基于高壓壓汞-恒速壓汞的低滲砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

王羽君 ，趙曉東 ，周伯玉 ，李琪 ，劉兆龍 ，李亮 ，李小石 ，紀(jì)雪冰

（1.中國(guó)石化中原油田分公司開(kāi)發(fā)管理部，河南 濮陽(yáng) 457001；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國(guó)石油華北油田分公司第一采油廠(chǎng)，河北 任丘 062550；5.中國(guó)石油冀東油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 唐山 063000）

低滲儲(chǔ)層喉道半徑小、連通性差，且在滲流過(guò)程中固、液兩相之間存在較大的表面張力，這加大了流體的滲流阻力［1-2］。低滲儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙度相差不大的情況下，滲透率差異卻較大，這給儲(chǔ)層評(píng)價(jià)帶來(lái)了難度［3-5］。

高壓壓汞法是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)常用方法之一，是在保持恒定高壓下，向巖樣中持續(xù)注入汞，測(cè)量汞的注入量以及進(jìn)入巖樣的汞飽和度，以計(jì)算得到不同壓力所反映的孔隙半徑大小與控制體積［6-7］。但高壓壓汞曲線(xiàn)只是孔隙-喉道的合成綜合曲線(xiàn)，難以細(xì)分孔隙、喉道對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量的影響，得到的孔隙分布情況實(shí)質(zhì)是不同半徑的孔喉所影響的體積大小，而不是微觀(guān)儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)研究所需要的孔隙數(shù)量分布，這導(dǎo)致高壓壓汞法在低滲微觀(guān)儲(chǔ)層孔隙評(píng)價(jià)方面難以滿(mǎn)足實(shí)際要求［8-11］。恒速壓汞法可測(cè)量壓力升降情況，以區(qū)分巖石中的孔隙與喉道，可以得到孔隙、喉道半徑大小及分布、孔喉比大小及分布［12-14］。恒速壓汞曲線(xiàn)能夠明顯區(qū)分巖石樣品之間微觀(guān)孔喉結(jié)構(gòu)上的差異，這極大地克服了高壓壓汞中同一毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)著不同的孔喉結(jié)構(gòu)的缺陷［15］。因此，本文提出高壓壓汞與恒速壓汞相結(jié)合的方法（簡(jiǎn)稱(chēng)高壓壓汞-恒速壓汞），對(duì)高北斜坡中深層低滲砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

高北斜坡位于渤海灣盆地南堡凹陷北部高尚堡油田，古近系沙河街組為中深層低滲油藏主要產(chǎn)層［16］。3塊樣品（152#、181#、278#）來(lái)自高 23-39 井沙河街組三段，深度分別為 3 899.34，3 903.22，3 923.03 m，氣測(cè)孔隙度為15.3%～18.0%，滲透率為0.201×10-3～1.504×10-3μm2，孔隙度相差不大，但滲透率差異較大（見(jiàn)表1）。為此，對(duì)3塊樣品同時(shí)開(kāi)展了高壓壓汞、恒速壓汞等實(shí)驗(yàn)，從微觀(guān)機(jī)理方面明確其差異原因。

表1 高23-39井沙河街組三段物性及恒速壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)中，以非常低的恒定速度（5×10-5mL/min）進(jìn)汞，在此過(guò)程中，界面張力與接觸角保持不變，需要2～3 d才能完成。恒速壓汞過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，具有區(qū)分孔隙和喉道以及測(cè)定值接近地下真實(shí)情況等優(yōu)勢(shì)［14-15］。在恒速壓汞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)入巖樣的汞，隨著其所充注的每一處孔隙形狀的改變，都會(huì)引起其前緣彎月面形狀的改變，從而導(dǎo)致該處系統(tǒng)的毛細(xì)管壓力發(fā)生變化［15］；達(dá)到最大進(jìn)汞壓力后，再逐步降低實(shí)驗(yàn)壓力，使得注入孔隙內(nèi)的汞逐步退出孔隙，當(dāng)壓力降至最低壓力時(shí)，便完成了樣品的注入和退出回路的壓汞曲線(xiàn)，使得恒速壓汞可以獲得更為精細(xì)的喉道、孔隙半徑分布以及較為真實(shí)的孔喉比等信息。

恒速壓汞實(shí)驗(yàn)是在A(yíng)SPE-730恒速孔隙儀上完成，實(shí)驗(yàn)溫度為20℃，濕度為45%～55%，潤(rùn)濕角為140°，汞表面張力為0.48 N/m，最大進(jìn)汞壓力為6.2 MPa，與其相對(duì)應(yīng)的孔喉半徑為0.120 μm。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)是在HD-505高壓孔隙度結(jié)構(gòu)儀上完成，實(shí)驗(yàn)溫度為18℃，相對(duì)濕度為55%，最大進(jìn)汞壓力為30.1 MPa，與其相對(duì)應(yīng)的孔喉半徑為0.024 μm。

與高壓壓汞實(shí)驗(yàn)相比，恒速壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果中與喉道相關(guān)的參數(shù)都可以較為直觀(guān)地體現(xiàn)出來(lái)（見(jiàn)圖1）。152#、181#樣品喉道半徑主要在 1.50 μm左右（見(jiàn)圖1b，1d），278#樣品的喉道半徑主要在 0.60～1.00 μm（見(jiàn)圖1f），3 塊樣品的孔隙半徑均約為120.0 μm（見(jiàn)圖 1a，1c，1e）。

圖1 恒速壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)試孔隙、喉道半徑分布頻率

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)只能測(cè)得孔喉半徑，無(wú)法區(qū)分喉道和孔隙，而恒速壓汞實(shí)驗(yàn)方法可以有效將孔隙與喉道區(qū)別開(kāi)來(lái)，可用來(lái)精細(xì)研究?jī)?chǔ)層的微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)。但由于恒速壓汞實(shí)驗(yàn)最大進(jìn)汞壓力僅為6.2 MPa，計(jì)算得到最小孔喉半徑約為0.120 μm，受制于恒速壓汞實(shí)驗(yàn)儀器的最大進(jìn)汞壓力，恒速壓汞實(shí)驗(yàn)在喉道半徑小于0.120 μm的樣品區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)無(wú)法測(cè)量的盲區(qū)［16］。為此，本文將恒速壓汞與高壓壓汞實(shí)驗(yàn)方法聯(lián)合，利用高壓壓汞法彌補(bǔ)恒速壓汞低值區(qū)無(wú)法表征的缺陷。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

利用巖心、巖石薄片資料，對(duì)高北斜坡中深層沙三段巖石學(xué)特征進(jìn)行了分析。研究區(qū)巖石類(lèi)型主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖。

高北斜坡帶沙三段巖石組成見(jiàn)圖2。巖屑以巖漿巖為主（圖3a，3b），質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%；沉積巖次之，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%；變質(zhì)巖最少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為17%。巖漿巖巖屑主要為酸性巖漿巖，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為45%；中性巖漿巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%，幾乎不含基性巖漿巖。

圖2 高北斜坡帶沙三段巖石組分三角圖

膠結(jié)物主要為方解石、鐵質(zhì)膠結(jié)物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為7.0%左右；泥質(zhì)膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.8%。巖石分選不均，主要為次棱—次圓狀，顆粒之間以點(diǎn)、線(xiàn)接觸為主（見(jiàn)圖3c），主要為孔隙式膠結(jié)，顆粒支撐（見(jiàn)圖3d）。

圖3 高北斜坡帶沙三段巖石顯微鏡下特征

2.2 物性特征

根據(jù)取心井巖心物性分析化驗(yàn)資料，高北斜坡中深層碎屑巖儲(chǔ)層孔隙度為4.0%～21.0%，平均孔隙度為13.5%；滲透率整體較低，平均值為 1.907×10-3μm2。儲(chǔ)層孔隙度主要分布在16.0%～20.0%，8.0%～12.0%（見(jiàn)圖 4a），滲透率主要分布在 1.0×10-3～10.0×10-3，0.1×10-3～1.0×10-3μm2（見(jiàn)圖 4b），屬低孔特低滲、中孔低滲儲(chǔ)層。

圖4 高北斜坡中深層孔隙度、滲透率分布頻率

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.3.1 孔喉類(lèi)型

研究區(qū)目的層主要發(fā)育4種孔隙類(lèi)型：1）原生殘余粒間孔（見(jiàn)圖5a）。該類(lèi)孔隙邊緣較清晰，由于壓實(shí)和膠結(jié)成巖作用的影響，孔隙大多消失，分布不均勻。2）次生粒間溶蝕孔（見(jiàn)圖5b）。該類(lèi)孔隙主要為長(zhǎng)石溶孔，在沙河街組存在多條不整合面和大型斷裂，導(dǎo)致石油酸等酸性流體更易進(jìn)入儲(chǔ)層發(fā)生溶蝕，孔隙邊緣模糊，形狀不規(guī)則。3）次生粒內(nèi)溶蝕孔（見(jiàn)圖5c）。該類(lèi)孔隙主要為發(fā)育在長(zhǎng)石粒內(nèi)的部分溶蝕孔和長(zhǎng)石粒內(nèi)的全部溶蝕孔。4）微裂隙（見(jiàn)圖5d）。該類(lèi)孔隙為壓實(shí)作用破裂形成的壓裂縫孔隙和長(zhǎng)石顆粒解理縫，以壓裂縫孔隙為主。喉道主要為片狀/彎片狀喉道（見(jiàn)圖5e，5f）、縮頸型喉道（見(jiàn)圖 5g）以及管束狀喉道（見(jiàn)圖 5h）。

圖5 高北斜坡帶沙三段孔隙、喉道及孔喉組合類(lèi)型

2.3.2 孔喉結(jié)構(gòu)特征

將高壓壓汞與恒速壓汞實(shí)驗(yàn)得到的分布曲線(xiàn)進(jìn)行疊合，可表征儲(chǔ)層微觀(guān)孔喉結(jié)構(gòu)特征（見(jiàn)圖6）。高壓壓汞曲線(xiàn)只體現(xiàn)儲(chǔ)層整體的孔隙特征，恒速壓汞曲線(xiàn)則精準(zhǔn)地將孔隙與喉道的作用區(qū)分開(kāi)來(lái)。在孔喉半徑小于0.12 μm時(shí)，高壓壓汞曲線(xiàn)可以刻畫(huà)小喉道、小孔隙的作用范圍，它對(duì)于整體的孔滲影響較??；而孔喉半徑在0.12～2.00 μm時(shí)，可在高壓壓汞曲線(xiàn)反映孔喉分布的基礎(chǔ)上，利用恒速壓汞曲線(xiàn)刻畫(huà)喉道的分布形態(tài)，從而解決低滲砂巖儲(chǔ)層孔喉評(píng)價(jià)的問(wèn)題。從壓汞曲線(xiàn)中分別提取孔隙與喉道的進(jìn)汞飽和度（見(jiàn)圖6），可以看出，152#、181#樣品孔隙、喉道的進(jìn)汞飽和度之間的差別比278#樣品大。這表明在相近孔隙半徑、孔隙度的情況下，喉道越大，進(jìn)汞飽和度越高，滲透率越大。

圖6 樣品壓汞參數(shù)曲線(xiàn)疊合

喉道對(duì)低滲砂巖儲(chǔ)層影響較大，結(jié)合圖6和喉道分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［17］（見(jiàn)表 2）分析可知：152#樣品最大連通喉道半徑、主流喉道半徑下限、主流喉道半徑分別為3.246，1.985，1.165 μm，為中—細(xì)喉道；181#樣品最大連通喉道半徑、主流喉道半徑下限、主流喉道半徑分別為 3.109，1.931，1.086 μm，為中—細(xì)喉道；278#樣品最大連通喉道半徑、主流喉道半徑下限、主流喉道半徑分別為 1.087，0.523，0.154 μm，為微細(xì)—微喉道。

表2 喉道分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3 高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合評(píng)價(jià)

利用高壓壓汞實(shí)驗(yàn)所得的孔喉半徑分布頻率與恒速壓汞實(shí)驗(yàn)所得的孔隙（喉道）半徑分布頻率疊合，可得高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合評(píng)價(jià)孔隙（喉道）半徑分布頻率疊合圖（見(jiàn)圖7）。以孔喉半徑0.12，50.00 μm為界限，劃分為3個(gè)區(qū)：高壓壓汞表征區(qū)、高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合表征區(qū)以及恒速壓汞表征區(qū)。

圖7 高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合評(píng)價(jià)孔隙（喉道）半徑分布頻率疊合

1）高壓壓汞表征區(qū)。該區(qū)主要為微喉道，孔喉半徑為0.01～0.12 μm。因孔喉半徑小，突破毛細(xì)管阻力所需排替壓力過(guò)大，恒速壓汞壓力不足而無(wú)法表征。該區(qū)孔喉半徑分布主要利用高壓壓汞實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行表征，研究區(qū)微喉道分布頻率低于10%，對(duì)儲(chǔ)層影響較小。

2）高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合表征區(qū)。該區(qū)主要為喉道表征區(qū)，孔喉半徑為0.12～50.00 μm，孔喉半徑分布可用高壓壓汞與恒速壓汞聯(lián)合表征。研究區(qū)3塊樣品的喉道半徑大小具有差異。其中，152#、181#樣品喉道半徑約為 1.50 μm，278#樣品喉道半徑約為 0.60 μm。

3）恒速壓汞表征區(qū)。該區(qū)主要為孔隙表征區(qū)，孔喉半徑大于50.00 μm，研究區(qū)3塊樣品在分布頻率最大處取值，其孔隙半徑相似，約為120.00 μm。從圖7可以看出，研究區(qū)儲(chǔ)層主要發(fā)育1.00 μm左右的喉道和120.00 μm左右的孔隙。其中：粒徑較粗的峰值區(qū)域的喉道多為片狀或彎片狀喉道、縮頸型喉道，是孔隙較為發(fā)育區(qū)域的孔隙因壓實(shí)、膠結(jié)等成巖作用而形成的喉道；粒度較細(xì)的峰值區(qū)域喉道多為管束狀喉道，是片狀高嶺土等黏土礦物晶體顆粒接觸之間形成的喉道。

3塊樣品在高壓壓汞表征區(qū)和恒速壓汞表征區(qū)的孔隙半徑與微喉道半徑分布特征相似。如圖7所示，分布頻率最大處取值，孔隙半徑為120.00 μm（恒速壓汞表征區(qū)），微喉道半徑為0.10 μm（高壓壓汞表征區(qū)）。但高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合表征區(qū)的喉道半徑分布范圍不同，152#、181#樣品主要發(fā)育 1.50 μm的細(xì)喉道，278#樣品主要發(fā)育 0.60 μm的微細(xì)喉道（見(jiàn)表3）。因此，3塊樣品的孔隙度相似，而152#、181#樣品滲透率明顯比278#樣品大1個(gè)數(shù)量級(jí)。這表明喉道半徑大小對(duì)儲(chǔ)層的滲流起關(guān)鍵作用。

表3 樣品高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合評(píng)價(jià)結(jié)果 μm

4 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層滲流的影響

儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)影響儲(chǔ)層儲(chǔ)量和滲流能力［3-4］。本研究采用HLDY50-150高溫相滲驅(qū)替裝置，按SY/T 5345—2007《巖石中兩相相對(duì)滲透率測(cè)定方法》進(jìn)行油水相對(duì)滲透率測(cè)定，得到束縛水條件下油相相對(duì)滲透率曲線(xiàn)以及非束縛水條件下水相相對(duì)滲透率曲線(xiàn)。二者疊合后，經(jīng)計(jì)算可得水驅(qū)替原油過(guò)程中油水兩相相對(duì)滲透率與樣品含水飽和度的關(guān)系曲線(xiàn)。整體上，油相相對(duì)滲透率與水相相對(duì)滲透率成反比，且隨著含水飽和度變化，兩者呈相反的變化趨勢(shì)。目的層具有含水飽和度高、含油飽和度低的特征。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 油水相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)合油水相滲曲線(xiàn)，研究區(qū)樣品可以分為3類(lèi)：Ⅰ類(lèi)物性最好，孔隙度在12%左右，等滲點(diǎn)含水飽和度在59%左右，油相及水相相對(duì)滲透率較大，整體曲線(xiàn)形態(tài)反映油水滲流能力最好；Ⅱ類(lèi)物性次之，曲線(xiàn)形態(tài)、整體特征與Ⅰ類(lèi)相似，等滲點(diǎn)含水飽和度在69%附近，油水滲流能力次之；Ⅲ類(lèi)等滲點(diǎn)含水飽和度約為88%，油相難以在儲(chǔ)層中流動(dòng)，束縛水飽和度過(guò)高，有效孔隙度小，為不利儲(chǔ)層。從曲線(xiàn)特征判斷（見(jiàn)圖8），152#樣品屬于Ⅰ類(lèi)，181#樣品屬于Ⅱ類(lèi)，278#樣品屬于Ⅲ類(lèi)。3塊樣品都屬于孔隙發(fā)育類(lèi)型，且孔隙度也相近，但滲透率卻有著較為明顯的差異。

圖8 高北斜坡中深層油水相滲曲線(xiàn)

本研究通過(guò)恒速壓汞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三者孔隙半徑相似，但喉道半徑不同，并結(jié)合油水相滲流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，明確了喉道是影響滲流的主控因素。3塊樣品在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相似的情況下，滲流能力不同，主要是因?yàn)楹淼腊霃降牟町?。通過(guò)驅(qū)油效率測(cè)定，弄清了不同喉道半徑的3塊樣品驅(qū)油效率與注入倍數(shù)的關(guān)系（見(jiàn)圖9）。由圖可以看出，181#樣品的驅(qū)油效率最高，152#樣品次之，278#樣品最低。這說(shuō)明喉道半徑越大，滲透能力越強(qiáng)，驅(qū)油效率越高。

圖9 高23-39井3塊樣品驅(qū)油效率與注入倍數(shù)的關(guān)系

5 結(jié)論

1）高北斜坡中深層儲(chǔ)層巖石類(lèi)型主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖，發(fā)育原生殘余粒間孔、次生粒間溶孔、次生粒內(nèi)溶孔和微裂隙等4種類(lèi)型孔隙。喉道類(lèi)型主要為片狀或彎片狀喉道、縮頸型喉道及管束狀喉道。根據(jù)喉道半徑大小劃分結(jié)果，主要為中—細(xì)、細(xì)—微喉道。儲(chǔ)層平均孔隙半徑120 μm，喉道半徑1.5 μm，平均孔隙度 13.5%，平均滲透率 1.9×10-3μm2，為低孔特低滲、中孔低滲儲(chǔ)層。

2）提出了高壓壓汞-恒速壓汞實(shí)驗(yàn)聯(lián)合評(píng)價(jià)微觀(guān)孔喉結(jié)構(gòu)的方法；建立了高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合評(píng)價(jià)孔喉半徑頻率分布疊合圖，并將其劃分為3個(gè)區(qū)，即高壓壓汞表征區(qū)、高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合表征區(qū)和恒速壓汞表征區(qū)。其中：高壓壓汞表征區(qū)主要表征微喉道，孔喉半徑為0.01～0.12 μm；高壓壓汞-恒速壓汞聯(lián)合表征區(qū)主要表征喉道，孔喉半徑為0.12～50.00 μm；恒速壓汞表征區(qū)主要表征孔隙，孔喉半徑大于50.00 μm。

3）儲(chǔ)層滲流能力主要受喉道控制，在相同孔隙半徑、孔隙度的情況下，喉道半徑越大，滲流能力越好，驅(qū)油效率越高。低滲儲(chǔ)層喉道半徑的大小是影響儲(chǔ)集與滲流能力的關(guān)鍵，在低滲儲(chǔ)層油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注喉道的研究。