孔隙结构参数和储集性能

储集层的孔隙结构~

上面讨论的孔隙度和渗透率，对于评价渗透率较高的储集层是适用的。而对于低渗透性储集层(渗透率小于0.987×10－3μm2)，仅利用孔隙度和渗透率就无法正确评价储集层的性质，必须研究岩石的孔隙结构。
储集层的孔隙结构是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系。岩石的孔隙系统由孔隙和喉道两部分组成。孔隙为系统中的膨大部分，连通孔隙的细小部分称为喉道(图3－4)。油气水在储集层复杂的孔隙系统中渗流时，将要经过一系列交替存在的孔隙和喉道。
无论是在二次运移过程中石油驱替岩石中的水，还是在开采过程中石油从孔隙介质中被驱替出来，其渗流均受到流体通道中断面最小的部分(即喉道)所控制。显然，喉道的大小和分布，以及它们的几何形态是影响储集岩的储集能力和渗透特征的主要因素。孔隙结构实质上是岩石的微观物理性质，它能较深入而细致地揭示岩石的储渗特征。确定喉道的大小和分布是研究岩石孔隙结构的中心问题。
测定岩石孔隙结构的方法很多，有压汞法、孔隙铸体法、半渗透隔板法、离心机法、蒸气压力法等等。目前我国主要采用压汞法，并取得了较好的效果。
由于岩石的孔喉细小，当两种或两种以上互不相溶的流体同处于岩石孔隙系统中或通过岩石孔隙系统渗流时，必定会发生毛细管现象，产生一个指向非润湿相流体内部的毛细管压力，毛细管压力(pc)的大小与毛细管(喉道)半径(r)、界面张力(σ)和润湿角(θ)有关，简单的数学表达式如下:

石油与天然气地质学


图3－4 岩石孔隙系统示意图


图3－5 毛细管压力曲线图

压汞法就是根据这种毛细管现象的原理设计的。在不同的压力下，把非润湿相的汞压入岩石孔隙系统中，根据所加压力(相当于毛细管压力)与注入岩石的汞量，绘出压力与汞饱和度关系曲线，这种曲线称为毛细管压力曲线或压汞曲线(图3－5)。再据上述公式可计算出岩石孔喉等效半径，结合事先测得的岩石总孔隙度资料，就可作出孔喉等效半径分布图(图3－6)。运用这两张图可对岩石的孔隙结构进行分类评价。定量描述孔隙结构的参数有以下几个:
1)排驱(替)压力(pd):是指压汞实验中汞开始大量注入岩样的压力。换言之，是非润湿相开始注入岩样中最大的连通喉道的毛细管压力。在毛细管压力曲线上压力最小的拐点A(图3－5)所对应的压力即为排驱压力。岩石排驱压力越小，说明大孔喉越多，孔隙结构越好;反之，孔隙结构就越差。
2)孔喉半径集中范围与百分含量:利用孔隙等效半径分布图，可选取孔喉半径集中范围，计算出它的百分含量。在毛细管压力曲线上，曲线平坦段位置越低，说明集中的孔喉越粗;平坦段越长，说明集中的孔喉的百分含量越大。孔喉半径的集中范围与百分含量反映了孔喉半径的粗细程度和分选性。孔喉越粗，分选性越好，其孔隙结构越好。
3)饱和度中值压力(pc50):是指非润湿相饱和度为50%时对应的毛细管压力。与(pc50)相对应的喉道半径，称为饱和度中值喉道半径(r50)，简称中值半径。pc50越低，r50越大，则岩石孔隙结构越好;反之，则越差。当岩样喉道半径接近正态分布时，r50可粗略地视为平均喉道半径。
4)最小非饱和孔隙体积百分数(Smin/%):当注入汞的压力达到仪器的最高压力时，仍没有被汞侵入的孔隙体积百分数，称为最小非饱和孔隙体积百分数。这个值与仪器的最高压力，岩石的润湿性、岩石颗粒大小、均一程度、胶结类型、孔隙度和渗透率等都有密切关系，它不总是代表束缚水饱和度。在不同条件下，Smin的测试值可在0～100%之间变化。为了便于对比，一般将小于0.04μm2的孔隙都称为束缚孔隙，束缚孔隙一般为水所占据。束缚孔隙含量愈大，储集层的渗流性能就越差。
由上述可知，岩石的排驱(替)压力越低，孔喉半径越大，分选性越好，束缚水孔隙度越低，则说明岩石的孔隙结构好，有利于油气的储存和渗滤;反之，孔隙结构则差，不利于油气渗滤。

前面利用岩石薄片鉴定、图像分析、扫描电镜分析、压汞分析和岩心分析等方法，对西沙海域生物礁进行了储层性能分析。实际上，西沙海域生物礁储层明显与不同时期古海洋特征有关。这在储层特征参数与深度的相关图上得到充分的体现。
（1）整体上，孔隙发育程度（面孔率或孔隙度）随着埋深增加而减小（图7.4）。如200m以上，显微镜下实测面孔率为15%～40%，平均值为25%;200～400m，面孔率为8%～22%，平均值为15%;400～450m，面孔率为8%～25%，平均值为17%;450m以下，面孔率为5%～16%，平均值为1O%。但孔隙发育程度具有明显的分带性。如在400～450m 井深范围，面孔率有明显的回返现象。在220m 和620m 左右，也存在明显的面孔率回返现象。这些孔隙回返带与海平面下降引起的生物礁暴露事件吻合，说明二者之间具有密切的成生联系。也就是说，生物礁暴露事件是形成储层孔隙空间的有利因素。据此推测，西沙海域生物礁储层至少存在3个以上次生孔隙发育带，其中，中中新世－上中新世生物礁暴露时间最长，因此，中中新统－上中新统次生孔隙发育带最为显著。
表7.3 西琛1井压汞法孔隙结构参数*


（2）与孔隙含量相对应，孔隙半径、喉道半径和配位数也具有明显的分带性（图7.4）。在不同深度礁相碳酸盐岩孔隙半径分布特征变化规律图上可以看出（图7.5），338m、392m、460.6m、507m 和656m 等5个样品，孔隙半径明显偏大，峰值达100μm；其他深度的样品孔隙半径峰值在100μm以下，多为50～60μm。
（3）西沙海域生物礁储层孔隙分布具有明显的不均匀性。这种非均质性不仅表现在宏观的区带上，而且表现在储层的微观特征上。如我们对取样深度接近（相差在3cm以下）的两套样品分别做显微镜薄片鉴定和铸体图像分析，获得的面孔率有时相差很大。实际上，在同一个25 mm×25mm 的岩石切片上，孔隙分布也十分不均匀（图7.1j、k、1）。
（4）生物礁储层孔隙度与由海退引起的沉积环境变化和成岩后生变化密切相关。在中中新世－上中新世淡水淋滤溶蚀的潟湖环境下，上部由仙掌藻等造礁钙藻营造的节片白云岩层段（350～450m）的孔渗性明显好于下部浅海沉积环境下形成的由南海奇石藻营造的造架白云岩和障积白云岩层段（450～550m）（表7.1，图7.4）。
（5）生物礁储层性能与冰川事件引起的白云岩化作用有一定的相关性。如前面提到的孔隙含量、孔隙半径、喉道半径和配位数的分带性与白云岩化形成的白云岩段相对应。这主要是由于矿物相发生转化时，分子体积发生一定的变化所致，如方解石白云石化可以释放13%的分子体积（图7.6）（据许红等，1989）。但由于其他条件不同，也可能有相反的情况，如西永1井1028.2～1033.3 m 为虫藻屑隐晶礁灰岩，未见白云石化现象，孔隙类型以粒内和粒间溶孔为主，实测孔隙度为25%，渗透率为369×10-3μm 2。该层之上的645.5～647.8m，为藻屑细晶礁云岩，白云石化程度强，孔隙类型以晶间孔为主，实测孔隙度为17%，渗透率为35×10-3μm 2。该层之下的1134.9～1137.4m，为藻屑细晶礁云岩，白云岩化程度也较强，孔隙类型为晶间孔，实测孔隙度为14%，渗透率为133×10-3μm 2。可以看出，西永1 井1028.2～1033.3m 虫藻屑隐晶礁灰岩上下均见强白云石化带，但其孔渗性能并没有该石灰岩段好。

图7.4 孔隙特征参数与深度的关系


图7.5 不同深度礁相碳酸盐岩孔隙半径分布特征变化规律


图7.6 碳酸盐矿物内部构造示意图

（据许红等，1989）

7.1.2.1 孔渗性能

本项研究中，对西琛1井31件岩心柱状样品进行了孔渗性能分析，结果见表7.1。可以看到，孔隙度变化范围在4.67%～49.6%之间，平均为32.55%。孔隙度大小分布频率见图7.2。渗透率变化范围在0.11×10^-3μm ²～2644×10^-3μm²之间，平均为562×10^-3μm ²。由于部分样品碎裂，其渗透率测定值仅作参考（表7.1）。

西沙海域生物礁特征及油气勘探前景

图7.2 西琛1井孔隙度大小分布频率表7.1 西琛1井储层特征参数^*

续表

在显微镜下，利用单位面积法对西琛1井铸体薄片孔隙参数进行了统计，获得的面孔率为8%～40%，平均为17.2%。图像分析获得的面孔率为6.19%～29.39%，平均为18.65%。平均孔隙半径变化范围为47.46～185.55μm，平均为111.07μm。平均喉道半径变化范围为23～142.24 um，平均为66.6um。平均配位数为0.28～0.82，平均为0.45。前人对西永1井部分取心也做了孔渗性能分析，与西琛1井结果相当（表7.2）。说明这种孔渗性在相同岩性上具有一定的横向可比性。

表7.2 西永1井生物礁岩性特征、孔隙类型与孔渗性能的关系

续表

（据许红等，1989）

7.1.2.2 孔隙结构参数

利用压汞法对6件礁相碳酸盐岩进行了实验研究，获得3种类型的毛管压力曲线（图7.3），主要参数见表7.3。

第一种类型以井深413m 和513m 样品为代表，特点是进汞曲线初期为平直倾斜，后期微弱波动，出现1～2个小台阶。反应喉道整体分选较差。喉道半径多在0.4μm以上，且变化较大，几乎无众数区间。0.4μm以下的喉道，虽然数量少，但集中在1～2个区间内。

第二种类型以井深517.5m 样品为代表，特点是进汞曲线有一个大的平坦台阶，进汞量很快达到60%～70%，之后进汞曲线较陡。反应喉道分选较好。喉道半径呈单峰式分布。

第三种类型以井深520m 样品为代表，特点是进汞曲线呈两级台阶式，台阶倾斜。反应喉道整体分选较差，但喉道半径有两个众数区间，呈平坦的双峰式分布。

图7.3 压汞法毛管压力曲线及喉道半径对渗透率和汞饱和度的贡献率

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