文章编号：１０００⁃０５５０（２０１７）０１⁃０１５１⁃１２ｄｏｉ：１０．１４０２７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｊｘｂ．２０１７．０１．０１５
收稿日期：２０１６⁃０２⁃０２；收修改稿日期：２０１６⁃０３⁃２４
基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７２１５７）；国家科技重大专项（２０１６ＺＸ０５００７⁃００３）；中国石油科技创新基金（２０１４Ｄ⁃５００６⁃０１０１）；中国石油大
学（北京）科研基金（２４６２０１３ＹＪＲＣ０３８，２４６２０１５ＹＱ０１０８）［Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ：ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ，Ｎｏ．４１２７２１５７；ＭａｊｏｒＮａｔｉｏｎａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｊｅｃｔ，Ｎｏ．２０１６ＺＸ０５００７⁃００３；ＣＮＰＣＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ，Ｎｏ．２０１４Ｄ⁃５００６⁃０１０１；ＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｎｏ．２４６２０１３ＹＪＲＣ０３８，２４６２０１５ＹＱ０１０８］
以鄂尔多斯盆地下石盒子组盒８段为例
吴浩１，２，刘锐娥３，纪友亮１，２，张春林３，陈胜３，周勇１，２，杜威１，２，张云钊４，王晔１，２
球面滚子轴承
１．中国石油大学（北京）地球科学学院，北京㊀１０２２４９
２．油气资源与探测国家重点实验室，北京㊀１０２２４９
３．中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊㊀０６５００７
４．中国石油大学（北京）非常规天然气研究院，北京㊀１０２２４９
摘㊀要㊀选取鄂尔多斯盆地盒８段１６块致密砂岩样品进行恒速压汞测试，结合同位样品核磁共振实验，分析了致密气储层孔喉分布特征；在此基础上，运用分形几何原理和方法，开展了致密气储层孔喉分形研究，并表征了分形与储层渗流特征和孔隙结构参数的关系㊂结果表明：致密气储层有效孔隙被亚微米 微米级孔喉所控制，其中孔隙主要为大孔和中孔，喉道由微喉道㊁微细喉道和细喉道所组成；致密气储层孔隙分布不具分形特征，而孔喉整体和喉道则符合分形结构，且分别对应分形维数Ｄ１和Ｄ２；基 于储层孔喉分形结构与其渗流特征，将盒８段致密气储层孔喉分形结构划分为２种类型：Ⅰ型表现为阶段式分形特征，以进汞压力１ＭＰａ为界，大于１ＭＰａ孔喉具有分形特征，且储层阶段进汞饱和度
主要由喉道贡献，反之，孔喉不符合分形特征，其进汞饱和度增量由孔隙贡献；Ⅱ型为整体式分形，进汞饱和度几乎全由喉道贡献㊂储层孔喉分形维数与渗透率㊁平均喉道半径和主流喉道半径存在较好的负相关性，与微观非均质系数呈现较明显的正相关性，而与孔隙度㊁平均孔隙半径和平均孔喉半径比之间没有明显的相关性㊂
关键词㊀孔隙结构；分形维数；渗流特征；致密气储层；恒速压汞
第一作者简介㊀吴浩，男，１９９０年出生，博士研究生，沉积学与储层地质学，Ｅ⁃ｍａｉｌ：Ｈ．Ｗｕ１９９０＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ通讯作者㊀纪友亮，男，教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｉｙｏｕｌｉａｎｇ＠ｃｕｐ．ｅｄｕ．ｃｎ中图分类号㊀ＴＥ１２２．２㊀文献标识码㊀Ａ
０㊀引言
常规油气的日益枯竭使得致密油气成为现今国
内外油气勘探与开发的重点领域㊂鄂尔多斯盆地上
古生界盒８段是典型的致密砂岩气储层［１⁃２］，是国内
致密气勘探与开发的主力层系㊂随着苏里格㊁乌审旗
等一批上万亿方的大型油气田（藏）相继发现［３⁃５］，促
进了致密气相关领域的研究；其中致密气储集层孔隙
女同志小说结构一直是研究的热点［６⁃１０］，因为其不仅控制着储层渗流特征，且直接影响着致密气井的产量和最终采收率［７，１１］㊂
致密气储层孔隙具有纳米级到微米级尺度的较
强非均质性，常规欧式几何理论描述孔隙结构受到一定的约束，而这一问题被后来Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ创立的分形几何有效解决，其提出分形维数可以用来定量的描述
孔隙结构的复杂性［１２⁃１３］㊂储层的孔隙结构具备一定
江苏警官学院学报的分形特征，其对评价致密气优质储层具有指导意义㊂目前，针对致密砂岩储层孔隙结构的研究手段多样，主要包括流体注入法和光电磁辐射技术（图
１）［７，１４⁃１５］㊂国内外学者应用这些技术对砂岩储层孔隙结构分形特征进行了大量研究，但主要集中在常规压汞技术［１６］㊁小角度中子散射法［１７］㊁扫描电镜法［１８］㊁核磁共振［１９］等手段㊂对比这些研究方法，均无法得
到储层的有效孔隙和喉道数量，影响了研究的可靠性［２０⁃２１］㊂此外，对储层孔隙结构分形的研究存在一
个根本问题，就是尚未对所使用实验技术是否能够识别出储层的有效孔喉进行论证，就直接应用实验结果做分形研究，其对勘探与开发失去了指导意义㊂因此，本文选择鄂尔多斯盆地盒８段致密砂岩作为研究对象，利用恒速压汞㊁核磁共振技术首先对储层的有
第３５卷㊀第１期２０１７年２月
沉积学报
ＡＣＴＡＳＥＤＩＭＥＮＴＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３５㊀Ｎｏ １Ｆｅｂ．２０１７
图１㊀非常规油气储层孔隙结构表征方法
（据Ｃｌａｒｋｓｏｎｅｔａｌ．［７］；Ｂｕｓｔｉｎｅｔａｌ．［１４］；任晓霞等［１５］修改）
投影寻踪
Ｆｉｇ．１㊀Ｍｅｔｈｏｄｓｕｓｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｐｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｏｉｌａｎｄｇａｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ（ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍＣｌａｒｋｓｏｎｅｔａｌ．［７］，Ｂｕｓｔｉｎｅｔａｌ．Ｒｅｎｅｔａｌ．［１５］）
效孔喉分布特征进行研究，在此基础上，应用分形几何理论开展致密气储层孔喉分形特征，并厘定储层孔隙结构分形与储层渗流特征和孔隙结构参数的关系，旨在为致密气的勘探与开发提供地质依据㊂
１㊀地质背景与样品
鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘，北邻阴山褶皱带，南接秦岭造山带，西抵盆缘冲断带，东至晋西挠褶带，属于华北地台的次级构造单元㊂盆内发育一系列轴向为近东西向的鼻状隆起带，区域断裂构造微弱㊂在中二叠统下石盒子组盒８沉积期主要为河流 三角洲沉积，受多物源控制，盆地大面积富砂，古地理格局表现为一个 敞流型洪泛盆地 ，无统一汇水区㊂沉积岩性以灰㊁浅灰砂岩和泥岩为主，储集岩石类型主要为中粒和中 粗粒石英砂岩㊁岩屑石英砂岩和少量的岩屑砂岩［３］㊂
本次研究选取鄂尔多斯盆地盒８段致密砂岩气富集区苏里格㊁乌审旗等地区１３块样品（深度普遍小于３５００ｍ），及具勘探潜力前景区的陇东地区３块样品（平均深度在４０００ｍ左右），共计１６块代表性的致密砂岩样品；岩性均为灰㊁浅灰中粒和中 粗粒致密砂岩，且陇东地区的样品整体
上相对更加致密㊂将１６块样品钻取成直径为２．５ｃｍ的标准岩样塞，清洗并烘干，参照ＳＹ／Ｔ５３３６ １９９６标准对岩样进行氦孔隙度和渗透率测量，结果显示孔隙度分布在
６．５３％ １５．４５％，平均值为９．４５％；渗透率分布在（０．０４２ １．６９０）ˑ１０－３μｍ２，平均０．４７０ˑ１０－３μｍ２（表１）㊂
２㊀致密砂岩孔喉分布特征
２．１㊀实验方法
使用美国岩芯实验系统公司研发的ＡＰＳＥ⁃７３０型恒速压汞分析仪，仪器工作压力０ ６．２０５５ＭＰａ，进汞速度０．０００００１ｍＬ／ｓ １ｍＬ／ｍｉｎ，接触角１４０ʎ，
２５１㊀沉㊀积㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀
表面张力４８５ｄｙｎｅ／ｃｍ；从每个标准岩样塞中选取物性较好部分制成直径为１ｃｍ的圆柱体岩芯做恒速压
表１㊀取样㊁实验信息及样品物性数据Ｔａｂｌｅ１㊀Ｓａｍｐｌｅｓ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ
ｉｔｓｈｅｌｉｕｍｐｏｒｏｓｉｔｙａｎｄａｉｒｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ
采样
地点样品
编号井号深度／ｍ孔隙度
／％渗透率
／１０－３μｍ２恒速压汞核磁
共振苏里格中带１⁃Ｓｚ
Ｓ１６３３４２．９８１０．６００．６３１ʀ２⁃ＳｚＳ５９
印务局
３５０９．６１９．７９０．１２１ʀʀ
３⁃Ｓｚ
Ｓ１２０３６３９．１５９．５００．９６０
ʀ４⁃ＳｚＳ３１５３７５０．６５７．２０
０．５２１
ʀ５⁃ＳｚＴ６３３６５．０５１０．０００．６５９ʀ６⁃Ｓｚ
Ｓｎ３０９３４５２．００
８．５００．３７７
ʀ
苏里格东带７⁃Ｓｄ
Ｔｇ４
２９０７．５５１５．４５１．６９０ʀʀ８⁃ＳｄＴｇ３１２８２５．３２９．３００．１１９ʀ９⁃Ｓｄ
Ｍ１２１８９７．２７１１．７９０．２９０ʀʀ１０⁃ＳｄＳｇ１１２２６９．７９９．２００．３３９ʀ１１⁃ＳｄＳｇ５２２２６９．３２９．０００．５９８ʀ１２⁃Ｓｄ
Ｓｇ５４２６３３．９６８．４００．０４２ʀ１３⁃Ｓｄ
Ｙ１９２２８５．１２１０．４００．３９３ʀ陇东地区１４⁃Ｌｄ
Ｌ３３７７３．９４６．５３０．１０３ʀʀ１５⁃ＬｄＱ４４３２４．２０８．７９０．１４１ʀʀ
１６⁃ＬｄＳｎ３２４
３８５９．３０
６．８００．５４３
ʀ
㊀㊀注：ʀ指对样品进行的实验㊂
汞实验㊂首先对岩芯抽真空后浸泡在汞液中，在
２５ħ条件下，以恒定的极低速度０．０００１ｍＬ／ｍｉｎ向岩芯中进汞，为模拟地层准静态流体注入过程［２２］㊂依据进汞过程中压力突然降落 回升来识别储层的孔隙和喉道（图２）㊂由于受到实验条件的限制，目前进汞压力最大可至６．２０５５ＭＰａ，对应的喉道半径约为
１２０ｎｍ，而小于１２０ｎｍ的喉道及所对应的孔隙未能被测出㊂
㊀㊀核磁共振实验采用中国科学院渗流所研发的ＲｅｃＣｏｒｅ２５００型核磁共振岩芯分析仪，对１００％饱和水及离心后的标准岩样塞进行核磁共振Ｔ２谱测试㊂主要测试参数：共振频率２．３８ＭＨｚ，回波个数２０４８，扫描次数１２８，等待时间５０００ｍｓ，回波间隔０．６ｍｓ，增益５０，实验温度为２５ħ㊂离心实验采用ＰＣ⁃１型离心机［２３⁃２４］，最大离心力下对应的喉道半径为０．０５μｍ㊂通过核磁共振可获取饱和水和不同离心力下岩芯孔隙Ｔ２谱㊁可动流体饱和度及孔隙大小分布特征
等信息［２５⁃２６］㊂
恒速压汞和核磁共振实验测试过程均在中石油勘探开发研究院廊坊分院渗流所实验中心完成，测试结果见表
２㊂
图２㊀恒速压汞技术原理示意图
Ｆｉｇ．２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｒａｔｅｍｅｒｃｕｒｙｉｎｔｒｕｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２．２㊀致密砂岩孔喉分布特征
通过对１６块岩芯恒速压汞实验测试出的孔喉半径分布特征进行分析（图３），并参考低渗透储层孔喉类型的划分标准［２７⁃２９］，结果表明盒８段致密气储层储集空间主要由大孔（孔隙半径大于１００μｍ）㊁中孔
（孔隙半径为１００ ５０μｍ）２种类型组成；而喉道则
主要发育微喉道（喉道半径ｒ＝０．５ ０．０２５μｍ）㊁微细喉道（ｒ＝１．０ ０．５μｍ）和细喉道（ｒ＝２．０ １．０μｍ）；由
于实验条件限制，吸附喉道（ｒ＜０．０２５μｍ）没有别被识别出㊂整体上，１６块不同渗透率的岩芯样品平均孔喉半径差异不明显，且孔喉分布特征具有一定的相似性；即孔喉大小分布相对集中，
孔隙半径主要以７０ ２００μｍ占有重要比例，喉道半径则主要分布在０．３ １．５μｍ，且随着样品渗透率的增大孔喉分布主峰右
移（图３ａ）㊂由图３中也可看出，个别样品间的孔喉
分布特征也存在一定的差异现象；即喉道分布频率呈
３
５１㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀吴㊀浩等：致密气储层孔喉分形特征及其与渗流的关系
现尖峰，而对应的孔隙分布频率则相对较宽（如２⁃Ｓｚ㊁１４⁃Ｌｄ样品）；也有呈现相反的孔喉分布特征（如５⁃Ｓｚ㊁１３⁃Ｌｄ样品）㊂造成这个差异分布现象的原因主
要是由于不同渗透率的样品其孔喉配置关系不同；样品喉道发育相对集中㊁且平均孔喉比较大，造成孔喉分布呈现尖频喉道㊁较宽频孔隙的特征，其往往代表渗透率较低的样品；而当样品的喉道发育相对较宽㊁且平均孔喉比较小，使得其孔喉分布为宽频喉道㊁相对尖频孔隙的特征，多为渗透率相对较高的样品㊂区域上致密气储层孔喉分布特征也具有一定的规律性（图３ｂ），在苏里格中带孔喉分布特征常表现为喉道呈现单峰式㊁孔隙为双峰式；陇东地区孔喉分布特征常表现为喉道呈现单峰式㊁孔隙多为锯齿状的单峰式；而苏里格东带这两种孔喉分布模式均存在㊂
表２㊀鄂尔多斯盆地盒８段致密砂岩样品孔隙结构参数
Ｔａｂｌｅ２㊀ＰｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅＨｅ８ＭｅｍｂｅｒｔｉｇｈｔｓａｎｄｓｔｏｎｅｓａｍｐｌｅｓｉｎＯｒｄｏｓＢａｓｉｎ
样品编号恒速压汞测试
核磁共振测试
平均喉道半径／μｍ平均孔隙半径／μｍ
平均孔喉比主流喉道半径／μｍ非均质系数Ｓｉｆ／％ｒ＜０．０５μｍＳｍｆ／％ｒ＞０．０５μｍ
１⁃Ｓｚ０．９５１４６．８３１５１．７４１．０７０．６４２⁃Ｓｚ０．７９１５０．９６２０８．１７１．０００．４５６２．３３
３７．６７
３⁃Ｓｚ１．３４１６８．７４１６６．９２１．６８０．４３４⁃Ｓｚ
１．５３１６３．４２１４０．７１２．０５０．３７５⁃Ｓｚ
０．８１
１１７．３８
１９３．７７
１．０２
０．４８６⁃ＳＺ０．７８
１３５．２０
２３６．８９
０．９３
０．５４７⁃Ｓｄ１．７９
１５１．６４
１０６．７８
２．４７
０．２８３１．３５６８．６５８⁃Ｓｄ０．９１
１１３．０４
１４６．１９
１．０９
０．５９９⁃Ｓｄ
１．２１
１４２．１５
１３２．８５
１．４８
０．４０５２．２７
４７．７３
门 事件１０⁃Ｓｄ
０．８１
１３８．７１
１６１．２８
０．９２
０．６７
１１⁃Ｓｄ
０．８９
１３８．８１
２００．１９
１．０５
０．６７
１２⁃Ｓｄ
１．１６
１１０．８９
２０９．８０
１．７２
０．４０１３⁃Ｓｄ
０．９６
１１７．４３
１２７．４４
１．１０
０．６５１４⁃Ｌｄ
０．６６
１５２．０９
２４３．１９
０．７０
０．６７
３６．３６
６３．６４１５⁃Ｌｄ
１．１２
１３６．１４
１３８．１７
１．６６
０．３９７９．０５２０．９５
１６⁃Ｌｄ
１．２３
１４２．１１
１８４．０３
１．６５
０．４１
㊀㊀注：Ｓｉｆ为束缚水饱和度；Ｓｍｆ为可动流体饱和度；ｒ为最大离心力对应的喉道半径
㊂
图３㊀孔隙和喉道分布频率图
ａ．１６块岩芯孔喉分布特征；ｂ．区域的孔喉分布特征
Ｆｉｇ．３㊀Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｐｏｒｅａｎｄｔｈｒｏａｔ
４
５１㊀沉㊀积㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀
㊀㊀核磁共振Ｔ２谱原理表明岩芯微小孔隙中的流体经历一个相对大的弛豫表面，弛豫速度比大孔隙较快，因此可以用核磁共振Ｔ２谱间接的反映孔隙大小分布；即每一个弛豫时间代表一个孔隙大小，越大的孔隙其弛豫时间相对越长，而孔隙越小弛豫时间则越短［３０］㊂依据Ｔ２谱峰形态㊁峰数及弛豫时间等可将孔隙划分为吸附孔（孔径小于０．１μｍ）㊁渗流孔（大于０．１μｍ）和裂缝［２３，２５］㊂本文通过对同位样品２⁃Ｓｚ㊁７⁃Ｓｄ㊁９⁃Ｓｄ㊁１４⁃Ｌｄ及１５⁃Ｌｄ的１００％饱和水和２．８６ＭＰａ离心后核磁共振Ｔ２谱分析（图４），表明５个样品的Ｔ２谱均具有相似的双谱峰（Ｐ１和Ｐ２），且主要发育微小孔隙和渗流孔（大㊁中孔隙）㊂
依据前人研究［３０⁃３１］，将核磁共振Ｔ２谱弛豫时间相应的转换成了孔隙半径（图４）㊂从图中可见，储层中的束缚水主要赋存在纳米级喉道（ｒ＜０．０５μｍ）所控制的孔隙中（图４中灰部分）；整体上，随着样品渗透率的增大束缚水饱和度Ｓｉｆ逐渐减小，而大㊁中孔隙中的流体则在最大离心力后几乎被排驱殆尽㊂实验测试结果显示（表２），盒８段致密气储层束缚水饱和度Ｓｉｆ平均可达５２．３％，可动流体饱和度Ｓｍｆ则平均为４７．７％；且可动流体饱和度几乎被亚微米 微米级孔喉所控制，孔隙间具有较好的联通性，对储层中气体和水等的流动具有重要意义；而吸附孔一
般多为联通性相对较差的纳米级孔喉，不利于流体的流动［２６］㊂综上所述，核磁共振实验显示致密气储层中的流体主要赋存在亚微米 微米级的孔喉中，但可动流体饱和度和束缚水饱和度受控于不同的孔喉组合特征㊂束缚水饱和度主要受纳米级喉道（ｒ＜０．０５μｍ）控制的亚微米级孔，纳米孔和微米孔影响较小；而可动流体饱和度则主要受喉道半径大于０．０５μｍ所控制的亚微米 微米级孔喉影响㊂恒速压汞对致密砂岩孔喉分布的研究表明，孔喉分布主要以喉道半径大于约
０．１μｍ的亚微米 微米级孔为主㊂因此，对于中粒㊁中 粗粒的致密砂岩储层而言，恒速压汞技术识别出的孔喉，其对控制致密气储层渗流特征起着主要作用，可将其作为储层的有效孔隙和喉道㊂
３㊀致密砂岩孔喉分形特征
以往采用的分形描述和方法不能科学地对储层的孔隙和喉道分形特征分别进行表征，所以本文在恒速压汞技术对致密砂岩有效孔喉识别的基础上，对鄂尔多斯盆地盒８段致密气储层孔喉分形特征进行了系统研究㊂
３．１㊀分形理论
分形几何原理表明［３２］，若储层孔喉分布符合分形结构，则有关系式：
Ν＞ｒ
()ɖｒ－Ｄ（１）式中，Ｎ（＞ｒ）表示孔喉半径大于ｒ的数量，Ｄ为分形维数㊂
依据毛管压力模型，Ｎ（＞ｒ）也可表示为［３３］
：
图４㊀样品核磁共振Ｔ２谱分布特征
Ｆｉｇ．４㊀ＮＭＲＴ２ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｉｇｈｔｓａｎｄｓｔｏｎｅｓａｍｐｌｅｓ
５５１㊀第１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀吴㊀浩等：致密气储层孔喉分形特征及其与渗流的关系
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