2025, Vol. 37
2. 延长油田股份有限公司 富县采油厂，陕西 富县 727500
2. Fuxian Oil Production Plant of Yanchang Oilfield Co., Ltd., Fuxian 727500, Shaanxi, China
致密油是非常规油藏的重要组成部分，明显影响着国际能源格局[1]。鄂尔多斯盆地致密油资源丰富，其中富县地区三叠系长8段为盆地内重要的致密油藏勘探层位，勘探潜力较大。以往研究表明该区长8段为三角洲前缘亚相[2-3]，岩石类型主要为长石砂岩及岩屑长石砂岩[4]，孔隙度、渗透率均低，储层物性差，强烈的压实及胶结作用是储层致密的主要原因[5-6]。致密砂岩储层微观孔喉结构复杂，非均质性强，直接影响储层的储集与渗流能力[7]，因此，深入认识与精准描述致密储层微观孔喉结构及其对储层物性的影响对于致密油藏勘探开发具有明显意义。
近年来，国内学者依托扫描电镜、高压压汞、核磁共振等微观测试技术对富县地区三叠系长8段储层孔喉的形态、大小及连通性等特征进行了定性及定量分析，这些技术手段的交叉应用，为后续研究提供了丰富的理论基础。在孔喉特征方面，发现该区主要发育次生孔隙，粒间孔与溶蚀孔占据主导地位[5]；喉道尺寸以纳米级为主[8]，纳米、亚微米级孔隙在孔隙体系中占比较大，而毫米级孔隙基本不发育[9]，综合判定属于细孔—微细喉型储层[10]，也有学者基于测试数据提出，储层整体属于微细孔喉型，但局部存在小孔—中喉型储层发育带[11]，层内连通的孔隙数量较少，连通性一般—差[4, 8]。对于该区储层分类，有学者将富县地区延长组孔喉结构划分为5类，并定量表征了其结构特征[12]，也有学者将该区储层划分为4类，并通过产量与储量数据对比，明确Ⅱ类储层在油气资源贡献中占据主导地位[13]。然而，这些研究多停留在定性描述与基础参数统计层面，缺乏孔喉结构复杂性的精准刻画与定量表征，而分形理论的出现为解决这一难题提供了新的途径。1975年，Mandelbrot等[14-15]首次提出分形理论，其核心思想是用一种描述复杂现象的非线性数学方法解释不规则、不稳定的复杂系统特征。近年来，分形理论在储层孔隙结构研究中得到广泛应用[16]，分形维数作为分形理论的核心参数对于量化孔喉结构的复杂非均质性具有重要意义[17-19]。
鄂尔多斯盆地富县地区长8段储层孔喉结构研究还相对薄弱，且缺少分形特征的研究，其次，受多种因素影响，储层孔喉结构具有明显非均质性，亟需探讨分形特征对储层物性与孔喉结构的影响。通过薄片观察、扫描电镜、压汞实验、核磁共振等多种测试方法全面表征长8段储层的孔喉结构及其分形特征，分析孔喉结构参数对储层物性的影响，明确分形维数与储层物性、孔喉结构之间的关系，以期为该地区致密砂岩储层精细评价与高效开发提供理论依据。
1 地质概况鄂尔多斯盆地为内陆克拉通盆地，总面积约2.6×105 km2，东、西、南、北分别被吕梁山、六盘山、秦岭、阴山所环绕（图 1a）。已有研究成果表明盆地内部构造简单，可进一步划分出6个一级构造单元[20]，该盆地蕴藏大量油气资源，开发前景广阔。鄂尔多斯盆地在晚三叠世属于内陆坳陷型湖盆演化阶段，上三叠统延长组经历了内陆湖盆从初始发生、逐步发展直至最终消亡的全过程[21-22]，其中，长8段沉积期为湖盆沉降期，引发了大规模湖进现象，三角洲沉积开始大量发育[23]。
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下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地富县地区位置（a）及三叠系长8段岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Location of Fuxian area (a) and comprehensive stratigraphic column of Chang 8 member of Triassic (b), Ordos Basin |
富县油区位于鄂尔多斯盆地东南部，在构造分区上隶属鄂尔多斯盆地一级构造单元伊陕斜坡带，区内地层平缓，断层不发育，在东高西低单斜背景下，发育3个北西倾的鼻状构造。三叠系延长组是该区发育较为齐全的地层之一，长8段为该区重要含油层系，自上而下可细分为长81、长82 2个油层组（图 1b）。研究区长8段孔隙度平均为9.43%，渗透率平均为0.45 mD，属于典型的致密储层。以往在沉积相研究和储层分析的基础上，认为该区水下分流河道砂体为优质储集层[24]。
2 孔喉结构及分形特征 2.1 孔喉类型铸体薄片与扫描电镜观察结果显示，孔隙类型以溶蚀粒间孔、长石溶孔为主，次为残余粒间孔，含少量微裂缝。溶蚀粒间孔为最常见孔隙类型，孔隙边缘因溶蚀而形成不规则锯齿状，孔径较大，具有较好的连通性；长石溶孔因其边缘或解理部位部分溶蚀而形成的次生孔隙，孔径较小；残余粒间孔多呈三角形，常被绿泥石薄膜环绕；微裂缝主要是由于机械压实作用导致的破裂缝，数量较少，但能够有效地连接储层内的孔隙和喉道空间，从而明显提升储层的渗流能力（图 2a—2d）。
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下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段主要孔喉类型 （a）溶蚀粒间孔，芦83井，长821-B，1 392 m；（b）长石溶孔，芦219井，长821-A，1 512 m；（c）残余粒间孔，芦217井，长821-A，1 593 m；（d）微裂缝，芦251井，长821-B，1 489 m；（e）点状、片状及缩颈状喉道，芦126井，长822，1 683 m；（f）弯片状喉道、孔隙缩小型喉道，芦251井，长822，1 501 m；（g）片状喉道，芦251井，长821-B，1 488 m；（h）片状喉道，芦217井，长821-B，1 597 m；（i）管束状喉道，芦219井，长822，1 523 m。 Fig. 2 Main pore throat types of Triassic Chang 8 member in Fuxian area, Ordos Basin |
研究区长8段储层以片状、弯片状喉道为主，管束状、点状喉道次之，缩颈状及孔隙缩小型喉道数量较少。片状、弯片状喉道半径大多为2~5 μm，长度可以达到50 μm（图 2e—2h），管束状喉道主要呈毛细管状的小孔隙穿插分布在胶结物与杂基中，可成为储层流体的储存空间及流动通道，喉道半径较小（图 2i）；缩颈形喉道是由于孔隙变小所致，通常与孔隙难以区分，一般表现为短而粗的形态特征，多存在于溶蚀孔或者残余粒间孔之间（图 2e）；孔隙缩小型喉道半径较大，由于喉道较粗，连通性好，是油气重要储存空间（图 2f）。
2.2 孔喉结构特征孔喉结构是指储层中孔隙与喉道的大小、形状、分布及连通关系[25]，压汞及核磁共振实验是定量表征孔喉结构的重要方法，致密砂岩储层孔喉结构的复杂性及单一测试手段的局限性导致储层微观孔喉结构准确、全面的表征需要多种测试方法相互结合，综合分析[26-27]。
本次共采集24块代表性样品，均属于细砂岩，取样层位主要位于水下分流河道。由于高压压汞实验为主体测试，恒速压汞及核磁共振实验为辅助标定作用，同时考虑到实验成本较高，所以3种实验测试的样品数量均存在差异。
2.2.1 高压压汞选取24块样品利用AutoPore Ⅳ9505型压汞仪开展高压压汞实验，实验过程中最高压力为200.32 MPa，对应孔喉半径为4 nm。由于样品L1- 4-2的进汞饱和度（50%）与中值压力（120 MPa）明显偏离平均值，因此判定为异常值并剔除。剩余23个样品基于毛管压力曲线结合排驱压力、平均孔喉半径及最大孔喉半径等微观孔喉参数将储层分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类，其中，Ⅰ类较少，以Ⅱ类、Ⅲ类为主（图 3）。
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下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层毛管压力曲线与孔喉半径分布特征 Fig. 3 Capillary pressure curves and distribution characteristics of pore throat radius of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
Ⅰ类储层毛管压力曲线位于图件最下方（图 3a），汞注入孔隙阻力小，排驱压力平均值为0.52 MPa，最大孔喉半径为1.64 μm、平均孔喉半径为0.41 μm（表 1）；孔喉半径跨度大，孔径分布曲线呈右偏单峰型（图 3b），峰值为0.24~4.00 µm，大孔喉发育，属于细孔—细喉道型，为该区最好储层类型。
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下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层高压压汞参数 Table 1 High pressure mercury injection parameters of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
Ⅱ类储层毛管压力曲线位于图件中部，较Ⅰ类右上偏移（图 3a），排驱压力平均值为1.60 MPa，高于Ⅰ类，最大孔喉半径为0.48 μm、平均孔喉半径为0.14 μm（表 1）；孔喉半径分布范围变窄，孔喉分布曲线具有双峰与单峰2种特征，以双峰型为主，左峰为0.016~0.040 μm，右峰为0.063~0.250 μm（图 3c），属于细微孔—细喉道型，中小孔喉数量增多以及大孔喉半径缩小，导致该类样品物性变差，为该区较好储层类型。
Ⅲ类储层毛管压力曲线位于图件上部（图 3a），排驱压力平均值为4.51 MPa，最大孔喉半径为0.17 μm、平均孔喉半径为0.05 μm（表 1）；孔喉半径为0.002 5~ 0.250 0 µm，以小孔隙为主，分布曲线近似正态分布（图 3d），峰值为0.016~0.04 μm，属于微细孔—微细喉道型，大量连通性差的小孔喉的存在使这类样品的渗流能力变差，为该区差储层类型。
2.2.2 恒速压汞挑选5块代表性样本采用ASPE-730压汞仪在25 ℃恒温下开展恒速压汞测试，分析其曲线特征、孔喉半径及孔喉配置关系，实验设定接触角为140°、表面张力为0.48 N/m。根据恒速压汞实验结果，孔隙半径平均为153.11 μm、喉道半径平均为0.62 μm，孔喉比平均为411.236，最终进汞饱和度平均为38.25%、孔隙进汞饱和度平均为21.70%、喉道进汞饱和度平均为16.55%（表 2），进汞饱和度较低说明大量微小喉道未被识别出来。
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下载CSV 表 2 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层恒压压汞参数 Table 2 Constant pressure mercury injection parameters of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
各样品的孔隙与喉道分布曲线均表现为单峰型，近似正态分布，喉道半径为0.1~2.1 μm，峰值为0.1~0.5 μm，但喉道分布范围存在明显差异（图 4a）；孔隙半径主要为30~240 μm，峰值为30~ 90 μm（图 4b）；各样品孔喉比跨度大，反映出孔喉结构复杂且非均质性强（图 4c）。
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下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层孔喉分布特征曲线 Fig. 4 Distribution characteristics of pore throat of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
通过对比高压压汞与恒速压汞实验结果可以发现，虽然二者在孔喉半径分布范围上存在一定差异，但整体孔喉曲线形态具有相对一致性，主要呈单峰式分布，这种差异性主要是由于2种方法的实验原理和测量条件不同。
2.2.3 全孔径分布特征由于核磁共振实验可以表征的孔喉范围更广，因此通过核磁共振与高压压汞拟合的方法，将T2谱转化为孔径r，以获得孔喉全孔径分布特征。以往研究表明[28]，T2谱值与孔径r之间的关系可以表示为
| $ r=C T_2^{\frac{1}{n}} $ | (1) |
式中：r为孔径，μm；T2为横向弛豫时间，ms；C为常数；n为常数。
利用最小二乘法拟合插值后孔喉半径与T2谱的关系可获得C和n值，具体方法可参考文献[29]。长8段储层T2谱值和高压压汞插值后的孔径r拟合曲线存在明显的拐点，以L2-5-1为例，在孔喉半径约0.6 μm处存在一个拐点将拟合曲线分为2部分（图 5a），通过最小二乘法可以分别计算出2段曲线的C和n值（表 3），代入公式（1）可实现T2值与孔径r的转化。
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下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层典型样品T2谱与孔径r的关系及孔喉全孔径分布特征 Fig. 5 Relationship between NMR T2 spectrum and pore size r, and pore throat full aperture distribution characteristics of typical samples of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
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下载CSV 表 3 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层核磁共振T2谱与孔径转换因子 Table 3 Conversion factors of NMR T2 spectrum and pore size of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
长8段储层孔喉全半径为0.001~10.000 μm，分布范围广（图 5b），样品L3-1-2孔喉分布曲线为单峰型，非均质性较弱，其余为双峰型，孔喉结构复杂，非均质性强。L2-1-1与L2-5-1右峰峰值明显高于左峰，表明大孔喉更为发育，其余样品左峰高右峰低，孔喉相对较小。
2.3 分形特征 2.3.1 高压压汞求取分形维数分形理论用于研究不规则、不稳定的复杂结构[30-31]，分形维数（D）理想值为2~3，分形维数越小则孔喉均质性越强、形状越规则、表面越光滑[32]。本次采用汞饱和度法计算分形维数，具体公式为
| $ \lg S_{\mathrm{Hg}}=(D-2) \lg P_{\mathrm{C}}+C $ | (2) |
式中：SHg为汞饱和度，%；D为分形维数；PC为毛细管压力，MPa。
致密砂岩储层通常表现出多重分形特征，通过绘制lgSHg-lgPC交会图，分段线性回归不同区间获得斜率K，代入公式（3）即可求取不同区间的分形维数。
| $ D=K+2 $ | (3) |
从图 6可以看出3类储层致密砂岩样品孔喉结构具有多重分形特征，以转折点为界，左侧代表大尺度孔喉，右侧代表小尺度孔喉，各段曲线拟合结果均较好，相关系数R2均大于0.8。计算各样品相应段所占比的孔隙度（φ1—φ3），通过公式（4）计算全孔径总分形维数（DT）。
| $ D_{\mathrm{T}}=\frac{D_1 \varphi_1+D_2 \varphi_2+D_3 \varphi_3}{\varphi_1+\varphi_2+\varphi_3} $ | (4) |
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下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层孔喉分形特征 Fig. 6 Fractal characteristics of pore throat of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
3类储层样品的各段分形维数均为2~3，大尺度孔喉（D1）、中尺度孔喉（D2）、小尺度孔喉（D3）分形维数平均值分别为2.51，2.34，2.09，即D1 > D2 > D3（表 4），表明大孔喉结构复杂程度更高，非均质性更强，这一规律在3类储层中普遍存在。DT为2.05~2.44，平均值为2.27，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类储层对应的DT平均值分别为2.20，2.25，2.33，反映3类储层孔喉结构非均质性逐渐增强，孔喉结构逐渐变复杂，这一结果与前文压汞实验得到的结果具有一致性。
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下载CSV 表 4 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层孔喉分形维数统计 Table 4 Statistics of pore throat fractal dimension of Triassic Chang 8 reservoir in Fuxian area, Ordos Basin |
从铸体薄片和扫描电镜下观察结果可知，D1主要为溶蚀粒间孔（参见图 2a）及大尺度片状、弯片状喉道（参见图 2e—2h），这类孔喉结构网络复杂，通常由于遭受溶蚀作用而呈复杂的形态，表面凹凸不平导致具有较强的非均质性，从而具有较大的分形维数。D3主要为残余粒间孔、缩颈状、点状喉道（参见图 2c，2e）等，由于强烈压实作用而导致这种类型的孔隙与喉道半径较小且更接近规则的几何形态，通常分形维数较小。D2属于“过渡类型”，由于具有较为规则的几何形态和较为复杂的结构使其分形维数D2介于大孔喉D1及小孔喉D3之间。
3 孔喉结构分形特征对储层物性的影响 3.1 分形维数与孔喉结构参数的关系相关性分析表明，平均孔喉半径与DT，D1，D3明显负相关（图 7a，7b），说明随孔喉非均质性加剧，其平均孔喉半径呈变小趋势。分选系数与DT，D1，D3明显正相关（图 7c，7d），说明孔喉的非均质性越强储层分选性越差。排驱压力反映储层连通性的好坏，DT，D1，D3与排驱压力呈正相关（图 7e，7f），表明当孔喉结构呈高度复杂性时，孔隙之间的连通程度会明显降低。
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下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段分形维数-孔喉结构参数关系 Fig. 7 Relationship between fractal dimension and pore throat structure parameters of Triassic Chang 8 member in Fuxian area, Ordos Basin |
D2与孔喉结构参数及储层物性均无明显相关性，可能是由于D2处于中间范围，既不像大孔喉主导流体流动，也不像小孔喉影响储层毛管压力，对于整体的孔喉结构及物性的贡献相对不突出，从而导致与储层物性及孔喉结构之间的相关性较差。
3.2 孔喉结构参数对储层物性的影响孔喉半径参数与储层物性呈明显正相关，其中最大孔喉半径与渗透率相关性最强（图 8a），且孔喉半径增大，渗透率变化幅度大于孔隙度，表明对渗流能力影响更突出。排驱压力是储层连通性的表征指标，研究区储层物性与排驱压力呈明显负相关（图 8b），表明排驱压力越小储层孔喉半径越大，连通性越好，渗流能力越强。分选系数与物性呈正相关，尤其与渗透率相关性更强（图 8c），表明储层渗透率的提高主要依靠发育的大孔喉。
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下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段储层物性-孔喉结构参数关系 Fig. 8 Relationship between reservoir physical properties and pore throat structure parameters of Triassic Chang 8 member in Fuxian area, Ordos Basin |
储层物性随喉道半径参数增大而提升，其中平均喉道半径对渗透率影响更明显（图 8d），说明喉道大小主导渗透率且平均喉道半径对其影响更大。平均孔隙半径与储层物性参数之间呈正相关，但相关性较弱（图 8e），表明孔隙半径对致密储层品质的改善作用比较小，与孔隙度更高的相关性相比孔隙半径对孔隙度的影响更大。孔喉比是表征储层孔隙与喉道半径差异程度的重要参数，孔喉比越大，表明储层中粗喉道的数量相对较少，而大孔隙相对更为发育，流体在储层中流动的阻力增强。研究区储层渗透率以及孔隙度同孔喉比呈负相关（图 8f），R2分别为0.799 1，0.767 7，这种较强的相关性表明孔喉比明显影响储层渗流和储集能力。
3.3 分形维数对储层物性的影响全孔径DT与孔隙度呈弱负相关性（图 9a），表明样品孔隙结构越复杂储集空间越小；D1与孔隙度相关性最好，D3与孔隙度相关性一般（图 9b），说明大孔喉主导储层孔隙度，但大量发育的小孔喉对于孔隙度也有重要贡献；DT，D1与渗透率相关性好，D2，D3与渗透率相关性差（图 9c，9d），表明研究区长8段渗透率主要由D1贡献。因此，鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段致密砂岩储层中，分形维数低，大孔喉占比高且与有利地质相带的叠合区域即为优质储层发育的潜在目标。
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下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段孔渗参数-分形维数关系 Fig. 9 Relationship between fractal dimension and porosity-permeability parameters of Triassic Chang 8 member in Fuxian area, Ordos Basin |
（1）鄂尔多斯盆地富县地区三叠系长8段致密砂岩储层孔隙以溶蚀粒间孔、长石溶孔为主，喉道以片状、弯片状为主；根据排驱压力、平均孔喉半径及最大孔喉半径将储层分为3类，从Ⅰ类到Ⅲ类储层，物性逐渐变差，排驱压力逐渐降低，孔喉半径逐渐减小；恒速压汞进汞饱和度平均为38.25%，孔喉比为265.52~669.91，反映孔喉结构复杂且非均质性强；孔喉全孔径主要为0.001~10.000 μm。
（2）致密砂岩储层孔喉结构具有三重分形特征，以分形拐点为界分别为D1，D2及D3，平均值分别为2.51，2.39，2.08，即D1 > D2 > D3，D1溶蚀作用强烈，形态及孔喉网络复杂而导致分形维数较大，D3压实作用强烈，形态规则而具有较小的分形维数；全孔径DT为2.05~2.44，平均值为2.26，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类储层对应的DT平均值分别为2.20，2.25，2.33，表明从Ⅰ类到Ⅲ类储层，孔喉非均质性逐渐增强。
（3）研究区长8致密砂岩储层渗透率主要受控于平均喉道半径，分形维数与孔喉结构具有较好的相关性，孔喉结构复杂度及非均质性增强会导致孔隙连通性、分选性变差；分形维数与储层孔渗负相关，反映孔喉结构的复杂性会损害储层储集与渗流能力，D1与孔隙度、渗透率相关性最好，表明长8段储层物性主要受D1影响，说明平均喉道大、大孔占比高、分形维数低的有利相带更易形成优质储层。
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