鄂爾多斯盆地城華地區長4+5段儲層孔隙結構及分形特征研究

陳曦， 肖玲*， 張希， 雷寧

(1.西安石油大學地球科學與工程學院, 西安 710065； 2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室, 西安 710065； 3.中國石油長慶油田分公司第六采油廠, 西安 710018)

鄂爾多斯盆地延長組長4+5油層組油氣成藏條件優越，油氣資源豐富，屬于典型致密砂巖油藏，加強對低滲透油藏儲層的研究，有利于低滲透油藏的開發利用[1-4]。城華地區長4+5儲層非均質強、孔隙結構復雜,造成近年來城華地區長4+5儲層建產效果不理想。王洪建等[5]研究認為沉積物物源及物源組合特征是影響長4+5儲層發育的重要因素。魏虎等[6]研究認為沉積相帶展布、沉積物源和成巖作用是儲層形成過程中的關鍵因素。吳旭光[7]研究表明，成巖作用是研究區儲層物性演化的關鍵因素。前人僅對城華地區儲層宏觀特征的影響因素進行了研究，對微觀孔隙結構重視不夠。

孔隙結構是影響巖石性質的重要因素之一，流體通過地下儲層的運移過程與微觀孔隙結構密切相關。然而，由于孔隙結構的復雜性和不規則性，使得歐氏幾何等傳統實驗方法難以定量表征孔隙結構。分形幾何學已成功地用于表征沉積巖大范圍孔隙中不同模式的空間非均質性，分形維數被廣泛用于定量表征巖石孔隙結構和物性的復雜性[8-9]。基于此，通過高壓壓汞毛管壓力曲線測定孔隙分形維數，結合圖像資料研究長4+5儲層孔隙系統，分析孔隙結構參數與分形維數之間的相關性，對研究區孔隙結構分形特征及成因進行了系統分析，并探討了分形維數的地質意義，研究成果對城華地區長4+5儲層評價以及優選開發有利區具有重要意義。

1 基于高壓壓汞的分形理論

高壓壓汞技術現已廣泛應用于確定儲層的孔隙體積和孔徑分布情況。由壓汞毛細管壓力曲線計算的分形維數常用于表征儲層孔隙結構非均質性，并且孔隙結構非均質性隨著分形維數的增大而增強[10-12]。基于壓汞法表征孔隙結構分形特征的方法主要有水飽和度法以及汞飽和度法，其中汞飽和度法已經被證實適用于表征低滲儲層的分形維數[13-14]。

根據壓汞毛細管模型與分形理論可得到式(1)

(1)

式(1)中：N(r)為孔隙半徑為r的孔隙數量；r為孔隙半徑，μm；∝為正比關系；L為毛細管的長度，μm；VHg為進汞體積；Df為分形維數。

根據Y-Laplace方程將毛細管壓力Pc換算為孔喉半徑，計算公式為

(2)

式(2)中：Pc為毛細管力， MPa；σ為表面張力，N/m；θ為接觸角，(°)。

將式(2)代入式(1)，可以得出進汞體積VHg與毛細管壓力之間的關系為

(3)

進汞飽和度SHg與進汞體積VHg的關系可表示為

(4)

式(4)中：Vp為樣品的孔隙體積，%。

將式(4)代入式(3)，得到汞飽和度與分形維數Df關系式為

(5)

式(5)中：a為常數。

對式(5)兩端分別取對數得到lgSHg-lgPc分形曲線，得出分形維數Df=S+2，其中S為分形曲線的斜率。分形維數上限值3對應完全不規則或粗糙的表面，下限值2對應完全光滑的表面。

2 儲層基本特征

2.1 巖石學及物性特征

研究區位于鄂爾多斯盆地一級構造伊陜斜坡西南部，南起城壕、北至坪莊、東至義正，西至五蛟。長4+5段儲層巖石類型以長石砂巖和巖屑長石砂巖為主。長4+51石英含量平均為23.93%,長石平均含量為44.89%,巖屑平均含量為17.99%；填隙物總量為13.08%，以鐵方解石、綠泥石為主，其次為伊利石，可見硅質膠結物。長4+51亞段儲集巖巖屑以變質巖巖屑為主，占巖屑總量的50.8%。長4+52亞段儲層石英含量平均為31.79%，長石平均含量為31.85%，巖屑平均含量為21.89%，填隙物總量為13.29%，以伊利石、鐵方解石為主，其次為綠泥石，可見硅質膠結物。根據薄片鑒定及統計結果，長4+52亞段儲集巖巖屑以變質巖巖屑為主，占巖屑總量的44.9%。

長4+51孔隙度以10%～12%為主，平均為11.66%；滲透率以0.1～0.5 mD為主，平均滲透率為0.49 mD。長4+52孔隙度以<10%為主，平均為9.19%；滲透率以0.1～0.5 mD為主，平均滲透率為0.36 mD(圖1)。長4+5儲層孔隙度平均為9.93%，平均滲透率為0.41 mD。

按照《油氣儲層評價方法》(SY/T 6285—2011)，長4+5段主要為特低孔超低滲儲集層，局部為低孔特低滲儲層。儲層孔滲相關性較差，說明儲層孔喉間連通性較差，孔滲非均質性強[圖1(c)]。孔隙度和滲透率的低值反映出研究區儲層喉道細小、孔隙偏細的特征，砂巖的儲滲能力主要由儲層砂巖基質孔隙與喉道決定。

圖1 城華地區長4+5儲層孔滲分布特征Fig.1 Porosity and permeability distribution characteristics of the Chang 4+5 reservoir in the Chenghua area

2.2 孔隙類型

根據鏡下特征分析,城華地區長4+5儲層發育多種類型孔隙，并且不同類型孔隙之間差異性明顯，儲層結構致密[圖2(d)]，孔隙之間連通性差，非均質性強。研究區長4+5段砂巖的孔隙類型以粒間孔為主[圖2(a)]，約占總面孔率的51.4%。其次為長石溶孔和巖屑溶孔,含有少量晶間孔、粒間溶孔和微裂縫，喉道以縮頸狀喉道及不規則片狀喉道為主(圖2)，并且鏡下可見鑄模孔和超大孔，長石鑄模孔常呈板狀形態而易于識別[圖2(b)]。超大孔主要是由于后期的強烈溶解作用，造成膠結物和碎屑顆粒被強烈溶解形成超大孔隙，一般大小超過周圍的顆粒[圖2(c)]。晶間孔主要形成于高嶺石、綠泥石、片狀伊利石等黏土礦物晶體之間[圖2(e)]。儲層可見微裂縫[圖2(f)]，其僅占面孔率的0.1%～0.5%，但其對改善儲層物性具有重要作用。

3 孔隙結構特征

3.1 孔隙結構分類

在表征儲層孔隙結構方面，高壓壓汞相比恒速壓汞能夠表征更小半徑的孔喉[15]。為精細表征研究區儲層孔喉的發育程度和組合關系，選取研究區具有代表性的14個樣品進行高壓壓汞測試，并結合分形特征表征儲層孔隙結構。壓汞測試結果顯示：排驅壓力為0.08～2.0 MPa，平均為0.61 MPa;孔喉中值半徑為0.06～1.33 μm，平均為0.41 μm；孔喉分選系數平均值為1.89，反映出孔喉分布不均勻，非均質性較強。最大進汞飽和度為88.01%～99.96%，平均為94.15%。長4+5儲層毛管壓力參數變化范圍較大，反映出儲層孔隙結構非均質性較強。

結合壓汞資料、掃描電鏡資料及鑄體薄片，將研究區孔隙結構由優到次分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類[圖3(a)]。Ⅰ類孔隙結構為低排驅壓力-中喉型，壓汞曲線呈較緩平臺型，進汞飽和度大于95%，滲透率一般大于1 mD，孔喉分選和連通性較好，粗歪度，排驅壓力小于0.3 MPa，平均排驅壓力為0.16 MPa，中值半徑一般大于0.5 μm。Ⅱ類孔隙結構為中排驅壓力-細喉型，壓汞曲線為具有一定斜率的平臺型，進汞飽和度大于90%，滲透率為0.5～1 mD。排驅壓力小于0.5 MPa，平均排驅壓力為0.46 MPa，中值半徑為0.15～0.5 μm，一般小于0.5 μm。Ⅲ類孔隙結構為高排驅壓力-微細喉型，壓汞曲線斜率大，進汞飽和度小于90%，孔隙度一般小于10%，滲透率小于0.2 mD，排驅壓力一般大于1 MPa，平均排驅壓力為1.12 MPa，中值半徑一般小于0.15 μm。研究區儲層主要以Ⅱ類和Ⅲ類孔隙結構為主。

孔徑分布的頻率圖可以定量表征儲層的非均質性[16]。根據Washburn公式對3個不同類型樣品毛細管壓力進行計算，得出3個類型樣品的孔喉半徑分布曲線[圖3(b)]。W88樣品孔徑分布曲線為呈現出較好的單峰形態，峰值大于30%。W111、W206樣品孔徑分布曲線都呈現為分選較差的雙峰形態，并且曲線帶有一定的平臺分布。W206樣品曲線主峰對應孔喉半徑較W111樣品更小，較大半徑孔喉所占比例更低，從而W206樣品物性更差。

圖2 城華地區長4+5儲層孔隙類型及微觀特征Fig.2 Pore types and microscopic characteristics of Chang 4+5 reservoir in Chenghua area

圖3 不同類型孔隙結構壓汞曲線及孔喉半徑分布Fig.3 Mercury pressure curve and pore throat radius distribution of different types of pore structure

3.2 孔隙結構分形特征

三類樣品的分形曲線相關性均較好(R2>0.90)，表明儲層樣品普遍具有分形特征，分形幾何理論能夠應用于表征其孔隙結構。圖4為3個樣品的分形曲線，分形曲線均出現不同程度的轉折，表明樣品具有不同分形特征的孔隙結構[17-18]。以轉折點對應孔喉半徑為界，將樣品孔喉劃分為相對小孔和相對大孔，通過擬合曲線的斜率得出樣品的分形維數D1和D2，其分別為相對小孔與相對大孔的分形維數。從分形曲線斜率可以看出，W88樣品孔隙結構分形曲線D1為2.13，表明該樣品相對小孔具有極好的分形特征，孔隙結構規則，均質性強。轉折點以下孔喉結構對應分形維數大于3，說明其對應的相對大孔不具分形特征，孔隙結構不規則。W206樣品的分形曲線同樣出現了轉折點，相對小孔的分形維數為2.53，相對于W111樣品孔隙結構的相對小孔分形特征較差。

圖4 不同類型孔隙結構樣品分形曲線Fig.4 Fractal curves of samples with different types of pore structures

對比不同樣品孔喉分形特征曲線表明，隨著樣品物性逐漸變差，相對小孔的分形維數逐漸增大，孔喉結構分形逐漸變差，并且樣品中不具分形特征的孔喉所占進汞飽和度比例逐漸增大，不具分形特征的孔喉占樣品孔隙體積越大，孔喉非均質性變強。

3.3 分形維數意義

根據lgPc～lgSHg曲線斜率得出所有樣品的分形維數，相對小孔分形維數D1為2.13～2.53，平均值為2.31，整體較小，說明相對小孔普遍具有良好的分形特征，非均質性較弱。Ⅰ類儲層D1平均值為2.23，Ⅱ類儲層D1平均值為2.29，Ⅲ類儲層D1平均值為2.40。相對大孔分形維數D2為3.25～6.40，平均值為4.93，整體均大于3，說明相對大孔不具有分形特征。D1與滲透率、中值半徑之間有較明顯的負相關性[圖5(a)]，表明物性較好的樣品相對小孔均質性更強。D1與孔隙結構參數相關性優于D2，結合前人研究成果[19-20]，說明致密砂巖儲層的孔滲能力主要由分形特征較好的相對小孔決定，不具分形特征的相對大孔對儲層的孔滲能力具有一定的改善作用[圖5(b)]。

圖5 分形維數與孔喉結構參數相關性Fig.5 Correlation between fractal dimension and pore throat structure parameters

4 討論

4.1 分形曲線轉折點意義

王偉等[21]利用進汞飽和度增量與毛細管壓力曲線研究了兩段式分形拐點的意義，發現轉折點對應于進汞飽和度增量曲線的明顯變化點。Pittman[22]提出了進汞飽和度與進汞飽和度/毛細管壓力的關系圖。如圖6所示，關系曲線產生一個拐點，曲線拐點表明孔隙由寬連通良好向小連通不良過渡，拐點相對應的孔喉半徑稱為轉折點半徑，與拐點半徑對應的毛細管壓力為轉折點壓力。通過SHg/Pc-SHg曲線計算出樣品的轉折點壓力與孔喉半徑，分析其與孔隙結構參數的相關性。從圖7(a)可以看出，轉折點壓力與滲透率表現為明顯的負相關，與排驅壓力表現出明顯的正相關關系，排驅壓力越大，說明儲層中對應的最大孔喉半徑越小，儲層中由連通較好的孔喉向連通不良轉變對應的孔喉半徑越小，相對應的轉折點壓力越大。圖7(b)顯示轉折點半徑與滲透率、中值半徑有極好的正相關性(R2分別為0.924 4與0.934 6)，轉折點半徑越大，表明儲層中連通較好的大孔喉發育，中值半徑越大，儲層滲透率得到提高。

圖6 W88樣品轉折曲線Fig.6 Turning curve of W88 sample

圖7 轉折點參數與孔隙結構參數相關性Fig.7 Correlation between turning point parameters and pore structure parameters

4.2 大孔隙分形維數偏大的原因

分形維數理論上應小于物體本身物理維數，因此孔喉分形維數不應大于3。研究區儲層大孔隙主要由溶蝕孔以及粒間孔隙組成，并且大孔隙常被黏土礦物及自生石英晶體充填，從而影響大孔隙結構形態。依據《碎屑巖成巖階段劃分規范》(SY/T 5477—2003)，研究區長4+5儲層總體屬于中成巖A-B階段，儲層受壓實、溶蝕作用改造強烈，相對大孔以形態不規則的溶蝕孔為主[圖2(c)]，研究區儲層長石、巖屑含量高，會增加儲層孔隙結構復雜性[23]，并且儲層相對大孔抗壓能力相對較弱，易受壓實作用改造，導致孔隙結構不規則。

汞飽和度與注入壓力之間的分形關系的公式是基于孔隙空間圓柱體形狀的假設[式(2)]。然而，低孔低滲儲層的實際孔隙空間不同于簡化的圓柱體形狀。只有當孔徑在小孔隙領域接近規則形態時，汞飽和度與注入壓力之間才存在理想的分形關系。鏡下觀察到研究區儲層中發育微裂縫[圖2(f)]，較長微裂縫以及與微裂縫連接較大孔隙不能簡單地假定為圓柱形，微裂縫會顯著影響大孔隙物理形態，導致儲層大孔隙沒有理想分形關系。同時由于微裂縫的存在，即使在較低的進汞壓力下，也會導致進汞飽和度迅速增加，導致大尺度分形維數偏大。Li[24]指出裂縫發育良好的儲層不適用于Brooks-Corey模型，認為試驗裝置的壓力越大，可能會導致分形維數偏大。研究表明，壓汞實驗不能擺脫麻皮效應的影響，易導致分形維數偏大[25]。

4.3 Rapex的意義

Pittman通過SHg/Pc-SHg曲線提出了計算轉折點半徑Rapex與儲層物性之間的數學關系，并認為其對油氣圈閉研究具有重要意義，可表示為

lgRapex=0.117+0.475lgK-0.099lgφ

(6)

式(6)中:Rapex為計算轉折點半徑，μm；K為滲透率，mD；φ為孔隙度，%。

通過式(6)分別計算14個樣品所對應的Rapex，可得：Ⅰ類儲層Rapex平均值為1.407 μm，Ⅱ類儲層Rapex平均值為0.668 μm，Ⅲ類儲層Rapex平均值為0.379 μm。由圖8可知，計算轉折點半徑Rapex與滲透率、中值半徑之間有極好的相關性。分析可知，隨著Rapex的增大，連通優良的孔喉分布范圍越廣，控制的孔隙體積越大，由連通優良的孔喉向連通變差的孔喉轉變的半徑增大，滲透率逐漸增加。Rapex與孔隙結構參數之間極好的相關性表明Rapex可作為用于表征儲層孔隙結構非均質性的參數。

圖8 Rapex與儲層孔隙結構參數相關性Fig.8 Correlation between Rapex and pore structure parameters

5 結論

(1)城華地區儲層巖石類型以長石砂巖和巖屑長石砂巖為主。長4+5儲層孔隙度平均為9.93%，平均滲透率為0.41 mD。儲層孔喉間連通性較差，孔滲非均質性強。儲層孔隙類型復雜，主要發育粒間孔與粒內溶孔，含有少量晶間孔、粒間溶孔和微裂縫。

(2)相對小孔分形維數適用于表征砂巖儲層孔隙結構的非均質性，隨著物性變差，相對小孔分形維數逐漸變大。研究區儲層相對小孔分形維數平均值為2.31，表明小孔隙整體均質性較強。對低滲儲層而言，小孔隙是決定儲層滲流能力的關鍵因素，大孔隙對于改善儲層滲流能力起到一定作用。

(3)成巖作用、進汞壓力過大以及微裂縫的存在等因素是導致研究區儲層孔隙結構大孔隙分形維數計算結果出現偏差的原因。應用經驗公式計算轉折點半徑與孔隙結構參數有良好的相關性，其可以作為評價研究區儲層孔喉結構非均質性的重要參數，對于選找優質儲層具有重要意義。