深层砂岩储层孔隙结构特征及影响因素——以银额盆地拐子湖凹陷为例

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 60, No. 2 (Mar. 2024)

1.北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 2.中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249; †E-mail: 632969523@qq.com

摘要以银额盆地拐子湖凹陷巴音戈壁组深层砂岩为研究对象, 在探究储层基本特征的基础上, 采用恒速压汞法区分孔隙与喉道, 定量地表征孔喉特征参数; 通过扫描电子显微镜和铸体薄片, 定性地表征孔喉形态特征, 分析微观孔隙的结构差异; 结合孔喉分形维数划分孔隙类型, 探讨影响储层孔隙发育的主要因素。研究结果表明, 该区储层岩石类型以长石岩屑砂岩为主, 成分成熟度较低, 平均孔隙度为 10.8%, 平均渗透率为1.17mD, 属于低孔低渗型储层。储集空间类型主要为原生粒间孔、溶蚀孔和微裂缝, 孔隙半径平均值为 195μm, 喉道半径平均值为 3.5μm, 储层的孔隙结构类型分为微孔小喉型、小孔小喉型和大孔粗喉型。研究区储层孔喉比总体上较大, 良好的孔喉配置关系是影响储层物性的重要因素, 影响孔隙发育的主控因素则是早期成岩作用、有机酸溶蚀和烃类充注的综合作用。经过相对较弱的压实作用和胶结作用改造后, 原始碎屑为后期溶蚀提供了物质和空间基础, 储层顶部和底部巨厚的富有机质泥岩提供了有机酸溶蚀和烃类充注的物源。

美国 1952 年首次开发深层油气资源以来, 全球已有超过 70 多个国家进行深部油气资源的勘探[1]。随着全球石油勘探开发的深入, 陆上深层油气资源逐渐成为油气勘探的热点和难点。中国深部油气资源具有良好的勘探前景[2], 并且中国的深层油气资源勘探已取得一系列重要发现[2–4]。一般认为中国的深层油气储层是埋深超过 3000m 的储集层[5–6], 但不同区域的深层优质碎屑岩储层深度范围的定义有所不同[1,4], 主要分为 3 个区域: 东部断陷盆地, 埋深 3000～3500m; 中部克拉通盆地, 埋深 3000～ 4500m; 西部挤压型盆地, 埋深超 4500m[7]。

银额盆地是位于内蒙古中西部的小型断陷盆地。虽然经历了 60 余年的油气勘探, 但直到 2018年才对该区块进行三维地震和探井的部署[8–10]。近年来, 银额盆地拐子湖凹陷的钻井资料显示良好的油气资源前景, 获得高产油流, 证实拐子湖凹陷巴音戈壁组深层油气储层有巨大的勘探潜力[11]。

储层物性和渗流能力往往取决于岩石内部复杂的孔隙结构, 因此表征储层的孔隙结构是深层砂岩油气资源勘探开发的关键[12–13]。扫描电子显微镜(SEM)成像、X 射线电子计算机断层扫描(X-CT)、压汞、N2 吸附以及核磁共振等测试手段的发展为储层孔隙结构的表征提供了技术支持, 有助于深入了解油藏质量与孔隙结构之间的关系[14–15]。研究孔隙结构的方法主要分为两类, 一类是直接观测法(如 CT 和 SEM 等), 另一类是间接测量法(如压汞、N2 吸附和核磁共振等)。联合不同的技术方法(如压汞与核磁、CT 与核磁等[16]), 通过孔隙的全孔径表征来定量分析和综合表征孔隙结构是目前的研究热点[17]。此外, 分形理论更是为研究孔隙结构提供了理论基础, 已有研究表明岩石内部孔隙和喉道的分布符合分形特征。分形维数不仅可以表征复杂的岩石孔隙结构, 还可以评价岩石的非均质性[18]。

前人的研究多聚焦于孔隙的属性。本研究在评价储层基本性质的基础上, 运用恒速压汞法, 联合SEM 扫描来区分孔隙与喉道, 然后结合分形理论, 分别从直接观测和间接测量两个角度, 对银额盆地拐子湖凹陷巴音戈壁组深层油气储层的孔隙结构进行分类, 旨在更全面更准确地评价不同孔隙的结构特征, 加深对深层致密砂岩储层孔隙结构特征的认识, 揭示不同孔隙结构对油气成藏的意义, 以期为研究区的油气资源勘探提供理论指导。

1 地质背景

银额盆地位于内蒙古自治区西部, 地理上南抵北大山–雅布赖山, 北至外蒙古及洪格尔吉山–蒙根乌拉山, 东临狼山–哈拉乌山, 西以北山为界, 面积约为 12×104km2; 构造上处于塔里木、哈萨克斯坦、西伯利亚和华北四大板块的结合部位, 构造和沉积作用复杂, 是天山–兴安岭造山系的主要组成部分[8–9]。银额盆地属于中新生代断坳叠合型盆地, 是在前寒武系变质结晶基底和古生代褶皱基底的基础上发育形成的, 后期经历了板块构造演化、板内伸展和陆内造山等演化阶段[10]。

银额盆地可划分为“五隆七坳”: 绿园隆起、特罗西滩隆起、宗乃山隆起、楚鲁隆起和本巴图隆起, 居延海坳陷、务桃亥坳陷、达古坳陷、苏红图坳陷、苏亥图坳陷、尚丹坳陷和查干德勒苏坳陷[18](图 1)。拐子湖凹陷位于达古坳陷北部, 是在前寒武系变质结晶基底和古生代褶皱基底上发育形成的中新生代凹陷, 东临苏红图坳陷, 西邻务桃亥坳陷, 南、北分别紧靠宗乃山隆起和红格尔吉山[10–11]。拐子湖凹陷呈北东–南西走向, 断裂主要发育于断陷期, 中凹断裂呈北北东向展布, 南凹断裂呈北北东–南北向展布, 平面上自北东向南西分别为北部洼陷带(北洼)、中部洼陷带(中洼)和南部洼陷带(南洼), 纵向上则包括下部断陷层和上部坳陷层。各取样井位于拐子湖凹陷中部[19–20]。

拐子湖凹陷主要发育白垩系(K)沉积, 自下而上划分为下白垩统的巴音戈壁组(K1b)、苏红图组(K1s)和银根组(K1y)以及上白垩统的乌兰苏海组(K2w), 巴音戈壁组又划分为巴一段(K1b1)和巴二段(K1b2), 银根组也划分为银一段(K1y1)和银二段(K1y2)(图 2)。巴音戈壁组的底界面是一个区域不整合界面, 表现为白垩系与基底古生界变质岩的不整合接触; 巴音戈壁组的顶界面与苏红图组局部不整合接触, 表现为盆地边缘地区的削蚀现象。巴一段分为 3 个砂组(K1b11, K1b12 和 K1b13), 巴二段分为 4个砂组(K1b21, K1b22, K1b23 和 K1b24)。巴一段沉积期气候湿润, 是拐子湖凹陷的主力烃源岩发育期[8], 岩性主要包括底部的灰色含砾泥岩、砾砂岩以及中上部的深灰色、黑色泥岩和页岩, 属于辨状河三角洲前缘亚相沉积; 巴二段沉积期边界断层较为发育(图 3), 底部为深灰色泥岩与砂砾岩互层, 为湖底扇中扇亚相沉积, 中部为灰色–深灰色泥岩与细砂岩互层, 属于辨状河三角洲前缘亚相沉积。苏红图组下部为紫红色泥岩与灰色泥质粉砂岩互层, 上部主要是紫红色泥岩、灰色细砂岩和灰色粉砂岩, 属滨湖–浅湖相。银根组的银一段主要为灰色–深灰色泥岩和白云质泥岩, 属浅湖–半浅湖相; 银二段为紫红色–棕黄色泥岩和浅灰色泥质粉砂岩, 属漫湖–浅湖相。乌兰苏海组为棕红色泥岩, 属漫湖相。

2 样品与实验

2.1 样品信息

16 块样品均来自巴音戈壁组, 岩性均为砂岩, 属于低孔低渗砂岩储层。样品的密度为 2.22～2.56g/cm3, 平均 2.39g/cm3; 孔隙度为 5.12%～16.84%, 平均 10.8%; 渗透率为 0.077～3.74mD, 平均 1.17mD。为了方便描述砂岩特征, 按照渗透率将样品分为 4类, 第Ⅰ类样品的渗透率小于 0.50mD, 第Ⅱ类样品的渗透率介于 0.50～1.00mD 之间, 第Ⅲ类样品的渗透率介于 1.00～2.00mD 之间, 第Ⅳ类样品的渗透率大于 2.00mD。从每类中选出一块代表性样品, 命名为样品 A～D, 测得其渗透率依次为 0.078, 0.990, 1.029 和 3.434mD (表 1)。

2.2 实验方法

采用美国 Coretest Systems 公司的 ASPE-730 型恒速压汞实验装置。实验步骤如下: 钻取直径为2.5cm 的标准岩芯, 洗油后烘干; 测量标准岩芯的孔隙度和渗透率; 将岩样抽真空后浸泡在汞液中, 以非常低的恒定速度(0.00005mL/min)向岩芯中注入汞, 进汞过程中压力周期性地降落、回升, 压力达到 900psi (≈6.2MPa)时实验结束。根据压汞实验得到的进汞量和相应的压力, 绘制毛细管压力曲线, 然后计算孔隙和喉道的半径分布曲线。

压汞实验的基本原理如图 4 所示。当进汞前缘到达一级孔喉时, 压力逐渐上升, 突破喉道 a 后, 压力突然下降, 产生压力降落 1。第一个孔室逐渐被汞填满, 汞进入下一个次级喉道 b, 产生次级压力降落 2。汞依次将主孔喉所控制的所有次级孔室填满, 直至压力上升至主孔喉处的压力值, 主孔喉半径由突破点的压力确定, 孔隙的大小由进汞体积确定[20]。

采用德国 Zeiss Crossbeam 540 型扫描电子显微镜。实验步骤如下: 首先在真空环境中进行高精度、小视域的扫描, 然后将高精度、小视域的图片进行成像视域拼接, 获得一系列高精度、大视域的成像图。

2.3 分形理论简介

根据分形理论[21], 若岩石孔隙、喉道的分布均具有分形结构, 则满足

式中, r 为孔喉半径, N(r)为半径大于 r 的孔喉数量, C为分形系数, D为分形维数。基于毛细管模型, 则有

式中, VHg 为喉道半径 r 对应的累计汞体积, l 为毛细管长度。根据毛细管计算公式[20]中毛管压力 Pc 与r 之间的关系, 则有

式中, σ 为液体的表面张力, θ 为接触角。结合式(1)～(3), 则有

式中, SHg 为进汞饱和度, a 为常量。两边取对数可得

根据 lgSHg 与 lgPc 的关系绘制分形特征图, 若存在线性关系, 通过拟合曲线计算出斜率 k, 则孔隙和喉道的分形维数 D 均可表示为

3 实验结果

3.1 储层岩石学特征

如图 5(a)所示, 巴一段碎屑岩储层以长石砂岩和长石岩屑砂岩为主, 其中石英占 28%～74%, 平均50.2%; 长石占 5%～43%, 平均 25.6%; 岩屑占 4%～ 36%, 平均 18.7%。碎屑颗粒间为点–线接触, 以次棱状–次圆状颗粒为主, 分选度为中–好。岩石成分成熟度中等, 平均值为 1.13。如图 5(b)所示, 巴二段碎屑岩储层以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主, 石英占 30%～86%, 平均 46.2%; 长石占 7%～38%, 平均 24.6%; 岩屑占 7%～54%, 平均 29.3%。砾石成分主要为石英岩和花岗岩, 碎屑颗粒间为点–线接触, 颗粒形状以次棱状–次圆状为主, 分选度为中–差。岩石成分成熟度整体上较低, 为 0.43～1.38, 平均 0.82。

3.2 储层物性特征

如图 6 所示, 16 个样品的物性分析结果表明巴音戈壁组为低孔、特低渗储层。孔隙度为 5.12%～ 16.84%, 平均 10.8%, 50%以上的样品孔隙度介于8%～14%之间, 20%以上的样品孔隙度大于 14%。渗透率为 0.077～3.74mD, 平均 1.17D, 50%的样品渗透率为 1～2mD, 37.5%的样品渗透率小于 1mD。孔隙度与渗透率的相关性比较好, 相关系数达到 0.76, 表明储层的渗滤通道主要受控于孔隙, 属于孔隙型储层。

3.3 储集空间类型

据铸体薄片观察结果(图 7), 第Ⅰ类样品(渗透率<0.5mD)的孔隙类型以粒间溶蚀孔隙为主, 但整体上孔隙较不发育; 第Ⅱ类样品(0.5mD<渗透率<1.0mD)的孔隙类型以粒间溶蚀孔为主, 原生粒间孔次之; 第Ⅲ类样品(1.0mD<渗透率<2.0mD)和第Ⅳ类样品(渗透率>2.0mD)的孔隙类型以原生粒间孔和溶蚀孔为主, 溶蚀孔多为粒间溶蚀孔, 少见粒内溶蚀孔。随着渗透率增加, 4 组样品的方解石胶结物含量逐渐减少, 杂基含量略有增加, 原生粒间孔含量明显增加, 溶蚀孔(尤其是粒内溶蚀孔)含量也呈现增加趋势。

图 8 显示, SEM 观察结果与铸体薄片观察结果一致。随着渗透率增加, 黏土矿物含量不断降低, 小孔隙含量也逐渐降低, 大孔隙含量则逐渐增加。从局部放大图中可以观察到, 巴音隔壁组致密砂岩微观孔隙类型主要包括 3 类。1)原生粒间孔(图8(d)): 多发育于石英与长石等脆性矿物的颗粒间, 巴音戈壁组砂岩样品中主要包括石英原生粒间孔和长石原生粒间孔, 原生粒间孔的边缘棱角分明, 颗粒感较强, 未被明显挤压变形或溶蚀, 保持着矿物颗粒间的原始框架, 是良好的储集空间类型。2)溶蚀孔(图 8(b)和(d)): 分为粒间溶蚀孔和粒内溶蚀孔, 粒间溶蚀孔发育于矿物颗粒边缘, 粒内溶蚀孔发育于矿物内部。溶蚀孔主要是在脆性矿物与以黏土矿物为主的塑性矿物接触处, 因塑性矿物的收缩而形成; 另外, 成岩过程中酸性流体的存在也可使得矿物颗粒与填充物发生溶蚀, 进而在矿物颗粒边缘和内部形成孔隙。溶蚀孔的形态不规则, 边缘呈锯齿状, 破坏了颗粒间的结构, 是良好的储集空间和主要运输通道。3)微裂缝(图 8(c)): 主要发育于矿物颗粒之间, 也可见矿物内部形成的粒内微裂缝, 是孔隙之间的重要通道。

3.4 孔喉半径分布特征

恒速压汞实验结果表明, 不同渗透率级别的样品, 其孔隙半径都具有接近正态的分布特征, 且分布范围和峰值也接近(图9(a))。4块样品的孔隙半径大多分布在 160～220μm 之间, 样品 A 和 C 的峰值为160μm, 样品 B 的峰值为 165μm, 样品 D 的峰值为175μm, 同时样品 D 的峰宽比样品 A～C 大, 峰位略微后移。各样品的孔径分布区间差距不大, 说明影响低渗储层物性的主要因素是喉道半径分布形态的差异。

4 块样品的喉道半径分布形态差异较大, 整体上呈现随渗透率增加, 喉道半径分布范围变宽, 喉道峰值右移和小喉道占比减少的趋势(图 9(b))。样品 A 和 B 的喉道半径主要分布在 0.8～1.2μm 之间, 样品 C 的喉道半径主要分布在 1.5～4.5μm 之间, 样品D的喉道半径主要分布在2～7μm之间; 样品A～D中半径≤1μm 的喉道占比分别为 46.94%, 58.38%, 9.73%和4.21%, 呈明显减少的趋势。上述结果说明物性越差的砂岩储层, 其小喉道数量越多, 且占比越高, 在勘探开发过程中更容易被破坏。

3.5 毛管压力曲线变化特征

与常规压汞相比, 恒速压汞可直接提供总体、孔隙以及喉道 3 种毛管压力曲线[13]。样品 A～D 的最终进汞饱和度分别为 23.3%, 23.09%, 35.24%和41.66%。样品 A 和 B 的最终进汞饱和度差不多, 但渗透率差异较大。样品 A 为典型的超低渗砂岩(渗透率<0.5mD), 图 10(a)显示, 在进汞压力较小时, 样品 A 的总体毛管压力与喉道毛管压力几乎一致, 说明进汞饱和度被喉道控制, 几乎不发育孔隙, 与之前的观测结果一致, 孔隙基本上被方解石胶结(图 7(a)和(b), 图 8(a)), 因此最终进汞饱和度不到30%, 且随着进汞压力增加, 进汞饱和度的增速变缓。图 10(b)显示, 样品 B 的喉道毛管压力与总体毛管压力略有差异。从孔喉配置关系看, 样品 B的大喉道占比略大于样品 A, 小喉道占比更小, 且发育小部分孔隙, 这也是导致渗透率差异的原因之一。

从图 10(c)可以看出, 进汞压力较小时, 样品 C的进汞饱和度主要受喉道控制, 此时总体毛管压力曲线与喉道毛管压力曲线基本上重合, 但随着进汞压力增大, 喉道和孔隙(喉道为主)开始共同控制进汞饱和度, 最终进汞饱和度达到 35%。因此, 样品C 的进汞饱和度总体上受喉道控制, 这也说明样品C 的渗透率与样品 B 差异不大。对于样品 D, 较大的渗透率使得进汞初期 3 种毛管压力曲线基本上一致, 随着进汞压力增加, 汞先进入大喉道控制的孔隙中, 进汞饱和度快速增加, 大孔隙被快速充填, 但当汞逐渐进入小喉道控制的孔隙时, 较小的喉道开始对进汞饱和度起主要控制作用, 即使进汞压力急剧增大, 孔隙中进入的汞量却几乎不再增加(图10(d))。

3.6 孔隙结构的分形特征

分形曲线的转折点代表渗流能力强的大尺度孔喉向渗流能力差的小尺度孔喉的过渡。根据压汞原理, 进汞压力小于转折点压力对应大尺度孔隙和喉道(D1), 进汞压力大于转折点压力则对应小尺度孔隙和喉道(D2)。图 11 显示, 孔隙和喉道的分形曲线都存在明显的转折点, 转折点前后曲线的斜率差异明显, 且线性拟合性好, 表明不同尺度孔喉的分形维数存在差异。

4 讨论

4.1 孔隙结构与储层物性的相关性

图 12 展示孔隙及喉道半径平均值与物性的相关性。可以看出, 孔隙和喉道的半径平均值与渗透率的相关性明显更好, 并且喉道半径平均值与渗透率的相关性最好, 这也说明喉道对渗透率的影响比孔隙大。样品 A～D 的平均孔隙半径依次为 187.36～ 190.54, 182.57～204.85, 186.94～206.98 和 216.63μm, 平均喉道半径依次为 1.40～1.79, 1.22～3.95, 2.74～5.09和 6.49μm。随着孔隙半径平均值增加, 渗透率增大的幅度微弱, 随着喉道半径平均值的增加, 渗透率增大的幅度却较大。因此, 对于低孔低渗砂岩储层, 渗透率的差异主要体现在喉道半径平均值的分布上。当样品渗透率小于 1.0mD时, 喉道半径平均值介于 1.0～3.0μm 之间; 当渗透率大于 1.0mD 时, 喉道半径平均值分布范围变宽, 且渗透率越大, 大喉道占比越大。

孔喉半径比可以衡量孔隙开度的非均匀程度, 反映孔隙结构的非均质性。低孔低渗储层的孔喉半径比远大于常规储层, 且分布范围更广[22–23]。图 13显示, 渗透率和孔隙度均与孔喉半径比负相关, 且渗透率与孔喉半径比的相关性明显强于孔隙度与孔喉半径比的相关性。孔喉半径比较小时, 喉道对油(气)的束缚能力较小, 渗透率一般较大, 油(气)容易通过喉道被采出; 孔喉半径比较大时, 油(气)通过窄小喉道时需要克服较大的毛管阻力, 被采出的难度较大[24–25]。孔喉比大的样品, 孔隙度未必大, 因此评价低渗砂岩储层时, 孔隙度的权重不能太大, 同时说明较大的孔喉比是导致低孔低渗砂岩储层油气丰度差、产出程度低的主要原因[26–27]。

恒速压汞的最高进汞压力约为 900psi, 与之对应的喉道半径约为 0.12μm。将半径大于 0.12μm 的喉道及其控制的孔隙称为有效喉道或有效孔隙, 那么, 通过恒速压汞实验得到的孔隙进汞饱和度和喉道进汞饱和度就可以定量地反映有效喉道或有效孔隙的体积[13–14]。孔隙(喉道)体积是孔隙(喉道)半径及孔隙(喉道)数量的函数, 储层的孔隙(喉道)半径越大, 孔隙(喉道)数量越多, 孔隙(喉道)体积越大, 则喉道发育程度越高, 流体越容易渗流[26]。

样品 A～D 的孔隙进汞饱和度分布范围依次为0.73%～14.0%, 12.43%～21.68%, 10.65%～16.61%和13.66%～24.73%; 喉道进汞饱和度分布范围依次为22.57%～26.67%, 17.70%～23.13%, 17.39%～25.97%和16.76%～16.93%。有效孔喉体积与有效孔喉半径、长度及数量成正比[28]。图 14 显示, 孔隙度和渗透率都随着孔隙有效体积(孔隙进汞饱和度)的增加而增大, 而随着喉道有效体积(喉道进汞饱和度)的增加略微减小。一般情况下, 有效孔喉体积增大, 意味着孔隙空间和喉道的半径增大。本文研究结果说明有效孔喉体积在一定程度上决定了储层的物性, 但其内部复杂的孔隙结构也影响着储层的有效渗流空间和渗流通道, 因此不能仅凭借某个单一参数来评价低孔低渗透油气藏储层的物性。

4.2 孔隙结构类型

划分孔隙结构类型有助于更好地评价储层的质量。通过前面的讨论, 我们发现仅基于孔隙度和渗透率对孔隙结构进行分类是不准确的。因此, 本文在恒速压汞实验和SEM观察结果的基础上, 结合分形维数, 将研究区砂岩储层的孔隙结构分为 3 个类型(表 2)。

类型 1: 微孔小喉型。孔喉空间以微孔以及小喉道为主, 孔隙类型以粒内溶蚀孔为主(图 8(b))。压汞曲线整体上受喉道控制, 表现为上凸型, 平均总进汞饱和度为 27.36%, 喉道平均进汞饱和度为21.79%。喉道平均半径为 3.60μm, 孔隙平均半径为 188.93μm, 孔喉半径比值的分布区间为 39.60～ 175.71, 平均值为 112.29。孔隙分形维数为 2.16～ 4.10, 喉道分形维数为 2.13～3.65。这类孔隙喉道细小, 孔渗明显偏低, 物性差。

类型 2: 小孔小喉型。孔喉空间以小孔和小喉道为主, 孔隙类型以粒间溶蚀孔和原生粒间孔为主(图 7(d)和(g)), 压汞曲线表现为上凹下凸型, 平均总进汞饱和度平均值为 34.59%, 孔隙平均进汞饱和度为 12.92%, 喉道平均进汞饱和度为 21.66%。孔隙开始对总进汞饱和度做贡献, 占比可达 30%以上。孔隙半径平均值为 195.42μm, 喉道半径平均值为 2.57μm, 孔喉半径比值较小, 分布范围较大, 平均值为 103.30。孔隙分形维数为 2.15～8.81, 喉道分形维数为 2.16～2.70。这类孔隙个体较大, 孔喉半径比明显较低, 是较好的孔隙类型。

类型 3: 大孔粗喉型。压汞曲线特征为下凹型, 在压力达到某特定值时, 进攻饱和度增速突然加大, 然后又快速减小。孔隙类型以粒间溶蚀孔为主 (图 8(d))。总平均进汞饱和度为 38.35%, 最大孔隙进汞饱和度可达 24.73%, 喉道进汞饱和度平均值为17.34%。孔隙对总进汞饱和度做主要贡献。平均孔隙半径为 209.49μm, 平均喉道半径为 5.18μm, 孔喉半径比值小, 平均值为 86.89。孔隙分形维数为2.18～3.74, 喉道分形维数为 2.15～2.78。这类孔隙中的喉道以中、粗喉道为主, 孔喉配置好, 孔渗性能最好。

孔喉分形曲线由进汞曲线转换的 lgSHg-lgPc 关系拟合而成, 因此分形曲线形态与进汞曲线有很好的一致性。分形维数可以反映孔隙空间结构的复杂度, 分形维数越高, 孔隙结构越复杂, 越不利于烃类在孔隙和喉道中的流动。反之, 较低的孔喉分形维数反映相对简单的孔喉结构, 其储层可能更有利于油气的开发。SEM 观测结果表明, 孔喉分形维数的高低主要与孔喉类型和孔喉显微结构有关, 例如样品 G7-5 和 G11-1 等具有较高的分形维数, 其喉道主要为压实作用和胶结作用形成的弯片状喉道(图7(b)), 孔隙主要为溶蚀作用形成的粒内溶蚀孔(图8(b)), 这些孔喉往往具有曲折的边缘和复杂的空间结构; 而在 Gc1-3 和 G8ch-2 等具有较低分形维数的样品中, 其喉道主要为粒间微裂缝(图 8(c)), 粒间孔在孔隙中占据更高的比例(图 7(j)和(k), 图 8(d)), 这些孔喉的边缘相对光滑, 结构相对简单。通过对比可以发现, 储层孔隙分形维数表现为“微孔小喉型>小孔小喉型>大孔粗喉型”以及“大尺度分形维数>小尺度分形维数”的特征, 进一步表明大孔粗喉型储层的空间复杂程度低, 物性好, 比非均质性更强的微孔小喉型储层更有利于油气的开发。

4.3 影响孔隙结构的主控因素

压实作用是导致碎屑岩储层物性变差的重要原因之一[28–31]。一般认为, 除地层压力外, 影响碎屑岩机械压实作用的因素还有颗粒的成分、粒度和分选度等。拐子湖凹陷巴音戈壁组深层碎屑岩储层的刚性颗粒平均含量较高, 石英为 28%～86%, 平均48.2%, 长石为 5%～43%, 平均 25.1%。较大的刚性颗粒含量增加了砂岩储层的抗压性, 从而对粒间孔隙的保存起到积极作用[32–33]。该储层岩屑含量为19%～47%, 平均 33.6%。一方面, 岩屑相对较软, 抗压性能差, 显微镜下可见云母等塑性颗粒弯曲变形, 造成粒间孔隙减少(图 7(a)和(b))。另一方面, 岩屑和长石等矿物均易溶蚀, 为次生孔隙的形成提供了物质基础。研究区巴一段和巴二段碎屑岩长石和岩屑颗粒间及内部溶蚀孔隙十分发育, 部分颗粒甚至完全溶蚀(图 7(e), (h)和(j))。有研究发现, 粗粒砂岩储层的物性通常好于细粒砂岩储层, 粗粒级砂岩储层颗粒之间孔隙喉道配置关系更好, 支撑力更大, 孔隙连通性更好; 相比之下, 细粒砂岩储层孔隙小, 在上覆地层压力作用下, 颗粒发生滑动并重组, 导致物性变差[34–36]。

说明: D1和D2分别表示较大尺度(孔隙/喉道)和较小尺度(孔隙/喉道), R是相关系数。

另一个影响孔隙结构的主要原因是胶结作用。巴音戈壁组砂岩储层部分样品中胶结物含量偏高(图 7(a)和(b), 图 8(a)), 大量碳酸盐胶结物导致绝大多数原生孔隙消失, 喉道被充填, 原生孔隙结构遭到严重破坏, 流体难以在孔隙中流动, 储层物性变差。储层经过相对较弱的压实作用和胶结作用改造后, 保存良好的原生碎屑岩层为大规模溶蚀型次生孔隙的形成提供了空间基础[36–38]。

深层溶蚀作用形成次生孔隙的过程, 主要是砂岩的可溶性组分被有机质成熟过程中生成的有机酸和 CO2 酸性水溶液溶解, 这对深层储集物性的改善起到建设性作用[39]。拐子湖凹陷巴音戈壁组储层内因溶蚀作用形成的次生孔隙对孔隙度的贡献率高(图 8(b)和(d)), 发生溶蚀的组分主要为长石和岩屑(图 7(e), (h)和(j)), 导致溶蚀作用发生的酸性流体主要与烃源岩热演化有关。80～120℃是有机酸保存的最佳条件, 侯云超等[11]通过恢复 Gc1 井的埋藏史, 发现苏一段沉积期到苏二段沉积末期, 地层温度处于有机酸浓度最大区间和有机酸有利保存区间, 有机质演化生烃过程中不仅释放大量有机酸, 而且产生烃类的充注, 一方面改变了孔隙流体的性质, 减缓或抑制了胶结作用, 流体中所含的有机酸及大量CO2 等酸性气体有利于溶蚀作用的进行; 另一方面, 烃类充注产生的超高压力可以缓冲上覆地层的压实作用, 使深部储集层的孔隙得到保护[40–41]。研究区砂岩储层具有形成次生孔隙的物质和空间基础, 较好的初始沉积条件有利于孔隙的保存, 加上良好的砂泥空间位置关系, 使得储层具有较好的物性, 同时酸性流体可以较顺利地进入砂岩中发生溶蚀作用, 形成大量次生孔隙。

5 结论

本文从孔隙结构微观表征的角度出发, 对拐子湖凹陷巴音戈壁组巴一段和巴二段深层砂岩储层的岩石学特征、物性特征、储集空间类型和孔隙结构特征进行定性和定量分析, 并讨论影响该类储层物性的主要因素, 主要结论如下。

1)拐子湖凹陷巴音戈壁组深层砂岩储层主要有 3 种孔隙类型: 原生粒间孔、溶蚀孔和微裂缝。特低渗储层主要发育原生粒间孔和粒间溶蚀孔, 超低渗储层主要发育粒间溶蚀孔和粒内溶蚀孔, 均较不发育微裂缝。不同的孔隙类型可以提供大小、形态和规模不同的储集空间, 直接影响储层的物性。

2)该储层的孔隙半径较为接近, 大多分布于160～220μm 之间, 峰值约为 165μm, 但喉道半径分布范围较大, 随着渗透率增大, 喉道半径分布范围变宽, 峰值右移, 小喉道占比减少, 大喉道明显增多, 且喉道峰值也呈现减小趋势。影响储层渗流能力的因素主要是喉道的大小, 大喉道越多, 渗流能力越强。

3)研究区深层砂岩储层的孔隙结构总体上分为微孔小喉型、小孔小喉型和大孔粗喉型 3 个类型。微孔小喉型的喉道细小, 孔渗明显较低, 物性差; 小孔小喉型的孔隙个体较大, 孔喉半径比明显较低, 是较好的孔隙类型; 大孔粗喉型中、粗喉道为主, 孔喉配置好, 孔渗性能最好, 应为研究区勘探开发的主力优质储层类型。

4)在良好的初始沉积条件下, 经过相对较弱的压实作用和胶结作用改造后, 原始碎屑物质为后期溶蚀提供了优质的空间基础, 有机质生烃过程中释放的大量有机酸对砂岩中可溶性组分的溶蚀作用是形成次生孔隙的关键。

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Pore Structure Characteristics and Influencing Factors of Deep Sandstone Reservoirs: A Case Study of Guaizihu Depression in Yin’e Basin

1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249; † E-mail: 632969523@qq.com

Abstract This paper takes the deep sandstone of Bayingebi Formation in Guaizihu Sag of Yin’e Basin as the research object. Based on the basic characteristics of the reservoir, this article uses the constant rate mercury intrusion method to distinguish pores and throats and quantitatively characterize the characteristic parameters of pores and throats. Combined with scanning electron microscopy and casting thin section method, the morphological charac-teristics of pores and throats are qualitatively characterized, and the differences in microscopic pore structure are analyzed. In addition, different pore types are classified according to the fractal dimension of pore throat, and the main factors affecting the development of reservoir pores are discussed. The results show that the reservoir rock types in this area are mainly feldspar lithic sandstone with low compositional maturity. The average porosity of sandstone reservoir in the study area is 10.8%, and the average permeability is 1.17 mD, which belongs to low porosity and ultra-low permeability reservoir. Reservoir space types are mainly primary intergranular pores, dissolution pores and microfractures. The average pore radius is 195 μm, and the average throat radius is 3.5 μm. The pore structure types of the reservoir are divided into micro pore small throat type, small pore small throat type and large pore coarse throat type. The study area generally has the characteristics of relatively large pore-throat ratio, good pore-throat configuration relationship is an important factor affecting reservoir physical properties, and the main controlling factors affecting pore development are the combined effects of early diagenesis, organic acid dissolution and hydrocarbon filling. After relatively weak compaction and cementation transformation, the original debris provides a material and spatial basis for later dissolution, and the thick organic-rich mudstone at the top and bottom of the reservoir provides a source of organic acid dissolution and hydrocarbon filling.

Key words deep sandstone; constant rate mercury intrusion; reservoir characteristics; pore structure