鄂尔多斯盆地大宁—吉县区块上古生界致密储层孔隙结构特征及其与黏土矿物的关系

石石,耳 闯,张 稳,赵靖舟,张艺馨,滕云玺

(1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司,北京 100095;2.中石油煤层气有限责任公司,北京 100028;3.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065;4.陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西 西安 710065)

引 言

致密气是形成于非烃源岩的低渗透储层中的天然气聚集,其储层空气渗透率小于1×10-3μm2,孔隙度小于12%[1],其孔喉半径一般小于1 μm[2]。鄂尔多斯盆地是我国最大的致密气生产基地,以苏里格气田、神木气田、大牛地气田和延安气田等为典型代表[3]。大宁—吉县区块位于鄂尔多斯盆地东南部(图1),鄂尔多斯盆地大吉气田大宁—吉县区块大吉5-6井在下二叠统山西组致密砂岩储层中试气获得高产,揭开了大宁—吉县区块煤系地层致密气勘探开发的序幕,目前已形成以山23亚段为主要产气层,本溪组、山2段、山1段和盒8段多层生产的勘探开发局面[4]。前人在地震储层预测方法、砂体展布特征、“甜点区”储层评价、储层微观孔隙结构等方面积累了一定的研究成果[4-5],认为本溪组—盒8段发育纳米孔、微孔、中孔或宏孔等多尺度孔隙,但对各类孔隙赋存特征和黏土矿物对储层孔隙结构的影响研究较少。近年来,关于致密砂岩储层中微-纳米级孔隙与黏土矿物的关系逐渐引起重视,高岭石、绿泥石和伊利石等黏土矿物中均可发育微-纳米级孔隙,黏土矿物对储层的孔隙度和渗透率总体表现为负面影响并加剧了孔隙结构的复杂程度[6]。各类黏土矿物对微-纳米级孔隙的贡献与黏土矿物类型和含量、黏土矿物成因及晶体结构有关[7]。致密储层孔隙结构特征和黏土矿物类型对渗流、流体赋存形式[8-9]、储层敏感性[10]产生重要影响。前期研究虽然关注了各类黏土矿物对致密储层物性的影响,但黏土矿物形成的微-纳米级孔隙的孔径范围和黏土矿物对致密储层孔隙结构影响方面的研究还有待深入。

本文以揭示大宁—吉县区块上古生界致密砂岩储层孔隙结构特征和黏土矿物对孔隙结构的影响为目的,综合利用高压压汞、铸体薄片、X射线全岩及黏土矿物测试结果,分析致密储层孔隙结构特征并划分孔隙结构类型,揭示各孔隙结构类型的孔径组成范围,剖析黏土矿物对孔隙类型、孔径范围和孔隙连通性的影响,以期为进一步分析孔隙结构对流体渗流、流体赋存形式和储层敏感性的影响奠定基础。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

1 致密储层基本特征

盒8段孔隙度在0.74%～19.89%,主体分布在4.90%～8.96%,平均7.19%,中值6.93%。山1段孔隙度为0.96%～17.89%,主体分布在3.70%～7.39%,平均5.66%,中值5.36%。山2段孔隙度为0.63%～14.10%,主体分布在4.70%～8.12%,平均5.66%,中值5.36%。本溪组孔隙度在0.50%～14.06%,主体分布在3.70%～6.47%,平均值5.35%,中值5.46%。盒8段孔隙度条件最好,其次为山2段,本溪组孔隙度最差(图2(a))。

图2 盒8段—本溪组孔隙度和渗透率基本特征Fig.2 Basic characteristics of porosity and permeability in He 8 member-Benxi Formation

盒8段渗透率为(0.003～35.700)×10-3μm2,主体分布在(0.06～0.22)×10-3μm2,平均0.39×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。山1段渗透率为(0.000 2～22.500 0)×10-3μm2,主体分布在(0.06～0.24)×10-3μm2,平均0.34×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。山2段渗透率为(0.003～244.000)×10-3μm2,主体分布在(0.06～0.54)×10-3μm2,平均3.59×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。本溪组渗透率为(0.006～104.540)×10-3μm2,主体分布在(0.05～0.45)×10-3μm2,平均2.33×10-3μm2,中值0.12×10-3μm2。山2段和本溪组渗透率条件好于盒8段和山1段(图2(b))。

2 孔隙类型

大宁—吉县区块上古生界储层孔隙类型以溶蚀孔隙为主,原生粒间孔不常见,可能与被溶蚀改造有关。溶蚀孔隙类型包括粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔等(图3(a)),长石是主要的溶蚀矿物,其次还包括岩屑、凝灰质和泥质杂基等。高岭石和绿泥石可充填在粒间(溶)孔内,形成大量高岭石晶间孔和绿泥石晶间孔(图3(a)、图3(b)、图3(g)和图3(h))。伊蒙混层和伊利石可呈搭桥式附着在颗粒表面堵塞喉道或孔隙充填式充填于粒间孔隙内,同样形成大量晶间孔隙,并造成孔喉结构的复杂化(图3(c)、图3(d)、图3(i)和图3(h))。

3 毛管曲线形态分类

综合孔隙度(Φ)、渗透率(K)、毛管压力曲线形态、排驱压力(Pd)、孔喉半径、分选系数、退汞效率和孔隙类型等,将大宁—吉县区块上古生界孔隙结构划分为5种类型(表1)。

Ⅰ类结构压汞曲线具有明显的平台,最大进汞饱和度大,排驱压力小于1 MPa,偏粗歪度,孔隙类型以粒间溶孔为主,发育少量原生孔隙,孔隙连通性较好,大孔细喉,以缩颈型和片状喉道为主(表1,图3(a)和图3(e))。

Ⅱ类结构压汞曲线具有较明显的平台,最大进汞饱和度小于Ⅰ类,排驱压力小于1 MPa,偏粗歪度,孔隙类型以粒间溶孔为主,孔隙连通性较好,高岭石充填粒间(溶)孔,发育高岭石晶间孔,大孔细喉,片状或弯片状喉道(表1,图3(f))。

Ⅲ类结构压汞曲线在主要进汞段呈两段式,表明该类储层有两个明显的孔喉发育区间,孔隙类型以粒间溶孔为主,孔隙连通性变差,薄片中多呈孤立状且无明显喉道形态,孔隙内充填绿泥石或高岭石,可能以弯片状或管束状喉道为主(表1、图3(b)、图3(g)和图3(h))。

Ⅳ类结构压汞曲线形态与Ⅱ类结构相似,但最大进汞饱和度较小,偏细歪度,孔隙类型以粒间溶孔为主,孔隙连通性差,薄片中多呈孤立状且无明显喉道形态,孔隙内充填丝发状伊利石,可能以管束状喉道为主(表1,图3(c)、图3(d)、图3(i)和图3(j))。

Ⅴ类结构压汞曲线形态陡,无明显平台,最大进汞饱和度小,细歪度,孔隙发育程度低,溶蚀孔隙呈孤立状且孔径小,偶见裂缝,以管束状喉道为主(表1,图3(k)和图3(j))。

Ⅰ、Ⅱ类和Ⅲ～Ⅴ类在孔隙度(Φ)、渗透率(K)、孔喉半径、分选系数、结构系数和退汞效率等方面有较明显的差异(表1,图4)。Ⅰ、Ⅱ类总体比Ⅲ～Ⅴ类具有更好的孔隙度、渗透率、孔喉半径和孔喉分选性,其中Ⅴ类最差。与上述参数相反,Ⅲ～Ⅴ类比Ⅰ、Ⅱ类具有更低的结构系数和相对高的退汞效率(图4)。其中r35是压汞曲线上进汞饱和度35%对应的孔喉半径,汞饱和度达到35%之前的这部分孔喉可能是孔隙系统中控制流体流动的有效孔隙网络[11-12]。结构系数表征了真实岩石孔隙特征与长度相同的平行柱状毛细管束模型之间的差别[13],其表达式为

(1)

μm2;Φ为孔隙度,%。

结构系数公式实际表征孔喉通道的迂曲度[10]。Ⅰ、Ⅱ类比Ⅲ～Ⅴ类具有更大结构系数,即迂曲度大,可能与前两者具有更大的孔喉比有关,进而导致前两者比后三者具有更低的退汞效率[14-15]。

图4 5种孔隙结构的参数特征对比Fig.4 Comparison of parameter characteristics of five types of pore structure

4 孔喉组成

综合表1和图4可知,反映孔隙和喉道(孔喉)大小的r35和平均孔喉半径之间有较大偏差,r35总体小于平均孔喉半径,表明致密储层具有较强的微观非均质性,平均孔喉半径更多反映的大孔喉部分,r35比平均孔喉半径揭示的孔径范围更大。将孔喉半径区间分为<50 nm、50～100 nm、100～500 nm、500 nm～1 μm和>1 μm 共5个孔喉区间,分析各孔喉区间组成对孔隙结构的影响(图5和图6)。

4.1 孔喉组成与孔喉半径

随100 nm以下孔喉体积占比增加,孔喉半径减小,其中Ⅰ和Ⅱ类结构100 nm以下孔喉体积占比较小。50 nm以下孔喉与孔喉半径相关性好于50～100 nm。随100 nm～1 μm孔喉体积占比增加,孔喉半径增加,其中,Ⅰ和II结构储层100 nm～1 μm孔喉体积占比较高。1 μm以上孔喉体积占比与孔喉半径具有正相关关系,但相关性比前两个孔径区间差,分析认为1μm以上孔隙不是致密储层的主体孔隙单元(图5)。

图5 孔隙组成与孔喉半径交会图Fig.5 Crossplots of pore composition and pore throat radius

图6 孔隙组成与结构系数(迂曲度)交会图Fig.6 Crossplots of pore composition and structure coefficient (tortuosity)

4.2 孔喉组成与结构系数

随100 nm以下孔喉体积占比增加,结构系数减小,孔喉通道迂曲度降低,特别是50 nm以下的孔喉对结构系数影响更为明显,Ⅰ类和Ⅱ类结构具有较大的结构系数,Ⅲ～Ⅴ类结构系数较前两类低。随100～500 nm、500 nm～1 μm和>1 μm以上孔喉体积占比增加,结构系数变大,其中,100 nm～1 μm的孔喉体积占比与结构系数相关性较明显,分析认为这两个区间是构成孔隙空间的主要部分。综合孔喉组成与孔径和结构系数的关系,喉道以100 nm以下为主,Ⅰ和Ⅱ类结构以100 nm以上孔隙为主,大孔细喉,孔喉比大,迂曲度高;Ⅲ～Ⅴ类以100 nm以下孔隙为主,小孔细喉,孔喉比小,迂曲度低(图6)。

5 黏土矿物对孔隙结构的影响

在压实作用和胶结作用影响下,孔隙变小,喉道变窄,造成物性下降,但溶蚀作用又在一定程度上可以增加孔隙。自生黏土矿物(如高岭石和伊利石)发育晶间孔隙,形成更为复杂的孔隙结构。研究区内以溶蚀孔隙为主,其次高岭石晶间孔、伊利石晶间孔和绿泥石晶间孔较发育(图3),孔径范围以纳米级孔隙为主(图5),本文重点分析黏土矿物对储层孔隙结构的影响。

无论是机械沉积作用形成的杂基,还是成岩作用过程中生成的自生黏土矿物,都会发育黏土矿物晶间孔隙,这些晶间孔隙或是与黏土矿物的晶格特点有关(如高岭石,图3(a)、图3(b)),或与黏土矿物生长特点有关(如丝发状伊利石,图3(c)、图3(d))。黏土矿物发育的晶间孔隙可能本身既是孔隙又是喉道,组成管束状喉道。Ⅰ和Ⅱ类结构具有相对较低的黏土矿物,Ⅲ和Ⅳ类结构具有相对较高的黏土矿物(图7)。

图7 黏土矿物质量分数与孔隙组成交会图Fig.7 Crossplots of pore composition and mass fraction of clay minerals

5.1 孔喉大小与黏土矿物的关系

随黏土矿物质量分数增加,100 nm以下孔喉体积占比增加,特别是50 nm以下孔喉与黏土矿物具有更好的相关性,分析认为黏土矿物晶间孔主要以100 nm以下孔隙和喉道为主,且致密储层喉道总体以100 nm以下为主(图7)。100 nm以上孔喉体积与黏土矿物负相关,黏土矿物充填孔隙造成粒间(溶)孔隙体积下降,孔隙度降低。

随黏土矿物质量分数增加,孔喉半径减小(图8(a)),但黏土矿物各类型对孔喉大小的影响存在差异。高岭石与孔喉半径关系表现为先负后正,拐点在4%左右(图8(b));伊利石、伊蒙混层和绿泥石与孔喉半径总体表现为负相关(图8(c)、图8(d))。长石溶蚀产生溶蚀孔隙和副产物高岭石,由于高岭石多在溶蚀孔隙附近就近堆积(图3(a)、图3(b)),造成溶蚀增孔效果有限。高岭石质量分数高,说明溶蚀作用强,在迁移条件好的情况下,有利于孔径增大、孔隙体积增加,Ⅰ和Ⅱ类结构就属于上述情况(图8(b))。

5.2 孔喉迂曲度与黏土矿物的关系

黏土矿物质量分数增加,结构系数减小,孔喉通道迂曲度降低,其中,高岭石、伊蒙混层、伊利石和绿泥石与结构系数均为负相关,但也存在高岭石质量分数高而结构系数大的情况(图8(e)—图8(h))。由于黏土矿物晶间孔以100 nm以下孔喉为主(图7(a)、图7(b)),总体表现为孔喉比低,结构系数低,迂曲度较小。

图8 黏土矿物质量分数与孔喉半径和结构系数(迂曲度)交会图Fig.8 Crossplots of pore throat radius,structure coefficient (tortuosity) and mass fraction of clay minerals

5.3 孔隙结构、黏土矿物与溶蚀作用

100 nm以下孔隙和喉道的形成与黏土矿物晶间孔和压实及胶结作用减孔有密切关系。黏土矿物晶间孔以100 nm以下孔隙和喉道为主,黏土矿物质量分数高的情况下形成大量100 nm以下的孔隙和喉道。由于压实作用和胶结作用造成孔隙半径缩小、孔隙体积降低、喉道半径减小,喉道半径减小作用尤为明显,形成弯片状或管束状喉道,孔隙和喉道大小更为均匀。受溶蚀作用影响,形成粒间溶孔、铸模孔和粒内溶孔等类型的溶蚀孔隙,以100 nm以上孔隙为主,而喉道半径以100 nm以下为主,表现为缩颈型和片状喉道,孔喉比大,孔隙结构反而更为复杂。

6 结 论

(1)大宁—吉县区块上古生界孔隙类型以粒间溶孔、粒内溶孔和铸模孔等溶蚀孔隙为主,其次还发育高岭石晶间孔、伊利石晶间孔和绿泥石晶间孔。

(2)大宁—吉县区块上古生界致密砂岩储层孔隙结构可划分为5种类型,Ⅰ和Ⅱ类结构以100 nm～1 μm孔隙为主,具有较好的物性条件,以溶蚀孔隙和片状喉道为主,大孔细喉;Ⅲ～Ⅴ类结构以100 nm以下孔隙和喉道为主,物性差,发育溶蚀孔隙,黏土矿物晶间孔较发育,以弯片状和管束状喉道为主,小孔细喉。

(3)黏土矿物晶间孔主要由100 nm以下的孔隙和喉道构成,具有较小的孔喉比,孔喉通道迂曲度低。伊利石、伊蒙混层和绿泥石对孔喉大小和孔隙结构总体表现为负面影响,但高岭石质量分数超过4%,溶蚀孔隙发育程度高,孔喉半径增大。