張翔　閆旭光　張雷　周曉　王歡歡

摘 要：以鄂爾多斯盆地某氣田致密砂巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，利用多種實(shí)驗(yàn)綜合分析方法揭示不同孔隙尺寸分布、孔隙形狀、孔隙類(lèi)型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究區(qū)域的孔隙主要為次生溶孔、雜基孔、粒間孔以及微裂縫，由三維孔隙網(wǎng)絡(luò)觀察到孔隙形狀以柱狀和球狀為主，分布不均勻，且致密砂巖中發(fā)育有較多的孤立孔隙。核磁共振T2譜具有雙峰特征，表明孔隙尺寸主要分布在2個(gè)范圍內(nèi)。利用改進(jìn)的K-C方程確定了新的孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)參數(shù)PSCI。利用該分類(lèi)模型將來(lái)自某氣田的致密砂巖樣品分成了4類(lèi)，按類(lèi)別擬合了孔隙關(guān)系曲線，獲析了各類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)的孔滲關(guān)系式，這有助于通過(guò)孔隙度更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)滲透率。

關(guān)鍵詞：致密砂巖；孔隙結(jié)構(gòu)；流動(dòng)機(jī)制；滲流能力

中圖分類(lèi)號(hào)：TE311+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）06-0107-04

Characterization of pore structure of tight sandstone gas reservoirs in a certain area of the ordos basin

ZHANG Xiang1，YAN Xuguang2，ZHANG Lei3，ZHOU Xiao2，WANG Huanhuan2

（1.Yanchang Petroleum （Group） Co.，Ltd.，Oil and Gas Exploration Company，Yanan 716000， Shaanxi China;2.Xian Alberta Environmental Analysis and Testing Technology Co.，Ltd.，Xian 710018， China;3.Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Hengshan Oil Production Plant，Yulin 719100， Shaanxi China）

Abstract：This article takes a tight sandstone reservoir in a gas field in the Ordos Basin as the research object，and uses various experimental comprehensive analysis methods to reveal the distribution of pore size，pore shape，and pore type.The experimental results indicate that the pores in the study area are mainly secondary dissolution pores，mixed matrix pores，intergranular pores，and microcracks.From the three-dimensional pore network，it is observed that the pore shapes are mainly columnar and spherical，with uneven distribution.Additionally，there are many isolated pores developed in dense sandstone.The nuclear magnetic resonance T2 spectrum exhibits a bimodal characteristic，indicating that pore size is mainly distributed within two ranges.A new pore structure classification parameter PSCI was determined using the improved K-C equation.Using this classification model，the tight sandstone samples from a certain gas field were divided into four categories，and the pore relationship curves were fitted according to the categories.The pore permeability relationships of various pore structures were obtained，which helps to predict permeability more accurately through porosity.

Key words：dense sandstone;pore structure;flow mechanism;seepage capacity

化石燃料資源豐富，開(kāi)發(fā)利用相對(duì)經(jīng)濟(jì)，是人類(lèi)的主要能源。天然氣作為一種重要的化石燃料，在致密氣和頁(yè)巖氣資源持續(xù)開(kāi)發(fā)的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了全球化石燃料產(chǎn)量最大的增長(zhǎng)。非常規(guī)油氣資源的快速開(kāi)發(fā)使北美地區(qū)的石油產(chǎn)量增加了31％，引發(fā)了全球致密油氣開(kāi)采熱潮［1-2］。非常規(guī)致密砂巖儲(chǔ)層在我國(guó)多個(gè)油田也相繼成功開(kāi)發(fā)［3-7］。與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層相比，致密砂巖儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型多，孔喉半徑分布范圍廣，孔隙空間連通性差，非均質(zhì)性強(qiáng)［8-10］。因此，研究孔隙結(jié)構(gòu)特征揭示致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)與流動(dòng)機(jī)制有著直接內(nèi)在聯(lián)系［11-13］。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于致密砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征的研究多采用單一的實(shí)驗(yàn)方法，未能全面獲取孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)孔隙結(jié)構(gòu)特征。在前人的研究基礎(chǔ)上，本文通過(guò)收集某氣田井區(qū)的致密砂巖樣品，對(duì)其開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析，獲得各樣品的物性參數(shù)，將多種實(shí)驗(yàn)與分類(lèi)理論相結(jié)合，綜合表征了研究區(qū)域的致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，并利用改進(jìn)的K-C方程確定了新的孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文所用研究巖石樣品取自A 6 井，選取其中8塊典型樣品，用于鑄體薄片實(shí)驗(yàn)、微CT掃描實(shí)驗(yàn)和核磁共振實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

本文綜合使用核磁共振、X射線衍射、實(shí)驗(yàn)對(duì)致密砂巖巖心進(jìn)行分析。

（1）核磁共振實(shí)驗(yàn)分析。不僅可以分析整個(gè)樣品中大小孔隙的分布情況，也可以分析出大小孔隙所分布的具體孔喉半徑范圍。通過(guò)核磁共振掃描得到的橫向弛豫時(shí)間（T2）譜分布曲線轉(zhuǎn)換為毛管壓力分布曲線，可有效將微觀孔喉半徑與喉道半徑之間的關(guān)系明確化，研究其連通性情況；

（2）X射線衍射實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)X射線衍射儀測(cè)定巖樣中礦物中晶體的衍射圖譜，圖譜中的特征峰強(qiáng)度與樣品中該礦物的含量正相關(guān)?；趯?shí)驗(yàn)的方式可以確定巖樣中某種礦物的含量與其特征衍射峰的強(qiáng)度之前的正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量未知樣品中該礦物的特征峰的強(qiáng)度而求出該礦物的含量；

2 結(jié)果與討論

2.1 致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征評(píng)價(jià)

2.1.1 巖石物理特征及孔隙類(lèi)型

巖心樣品孔隙度和滲透率測(cè)試是研究孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟，本次實(shí)驗(yàn)選用了8個(gè)樣品進(jìn)行常規(guī)孔滲實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量前需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。在全直徑砂巖樣品上鉆取長(zhǎng)為5 cm，直徑為2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱巖心。對(duì)其進(jìn)行清洗。采用SCMS-E型高溫高壓巖心多參數(shù)儀對(duì)所選樣品進(jìn)行孔滲參數(shù)測(cè)量。得到的孔隙度和滲透率將用于研究孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)砂巖儲(chǔ)集能力和滲流能力的影響以及分形滲透率模型的可靠性驗(yàn)證。

研究的巖心主要灰白色致密砂巖。不同的砂巖樣品的粒徑無(wú)明顯差別，大部分為中粗粒砂巖。8個(gè)樣品的氣測(cè)孔隙度2.93%～9.91%，平均值為6.38%，測(cè)得的滲透率0.013～0.237 mD，平均值為0.083 mD。計(jì)算出儲(chǔ)層質(zhì)量指數(shù)（RQI）介于0.021～0.049 μm，平均值為0.033 μm。由此可知，滲透率與孔隙度呈正相關(guān)；但相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)為0.751 3（如圖1所示）。

2.1.2 巖石礦物成分分析

表1匯總了8個(gè)致密砂巖樣品的XRD礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)X射線衍射全巖定量分析結(jié)果可知，這些樣品主要含有石英、粘土礦物、斜長(zhǎng)石等礦物，只有部分巖心含有少量的白云石、方解石、無(wú)菱鐵礦和黃鐵礦。石英含量介于40%～90%，平均61.6%；長(zhǎng)石含量介于0%～27%，平均16%。所有樣品均含粘土礦物，含量介于7%～25%，平均為16.3%；粘土礦物以伊利石為主，占總粘土礦物比例39%～78%，其次是綠泥石（10%～39%）、伊蒙互層（4%～31%）和高嶺石（0%～5%）。

2.1.3 核磁共振測(cè)試

核磁共振得到的N1～N8巖心T2分布曲線如圖3所示。

從圖2可以看出，T2譜呈明顯的雙峰分布，雙峰分布表明巖心樣品中的孔徑分布不連續(xù)。左右峰T2分別在0.1～10、10～1 000 ms；T2越小，孔隙半徑越小。從圖2的曲線上還可知，左峰明顯高于右峰，說(shuō)明巖心樣品中微孔比大孔發(fā)育得更好。值得注意的是，N1巖心左峰遠(yuǎn)高于其他巖心，說(shuō)明N1巖心大孔隙發(fā)育程度相對(duì)較好。

N1～N8巖心樣品的核磁共振孔隙度變化范圍為3.12％～11.26％，平均孔隙度為6.92％。利用NMR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與氣測(cè)孔隙度繪制了直方圖和關(guān)系曲線，具體如圖3、圖4所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于NMR法測(cè)量的是總孔隙度，而氣測(cè)孔隙度是有效孔隙度，所以NMR測(cè)得的孔隙度略大于氣測(cè)孔隙度。對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行回歸，發(fā)現(xiàn)NMR測(cè)得的孔隙度與氣測(cè)孔隙度之間存在良好的線性趨勢(shì)（R2=0.989 7）。

2.2 致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)

分類(lèi)評(píng)價(jià)參數(shù)是關(guān)鍵，直接決定了儲(chǔ)層流動(dòng)單元研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究對(duì)影響儲(chǔ)層流體流動(dòng)特性的諸多參數(shù)進(jìn)行了分析和比較。在分析影響儲(chǔ)層流體流動(dòng)特征因素的基礎(chǔ)上，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的分類(lèi)和評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以確保這些參數(shù)能夠充分反映各種因素對(duì)儲(chǔ)層流動(dòng)特征的影響。

2.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)指標(biāo)建立

儲(chǔ)層經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖過(guò)程，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，這對(duì)多孔介質(zhì)中流體的滲流特征有著重要的影響。準(zhǔn)確劃分具有相同流動(dòng)特征的巖石對(duì)評(píng)價(jià)油藏的非均質(zhì)性有著重要的意義。自提出劃分流動(dòng)單元的參數(shù)（FZI）以來(lái)，大量學(xué)者利用FZI對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)劃分進(jìn)行了研究。本文基于改進(jìn)的K-C方程和改進(jìn)的分形滲透率模型，建立了與FZI類(lèi)似的流動(dòng)單元（HFU）劃分參數(shù)。利用改進(jìn)的分形孔隙比表面積重寫(xiě)的K-C方程：

由式（2）可知，具有相同孔隙結(jié)構(gòu)的巖石，其孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)指標(biāo)應(yīng)該相同。這是由于這類(lèi)巖石經(jīng)歷了相似的沉積和成巖過(guò)程，因此有著相似的宏觀儲(chǔ)層性質(zhì)和微觀孔隙結(jié)構(gòu)。

相同類(lèi)型的孔隙結(jié)構(gòu)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中落在一條斜率為1的直線上。具有不同PSCI值的樣本將位于平行線上，位于同一條線上的樣品具有相同的孔喉尺寸特性，因此被歸入一個(gè)水力流動(dòng)單元。

2.2.2 致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)

1）分類(lèi)方法

考慮到借助直方圖和概率圖確定流動(dòng)單元的精確數(shù)量和分離邊界的模糊性，因此需要更精確的方法。層次聚類(lèi)是一種使用樹(shù)形圖層次樹(shù)在不同尺度上同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組的方法。該樹(shù)不是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)集，而是一個(gè)多級(jí)分類(lèi)，其中較低級(jí)別的集群與較低級(jí)別的集群相連。這些條件使得為各自的類(lèi)別選擇更合適的水平或聚類(lèi)尺度成為可能。改進(jìn)模型分類(lèi)結(jié)果如圖5所示，其中mROI為儲(chǔ)層質(zhì)量指數(shù)，為孔隙度。

2）分類(lèi)結(jié)果評(píng)價(jià)

在改進(jìn)模型分類(lèi)關(guān)系曲線中，確定了4種類(lèi)型的PSCI，用斜率為1的虛線加以區(qū)分。PSCI在0.17 ～1.66 μm變化，具體為：PSCI 1>0.71 μm，PSCI 2=0.46～0.71 μm，PSCI 3=0.3～0.46 μm，PSCI 4<0.3 μm。因此，依據(jù)流動(dòng)單元分類(lèi)，取樣區(qū)域的孔隙結(jié)構(gòu)可以被分為4種類(lèi)型，這也標(biāo)志著這4種類(lèi)型的巖心中的孔隙結(jié)構(gòu)和流動(dòng)規(guī)律的差異?？紫抖?滲透率散點(diǎn)圖顯示出很大的分散性，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，相關(guān)系數(shù)僅為0.460 4，這表明孔隙度不能單獨(dú)解釋滲透率的變化，即使是同一口井的孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)，這種差異仍然存在。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）使用綜合的實(shí)驗(yàn)手段對(duì)真實(shí)低滲透致密砂巖巖心的孔隙和喉道的幾何形狀、尺寸分布、連通性、孔隙和喉道的配位關(guān)系進(jìn)行了定量分析。通過(guò)巖心鑄體薄片確定了致密砂巖中的孔隙類(lèi)型，儲(chǔ)層中的孔隙主要為次生溶孔，其次為雜基孔和粒間孔，雖然微裂縫的數(shù)量較少，但是能夠較大程度的影響滲透率；

（2）基于致密砂巖孔隙空間滿足分形規(guī)律，利用改進(jìn)的K-C方程確定了孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)參數(shù)PSCI。利用該分類(lèi)模型將來(lái)自某氣田的砂巖樣品分成了四類(lèi)，每一類(lèi)的孔隙度和滲透率相關(guān)性均遠(yuǎn)高于總體的孔滲相關(guān)性。因此，可以利用分類(lèi)模型劃分出具有相同孔隙結(jié)構(gòu)的致密砂巖儲(chǔ)層，并通過(guò)孔隙度更準(zhǔn)確的估計(jì)滲透率。

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收稿日期：2023-02-23；修回日期：2023-05-04

作者簡(jiǎn)介：張 翔（1983-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)；E-mail：gjgknw@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家青年基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：52104032）。

引文格式：張 翔，閆旭光，張 雷，等.某氣田致密砂巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)表征研究[J].粘接，2023，50（6）：107-110.