致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)分形與分級評價
——以鶯歌海盆地樂東區(qū)黃流組為例

趙靜，黃志龍，張景緣，鄧廣君，許馬光

1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

2.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

3.中海石油（中國）有限公司海南分公司，?？?570100

4.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057

0 引言

隨著全球?qū)μ烊粴庑枨蟮娜找嬖鲩L，非常規(guī)天然氣的勘探開發(fā)已成為全球熱點，致密砂巖氣藏占據(jù)重要的位置[1-4]。由于非常規(guī)致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，儲層非均質(zhì)性較強，利用孔隙度、滲透率數(shù)據(jù)難以滿足儲層評價的需求[4-7]。致密砂巖儲層具有低孔低滲的物性特征，通過孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)評價儲層質(zhì)量，可明確儲層內(nèi)部孔喉組成對物性參數(shù)的影響[8-10]，輔助儲層形成機理、油氣水分布的研究。如今，除孔滲、鑄體薄片、掃描電鏡等實驗手段，常利用高壓壓汞、核磁共振（NMR）、CT 掃描等進行儲層定量評價[4,7,11-12]。利用高壓壓汞或核磁共振實驗結(jié)果，進行分形維數(shù)計算，能夠定量表征孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度[1,13-14]。分形維數(shù)與孔喉結(jié)構(gòu)參數(shù)具有良好相關(guān)性[14]，可劃分儲層孔喉系統(tǒng)級次[1,13]、預(yù)測滲透率[15-17]、評價儲層滲流性能等[1]，是定量評價致密砂巖儲層的一種重要手段。

鶯歌海盆地樂東區(qū)黃流組致密砂巖儲層經(jīng)歷多期成巖作用[18]。黃流組致密砂巖儲層非均質(zhì)性較強，相同孔隙度巖石的滲透率差別較大，利用孔隙度和滲透率劃分的儲層類型往往與儲層生產(chǎn)特征矛盾，而黃流組氣藏的含氣飽和度低，相鄰儲層含氣量差異較大[19]，這與儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征密不可分。因此，從致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征和微觀發(fā)育模式出發(fā)，劃分儲層類型，對于評價儲層生產(chǎn)能力具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

鶯歌海盆地是中國南部海域內(nèi)一典型大型走滑—伸展盆地，面積約11.3×104km2，盆地內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多個大中型油氣田，為一富烴盆地[20-22]（圖1a）。盆地具有高溫（地溫梯度4.0～4.5 ℃/100 m）、高壓（最大壓力系數(shù)2.3）、地層快速沉降和熱液流體充注的特點[19]。地層自下而上依次發(fā)育中新統(tǒng)三亞組（N1s）、梅山組（N1m）和黃流組（N1h），上新統(tǒng)鶯歌海組（N2y）及第四系樂東組（Qld）[20]（圖1b）。

圖1 鶯歌海盆地區(qū)域地質(zhì)概況及地層柱狀圖（據(jù)文獻[23-24]修改）Fig.1 Map of regional geology and stratigraphic histogram in the Yinggehai Basin (modified from references [23-24])

鶯歌海盆地南部樂東區(qū)黃流組致密砂巖儲層（研究區(qū)A，圖1a）發(fā)育重力流水道和海底扇沉積，是致密氣勘探的主要層位[19,23]，本文研究對象為重力流水道致密砂巖。根據(jù)Folk[25]的砂巖分類標準，黃流組砂巖主要為巖屑長石砂巖，次為長石石英砂巖。砂級碎屑組分中石英、長石、巖屑的相對含量分別為：石英含量介于68.0%～85.0%，平均值為79.8%，長石含量介于9.0%～19.3%，平均值為12.9%，巖屑含量介于3.4%～17.6%，平均值為7.3%。粒度為粗砂—中砂，分選磨圓較差，儲層滲透率較低，非均質(zhì)性較強。依據(jù)國家標準《GB/T 30501—2014致密砂巖氣地質(zhì)評價方法》，A 區(qū)黃流組砂巖儲層埋藏深度大（3 800～4 350 m），平均孔隙度為8.51%，平均滲透率為0.81×10-3μm，屬于致密砂巖儲層。

2 樣品與方法

2.1 樣品

受海上鉆井取心成本高和難度大的影響，樂東區(qū)黃流組儲層巖心樣品較少。選取13塊典型柱狀樣品（樂東區(qū)A 井黃流組，深度介于4 165～4 175 m）和16 塊典型塊狀樣品（樂東區(qū)A 井，深度介于4 165～4 175 m，樂東區(qū)C 井，深度介于3 632～3 636 m）進行薄片鑒定、場發(fā)射掃描電鏡、孔滲測量、高壓壓汞測試分析。根據(jù)Folk[25]的砂巖分類標準，A井樣品均為巖屑長石砂巖，3 種砂級碎屑組分中，石英平均相對含量為75.1%，長石為14.2%，巖屑為10.8%。填隙物包括碳酸鹽膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物、泥質(zhì)雜基、黃鐵礦等，碳酸鹽膠結(jié)物含量高、非均質(zhì)性強，鐵方解石在碳酸鹽膠結(jié)物中占比最高（平均為75.0%）。砂巖分選較差—差、磨圓中等—較差，砂巖內(nèi)中粒—粗粒的顆粒占比約70%，依照Folk[26]劃分標準樣品為中砂巖。高壓壓汞實驗按照GB/T 29171—2012《巖石毛管壓力曲線的測定》進行，實驗在AutoPore Ⅳ 9505孔隙分析儀上完成，實驗溫度為25 ℃，最大進汞壓力為200 MPa，對應(yīng)孔喉半徑為0.004 μm。

2.2 方法

分形理論是根據(jù)不規(guī)則形體的自相似性來研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種方法[27]。前人研究發(fā)現(xiàn)，分形理論可應(yīng)用于砂巖、碳酸巖、泥頁巖等復(fù)雜巖性的孔隙結(jié)構(gòu)表征中[28-29]。利用分形維數(shù)D 可定量表征儲層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和不規(guī)則程度，D 值一般介于2～3[29-30]。分形維數(shù)越小，即數(shù)值越接近于2，表明孔隙形狀越規(guī)則、孔隙表面越光滑，儲層類型越好[14,28]，因此利用分形維數(shù)可定量反映致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征及復(fù)雜性。

由于高壓壓汞實驗在致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)評價中更為常用[28]，因此利用高壓壓汞曲線計算樂東區(qū)黃流組致密砂巖儲層分形維數(shù)，進行儲層孔隙結(jié)構(gòu)評價。雖然分形維數(shù)存在多種計算模型，但是這些模型對于儲層孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性和復(fù)雜程度的表征意義是相同的[14,29,31]。

依據(jù)幾何原理計算分形維數(shù)的計算公式表示為[27]：

式中：r為孔隙半徑（μm）；N為孔隙半徑大于r的孔喉數(shù)量；rmax為最大孔隙半徑（μm）；P（r）為孔隙半徑的密度分布函數(shù)；a為常數(shù)系數(shù)（a=1為管狀孔隙模型，a＝為球狀孔隙模型）；D為分形維數(shù)[27-29]。

根據(jù)Washburn[32]方程，利用高壓壓汞曲線可求出孔隙半徑r：

式中：σ為空氣與汞之間的表面張力（N/m）；θ為汞潤濕角（°）；Pc為進汞壓力（MPa）。汞為非潤濕相，σ一般取0.48 N/m，θ為140°[13,28,32]。

結(jié)合壓汞曲線，儲層分形維數(shù)計算公式可表示為：

對（3）式進行對數(shù)變換，并將（4）式帶入（3）式中，可得出基于高壓壓汞曲線的分形維數(shù)計算公式：

式中：Pc為進汞毛管壓力（MPa）；Pmin為最大孔隙半徑對應(yīng)的毛管壓力（MPa）；Sw為各毛管壓力對應(yīng)的潤濕相飽和度（%）；SHg為累計進汞飽和度（%）[13,28-29]。在（5）式中，lg(1-SHg)和lgPc可以利用高壓壓汞實驗獲得，參數(shù)D-3為lg(1-SHg)與lgPc線性相關(guān)的斜率，進而求取分形維數(shù)（D）。

3 致密砂巖儲層特征

3.1 儲層典型成巖作用及成巖相

黃流組儲層主要發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)作用、溶蝕作用、黏土礦物膠結(jié)作用和壓實作用（圖2a～d’）[33]。砂巖儲層的成巖作用特征具有明顯差別，根據(jù)成巖作用的差異性可以分為四種類型的成巖相。

圖2 鶯歌海盆地研究區(qū)A 黃流組儲層成巖作用與孔喉類型發(fā)育特征（a）A井，4 169.32 m，鑄體薄片，方解石膠結(jié)物充填孔隙空間（黃色箭頭）；（a’）A井，4 169.32 m，掃描電鏡，集合體方解石膠結(jié)物（黃色箭頭）；（b）A井，4 167.14 m，鑄體薄片，發(fā)育鐵方解石膠結(jié)物（粉色箭頭）和生物格架（黃色箭頭）；（b’）A井，4 167.14 m，掃描電鏡，絲狀自生伊利石（黃色箭頭）；（c）A井，4 174.00 m，鑄體薄片，長石（黃色箭頭）、巖屑（粉色箭頭）發(fā)生溶蝕作用；（c’）A井，4 174.00 m，掃描電鏡，長石粒內(nèi)溶蝕孔（黃色箭頭）；（d）A井，4 172.77 m，鑄體薄片，顆粒間為凹凸接觸（黃色箭頭），長石微弱溶蝕（粉色箭頭）；（d’）A井，4 172.77 m，掃描電鏡，蜂窩狀自生伊利石（黃色箭頭）；（e）A井，4 169.13 m，鑄體薄片，發(fā)育殘余粒間孔（黃色箭頭）、粒間溶蝕孔（粉色箭頭）、彎片狀喉道（虛線）；（f）A井，4 169.52 m，鑄體薄片，發(fā)育鑄?？祝S色箭頭）、束狀喉道（虛線）；（g）A井，4 174.00 m，鑄體薄片，發(fā)育生物格架溶蝕孔（黃色箭頭）、粒間溶蝕孔（粉色箭頭）、束狀喉道（虛線）；（h）A井，4 168.15 m，鑄體薄片，長石粒內(nèi)溶蝕孔（黃色箭頭）；（i）A井，4 166.35 m，鑄體薄片，顆粒與膠結(jié)物間發(fā)育管束狀喉道（虛線）；（j）A井，4 169.32 m，鑄體薄片，發(fā)育生物格架溶蝕孔（黃色箭頭）；（k）A井，4 170.51 m，掃描電鏡，發(fā)育方解石晶間孔（黃色箭頭）；（l）C井，3 632.90 m，鑄體薄片，順層微裂縫（黃色箭頭）Fig.2 Diagenesis and pore throat characteristics of sandstone reservoirs from the Huangliu Formation of area A,Yinggehai Basin(a) well A,4 169.32 m,cast thin section,calcite cements fill the pore space (yellow arrow);(a’) well A,4 169.32 m,scanning electron microscope (SEM),aggregate calcite cements(yellow arrow);(b) well A,4 167.14 m,cast thin section,iron calcite cements (pink arrow) and biological framework (yellow arrow) are developed;(b’) well A,4 167.14 m,SEM,developed authigenic illite (yellow arrow);(c) well A,4 174.00 m,cast thin section,feldspar (yellow arrow) and rock debris (pink arrow) are dissolved;(c’) well A,4 174.00 m,SEM,developed dissolution pores in feldspar grains (yellow arrow);(d) well A,4 172.77 m,cast thin section,concave convex contact between particles (yellow arrow),weak dissolution of feldspar (pink arrow);(d’) well A,4 172.77 m,SEM,honeycomb authigenic illite (yellow arrow);(e) well A,4 169.13 m,cast thin section,developed primary intergranular pores (yellow arrow),intergranular dissolution pores (pink arrow) and curved lamellar throat (dotted line);(f) well A,4 169.52 m,cast thin section,developed mold hole (yellow arrow) and bundle throat (dotted line);(g) well A,4 174.0 m,cast thin section,developed biological framework dissolution pore (yellow arrow),intergranular dissolution pore(pink arrow) and fascicular throat (dotted line);(h) well A,4 168.15 m,cast thin sections,developed dissolution pores in feldspar grains (yellow arrow);(i) well A,4 166.35 m,cast thin section,develops tube bundle throat between cement and particles (dotted line);(j) well A,4 169.32 m,develops biological framework corrosion pores (yellow arrow);(k)well A,4 170.51 m,SEM,developed calcite intergranular pores (yellow arrow);(l) well C,3 632.90 m,cast thin section,developed interlayer microcracks (yellow arrow)

第一種成巖相中方解石膠結(jié)物發(fā)育嵌晶結(jié)構(gòu)（圖2a），具有半自形晶形態(tài)（圖2a’），顆粒間為不接觸—點接觸，分選較差，磨圓中等，膠結(jié)物占據(jù)孔隙空間，溶蝕作用很弱，為強膠結(jié)成巖相。第二種成巖相中局部發(fā)育鐵方解石膠結(jié)物（圖2b），溶蝕作用較弱，孔喉中發(fā)育絲狀伊利石（圖2b’），顆粒間為線接觸，分選較差，磨圓中等，為弱膠結(jié)—弱溶蝕成巖相。第三種成巖相中長石與巖屑發(fā)生強烈溶蝕（圖2c，c’），碳酸鹽膠結(jié)物不發(fā)育，顆粒間為線接觸，分選較差，磨圓中等，為強溶蝕成巖相。第四種成巖相不發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)物，溶蝕作用較弱，顆粒間為凹凸接觸（圖2d），孔隙中發(fā)育蜂窩狀伊利石（圖2d’），壓實作用較強，分選中等，磨圓較好，為強壓實成巖相。不同的成巖作用導(dǎo)致了孔喉類型的差異性。

3.2 儲層孔喉類型

根據(jù)鑄體薄片和場發(fā)射掃描電鏡觀察，樂東區(qū)黃流組致密砂巖儲層主要發(fā)育殘余粒間孔（圖2e）、粒間溶蝕孔（圖2e，g）、鑄?？祝▓D2f）、生物格架溶蝕孔（圖2g，j）粒內(nèi)溶蝕孔（圖2h）、極少量晶間孔（圖2k）。喉道類型主要包括彎片狀喉道（圖2e）、束狀喉道（圖2f）、管束狀喉道（圖2i）三類。儲層內(nèi)發(fā)育順層微裂縫（圖2l）。

黃流組儲層中的殘余粒間孔常與溶蝕孔伴生，溶蝕孔隙是酸性流體與巖石中易溶組分作用的產(chǎn)物，多見長石溶蝕孔、巖屑溶蝕孔和生物格架溶蝕孔（圖2e～g，j），長石多沿解理縫發(fā)生溶蝕（圖2j），發(fā)育少量鑄?？?，少見碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕孔發(fā)育。粒內(nèi)溶蝕孔為長石、巖屑等礦物差異溶蝕形成，孔隙粒徑較?。▓D2h）。晶間孔與自生礦物的生長或沉淀密切相關(guān)[1]，如碳酸鹽膠結(jié)物晶間孔、黃鐵礦晶間孔等（圖2k）。黃流組黏土礦物以伊利石為主（圖2b’，d’），多堵塞喉道空間。喉道類型同樣受成巖作用影響，剛性礦物含量越多壓實作用越弱，彎片狀—束狀喉道發(fā)育（圖2e，f），酸性流體進入孔隙所受的毛細管阻力小，溶蝕作用較發(fā)育；膠結(jié)物大量發(fā)育，或壓實作用較強，喉道多細窄彎曲，為管束狀喉道形態(tài)（圖2i）。

儲層質(zhì)量與孔喉類型存在明顯規(guī)律，儲層質(zhì)量越好，殘余粒間孔越多，溶蝕孔隙越發(fā)育，彎片狀喉道越發(fā)育。而致密儲層往往受到了強烈的膠結(jié)作用或者壓實作用，酸性流體難與易溶組分充分接觸，溶蝕孔不發(fā)育。

3.3 儲層孔喉分布特征

高壓壓汞實驗中的進汞曲線可以反映孔喉連通情況、孔喉分布特征等[34]。黃流組致密砂巖儲層物性變化較大，13 個典型樣品的孔隙度介于2.06%～11.76%，平均值為7.18%；滲透率介于（0.09～1.26）×10-3μm，平均值為0.50 ×10-3μm。進汞曲線為“斜直型”（圖3a），排替壓力越小平臺區(qū)間越明顯，大孔喉的比例更多（圖3b），表明分選性越好的儲層孔喉半徑越大、連通性越好。最大進汞飽和度介于68.80%～96.20%，排替壓力介于0.14～2.75 MPa，平均孔喉半徑介于0.08～1.10 μm，隨著儲層物性變差，排替壓力增大、平均孔喉半徑變小，汞進入孔喉空間需克服的毛細管力增大（圖4）。

圖3 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組致密儲層高壓壓汞實驗結(jié)果（a）進汞曲線圖；（b）孔喉半徑分布頻率圖Fig.3 High-pressure mercury intrusion experiment results of tight reservoirs in the Huangliu Formation,area A,Yinggehai Basin(a) mercury injection curves;(b) distribution frequency of pore-throat radius

圖4 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組致密儲層排替壓力、平均孔喉半徑與儲層物性的關(guān)系Fig.4 Relationship between displacement pressure,average pore-throat radius,porosity,and permeability of the tight reservoir in the Huangliu Formation,area A,Yinggehai Basin

孔喉半徑呈雙峰分布（圖3b），儲層類型越好，大孔喉占比越高。在致密儲層中，雖然小孔喉占比較高，但是大孔喉對滲透率的貢獻值可達90%。

4 微觀孔喉結(jié)構(gòu)對物性的控制作用

4.1 孔隙結(jié)構(gòu)分形維數(shù)

通過計算黃流組致密儲層樣品的分形維數(shù)D（計算方法見本文2.2），可定量評價儲層孔喉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，輔助致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征的研究。

其中l(wèi)gSHg-lgPc曲線的線性擬合關(guān)系的斜率為D-3，進而計算出分形維數(shù)數(shù)值。其中SHg＜5%的部分受樣品不平整的影響，不能反映真實的孔喉空間特征。部分樣品發(fā)育較多連通孔喉，SHg可高于95%，但當SHg＞95%時進汞壓力迅速增大，破壞毛細管阻力。因此選取SHg在5%～95%的實驗數(shù)值進行研究。黃流組致密儲層的孔喉半徑為兩段式分布（圖3b），受其影響，進汞曲線常具有分段性特征[14]。分別計算了整體分形維數(shù)D，相關(guān)系數(shù)為R（圖5a、表1）；分段的分形維數(shù)Dmax（大孔喉分形維數(shù)）、Dmin（小孔喉分形維數(shù)），相關(guān)系數(shù)分別為Rmin和Rmax（圖5b、表1）。

表1 鶯歌海盆地A區(qū)黃流組分形維數(shù)及孔隙度分級計算結(jié)果Table 1 Calculation results of fractal dimension and porosity classification of the Huangliu Formation in area A,Yinggehai Basin

圖5 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組高壓壓汞分形參數(shù)擬合關(guān)系圖Fig.5 Scatter diagram of the lgSHg and lgPc in the Huangliu Formation,area A,Yinggehai Basin

D值介于2.55～2.80，平均值為2.66，與滲透率和孔隙度呈負相關(guān)（圖6a）。Dmax是壓汞曲線前半段的分形維數(shù)，進汞壓力小，代表大孔喉的分形特征，值介于2.56～2.88，平均值為2.69；Dmin是壓汞曲線后半段的分形維數(shù)，進汞壓力大，代表小孔喉分形特征，值介于2.13～2.83，平均值為2.48。其中Dmax值與孔隙度、滲透率的相關(guān)性較強（圖6b），且優(yōu)于D值，而Dmin值與孔滲關(guān)系較差（圖6c），表明大孔喉的孔隙結(jié)構(gòu)是影響致密砂巖儲層儲集和滲流能力的重要因素之一。R的平均值為0.97，Rmax的平均值為0.99，Rmin的平均值為0.98，分段擬合的回歸關(guān)系相較于整段擬合更好，因此Dmax和Dmin參數(shù)具有實際意義，孔隙結(jié)構(gòu)分級評價是有必要的。

圖6 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組高壓壓汞分形維數(shù)與孔隙度、滲透率關(guān)系圖Fig.6 Relationship between fractal dimension,porosity,and permeability of the Huangliu Formation,area A,Yinggehai Basin

lgSHg-lgPc圖中前后兩段線性擬合曲線的交點對應(yīng)的孔喉半徑為分界點的半徑值，前人研究表明分界點的半徑與孔喉峰值半徑近乎相等[10]。依據(jù)黃流組儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合分形維數(shù)進行孔喉結(jié)構(gòu)分級評價。分界點的半徑值將儲層孔隙結(jié)構(gòu)分為兩種類型，大孔喉的孔喉半徑大于分界點半徑值，孔隙度為Φmax；小孔喉的孔喉半徑小于分界點半徑值，孔隙度為Φmin，汞在高驅(qū)動力下可以進入；汞未能進入的孔喉空間不賦存可動流體，為死孔喉，孔隙度為Φwi，樣品總孔隙度為Φ（表1）。不同規(guī)?？紫抖扰c分形維數(shù)均存在良好的相關(guān)性（圖7a～c），其中Φmax與Dmax的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.907 2（圖7a）。

圖7 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組孔隙度分級評價與分形維數(shù)、孔隙度、滲透率的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the porosity grading evaluation and the fractal dimension,porosity,and permeability of the Huangliu Formation in area A,Yinggehai Basin

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)分級評價及對儲層的影響

不同級次孔喉在儲層中的分布存在明顯差別，Φmax的平均值為5.03%（0.85%～9.25%），Φmin的平均值為0.09%（0.03%～0.26%），Φwi的平均值為2.06%（0.80%～3.50%）。Φmax與孔隙度和滲透率均明顯正相關(guān)（圖7d），Φmin僅與滲透率相關(guān)性較強（圖7e），Φwi與滲透率和孔隙度均為弱相關(guān)（圖7f）。說明在致密儲層中大孔喉越多儲層物性越好（表1）。連通的小孔喉空間，不僅占比較少，對孔滲的影響也有限，這部分孔喉對儲層物性的影響較低。

致密砂巖儲層中流體的滲流能力是評價儲層有效性的關(guān)鍵，不同級別孔喉對儲層的滲流能力的影響存在差異。D、Dmax與孔隙度和滲透率均呈負相關(guān)關(guān)系（圖6a，b），分形維數(shù)越大，致密儲層的孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，儲層物性越差。致密砂巖儲層經(jīng)歷了多期減孔的成巖作用，孔喉細小，類型多樣，但優(yōu)質(zhì)儲層受溶蝕作用或早期碳酸鹽膠結(jié)物支撐作用的影響，儲層孔喉空間較大，細小復(fù)雜的孔喉類型發(fā)育較少，分形維數(shù)接近于2。Dmax值越大，Φmax越?。▓D7a），但是Dmin值越大，Φmin、Φwi越大（圖7b，c）?？紫督Y(jié)構(gòu)越復(fù)雜，儲層中連通的大孔喉空間越少，細小的喉道增加了不可動孔隙空間的占比，小孔喉和孤立孔喉的含量略有增長。

4.3 致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)分級評價模型

對致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)進行分級評價，首先要確定孔隙結(jié)構(gòu)的分級標準是否有實際意義。圖8a 表明，壓汞分形的分界點半徑值與Φmin呈正相關(guān)，即兩段式壓汞分形分界點與連通的大小孔喉存在聯(lián)系，即分界點半徑值越大，連通的小孔喉越多。Φmax與Dmax、Φmax與孔滲的相關(guān)性較高（圖7a，d），大孔喉可以更有效地表征儲層質(zhì)量和孔喉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

圖8 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組儲層孔喉結(jié)構(gòu)評價參數(shù)散點圖Fig.8 Scatter diagram of pore-throat structure evaluation parameters from the Huangliu Formation reservoirs in area A of Yinggehai Basin

根據(jù)分形理論，當一個對象二向等比例延展，分形維數(shù)為2，三向等比例延展時，分形維數(shù)則為3，分形維數(shù)的變化可以反映孔隙結(jié)構(gòu)特征及差異[10,35]。Φmax占孔隙總體積越小，Dmax越大（圖8b），儲層平均孔喉半徑越?。▓D8c），儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征越接近三向等比例延展孔喉模型，喉道更細小狹長。

根據(jù)致密砂巖儲層的孔喉半徑、成巖作用、分形維數(shù)特征（圖9）[33]，將鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組儲層劃為四種類型。

圖9 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)分級評價模式圖（據(jù)文獻[33]修改）（a～d）孔喉半徑的分布頻率；（e）A井，4 166.35 m，鑄體薄片，膠結(jié)物極發(fā)育；（f）A井，4 167.14 m，鑄體薄片，發(fā)育鐵方解石膠結(jié)物和溶蝕孔；（g）A井，4 165.85 m，鑄體薄片，發(fā)育溶蝕孔；（h）A井，4 172.77 m，鑄體薄片，碎屑顆粒間為凹凸接觸；（i～l）孔隙結(jié)構(gòu)的微觀模型；（m～p）孔隙結(jié)構(gòu)的球棍模型Fig.9 Pore structure grading evaluation model of tight sandstone reservoirs in the Huangliu Formation,area A,Yinggehai Basin(modified from reference [33]）(a-d) the distribution frequency of pore-throat radius;(e) well A,4 166.35 m,cast thin section,cements extremely developed;(f) well A,4 167.14 m,cast thin section,developed ferrocalcite cements and dissolution pore;(g) well A,4 165.85 m,cast thin section,developed dissolution pore;(h) well A,4 172.77 m,cast thin section,developed concave-convex contact between clastic particles;(i-l) microscopic model of pore structure;(m-p) club model of pore structure

類型Ⅰ為小孔喉優(yōu)勢型致密儲層，大孔喉孔隙度占比小于45%，D值為2.7～2.8，Dmax值為2.75～2.9，孔喉半徑分布曲線為雙峰型小孔喉優(yōu)勢（圖9a），碳酸鹽膠結(jié)物異常發(fā)育，溶蝕作用較弱，多發(fā)生在易溶組分邊緣，溶蝕礦物包括鈣質(zhì)生物格架、長石、巖屑，為強膠結(jié)成巖相（圖9e）?？缀戆霃街兄递^?。▓D8c），孔喉復(fù)雜程度高，為微孔極細喉型，喉道細窄彎曲（圖9i），喉道與孔隙多單點連接，發(fā)育孤立孔隙，孤立點—單點連接束狀喉道形態(tài)（圖9m）。

類型Ⅱ為大—小孔喉連續(xù)型低滲儲層，大孔喉孔隙度占比45%～70%，D值為2.6～2.8，Dmax值為2.7～2.85，孔喉半徑分布曲線為雙峰型無明顯優(yōu)勢，孔喉半徑分布較連續(xù)（圖9b）。碳酸鹽膠結(jié)物較發(fā)育，溶蝕作用較弱，多為巖屑長石發(fā)生溶蝕，為弱膠結(jié)—弱溶蝕成巖相（圖9f）?？缀戆霃街兄底兓^大（圖8c），孔喉復(fù)雜。孔隙半徑較大但數(shù)量有限，喉道較彎曲（圖9j），喉道與孔喉呈單點或多點連接，少發(fā)育孤立孔隙，單點—多點連接彎片狀喉道形態(tài)（圖9n）。

類型Ⅲ為大孔喉優(yōu)勢型優(yōu)質(zhì)儲層，大孔喉孔隙度占比大于70%，D值為2.55～2.6，Dmax值為2.55～2.65，孔喉半徑分布曲線為雙峰型大孔喉優(yōu)勢（圖9c）。砂巖內(nèi)膠結(jié)物不發(fā)育，原生粒間孔和溶蝕孔隙發(fā)育，巖屑長石溶蝕作用強烈，強溶蝕成巖相（圖9g）。孔喉半徑中值偏大，但變化較大（圖8c），喉道短而粗，孔喉復(fù)雜程度較低。孔隙半徑較大且數(shù)量多，喉道較粗（圖9k），喉道與孔隙為多點連接，幾乎不發(fā)育孤立孔隙，網(wǎng)狀連接粗喉形態(tài)（圖9o）。

類型Ⅳ為大孔喉單峰型低滲儲層，大孔喉孔隙度占比50%～60%（圖8b），D值為2.7～2.8，Dmax值為2.65～2.75，孔喉半徑分布曲線為單峰型（圖9d）。砂巖中膠結(jié)物不發(fā)育，雜基含量較高，儲層強烈壓實，發(fā)育粒間溶蝕孔，強壓實成巖相（圖9h）。壓汞曲線僅反映連通的大孔喉，孔喉半徑中值較高（圖8c）。受壓實作用和黏土礦物堵塞喉道的影響，喉道狹窄彎曲，毛細管作用下可動流體空間有限（圖9l），喉道與孔隙為多點連接管束狀喉道形態(tài)（圖9p）。

5 儲層分級預(yù)測模型

Fisher 判別是將m 維空間的變量組合投影到維數(shù)較低的n維空間中，然后在較低的n維空間再進行分類，使每一類的類內(nèi)離差盡可能小，組間離差盡可能大[36]。因此利用統(tǒng)計學(xué)Fisher判別的方法，可將高維空間的參數(shù)降至二維空間，并在二維空間中定義類型劃分的界限值。不同級次儲層在孔隙結(jié)構(gòu)特征、物性、成巖作用類型、分形維數(shù)等方面存在明顯差異，因此依據(jù)滲透率、孔隙度、Dmax參數(shù)，通過Fisher判別可對儲層類型進行劃分與預(yù)測。

以13 塊巖心樣品的儲層分類為基礎(chǔ)（圖9），建立Fisher 判別函數(shù)模型（F1、F2，公式6，7）。根據(jù)F1值、F2 值的分布特征，確定各級次儲層的界限值，最終結(jié)果如圖10 所示。由于Ⅳ類儲層（大孔喉單峰型低滲儲層）僅有一個樣品點（XL15），且樣品孔喉結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性強，雖然Φwi含量較高（表1），但孔滲較好，利用Fisher判別難以確定Ⅳ類儲層與Ⅲ類儲層的界線。Ⅳ類儲層中雜基與黏土含量較高，在自然伽馬曲線（GR）中具有偏大的尖峰形態(tài)，因此認為Ⅳ類儲層為：F1＞0，GR為尖峰形態(tài)，呈薄層發(fā)育在砂巖內(nèi)部。儲層評價的劃分標準見表2所示。

表2 鶯歌海盆地A區(qū)黃流組致密砂巖儲層分級評價劃分標準Table 2 Classification criteria of tight sandstone reservoirs in the Huangliu Formation,area A,Yinggehai Basin

圖10 鶯歌海盆地A 區(qū)黃流組致密砂巖儲層分級評價Fisher 判別Fig.10 Fisher discrimination chart for tight sandstone reservoirs in the Huangliu Formation,area A,Yinggehai Basin

根據(jù)測井曲線響應(yīng)特征，建立F1、F2 的測井預(yù)測模型（公式8，9），依據(jù)不同級次儲層的F1、F2的劃分標準和自然伽馬曲線特征，預(yù)測儲層類型，為儲層質(zhì)量和儲層內(nèi)氣水關(guān)系的評價奠定基礎(chǔ)（圖11）。

圖11 鶯歌海盆地A 區(qū)A 井儲層分級類型評價與氣水關(guān)系單井圖Fig.11 Single well diagram of reservoir classification type evaluation and gas water relationship of well X1 in area A,Yinggehai Basin

式中：DEN 為密度測井，g/cm3；AC 為聲波時差測井，μs/ft；Rt 為電阻率測井，Ω·m；GR 為自然伽馬測井，API。

6 致密砂巖儲層氣水分布

致密砂巖儲層的滲流能力是評價儲層有效性的關(guān)鍵參數(shù)之一[1]。儲層的排替壓力、平均孔喉半徑、分形維數(shù)等與滲透率存在良好的相關(guān)關(guān)系（圖4a，b、圖6），其中分形維數(shù)與孔隙度存在相關(guān)性（圖7a～c），大孔喉空間的復(fù)雜程度對儲層的滲流能力存在影響（圖7a），孔喉空間的發(fā)育規(guī)律與儲層成巖作用密不可分（圖9）。儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征對含氣性存在明顯影響。

由于氣藏內(nèi)氣水關(guān)系不僅受儲層質(zhì)量的影響，還與構(gòu)造部位、泥巖隔夾層、天然氣運移動力等相關(guān)。為減少除儲層類型以外因素的影響，砂體內(nèi)部儲層分級類型與儲層氣水分布情況進行分析（以A井黃流組二段H2-Ⅱ、H2-Ⅲ砂組為例）。

研究區(qū)黃流組重力流水道砂巖中的主要礦物成分相對含量為（全巖X 衍射實驗數(shù)據(jù)來自中海石油（中國）有限公司海南分公司）：石英含量介于36.0%～88.0%，平均值為58.5%，長石含量介于6.0%～23.0%，平均值為13.0%，碳酸鹽膠結(jié)物含量介于0～40.0%，平均值為19.2%，黏土礦物含量介于1.0%～19.0%，平均值為9.3%。剛性礦物約占90%，塑性黏土礦物含量較低，強壓實成巖相成因的Ⅳ類儲層在研究區(qū)較不發(fā)育，對儲層氣水分布的影響較小。但Ⅳ類儲層可以作為低滲層對氣層進行封隔（圖11，4 060～4 090 m）。在圖11中可看出Ⅲ類儲層較相鄰其他類型儲層，氣測響應(yīng)增強，尤其當Ⅲ類儲層在砂巖頂部發(fā)育時（圖11，4 060～4 070 m），儲層含氣飽和度明顯增大，Ⅱ類儲層、Ⅰ類儲層中氣測響應(yīng)逐漸降低，表明喉道越細小狹窄、孔喉連通節(jié)點越少、大孔喉復(fù)雜程度越高、孔隙空間越?。▓D9），致密砂巖儲層含氣量越低。在Ⅰ類儲層較發(fā)育段，雖然儲層含氣飽和度約為50%，但儲層含氣量較低，產(chǎn)能較差（圖11，4 120～4 130 m）。綜上所述，Ⅲ類儲層儲集能力和滲流性能力強，儲層產(chǎn)氣效能高，具有良好的勘探價值，Ⅳ類儲層可作為Ⅲ類儲層內(nèi)遮擋層，Ⅰ類儲層致密，儲集能力有限。因此，利用儲層分級評價模型，可為致密砂巖儲層產(chǎn)能評價提供新的研究思路。

7 結(jié)論

（1）鶯歌海盆地樂東區(qū)黃流組致密砂巖儲層的孔喉半徑越大、連通性越好，大孔喉發(fā)育，分形維數(shù)越接近2。Dmax值與孔滲的相關(guān)性最強，大孔喉的孔隙結(jié)構(gòu)特征是影響致密砂巖儲層儲集能力和滲流能力的重要因素之一。基于壓汞曲線和分形理論將致密砂巖劃分為大孔喉、小孔喉、孤立孔喉三個級次，其中大孔喉的孔隙度與孔滲關(guān)系最好。

（2）建立了致密砂巖儲層分級評價的四種模型：類型Ⅰ為小孔喉優(yōu)勢型儲層，強膠結(jié)成巖相，大孔喉孔隙度占比小于45%，D值為2.7～2.8，Dmax值為2.75～2.9，致密儲層；類型Ⅱ為大—小孔喉連續(xù)型儲層，弱膠結(jié)—弱溶蝕成巖相，大孔喉孔隙度占比45%～70%，D值為2.6～2.8，Dmax值為2.7～2.85，低滲儲層；類型Ⅲ為大孔喉優(yōu)勢型儲層，強溶蝕成巖相，大孔喉孔隙度占比大于70%，D值為2.55～2.6，Dmax值為2.55～2.65，優(yōu)質(zhì)儲層；類型Ⅳ為大孔喉單峰型儲層，強壓實成巖相，大孔喉孔隙度占比50%～60%，D值為2.7～2.8，Dmax為2.65～2.75，低滲儲層。

（3）利用儲層滲透率、孔隙度、Dmax參數(shù)，通過Fisher判別方法，建立了儲層類型測井預(yù)測模型。在相同地質(zhì)背景條件下，Ⅲ類儲層、Ⅱ類儲層、Ⅰ類儲層的氣測響應(yīng)逐漸降低，Ⅲ類儲層儲集能力和滲流能力強，儲層產(chǎn)氣效能高，具有良好勘探價值，Ⅳ類儲層可作為砂體內(nèi)遮擋層，Ⅰ類儲層的儲集能力有限。

（4）基于成巖作用、孔喉結(jié)構(gòu)特征、分形理論可劃分儲層類型，儲層的含氣性特征與儲層類型密切相關(guān)，研究儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征具有重要意義。需要指出的是儲層孔隙結(jié)構(gòu)對氣藏形成時含氣性變化的影響還需進一步研究。

致謝 感謝中海石油（中國）有限公司海南分公司提供鶯歌海盆地的相關(guān)實驗測試資料、巖心樣品、錄井測井資料等，并對低滲—致密砂巖的研究提出了寶貴的意見。感謝中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室對儲層相關(guān)實驗測試的幫助。