特低滲—致密砂巖孔喉結(jié)構(gòu)特征、演化及其對物性的控制
——以松遼盆地北部下白堊統(tǒng)為例

張飛飛

( 大慶油田有限責任公司 第十采油廠，黑龍江 大慶 163517 )

0 引言

松遼盆地是我國勘探程度最高的大型含油氣盆地,其勘探重心已轉(zhuǎn)移至中深層的特低滲—致密砂巖油氣資源[1-3]。根據(jù)儲層分類方案[4-7]，特低滲砂巖通常指空氣滲透率介于(1～10)×10-3μm2的儲層，低于1×10-3μm2的通常劃分為致密砂巖。在松遼盆地北部，特低滲—致密砂巖油氣儲層按沉積成因可劃分為兩類：一類是形成于三角洲外前緣沉積，水動力弱、粒度細、儲層薄、泥質(zhì)含量高，以齊家—古龍凹陷白堊統(tǒng)高臺子油藏為代表[8-9]；另一類是形成于強水動力(曲流河、辮狀河和扇三角洲分流河道等)環(huán)境[2,10]，儲層砂體粒度大、抗壓實能力強、埋深較大，在下白堊統(tǒng)各層系中發(fā)育，如朝陽溝階地和三肇凹陷的扶楊油層、徐家圍子斷陷登婁庫組和沙河子組的致密氣藏[11-15]。

人們對松遼盆地下白堊統(tǒng)各層系的特低滲—致密砂巖進行研究[2,8-15]，涉及微觀表征、成巖作用及儲層成因等方面，普遍認為該類儲層的孔喉窄小、連通關(guān)系復(fù)雜、油氣可動性差[13,15]；砂巖儲層的致密化是壓實作用、膠結(jié)作用和原始沉積條件三者相互耦合的結(jié)果[16-17]，壓實和膠結(jié)作用是具體“執(zhí)行者”，主導(dǎo)儲層的致密化，原始沉積條件(沉積物組分、粒度、分選、雜基含量等)是“協(xié)調(diào)者”，影響“執(zhí)行者”對儲層孔喉結(jié)構(gòu)的破壞。研究主要聚焦某一套層系的橫向?qū)Ρ萚10,13,17]，缺乏縱向?qū)Ρ?，難以揭示特低滲—致密儲層成因及演化。單套層系的縱向?qū)Ρ却順悠方?jīng)歷相似埋深和熱演化過程，樣品間致密化的差異主要受原始沉積條件控制(不同微相砂巖可能選擇不同的成巖演化路徑)，利用回剝法等，可間接回推不同類型致密砂巖的孔隙演化[18]；多套層系的縱向?qū)Ρ葍?yōu)選不同埋深和熱演化程度的樣品，揭示砂巖致密化過程中物性演化，還能刻畫孔喉結(jié)構(gòu)的演化特征及其對物性參數(shù)的影響等。分析下白堊統(tǒng)特低滲—致密砂巖的微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征及演化，可以指導(dǎo)儲層的分級及甜點優(yōu)選[10]，也可以加深對致密砂巖儲層成因機制的認識。

多種實驗方法應(yīng)用于揭示致密砂巖儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，如掃描電鏡(SEM)、微米CT、低溫氣體吸附和壓汞等方法[19]。以SEM為代表的圖像分析法，難以獲取巖石孔喉組合關(guān)系的定量信息；以微米CT為代表的圖像重構(gòu)法，可得到孔隙網(wǎng)絡(luò)的三維分布，刻畫孔喉連通關(guān)系，但分析結(jié)果受圖像分辨率與樣品尺寸(代表性)間關(guān)系制約；以低溫氣體吸附和壓汞法為代表的流體侵入法，根據(jù)流體在樣品中的進入過程或狀態(tài)測量，刻畫孔隙或孔喉的大小分布[20]，是定量評價致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的常用方法。低溫氣體吸附法主要測量微孔(半徑小于2 nm)和介孔(半徑為2～50 nm)的分布[20]，不適用于特低滲—致密砂巖儲層；高壓壓汞法可刻畫半徑大于6 nm的孔喉分布[21]，但無法區(qū)分儲集空間中的孔隙體及喉道；恒速壓汞法根據(jù)壓力跳躍可分別表征孔隙體和喉道的大小分布，在評價孔喉組合關(guān)系方面優(yōu)勢突出[20]，盡管它無法揭示半徑小于0.12 μm的喉道及其連通的孔隙體，但這部分在特低滲—致密砂巖中含量低、可動性差。筆者利用恒速壓汞實驗表征微觀孔喉結(jié)構(gòu)及演化，研究特低滲—致密砂巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對宏觀物性的影響，為認識該類儲層形成機理提供依據(jù)。

1 樣品特征

松遼盆地北部具有“下斷中坳上拱”的三元結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)下部多層系含氣、中淺層滿凹含油特征[2,13]。下白堊統(tǒng)各層系普遍發(fā)育特低滲—致密砂巖油氣，是大慶油田增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域，以下部沙河子組和登婁庫組的致密砂巖氣藏(徐家圍子斷陷)[2,15]，以及上部泉頭組四段和三段的特低滲砂巖油藏(朝陽溝階地、三肇凹陷等)[13-14]為代表。自下而上，下白堊統(tǒng)地層可劃分為盆地斷陷期(沙河子組—營城組)、斷坳轉(zhuǎn)換期(登婁庫組—泉頭組一二段)和坳陷初期(泉頭組三四段)3個構(gòu)造階段，經(jīng)歷由扇三角洲—辮狀河三角洲、辮狀河—曲流河及河流—三角洲的沉積演化[2]，沉積物粒度整體變細。

為盡可能削弱原始沉積差異對縱向?qū)Ρ鹊挠绊?，在下白堊統(tǒng)主要含油氣層位中選取物性相對好、雜基質(zhì)量分數(shù)低、分選性較好的18塊砂巖樣品(見表1)，其中樣品Q1-Q10選自朝陽溝階地泉頭組四段，為三角洲主體分流河道微相沉積的細—中砂巖，黏土礦物以伊利石和蒙/綠混層為主；樣品D5、D7、D18、D20、D24選自徐家圍子斷陷登婁庫組，為曲流河三角洲沉積的中—粗砂巖；其他3塊樣品(S33、S6、S46)選自徐家圍子斷陷沙河子組，巖性包括粗砂巖和含礫粗砂巖，主要形成于扇三角洲沉積環(huán)境。砂巖樣品石英質(zhì)量分數(shù)大于50.0%，整體屬于巖屑長石和長石巖屑砂巖類型，雜基質(zhì)量分數(shù)低，自生黏土礦物是主要膠結(jié)物類型(見表1)，自上而下高嶺石和伊利石質(zhì)量分數(shù)逐漸降低，伊/蒙混層和綠泥石質(zhì)量分數(shù)逐漸增加。

表1 樣品巖性、物性特征及黏土質(zhì)量分數(shù)

松遼盆地北部泉頭組四段(泉四段)處于中成巖作用A1期，顆粒間以點—線接觸為主，早期膠結(jié)和溶蝕作用較發(fā)育，孔隙類型以殘留原生孔為主，其次為溶蝕孔；登婁庫組處于中成巖作用A2—B期，孔隙類型以殘留粒間孔和溶蝕孔為主，其次為晶間孔；沙河子組樣品處于中成巖作用B期和晚成巖時期，顆粒間表現(xiàn)為線—凹凸接觸關(guān)系，黏土和碳酸鹽巖膠結(jié)作用強烈，孔隙以溶蝕孔和黏土晶間孔為主，殘留原生孔較少[2,14,22]。18塊砂巖樣品的孔隙度為6.30%～18.89%，滲透率為(0.05～14.82)×10-3μm2，基本涵蓋特低滲—致密砂巖的范疇。泉四段樣品孔隙度、滲透率最高，屬于特低滲砂巖儲層，登婁庫組和沙河子組樣品屬于致密砂巖，兩者孔隙度分布差異不大，但登婁庫組的滲透率明顯偏大，揭示致密砂巖較差的孔滲相關(guān)關(guān)系。

圖1 滲透率與孔隙體、喉道總孔隙進汞飽和度間關(guān)系Fig.1 The relationship between permeability and final intrusion saturation of pore bodies and throats

2 結(jié)果與分析

2.1 恒速壓汞曲線特征

恒速壓汞實驗在ASPE—730型壓汞儀上完成，可分別得到孔隙體、喉道和總孔隙進汞飽和度3條進汞曲線[23](見圖1)，用于計算孔隙體、喉道和總孔隙進汞飽和度分布。其中喉道、總孔隙進汞飽和度分布由Washburn公式[24]計算得出，孔隙體利用等效球體半徑轉(zhuǎn)化[20]。恒速壓汞實驗測量結(jié)果見表2。18塊砂巖樣品的總進汞飽和度為43.1%～82.9%，其中總孔隙進汞飽和度變化大(7.3%～44.3%)，平均為30.8%，總喉道進汞飽和度的變化較小(32.8%～54.3%)，平均為37.8%。隨樣品滲透率降低，孔隙進汞飽和度呈減小趨勢，喉道進汞飽和度的變化不明顯(見圖1)。

表2 樣品的恒速壓汞實驗測量參數(shù)及滲流閾值分布

注：分界點壓力為“大孔—細喉型”孔隙和“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙之間界線；閾值半徑為滲流閾值壓力對應(yīng)的喉道半徑

所有樣品的恒速壓汞實驗曲線具有一定相似性(見圖2)，低壓段，存在明顯的孔隙體進汞量和較少的喉道進汞量，總進汞曲線呈平臺狀，表明該區(qū)域發(fā)育“大孔—細喉型”孔隙空間；高壓段，無明顯孔隙體進汞，喉道和總進汞量隨壓力增大而呈指數(shù)規(guī)律增加，表明該區(qū)域已無孔隙體和喉道區(qū)分，儲集空間可用“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙解釋[15]。根據(jù)壓汞曲線特征，將樣品劃分為3種類型。類型Ⅰ對應(yīng)特低滲砂巖(樣品Q10-Q1)，孔隙體最大進汞量高于喉道的，且低壓段的總進汞飽和度幾乎與孔隙體重合(見圖2)，低壓段的總進汞飽和度大于60.0%(見表2)，明顯大于高壓段的(約20%)，表明儲集空間以“大孔—細喉型”孔隙為主。類型Ⅱ?qū)?yīng)滲透率較高的致密砂巖(D24和D5)，特征為低壓段的孔隙體進汞量高于喉道的，但高壓段的孔隙體進汞量低于喉道的(見圖1)，低壓段的總進汞飽和度為30.0%～42.0%(見表2)，與高壓段的基本相當，說明儲集空間由“大孔—細喉型”和“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙共同主導(dǎo)。類型Ⅲ對應(yīng)滲透率較低的致密砂巖(S33和S6)，特征為孔隙體進汞量在整個壓力段小于喉道的(見圖1)，總進汞曲線基本由喉道進汞量決定，低壓段的進汞飽和度小于20.0%(見表2)，說明儲集空間主要為“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙。

圖2 特低滲—致密砂巖典型樣品恒速壓汞實驗曲線特征Fig.2 The intrusion curves of rate-controlled porosimetry of tight sandstones with ultra-low permeabilities

2.2 孔隙和喉道分布

恒速壓汞實驗測量的喉道和孔隙體分布見圖3，由于最大進汞壓力為6.22 MPa，圖中只顯示半徑大于0.12 μm的喉道及其連通孔隙體的分布。特低滲砂巖樣品喉道半徑為0.10～10.00 μm，整體呈非對稱單峰狀，峰值多大于1.00 μm；致密砂巖樣品的喉道分布多呈半單邊峰狀，峰值多小于1.00 μm(見圖3)。所有樣品的孔隙體呈明顯正態(tài)分布，且分布區(qū)間較穩(wěn)定。特低滲砂巖樣品的孔隙體分布范圍寬，主要為30.00～300.00 μm，且樣品間差異?。恢旅苌皫r樣品的孔隙體分布范圍變窄，集中在100.00～220.00 μm之間，小于100.00 μm的孔隙體基本不發(fā)育。整體上，隨樣品滲透率降低，喉道分布主峰逐漸左移(喉道變小)，而孔隙體分布差異較小，說明喉道大小是決定特低滲—致密砂巖儲層滲流能力的關(guān)鍵因素。

所有樣品的喉道分布與孔隙體分布區(qū)間無重疊(見圖3(a))，尤其是隨滲透率降低，間距逐漸加大，說明特低滲—致密砂巖樣品具有較大的孔喉比。特低滲砂巖樣品的孔喉比為50～120，致密砂巖孔喉比通常大于200?？缀肀仁欠从晨紫读黧w可動性的關(guān)鍵指標，砂巖孔喉比越小，流體可動性越好；反之，流體可動性變差，在開采過程中容易發(fā)生氣體卡斷或水鎖現(xiàn)象[23]。

2.3 孔喉特征演化及主控因素

壓實作用持續(xù)作用于巖石沉積后成巖的各個時期，以機械壓實方式使顆粒間孔隙及接觸部位變窄，導(dǎo)致砂巖儲層致密化[25]。下白堊統(tǒng)主要含油氣層位砂巖樣品孔喉結(jié)構(gòu)的垂向變化見圖4。與徐家圍子斷陷相比，朝陽溝階地在嫩江組—明水組時期發(fā)生多次抬升，剝蝕厚度為0.7 km[26]，因此將圖4中泉四段砂巖樣品的埋深進行補償(+0.7 km)，代表古埋藏深度。由圖 4可知，自上而下，樣品的喉道半徑逐漸減小，泉四段樣品的喉道半徑平均為1.33～2.93 μm，登婁庫組樣品的為0.67～2.20 μm，沙河子組樣品的小于1.08 μm。盡管沙河子組和登婁庫組樣品的粒度較泉四段的粗，砂巖抗壓能力強，但隨埋深增加，砂巖喉道半徑均值呈明顯減小趨勢，說明壓實作用是砂巖儲層致密化的主要成因。隨埋深增加，樣品的“大孔—細喉型”孔隙比例也逐漸降低，由泉四段的65.0%，至登婁庫組的35.0%，再至沙河子組的22.6%，說明壓實作用大幅破壞“大孔—細喉型”孔隙空間。一方面，由于壓實作用導(dǎo)致連接兩個孔隙體之間的通道(即喉道)縮小或消失，部分孔隙體變?yōu)樗揽?；另一方面，隨埋深增加，溫度升高，與黏土轉(zhuǎn)化或溶蝕作用相關(guān)的石英膠結(jié)發(fā)育，充填顆粒間孔隙空間(見圖4)。

圖3 特低滲—致密砂巖典型樣品喉道、孔隙體及孔喉比分布Fig.3 The size distribution of throats, pore bodies and pore-throat ratio of tight sandstones with ultra-low permeabilities

圖4 研究區(qū)孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)隨埋深變化規(guī)律Fig.4 The variation of pore-throat structure parameters with burial depth in the study area

黏土膠結(jié)是砂巖致密化的另一個重要成因，以化學沉淀方式充填孔隙空間，縮小(甚至堵塞)喉道，導(dǎo)致儲層滲透率降低[27]。為消除壓實作用影響，選取埋深相近(2.7～3.1 km)、巖性相似的6塊致密砂巖樣品，分析黏土膠結(jié)對孔喉結(jié)構(gòu)的影響(見圖5)。黏土質(zhì)量分數(shù)(伊利石和綠泥石)與樣品的平均喉道半徑和“大孔—細喉型”孔隙比例呈明顯負相關(guān)關(guān)系，平均喉道半徑由低黏土樣品的2.17 μm減小為高黏土樣品的0.56 μm，“大孔—細喉型”孔隙比例也由45.0%降低為18.0%。SEM圖像顯示，致密砂巖樣品中發(fā)育大量絲狀或片狀分布伊利石和綠泥石，它們充填粒間孔隙或溶蝕孔隙，導(dǎo)致喉道或粒間孔占比降低。隨黏土質(zhì)量分數(shù)增多，黏土相關(guān)孔(具有“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙)逐漸取代粒間孔成為致密砂巖的主要儲集空間類型。

圖5 研究區(qū)黏土質(zhì)量分數(shù)對孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響Fig.5 The impacts of clay mass fraction on pore throat structure parameters in the study area

黏土膠結(jié)和壓實作用縮小喉道、破壞“大孔—細喉型”孔隙空間，共同主導(dǎo)砂巖儲層的致密化。在致密化過程中，砂巖儲層的喉道半徑、充填孔隙比例減小，但孔隙體半徑隨埋深或黏土質(zhì)量分數(shù)增加沒有明顯降低趨勢：一方面，因為溶蝕作用有效改善致密砂巖的孔隙空間[28]，使形狀不規(guī)則的單一孔隙體還能保持較大的孔體積；另一方面，石英膠結(jié)和綠泥石襯邊可分別增加巖石的抗壓實能力和抑制膠結(jié)成巖作用的發(fā)生[27]，部分粒間孔得以有效保存(見圖4和圖5)。

3 對物性的控制

根據(jù)滲流理論[29]，在低進汞壓力時，汞只能充填與巖石外表面相連的較大喉道及其溝通的孔隙體，無法進入巖石內(nèi)部；隨壓力增加，汞逐漸進入巖石內(nèi)部并形成相對連續(xù)簇，內(nèi)部較大喉道及其控制的孔隙體才有可能被汞充填。相對連續(xù)簇出現(xiàn)時，對應(yīng)的進汞壓力及飽和度，代表巖石中形成連續(xù)滲流通道所需的最低壓力(閾值壓力)及最少充填孔隙比例。滲流閾值壓力和充填孔隙比例，可通過進汞飽和度對進汞壓力導(dǎo)數(shù)的極大值點確定[15]。與特低滲砂巖相比，致密砂巖的滲流閾值壓力明顯偏大，而達到滲流閾值時充填孔隙比例明顯偏低，通常小于30.0%(見表2、圖6)。達到滲流閾值時，充填孔隙比例越小，形成連續(xù)滲流通道時參與的孔隙空間越少，滲流通道的連續(xù)性和穩(wěn)定性越差，通常因為孔喉局部堵塞而中斷，說明致密砂巖儲層更易發(fā)生水鎖等傷害。樣品的滲透率整體上與滲流閾值半徑(閾值壓力對應(yīng)的喉道半徑)呈正相關(guān)關(guān)系(見圖7)，但也受充填孔隙比例控制。具有相似滲流閾值半徑的樣品，充填孔隙比例越大，滲透率越高，如D24的閾值半徑大于Q1的，但Q1的充填孔隙比例明顯偏高，對應(yīng)較高的滲透率(見圖7)。

圖6 研究區(qū)致密砂巖樣品滲流閾值確定Fig.6 The calculation of percolation threshold of tight sandstones in the study area

明確不同類型孔隙空間對滲透率和孔隙度的貢獻，是認識微觀孔隙結(jié)構(gòu)對物性影響的基礎(chǔ)。假定孔隙空間由一系列平行管束狀孔組成，根據(jù)Purcell方程[30]可計算單一孔喉對滲透率的貢獻，結(jié)合滲流閾值(高于滲流閾值壓力的喉道對滲透率有貢獻)和進汞曲線(確定“大孔—細喉型”孔隙的分布范圍)，可得到“大孔—細喉型”孔隙對滲透率的貢獻(見圖8)。對于特低滲砂巖，“大孔—細喉型”孔隙比例大于60.0%，對滲透率的貢獻量總體上大于90%，表明“大孔—細喉型”孔隙空間對巖石的儲集和滲流能力起決定性作用。對于致密砂巖，隨滲透率降低，“大孔—細喉型”孔隙對孔隙度和滲透率的貢獻快速降低；當滲透率小于0.25 ×10-3μm2時，對滲透率的貢獻量小于50%，對孔隙度的貢獻量小于40%，說明“大孔—細喉型”孔隙對致密砂巖的儲集空間和滲流通道不起決定性作用，“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙(黏土相關(guān)孔)的影響更大。

圖7 研究區(qū)滲透率與滲流閾值半徑、充填孔隙比例關(guān)系

Fig.7 The relationship between permeability and percolation threshold radius and the ratio of pores filled by mercury in the study area

圖8 研究區(qū)“大孔—細喉型”孔隙空間對孔隙度和滲透率貢獻量的關(guān)系Fig.8 The relationship between contributions of pores with "large pores connected with narrow throats" to porosity and permeability in the study area

由特低滲砂巖過渡為致密砂巖，孔隙度和滲透率間相關(guān)關(guān)系明顯減弱，通常出現(xiàn)高孔隙度樣品對應(yīng)較低滲透率，主要與孔隙結(jié)構(gòu)演化的成因密切相關(guān)。對于特低滲砂巖，孔隙度、滲透率主要由“大孔—細喉型”孔隙空間控制(見圖8)，壓實作用起主導(dǎo)，在降低喉道半徑的同時，也縮小孔隙體的體積[31]，因此物性間保持較好正相關(guān)關(guān)系；當滲透率繼續(xù)降低而進入致密砂巖范圍時，“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙對儲集空間和滲流能力的貢獻逐漸增強，并最終取代“大孔—細喉型”孔隙網(wǎng)絡(luò)(見圖8)?！皹湫尉W(wǎng)絡(luò)”孔隙的相對發(fā)育伴隨砂巖致密化進程，一是由于壓實或黏土膠結(jié)作用導(dǎo)致喉道變小或堵塞，部分“大孔—細喉型”孔隙空間失效；二是黏土膠結(jié)導(dǎo)致大量粒間孔或溶蝕孔被充填，形成豐富的黏土相關(guān)孔[31]，“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙比例增多[15]。對于致密砂巖，“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙比例增多必然導(dǎo)致喉道減小，滲流通道迂回度增大，滲透率降低，但孔隙度降低幅度有限；因為黏土礦物間發(fā)育大量納米級孔隙，同時黏土膠結(jié)(伊利石)通常與長石溶蝕有關(guān)[28]，溶蝕作用也增加孔隙空間。

4 結(jié)論

(1)基于恒速壓汞進汞特征，將松遼盆地北部下白堊統(tǒng)特低滲—致密砂巖儲集空間劃分為低壓段的“大孔—細喉型”和高壓段的“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙；由特低滲砂巖到致密砂巖，喉道進汞飽和度變化不明顯，但孔隙體進汞飽和度減小，“大孔—細喉型”孔隙比例明顯降低。

(2)壓實和黏土膠結(jié)作用共同控制砂巖儲層致密化過程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化，分別以機械壓實、化學沉淀方式縮小儲層的喉道半徑，破壞“大孔—細喉型”孔隙空間，但對孔隙體分布的影響較弱。

(3)特低滲砂巖儲層的儲集及滲流能力主要由“大孔—細喉型”孔隙空間貢獻，壓實作用起主導(dǎo)，孔滲相關(guān)關(guān)系較好；隨滲透率降低，致密砂巖的儲集及滲流能力主要由“樹形網(wǎng)絡(luò)”孔隙貢獻，壓實和黏土膠結(jié)共同主導(dǎo)，導(dǎo)致致密儲層的孔滲相關(guān)關(guān)系變差。