鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5储层微观孔隙结构研究

李　成，郑庆华，，张　三，柳益群，汪伶俐，梁晓伟

(1.中国石油 长庆油田分公司 勘探开发研究院/低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安　710018；

2.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/西北大学 地质学系, 西安　710069)



鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5储层微观孔隙结构研究

李成1，郑庆华1，2，张三1，柳益群2，汪伶俐1，梁晓伟1

(1.中国石油 长庆油田分公司 勘探开发研究院/低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；

2.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/西北大学 地质学系, 西安710069)

摘要：鄂尔多斯盆地镇北地区延长组长4+5以成岩型低渗透储层为主，常规方法较难评价该类储层微观孔隙结构品质。利用铸体薄片、扫描电镜和物性分析等方法对影响储层微观孔隙结构特征的因素进行了定性分析，恒速压汞方法对储层微观孔隙结构特征参数进行了定量表征。研究表明:镇北地区长4+5低渗透储层微观孔隙结构与成岩作用密切相关，主要表现为机械压实作用和碳酸盐胶结作用越弱，长石溶蚀作用越强烈，粒间孔和溶蚀孔越发育，孔喉连通性越好，渗透率越大；微观孔隙结构和渗透率受大于0.12 μm的喉道控制明显，主要表现为平均喉道半径越大，渗透率越大，孔喉半径比越小，微观孔隙结构越好，储层品质因子越大，试油产液量越高，尤其当平均喉道半径小于1.60 μm时。喉道是影响低渗透储层微观孔隙结构品质的主要因素。

关键词：恒速压汞；储层品质因子；微观孔隙结构；低渗透储层；延长组；镇北地区；鄂尔多斯盆地

鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5属盆地西南部辫状河三角洲沉积体系，发育岩性油藏，有利储层主要位于辫状河三角洲前缘亚相水下分流河道微相；岩性主要为灰褐色成分成熟度较高，结构成熟度中等的含中粒的细粒长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩；孔隙类型主要以粒间孔和长石溶孔为主，孔隙度为5.6%～18.9%，平均为12.1%，渗透率为(0.01～45.23)×10-3μm2，平均为1.52×10-3μm2，主要为成岩型中—低孔低渗透储层[1-2]。

近年来，随着该区长4+5油藏规模的不断落实和探明储量提交的迫切需求，其沉积微相和储层成岩作用研究已引起了人们的重视[3-4]，但储层微观孔隙结构的研究尚未开展，这严重影响了该区长4+5的有效开发。大量的油田开发实践和研究成果表明，储层微观孔隙结构品质的评价是低渗透储层油田高效开发的关键因素。以往利用铸体薄片、扫描电镜、物性分析和高压压汞等常规方法对低渗储层微观孔隙结构品质的评价往往遇到困难或者收效甚微，但若结合恒速压汞方法，往往能取得较好的效果。该方法是目前世界上定量表征低渗透储层微观孔隙结构品质最为先进的方法之一[5-17]。

1储层微观孔隙结构成因

本次研究采用的是中国石油勘探开发研究院廊坊分院渗流所引进的美国ASPE-730型恒速压汞实验设备，实验温度为恒温23 ℃。对镇北地区长4+5水下分流河道微相的11块砂岩样品进行了恒速压汞测试，样品孔隙度介于8.5%～16.4%，平均为12.6%，渗透率介于(0.02～37.97)×10-3μm2，平均为4.21×10-3μm2。在铸体薄片、扫描电镜观察及物性分析基础上，选取其中3块代表样品(1~3号)进行微观孔隙结构和物性的成因分析。1，2，3号样品的孔隙度分别为15.5%，16.4%，13.0%，渗透率分别为37.97×10-3，4.12×10-3，0.17×10-3μm2，分别代表中孔低渗透储层、中孔特低渗透储层、低孔超低渗透储层[2](以下简称低渗透储层)。

1号样品岩性为粗—中粒岩屑长石砂岩，最大粒径0.60 mm，主要粒径0.25～0.60 mm，颗粒主要为次棱角状，分选好。柔性组分含量仅2.0%。颗粒间以线—点状接触为主；填隙物含量仅6.0%，石英次生加大边较发育。粒间孔含量高达9.2%，常见长石等颗粒基本溶蚀殆尽形成的大孔隙，溶蚀孔含量2.1%，以溶蚀孔、粒间孔为主，平均孔径40 mm，面孔率11.3%。以片状—缩颈状喉道为主，孔喉连通性好(图1a，b)。

2号样品岩性为中粒长石岩屑砂岩，最大粒径0.50 mm，主要粒径0.25～0.50 mm，颗粒主要为次棱角状，分选好。柔性组分含量13.5%，常见喷发岩、千枚岩、泥岩等发生较强的塑性变形。颗粒间以点—线状接触为主。填隙物为9.0%，石英次生加大边较发育，白云岩屑的铁白云石加大边较发育。粒间孔含量5.7%，溶蚀孔含量1.5%，以溶蚀孔、粒间孔为主，平均孔径40 mm，面孔率7.2%。以缩颈状—片状喉道为主，孔喉连通性较好(图1c，d)。

3号样品岩性为中—细粒岩屑长石砂岩，最大粒径0.30 mm，主要粒径0.20～0.30 mm，颗粒主要为次棱角状，分选好。柔性组分含量16.0%，千枚岩、喷发岩、泥岩等塑性变形强烈。颗粒间以凹凸—线状接触为主。填隙物含量13.0%，石英次生加大边较发育，白云岩屑的铁白云石加大边普遍发育，基本充填残余粒间孔。粒间孔含量仅0.2%，溶蚀孔含量1.9%，平均孔径20.0 mm，面孔率2.1%。以片状、弯片状喉道为主，孔喉连通性差(图1e，f)。

图1　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5代表样品铸体薄片和扫描电镜特征

综上分析认为，镇北地区长4+5低渗透储层微观孔隙结构和物性受沉积作用和成岩作用影响明显，属较典型的成岩型低渗透储层，表现为机械压实作用和碳酸盐胶结作用越弱，溶蚀作用越强，粒间孔和溶蚀孔越发育，孔喉连通性越好，渗透率越大。

2储层微观孔隙结构定量表征

2.1孔隙半径分布

样品孔隙半径频率分布、累计频率百分数分布曲线形态的差异性和规律性不明显(图2a，b)。1，2，3号样品的孔隙半径范围分别为60～320，90～320，10～270 μm，主要分布范围分别为125～180，115～165，135～185 μm，峰值频率分别为13.8%，14.5%，16.5%，平均孔隙半径分别为156，145，164 μm，这说明物性不同的储层，孔隙半径分布特征实际无显著差异，而铸体薄片定性观察的孔隙半径分布特征可能存在较大误差(图1)。

从统计结果来看(图2)，平均孔隙半径与孔隙度(图2c)、渗透率(图2d)基本没有相关性，表明孔隙不是控制低渗透储层物性的主要因素。

2.2喉道半径特征

铸体薄片和扫描电镜观察表明，样品以缩颈状、弯片状或片状喉道为主，因此可用毛细管压力的理论公式[公式(1)][18]，结合压汞曲线计算这类低渗透储层喉道半径下限。

毛细管压力的理论公式：

(1)

式中：Pc为毛细管压力，MPa；r为毛管半径，μm；σ为界面张力，N/m；θ为静态接触角，(°)。实验中恒速压汞法的最高进汞压力约为6.2 MPa，水银的界面张力为485 N/m，静态接触角为140°，求得的最小喉道半径约为0.12 μm。

样品喉道半径、喉道半径对渗透率贡献值频率分布曲线形态和特征的差异性和规律性明显(图3a，b)。1,2,3号样品喉道半径分布范围分别为0.12～10.90，0.12～4.00，0.12～0.90 μm，主要分布范围分别为3.20～5.99，1.10～2.99，0.25～0.59 μm，峰值频率分别为3.1%，3.6%，24.0%，平均喉道半径分别为4.95，2.26，0.44 μm。对渗透率起贡献的喉道半径分布范围分别为0.12～10.90，0.12～4.00，0.12～0.90 μm，主要分布范围分别为4.45～7.05，2.15～3.52，0.39～0.77 μm，峰值频率分别为3.1%，5.9%，20.2%，主流喉道半径分别为5.98，2.95，0.59 μm。

上述情况表明，物性不同的低渗透储层，喉道半径分布特征实际差异显著，与铸体薄片定性观察的喉道发育情况较一致，即渗透率越大，缩颈状喉道越发育，孔喉连通性越好(图1a)，喉道半径分布范围越宽，相对大喉道含量越多且对渗透率贡献值越大，平均喉道半径和主流喉道半径越大且后者大于前者(图3a，b)；反之渗透率越小，片状、弯片状喉道越发育，孔喉连通性越差(图1e)，喉道半径分布范围越窄，相对大喉道含量越少且对渗透率贡献值也越小，而相对小喉道含量越多且对渗透率贡献值也越大，平均喉道半径和主流喉道半径越小且后者大于前者(图3a，b)。

图2　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5样品孔隙特征

图3　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5样品喉道半径特征

从统计结果来看(图3)，平均喉道半径与孔隙度正相关性一般(相关系数0.62)(图3c)，与渗透率正相关性很好(相关系数0.91)(图3d)，表明半径大于0.12 μm的喉道对低渗透储层孔隙度具有一定的控制作用，对渗透率具有显著的控制作用；同时平均喉道半径越小，其与渗透率的散点图越集中且相关性趋势线越陡，表明喉道对渗透率的控制作用越强，渗透率相对喉道的变化越不明显，尤其当平均喉道半径小于1.60 μm，渗透率小于2.00×10-3μm2时(图3d)。平均喉道半径与主流喉道半径正相关性很好(相关系数0.99)，主流喉道半径大于平均喉道半径，说明平均喉道半径越大，相对大喉道对低渗透储层渗透率贡献值越大(图3e)。

2.3孔喉半径比分布

样品孔喉半径比频率分布曲线形态和特征的差异性和规律性明显(图4a)。1，2，3号样品孔喉半径比分布范围分别为10～200，25～500，150～1 350，主要分布范围分别为26～59，55～145，325～750，峰值频率分别为23.8%，26.0%，9.3%，平均孔喉半径分别为43，103，525。这说明物性不同的低渗透储层，平均喉道半径越大，孔喉半径比越小且分布范围越窄，但峰值频率变化较大，平均孔喉半径比越小(1号样品)；平均喉道半径越小，孔喉半径比越大且分布范围越宽，平均孔喉半径比越大(3号样品)。

从统计结果来看(图4b)，平均喉道半径与孔喉半径比负相关性很好(相关系数0.99)，表明半径大于0.12 μm的喉道对低渗透储层孔喉比具有显著的控制作用，平均喉道半径越大，平均孔喉半径比越小，越利于开发[19-20]；同时平均喉道半径越小，其与孔喉半径比的散点图越集中且相关性趋势线越缓，说明喉道对孔喉半径比的控制作用越强且越明显，尤其当平均喉道半径小于1.60 μm，孔喉比大于124时。

2.4微观孔隙结构参数特征

样品微观孔隙结构参数特征差异性和规律性较明显(图1，5，表1)。1，2，3号样品溶蚀孔，特别是粒间孔越发育，孔喉连通性越好(图1)，渗透率和平均喉道半径越大，微观均值系数和排驱压力越小，喉道进汞饱和度越大，但微观分选系数、孔隙进汞饱和度、总进汞饱和度变化较大，总体微观孔隙结构越好(表1)。

根据低渗透储层恒速压汞毛管压力曲线中总进汞量、孔隙进汞量和喉道进汞量变化特征，将恒速压汞过程简单地划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段(图5)，与其对应的喉道类型分别称为相对大喉道、相对小喉道和相对微喉道。Ⅰ阶段为进汞初期阶段，汞主要进入相对大喉道所连通的孔隙，总进汞曲线和孔隙进汞曲线趋近重合，反映孔喉连通性好；Ⅱ阶段为进汞中期阶段，此时汞先期主要进入相对小喉道及其所连通的孔，偏向于孔隙，后期主要进入相对小喉道及其所连通的孔隙，但偏向于喉道，表现为孔隙进汞增加速度先期缓慢降低，后期迅速降低，总进汞曲线和孔隙进汞曲线明显分开，反映孔喉连通性变差；Ⅲ阶段为进汞后期阶段，汞只进入相对微喉道，总进汞曲线和孔隙进汞曲线完全分开，基本反映相对微喉道特征。1号样品相对大喉道发育且孔喉连通性好，毛管压力曲线Ⅰ、Ⅲ阶段发育(图5a)；2号样品相对大喉道较发育，孔喉连通性较好，毛管压力曲线Ⅲ、Ⅰ阶段发育(图5b)；3号样品相对大喉道不发育且孔喉连通性差，毛管压力曲线Ⅱ、Ⅲ阶段发育(图5c)。说明平均喉道半径越大，相对大喉道及其所连通的孔隙越发育，总体孔喉连通性越好，微观孔隙结构越好；平均喉道半径越小，相对大喉道及其所连通的孔隙越不发育，而相对小喉道及其所连通的孔隙越发育，总体孔喉连通性越差，微观孔隙结构越差。

图4　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5样品孔喉半径比特征

样号孔隙度/%渗透率/10-3μm2平均喉道半径/μm微观均值系数a微观分选系数δ排驱压力/MPa进汞饱和度/%喉道孔隙总孔喉115.537.974.950.290.350.0933.1246.5779.69216.44.122.260.350.430.2125.7620.5246.28313.00.170.440.480.420.8620.5741.4362.00

图5　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5

从统计结果来看(图6)，平均喉道半径与排驱压力(图6a)﹑微观均值系数(图6b)相关性很好，相关系数分别为0.97和0.93；与喉道进汞饱和度(图6c)相关性中等，相关系数为0.66；与分选系数(图6d)﹑总进汞饱和度(图6e)相关性一般，相关系数分别为0.63和0.63；与孔隙进汞饱和度(图6f)相关性差，相关系数为0.47。上述表明，低渗透储层平均喉道半径对微观孔隙结构具有较明显的控制作用，表现为平均喉道半径越大，微观均值系数越小，相对大喉道越多，排驱压力越低，喉道进汞饱和度越大，喉道分选性和总进汞饱和度一般也越大，但孔隙进汞饱和度变化较大，总体储层微观孔隙结构越好，尤其当平均喉道半径小于1.60 μm时 (图6)。

2.5恒速压汞与高压压汞对比分析

恒速压汞和高压压汞方法的理论原理和测得的孔喉特征参数定义完全相同，但由于2种压汞方法进汞速度和进汞压力的不同，所采用的孔隙结构解释模型不同[13-14,21]。

恒速压汞毛细管压力最高达6.2 MPa，以恒定流速将汞注入到储层孔喉中，驱替压力低，其流速为0.000 05 mL/min，一般需要几天才能完成，接近准静态过程，汞液面基本不弯曲，静态接触角(θ)基本保持140o不变，故恒速压汞测得的孔喉半径与真实孔喉半径很接近[公式(1)][18]。由于恒速压汞下汞进入每一微小形状变化的孔隙或喉道都会引起进汞压力明显的涨落，从而该方法将孔隙或喉道分开，定量分析它们的数量和体积，并以孔隙、喉道模型解释孔隙结构。

高压压汞进汞毛细管压力最高达200 MPa，进汞速度较快，整个过程在几个小时内完成，为明显的动态过程，汞液面弯曲变化大，使得汞进入微小形状变化的孔隙和喉道不能引起进汞压力的明显涨落，也就不能将孔隙和喉道分开，因此只能测试不同驱替压力下孔隙和喉道的总进汞量，以毛细管束模型解释孔隙结构[13]。

图6　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5实验样品平均喉道半径与孔隙结构参数相关关系

高压压汞中汞的静态接触角(θ)一般略大于140°[22]，所以在相同的孔喉半径下，高压压汞毛细管压力要大于恒速压汞毛细管压力[18]。这也是同一样品在相同的进汞压力下，高压压汞实验下的孔喉半径下限值小于恒速压汞实验下的孔喉半径下限值的根本原因，使得高压压汞进汞饱和度小于恒速压汞进汞饱和度(图7)。因此，在平行样品恒速压汞和高压压汞进汞毛管压力曲线上，高压压汞进汞毛管压力曲线对应的由恒速压汞进汞毛管压力曲线计算得出的孔喉半径值并不是真实值，需要进行接触角(θ)校正，才能使得测量值更接近真实值。

同时还发现压汞过程中，毛细管压力越大，样品孔喉半径下限值越低，高压压汞进汞毛细管压力与恒速压汞总进汞毛细管压力越接近或重合(图7)，表明高压压汞和恒速压汞中汞在相对细小孔喉内的液面变化小，而在相对粗的孔喉内的液面变化大。因此，可以近似将高压压汞进汞曲线中毛细管压力大于6.2 MPa(即孔喉道半径小于0.12 μm)的部分，作为恒速压汞曲线中测试不到的总进汞毛管压力曲线对待。恒速压汞和高压压汞相结合可较好地定量分析低渗透储层的微观孔隙结构特征。

图7　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5平行样品恒速

3储层品质特征

该区的生产实践表明，试油产液量可以比较客观地评价低渗透储层品质。从大量统计结果来看(图8)，研究区长4+5储层孔隙度与试油产液量没有相关性(图8a)，而渗透率与试油产液量具有一定的相关性，相关系数0.65(图8b)。

储层品质因子可用气测渗透率与气测孔隙度比值的平方根表示[公式(2)][23]，该参数目前已广泛用于评价低渗透储层微观孔隙结构品质。

储层品质因子的理论公式：

(2)

式中:RQI为储层品质因子；K为渗透率，10-3μm2；Φ为孔隙度，%。

研究区长4+5储层平均喉道半径与储层品质因子相关系数为0.97(图8c)，高于平均喉道半径与渗透率的相关系数0.91(图3d)，反映储层品质因子比渗透率更能反映储层平均喉道半径大小。根据储层品质因子拟合的平均喉道半径与试油产液量相关系数为0.68(图8d)，高于渗透率与试油产液量相关系数0.65(图8b)，反映平均喉道半径比渗透率更能准确反映储层微观孔隙结构品质[24-25]。同时，平均喉道半径越小，其与储层品质因子、试油产液量的散点图越集中，表明其对储层品质因子、试油产液量的控制作用越强，尤其当平均喉道半径小于1.60 μm、渗透率小于2.00×10-3μm2时(图8c,d)。同时也说明，恒速压汞方法足以描述镇北地区长4+5低渗透储层微观孔隙结构及其品质，可不需要再结合高压压汞方法。

图8　鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5试油产液量与储层品质参数的关系

4结论

(1)鄂尔多斯盆地镇北地区长4+5低渗透储层机械压实作用和碳酸盐胶结作用越弱，溶蚀作用越强，粒间孔和溶蚀孔越发育，孔喉连通性越好，渗透率越大。

(2)恒速压汞定量分析表明，大于0.12 μm的喉道对低渗透储层微观孔隙结构控制作用明显，表现为：该类储层平均喉道半径大，相对大喉道发育，喉道进汞饱和度大，孔喉半径比小，微观孔隙结构好。当平均喉道半径小于1.60 μm时，这种控制作用更强。

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(编辑徐文明)

Microscopic pore structure of the fourth and fifth members of

the Yanchang Formation in Zhenbei area of the Ordos Basin

Li Cheng1, Zheng Qinghua1,2, Zhang San1, Liu Yiqun2, Wang Lingli1, Liang Xiaowei1

(1.NationalEngineeringLaboratoryforPermeabilityPetroleumExplorationandDevelopment/ResearchInstituteof

PetroleumExplorationandDevelopment,ChangqingOilf1eldCompany,PetroChina,Xi’an,Shaanxi710018,China;

2.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics/GeologyDepartment,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China)

Abstract:The fourth and fifth members of the Yanchang Formation (Chang4+5) in Zhenbei area of the Ordos Basin are low-permeability reservoirs of diagenetic origin. Conventional methods such as thin section analysis, scanning electron microscopy and physical properties determination failed to analyze the microscopic pore structure of these reservoirs. We used conventional methods and applied constant rate mercury penetration to study the controlling factors to quantitatively determine microscopic pore structure. The microscopic pore structure of the Chang4+5 reservoirs was mainly impacted by diagenetic effects. When mechanical compaction and carbonate cementation were weaker and feldspar dissolution was more intense, intergranular pores and dissolution pores would be more developed, resulting in better connectivity and higher permeability. Microscopic pore structure and permeability were mainly controlled by throat radius. Generally, if average throat radius was >0.12 μm, permeability would be higher, the smaller the pore/throat radius ratio, the better the microscopic pore structure, the greater the reservoir quality index (RQI), and the higher liquid oil yield, especially when the average throat radius was <1.26 μm. Throats controlled the quality of the microscopic pore structure of low permeability reservoirs.

Key words:contant-rate mercury; reservoir quality index (RQI); microscopic pore structure; low permeability reservoir; Yanchang Formation; Zhenbei area; Ordos Basin

基金项目：教育部科技发展中心高等学校博导基金(20106101110020)、大陆动力学国家重点实验室(西北大学)重点基金项目(BJ08133-3) 、国家自然科学基金项目(41390451)和国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB239003)资助。

通讯作者简介：柳益群(1951—)，女，教授，从事岩石学、油气储层地质学、盆地热史方面研究。E-mail: liu-yiqun@263.net。

作者简介：李成(1984—)，男，硕士，工程师，从事油藏评价研究工作。E-mail:c8lccq@petrochina.com.cn。

收稿日期：2014-9-17；

修订日期：2015-10-10。

中图分类号：TE122.2+3

文献标志码：A

文章编号：1001-6112(2015)06-0729-08doi：10.11781/sysydz201506729