延長氣田山西組致密砂巖儲層及微觀孔喉特征研究＊

楊 虎，王建民

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安710065;2.延長石油油氣勘探公司 天然氣勘探開發部，陜西 延安716000)

0 引 言

致密砂巖氣藏最早發現于美國的圣胡安盆地，20 世紀80 年代，Walls 等提出“致密砂巖氣藏”概念［1］。2008 年致密砂巖氣產量達到1 757 ×108m3，約占美國天然氣總產量的30%以上［2］。我國自1971 年發現川西中壩氣田之后，開始進行致密砂巖含氣領域的研究［3］，致密砂巖氣具有巨大的資源潛力和可觀的規模儲量，主要分布于鄂爾多斯、四川、松遼、塔里木、吐哈等沉積盆地［4-5］。

致密砂巖是依據滲透率和孔隙度來劃分的，國內外學者和研究機構在致密砂巖氣藏類型劃分前提下提出了致密砂巖的孔隙度和滲透率劃分標準［6-7］，致 密 砂 巖 常 泛 指 滲 透 率 小 于1 × 10-3μm2，孔隙度小于10%的砂巖。近年來，對致密砂巖儲層特征、微觀結構的研究是國內外研究熱點問題之一［8-12］。致密砂巖氣儲層獨特的滲流機理和微觀孔隙結構控制著氣藏富集。因此，研究其微觀孔隙結構，特別是深入揭示儲層的內部孔吼結構特征，是進一步探討滲流機理的關鍵性基礎內容［13-15］。在研究方法上，傾向于將恒速壓汞等較先進技術與傳統的掃描電鏡、鑄體薄片等方法相結合，出現了儲層孔隙結構研究由定性轉向半定量，定量化的表征［16］。

延長氣田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南緣。多年勘探實踐工作表明:在山西組、本溪組、石盒子組等初步探明多個具有工業開發價值的工業性大中型氣藏，其中在山西組山2 段在試氣試采過程中具有較好的無阻流量產能顯示，是研究區主力產層。對于研究區內山西組儲層的研究多偏重于儲層特征及孔隙演化［17-18］、儲層評價［19］、成巖作用［20］、成巖相及優質儲層［21-24］等方面，忽視了儲層特征及致密微觀孔喉結構關系［25-28］的研究。文中以鄂爾多斯盆地延長氣田山西組為研究對象，通過鑄體薄片鑒定、掃描電鏡、物性分析及壓汞分析等技術手段，剖析山西組致密砂巖微觀孔喉特征，揭示微觀孔喉結構與儲層物性之間的關系，進而明確致密儲層優質儲層控制因素，為延長氣田致密砂巖儲層氣藏的勘探提供依據。

1 儲層巖石學特征

18 口取心井的39 個巖樣薄片分析及礦物成分鑒定表明，山西組砂巖以巖屑砂巖和巖屑質石英砂巖為主(圖1)。石英與巖屑是山西組砂巖的主要碎屑顆粒組成，長石含量低，其中石英平均含量63.6%，長石含量2.4%，鉀長石多于斜長石，巖屑含量15% ～40%不等。巖屑主要由沉積巖屑組成，包括石英砂巖巖屑、泥頁巖巖屑以及燧石巖屑等，其中以砂巖巖屑為主，變質巖屑占少量，主要為變質石英巖屑，火山巖屑含量極低填隙物的類型較多、含量變化大(9% ～18%)，主要以粘土礦物為主，水云母、綠泥石，還有部分高嶺石，顆粒表面渾濁，少數發生方解石化。

圖1 山西組砂巖分類三角圖Fig.1 The classification of sandstones of the Shanxi formation

圖2 山西組砂巖填隙物統計圖(據39 個樣品統計)Fig.2 Interstitial statistics of sandstones of the Shanxi formation (According to 39 samples)

膠結物中以粘土雜基、火山凝灰質、綠泥石等粘土膠結為主，以硅質、鐵方解石、鐵白云石和菱鐵礦等碳酸鹽巖膠結次之(圖2)。硅質膠結物含量一般在0 ～8%之間。碳酸鹽類膠結物主含量一般0.7% ～2.8%，在鈣質夾層中含量最高可達17%，山西組鐵白云石和菱鐵礦等富鐵碳酸鹽巖類礦物的含量相對較多。薄片中普遍可見火山凝灰質，一般呈黑褐色破絮狀，溶蝕后呈現繩頭狀、殘片狀。由此可見，山西組砂巖具有較高的粘土質、硅質及火山凝灰質充填膠結特點，這是砂巖普遍低孔低滲的物質基礎(圖2)。

山西組砂巖的膠結類型以再生-孔隙式膠結為主，占分析樣品的95%以上，少量孔隙、孔隙-基底膠結，個別樣品見基底膠結，主要為中- 細粒、中粒砂巖和中-粗粒砂巖，分選好，磨圓以次棱-次圓狀為主，少量次棱角狀、次圓狀。

2 儲層物性及孔喉特征

2.1 孔隙類型

統計了山西組砂巖69 個巖樣(表1)的孔隙度(范圍值為1.07% ～13.85%，平均為5.46%)、滲透率(范圍值為0.01 ～0.73 ×10-3μm2，平均為0.14 ×10-3μm2)。通過對山西組砂巖孔隙度的孔隙度主峰位于4% ～6%，為單峰。滲透率分布具有雙峰特征，分別為位于0.06 ～0.09 ×10-3μm2，以及大于0.15 ×10-3μm2(圖3)，根據致密砂巖劃分標準［22-23］，山西組砂巖屬于致密砂巖儲層。

表1 山西組砂巖的孔隙度和滲透率Tab.1 Porosity and permeability of sandstone in Shanxi formation

2.2 孔隙類型

根據鑄體薄片資料及掃描電鏡資料，山西組砂巖的鑄體薄片面孔率為3% ～11.5%，主要為殘余粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔，分為原生孔隙和次生孔隙2 大類，孔隙分布較均勻(表2)。

表2 山西組砂巖儲層鑄體薄片中主要孔隙含量(%)Tab.2 Main pore percentage on casting thin sections of sandstone reservoir in Shanxi formation

2.2.1 原生孔隙

在掃描電鏡觀察分析中，原生孔隙分布很不均一，孔隙直徑一般為0.03 ～0.50 mm，具有強烈的非均質性。綠泥石薄膜式膠結、長石加大邊再生式膠結和黃鐵礦等次生礦物孔隙式充填現象常見，此類孔隙連通性相對較好(圖4(a))。

2.2.2 次生孔隙

溶蝕孔是研究區內山西組砂巖最主要的類型，可進一步細分為粒間溶蝕孔、粒內溶蝕孔、鑄模孔隙及微裂縫。

1)粒間溶蝕孔隙:砂巖中長石、方解石、巖屑和綠泥石化碎屑等易溶碎屑發生溶解形成的溶蝕型次生擴大孔隙。此類孔隙直徑一般為0.06 ～1.00 mm.

2)粒內溶蝕孔隙:通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察(圖4(b))，該孔隙類型多見于長石及部分巖屑內，分布相對不均勻，其孔徑一般為0.02 ～0.10 mm，與溶蝕粒間孔隙伴生分布，且相互形成連通孔隙。

3)鑄模孔隙:研究區內一般為長石鑄模孔隙，但完整的鑄模孔隙較少見(圖4(c))，常見砂巖中長石碎屑發生溶解，而包圍長石的綠泥石膜保留完好的現象，其孔隙直徑一般為0.02 ～0.20 mm.

4)微裂縫:微裂縫是在構造應力。作用下發生破裂形成次生孔隙(或吼道)。據巖心、薄片和掃描電鏡觀察，山西組砂巖儲層中常見微裂縫，未充填，縫寬約0.01 ～0.02 mm.

2.3 喉道類型

喉道是指2 個顆粒之間的、連通2 個或2 個以上孔隙的狹窄部分。根據鑄體薄片鑒定及掃描電鏡分析等結果，山西組砂巖儲層的喉道類型主要有以下3 種。

圖3 山西組砂巖孔隙度、滲透率分布直方圖Fig.3 Histogram distribution of porosity and permeability of sandstone in Shanxi formation

2.3.1 縮頸喉道

縮頸喉道一般喉徑1 ～7 μm，其連通性較好，因而滲透率較高。本區中由于粒間溶孔發育，因此，往往與此類孔隙相關連的縮頸喉道也較發育，為延長氣區山西組砂巖儲層最好的的喉道類型(圖4(e))。

2.3.2 片狀、彎片狀喉道

砂巖顆粒間隙或次生加大的晶間隙實質上就是喉道，視顆粒形狀及比表面結構不同，可呈片狀或彎片狀。這類喉道窄而彎曲，一般喉徑1 ～4 μm，且連通性較差，滲透率很低，片狀或彎片狀喉道是山西組砂巖儲層最多的喉道類型(圖4(f))。

2.3.3 管束狀喉道

管束狀喉道是一種似樹枝狀的細小管道，往往呈交叉狀分布的喉道類型。研究區內致密砂巖原生粒間孔隙在成巖壓實膠結過程中破壞殆盡，而在基質和膠結物中發育許多呈交叉狀、樹枝狀分布的微孔隙，這一部分本身即是孔隙又是喉道，喉徑極細而狹窄，連通性最差，滲透率極低。

3 孔喉結構與物性關系

3.1 毛管壓力特征

圖4 山西組砂巖儲集層孔隙喉道照片Fig.4 Photographs of pore and throat of sandstone reservoir in Shanxi formation

孔隙結構特征的研究是儲層微觀物理研究的核心內容。山西組致密砂巖的排驅壓力(Pd)為1.41 MPa，飽和度中值壓力為18.39 MPa，中值半徑0.04 μm. 孔喉分選系數為1.43 a，均值為13.08，變異系數為0.11，歪度為-0.71;最大進汞飽和度為74.93%，退汞效率為44.72%.毛管壓力參數表明:區內砂巖儲集層孔隙結構具有較強非均質性的特點，對儲層滲流能力影響較大［24］。據毛管壓力曲線形態及其參數，將研究區砂巖孔吼劃分為以下4 種類型(圖5)。

I 類(低門檻壓力～粗喉型)

I 類毛管壓力曲線，平直段不明顯，拐點相對較低，進汞曲線的水平長度大，表明最大連通孔喉半徑大，而小孔喉所占體積小。孔喉半徑在直方圖分布呈現雙峰狀。該類曲線的形成可能與較為豐富的火山凝灰質等塑性組分，在強壓實背景下，塑性組分的變形、喉道半徑變小、變窄或閉合，孔喉分選性變差，致使孔隙結構非均質性增大［25］。

II 類(較低門檻壓力～較粗喉道型)

II 類曲線具明顯的平直段，但是拐點較高，曲線斜度較小，而水平長度大。直方圖表明孔喉半徑呈單峰狀分布，分選好，一般偏粗。

III 類(中門檻壓力～中喉道型)

III 類曲線整體上位于右上方，曲線拐點偏高，斜度較大，但是曲線水平長度不大，說明最大連通孔喉半徑小，分選差，儲層中小孔喉所占比重大。孔喉半徑為單峰，但峰頂較寬，一般為細偏。

圖5 山西組儲集層毛管壓力曲線分類圖Fig.5 Capillary pressure curve classification of sandstone reservoir in Shanxi formation

Ⅳ類(高門檻壓力～細喉道型)

該類毛管壓力曲線也整體上位于右上方，曲線拐點高，但斜度更大，一般接近45°，以細喉道為主。

3.2 孔喉特征與物性關系

砂巖儲層的孔隙度反映儲層的儲集能力，而滲透率則反映儲層的滲透能力。孔、滲關系的差異在于儲層的微觀孔隙結構特征，特別是喉道形狀、大小、分布及其相互聯通關系。孔喉結構越復雜，其物性影響因素就越多［26-27］，物性的不同正是微觀孔喉結構特征差異性的體現。山西組致密砂巖儲層的孔喉結構與物性的關系如圖6，圖7所示。

從圖中可以看出，山西組砂巖的孔隙度、滲透率與排驅壓力均呈負相關關系。即排驅壓力越小孔隙度、滲透率越高;孔滲與孔喉半徑均值、分選系數呈正相關關系。即孔隙度、滲透率越大孔喉的半徑均值也越大;孔喉的分選系數越大、孔喉分選越差，孔隙度、滲透率反而越大。

圖6 砂巖儲層排驅壓力與孔、滲關系圖Fig.6 Relationship between displacement pressure and porosity，permeability of sandstone reservoir

圖7 砂巖儲層中值半徑與孔、滲關系圖Fig.7 Relationship of median radius and porosity，permeability sandstone reservoir

4 結 論

1)延長氣田山西組致密砂巖，巖石類型主要以巖屑石英砂巖、石英砂巖、巖屑砂巖為主，顆粒以細～中粒為主，分選中等，磨圓程度次圓～圓，成分成熟度較高。

2)砂巖孔隙類型以粒間孔、粒內溶孔為主。喉道主要發育縮頸喉道、片狀或彎片狀喉道、管束狀喉道。

3)山西組致密砂巖儲層具有較高的排驅壓力、毛細管中值壓力，孔隙喉道屬微喉，半徑小于1 μm，孔喉分選差，最大進汞飽和度較低、殘余汞飽和度較高。

4)通過對毛管力曲線形態可分成3 類，其中Ⅰ，Ⅱ類是儲集層有利孔隙結構類型。儲層物性值的大小與孔喉半徑均值、分選系數呈正相關關系，與排驅壓力呈負相關關系。

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