DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.12.024

致密砂岩气藏孔隙结构对物性及可动流体赋存特征的影响——以苏里格气田东部和东南部盒₈段储层为例

明红霞¹，孙卫¹，张龙龙²，王倩³

(1. 西北大学 大陆动力学国家重点实验室 地质学系，陕西 西安，710069；

2. 中石化胜利油田分公司 孤东采油厂，山东 东营，257200；

3. 新疆油田公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依，834000)

摘要：利用恒速压汞及核磁共振实验研究致密砂岩储层微观孔隙结构对宏观物性及可动流体赋存特征的影响。研究结果表明：喉道非均质性是引起致密砂岩储层微观非均质性的主要原因。喉道半径、分布形态、有效孔隙和喉道数和体积等影响气藏的渗流能力，孔喉半径比大、分布范围窄是造成致密砂岩储层物性及可动流体含量低的主要原因之一。可动流体饱和度与所处空间位置无关，只与孔隙和喉道半径有关，喉道的类型差异及喉道半径的分布特征是影响可动流体饱和度的主要因素。

关键词：物性；可动流体赋存特征；孔隙结构；苏里格气田；致密砂岩储层

中图分类号：P618.13             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)12-4556-12

Impact of pore structure on physical property and occurrence characteristics of moving fluid of tight sandstone reservoir: Taking He 8 reservoir in the east and southeast of Sulige gas field as an example

MING Hongxia¹, SUN Wei¹, ZHANG Longlong², WANG Qian³

(1. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China;

2. Gudong Oil Field Production Plant, Shengli Oil Field Company, SINOPEC, Dongying 257200, China;

3. Exploration and Development Research Institute of Xinjiang Oil Field Co., Karamay 834000, China)

Abstract: Nuclear magnetic resonance and constant-rate mercury intrusion experiments were carried out to analyze the influence of microscopic pore structure on physical characteristics and occurrence characteristics of movable fluid. The results show that microscopic heterogeneity of tight sandstone reservoir is mainly caused by throat heterogeneity. Reservoir percolation ability is mainly controlled by throat size, number and distribution pattern, effective porosity and throat volume. Larger pore throat radius ratio and narrower distribution range are the main reasons for poor reservoir property and low levels of movable fluid. The discretion of movable fluid saturation, which has nothing to do with the spatial location, is only related to pore and throat radius. Type of throat and distribution features of the throat radius are important factors of movable fluid saturation.

Key words: physical characteristics; occurrence characteristics of moving fluid; pore structure; Sulige gas field; tight sandstone reservoir

致密砂岩储层较常规储层具有丰度低、孔隙度低、渗透率低、单井产量低等特点，孔喉结构复杂程度高，微观孔隙结构是影响储层储集能力和渗透特性的主要因素，其与宏观物性之间具有良好的对应关系。微观孔隙结构的差异会导致流体流动状态和分布不同，即使是同一沉积微相渗透率相近的岩心，也可能因为孔隙结构的差异而造成渗流特征存在差异，影响气藏产能及其开发效果，最终导致采收率不同^[1-5]。苏里格气田地处内蒙古鄂尔多斯市境内的苏里格庙地区，区域构造位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部中带。该气田东区和东南区地理位置相邻，盒₈段均沉积了一套辫状河三角洲前缘相的致密砂岩储层，但受沉积环境及成岩作用差异性的影响，岩石孔隙结构差异性较大^[6]。苏里格气田东南部储层物性及可动流体赋存程度均优于东部储层，本文作者利用恒速压汞及核磁共振实验测试结果，从微观孔隙结构的角度研究致密砂岩储层物性及可动流体赋存特征的差异性，以便为今后气田的勘探开发实验提供参考。

1  致密砂岩气藏孔隙结构特征

致密砂岩储层的微观孔隙结构复杂，孔隙度与渗透率相关性较差，即孔隙半径及其分布并不是影响储层渗流能力的唯一因素^[3]。因此，对储层的微观孔隙结构进行定性地评价和定量的分析显得尤为重要。

苏里格气田位于长庆气田西侧的苏里格庙地区，区域构造属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北侧(如图1所示)。选取苏里格气田东部(以下简称苏东地区)12块和苏里格气田东南部(以下简称苏东南地区)7块有代表性的岩样，利用恒速压汞实验对其展开孔隙结构研究。苏东地区样品的孔隙度介于6.5%~15.5%之间，平均值为11.1%，渗透率介于0.065×10^-3~0.463×10^-3μm²之间，平均值为0.219×10^-3 μm²(表1)；苏东南地区样品的孔隙度介于7.7%~14.7%之间，平均值为10.8%，渗透率介于0.056×10^-3~1.385×10^-3 μm²之间，平均值为0.434×10^-3 μm²。两区均属于典型的致密砂岩储层，整体上苏东南地区盒₈段储层物性好于苏东地区的储层物性。

图1  苏里格气田位置图

Fig. 1  Location of Sulige gas field

表1  苏东地区和苏东南地区盒₈段储层孔隙结构特征参数

Table 1  Pore structure parameters of He 8 reservoir in the east and southeast of Sulige gas field

不同级别渗透率岩心孔隙半径及分布性质基本相同，而喉道半径及分布则有所差异(图2和图3)。苏东地区盒₈段储层最大连通喉道半径为0.682~2.214 μm(表1)，样品物性较好时，孔喉半径比趋向于均匀，喉道分布范围较变宽，分布频率较低，大喉道对渗透率的贡献率增大(图2(b))。苏东南地区盒₈段储层孔隙分布基本没有差别(图3(a))，与渗透率相关性不明显；不同渗透率级别的岩心，喉道分布有所不同(图3(b))，最大连通喉道半径为1.076~3.995 μm(表1)，岩心渗透率随着喉道半径的增加而增加。这说明致密砂岩储层性质主要受喉道控制，喉道非均质性是引起储层微观非均质性的主要原因。

图2  苏东地区盒⁸段储层孔隙半径和喉道半径分布曲线

Fig. 2  Distribution of pore and throat radius of He 8 reservoir in the east of Sulige gas field

图3  苏东南地区盒⁸段储层孔隙半径和喉道半径分布曲线

Fig. 3  Distribution of pore and throat radius of He 8 reservoir in the southeast of Sulige gas field

2  致密砂岩可动流体赋存特征

根据国内外油气田开发生产的经验，若单以可动流体饱和度为标准，则可以将储层好差划分为5类：可动流体饱和度大于65%的为I类(好)储层，介于50%~65%之间的为II类(较好)储层，介于35%~50%之间的为III类(中等)储层，介于20%~35%之间的为IV类(较差)储层，小于20%的为V类储层(很差，近似为干层)。对苏东地区12块岩样和苏东南地区7块岩样分别进行核磁共振可动流体测试，结果表明：苏东南地区可动流体饱和度介于2.18%~62.57%之间，平均值为30.43%，以Ⅱ类和V类流体为主(表2)。T₂谱多为双峰结构(图4(a))，说明岩样孔隙结构复杂，次生溶孔发育。其中4号和7号岩样核磁共振T₂谱具有左峰小、右峰大的特征，反映了在样品中较大的表面弛豫时间所占比例较大，孔隙流体的比表面类型主要以小的比表面积为主，这说明该岩样可动流体较多(饱和度均达到了50%以上)；1号、3号、5号、6号样品的峰态为左高峰、右低峰，反映了样品中较小的表面弛豫时间所占的比例较大，孔隙流体的比表面类型主要以大的比表面积为主，5号和6号岩样可动流体饱和度为30%左右，1号和3号岩样可动流体饱和度小于20%；2号岩样核磁共振T₂谱呈左单峰的特征，可动流体饱和度为2.18%，基本上以束缚状态、不可动的流体为主。

表2  苏东地区和苏东南地区岩样核磁共振实验结果

Table 2  Laboratory results of samples in the east and southeast of Sulige gas field with nuclear magnetic resonance technique

图4  苏东地区和苏东南地区盒₈段岩样T₂谱分布对比

Fig. 4  Contrast of T₂ spectrum distribution of He 8 reservoir in the east and southeast of Sulige gas field

苏东地区致密砂岩的可动流体饱和度整体偏低，介于5.38%~32.67%之间，平均值为19.5%，属IV类和V类可动流体。核磁共振T₂截止值以左的区域均为尖峰型(图4(b))，T₂截止值以右的区域其形态有宽缓单峰型(2号和11号)、左峰高右峰低型(3，5，6，7，8，9，10号)和左单峰型(1，4，12号)，其中宽缓单峰型可动流体饱和度最高可达32.67%，平均值为32.6%。

3  孔隙结构对物性及可动流体赋存特征的影响

沉积与成岩演化过程中的孔隙类型、孔喉特征等多因素的差异性导致致密砂岩储层地质条件复杂，不同储层的可动流体含量有可能存在很大差异，最终造成致密砂岩气藏在注水开发特征、开发难度方面存在很大的差异^[7-9]。对比同一油田位置相近的储层孔隙结构特征，最终揭示相同沉积相的致密砂岩气藏微观孔隙结构对物性及可动流体饱和度的影响。

3.1  孔隙结构对储层物性的影响

3.1.1  喉道结构

喉道半径、分布及其几何形状是影响储集岩储集能力和渗流特性的主要因素，喉道发育程度越高，流体在样品内越容易流动^[10]。

1) 喉道半径分布的影响。选取苏东地区和苏东南地区渗透率相近的岩心，对比其喉道分布特征。不同级别渗透率岩样喉道半径分布对比图如图5所示。由图5(a)可以看出：苏东南地区特低渗透岩样的喉道分布曲线峰值比苏东地区岩样的小(前者喉道半径为0.2 μm，后者为0.6 μm)，尽管喉道分布相对较为集中、均匀，但主流喉道半径小，流体的渗流只能在这些细小喉道中进行，储层渗流能力差。

对于高级别渗透岩心而言，苏东南地区的喉道半径分布范围较为宽广(喉道半径介于0.2~5.0 μm之间)，峰值喉道半径为1 μm，喉道半径小于峰值的比例约占16%(图5(b))，即大喉道数量相对较多，渗透率高，这与该区大量发育溶蚀孔有关；苏东地区岩心的喉道分布范围较窄，介于0.2~1.9 μm之间，峰值半径为0.9 μm，且左、右的喉道数量相当。这种分布特点表明：气藏的渗流能力不仅受喉道半径的影响，而且受喉道半径分布形态的影响，大喉道所占比例越大，储层的渗流能力越强。

2) 喉道半径的影响。平均孔隙、喉道半径与渗透率的关系如图6所示。从图6可知：两区块岩样气测渗透率与平均孔隙半径相关性极差(图6(a))，与平均喉道半径相关性较好(图6(b))；随着喉道半径的增大，气测渗透率也逐渐增大。这进一步说明孔隙性质对储层性质影响较小，而喉道则是控制储层的主要因素。

可利用主流喉道半径和平均喉道半径来表征喉道半径对致密砂岩气藏渗流能力的影响^[11]。苏东地区岩心的平均喉道半径介于0.544~0.999 μm之间，平均值为0.753 μm，主流喉道半径介于0.314~1.298 μm之间，平均值为0.754 μm(表1)；苏东南地区岩心的平均喉道半径介于0.233~1.841 μm之间，平均值为1.05 μm，主流喉道半径介于0.644~2.339 μm之间，平均值为1.242 μm。图6(b)和图7表明：岩心渗透率与平均喉道半径、主流喉道半径呈正相关关系；随着主流喉道半径和平均喉道半径的增加，岩心渗透率增大。当岩心的渗透率相同时，苏东南地区岩心的平均喉道半径普遍大于苏东地区岩心的平均喉道半径(图6(b))；随着渗透率的增加，其差距越来越大，而这种差距在主流喉道半径的对比曲线上更加明显(图7)。

3) 喉道对渗透率贡献的差异。喉道半径呈单峰态分布时，对渗透率起主要作用的喉道相对集中，渗透率贡献值与进汞饱和度变化趋势一致(图8(a))；呈双峰态分布时，由于喉道半径分布范围宽广，对渗透率的贡献相对较为分散，进汞饱和度差及峰值总是滞后于渗透率贡献和峰值，且对渗透率贡献最大的喉道半径对应的进汞量却不是最大(图8(b))。这说明渗透率是一系列较大喉道的总体贡献，而对渗透率贡献较大的喉道的体积较小。与苏东地区相比，苏东南地区岩心渗透率贡献峰值所对应的喉道半径明显较高。苏东地区致密砂岩对渗透率起主要贡献的喉道半径多集中在峰值附近很窄的区间内，且小喉道含量高(图8(a))，控制着大部分储集空间，储层渗流能力较差；苏东南地区岩心的峰值喉道半径对渗透率的贡献频率虽然较低(图8(b))，但大喉道数量多，对渗透率的累计贡献大，因此，两区块储层尽管孔隙度相差不大，但渗透率变化较大，即在相同渗流条件下，苏东南地区储层驱气能力强，采收率高。

图5  不同级别渗透率岩样喉道半径分布对比

Fig. 5  Comparisons of distribution of throat radius of different permeability level of samples

图6  平均孔隙半径和喉道半径与渗透率的关系

Fig. 6  Relationship between permeability and radius of pore and throat

图7  主流喉道半径与渗透率的关系

Fig. 7  Relationship between permeability and mainstream throat radius

图8  不同区块岩样喉道半径对渗透率的贡献

Fig. 8  Contribution of throat radius on permeability of samples of different areas

3.1.2  孔喉半径比的影响

孔喉半径比越小，孔喉结构越均匀，当孔隙越易于被大喉道控制，越有利于孔隙内气的采出；反之，孔喉半径比较大时，由于大孔隙被小喉道所控制，加之受贾敏效应的影响，气通过小喉道时所受的毛管阻力增大，因此，不利于孔隙内气的采出^[12]。

苏东地区岩心平均孔喉半径比介于161.6~563.2之间，平均值为268.3(表1)；苏东南地区岩心平均孔喉半径比介于29.2~286.6之间，平均值为175.6，且苏东南地区岩样孔喉比小于150的占了绝大多数，整体上孔喉半径比与渗透率均表现为负相关关系(图9)；随着孔喉半径比的减小，渗透率逐渐增大，贾敏效应减弱，储层渗流能力增强。但较低的孔喉半径比并不能保证较好的储层物性(图9左下角所示)。这是由于影响致密砂岩储层物性的因素多样，当岩石孔隙较小，喉道亦小时，尽管孔喉半径比较小；但对渗透率起主要贡献的多为细小喉道，流体流经储层时的毛管阻力增大，孔隙内多为束缚流体。

图9  孔喉半径比平均值与渗透率的关系

Fig. 9  Relationship between permeability and pore throat radius ratio average

3.1.3  有效孔隙和喉道的影响

苏东地区岩心单位体积有效孔隙和喉道个数平均值分别为1 046个和1 048个，单位体积有效孔隙和喉道体积平均值分别为0.025 1 mL/cm³和0.022 1 mL/cm³，最终进汞饱和度41.4%(表1)；苏东南地区岩心单位体积有效孔隙和喉道个数平均值分别为1 049个和1 064个，单位体积有效孔隙和喉道体积平均值分别为0.028 2 mL/cm³和0.030 5 mL/cm³，最终进汞饱和度53.3%。两区块单位体积有效孔隙和喉道数与渗透率的相关性均好于其与孔隙度的相关性(图10)，喉道控制作用更为明显。苏东南地区尽管有效孔隙、喉道数较少，但相对大孔隙、粗喉道发育，因此，储层物性优于苏东地区的储层物性，流体易在岩样内流动。同时，最终进汞饱和度与两参数也呈现良好的正相关性(图11)，且苏东南地区岩样的最终进汞饱和度大于苏东地区岩样的最终进汞饱和度，这是因为较多的有效喉道数、较宽的有效喉道半径，有利于将大量的有效孔隙串通，形成较高的总孔喉进汞饱和度；当喉道微细及有效喉道数量较少时，喉道很难将有效的大孔隙串通，尽管喉道相对进汞饱和度的比例增加，但最终进汞饱和度较低，开发难度增大。

两区块单位体积有效孔隙体积与储层物性、总进汞饱和度相关性中—偏差(图12和图13(a))，单位体积有效喉道体积与储层物性、进汞饱和度相关性偏好(图13(b)和图14)，即有效孔隙体积对储层渗流能力影响不大，而有效喉道体积则是控制储层物性及其渗流能力的主要因素，随着有效喉道体积的增大，储层孔隙度、渗透率也逐渐增大。在总体喉道体积相似的情况下，苏东南地区比苏东地区相对多的发育了一定量的半径较大的喉道，才使得其渗透率较大，最终进汞饱和度高，储层渗流能力较好。

3.2  孔隙结构对可动流体赋存特征的影响

可动流体参数包括可动流体饱和度与可动流体孔隙度，其中可动流体饱和度为整个岩石孔隙空间中可流动部分所占的比例，是一个独立于储层物性的参数，直接决定可采储量。可动流体孔隙度为该岩石中有效孔隙度，二者的关系为

           (1)

式中：为可动流体孔隙度；S_mf为可动流体饱和度；为孔隙度。

式(1)表明，可动部分孔隙才是构成可动流体饱和度和可动流体孔隙度的重要组成部分。对于致密砂岩储层尤其是低渗透-深盆油气储层而言，孔喉普遍细小，孔隙度并不能反映储层可采孔隙度，而可动流体孔隙度参数具体量化了可动流体饱和度的绝对含量，是储层开发潜力的重要评价参数^[13]。

3.2.1  孔喉半径比的影响

在气田开发过程中，孔喉半径比决定着流体是发生卡断式驱替还是活塞式驱替，若孔喉半径比大，则较大孔隙被较小的喉道所包围，驱替时易发生卡断，使连续的天然气相遭到破坏，增加了渗流阻力，减小了天然气可流动性，可动流体饱和度降低^[14]。孔喉半径比与可动流体孔隙度的相关性好于其与可动流体饱和度的相关性(图15)，苏东地区孔喉半径比较大，孔喉发育不均匀，孔隙中流体被束缚的可能性较大，可动流体含量较少。

3.2.2  孔、喉半径及其体积的影响

岩样的孔隙半径、喉道半径越大，孔隙数、喉道数越多，孔隙体积、喉道体积越大，流体越容易渗流^[15]。两区块有效孔隙体积与可动流体饱和度的相关性均优于有效喉道体积与可动流体饱和度的相关性(图16)，说明致密砂岩储层的孔隙对可动流体的影响程度较喉道的更大。当储层物性较差时，可动流体主要处于孔隙中，喉道中多为束缚流体；物性较好时，可动流体一部分处于孔隙中，一部分处于喉道中。两区块尽管可动流体饱和度不同，但分布范围大致相近，这说明可动流体饱和度与所处空间位置无关，只与孔隙和喉道半径有关。

图10  单位体积有效孔隙数、喉道数与储层物性相关性

Fig. 10  Relationship between effective pore and throat number per unit volume and reservoir physical property

图11  单位体积有效孔隙、喉道个数与总进汞饱和度的关系

Fig. 11  Relationship between effective pore and throat number per unit volume and total mercury saturation

图12  单位体积有效孔隙体积与储层物性相关性

Fig. 12  Relationship between effective pore volume per unit volume and reservoir physical property

图13  单位体积有效孔隙、喉道体积与总进汞饱和度的关系

Fig. 13  Relationship between effective pore and throat volume per unit volume and total mercury saturation

图14  单位体积有效喉道体积与储层物性相关性

Fig. 14  Relationship between effective throat volume per unit volume and reservoir physical property

两区岩样孔隙进汞量与可动流体饱和度之间呈良好的线性关系(图17(a))，且差别较小，一般孔隙进汞饱和度越大，可动流体饱和度就越大，但这种相关性随着孔隙进汞饱和度的上升而逐渐减弱。而较小差异的喉道进汞饱和度则对应着较大差异的可动流体饱和度(图17(b))，这是因为岩样中的孔隙体积基本上是可动流体部分，不存在不可动的孔隙，而喉道体积中的大孔喉与小孔喉则不全是可动部分，因此，在孔隙和喉道进汞饱和度相近的情况下，喉道的类型差异是造成可动流体饱和度差异的主要因素。

以苏东地区7号样品和苏东南地区7号样品为例，二者孔隙进汞饱和度相差不大，分别为27.7%和32.7%，喉道进汞饱和度相近，分别为26.2%和26.1%(图18)，但可动流体饱和度和可动孔隙度差异非常明显(苏东地区分别为25.84%和1.55%，苏东南地区分别为62.6%和8.56%)。经分析可知：苏东地区7号岩样的喉道半径分布在0.2~1.1 μm之间，主流喉道半径集中分布在0.3~1.0 μm之间(图2(b))；苏东南地区7号岩样的喉道半径分布在0.4~5.0 μm之间(图3(b))，比苏东地区岩样的分布范围广，主流喉道半径介于0.6~2.6 μm之间，其中仅有16.7%的喉道半径分布在0.3~1.0 μm之间。这与前面分析结果一致，即在孔隙和喉道进汞量相同或相近的条件下，喉道半径的分布特征是影响可动流体饱和度的主要因素。

图15  孔喉半径比与可动流体饱和度、可动流体孔隙度的关系

Fig. 15  Relationship between pore throat radius ratio and movable fluid saturation and porosity

图16  有效孔隙体积、喉道体积与可动流体饱和度的关系

Fig. 16  Relationship between effective pore and throat volume and movable fluid saturation

图17  孔隙、喉道进汞饱和度与可动流体饱和度关系

Fig. 17  Relationship among pore and throat mercury saturation and movable fluid saturation

图18  苏东地区和苏东南地区7号岩样累计进汞饱和度

Fig. 18  Accumulated mercury saturation of No. 7 sample in the east and southeast of Sulige gas field

4  结论

1) 喉道非均质性是引起致密砂岩储层微观非均质性的主要原因。气藏的渗流能力不仅受喉道半径的影响，而且受喉道半径分布形态的影响。大喉道所占比例越大，孔喉比和分选系数越小，储层的渗流能力越强。较多的有效喉道数、较宽的有效喉道半径有利于将大量的有效孔隙串通，形成较高的总孔喉进汞饱和度，气藏开发难度降低。

2) 致密砂岩储层可动天然气含量低，可动用程度差，可动流体饱和度与所处空间位置无关，只与孔隙和喉道半径有关。喉道的类型差异及喉道半径的分布特征是影响可动流体饱和度的主要因素。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2014-12-01；修回日期：2015-03-09

基金项目(Foundation item)：国家科技重大专项(2011ZX05044)；陕西省科技统筹创新工程项目(2011KTZB01-04-01)(Project (2011ZX05044) supported by the National Science and Technology Major Program of China; Project (2011KTZB01-04-01) supported by the Science and Technology Innovation Program of Shanxi Province)

通信作者：明红霞，博士研究生，从事油气田地质与开发研究；E-mail：mingzi818@163.com