臨縣地區(qū)煤系致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

牛鑫磊，曹代勇，李 勇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

臨縣地區(qū)煤系致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

牛鑫磊，曹代勇，李 勇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

臨縣地區(qū)是當(dāng)前煤系致密砂巖氣勘探的潛力區(qū)域?；阼T體薄片、掃描電鏡、孔滲測試和高壓壓汞等實(shí)驗(yàn)手段，對該地區(qū)40塊巖心樣品孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合表征；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)分形理論，對砂巖孔隙分形特征進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：(1)研究區(qū)煤系致密砂巖儲層物性較差，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，喉道狹窄，孔隙間連通性差，儲集空間以次生孔隙為主，粒間孔隙較少。(2)壓汞曲線分兩類：I類，呈平臺狀，排驅(qū)壓力低，效喉道半徑分布在0.002 5～0.63μm；II類，排驅(qū)壓力較高，曲線向右上方偏移，喉道半徑集中在0.002 5～0.063μm之間。(3)致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)具有多段分形特征。分形維數(shù)與空隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在良好的相關(guān)性，分形維數(shù)可以很好地表征孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和非均質(zhì)性。

孔隙結(jié)構(gòu)；分形特征；煤系致密砂巖；高壓壓汞；臨縣地區(qū)

0 引言

隨著煤層氣勘探開發(fā)的深入，煤系致密砂巖氣越來越引起人們的關(guān)注，煤層氣與煤系致密氣合探共采的概念被提出，為煤系非常規(guī)能源的勘探開發(fā)提供了新的思路[1-6]。致密砂巖經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖作用和構(gòu)造作用，具有巖性致密、物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其孔隙結(jié)構(gòu)是決定儲層物性及其油氣產(chǎn)能的重要因素[7]。目前，主要是通過鑄體薄片、掃描電鏡、CT、高壓壓汞等測試手段對致密砂巖的孔滲性、孔隙形態(tài)大小、孔喉結(jié)構(gòu)和分布特征等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行表征，評價(jià)儲層的優(yōu)劣，而對于孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度缺乏定量地表征參數(shù)[8-9]。賴錦等基于高壓亞汞數(shù)據(jù)討論了致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征，指出分形維數(shù)可以很好地表征孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性[10]。

煤系致密砂巖具有自身特殊性，煤系形成于過渡性沉積環(huán)境，巖性旋迴性強(qiáng)，致密儲層與烴源巖直接接觸，有利于致密氣就近成藏，但是砂巖單層厚度較??；有機(jī)質(zhì)的大量存在對成巖演化過程產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致煤系砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[3,11-12]。臨縣地區(qū)是我國煤層氣開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊，而且在該區(qū)進(jìn)行致密砂巖氣的勘探結(jié)果均顯示了良好的資源前景[13]。因此查明該地區(qū)致密煤系砂巖氣孔隙結(jié)構(gòu)特征，對實(shí)現(xiàn)研究區(qū)致密砂巖氣的勘探開發(fā)以及其它地區(qū)煤系致密砂巖氣的突破具有重要意義。同時(shí)，也為該地區(qū)煤系“三氣”合探共采提供地質(zhì)支撐。

本文通過巖石鑄體薄片、掃描電鏡、氣測孔滲和高壓壓汞等實(shí)驗(yàn)手段，查明研究區(qū)石炭二疊紀(jì)煤系致密砂巖儲層的物質(zhì)組成、物性特征以孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并探討了分形維數(shù)與空隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，以期對研究區(qū)煤系致密砂巖氣的勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及樣品測試

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶的中部，屬于臨-興煤層氣勘探開發(fā)區(qū)塊的南部。構(gòu)造相對簡單，地層?xùn)|高西低，總體上為一個單斜構(gòu)造，東部受紫金山巖漿作用，造成地層的局部隆升(圖1)。

太原組和山西組為區(qū)內(nèi)主要的含煤地層，地層埋深由東向西逐漸加深，區(qū)塊東部邊緣有煤線出露，至區(qū)塊西南側(cè)埋深大于2 000 m。其中山西組為曲流河三角洲相沉積，以灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層、淺灰色、灰色砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主。太原組形成于海陸過度相沉積環(huán)境，巖性主要為煤層、灰黑色泥巖、粉砂巖、砂巖以及灰?guī)r[14-15]。本次研究采集了臨縣西南部6口致密砂巖氣井(圖 1)的山西組和太原組砂巖樣品共40塊，其中山西組砂巖樣品17塊，巖性主要灰白色中粒砂巖和粗砂巖；太原組砂巖樣品23塊，巖性主要為灰白色中砂巖和中細(xì)粒砂巖。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布圖Figure 1 Study area location and sampling point distribution

2 儲層基本特征

2.1 巖石學(xué)特征

根據(jù)40塊巖石薄片鑒定結(jié)果，山西組巖性主要為巖屑砂巖， 其次為巖屑石英砂巖(圖 2)。結(jié)構(gòu)以中粒和中粗粒結(jié)構(gòu)為主，分選性中等，顆粒多呈次圓-次棱角狀，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)，顆粒之間呈線接觸至凹凸接觸。石英平均含量為54.9%；長石主要為斜長石，平均含量6.9%； 巖屑平均含量為38.3%，其中以石英巖和片巖為主，其次為酸性火成巖和泥巖；雜基平均含量為21.0%，主要為泥質(zhì)，由上至下，泥質(zhì)含量從30%左右減少到6%左右；膠結(jié)物主要為方解石和硅質(zhì)，可見高嶺石膠結(jié)物。

圖2 研究區(qū)致密砂巖巖性三角圖Figure 2 Triangular chart of tight sandstone lithology in study area

太原組巖性主要為巖屑石英砂巖，見少量巖屑砂巖和石英砂巖(圖 2)。結(jié)構(gòu)以中粒為主，分選性中等，碎屑顆粒多為次圓狀，顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)，顆粒之間呈凹凸接觸。從下到上，石英含量逐漸降低，雜基含量逐漸增加，由石英砂巖過渡為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖。石英平均含量為81.0%；長石主要為斜長石，平均含量2.6%；巖屑平均含量為17.6%，其中以石英巖和酸性火成巖為主，其次為砂巖、泥巖和片巖；雜基平均含量為18.0%；膠結(jié)物主要為高嶺石和硅質(zhì)，其次為方解石、白云石和黃鐵礦?？傮w上，研究區(qū)煤系致密砂巖儲層成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等。

2.2 儲集空間特征

a、顆粒之間呈線接觸至凹凸接觸，溶蝕孔發(fā)育，可見殘余粒間孔；b、書頁狀高嶺石，晶間孔發(fā)育； c、彎片狀喉道；d、片狀黏土礦物充填喉道，喉道呈管束狀。圖3 致密砂巖孔隙類型與結(jié)構(gòu)Figure 3 Tight sandstone pore types and structures

鑄體薄片鑒定統(tǒng)計(jì)結(jié)果及掃描電鏡觀察表明，研究區(qū)儲層空隙類型以次生孔隙為主，粒間孔隙較少；次生孔隙包括粒間溶孔，粒內(nèi)溶孔和黏土礦物晶間孔(圖3a,圖3b)。研究區(qū)儲層經(jīng)歷的較強(qiáng)的壓實(shí)作用，碎屑顆粒多呈線接觸至凹凸接觸，且自生黏土礦物充填孔隙，堵塞喉道，導(dǎo)致儲層孔隙連通性差，喉道狹窄，多呈彎片狀和管束狀(圖3c, 圖3d)。煤系在成巖過程中大量有機(jī)酸的生成，導(dǎo)致了該地區(qū)儲層溶蝕孔隙的發(fā)育。山西組儲層總面孔率為0.2%～2.7%，平均為1.1%，其中粒間溶孔占38.2%，粒內(nèi)溶孔占23.7%，晶間孔24.3%，殘余粒間孔僅占9.9%，此外還發(fā)育少量微裂隙，約占總面孔率的4.0%。太原組儲層的總面孔率為0.2%～4.5%，平均為2.1%，其中粒間溶孔占44.8%，粒內(nèi)溶孔占12.6%，晶間孔12.2%，殘余粒間孔占30.4%。山西組砂巖雜基含巖屑含量較高，儲層空隙受壓實(shí)破壞程度更大；太原組砂巖剛性顆粒較多，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，保留了較多的粒間孔隙。

2.3 物性特征

孔滲測試結(jié)果表明，山西組儲層孔隙度為1.1%～5.9%，平均為2.7%；滲透率為0.001～0.066 mD，其中孔隙度低于5%的占總樣品數(shù)的87.5%(圖4)，滲透率多集中分布在0.001～0.02 mD，占75%。太原組儲層空隙度為1.0%～11.8%，平均為3.5%；滲透率為0.001～0.209 mD，平均為0.039 mD，其中孔隙度多分布在5%以下(占73.7%)，滲透率也多集中在0.001～0.02 mD(78.9%)孔隙度和滲透率之間呈現(xiàn)正相關(guān)性，表明研究區(qū)儲層儲集空間主要由孔隙構(gòu)成，孔隙之間具有連通性。總體而言，研究區(qū)儲層物性較差，屬于致密儲層，且太原組儲層物性要稍好于山西組。

圖4 儲層孔隙度與滲透率的相關(guān)性Figure 4 Correlation between reservoir porosity and permeability

3 儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙結(jié)構(gòu)是碎屑顆粒之間孔隙和喉道的形態(tài)、大小分布以及連通性，反映了儲層的儲集和滲流能力[6]。研究區(qū)砂巖樣品的毛細(xì)管壓力曲線可以分為兩類(圖5)：I類曲線(L-6)，排驅(qū)壓力較低，中部曲線近水平，進(jìn)汞飽和度大于80%之后，曲線急劇上升，最大進(jìn)汞飽和度大于95%，表明儲層有效喉道分布范圍大，且分布均勻，儲層物性較好；II類曲線(L-1～5)，排驅(qū)壓力較高，進(jìn)汞曲線以一定斜率穩(wěn)定上升，且曲線向右上方偏移明顯，最大進(jìn)汞飽和度為60%～90%，表明儲層有效喉道分布范圍較窄，儲層物性較差。根據(jù)進(jìn)汞飽和度與毛細(xì)管壓力之間的關(guān)系計(jì)得出的孔喉半徑分布曲線(圖6)，研究區(qū)致密儲層孔喉半徑主要分布在0.002 5～0.63 μm，其中I類曲線孔喉半徑分布0.002 5～0.63 μm，分布范圍較寬，峰值靠右；II類曲線孔喉半徑多集中在0.002 5～0.063 μm，分布范圍較窄，峰值靠左。山西組儲層樣品壓汞曲線以II類曲線為主，太原組儲層樣品壓汞曲線中I類和II類曲線均有，太原組儲層物性要優(yōu)于山西組。

圖5 煤系砂巖壓汞曲線Figure 5 Coal measures sandstone mercury intrusion curves

圖6 煤系致密砂巖孔喉分布圖Figure 6 Coal measures tight sandstone porethroat distribution

4 分形特征

分形維數(shù)在用來定量評價(jià)頁巖和煤儲層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度上取得了良好的成果[17-18]，但是在致密砂巖儲層孔隙方面應(yīng)用不是很廣泛。吳浩等根據(jù)壓汞資料評價(jià)了致密儲層孔喉的分形特征，發(fā)現(xiàn)其與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在良好的相關(guān)性[19]。根據(jù)分形理論，孔隙分形維數(shù)為2～3。分形維數(shù)越接近2，表明孔隙表面越光滑，結(jié)構(gòu)越簡單；分形維數(shù)越接近3，表明孔隙表面越粗糙，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

4.1 分形維數(shù)

本次研究采取楊海等在研究蘇里格氣田盒8段致密儲層孔隙分形的特征的方法，選取6塊典型致密砂巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)[20]。

從圖7可以看出，研究區(qū)煤系致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)存在單一分形和多段分形特征，以兩段分形特征為主，表明致密儲層不同孔徑范圍具有不同的分形特征。圖7a樣品孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)單一分形，其孔喉半徑主要分布在0.025～0.63μm，分形維數(shù)D=2.3345；圖7b～圖7e，樣品呈現(xiàn)明顯的兩段分形特征，分形維數(shù)D1代表孔喉半徑在0.63～160μm的孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征，其大小在2.1附近波動；分形維數(shù)D2代表孔喉半徑在0.001 6～0.63μm的孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征，其數(shù)值集中在2.5附近，明顯大于D1，表明孔喉半徑越小，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。圖7f樣品呈現(xiàn)三段分形特征，D1=2.1238表征孔喉半徑在0.63～160μm的孔隙結(jié)構(gòu)的分形特征，D2=3.900 2表征孔喉半徑區(qū)間為0.63～0.063μm，D3=2.092表征孔喉半徑為0.001 6～0.063μm，其中D3的數(shù)值超出孔隙分形維數(shù)的上限，而Lai等在研究致密砂巖分形特征時(shí)，指出在孔喉半徑較大時(shí)，分形維數(shù)可以大于3，表明孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，非均質(zhì)更強(qiáng)[10]。

4.2 空隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與分形維數(shù)

研究區(qū)致密砂巖孔喉半徑主要分布在0.002 5～0.63μm，選取該區(qū)間內(nèi)的分形維數(shù)，討論了分形維數(shù)與半徑均值、排驅(qū)壓力、最大進(jìn)汞飽和剩余汞飽和度之間的相關(guān)性(圖8)。

圖8a中，孔喉半徑均值與分形維數(shù)呈現(xiàn)一種負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.78)，孔喉半徑隨著分形維數(shù)的增加而逐漸減小，表明孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)越強(qiáng)，孔隙的半徑均值越小。圖8b中，排驅(qū)壓力與分形維數(shù)呈現(xiàn)一種正相關(guān)關(guān)系(R2=0.71)，排驅(qū)壓力隨著分形維數(shù)的增加而增大，表明孔隙表面越粗糙，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，非濕潤相開始進(jìn)入孔隙所需要的壓力就越大。最大進(jìn)汞飽和度隨著分形維的增加而減小， 剩余汞飽和度隨著分形維數(shù)的增加而增大(圖8c,圖8d)，表明分形維數(shù)越大，孔隙表面越粗糙，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，汞進(jìn)入越困難，退出孔隙也越困難，即分形維數(shù)越大，儲層儲集能力和滲流能力越差。以上結(jié)論表明，煤系致密砂巖孔隙分形特征與空隙結(jié)構(gòu)之間存在良好的相關(guān)性，可以用來表征孔隙的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和非均質(zhì)性。

圖7 煤系致密砂巖孔隙的分形維數(shù)Figure 7 Coal measures tight sandstone pore fractal dimension

5 結(jié)論

1)研究區(qū)煤系致密砂巖儲層物性較差，太原組儲層物性稍好于山西組。儲集空間以次生孔隙為主，粒間孔隙較少。儲層雜基含量較高，加上強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，導(dǎo)致儲層孔隙度低，喉道狹窄，孔隙間連通性差。

2)煤系致密儲層壓汞曲線可以分為兩類：I類曲線，平臺狀明顯，排驅(qū)壓力較低，最大進(jìn)汞飽和度大，效喉道半徑分布在0.002 5～0.63μm；II類曲線，排驅(qū)壓力較高，曲線向右上方偏移，最大進(jìn)汞飽和度較低，喉道半徑集中在0.002 5～0.063μm。

3)煤系致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)具有多段分形特征，孔喉半徑在0.001 6～0.63μm其數(shù)值集中在2.5附近表明孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)。分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間存在良好的相關(guān)性，分形維數(shù)可以用來表征研究區(qū)致密儲層空隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和非均質(zhì)性。分形維數(shù)越大，孔喉半徑均值越小，排驅(qū)壓力越大，儲層的儲集能力和滲流能力越差。

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CoalMeasuresTightSandstonePoreStructuralFeaturesinLinxianArea

Niu Xinlei, Cao Daiyong and Li Yong

(School of Geosciences and Surveying Engineering, CUMTB, Beijing 100083)

The Linxian area is a potential coal measures tight sandstone gas exploration area. Based on experimental means of casting thin section, SEM, permeability and high-pressure mercury intrusion tests have carried out pore structural features integrated analysis for 40 core samples from the area. On this basis, according to fractal theory carried out systematic study of sandstone fractal characteristics. The result has shown that (1) the coal measures physical property of tight sandstone reservoir in study area is rather poor with complex pore structure, narrow porethroat and poor connectivity among pores, reservoiring space is mainly secondary pores, less intergranular pores; (2) mercury intrusion curves can be divided into two types: type I, platform like with low displacement pressure, porethroat radius 0.002 5～0.063μm; type II, higher displacement pressure, curves shifting upper right, porethroat 0.002 5～0.063μm; (3) pore structures of tight sandstone have multisegment fractal characteristics. Good correlation exists between the fractal dimension and pore structure parameters, fractal dimension can characterize pore structural complexity and anisotropy.

pore structure; fractal characteristics; coal measures tight sandstone; high-pressure mercury intrusion; Linxian area.

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.10.05

1674-1803(2017)10-0030-06

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572141)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查資助項(xiàng)目(DD20160187)

牛鑫磊(1992—)，男，安徽人，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)碩士研究生，主要從事煤系非常規(guī)能源地質(zhì)研究。Email：1668525686@qq.com。

曹代勇(1955—)，男，重慶人，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事煤田構(gòu)造與構(gòu)造控煤、盆地構(gòu)造分析、煤與非常規(guī)氣地質(zhì)、礦產(chǎn)資源評價(jià)與勘查等研究工作。E-mail：cdy@cumtb.edu.cn。

2017-8-01

責(zé)任編輯：宋博輦