恒速壓汞及核磁共振技術在四川盆地西部致密砂巖儲層評價中的應用

馮動軍，肖開華

(中國石化 石油勘探開發研究院，北京 100083)

孔隙度和滲透率參數是常規儲層的主要評價指標，而致密砂巖儲層非均質性強，且具有低孔、低滲、孔隙類型多樣、孔喉細小、孔隙結構復雜的特點[1-2]，常規儲層評價方法并不適用。同時，致密砂巖儲層孔喉結構普遍具有很高的毛細管壓力，因此，孔隙結構的差異會導致儲層中流體流動賦存狀態和分布的不同，進而制約和影響致密砂巖氣藏的高效開發[3]。恒速壓汞可以區分孔隙和喉道，并能夠定量獲取孔隙半徑、喉道半徑等相關參數[4]。核磁共振作為一種新興的巖心實驗分析手段，可以獲取物性、微觀孔隙結構及可動流體參數等儲層特征[5-8]。本文利用恒速壓汞和核磁共振測試結果，分析川西上三疊統須家河組儲層孔隙結構類型和特征及其與孔、滲的相關關系，探討孔喉特征對可動流體參數的影響，優選與儲層物性和流體可流動性相關性較好的孔隙結構參數，通過數學分析，建立指示儲層好壞的孔隙結構指數，開展單井全井段儲層綜合評價，解決了致密非均質儲層無法用孔隙結構參數進行全井段儲層評價的問題。

1 實驗介紹

本次實驗采用中國石油勘探開發研究院廊坊分院從美國引進的ASPE-730型恒速壓汞實驗裝置，注射速率最低能到0.000 05 mL/min，最高到1 mL/min，巖心取截面為1 cm×1 cm的圓柱體，壓力范圍0～1 000 psi，巖石孔隙結構的空間分辨率為0.000 01 mL。汞作為非潤濕相注入巖石孔隙中時需要施加外部壓力，接觸角、界面張力和孔喉半徑決定了進汞壓力的大小[9]。恒速壓汞技術是在樣品分析過程中始終保持接觸角與界面張力不變，以極低的準靜態進汞速度(一般為5×10-5mL/min)將汞注入巖石孔隙內，當驅替壓力達到6.2 MPa時實驗結束。根據進汞壓力的升降來區分巖石內部的孔隙和喉道[10-12]，獲得孔隙和喉道的毛細管壓力曲線，并據此計算孔隙和喉道半徑及孔喉半徑比的分布[13-14]。核磁共振技術是通過對完全飽和水的巖心進行CPMG脈沖序列測試而獲得T2譜，可以反映巖心內所有的孔喉分布[15]，T2越小，代表孔徑的孔隙越小，反之亦然，因此，T2分布反映了孔隙體積的分布。當孔隙半徑小到一定程度后，由于受黏滯力或毛細管力束縛，孔隙中的流體將無法流動。因此在T2譜上就存在一個馳豫時間界限，當孔隙流體的T2馳豫時間大于某一值時，流體為可動流體，反之為不可動流體，這個界限常被稱為可動流體T2截止值。總之，利用核磁共振技術可以快速、無損、準確地測定巖樣中的可動流體量和孔隙體積的分布[16]。

2 實驗樣品及結果

選取14塊四川盆地西部新場地區須家河組致密氣巖心樣品進行恒速壓汞和核磁共振實驗(直徑2.5 cm，長度0.5 cm)，樣品平均孔隙度11.03%，平均滲透率0.25×10-3μm2，為典型致密儲層樣品，計算孔喉特征參數如表1所示。上亞段為致密砂巖儲層，以孔隙型儲層為主，基質孔隙度和滲透率較高，平均分別為8.22%，0.72×10-3μm2，喉道半徑平均值為0.61 μm，孔隙半徑平均值為143.58 μm，孔喉半徑比平均值為304.81，最終進汞飽和度27.54%，核磁共振計算上亞段可動流體孔隙度平均6.48%，可動流體百分比平均為20.10%。下亞段為致密砂礫巖儲層，裂縫發育，以裂縫—孔隙型儲層為主，基質孔隙度和滲透率較低，平均分別為4.07%，0.12×10-3μm2，喉道半徑平均值為0.39 μm，孔隙半徑平均值為76.75 μm，孔喉半徑比平均值為152.6，最終進汞飽和度26.98%，核磁共振計算下亞段可動流體孔隙度平均2.95%，可動流體百分比平均為24.13%。

表1 四川盆地西部新場地區須家河組四段砂巖儲層孔隙結構參數統計Table 1 Statistics of pore structure parameters of sandstone reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

3 孔隙結構特征

3.1 儲集空間類型

通過大量巖石鑄體薄片鑒定、掃描電鏡分析可知，新場地區須四段儲層孔隙包括原生孔隙、次生孔隙、微裂隙(縫)三類，以次生孔隙為主，包括粒間溶孔、粒內溶孔、鑄模孔、晶間溶孔等，其中粒間溶孔多為70～120 μm，是溶蝕粒間雜基和沿顆粒邊緣溶蝕擴大而成，呈不規則狀，孔中常含殘余黏土礦物；粒內溶孔一般在20～300 μm，孔中常有黏土化后的殘余骨架，孔中充填自形和他形石英及方解石、鈉長石等；微裂縫和原生孔隙次之，原生孔隙主要為殘余粒間孔(圖1)。

3.2 孔隙結構類型

儲層的孔隙結構是指巖石所具有的孔隙和喉道的幾何形狀、大小、分布及其連通關系[17]，孔隙結構特征在微觀上反映了儲集層的儲集及滲流能力，是儲集層評價和分類的重要依據[18-19]。據掃描電鏡、高壓壓汞及恒速壓汞資料，新場地區須四段儲層較差，樣品排驅壓力和中值壓力值較高，孔喉半徑和喉道半徑小。歪度是指孔喉大小分布偏向粗孔喉或是細孔喉，相應地稱之為粗歪度或細歪度[4]。樣品分選系數值較大，歪度值較小，偏細歪度，表明孔喉分選較差，且以微孔喉為主。

圖1 四川盆地西部新場地區 須家河組四段砂巖儲層儲集空間類型Fig.1 Reservoir space types of sandstone reservoirs in fourth mem- ber of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

利用高性能全自動壓汞儀AutoPore IV 9520獲取排驅壓力、孔喉大小及毛管曲線特征，把須四段孔隙結構分為4類(圖2)：(1)粗喉大孔型：毛管曲線特征表現為下凹型，其儲層排驅壓力比較低，一般小于0.5 MPa，喉道較粗，孔隙個體大，分選中等；毛細管壓力曲線為平臺狀，同時曲線均凹向左下方，略顯粗歪度；孔隙度、滲透率及孔隙結構均較好，為好儲層；(2)粗喉小孔型：毛管曲線特征表現為下凹上凸型，毛細管壓力曲線出現平臺或略顯平臺；其排驅壓力高于粗喉大孔型，一般0.5～1.0 MPa，微—細孔喉，分選較差，孔隙度低—偏中，滲透率中等—偏低，孔隙結構較好，為差儲層；(3)細喉大孔型：毛細管壓力曲線特征表現為平直型，排驅壓力較高，1.0～2.0 MPa，微—細孔喉，最大進汞飽和度較高，孔隙較大，分選差；孔隙度一般，滲透率較低，孔隙結構較差，為較好儲層；(4)細喉小孔型：毛管曲線特征表現為上凸型，排驅壓力很高，20～50 MPa，喉道偏細，最大進汞飽和度低，孔隙較小，分選較差，細歪度；孔隙度和滲透率均較低，孔隙結構差，為差儲層或非儲層。其中上亞段以粗喉大孔型為主，下亞段以粗喉小孔型為主。

3.3 孔喉特征

孔隙決定了儲層的儲集性能[20]，新場須四上亞段砂巖孔隙型儲層5個樣品滲透率逐漸增大，孔隙半徑主要分布在100～200 μm之間，峰值分布在120 μm左右。須四下亞段砂礫巖孔隙—裂縫型儲層6個樣品滲透率逐漸增大，孔隙半徑主要分布在80～180 μm，峰值在120 μm左右(圖3)。總體來看不同滲透率樣品孔隙半徑分布變化不明顯，基本呈單峰正態分布，上亞段孔隙半徑分布較為集中，下亞段除樣品XC22-9和XC31-5外，孔隙分布相對集中，可能與礫巖的存在導致微裂縫發育有關，儲層均以小孔為主。喉道反映了孔隙之間的連通情況，喉道半徑大小、分布特征及其形狀是影響儲層儲、滲透性能的主要因素，喉道越發育，儲層滲流能力越強[21]。須四段儲層喉道半徑呈多峰態分布，上亞段砂巖孔隙型儲層喉道半徑明顯高于下亞段砂礫巖孔隙—裂縫型儲層(圖4)，總體以微喉為主。隨著滲透率的增大，大喉道分布范圍增大，小喉道分布范圍減小。樣品滲透率越高，大喉道所占比增大，其喉道半徑分布范圍越寬且分布頻率越低；滲透率越低，喉道半徑越小且分布越集中。實驗結果表明，對于致密儲層而言，不同滲透率儲層其孔隙半徑的分布范圍基本相同，喉道半徑的大小和分布范圍存在差異，喉道控制了低滲透儲層的物性特征，決定了儲層的好壞，是決定氣藏開發效果的關鍵性因素。

圖2 四川盆地西部新場地區須家河組四段致密儲層孔隙結構類型Fig.2 Pore structure types of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

圖3 四川盆地西部新場地區須家河組四段致密儲層孔隙半徑分布Fig.3 Pore radius distribution of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

圖4 四川盆地西部新場地區須家河組四段致密儲層喉道半徑分布Fig.4 Throat radius distribution of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

3.4 孔喉比特征

孔喉比可以用來衡量孔隙開度的非均勻程度，反映了孔隙結構的均質性。圖5可以看出，滲透率和孔喉比分布范圍呈負相關。當孔喉比較小時，單個孔隙被多個喉道連通，滲透率較高，孔隙內儲存的氣體容易通過喉道被采出。而當孔喉比較大時，少數小喉道控制單個孔隙，孔隙的連通性較差，氣體要想從孔隙內排出需要克服很大的阻力，因此很難被采出，很多賦存氣體的孔隙成為無效孔隙。研究發現，孔喉比高的樣品，孔隙度并不一定高，說明低—特低滲儲層孔隙度不是影響儲層好壞的最主要的因素之一。與中、高滲儲層相比，低—特低滲儲層的孔喉比較大且分布范圍較寬，孔隙連通性差，體現了低—特低滲儲層微觀孔隙結構的顯著特征，也是該類儲層開發效果差的主要原因[22-23]。

3.5 毛細管曲線特征

采用ASPE-730型恒速壓汞儀，通過恒速壓汞技術不僅能夠得到總的毛細管曲線，還可以分別獲得喉道和孔隙的毛細管曲線。從圖6可以看出，樣品XC22-2當進汞壓力較小時，總毛細管曲線主要取決于孔隙毛細管壓力曲線的變化，而當進汞壓力增加到一定程度時，總體毛細管曲線的變化則主要由喉道的變化決定，其余5塊樣品總體毛細管曲線均主要取決于喉道毛細管曲線的變化。恒速壓汞實驗分析總孔隙進汞飽和度比總喉道進汞飽和度要小，說明樣品微裂隙發育，微裂隙溝通孔隙，使其成為有效孔隙。因此，對于低—超低滲透砂礫巖儲層而言，氣藏的開發應重視喉道的開發，也就是說要尋找微裂隙發育帶。

4 孔喉特征對可動流體參數的影響

可動流體參數主要包括可動流體百分數和可動流體孔隙度[24]。可動流體百分數是指孔徑大于截止孔徑的孔隙體積占巖樣總孔隙體積的百分數[25-26]，是評價儲層滲流能力及開發潛力的一個重要物性參數，比孔隙度和滲透率更能表征儲層的滲透性[27]。可動流體孔隙度具體量化了可動流體百分數的絕對含量，是儲層開發潛力的重要評價參數[16]。通過對可動流體參數與平均孔隙半徑、平均喉道半徑的相關性對比分析可見(圖7)，可動流體參數與平均孔隙半徑的相關性比與平均喉道半徑相關性略好，與常規砂巖儲層的規律相反，表明儲層喉道發育；而電鏡分析結果表明新場須四段致密砂巖微裂隙發育，可能是喉道發育的主要原因。因此在致密儲層評價中，應適當降低孔隙度參數的權重，重視微裂縫對儲集性能的影響[28]。

圖5 四川盆地西部新場地區須家河組四段致密儲層孔喉比分布Fig.5 Distribution of pore-throat ratio of tight reservoirs in fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

圖6 四川盆地西部新場地區須家河組四段毛細管曲線特征Fig.6 Characteristics of capillary curves of fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

5 基于孔隙結構的儲層評價方法及應用

目前，常見的利用孔隙結構參數進行儲層評價的基本思路是通過對取心段的巖心或地面巖石樣品進行采樣后，在實驗室通過鑄體薄片、掃描電鏡、壓汞及核磁共振等手段，來確定其儲層的孔隙結構參數，進而以點代面來確定某一目標層的儲層孔隙結構參數，無法對目標層全井段進行縱向上的連續評價。顯然，上述方法對于取心資料較多且儲層非均質性較弱的地區比較適用，但對于儲層非均質性較強的致密砂巖儲層則不太適用，主要存在兩方面的問題：一是由于受鉆井取心成本等的限制，不可能在鉆井過程中進行大規模的取心，因沉積環境、后期成巖作用和構造運動等因素的變化，致密砂巖儲層在縱向上具有很大的非均質性，即使取心很多，也不可能取全所有類型的儲層樣品；二是由于受分析測試工作量和成本等因素的限制，也很難進行高密度的、大量的鑄體薄片、電鏡掃描、壓汞及核磁共振等分析測試。因此，利用數量有限的樣品孔隙結構參數來對目標層進行儲層評價具有很大的局限性。

針對目前利用孔隙結構參數進行儲層評價的缺陷，本文建立了一種利用孔隙結構參數進行全井段儲層評價的新方法。具體方法流程是：對采取的每塊巖心樣品分別進行恒速壓汞和核磁共振分析測試，得到它們的喉道半徑、孔隙半徑及最終進汞飽和度等參數數據。利用測井曲線計算的全井段的孔隙度、滲透率曲線，求取全井段的滲透率與孔隙度比值曲線。分別把孔隙半徑、喉道半徑、最終進汞飽和度參數與孔隙度、滲透率/孔隙度進行交會，擬合出相應的函數關系(圖8)，計算出研究目標全井段的孔隙半徑指示曲線(Rp)、喉道半徑指示曲線(Rth)和最終進汞飽和度指示曲線(SHg)。利用數學變換的方法，根據影響儲滲性能的程度對參數進行縮放，建立孔隙結構指數(Rc)計算模型，進而計算出孔隙結構指示曲線，參考測井解釋的儲層類型、儲層中流體性質及測試產能，建立孔隙結構參數儲層評價標準(表2)，對研究目標全井段儲層進行評價。

Rc=(A·Rth+Rp/B)·SHg/C

式中：A、B、C為常數。

本次巖樣恒速壓汞和核磁共振分析的對象是川西新場地區8口井須家河組的巖心樣品，共取14塊樣品，先進行核磁共振實驗，然后再進行恒速壓汞實驗，保證兩項分析測試具有一一對應關系。從對新場某井的評價來看，儲層分類評價結果與測井解釋結果具有較好的對應關系，一類和二類儲層測井解釋為氣層或差氣層，井段3 832.3～3 887.9 m綜合評價一類和二類儲層發育，測試無阻流量12.86×104m3/d，為中產工業氣流井，證明基于恒速壓汞和核磁共振建立的致密砂礫巖儲層評價方法是適用的(圖9)。

圖7 四川盆地西部新場地區須家河組四段孔隙結構與可動流體參數相關關系Fig.7 Correlation between pore structure and movable fluid parameters of fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

圖8 四川盆地西部新場地區致密儲層孔隙結構參數與孔、滲相關性Fig.8 Correlation between pore structure parameters and porosity and permeability of tight reservoirs in Xinchang area, western Sichuan Basin

表2 四川盆地西部新場地區須家河組四段儲層孔隙結構參數評價標準Table 2 Evaluation criteria of pore structure parameters of fourth member of Xujiahe Formation, Xinchang area, western Sichuan Basin

圖9 四川盆地西部新場X井基于孔隙結構參數的儲層評價Fig.9 Reservoir evaluation of well X based on pore structure parameters, Xinchang area, western Sichuan Basin

6 結論

(1)利用恒速壓汞和核磁共振實驗技術不僅可以定量分析孔喉半徑、孔喉半徑比及孔喉體積大小等微觀孔隙結構特征，同時也能定量評價微觀孔喉特征對可動流體參數的影響，是開展致密砂巖儲層評價的有效手段之一。

(2)對于低—超低滲透儲層而言，喉道半徑的大小和分布范圍決定了微觀孔隙結構的差異，控制了低滲透儲層的物性特征，影響了儲層的好壞，是決定氣藏開發效果的關鍵性因素。新場須四段微裂隙發育，微裂隙溝通孔隙，使得孔隙成為有效孔隙，因此氣藏的開發應重視喉道的作用，也就是說要尋找微裂隙發育帶。

(3)新場須四段致密砂礫巖儲層可動流體參數與平均孔隙半徑的相關性要比與平均喉道半徑的相關性略好，孔隙進汞飽和度與可動流體參數的相關性較好，表明研究區致密砂巖儲層孔隙對可動流體參數的影響要比對喉道的影響更大。

(4)基于喉道半徑、孔隙半徑及最終進汞飽和度等參數建立了孔隙結構指數計算模型和儲層評價標準，對新場地區須四段全井段進行儲層評價，儲層分類評價結果與測井解釋結果、測試結果具有較好的對應關系，證明基于恒速壓汞和核磁共振建立的致密砂礫巖儲層評價方法是適用的。