致密砂巖氣藏儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對產(chǎn)能的影響
——以鄂爾多斯盆地蘇里格西部蘇48區(qū)盒8、山1段為例

馮強(qiáng)漢， 王 冰， 楊 勃， 張永潔， 袁嘉賡， 朱玉雙

(1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，鄂爾多斯 017300； 2.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系， 西安 710069)

蘇里格西部氣藏儲層具有埋深大、低壓低滲，非均質(zhì)性和敏感性較強(qiáng)的特點(diǎn)。各種因素作用下使得蘇西典型井區(qū)蘇48區(qū)的氣水分布關(guān)系復(fù)雜，氣井產(chǎn)量低，且多數(shù)井生產(chǎn)見水。各種因素中孔隙結(jié)構(gòu)影響對儲層物性起決定性作用，進(jìn)而影響儲層的流體分布、儲滲能力等，細(xì)小的孔隙及復(fù)雜多樣的孔隙組合最終制約著氣藏的開采。因此，研究分析儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，對于氣藏開采以及提升氣藏采收率具有重要的指導(dǎo)作用。

對于蘇里格地區(qū)致密砂巖氣藏的研究，前人已取得了一定的認(rèn)識。朱筱敏等[1]對優(yōu)質(zhì)儲層與非儲層進(jìn)行多角度分析對比，得出物性是天然氣富集的主控因素之一；琚惠姣[2]則從沉積、成巖、構(gòu)造方面對物性的影響進(jìn)行研究，認(rèn)為成巖作用是影響物性的主控因素，構(gòu)造對物性的影響程度有限。郝騫等[3]從微觀角度出發(fā)認(rèn)為，明確物性主要受顆粒骨架成分、孔喉結(jié)構(gòu)及非均質(zhì)性的共同作用。白云云等[4]對蘇48區(qū)的成巖相的進(jìn)行表征，進(jìn)一步確定了孔喉致密的主要機(jī)理是機(jī)械壓實(shí)作用。路中奇等[5]對蘇里格地區(qū)的致密成因和主控因素進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為沉積相是后期成巖作用的基礎(chǔ)，對儲層的物性及儲氣能力具有控制作用。前人的研究使得蘇里格地區(qū)儲層的致密成因及儲層儲氣能力的主控因素有了清晰的認(rèn)識，但以往的研究皆是基于儲層的靜態(tài)資料單一地研究孔隙結(jié)構(gòu)與物性或成巖作用的關(guān)系，未能結(jié)合動態(tài)資料與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合揭示孔喉結(jié)構(gòu)對氣井產(chǎn)能的影響。因此研究孔隙結(jié)構(gòu)與產(chǎn)能之間的關(guān)系對于提高氣井產(chǎn)氣量從而進(jìn)一步提升氣田采收率具有重要的生產(chǎn)意義。

基于以上研究目的，本文主要是通過多種分析測試技術(shù)手段，對研究區(qū)微觀孔喉結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性與定量研究，在此基礎(chǔ)之上與氣井生產(chǎn)動態(tài)資料相聯(lián)系，通過對典型井進(jìn)行定性與定量、動態(tài)與靜態(tài)相結(jié)合分析孔隙結(jié)構(gòu)對氣井產(chǎn)能的影響。

1 研究區(qū)基本地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地是中國大型的中生代沉積盆地，盆地輪廓形狀呈矩形，面積約為25×104km2，而廣義的鄂爾多斯盆地總面積則達(dá)36×104km2[6]。研究區(qū)位于蘇里格氣田西部，跨伊盟隆起和伊陜斜坡兩個(gè)一級構(gòu)造單元。前人研究認(rèn)為成巖作用是孔隙結(jié)構(gòu)的主要影響因素，沉積對孔隙結(jié)構(gòu)的影響作用有限，但成巖作用是在沉積的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，成巖作用的強(qiáng)弱受沉積環(huán)境影響，研究區(qū)的開發(fā)層位主要為盒8、山1段，其中盒8下段沉積類型為辮狀河三角洲沉積，盒8上段、山1段水體能量減弱總體上表現(xiàn)為曲流河沉積特征[7]。

2 儲層巖石學(xué)特征

通過對鉆取巖樣所進(jìn)行的圖像孔隙、圖像粒度、鑄體薄片、掃描電鏡等巖樣分析資料進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)(圖1)，研究區(qū)區(qū)盒8、山1段碎屑組成中石英含量最高，長石少見或基本未見，因而巖石類型主要是石英砂巖和巖屑石英砂巖，長石石英砂巖并不多見。

統(tǒng)計(jì)顯示，盒8段石英顆粒占碎屑平均比為91.9%，略高于山1段的89.9%。盒8上、盒8下和山1儲層段巖屑占骨架顆粒百分比平均分別為7.8%、4.4%和8.2%，其中山1段所占百分比高于盒8段，以火山巖與變質(zhì)巖巖屑為主，后者比前者含量略高。長石占骨架顆粒百分比各層均較低，甚至為0(表1)。蘇48區(qū)儲層填隙物含量為10.5%～23%，盒8段內(nèi)部差別不大，盒8上10.5%～18%，平均14.1%，盒8下11.5%～19%，平均14.6%，山1段填隙物含量在14.5%～23%，平均17.8%。

盒8下段沉積末期構(gòu)造事件造成水體能量減弱，使得曲流河沉積變?yōu)檗q狀河沉積，是盒8下段與盒8上段、山1段巖石組分具有較大差異的主要原因。

圖1 蘇48區(qū)塊盒8、山1段砂巖巖石成分三角圖Fig.1 Sandstone type triangular figure and distribution frequency of Box 8 and Shan 1 in Su 48

表1 蘇48區(qū)盒8、山1儲層段砂巖骨架顆粒相對含量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical of relative content of sandstone skeleton in He 8 and Shan 1 reservoir of Su 48

3 儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.1 孔隙類型

蘇48區(qū)盒8、山1段砂巖儲層具有不同的孔隙類型和復(fù)雜的演化機(jī)理[8]。據(jù)鑄體薄片等測試樣品統(tǒng)計(jì)，盒8段的以原生粒間孔為主[圖2(a)]；山1段則以次生溶孔為主[圖2(b)]，原生孔隙占比不高，晶間孔普遍存在于各個(gè)層段[圖2(c)、圖3]。其中，剩余粒間孔孔隙邊界規(guī)則，與其他相鄰顆粒呈規(guī)則接觸，其孔隙被石英次生加大、巖屑和黏土礦物等充填[圖2(d)]；溶蝕孔在碎屑顆粒表面、邊緣以及內(nèi)部被溶蝕所形成，其邊界彎曲成不規(guī)則形狀[圖2(e)][9]。研究區(qū)的孔隙類型主要為粒間溶孔，粒內(nèi)溶孔未見或少見；晶間微孔是在成巖作用晚期被大量自生黏土礦物充填，普遍發(fā)育在高嶺石等黏土礦物中。除常見的幾種孔隙類型，在部分巖石中發(fā)現(xiàn)少量微裂縫[圖2(f)]，進(jìn)一步加強(qiáng)了巖石孔隙的連通性。

3.2 孔喉結(jié)構(gòu)特征

壓汞和鑄體薄片衡量微觀孔喉大小、形態(tài)及其分布的重要技術(shù)，對巖石抽真空后加壓使汞進(jìn)入孔隙、喉道中去，物性越好，所需的排驅(qū)壓力就越小；隨著壓力增加，汞可進(jìn)入的更小孔喉半徑的孔隙，將進(jìn)汞飽和度與排驅(qū)壓力相結(jié)合可以對孔喉分布進(jìn)行定量表征[10-12]。通過對研究區(qū)儲層49塊樣品高壓壓汞資料的分析研究，應(yīng)用曲線的形態(tài)特征及多種類型的表征參數(shù)，對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性、定量研究進(jìn)而對儲集層的儲集性能進(jìn)行量化[13]。根據(jù)曲線形態(tài)和表征參數(shù)將孔隙結(jié)構(gòu)分為以下3種類型(圖4、表2)。

Ⅰ類：溶孔-粒間孔類，石英含量高，以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主。鏡下普遍可見石英次生加大邊，填隙物較少呈零星點(diǎn)狀充填孔隙。孔隙結(jié)構(gòu)以殘余粒間孔為主包含一定的溶孔，晶間孔較少，該孔隙類型連通性較好，是該區(qū)重要的孔隙結(jié)構(gòu)類型。從各類孔隙結(jié)構(gòu)的壓汞曲線及其對應(yīng)的孔喉進(jìn)汞量與孔喉半徑分布圖可看出[圖4(a)、 圖4(b)]: 曲線相對地位于圖的左下方，說明其孔喉分布較粗，孔喉歪度平均為1.94；曲線具有寬而緩的平臺，孔喉分選好，分選系數(shù)平均為0.43，中值壓力均值1.53 MPa，平均排驅(qū)壓力0.54 MPa。孔喉半徑分布范圍較廣，分布在0.025～4 μm。該類孔隙結(jié)構(gòu)的儲滲能力強(qiáng)，物性好，孔、滲均值分別為10.4%和0.85×10-3μm2。

圖2 蘇西蘇48區(qū)孔隙類型圖版Fig.2 Photograph of Su 48 pore type in the west of Sulige

圖3 蘇48區(qū)孔隙類型分布直方圖Fig.3 Histogram of pore type distribution of Su 48

表2 孔隙結(jié)構(gòu)特征Table 2 Pore structure characteristics

圖4 不同孔隙組合類型儲層毛管力曲線、鑄體薄片F(xiàn)ig.4 Different capillary combination type reservoir capillary force curve, cast thin section

Ⅱ類：晶間孔-溶孔類，主要發(fā)育高嶺石晶間孔和巖屑溶孔，石英次生加大發(fā)育，極少量粒間孔隙殘余，高嶺石結(jié)晶細(xì)小，巖屑微溶，孤立狀分布。從圖4(c)、圖4(d)可看出：毛管壓力曲線相對地位于圖的中央部位，孔喉分布較粗；曲線寬平臺較為明顯，較Ⅰ類平臺有所減短，分選較好，分選系數(shù)平均值為1.09，中值壓力高，平均1.75 MPa，排驅(qū)壓力和退汞效率較低，平均排驅(qū)壓力和退汞效率為0.19 MPa和58.65%。孔喉半徑分布集中，范圍較窄。

Ⅲ類：微孔類，孔隙類型要為微孔，小孔-細(xì)喉組合，巖性為巖屑石英砂巖。該類儲層包含較多的塑性物質(zhì)和雜基，抗壓實(shí)能力較差，常見軟組分巖屑變形強(qiáng)烈，部分多呈假雜基狀，導(dǎo)致孔喉被填充變得細(xì)小，連通性差，分選系數(shù)為0.12。從壓汞曲線可以看出[圖4(e)、圖4(f)]，曲線相對的位于圖的右上位置，曲線形態(tài)較窄，缺乏明顯的寬緩平臺，分選較差，所需排驅(qū)壓力較大，平均為1.48 MPa。該類孔隙結(jié)構(gòu)的儲層物差，滲透率較低平均0.198×10-3μm2。其儲滲能力較弱，氣水滲流阻力大，一般不構(gòu)成有效儲層。

4 微觀孔隙結(jié)構(gòu)影響因素

4.1 沉積作用

根據(jù)巖心觀察結(jié)合前人研究，研究區(qū)山1沉積期為曲流河三角洲平原沉積環(huán)境，河道砂體規(guī)模較小，河道不斷彎曲截?cái)嗫尚纬珊游⑾啵奂撕杭疤抠|(zhì)條帶等的細(xì)粒沉積物[14-16]。盒8下沉積期水體能量增強(qiáng)，沉積環(huán)境變?yōu)檗p狀河三角洲平原，水體能量波動變化加速，底負(fù)載沉積物占比增大，多期分流河道的垂向疊置，河道寬度較大，較高的水體能量使得顆粒的分選磨圓較好，孔隙類型較好[17-18]。盒8上段受陸源碎屑物質(zhì)供給減少，水動力條件變?nèi)醯纫蛩兀憩F(xiàn)為曲流河三角洲平原沉積環(huán)境，與山1段沉積環(huán)境類似，但不具備山1段沼澤化的沉積背景，因此盒8上段整體物性好于山1段弱于盒8下段。

4.2 成巖作用

研究區(qū)盒8、山1段層位埋深通常大于3 000 m，為深部儲集層；鏡下觀察普遍見石英次生加大；自生碳酸鹽礦物主要為鐵方解石，含少量的細(xì)晶、泥晶方解石；研究區(qū)盒8段的蒙脫石占伊蒙混層的含量S/(I/S)<10%，山1接近消失；最大熱解峰溫介于411～564 ℃；鏡質(zhì)體反射率Ro介于1.49%～2.1%；研究區(qū)孔隙組合以次生溶孔為主并見愈合裂縫。基于淡水和半咸水介質(zhì)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)志(SY/T 5477—2003)結(jié)合前人研究成果認(rèn)為，盒8段-山1段砂巖處于中成巖B期，少量進(jìn)入晚成巖階段[19]。

4.2.1 壓實(shí)作用

圖5 盒8、山1段排驅(qū)壓力與埋深關(guān)系圖Fig.5 He 8 and Shan 1 section drainage pressure and buried depth diagram

壓實(shí)作用是造成儲層孔隙結(jié)構(gòu)變化以及物性降低的重要因素[20]。隨著研究區(qū)隨著深度的增加，載荷逐漸增大，顆粒間接觸關(guān)系呈點(diǎn)接觸過渡到凹凸接觸，孔隙和喉道變窄，排驅(qū)壓力逐漸變大。在含有高含量塑性顆粒的砂巖中，由于塑性顆粒擠壓變形以及假雜基化，顆粒之間由線接觸向縫合線接觸演化。從圖5可以看出，在各段內(nèi)部都有排驅(qū)壓力隨埋深增大逐漸增大的現(xiàn)象，不同層位儲層巖石的排驅(qū)壓力與埋深有一定的相關(guān)性，且隨深度的增加排驅(qū)壓力逐漸增大。其中盒8上段排驅(qū)壓力隨深度變化較小，而盒8下段的變化趨勢明顯偏離了盒8上段的趨勢線，排驅(qū)壓力隨埋深增大明顯增加；高含量的石英可以抵抗壓實(shí)使原生粒間孔更好地保存，孔隙類型較為良好，因而盒8下段埋深較大但排驅(qū)壓力小于盒8上。這些特點(diǎn)均表明儲集層隨埋深增大受到了更為強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，從而導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變差。

4.2.2 膠結(jié)作用

根據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)盒8、山1段儲層中孔隙結(jié)構(gòu)變化的膠結(jié)作用類型主要有黏土、硅質(zhì)和碳酸鹽膠結(jié)。膠結(jié)作用對孔隙結(jié)構(gòu)的演化具有雙重作用，一方面，膠結(jié)物填充封堵孔隙使儲層物性變差；另一方面，膠結(jié)物也起到了保護(hù)孔隙不受其他破壞性成巖作用的影響，即硅質(zhì)充填膠結(jié)的巖石，粒間孔被充填后增加了巖石骨架強(qiáng)度，對抵抗壓實(shí)有一定幫助。除此之外，膠結(jié)物在后期溶蝕作用中對溶孔發(fā)育起到一定影響，可以起到增大孔隙度的作用。

圖6 盒8、山1段儲層高嶺石含量與孔隙度關(guān)系Fig.6 Relationship between kaolinite content and porosity in the reservoir of He 8 and Shan 1

4.2.3 交代與蝕變作用

交代作用的實(shí)質(zhì)是原有的礦物被溶解和交代新生成礦物的沉淀，蘇48區(qū)主要存在高嶺石與方解石兩種礦物的交代作用。成巖蝕變作用形成的高嶺石普遍存在于各類砂巖中，主要表現(xiàn)為高嶺石交代長石和巖屑，形成高嶺石碎屑交代假象，從圖6中可以看出高嶺石含量與孔隙度有一定的正相關(guān)性，晶間孔在早期蝕變的高嶺石中可大量出現(xiàn)，蝕變較好的高嶺石晶間孔雖細(xì)小，對氣藏儲層來說具有一定的積極作用。

4.2.4 溶蝕作用

溶蝕作用的強(qiáng)度影響著孔隙結(jié)構(gòu)的變化[21]。在成巖過程中，砂巖中的不穩(wěn)定礦物在一定的環(huán)境下會發(fā)生溶蝕溶解作用形成次生溶蝕孔隙，從而為油氣儲層提供主要的儲集空間。由于孔隙流體演化以及地質(zhì)環(huán)境的變化，砂巖的溶蝕溶解作用成因多樣，多期次溶蝕形成多種類型的次生溶孔，使微觀孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生大的改變。研究區(qū)溶蝕現(xiàn)象普遍，但溶解的程度差異較大。總體表現(xiàn)為巖屑含量較高的泥質(zhì)、黏土質(zhì)砂巖儲層中的溶蝕較強(qiáng)[22]，儲層孔隙組合以溶蝕的溶孔及晶間微孔組合為主要特征構(gòu)成的Ⅱ類儲層。在裂縫發(fā)育的樣品，局部裂縫發(fā)育的薄片下還可見溶蝕形成的溶蝕縫。

5 孔隙結(jié)構(gòu)對氣井產(chǎn)能的影響

將試氣成果與巖心物性分析數(shù)據(jù)相結(jié)合，結(jié)果表明產(chǎn)氣井孔隙度和滲透率與氣產(chǎn)量正相關(guān)，表明儲層物性對氣井產(chǎn)能具有一定的控制作用。儲層物性的高低則與沉積、成巖及構(gòu)造作用密切相關(guān)，沉積環(huán)境決定著物源供給，是孔隙類型演變的基礎(chǔ)，成巖作用決定著孔隙演化的程度。

圖7 S61井盒8、山1段測井解釋及巖心分析綜合圖Fig.7 Comprehensive diagrams of log interpretation and core analysis of Well Box 8 and Shan 1 in S61

由于碎屑組成以及填隙物含量差異，孔隙類型發(fā)育的不同，進(jìn)一步影響儲集性能，從而引起產(chǎn)量變化。結(jié)合之前研究認(rèn)為，隨著石英含量增多、填隙物含量減少，儲層的孔隙度、滲透率有增大的趨勢，高孔滲段產(chǎn)氣量較高，低滲區(qū)主要是氣水同產(chǎn)。以典型井S61井為例，根據(jù)單井柱狀圖顯示(圖7)，盒8上射孔段日產(chǎn)氣為7.4×104m3/d，為產(chǎn)氣層，相應(yīng)氣層段石英含量較高，平均為81.55%，氣層段總體以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主，壓汞曲線形態(tài)及品質(zhì)參數(shù)分類屬屬Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)。該氣層段填隙物主要為伊利石和硅質(zhì)膠結(jié)，少量鐵方解石膠結(jié)，以巖屑和雜基溶蝕產(chǎn)生的溶孔為主，保留了一定的原生粒間孔。山1射孔段日產(chǎn)氣量為0.34×104m3/d，產(chǎn)水量0.5 m3/d，較盒8產(chǎn)量低，相應(yīng)氣層段石英含量下降，平均為70.58%，巖屑含量有所上升，填隙物主要為伊利石，膠結(jié)類型以孔隙充填式為主，射孔段主要發(fā)育晶間微孔，孔喉半徑小，孔隙結(jié)構(gòu)屬Ⅱ類，由于受毛細(xì)管阻力影響，使得氣驅(qū)水不徹底，故該井低孔滲段氣水同出，產(chǎn)能有限。

通過以上分析可以得出，孔隙結(jié)構(gòu)則對儲層的物性具有控制作用，物性則決定了儲層儲集流體以及滲流能力的大小，進(jìn)而影響著氣井產(chǎn)能的高低。Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)的儲層物性較好，儲滲能力強(qiáng)，在成藏過程中氣驅(qū)水較徹底易形成優(yōu)質(zhì)儲層，該類儲層在實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)氣量較高，水氣比較低，產(chǎn)出水體有限。Ⅱ、Ⅲ孔隙結(jié)構(gòu)的儲層孔隙連通性較差，在同等生烴能力條件下氣驅(qū)水不徹底形成氣水同層，該類儲層生產(chǎn)過程中氣、水同產(chǎn)，后期受產(chǎn)水影響氣井的產(chǎn)能有限。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)高壓壓汞曲線形態(tài)和孔喉表征參數(shù)可將蘇48區(qū)孔隙類型分為3種：Ⅰ型(溶孔-粒間孔類)、Ⅱ型(晶間孔-溶孔類)、Ⅲ型(微孔類)。Ⅰ型有明顯的寬而緩的平臺，是較有利于油氣儲集的孔隙類型。Ⅱ型有較明顯的階梯狀，平臺較短。Ⅲ型孔喉細(xì)小且連通較差，不利于油氣成藏。不同孔隙類型的壓汞曲線有明顯的分區(qū)現(xiàn)象。

(2)埋深是導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變差的關(guān)鍵因素之一。隨埋深增加，壓實(shí)作用增強(qiáng)，在強(qiáng)壓實(shí)作用下顆粒間互相接觸的程度逐漸增大，致使孔隙變小和喉道變窄、排驅(qū)壓力增加。交代作用、溶蝕溶解作用對儲層的儲集性能有一定改善作用。

(3)碎屑組成以及填隙物含量差異導(dǎo)致孔隙類型發(fā)育的不同，從而影響儲集性能，最終引起產(chǎn)量變化。高孔滲段產(chǎn)氣量較高，低孔滲井段受毛細(xì)管阻力影響，氣驅(qū)水不徹底從而氣水同產(chǎn)。