聯合高壓壓汞和核磁共振分類評價致密砂巖儲層
——以鄂爾多斯盆地臨興區塊為例

孔星星 肖佃師 蔣 恕 盧雙舫 孫 斌 王璟明

1. 中國石油大學（華東）地球科學與技術學院 2.構造與油氣資源教育部重點實驗室?中國地質大學（武漢）

0 引言

我國致密砂巖氣資源豐富、分布廣泛，以鄂爾多斯盆地、四川盆地為典型代表[1-5]，其巨大的資源量、廣闊的勘探前景越來越為業界所重視[6-7]。與常規碎屑巖儲層相比，致密砂巖普遍經歷過強烈壓實和膠結（以黏土礦物和碳酸鹽巖礦物膠結為主）等破壞性成巖作用，在微觀方面導致儲層孔隙變小、孔喉連通關系變復雜[8-11]，在宏觀上影響氣水分布不受構造控制[12-13]。儲層品質決定了含氣量及壓后產能，是致密砂巖儲層評價的關鍵內容。但是，致密砂巖通常孔滲關系較差，存在著孔隙度相近但滲透率差異大、高孔特低滲等情況[14]，沿用常規的儲層分類方案難以滿足致密砂巖儲層分類評價的需要[15-16]。

致密砂巖儲層分類評級方法有很多，目前常用方法主要有壓汞法[17-18]、核磁共振法[19-21]、圖像法[22]等。壓汞法主要依據壓汞曲線的形態、進汞參數、孔喉分布等特征，或者結合分形理論進行儲層分類[17-18]。壓汞法能夠很好反映儲層的滲流特征及孔喉組合關系，但是受到進汞壓力的限制無法全面反映儲層孔隙空間，對孔隙孔徑分布的刻畫也不夠全面。核磁共振法主要依據T2譜分布形態，以及弛豫時間的大小進行儲層分類，核磁法能夠較為全面地反映孔隙分布，但是無法獲得儲層的滲流能力，同時由于T2譜獲得的是樣品弛豫時間，要獲得樣品的孔徑分布還需要進行孔徑轉換[23]。圖像法則主要依據鏡下照片，提取孔隙孔徑分布信息，研究孔隙形態，進行儲層分類。圖像法能夠很好地觀察孔隙的類型與形態，但是圖像法觀察尺度一般較大，無法反映致密儲層的微小孔隙特征[22-23]，同時圖像法從二維角度刻畫儲層，無法反映儲層的三維孔隙特征及滲流能力。

從致密儲層微觀結構表征入手，綜合多種手段，找出影響儲層儲集和滲流能力的微觀結構參數，才能合理指導致密儲層的分類評價[24]。為此，筆者提出高壓壓汞與核磁共振相結合的儲層分類評價方法，能夠全面刻畫儲層的儲集空間特征，選取反映有效儲集空間和儲層滲流能力的特征參數，使儲層的分類更加科學和實用；并以鄂爾多斯盆地東緣臨興區塊上古生界致密砂巖儲層為例，基于核磁共振和高壓壓汞實驗結果，表征致密儲層微觀孔隙結構，明確影響致密砂巖儲集和滲流能力的關鍵參數，結合現場試氣結果，驗證分類標準與實際生產的吻合度，以期指導致密砂巖儲層分類。

1 地質特征及實驗方法

1.1 地質特征

鄂爾多斯盆地東緣臨興區塊位于伊陜斜坡和晉西撓摺帶，地層平緩、整體呈東高西低、北高南低展布。經過多年勘探，臨興區塊已獲取多口高產工業氣流井，展示了該區具備良好致密氣勘探潛力。上古生界地層是該區致密砂巖氣的主要產層，自下而上包括上石炭統本溪組（C2b）、下二疊統太原組（P1t）和山西組（P1s）、中二疊統石盒子組（P2sh）和上二疊統石千峰組（P3s），其中山西組和太原組為主要烴源巖，但也發育緊鄰烴源巖的致密砂巖氣儲層；石盒子組和石千峰組是致密氣勘探的主要層位，為河流三角洲沉積，巖石類型主要為巖屑砂巖和長石質巖屑砂巖，局部發育巖屑質石英砂巖，巖屑和長石含量高，為該區致密儲層溶蝕孔隙發育奠定了物質基礎。

臨興區塊石盒子組和石千峰組致密砂巖膠結物含量高（平均值為20%），膠結物類型包括黏土礦物和碳酸鹽巖礦物，其中黏土礦物膠結物含量介于2%～20%，平均值為15.8%，以伊蒙混層、伊利石和綠泥石為主，黏土礦物對儲層孔隙度影響較小，但會極大降低儲層滲透率，是致密砂巖孔隙結構復雜、滲透率變差的主要原因之一。石盒子組和石千峰組致密砂巖的孔隙度主要介于4%～10%，超過10%的孔隙度占21%；滲透率主要介于0.1～1.0 mD， 超過1.0 mD的滲透率占23%，總體上孔隙度和滲透率呈弱正相關關系（相關系數為0.54）。縱向上隨埋深增加，孔隙度和滲透率呈現先增加、后減小的趨勢。

1.2 實驗方法

所選致密砂巖樣品均來自臨興區塊上組合的石千峰組、石盒子組地層，巖性包括含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖和細砂巖，共計275塊樣品。所有樣品均進行薄片鑒定和孔滲測量，考慮孔滲和巖性的差異，選擇典型代表性樣品（表1）進行高壓壓汞、核磁共振和場發射掃描電鏡測試，以研究致密儲層的孔喉結構對儲集能力和滲流能力的影響，指導致密儲層分類評價。其中壓汞實驗在Autopore 9250 Ⅱ型壓汞儀上完成，實驗溫度為25 ℃，相對濕度為35%～50%，最大進汞壓力為70～300 MPa，對應孔喉半徑為10.50～2.45 nm。利用紐邁公司MesoMR23-060H-1型核磁共振分析儀進行核磁共振實驗，分別測量樣品的飽和水和束縛水狀態（離心轉速為6 000 r/min）下T2譜，研究致密儲層中流體的可動性。兩次核磁共振測量均采用相同參數：CPMG脈沖系列、回波間隔0.2 ms、等待時間5 s、掃描次數128次。

表1 典型致密砂巖樣品基本信息表

2 致密砂巖儲層孔隙結構特征

2.1 孔隙類型

通過場發射掃描電鏡和薄片觀察，發現該區塊致密砂巖主要發育殘余粒間孔、粒間溶蝕孔、粒內溶蝕孔以及晶間孔等4類孔隙（圖1），微裂縫不發育。殘余粒間孔為原生孔隙經過壓實、膠結作用后的殘留部分，通常與石英次生加大和黏土包裹相伴生；殘余粒間孔數量少，分布分散，但孔徑大，一般介于20～400 μm，孔隙連通性好，該類孔隙主要發育在分選好、雜基含量低的粗砂巖和中砂巖中（圖1-a）。粒間溶孔主要由不穩定組分長石、巖屑和方解石遇酸性流體發生溶蝕而形成[25-26]，多見長石巖屑邊緣不均一溶蝕形成的港灣狀溶蝕孔；粒間溶孔分布較為集中，孔徑較殘余粒間孔小，一般介于5～40 μm（圖1-b）。粒內溶孔多為長石、酸性噴出巖巖塊、方解石等礦物內部選擇性溶解形成，分布呈蜂窩狀，孔隙連通性較好，但孔徑較小，通常小于10 μm（圖1-c）。晶間孔主要成因于自生礦物晶體（如石英和黏土礦物）的生長或沉淀[27]，在黏土含量高的巖樣中，常見非定向排列的板狀綠泥石、絲狀或薄片狀伊利石完全或部分充填粒間孔和溶蝕孔，形成大量集中分布的黏土晶間孔，孔徑多小于1 μm，常與溶蝕孔表現出明顯共存關系（圖1-d）。不同類型孔隙之間通常具有一定依存性，如殘留粒間孔發育樣品，通常粒間溶蝕孔也會較發育，晶間孔不發育；而晶間孔相對發育的樣品，粒間孔不發育。隨著物性變差，殘留粒間孔比例逐漸降低，粒內溶蝕孔和晶間孔比例逐漸增大。

2.2 基于壓汞法的孔喉分布特征

進汞—退汞曲線反映樣品汞注入/退出的進汞量與進汞壓力之間的關系，能夠揭示孔喉連通關系、孔喉分布等信息[28]。圖2-a展示了臨興區塊典型致密砂巖樣品的壓汞曲線特征，整體上進汞曲線呈現“下凹狀”和“斜直狀”，最大進汞飽和度介于20%～90%，排驅壓力介于0.1～4.0 MPa，揭示致密砂巖孔隙結構非均質性強；退汞效率通常低于50%，說明致密砂巖的孔喉連通性差，可能與致密砂巖的孔喉半徑小有關。各樣品之間壓汞曲線差異明顯，整體受儲層物性的控制，隨物性變差（樣品LX1到LX5），進汞曲線形態由“下凹狀”逐漸過渡為“斜直狀”，說明具有大孔—細喉型連通關系的孔隙類型（粒間孔、粒間溶蝕孔）占比逐漸減小，而其他孔隙類型（晶間孔等）占比逐漸增大，這與樣品掃描電鏡觀察結果相吻合；同時，隨著物性變差，最大進汞飽和度逐漸減小、排驅壓力值逐漸增大，說明汞進入孔隙中的難度加大。樣品LX1至LX5，物性逐漸變差，孔喉半徑分布逐漸變窄，主峰左移，樣品LX1孔滲最好，孔喉半徑主要介于1.0～3.0 μm，而樣品LX5，孔喉半徑均小于0.2 μm（圖2-b）。

圖1 臨興區塊致密砂巖孔隙類型薄片（上）和掃描電鏡（下）照片

圖2 壓汞曲線形態及孔徑分布特征圖

由此可見，孔喉分布控制著致密砂巖儲層物性特征，尤其是滲透率。樣品LX1與LX6的孔隙度相近、滲透率差異較大，兩個樣品在進汞曲線形態及孔喉分布上具有明顯差異：與樣品LX6相比，樣品LX1的進汞曲線呈現明顯的“下凹狀”，存在弱平臺段（圖2-a），表明樣品中發育較多的大孔—細喉型連通的孔隙，在較低壓力下汞就能進入巖石中，樣品LX1的孔喉半徑分布主峰大于1 μm，明顯大于樣品LX6（圖2-b）。通過掃描電鏡及薄片分析，發現樣品LX6中黏土礦物較樣品LX1明顯發育，形成大量黏土晶間孔（圖1-d），而黏土礦物會極大地降低孔喉連通性，導致滲透率急劇降低，但對孔隙度的影響不大。

2.3 基于核磁共振的孔隙大小分布特征

核磁共振主要測量巖石中氫核的弛豫時間來揭示儲層儲集空間特征及流體可動性。通常認為較大孔徑對應較長的T2值。因此，利用T2譜可以區分不同大小的孔隙及其比例[29]。圖3展示了樣品LX1至LX6的T2譜分布，整體上致密砂巖的T2值分布較寬，介于0.1～1 000.0 ms，T2譜形態表現出雙峰形態（以10 ms為界），右峰介于10.0～100.0 ms，左峰介于1.0～10.0 ms。隨著巖石物性變差（由樣品LX1至LX5），核磁共振T2譜右峰逐漸減小，峰值對應弛豫時間也逐漸減小，左峰幅度逐漸增大，峰值對應T2值也逐漸減小到1.0 ms，說明儲層物性變差，較大孔占比逐漸降低，孔隙類型由粒間孔為主轉變為以粒內溶蝕孔和晶間孔為主（圖1）；T2譜中左右兩峰幅度差及間距也呈增大趨勢，揭示孔隙連通性變差；核磁共振測量的可動水飽和度由46.70%減少到8.37%，說明致密砂巖中流體可動性變差。對比飽和水和離心狀態T2譜分布，當T2＞100.0 ms時，孔隙中的可動流體比例明顯較高，當T2＜1.0 ms時，對應孔隙中流體基本束縛不動，說明大孔中流體可動性明顯高于小孔。樣品LX1與LX6具有相近的孔隙體積，但兩者在孔隙分布上具有明顯差異，樣品LX6的T2譜右峰明顯偏低，大孔占比低，其可動水飽和度僅為17.27%，明顯低于樣品LX1的46.70%，這說明大孔的比例影響致密砂巖中可動流體的飽和度。

圖3 典型致密砂巖樣品核磁共振T2譜分布特征圖

對于致密砂巖，T2弛豫主要為發生在礦物表面上的面擴散弛豫機制，T2值與孔徑之間具有近似一一對應關系，需要確定合理轉換系數，實現T2譜從時間域到空間域的轉換，即將T2值轉換為孔隙大小。結合高壓壓汞結果，采用線性刻度法[30-31]對58個致密砂巖樣品的飽和水狀態測量的T2值進行轉化，刻畫孔隙分布。標定系數分布范圍較大（5～70 μm/s），其與綠泥石含量呈明顯正相關。標定后核磁共振孔徑分布顯示，致密砂巖的孔徑多集中分布于0.01～100.00 μm，儲層間孔徑分布差異明顯，其中粒間孔和溶蝕孔發育的儲層（樣品LX1和LX2）孔徑最大，存在大量孔徑分布在1～100 μm的孔隙，晶間孔發育的儲層（樣品LX6）孔徑多小于1 μm（圖4）。

3 微觀結構參數對宏觀物性的控制作用

3.1 孔隙分區及對儲層儲集能力的貢獻

儲集能力是指巖石中儲存流體的孔隙空間多少，常用孔隙度指標直接反映巖石的儲集能力，另外，有效孔隙度反映巖石儲集可動流體的能力，對于可動流體飽和度低的致密砂巖儲層，儲集可動流體的能力更為重要。為了研究不同類型孔隙對巖石儲集能力的影響，首先進行孔隙分類。利用張超謨等[32]提出的分形方法對標定后的核磁共振T2譜進行分形研究，結果表明T2譜分布呈現明顯3段分形特征，每段分形擬合精度均高于0.98。根據分形特征，將臨興區塊致密儲層孔隙分為3類：大孔（大于1.0 μm）、中孔（0.1～1.0 μm）和小孔（小于 0.1 μm）（圖5）。這與煤層氣以及頁巖油儲層的劃分標準基本相同[33-34]，而要略大于頁巖氣儲層的劃分[35]。根據掃描電鏡結果分析，大孔主要對應殘余粒間孔和粒間溶蝕孔，該類孔隙為大孔—細喉型，對應較大孔喉，孔隙連通性好；中孔主要對應粒內溶孔和晶間孔，小孔喉，連通性一般；小孔主要對應晶間孔，尤其是黏土礦物晶間孔，盡管對應最小孔喉半徑，連通性差，但是在巖石中大量發育，其儲集能力的貢獻不容忽視。

圖6為臨興區塊3類孔隙與總孔隙度、有效孔隙度之間關系圖。盡管總孔隙度為不同類別孔隙體積之和，但大孔孔隙度與總孔隙度的關系最好，其次為中孔孔隙度，小孔孔隙度與總孔隙度間相關性很弱；同時大孔孔隙度與有效孔隙度的相關關系也最好，且好于大孔孔隙度與總孔隙度的相關性。由此可見，大孔孔隙度是反映致密砂巖總儲集能力和儲集可動流體能力的直接指標，因為大孔主要對應粒間孔和粒間溶蝕孔，該類孔隙的發育說明巖石利于原生孔隙保存和溶蝕增孔，顯然總儲集空間發育。另外，該類孔隙對應較大的孔喉半徑，流體可動性強。

圖5 核磁共振孔隙分布分形特征圖

圖6 不同類型孔隙與總孔隙度、有效孔隙度的關系圖

有效孔隙度與大孔孔隙度關系明顯，因此，根據孔隙度中的大孔孔隙度的多少將臨興區塊致密砂巖劃分為4種類型。Ⅰ類：大孔孔隙度大于4.0%，大孔最多，中孔次之；Ⅱ類：大孔孔隙度介于2.0%～4.0%，以中孔為主，小孔和大孔次之；Ⅲ類：大孔孔隙度介于0.5%～2.0%，以小孔為主，中孔次之，大孔最少；Ⅳ類：大孔孔隙度小于0.5%，小孔占絕對優勢，中孔和大孔不發育。由Ⅰ類至Ⅳ類，大孔孔隙度逐漸降低，總儲集能力和儲集可動流體能力均逐漸下降。

3.2 孔喉結構對儲層滲流能力的影響

巖石滲透率主要受孔喉大小控制，但并非所有的孔喉半徑均對巖石的滲流能力做貢獻，需要針對特定地質條件，優選能反映儲層滲流能力的某一孔喉半徑值Ri（進汞飽和度為i%時所對應的孔喉半徑）[36]。為確定Ri，采用相關系數方法[37]，選取45個高壓壓汞實驗中不同進汞飽和度時的孔喉半徑，與孔隙度和滲透率進行相關分析，進而確定最佳的孔喉半徑Ri，i%值選取5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%（表2）。從表2可見，相關系數的變化呈現明顯先增加后降低的趨勢，當i%取值15%時，相關系數最高。表明對于大多數致密砂巖，當進汞飽和度達到15%時，汞在巖石中開始形成相對連續的滲流通道，而當飽和度低于15%時，連續的滲流通道尚未形成，盡管此時對應較大孔喉半徑，但對整個巖石滲流能力的貢獻有限；當飽和度高于15%，滲流通道已經大面積形成，此時對應小孔喉，同樣貢獻有限。與常規儲層相比（通常i%=35%），臨興區塊致密砂巖的最佳進汞飽和度值（15%）偏低。這主要由于致密砂巖孔喉非均質性強，較少孔隙參與就能在巖石中形成相對連續的滲流通道[38]，但滲流通道的穩定性差，容易受氣鎖等影響。

表2 臨興區塊部分樣品孔喉半徑與孔隙度、滲透率相關性分析表

為了找出更為準確的R15與孔隙度、滲透率間的關系，選用臨興區塊175個實驗數據進行回歸分析，得到經驗關系式：lgK=－1.138＋1.180 lgφ＋0.864 lgR15（R2=0.771）。該公式對該區致密砂巖滲透率預測精度較高，也驗證了R15選取的合理性（圖7-a）。根據該經驗公式，可建立不同R15的孔隙度與滲透率關系圖版（圖7-b），與實際樣品點進行對比可知該圖版精度較高，對樣品的R15具有很好的預測能力，更加直觀快捷地反映出各個樣品的滲流特征，同時也彌補了部分樣品未進行壓汞實驗的缺陷。

圖7 滲透率擬合精度分析及其與R15關系圖版

4 致密砂巖儲層分類評價

儲層分類的主要工作是對儲層的儲集空間及滲流能力進行評價，依據不同類型孔隙與有效孔隙度的關系，大孔孔隙度是反映致密儲層儲集能力的最直接指標，而R15能夠反映儲層的喉道和滲流特征，對儲層滲流能力的變化十分敏感，綜合大孔孔隙度和R15兩項敏感的微觀參數，建立致密儲層分類綜合圖版，該圖版綜合考慮了儲層儲集能力和滲流能力兩方面，從而合理指導儲層分類。具體步驟為，首先將樣品點依據大孔孔隙度進行分類，然后投到標注不同R15趨勢線的孔隙度—滲透率圖版上，再次進行細分。綜合以上信息建立臨興區塊上組合致密砂巖儲層分類評價綜合圖版（圖8）。

圖8 臨興區塊上組合儲層分類綜合圖版

根據儲層分類圖版，將臨興區塊石千峰組和石盒子組致密砂巖儲層劃分為4類（表3），不同類別儲層在產能上差異明顯，驗證了分類的合理性。Ⅰ類儲層孔隙度下限為10%，滲透率下限為10 mD，孔隙類型以殘余粒間孔和粒間溶孔為主，核磁共振T2譜呈現明顯雙峰特征，左右峰面積相當，壓汞曲線整體明顯下凹，啟動壓力低，進汞飽和度高；該類儲層的自然產能高，壓裂后產能改善不明顯。Ⅱ類儲層的孔隙度下限為9%，滲透率介于1.0～10.0 mD，主要發育粒間溶孔，T2譜亦呈現雙峰特征，左鋒面積明顯大于右峰，壓汞曲線呈現下凹狀；該類儲層自然產能較高，壓裂后產能進一步提高。Ⅲ1類儲層孔隙度介于6%～12%，滲透率介于0.2～1.0 mD，R15介于0.60～0.25 μm，發育粒內溶孔以及少量粒間溶孔。Ⅲ2類儲層孔隙度介于6%～12%，滲透率介于0.1～0.3 mD，主要發育粒內溶孔和晶間孔；與Ⅲ1類相比，大孔孔隙度差異不大，但Ⅲ2類儲層R15值明顯變小，壓汞曲線呈斜線狀，表明滲流能力降低，孔隙分選變差；兩個級別儲層在壓裂改造性上存在明顯差異，Ⅲ1類儲層壓裂改造性好，壓裂前和壓裂后產能存在數量級的差異，壓裂前沒有自然產能，壓裂后產能甚至能高達數萬方；而Ⅲ2類儲層壓裂前自然產能低，壓裂后改造不明顯，這可能與Ⅲ2類儲層孔喉結構差有關。

表3 臨興區塊致密儲層分類評價標準表

5 結論

1）基于分形理論可將致密砂巖孔隙劃分為大孔、中孔和小孔，其中大孔孔隙度與有效孔隙度關系最好，是評價致密砂巖儲集能力和儲集可動流體能力的直接指標。

2）基于相關系數法，確定孔喉半徑R15與孔隙度、滲透率間的關系最佳，是表征該區致密砂巖滲流特征的最優孔喉參數，能夠用于評價致密儲層滲流能力。

3）聯合Ri和大孔孔隙度建立致密砂巖儲層分類圖版，綜合考慮致密砂巖在儲集和滲流能力方面的差異，將臨興區塊致密砂巖儲層劃分為4類，由Ⅰ類儲層至Ⅲ2類儲層，孔隙類型由粒間（溶蝕）孔主導逐漸過渡為溶蝕孔和晶間孔主導，孔隙分布及連通性均逐漸變差。Ⅰ類和Ⅱ類儲層可獲得自然高產，是目前勘探開發甜點，壓裂對Ⅲ1類儲層改善最為明顯，Ⅲ2類儲層壓裂前后測試效果均較差。