鄂爾多斯盆地五蛟地區長7段致密砂巖物性分級評價

田偉超，文志剛，羅雨舒，席穎洋，韓欣

1.油氣地球化學與環境湖北省重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100 2.長江大學資源與環境學院，湖北 武漢 430100

2019年我國石油和天然氣對外依存度高達70.8%和43%，亟需加大油氣勘探開發力度，以保障國家能源安全。隨著非常規油氣勘探開發理論取得重大突破，非常規油氣資源逐漸成為我國油氣產量的重要增長點，其中致密油已成為非常規油氣研究的熱點。初步評價表明，我國致密油資源非常豐富，地質資源量在(74～125.8)×108t[1-3]，其中鄂爾多斯盆地致密油地質資源量達到了(35～40)×108t[3]，展現出了極好的勘探開發前景。但是，截至2017年底，鄂爾多斯盆地致密油建成產能約137.8×104t，年產量僅為53.8×104t[4]，勘探開發程度相對滯后。提升致密油勘探開發效率的關鍵在于優選“甜點”區(段)，而刻畫“甜點”區(段)的關鍵在于致密儲層的分級評價[5]。因此，建立致密儲層的分級評價方案，對于致密油“甜點”的優選及提升致密油勘探開發效率均具有重要意義。

近年來，許多研究者開展了儲層分級評價工作，分級評價方法大致劃分為3種：以試油資料或者含油級別作為分類依據，進行儲層物性分類[6,7]；以微觀孔喉參數作為分類依據，聚類分析儲層類型[8,9]；依據不同尺寸孔喉的發育特征，進行儲層分類[10,11]。第1種方法的可靠性受限于試油資料的豐富程度，另外2種方法本質上都是基于孔喉結構特征進行儲層分類。筆者以鄂爾多斯盆地五蛟地區長7段致密砂巖為研究對象，首先利用研究區豐富的壓汞、鑄體薄片和掃描電鏡資料，對致密砂巖孔喉結構進行表征；然后，基于分形理論，建立適合研究區致密砂巖的孔喉分類方案，并在此基礎上探討致密砂巖分級評價方案，進而厘定各類砂巖孔隙度和滲透率界限；最后，借助試油資料驗證砂巖分級方案的可靠性，并指出研究區未來的重點勘探有利區(段)。

1 工區概況及樣品特征

鄂爾多斯盆地是我國一個多旋回克拉通盆地，五蛟地區在構造單元上屬于陜北斜坡，地理位置位于鄂爾多斯盆地西南部，華池以西、環縣以東、慶城以北的局部范圍。在晚三疊世延長組沉積期，發育一套內陸河流-三角洲-湖泊相碎屑巖系[12]。在長7時期，湖泊發展到鼎盛階段，以黑色頁巖和暗色泥巖為主，夾薄層濁積成因的粉細砂巖[12,13]，砂地比普遍低于0.3，平均砂地比為0.235。長7段自下而上細分為長73亞段、長72亞段和長71亞段，從長73亞段～長71亞段，砂體的范圍和厚度逐漸增加。目前，研究區致密油的勘探主要集中在長72亞段和長71亞段的致密砂巖夾層。巖石類型主要為巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖(見圖1)，填隙物主要是水云母(9.9%)、碳酸鹽膠結物(3.8%)及硅質膠結物(0.8%)，顆粒分選中等偏好，磨圓度以次棱角為主，表現出較低的成分成熟度和結構成熟度。

圖1 五蛟地區長7段致密砂巖三角圖 Fig.1 Triangular diagram of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

2 計算方法

壓汞試驗可以獲得致密砂巖樣品的孔喉分布，借助分形理論，可將致密砂巖的孔喉進行分類，每一類孔喉都應有相同的分形維數。

基于分形理論，孔喉數量與孔喉半徑滿足以下關系[14]：

(1)

式中：Nr+為半徑大于r的孔喉數量；r為孔喉半徑，μm；rmax為最大孔喉半徑，μm；f(r)為孔喉半徑的密度函數，%；a為分形系數；D為分形維數，取值在2～3之間[15]。

式(1)可轉變為：

(2)

壓汞試驗常用毛細管束模型來代表孔喉，基于毛細管束模型計算常規/高壓壓汞試驗中巖石孔喉半徑時，常假設孔喉長度(l)和孔喉半徑(r)滿足l=Cr(其中，C為比例系數)[16]。在該假設下，半徑為r的單一孔喉對應孔喉體積g(r)可以表達為：

g(r)=πr2l=Cπr3

(3)

因此，綜合式(2)和(3)可轉變為：

(4)

式中：Vr+為半徑大于r的累計孔喉體積，μm3。

將式(2)帶入式(4)可得：

(5)

巖石樣品的總孔喉體積(V)可以表達為：

(6)

因此，可將孔喉體積轉換成進汞飽和度，即：

(7)

(8)

兩邊取對數可得：

(9)

3 結果分析

3.1 長7段砂巖物性及孔隙類型特征

五蛟地區長7段砂巖孔隙度主要分布在2%～12%之間，滲透率主要分布在0.3mD以下(見圖2)，研究區砂巖屬于致密儲層范疇[17]。研究區致密砂巖儲層滲透率與孔隙度的關系較差(見圖3)，主要原因是長7段致密砂巖在成巖過程中經歷了強烈的溶蝕和膠結作用[18,19]。

圖2 五蛟地區長7段致密砂巖物性柱狀圖Fig. 2 The histograms of physical properties of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

圖3 五蛟地區長7段致密砂巖滲透率-孔隙度關系 Fig. 3 Permeability-porosity relationship of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

基于場發射掃描電鏡和鑄體薄片鑒定分析結果可知，研究區長7段致密砂巖儲層主要發育粒間孔、溶蝕孔(粒間溶孔、長石溶孔、巖屑溶孔、膠結物溶蝕孔)和晶間孔(黏土礦物晶間孔和自生石英晶間孔)(見圖4)。大量鏡下照片統計發現，長石溶孔在研究區長7段致密砂巖中最為發育，其次是粒間孔。粒間孔、粒間溶孔孔徑較大，大多在10μm以上，其他溶蝕孔隙大多在10μm以下，晶間孔大多處于納米級別。

3.2 孔喉分布特征

研究區致密砂巖具有小孔喉和高毛細管壓力的特征，最大連通孔喉半徑分布在0.0928～0.649μm之間，平均0.298μm；排替壓力分布在1.13～7.92MPa之間，平均3.13MPa；中值壓力分布在3.47～21.71MPa之間，平均8.49MPa。退汞效率較低，分布在11.9%～33.2%之間，說明研究區長7段致密砂巖儲層孔喉連通性較差。進汞曲線可分為平臺型、弱平臺型和上凸型，并且隨著致密砂巖物性變差而逐漸變差，進汞曲線由平臺型轉變為上凸型(見圖5(a))。研究區所有致密砂巖樣品的喉道半徑全部分布在1μm以下，隨著物性的變差，致密砂巖樣品的孔喉分布逐漸向左偏移(見圖5(b))。

注：(a)B278井，1992.5m，長72亞段，粒間孔和長石溶孔，少量微裂縫,鑄體薄片；(b)B240井，2234.8m，長72亞段，長石溶孔為主，少量粒間孔和巖屑溶孔,鑄體薄片；(c)L337井，2316.22m，長71亞段，粒間溶孔和長石溶孔為主，少量碳酸鹽溶孔,鑄體薄片；(d)B240井，2257.8m，長73亞段，長石溶孔,掃描電鏡；(e)B488井，1912.79m，長71亞段，伊利石晶間孔,掃描電鏡；(f)B240井，2262.7m，長73亞段，石英晶間孔,掃描電鏡。圖4 五蛟地區長7段致密砂巖孔隙類型Fig. 4 Pore types of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

圖5 五蛟地區長7段致密砂巖進汞曲線特征及孔喉分布特征Fig. 5 Mercury injection curves and pore-throat distribution characteristics of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

3.3 孔喉分形特征

圖6 五蛟地區長7段致密砂巖孔喉分形特征Fig.6 Fractal characteristics of pore-throats of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

4 物性分級評價

4.1 長7段致密砂巖物性分類

孔喉的分布控制著致密砂巖的滲流能力，且滲透率主要由較大孔喉貢獻，滲透率越低，小孔喉貢獻的占比越大[20]。因此，依據不同尺寸孔喉的體積占比可將研究區致密砂巖劃分為4類：Ⅰ類砂巖，富含大孔喉和中孔喉，小孔喉和微孔喉的體積占比較低，孔隙度(>10%)和滲透率(>0.15mD)高；Ⅱ類砂巖，以中孔喉為主，其次是小孔喉，孔隙度(>8%)和滲透率(0.075～0.15mD)較高；Ⅲ類砂巖，以小孔喉為主，其次是中孔喉，孔隙度(>6%)和滲透率(0.05～0.075mD)較低；Ⅳ類砂巖，主要富集小孔喉和微孔喉，孔隙度和滲透率(孔隙度<6%或者滲透率<0.05mD)低(見圖7)。

圖7 五蛟地區長7段致密砂巖分級圖版Fig. 7 Classification map of tight sandstone of Chang 7 member in Wujiao Area

各類砂巖在滲透率上的界限最為明顯，不同類型砂巖在滲透率分布上基本上不存在交叉，而孔隙度在不同類型砂巖中存在明顯重疊(見圖8(a)，因此滲透率可以作為研究區砂巖分級的有效指標。

王偉明等[21]在吐哈致密砂巖氣儲層的分級評價中構建了儲能評價參數(孔隙度×滲透率×含氣飽和度)，該參數能夠綜合反映致密砂巖的油氣富集程度及流體的流動能力，可作為儲層分級評價的有效參數。該次研究也構建了類似的儲能評價參數(孔隙度×滲透率×含油飽和度)，儲能評價參數與滲透率展現了極好的正相關關系(見圖8(b))，依據滲透率的分級界限，可以厘定不同類型砂巖儲能評價參數的分級界限分別為20×10-4、6×10-4、2×10-4mD。

圖8 五蛟地區長7段各類致密砂巖滲透率與孔隙度及儲能評價參數的關系Fig. 8 The relationship between permeability-porosity and reservoir potential assessment parameter of various tight sandstones of Chang 7 member in Wujiao Area

綜上，給出研究區致密砂巖的分級評價方案(見表1)。

表1 五蛟地區長7段致密砂巖分級評價方案

4.2 不同類型砂巖在各層段的分布特征

通過對研究區長7段4215個致密砂巖樣品的孔隙度和滲透率數據進行統計分析發現，研究區主要發育Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類砂巖，占比分別為20.5%、23.3%和51.8%，Ⅰ類砂巖占比僅為4.4%。從占比和數量上綜合分析發現，Ⅰ類和Ⅱ類砂巖主要分布在長71亞段，其次是長72亞段(見圖9)。

圖9 五蛟地區不同類型砂巖在長71、長72、長73亞段的發育特征Fig. 9 Development characteristics of different types of sandstones in the sub-member of Chang 71, Chang 72, and Chang 73 in Wujiao Area

根據孔隙度和滲透率的測井解釋結果，繪制了不同類型砂巖在平面上的分布特征(見圖10)，可以看出，Ⅰ、Ⅱ類砂巖在長71和長72亞段的分布均主要集中在研究區的中南部，但Ⅰ、Ⅱ類砂巖在長71亞段的分布范圍更廣，除了研究區的中南部，在B450井-L404井一線附近也有大量發育。此外，研究區試油井主要分布在Ⅰ、Ⅱ類砂巖發育的位置，且高產試油井主要分布在研究區的中南部，也進一步證明該研究的砂巖分類方案是合理的。因此，研究區中南部是未來致密油勘探的有利區塊，且長71亞段是未來勘探的最有利層段，其次是長72亞段。

圖10 五蛟地區不同類型砂巖在長71和長72亞段的分布特征 Fig. 10 Distribution characteristics of different types of sandstones in the sub-member of Chang 71 and Chang 72 in Wujiao Area

5 結論

1)研究區長7段致密砂巖主要發育粒間孔、溶蝕孔和自生礦物晶間孔，其中，長石溶孔最為發育，其次是粒間孔。

2)基于分形理論，將研究區砂巖孔喉分為4類：大孔喉、中孔喉、小孔喉和微孔喉。依據不同類型孔喉的發育特征，將致密砂巖劃分為四級：Ⅰ類砂巖、Ⅱ類砂巖、Ⅲ類砂巖、Ⅳ類砂巖。從Ⅰ類砂巖到Ⅳ類砂巖，其物性、孔喉結構參數及儲能評價參數都變差。

3)鄂爾多斯盆地五蛟地區中南部是未來致密油勘探的有利區塊，長71亞段是未來致密油勘探的最有利層段，其次是長72亞段。