,northern Qaidam Basin

樣品可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)與T2幾何平均值及核磁滲透率相關(guān)性分析表明，可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)與T2幾何平均值具有較好的相關(guān)性(如圖5c所示)，反映出T2截止值推算理論的合理性，同時(shí)與核磁滲透率(K)之間具有一定相關(guān)性(如圖5d所示)，表明滲透率對可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)也具有一定影響。

圖5 柴北緣大煤溝組砂巖樣品核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 NMR experiment results of sandstone samples from Dameigou Formation reservoirs,northern Qaidam Basin

4 討論

4.1 T2譜轉(zhuǎn)化為孔喉半徑的方法

孔隙半徑分布是反映多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，通過測量飽和在孔隙中液體的弛豫時(shí)間分布，來表征對應(yīng)孔隙尺寸大小，通過T2譜的分布可以確定孔徑分布。根據(jù)前人研究[26]，通過公式推導(dǎo)得到柴北緣大煤溝組砂巖儲(chǔ)層T2譜轉(zhuǎn)換為孔徑分布的公式：r=3ρ2×T2。

砂巖儲(chǔ)集層巖石橫向表面馳豫率(ρ2)主要受巖性的影響[27]。例如Hürlimann et al.(1994)[28]計(jì)算得到Fontainebleau砂巖樣品的橫向表面馳豫率為16 μm/s；Bryar et al.(2000)[29]總結(jié)前人研究，得到砂巖橫向表面馳豫率ρ2通常為9～46 μm/s；李潮流等(2015)[27]通過核磁實(shí)驗(yàn)分析鄂爾多斯延長組長7段致密砂巖孔喉分布，ρ2取11.7 μm/s；肖佃師等(2016)[30]應(yīng)用核磁共振實(shí)驗(yàn)分析松遼盆地白堊系沙河子組致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)，ρ2為12～30 μm/s，平均為17.8 μm/s；Washburn et al.(2017)[31]計(jì)算得到不同地區(qū)砂巖橫向表面馳豫率主要為9.5～33 μm/s，平均為14.28 μm/s。該文根據(jù)前人研究，并結(jié)合柴北緣大煤溝組巖性特征，取ρ2=12 μm/s作為研究區(qū)巖石橫向表面馳豫率參數(shù)。采用實(shí)驗(yàn)中的高壓壓汞孔徑分布特征數(shù)據(jù)，將核磁共振較為密集的數(shù)據(jù)點(diǎn)合并后，與壓汞孔喉半徑分布進(jìn)行對比，所得孔喉分布形態(tài)相似，如圖6所示。2條曲線的分離程度代表孔喉的連通性[32]，對比結(jié)果驗(yàn)證了ρ2參數(shù)選取的合理性，也反映出大煤溝組砂巖儲(chǔ)層孔喉連通性整體較好。由于19號(hào)與24號(hào)樣品儲(chǔ)滲空間主要為微-小孔喉，孔滲性和孔喉連通性差，因此2條曲線分離程度較大。

圖6 柴北緣大煤溝組砂巖核磁與高壓壓汞孔喉半徑分布對比圖Fig.6 Comparison of pore throat radius distribution between NMR and high pressure mercury injection of Dameigou Formation sandstone, northern Qaidam Basin

4.2 全孔喉半徑分布特征

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到核磁共振譜轉(zhuǎn)化為孔喉分布的系數(shù)，將T2譜轉(zhuǎn)化為孔喉半徑頻率分布圖如圖7所示。大煤溝組砂巖孔喉半徑為0.000 4～78.190 0 μm，主體在0.063～6.300 μm(個(gè)別樣品主要孔喉半徑小于0.063 μm)。對比8塊滲透率不同巖心孔喉分布特點(diǎn)，曲線主要呈單峰態(tài)，雙峰態(tài)曲線中左峰明顯高于右峰，表明大煤溝組儲(chǔ)層主要為中小孔喉。隨著滲透率降低，曲線逐漸向左偏移，即中孔喉所占比例降低，小孔喉占比增加。

圖7 柴北緣大煤溝組砂巖樣品核磁孔喉頻率分布Fig.7 Frequency distribution of NMR pore throat in Dameigou Formation sandstone samples，northern Qaidam Basin

4.3 儲(chǔ)層評價(jià)

通過核磁共振與高壓壓汞實(shí)驗(yàn)表征了儲(chǔ)層全孔喉分布特征，明確大煤溝組砂巖儲(chǔ)層以中小孔喉為主，主要孔喉半徑為0.063～6.300 μm，其中小孔喉發(fā)育程度決定儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性。物性實(shí)驗(yàn)表明大煤溝組砂巖儲(chǔ)層孔隙度為1.4%～13.5%，滲透率為(0.019～14.863)×10-3μm2，樣品主體滲透率為(0.1～1.0)×10-3μm2，孔隙度為10%～15%，屬典型的低孔超低滲儲(chǔ)層。對該類儲(chǔ)層，僅通過儲(chǔ)層的物性特征對其進(jìn)行評價(jià)不夠全面，還需結(jié)合可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)對儲(chǔ)層質(zhì)量及開發(fā)潛力進(jìn)行綜合評價(jià)。大煤溝組砂巖儲(chǔ)層中可動(dòng)流體飽和度為2.80%～30.26%，其中24號(hào)、11號(hào)及13號(hào)樣品可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)小于20%，其余樣品均為20%～35%，說明砂巖儲(chǔ)層整體質(zhì)量較差。因此，研究區(qū)大煤溝組砂巖儲(chǔ)層主要具低孔超低滲特征，整體質(zhì)量較差，但孔喉連通性好，該地區(qū)大煤溝組砂巖儲(chǔ)層中油氣資源具備一定開發(fā)潛力。

5 結(jié)論

1)柴北緣大煤溝組砂巖儲(chǔ)層以溶蝕孔隙為主，喉道主要為頸縮型，其次為片狀喉道。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)參數(shù)表明，大煤溝組砂巖儲(chǔ)層孔滲和儲(chǔ)集性較差，孔喉偏向小孔，但整體分選較好，分布集中。

2)核磁共振實(shí)驗(yàn)表明，柴北緣大煤溝組砂巖儲(chǔ)層孔喉半徑分布特征較為單一，僅發(fā)育單峰和雙峰，小尺度儲(chǔ)集空間發(fā)育特征相似，大尺度孔隙空間不發(fā)育。研究區(qū)T2截止值為2.56～24.39 ms，平均為16.73 ms，可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)為2.80%～30.26%，孔喉結(jié)構(gòu)影響儲(chǔ)層內(nèi)可動(dòng)流體特征。

3)通過高壓壓汞與核磁共振實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對大煤溝組砂巖儲(chǔ)層完整孔喉分布的表征，完善了對該地區(qū)大煤溝組低滲、特低滲儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征，明確小孔喉發(fā)育程度影響儲(chǔ)層儲(chǔ)集性。

4)依據(jù)儲(chǔ)層物性特征、孔喉結(jié)構(gòu)及可動(dòng)流體百分?jǐn)?shù)等參數(shù)對儲(chǔ)層進(jìn)行評價(jià)，柴北緣大煤溝組砂巖儲(chǔ)層以低孔超低滲儲(chǔ)層為主，質(zhì)量較差，但孔喉連通性較好且分布集中，有利于油氣開發(fā)。