恒速壓汞技術(shù)在致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙空間刻畫(huà)中的應(yīng)用
——以鄂爾多斯盆地中部中二疊統(tǒng)石盒子組盒8段為例

陳大友，朱玉雙，夏　勇，王少飛，馮炎松，何　鎏，艾慶琳，薛云龍

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安　710069;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院, 陜西 西安　710018)

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·地球科學(xué)·

恒速壓汞技術(shù)在致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙空間刻畫(huà)中的應(yīng)用
——以鄂爾多斯盆地中部中二疊統(tǒng)石盒子組盒8段為例

陳大友1，朱玉雙1，夏勇2，王少飛2，馮炎松2，何鎏2，艾慶琳2，薛云龍2

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安710069;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院, 陜西 西安710018)

運(yùn)用恒速壓汞技術(shù),對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙空間展開(kāi)深入刻畫(huà),并分析了微觀孔隙空間分布與儲(chǔ)層物性的關(guān)系。結(jié)果表明，研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層孔隙半徑的差異不明顯,基本分布于75～225 μm;孔隙半徑與儲(chǔ)層物性相關(guān)性不顯著;物性較好的儲(chǔ)層,有效孔隙體積大,儲(chǔ)集能力較高。喉道半徑分布隨滲透率的不同而差異較大,大多數(shù)喉道半徑小于6 μm,當(dāng)滲透率較低時(shí),喉道半徑較小且集中分布,隨著滲透率的增大,喉道半徑分布逐漸變寬,峰值處的喉道半徑逐步變大,且小喉道含量逐漸降低,大喉道含量升高;喉道半徑與儲(chǔ)層物性的相關(guān)性較好,是儲(chǔ)層物性的主控因素;隨著滲透率的升高,小喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)率逐漸降低,而大喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)率逐步升高。孔喉半徑比分布于10～1 400,整體較大,對(duì)儲(chǔ)層的產(chǎn)出不利。

孔隙空間;儲(chǔ)層物性;恒速壓汞;致密砂巖;盒8段;鄂爾多斯盆地

儲(chǔ)層微觀孔隙空間由孔隙和喉道兩部分組成[1-2],是油(氣)在儲(chǔ)層中的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道,孔隙空間的展布直接影響著儲(chǔ)層物性。與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比,致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙空間展布更為復(fù)雜[3-4],對(duì)儲(chǔ)層物性的影響更加關(guān)鍵。因此，儲(chǔ)層微觀孔隙空間的刻畫(huà)是致密砂巖儲(chǔ)層研究的重要內(nèi)容之一。作為常用的儲(chǔ)層微觀孔隙空間研究手段,常規(guī)壓汞技術(shù)難以區(qū)分孔隙與喉道[5-6]，對(duì)孔隙空間的刻畫(huà)有其局限性,而恒速壓汞技術(shù)采用準(zhǔn)靜態(tài)進(jìn)汞的方法,能夠有效劃分孔隙和喉道[7-12],是較為先進(jìn)的孔隙空間測(cè)試手段。該文選用鄂爾多斯盆地中部上古生界盒8段致密砂巖樣品進(jìn)行恒速壓汞測(cè)試,對(duì)其孔隙、喉道及孔喉比等特征展開(kāi)深入刻畫(huà),分析了微觀孔隙空間分布與儲(chǔ)層物性的關(guān)系，旨在揭示致密砂巖儲(chǔ)層微觀孔隙空間分布的特征，并為該類(lèi)儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)全面準(zhǔn)確的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1　恒速壓汞實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介及樣品選擇

1.1實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)是一種先進(jìn)的儲(chǔ)層微觀孔隙空間檢測(cè)技術(shù),是由Yuan.H.H等人[13]首先提出并發(fā)展應(yīng)用的。與常規(guī)壓汞技術(shù)不同,恒速壓汞技術(shù)以極低的速率將汞注入巖石孔隙空間,當(dāng)汞從孔隙進(jìn)入喉道時(shí),注入壓力逐漸升高,到達(dá)一定程度時(shí),注入壓力高于喉道處的毛細(xì)管力,汞突破喉道的限制進(jìn)入下一個(gè)孔隙,壓力瞬間回落,并進(jìn)入下一個(gè)壓力漲落的循環(huán),利用相關(guān)設(shè)備記錄進(jìn)汞壓力的漲落變化及注入汞的體積,從而識(shí)別出孔隙和喉道,并得出孔隙和喉道的大小及分布。

本次實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Coretest Systems公司生產(chǎn)的ASPE-730型恒速壓汞實(shí)驗(yàn)設(shè)備,實(shí)驗(yàn)過(guò)程是:①選取需要進(jìn)行恒速壓汞測(cè)試的典型樣品;②鉆取直徑為2.54 cm，高約1 cm的圓柱體樣品;③將樣品放置于恒速壓汞實(shí)驗(yàn)設(shè)備,以極低的速率注入汞,計(jì)算機(jī)通過(guò)相關(guān)設(shè)備記錄壓力變化及注入汞體積等參數(shù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;④當(dāng)壓力達(dá)到約6.2 MPa時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)中,汞的界面張力為485 mN/m,接觸角為140°，最高進(jìn)汞壓力約為6.2 MPa,根據(jù)毛管力與毛管半徑的關(guān)系式(r=2σcosθ/p),計(jì)算出實(shí)驗(yàn)可測(cè)的最小喉道半徑為0.12 μm。因此，該研究刻畫(huà)了半徑大于0.12 μm的可測(cè)喉道及其連通的孔隙。

1.2樣品選擇

進(jìn)行本次恒速壓汞測(cè)試的10塊樣品取自于鄂爾多斯盆地中部的高橋地區(qū)上古生界盒8段。高橋地區(qū)尚處于開(kāi)發(fā)早期,面積約5 000 km2。區(qū)內(nèi)盒8段為辮狀河三角洲前緣沉積,發(fā)育水下分流河道、分流間灣、河口壩及水下天然堤等沉積微相,是該區(qū)主力產(chǎn)氣層系之一。盒8段可分為盒8上與盒8下兩個(gè)亞段,區(qū)內(nèi)產(chǎn)氣砂體多分布于盒8下亞段。盒8段砂巖巖性致密,為一套典型的致密砂巖儲(chǔ)層。

樣品選取時(shí),主要以控制全區(qū)、不同物性大小均有分布和多取主力產(chǎn)氣亞段為原則,選取典型樣品。10塊測(cè)試樣品對(duì)研究區(qū)全區(qū)進(jìn)行控制,3塊樣品選自盒8上亞段,7塊樣品選自盒8下亞段。樣品孔隙度分布于3.10%～9.85%,平均為6.98%,滲透率介于0.05×10-3～2.21×10-3μm2,平均值為0.46×10-3μm2,其中6塊樣品滲透率小于0.3×10-3μm2,3塊樣品滲透率處于0.3×10-3～1×10-3μm2,1塊樣品滲透率大于1×10-3μm2。薄片鑒定表明,樣品巖性為巖屑砂巖和巖屑石英砂巖,粒度從中—細(xì)粒到巨—粗粒均有分布。樣品具體信息見(jiàn)表1。

表1　恒速壓汞測(cè)試樣品統(tǒng)計(jì)表

2　孔隙特征分析

恒速壓汞測(cè)試表明,10塊樣品的孔隙半徑基本分布于75～225 μm,孔隙半徑的分布范圍與滲透率關(guān)系不明顯。大多數(shù)樣品的孔隙半徑呈單峰狀分布,而少數(shù)樣品(2號(hào)樣品、7號(hào)樣品和8號(hào)樣品)呈現(xiàn)雙峰狀分布,峰值處孔隙半徑基本分布于100～150 μm(見(jiàn)圖1)。

圖1　恒速壓汞測(cè)試的孔隙半徑分布Fig.1　Distribution of pore radius in the constant-rate mercury injection

將孔隙半徑進(jìn)行加權(quán)平均,可得平均孔隙半徑。測(cè)試樣品的平均孔隙半徑介于116.05～158.07 μm,由平均孔隙半徑與物性的相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖2)可以看出,隨著孔隙度和滲透率的增大,平均孔隙半徑變化無(wú)明顯的規(guī)律性,即平均孔隙半徑與物性幾乎沒(méi)有相關(guān)性。

圖2　平均孔隙半徑與物性的相關(guān)關(guān)系Fig.2　The relation between average pore radius and physical property

有效孔隙體積反映了砂巖的儲(chǔ)集能力,單位體積內(nèi)有效孔隙體積越高,其儲(chǔ)集能力也越好。圖3為單位體積巖樣有效孔隙體積與物性的相關(guān)關(guān)系。由圖3可以看出,隨著孔隙度和滲透率的增大,單位體積巖樣的有效孔隙體積也隨之增大,這說(shuō)明物性較好的致密砂巖,其儲(chǔ)集能力也較高。

圖3　單位體積巖樣有效孔隙體積與物性的相關(guān)關(guān)系Fig.3　The relation between effective pore volume and reservoir property per unit volume of sample

3　喉道特征分析

根據(jù)恒速壓汞測(cè)試,不同滲透率的樣品,其喉道半徑分布范圍明顯不同。圖4為10塊樣品的喉道半徑分布圖。由圖4可以看出,喉道半徑分布隨滲透率的不同而差異較大,大多數(shù)喉道半徑小于6 μm。當(dāng)樣品滲透率小于0.1×10-3μm2時(shí), 其喉道半徑多小于0.5 μm, 喉道半徑分布范圍窄, 小喉道分布頻率高; 當(dāng)樣品滲透率處于0.1×10-3～0.5×10-3μm2時(shí),喉道半徑分布范圍有所變寬,一般小于1.5 μm;當(dāng)樣品滲透率大于0.5×10-3μm2時(shí),喉道半徑分布范圍顯著變寬,從小于1.5 μm到大于1.5 μm均有分布,但除了滲透率較高的10號(hào)樣品有少量喉道半徑大于6 μm,大多喉道半徑都小于6 μm。整體而言,當(dāng)滲透率較低時(shí),喉道半徑較小且分布集中,隨著滲透率的增大,喉道半徑分布逐漸變寬,峰值處的喉道半徑逐步變大,且小喉道含量逐漸降低,大喉道含量升高。

圖4　恒速壓汞測(cè)試的喉道半徑分布Fig.4　Distribution of throat radius in the constant-rate mercury injection

測(cè)試樣品的平均喉道半徑介于0.29～4.47 μm,將平均喉道半徑與物性進(jìn)行相關(guān)性分析(見(jiàn)圖5),結(jié)果表明,平均喉道半徑與孔隙度、滲透率都有一定的相關(guān)性。與孔隙度相比,平均喉道半徑與滲透率的相關(guān)性更好，這說(shuō)明喉道半徑對(duì)滲透率的控制性更強(qiáng)。

對(duì)比分析測(cè)試樣品的孔隙、喉道和物性的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層而言,孔隙大小對(duì)物性影響較弱,而喉道大小對(duì)物性影響較強(qiáng),起主要控制作用。

圖6為不同樣品喉道對(duì)滲透率貢獻(xiàn)的變化曲線,當(dāng)樣品滲透率小于0.1×10-3μm2時(shí),其滲透率大多由小于0.5 μm半徑的喉道所貢獻(xiàn);當(dāng)樣品滲透率處于(0.1～0.5)×10-3μm2時(shí),貢獻(xiàn)滲透率的喉道變寬,且大多由0.5～1.5 μm的喉道所貢獻(xiàn);當(dāng)樣品滲透率大于0.5×10-3μm2時(shí),貢獻(xiàn)滲透率的喉道分布變得更為廣泛。由此可見(jiàn),隨著滲透率的升高,致密砂巖小喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)率逐漸降低,而大喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)率逐步升高。

圖6　喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)Fig.6　Contributions of throat to permeability

4　孔喉配置關(guān)系分析

恒速壓汞測(cè)試可以取得孔喉半徑比的分布情況,其反映了孔喉的配置關(guān)系。圖7為10塊樣品的孔喉半徑比分布,孔喉比分布于10～1 400。當(dāng)滲透率較小時(shí),孔喉半徑比分布范圍較廣,從50到1 400都有一定的分布,且峰值處孔喉半徑比往往大于600；隨著滲透率的變大,孔喉半徑比分布逐漸變得集中,其分布值也隨之變小,部分樣品孔喉半徑比甚至在比值為10處有分布。

圖7　恒速壓汞測(cè)試的孔喉半徑比分布Fig.7　Distribution of pore-to-throat radius ratio in the constant-rate mercury injection

當(dāng)孔喉半徑比較大時(shí)，大孔隙由小喉道連接,在賈敏效應(yīng)的影響下,孔隙中的油(氣)難以通過(guò)喉道；而孔喉半徑比較小時(shí),大孔隙由大喉道連接,油(氣)相對(duì)易于通過(guò)喉道?？傮w而言,與常規(guī)儲(chǔ)層相比,致密砂巖儲(chǔ)層的孔喉比較大,對(duì)儲(chǔ)層的產(chǎn)出不利，因而在開(kāi)發(fā)過(guò)程中往往需采用壓裂等工藝措施，改善儲(chǔ)層孔喉配置。

5　結(jié)　論

1)研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層孔隙半徑的差異不明顯，基本分布于75～225 μm;孔隙半徑與儲(chǔ)層物性相關(guān)性不顯著;物性較好的儲(chǔ)層,有效孔隙體積大,儲(chǔ)集能力較高。

2)致密砂巖儲(chǔ)層的喉道半徑隨滲透率的不同而差異明顯,大多數(shù)小于6 μm,當(dāng)滲透率較低時(shí),喉道半徑較小且集中分布,隨著滲透率的增大,喉道半徑分布逐漸變寬,峰值處的喉道半徑逐步變大,且小喉道含量逐漸降低,大喉道含量升高;喉道半徑與儲(chǔ)層物性的相關(guān)性較好,是儲(chǔ)層物性的主控因素;隨著滲透率的升高,小喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)率逐漸降低,而大喉道對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)率逐步升高。

3)致密砂巖儲(chǔ)層的孔喉半徑比分布于10～1 400,整體較大,對(duì)儲(chǔ)層的產(chǎn)出不利。

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(編輯雷雁林)

Application of constant-rate mercury penetration technique in description of microscopic pore space of tight sandstone reservoir:A case of the He 8 of Middle Permian Shihezi Formation in the middle of Ordos Basin

CHEN Da-you1, ZHU Yu-shuang1, XIA Yong2, WANG Shao-fei2, FENG Yan-song2, HE Liu2, AI Qing-lin2, XUE Yun-long2

(1.Department of Geology/State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi′an 710069, China; 2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Changqing Oilfield Company, CNPC, Xi′an 710018， China)

A constant-rate mercury technology was used to unfold microscopic pore space of tight sandstone reservoir, and the relationship between the microscopic pore space distribution and reservoir physical was analyzed. The results show that the discrepancy of pore radius of tight sandstone reservoir is not obvious, the distribution of pore radius is 75～225 μm, so the correlation of the pore radius and reservoir physical is not significant, only the better reservoirs have larger effect of pore volume and higher storing capacity. Throat radius distribution is varied with different permeability, but most of the throat radius is less than 6μm, when permeability is low, throat radius is small and concentrated. With the increase of permeability, throat radius distribution is gradually widened, the peak value of throat radius gradually become larger, and the content of small throat gradually reduces, while large throat increases. It is also found that the main factor that controls reservoir physical is the good correlation of throat radius and the reservoir physical. With the rising of permeability, small throat contribution rate of permeability decreases, while big throat gradually increases. Pore-throat ratio is distributed in the 10～1 400, which is large on the whole and detrimental to the output of the reservoir.

pore space; the reservoir physical property; constant-rate mercury tight sandstone; He 8 section; Ordos Basin

2015-04-07

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2008ZX05013-005);西北大學(xué)研究生自主創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YZZ13012)

陳大友，男，甘肅通渭人，博士生，從事油氣田地質(zhì)與開(kāi)發(fā)研究。

TE122.2

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-03-021