基于岩石铸体切片与恒速压汞测试的储层孔隙分布表征及差异机制剖析—

1.北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.北京大学石油与天然气研究中心, 北京 100871; 3.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第一采油厂, 延安 716000; †通信作者, E-mail: sym@vip.163.com

摘要以鄂尔多斯盆地某区块延长组长 2 段为研究对象, 联合场发射扫描电镜与图像处理技术, 开展铸体切片观察和处理以及恒速压汞测试, 并对其表征的孔隙分布特征进行统计及差异机制分析。对铸体切片进行阈值划分图像二值化处理后, 得到孔径分布具有连续性等优点。与恒速压汞得到的孔径分布进行比较, 发现二者在反映主体孔径时具有一致性。

储层孔隙结构指岩石具有的孔隙和喉道的几何形态、大小、分布及其相互连通关系。测定岩石孔隙结构的方法很多, 包括直接法和间接法。直接法包括铸体切片和扫描电镜等; 间接法包括压汞、CT扫描、核磁共振和氮吸附等。一般认为, 研究孔隙结构最有效的方法是压汞法与图像分析法相结合[1]。

铸体切片法可以直接观察孔喉的大小、形态及分布, 但局限于定性-半定量分析。恒速压汞法可以得到较准确的孔喉尺寸和分布, 但无法表征孔喉形态以及孔喉表面黏土矿物发育情况等细节信息。两种方法相结合, 能够更好地反映储层的孔隙结构特征。对铸体切片做图像处理而得到定量参数, 再与恒速压汞得到的参数做比较, 是目前常用的联合多种方法分析孔隙结构的重要手段。

储层岩石的孔隙结构研究对储层分类评价、剩余油分布研究以及产能预测等具有重要意义, 近年来国内石油学界对储层孔隙结构的表征有颇多研究成果。范宜仁等[2]通过图片二值化提取的面孔率和平均孔喉半径, 与气测孔隙度和压汞曲线的平均孔喉半径都有良好的相关性。肖佃师等[3]联合恒速压汞和核磁共振的方法, 确定管状孔隙和球形孔隙的全孔隙分布。赵华伟等[4]发现恒速压汞受最高驱替压力的限制, 最大汞饱和度较低, 无法表征半径小于 0.12μm 的孔喉。刘颜等[5]用 sigma 做滤波处理后, 进行阈值划分图像二值化处理, 通过计点统计的方法, 得到等效孔隙直径和圆度等参数与压汞参数排驱压力和变异系数呈幂指数关系。卢晨刚等[6]对铸体切片照片做二值化处理后, 提取非均质参数U, 发现 U 与孔渗呈负相关关系。宋磊等[7]发现高压压汞和恒速压汞两种方法得出的孔径分布有所不同, 高压压汞只在<1μm 的纳米孔处有一个峰值, 恒速压汞在<1μm 的纳米孔和约 100μm 的大孔处有两个峰值, 两种曲线表征的结果都不是连续或完整的孔径分布。吴浩等[8]认为高压压汞对大孔隙有屏蔽作用, 因此联合高压压汞和恒速压汞共同表征孔隙分布特征。周万东[9]通过恒速压汞网络模拟实验, 表明系统毛管压力的波动能够提供一部分关于储层岩石的孔喉分布信息, 也能够得到表征储层孔喉特点的毛管压力曲线, 解决了对恒速压汞原理的质疑问题。Du 等[10-11]采用伞状取样(八切向)和扫描电镜大视域拼接等方法, 解决了扫描电镜精确度与代表性及各向异性的矛盾。张艳等[12]用贝叶斯分类设置阈值, 对图像进行二值化处理, 得到孔隙直径和形状因子等参数与压汞参数排驱压力和中值半径呈对数关系。欧阳思琪等[13]联合恒速压汞和核磁共振的方法, 对恒速压汞得到的孔喉比做出修正。杜玉洪等[14]结合恒速压汞和核磁共振, 总结孔径对可动流体饱和度和驱油效率等的影响。

为了更好表征储层孔隙结构, 本文以鄂尔多斯盆地某区块延长组长 2 段为研究对象, 对比铸体切片图像处理和恒速压汞测试两种方法得到的孔径分布, 并分析其差异机制。

1 地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地二级构造单元陕北斜坡中东部的西倾鼻状隆起带(图 1), 上三叠统延长组长 2 油层组是该井区的主要产油层。该产油层属扇三角洲前缘亚相沉积, 三角洲前缘水下分流河道砂体为主要储集层。

研究区长 2 地层储层物性较差, 孔隙度主要分布在 12%~23%范围, 平均 17.6%; 渗透率主要分布在(0.1~60)×10-3μm2之间, 平均2.76×10-3μm2 [15-18]。

2 实验样品

本文实验样品取自鄂尔多斯盆地某区块长 2 储层, 其岩性类型、孔隙类型、孔隙度和渗透率等基本信息见表 1。其中, 1~4 号样品同时完成恒速压汞实验和铸体切片实验, 可以进行实验结果的对比。从表 1 可知, 1~4 号样品孔隙度差别很小, 变化范围为 18.48%~19.89%; 渗透率差别则较大, 变化范围为(20.66~59.42)×10-3μm2。由此可见, 孔隙结构对储层渗透率有较大的影响。

如图 2 所示, 样品中主要骨架矿物为石英和长石, 岩屑和云母含量丰富, 颗粒在一定程度上定向排列, 颗粒表面被黏土矿物包裹(如图 2(e)和(f)中箭头所示)。

孔隙类型以残余粒间孔和溶蚀孔为主(如图2(c)中箭头所指为长石粒内溶孔)。孔隙空间发育具有一定程度的非均质性和定向性, 孔隙呈群落状分布(图 2(a)), 这是由云母等塑性矿物变形造成的。如 2(c)所示, 颗粒间紧密接触, 多为颈缩型喉道和片状喉道。

3 实验流程与结果

3.1 恒速压汞实验

对 4 块样品进行恒速压汞实验, 基本数据如表2 所示, 恒速压汞曲线如图 3 所示。综合表 2 和图 3的数据, 可以发现样品 1 和 4 可能属于同一类型, 样品 2 和 3 可能属于另一类型。同一类型样品的饱和中值压力、孔隙平均半径、喉道平均半径和排驱压力在数值上更接近。

3.2 铸体切片图像二值化与参数计算

选定合适的阈值, 可以将铸体切片图像中矿物和孔隙较好地分开。使用软件 ImageJ[19-20]对铸体切片图像进行处理, 包括去除噪音、背景提取、对比度及亮度调节、RGB 栈、灰度处理、二值化处理和高斯滤波等操作, 得到只有 0 和 1 两个灰度值的黑白图像, 如图4所示。

对经过二值化处理的图像(图 4(b))进行孔隙统计, 划分为 381 个孔隙单元, 可以统计每个孔隙单元的参数(常见的参数主要有孔隙面积、周长、直径、形状因子及孔隙度等[21-22])。由于本次实验的主要目的是对比铸体切片与恒速压汞曲线对微观结构的表征, 所以主要提取孔隙面积和直径。本文选用等效圆直径的方法[23]计算孔隙直径, 将每个孔隙单元所占的面积等效为圆的面积, 得到孔隙单元的等效直径Dequ:

其中, S为孔隙单元的面积。通过上式, 得出 381 个孔隙单元所占的面积和等效直径。表 3 列出前 10 个孔隙单元的数据。

4 讨论

将前面得到的的压汞曲线数据与通过图像二值化与参数提取方法获得的图像定量化数据进行对比, 得到 1~4 号样品的粒径分布曲线。图 5 中主要利用恒速压汞曲线孔隙部分, 为半径>20 μm 孔隙的分布情况; 图 6 中主要利用恒速压汞曲线喉道部分, 为半径 1~20 μm喉道的分布情况。

从图 5 可以发现, 恒速压汞得到的孔隙半径分布是不连续的, 在 20~100μm 之间有缺失, 这是由人为划分孔隙和喉道造成的; 铸体切片二值化处理得到的孔隙分布是连续的, 并在恒速压汞孔隙分布缺失的地方(约 20 μm 处)可能存在峰值(如样品 4)。恒速压汞得到的孔隙半径呈单峰式或双峰式分布, 集中性和对称性较好; 铸体切片二值化处理得到的孔隙分布一般缺失孔隙半径>200μm 的部分, 并且等效直径一般小于最大直径, 这是由铸体切片观察区域有限造成的(观察视野内缺乏直径大于 400μm的孔隙)。二者孔隙体积的主体分布较一致, 样品1 为 160~200μm, 样品 2 为 160~180μm, 样品 3 为160~180μm, 样品 4 为 160~200μm, 可见铸体切片图像处理也能较好地反映孔径分布。

从图 6 可以发现, 恒速压汞得到的喉道半径分布是不连续的, 在 17~20 μm 之间有缺失, 这是由人为划分孔隙和喉道造成的; 铸体切片二值化处理得到的喉道分布是连续的, 并且在恒速压汞喉道分布缺失的地方(约 20μm 处)可能存在峰值(如样品 1 和4)。恒速压汞得到的喉道半径分布呈单峰式分布, 集中性和对称性较好; 铸体切片二值化处理得到的喉道分布通常更零散和均匀, 可能是计算方式不同造成的。二者相比, 铸体切片二值化处理得到的喉道分布均值偏小, 可能是由于铸体切片只是一个平面, 某些喉道在其他维度上半径更大的缘故。

5 结论

本文以鄂尔多斯盆地某区块延长组长2段为研究对象, 结合恒速压汞和铸体切片图像处理两种方法, 对测得的孔径分布进行对比和差异性分析, 得到以下结论。

1)恒速压汞和铸体切片得到的孔径分布具有可对比性, 两者得到的主体孔径基本上重合。

2)铸体切片得到的孔径分布是连续的, 而人为划分孔隙和喉道造成恒速压汞得到的孔径分布存在缺失, 在其缺失处, 铸体切片得到的孔径分布可能存在峰值。

3)由于铸体切片取样范围有限, 观察范围局限在面积很小的平面, 因此铸体切片得到的孔径分布也存在缺陷, 较大的孔径(一般半径>200μm)缺失, 1~20 μm 的喉道半径分布整体上比恒速压汞偏小。

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Characteristics of Reservoir Pore Size Distribution Based on Thin Section and Rate-controlled Mercury Injection and Its Differential Mechanisms: An Example of Chang-2 Reservoir of Yanchang Formation in a Block of Ordos Basin

PANG Shan1,2, MEI Qiliang3, ZHANG Hongjun3, WANG He1,2, SUN Tong1,2, GUAN Ping1,2, SHI Yongmin1,2,†

1. School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871; 2. Oil and Gas Institute, Peking University, Beijing 100871; 3. The First Oil Production Plant, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Yan’an 716000; † Corresponding author, E-mail: sym@vip.163.com

Abstract Chang-2 member of Yanchang Formation in a block of Ordos Basin is taken as the research object, combined with field emission scanning electron microscopy (FESEM) and image processing technology, to observe and process thin section photos and to test rate-controlled mercury injection respectively, by which the pore size distributionand their differential mechanisms is represented via using statistics method. Compared with the pore size distribution obtained by rate-controlled mercury injection and by thin section after the threshold value divided and binaryzation process, the two methods are consistent in reflecting the main pore size, and the pore size distribution obtained by thin section has the advantage of continuity.

Key words pore structure; pore size distribution; thin section; rate-controlled mercury injection