储层微观孔隙结构是控制致密储层物性的关键因素, 孔隙结构的描述和分布预测则是油气开发研究的重要内容^[1]。长期以来, 对储层微观孔隙结构的研究都是基于欧氏几何学, 通过正态分布等数理统计方法, 使用均值系数、分选系数、歪度等统计学参数描述储层孔隙结构, 建立统计学参数与物性间关系表征微观孔隙结构对宏观物性的影响。然而受岩性、成岩改造、构造变动等因素影响, 致密砂岩、页岩、碳酸盐岩等非常规储层普遍致密、孔隙结构复杂、非均质性强, 镜下观察发现此类储层孔径细小, 大量发育纳米级孔隙, 且孔隙中存在大量尖突和中断^{[2, 3]}, 应用传统欧氏几何学难以准确表征这类储层的孔隙结构。由法国数学家Mandelbrot创立的分形几何学突破了传统欧氏几何学的框架, 为解决复杂的自然现象开辟了一条简单而有效的途径^[4], 近年来不同学者在页岩、低孔渗砂岩、碳酸盐岩等致密储层微观孔隙表面形态及大小分布研究中发现, 多孔介质的孔隙和喉道的空间分布具有统计自相似性^{[5, 6]}, 认为储层孔隙结构是一种分形结构, 可以用分形维数来定量描述。杨峰等^[7]通过氮气吸附测试计算页岩纳米孔隙分形维数, 探讨了分形维数对气体吸附和渗流的影响; 沈金松等^[8]利用分形几何理论研究了鄂尔多斯盆地ZJ油田储层孔隙结构的非均质性, 对比了不同小层微观结构差异及其对含油气性的影响; 徐守余等^[9]通过胜坨油田古近系沙河街组储层微观结构研究发现, 孔隙结构在一定尺度范围内具有分形特征, 不同沉积环境储层孔隙分形维数存在差异; 张宪国等^[10]认为分形维数能在宏观尺度上反映具有强非均质性的低渗透储层孔隙结构, 并进行储层孔隙结构的定量评价。

上述研究表明, 分形几何已成为描述复杂、不规则现象和过程的有效工具, 但对于致密火山岩储层孔隙的分形特征仍鲜见报道。本次研究基于火山岩岩心样品的高压压汞、核磁共振实验, 计算松辽盆地北部安达凹陷中基性火山岩储层孔隙分形维数, 讨论火山岩储层分形特征与储层物性间相关性及其在储层综合评价中的应用。

研究区安达凹陷是松辽盆地北部深层的一个次级凹陷, 也是松辽盆地重要的天然气富集区之一^[11]。主要含气层位下白垩统营城组三段（简称营三段）, 以中基性火山岩为主, 发育英安岩、安山岩、玄武岩、流纹岩和流纹质凝灰岩等多种类型岩石, 具有岩性多样、储层物性差、孔隙结构复杂的特点（图1）。营三段储层孔隙度主要分布在2%~10%之间, 平均为7.73%, 渗透率普遍小于1 mD, 平均仅有0.22 mD, 属典型的低-特低孔、低-特低渗储层。强烈的储层非均质性限制了气藏的高效开发, 因此在火山岩储层孔隙微观结构表征的基础上进行储层综合评价就成为气藏高效开发的关键。

图1

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	图1 研究区构造位置及地层综合柱状图

通常具有分形结构的岩石中, 孔隙半径小于r的累计孔隙体积分数为^[12]：

$S=\frac{{{V}_{\text{r}}}}{V}=\frac{{{r}^{3-D}}\ \ \ -\ \ \ {{r}_{\text{min}}}\ \ ^{3-D}}{\ \ \ \ \ {{r}_{\text{max}}}\ \ ^{3-D}\ \ \ -\ \ \ {{r}_{\text{min}}}\ \ ^{3-D}\ \ \ \ \ \ }\ \ \approx {{\left( \frac{r}{{{r}_{\text{max}}}} \right)}^{3-D}}$（1）

式中：S为岩石中孔隙半径小于r的累积孔隙体积分数, %; V_r为半径小于r的孔隙体积, %; V为样品的孔隙体积, %; r为孔隙半径, μ m; r_min为最小孔隙半径, μ m; r_max为最大孔隙半径, μ m; D为分形维数。

以毛细管模型为基础, 储层岩石遵守Laplace方程, 则有：

pc=2σcosθr（2）

式中：p_c为毛细管压力, MPa; σ 为界面张力, N/m; θ 为接触角, （° ）。

将公式（2）带入公式（1）可得到：

S=pminpc3-D（3）

式中：p_min为最大孔隙半径对应的毛细管压力, MPa。

将公式（3）两边取对数得到：

lgS=（D-3）lgp_c+（3-D）lgp_min（4）

储层中毛细管压力求取对数的值与对应的润湿相饱和度求取对数的值呈线性关系, 对高压压汞实验结果采用图解法或回归分析法进行计算, 即可得到孔隙分形维数D（图2）。核磁共振实验获得的T₂谱分布中蕴含孔隙结构及孔径分布信息, 利用核磁共振T₂谱构建伪毛细管压力曲线方程：

pc=CT2（5）

式中：C为转换系数; T₂为横向弛豫时间, ms。

图2

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	图2 营三段D 3、D 5井火山岩高压压汞和核磁共振T2谱计算孔隙分形维数图

将公式（5）带入公式（3）并对两边取对数得到：

lgS_v=（3-D）lgT₂+（D-3）lgT_{2, max} （6）

式中：S_v为小于对应的T₂值的孔隙体积占总孔隙体积的比例; T_{2, max}为最大横向弛豫时间, ms。

因此, 孔隙具有分形特征的储层中, lgS_v与lgT₂亦应呈线性相关^[13], 利用回归分析法对T₂谱数据进行处理, 可得到T₂谱对应的孔隙分形维数。

分形维数可以定量描述孔隙结构的复杂程度和非均质性, 通常分形维数越小, 孔隙形状越规则, 储层渗流性越好; 反之, 孔隙形状越混乱, 储层渗流性越差^[14]。66个高压压汞数据表明, 研究区营三段火山岩分形维数D₁分布在2.051~2.995之间, 平均为2.511, 这与38个核磁共振测试显示的孔隙分形维数D₂（2.019~2.985）基本一致。随储层物性变差, 孔隙分形维数呈明显增大趋势（图3）, 且由高压压汞曲线求取的分形维数D₁普遍小于核磁共振测试所求取的分形维数D₂, 这主要是由于高压压汞和核磁共振两种测试所反映的孔隙尺度不同, 核磁共振能反映一些孔隙半径小于0.01 μ m的微小孔隙, 而小孔隙受成岩作用改造影响, 孔隙间迂回度增加、连通性差, 加剧了孔隙结构的复杂程度, 相应的分形维数也随之增大。

图3

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	图3 营三段火山岩分形维数与物性关系

不同岩性火山岩孔隙分形维数间存在较大差异, 火山碎屑岩、碎屑熔岩储层孔隙分形维数总体低于火山熔岩, 如火山角砾岩、凝灰岩和熔结角砾岩分形维数明显低于流纹岩、安山岩和英安岩（图4）。

图4

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	图4 营三段火山岩分形维数与岩性、岩相关系

通常火山碎屑岩、碎屑熔岩中粒（砾）间孔隙发育, 且多以大孔隙为主^[15], 而安山岩、英安岩等火山熔岩, 原生孔隙几乎不发育, 仅发育少量脱玻化微孔、基质内微孔, 孔隙细小且连通性差, 同时缺乏次生溶蚀作用, 导致储层孔隙结构复杂、物性差, 相应的分形维数也较大。不同火山岩相储层间分形维数亦存在差异, 其中爆发相、火山通道相中原生孔隙发育, 极易发生次生溶蚀和破裂作用, 大孔隙发育且连通性较好, 相应的分形维数较低; 溢流相上部亚相和下部亚相由于岩浆快速冷凝, 气体逸散能保留部分原生气孔, 大面积分布的脱玻化微孔有效地提高了储层内孔隙连通性, 分形维数相对较低; 而火山沉积相由细粒的凝灰质组成, 强烈的压实和成岩改造使含碎屑的火山沉积相储层极其致密, 孔隙半径小、结构复杂, 分形维数也相对较高, 难以形成有效储层。

研究区高压压汞和核磁共振样品的分形维数Q型聚类表明, 营三段火山岩储层可分为4种类型, 研究区营三段火山岩总体上以Ⅱ 、Ⅲ 类储层为主, 不同类型储层的孔隙类型、分形特征及孔隙结构存在显著差异。

Ⅰ 类储层（图6a、表1）, 以角砾熔岩、火山角砾岩、熔结角砾岩为主, 发育杏仁体孔、粒（砾）间孔和长石斑晶溶孔, 孔隙半径较大, 孔缝组合以“ 原生气孔+溶蚀孔隙+构造裂缝” 为主, 孔隙结构最好。分形维数主要分布在2.06~2.34之间, 高压压汞曲线特征表明此类储层排驱压力较低, 平均为4.79 MPa, 具有较长平台, 孔喉半径平均为2.40 μ m, 相对分选系数平均为34.37, 表明此类储层以大、中孔隙为主, 且不同类型孔隙间连通性较好, 储层孔隙结构也最好。Ⅰ 类储层样品数为27个, 占比12.5%, 在研究区域该类储层不发育。

图6

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	图6 营三段火山岩不同类型储层微观结构特征

表1

表1

表1 安达凹陷营三段火山岩储层微观孔隙结构分类标准 储层分类 K/mD ϕ /% D Pd/MPa Rmd/μ m SP Gs Smax/% We/% Ⅰ 类 0.96~37.9 （5.32） 2.9~18.1 （9.66） 2.06~2.34 （2.12） 0.04~12.63 （4.79） 0.32~17.42 （2.40） 1.36~113 （34.37） 0.03~44.78 （3.86） 33.36~97.91 （70.83） 16.61~46.15 （29.78） Ⅱ 类 0.08~1.26 （0.24） 1.9~14.5 （7.32） 2.24~2.62 （2.36） 0.14~18.63 （9.64） 0.27~5.31 （0.69） 3.20~127 （46.64） 0.01~25.54 （3.36） 21.64~95.92 （59.57） 11.29~44.39 （28.18） Ⅲ 类 0.01~0.39 （0.07） 1.6~13.6 （6.52） 2.43~2.86 （2.68） 1.48~25.63 （9.98） 0.03~1.51 （0.25） 6.76~149 （63.78） 0.01~9.68 （1.29） 10.85~95.85 （42.16） 7.63~43.86 （25.76） Ⅳ 类 0.01~0.17 （0.03） 0.9~9.4 （4.96） 2.59~2.98 （2.83） 2.06~27.65 （13.99） 0.03~0.35 （0.09） 9.03~212 （70.47） 0.01~2.79 （0.56） 7.87~85.73 （33.93） 5.82~42.49 （21.98） 注：K为渗透率; ϕ 为孔隙度; D为分形维数; Pd为排驱压力; Rmd为最大孔喉半径; SP为相对分选系数; Gs为结构系数; Smax为最大进汞饱和度; We为退汞效率; “ （）” 内为平均值

表1 安达凹陷营三段火山岩储层微观孔隙结构分类标准

Ⅱ 类储层（图6b、表1）, 以球粒流纹岩、熔结火山角砾岩和熔结凝灰岩为主, 发育杏仁体孔、脱玻化微孔、长石粒内溶孔、粒间溶孔等多种类型孔隙, 孔缝组合以“ 杏仁体孔+构造裂缝” 为主, 孔隙结构较好, 分形维数分布在2.24~2.62之间, 此类储层高压压汞曲线的平台较短, 斜率也较大, 排驱压力分布在0.14~18.63 MPa, 平均为9.64 MPa, 较Ⅰ 类储层明显增大, 孔喉半径平均为0.69 μ m, 相对分选系数平均为46.64, 表明储层内大孔隙数量减少, 且不同孔径孔隙混杂, 分选性变差, 但仍具有较好的连通性, 孔隙结构较好。Ⅱ 类储层样品数为67个, 占比31.2%, 在研究区域该类储层相对发育。

Ⅲ 类储层（图6c、表1）, 以晶屑凝灰岩、英安岩、安山岩为主, 发育基质内微孔、脱玻化微孔和少量基质内溶孔, 以“ 微孔+微裂缝” 组合最为常见, 分形维数分布在2.43~2.86, 该类储层高压压汞曲线斜率较高, 平台较短, 排驱压力较高, 平均为9.98 MPa, 孔喉半径平均为0.25 μ m, 相对分选系数平均为63.78, 表明储层以微小孔隙为主, 孔隙分选性和连通性较差, 孔隙结构较差。Ⅲ 类储层样品数为78个, 占比36.3%, 为研究区域最主要的储层类型。

Ⅳ 类储层（图6d、表1）, 以晶屑凝灰岩、英安岩为主, 孔隙以“ 火山碎屑间基质内微孔+脱玻化微孔” 为主, 裂缝不发育, 分形维数分布在2.59~2.98, 高压压汞曲线基本无平台, 排驱压力一般大于8 MPa, 平均值为13.99 MPa, 孔喉半径平均为0.09 μ m, 相对分选系数平均为70.47, 表明储层内仅发育少量微小孔隙, 且不同类型孔隙分选、连通性较差, 孔隙结构也最差, 基本无储集性能。Ⅳ 类储层样品数为43个, 占比20%, 在研究区域该类储层相对不发育。

（1）松辽盆地北部营三段火山岩储层孔隙具分形特征, 核磁共振测试所求取的分形维数D₂略大于高压压汞曲线求取的分形维数D₁, 且储层孔隙分形维数与孔隙微观结构参数间相关性显著, 孔隙分形维数随储层物性变差而呈明显增大趋势, 因此应用分形维数可以弥补常规单一孔喉参数反映储层孔隙结构特征不足问题。

（2）根据分形维数聚类方法, 研究区营三段火山岩储层可分为4种类型, 且以Ⅱ 、Ⅲ 类为主, 其中：Ⅰ 类储层孔缝组合为“ 原生气孔+溶蚀孔隙+构造裂缝” 型, 分形维数分布在2.06~2.34之间, 排驱压力平均值为4.79 MPa, 平均孔喉半径与相对分选系数分别为2.40 μ m、34.37, 储集性能良好; Ⅱ 类储层孔缝组合为“ 杏仁体孔+构造裂缝” 型, 分形维数分布在2.24~2.62之间, 排驱压力平均值为9.64 MPa, 平均孔喉半径与相对分选系数分别为0.69 μ m、46.64, 储集性能较好; Ⅲ 类储层孔缝组合为“ 微孔+微裂缝” 型, 分形维数分布在2.43~2.86, 排驱压力平均值为9.98 MPa, 平均孔喉半径与相对分选系数分别为0.25 μ m、63.78, 储集性能较差; Ⅳ 类储层为“ 火山碎屑间基质内微孔+脱玻化微孔” 型, 分形维数普遍> 2.8, 排驱压力平均值为13.99 MPa, 平均孔喉半径与相对分选系数分别为0.09 μ m、70.47, 基本无储集性能。

编辑 唐艳军