黄奕铭，Richard COLLIER

（利兹大学 地球与环境学院，英国 利兹LS2 9JT）

致密油作为新增储量的潜力资源，受到众多专家和学者的关注。致密砂岩储集层微观孔喉结构影响其储集能力和微观渗流特性，决定致密油气的分布[1-2]。因此，致密储集层微观孔喉特征研究是致密油勘探的重点之一，其主要研究内容包括：孔喉大小、分布、配置、连通性及其与油气聚集和分布的关系等[3-5]。常用铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、恒速压汞、核磁共振、气体吸附、微纳米CT 等研究致密砂岩储集层微观孔喉结构[6-11]。前人研究表明，砂岩的微观孔喉结构具有很好的统计自相似性，利用几何分形能够较好地表征其非均质性和复杂性[12-17]，因此，几何分形常被应用于岩石微观孔喉结构特征方面的研究。西加拿大盆地A 区块下三叠统Upper Montney 段致密砂岩储集层横向差异大，成岩作用复杂多样，微观孔喉结构非均质性强，制约了油气勘探开发[18-20]。本文选取研究区Upper Montney 段致密砂岩样品，进行铸体薄片、扫描电镜和高压压汞分析，系统分析不同尺度下的孔喉结构及其分形特征，明确分形维数与储集层物性、孔喉大小和孔喉结构参数的关系，为致密砂岩储集层评价和油气勘探开发提供依据。

1 研究区概况

西加拿大盆地为南北长、东西窄的长条形盆地，由阿尔伯塔和威利斯顿2 个次盆组成，面积为1.4×106km2[20-22]。西加拿大盆地经历了新元古代—晚侏罗世被动大陆边缘、晚侏罗世—始新世前陆盆地两大构造演化阶段，下部主要为一套沉积在稳定地台上的古生界碳酸盐岩，上部主要为一套前陆盆地沉积的中生界—新生界碎屑岩[22]。盆地沉积地层为西厚东薄的楔状体，其厚度在落基山山前最大，向东逐渐变小，尖灭于加拿大地盾之上[21-22]。A 区块位于西加拿大盆地西部边缘，自下而上主要发育三叠系、侏罗系和白垩系[18-19，23]。本文研究的目的层为下三叠统Montney组Upper Montney段，以致密粉砂岩为主，夹有页岩[18]。

2 实验分析

将研究区Upper Montney段致密砂岩储集层15块样品分别分割成3 份，进行扫描电镜、铸体薄片和高压压汞分析。利用扫描电镜结合能谱测试，分析致密砂岩微观孔喉和矿物特征；利用铸体薄片分析致密砂岩孔喉结构特征；钻取直径为2.5 cm 的柱状岩心进行高压压汞实验，实验前将各岩心进行洗油处理，并将洗油后的样品置于70 ℃恒温箱中24 h，再进行孔隙度和渗透率测试。

2.1 物性和孔隙类型

研究区15 块砂岩样品的孔隙度为5.36%～13.00%，平均为9.55%；渗透率为0.01～0.87 mD，平均为0.22 mD（表1），表明研究区内砂岩储集层物性较差，是典型的致密砂岩储集层。

表1 研究区Upper Montney段储集层样品物性Table 1.Porosity and permeability of the tight sandstone samples from the Upper Montney formation in the study area

研究区Montney 组Upper Montney 段储集层主要孔隙类型为溶蚀孔（粒间溶蚀孔和粒内溶蚀孔）、原生剩余粒间孔和晶间微孔，还见少量微裂缝（图1）。溶蚀孔孔喉半径分布不均，大多为1.00～80.00 μm，边缘多呈不规则的港湾状，长石溶蚀孔相对发育，填隙物溶蚀孔相对较少，局部发育较大的铸模孔。原生剩余粒间孔孔喉半径较小，为1.00～40.00 μm，边缘较为整齐，常与粒间溶蚀孔伴生。晶间微孔以黏土矿物晶间孔为主，其孔喉半径较小，多为几微米至几十微米，常与原生剩余粒间孔伴生。另外，研究区发育少量微裂缝，宽度为几微米至几十微米，微裂缝虽然不是研究区储集层的主要储集空间，但提高了储集层的渗透性。

图1 研究区Upper Montney段储集层孔隙类型Fig.1.Pore types of the reservoir in the Upper Montney formation in the study area

2.2 微观孔喉结构特征

根据孔喉半径，可将孔喉分为微米级孔喉（r≥1.00 μm）、亚微米级孔喉（0.10 μm≤r＜1.00 μm）和纳米级孔喉（r＜0.10 μm）。研究区Upper Montney 段致密砂岩储集层的储集空间主要由纳米级和亚微米级孔喉构成，微米级孔喉发育相对较少。孔喉半径呈现多峰分布的特征，主峰分布在0.03～2.20 μm，主要分布在0.05～0.40 μm（图2）。储集层排驱压力分布范围较大，为1.02～8.26 MPa；最大孔喉半径跨度大，分布在0.09～0.72 μm；饱和中值压力为5.21～25.45 MPa，孔喉半径中值（饱和中值压力对应的孔喉半径）为0.03～0.14 μm，平均孔喉半径为0.04～0.21 μm；最大进汞饱和度为58.32%～88.64%（表2）。各样品孔喉半径分布和孔喉结构参数的差异，体现了不同致密砂岩储集层复杂的孔喉结构特征。

图2 研究区Upper Montney段储集层孔喉半径分布Fig.2.Pore throat radius distribution of the reservoir in the Upper Montney formation in study area

表2 研究区Upper Montney段储集层孔喉结构参数和物性参数Table 2.Parameters of pore throat structure and physical property of the reservoir in the Upper Montney formation in the study area

通过对比分析15 块样品的毛细管压力曲线和孔喉结构参数，将研究区致密砂岩储集层划分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类（表2、图3）。Ⅰ类储集层包括8 号、9 号、12 号和15 号样品，其毛细管压力曲线平缓段较长（图3a），该类储集层的储集空间主要由亚微米级孔喉组成，其次为纳米级孔喉，同时发育一定数量的微米级孔喉，因此，该类储集层应具有较高的储集和渗流能力。Ⅱ类储集层包括2号、3号、10号、13号和14号样品，其毛细管压力曲线平缓段较短（图3b），该类储集层的储集空间主要为亚微米级孔喉和纳米级孔喉，其储集和渗流能力较Ⅰ类储集层差。Ⅲ类储集层包括1 号、4 号、5 号、6 号、7 号和11 号样品，其毛细管压力曲线平缓段更短（图3c），该类储集层的孔喉主要为纳米级孔喉，其次为亚微米级孔喉，其储集和渗流能力相对较差。

图3 研究区Upper Montney段不同类型储集层样品毛细管压力曲线Fig.3.Capillary pressure curves of different types of samples from the Upper Montney formation in the study area

2.3 分形特征

由上文可知，研究区致密砂岩储集层的储集空间主要由纳米级孔喉和亚微米级孔喉组成，微米级孔喉发育较少，因此，本文仅对纳米级孔喉和亚微米级孔喉的分布规律进行分析。

分形理论已广泛应用于分析多孔介质孔喉结构不规则性和复杂性[13，16]。根据Washburn 方程，孔喉半径和进汞压力有如下关系：

储集层孔喉结构的分形特征分析高压压汞曲线时，有如下关系：

将（2）式两边取对数，得：

由图4 可知，lg（1-SHg）和lgpc呈现较好的线性关系，且相关系数皆大于0.900 0，说明研究区致密砂岩储集层具明显的分形特征，且纳米级孔喉和亚微米级孔喉的分形维数具有明显差异。

图4 研究区Upper Montney段不同类型储集层孔喉分形特征Fig.4.Fractal characteristics of different reservoir pore throats in the Upper Montney formation in the study area

根据lg（1-SHg）和lgpc的线性关系，可计算各样品的不同尺度孔喉的分形维数（表3）。纳米级孔喉的孔隙度（φ1）为2.67%～9.27%，平均为4.34%，分形维数（D1）为2.20～2.72，平均为2.46，平均相关系数为0.995 8。亚微米级孔喉的孔隙度（φ2）为2.02%～8.20%，平均为5.26%，分形维数（D2）为2.30～2.86，平均为2.59，平均相关系数为0.924 1。亚微米级孔喉的分形维数较纳米级孔喉的分形维数略大，说明亚微米级孔喉较纳米级孔喉非均质性更强。Ⅰ类储集层的D1和D2分别为2.20～2.30 和2.30～2.59，平均值分别为2.27 和2.39；Ⅱ类储集层的D1和D2分别为2.28～2.56 和2.35～2.68，平均值分别为2.46 和2.56；Ⅲ类储集层的D1和D2分别为2.34～2.72 和2.71～2.86，平均值分别为2.59和2.77。整体上看，Ⅲ类储集层的纳米级孔喉和亚微米级孔喉的分形维数相对较大，其次为Ⅱ类储集层，Ⅰ类储集层较小，说明Ⅲ类储集层非均质性较强，Ⅱ类储集层非均质性中等，Ⅰ类储集层非均质性相对较弱。

表3 研究区Upper Montney段孔喉孔隙度、分形维数和相关系数Table 3.Fractal dimension,corresponding porosity,and correlation coefficient of different pore throats in the Upper Montney formation in the study area

总分形维数可由下式计算得到：

经计算，总分形维数为2.28～2.73，平均为2.49。Ⅰ类储集层孔喉的总分形维数较小，平均为2.31，储集层非均质性较弱；Ⅱ类储集层孔喉的总分形维数平均为2.46，储集层非均质性中等；Ⅲ类储集层孔喉的总分形维数较大，平均为2.63，储集层非均质性较强。

3 讨论

3.1 孔喉结构参数与孔喉大小的关系

分析关系曲线可知，平均孔喉半径与φ1呈微弱的负相关关系，而与φ2呈微弱的正相关关系（图5a）。这也体现出平均孔喉半径较大的致密储集层，其亚微米级孔喉较多，纳米级孔喉较少。此外，平均孔喉半径与φ1的相关系数大于平均孔喉半径与φ2，说明纳米级孔喉与平均孔喉半径关系更加密切。孔喉分布峰位反映了储集层孔喉分布的集中趋势，图5b 显示孔喉分布峰位与φ1呈微弱的负相关，说明纳米级孔喉的发育在一定程度上抑制了孔喉分布峰位向大孔喉偏移；而孔喉分布峰位与φ2不相关，这可能是由于亚微米级孔喉较少。孔喉半径中值与φ2呈较好的正相关关系，但与φ1无相关性（图5c）。说明孔喉半径中值的大小受亚微米级孔喉制约，而不受纳米级孔喉影响，可以判断亚微米级孔喉对储集层有效储集空间的影响更为明显。最大进汞饱和度能够反映致密砂岩储集层孔喉的连通性，其值越大，孔喉的连通性越好。最大进汞饱和度与φ2具有较好的正相关关系（图5d），说明亚微米级孔喉的发育对孔喉连通性的影响较大，其数量越多，致密砂岩储集层孔喉的连通性越好；而最大进汞饱和度与φ1无明显关系，是由于纳米级孔喉的连通性往往较差，对有效储集空间的贡献较低。因而可以判断，研究区内亚微米级孔喉发育的致密砂岩储集层，其连通性往往较好，有利于油气的运移和聚集，是致密砂岩油的富集区。分选系数与φ1呈微弱的负相关关系（图5e），说明纳米级孔喉发育的储集层，其孔喉分选性往往较好；而分选系数与φ2无明显相关性，可能是由于致密砂岩储集层中亚微米级孔喉发育较少。歪度是反映孔喉大小分布对称性的参数，粗歪度的储集层具有良好的储集和渗透能力。歪度与φ2呈正相关关系，而与φ1无明显的相关性（图5f），说明亚微米级孔喉的发育有助于致密砂岩储集层的孔喉分布向较粗歪度偏移，而纳米级孔喉的发育对致密砂岩储集层的歪度无明显影响。

图5 研究区Upper Montney段孔喉结构参数与孔隙度的关系Fig.5.Relationships between pore throat structure parameters and porosity in the Upper Montney formation in the study area

3.2 物性对分形维数的影响

储集层物性受岩石成分、矿物颗粒、孔喉等多种因素影响，研究储集层孔喉分形维数与物性的关系，有助于在微观尺度上理解孔喉分布对储集层性质的影响。分形维数与孔隙度总体上呈负相关关系，但纳米级孔喉的分形维数与其孔隙度相关性较低（图6a）。物性较好的储集层，孔喉分形维数小，孔喉连通性好，非均质性弱，是油气富集的有利场所。随着孔隙度的增大，分形维数逐渐减小，其中亚微米级孔喉分形维数的递减速率较纳米级快，这是由于亚微米级孔喉对非均质性的敏感性较纳米级孔喉强。图6a 中，部分样品随着纳米级孔喉孔隙度的增大，分形维数具有增大的趋势，说明影响小尺度孔喉分布非均质性的因素更加复杂。由图6b 和图6c 可知，总分形维数与岩石的孔隙度以及空气渗透率呈负相关关系，但相关系数不高，说明孔喉结构的非均质性与储集空间的大小以及孔喉连通性有一定关系。分形维数小、孔喉表面光滑、非均质性弱的储集层，其孔喉连通性好并且储集能力强，该类储集层发育的层位是油气勘探的甜点区；相反，分形维数大、孔喉表面粗糙、非均质性强的储集层，孔喉连通性差，其对油气的渗流和储集能力弱，不利于油气的富集。

图6 研究区Upper Montney段孔喉分形维数与储集层物性参数的关系Fig.6.Relationships between pore throat fractal dimension and physical parameters of the reservoir in the Upper Montney formation in the study area

3.3 孔喉结构参数对分形维数的影响

D1和D2与平均孔喉半径和孔喉分布峰位均无明显相关性（图7a、图7b），说明两者对分形维数没有直接的影响。D2与孔喉半径中值呈负相关关系，说明孔喉半径中值较小的储集层，其亚微米级孔喉非均质性较强（图7c）；D1与孔喉半径中值呈不明显负相关关系，这是由于纳米级孔喉发育对孔喉半径中值影响不大。D1与分选系数呈正相关关系，D2与分选系数呈不显著的正相关（图7d），说明孔喉大小的分选性对纳米级孔喉的非均质性有影响，且孔喉大小分选性越差，纳米级孔喉分形维数通常越大，非均质性往往越强，而孔喉大小分选性对亚微米级孔喉的非均质性无明显影响。D2与歪度呈负相关，D1与歪度呈微弱的负相关（图7e），说明孔喉分布的对称性对亚微米级孔喉分形特征具有影响，且歪度越小，亚微米级孔喉非均质性越强，而孔喉分布的对称性对纳米级孔喉分形特征的影响微弱。D1和D2与最大进汞饱和度呈负相关（图7f），说明最大进汞饱和度越大，储集层连通性越好，纳米级孔喉和亚微米级孔喉的非均质性越弱，该类储集层有利于油气的聚集。

图7 研究区Upper Montney段孔喉分形维数与孔喉结构参数的关系Fig.7.Relationships between pore fractal dimension and pore throat structure parameters in the Upper Montney formation in the study area

4 结论

（1）研究区致密砂岩储集层整体物性较差，孔隙类型主要包括溶蚀孔（粒内溶蚀孔和粒间溶蚀孔）、原生剩余粒间孔和晶间微孔，并发育少量微裂缝。储集层孔喉半径多小于0.30 μm，孔喉分布曲线呈多峰形态，有效储集空间主要由纳米级和亚微米级孔喉组成。

（2）根据毛细管压力曲线特征和孔喉结构参数，可将研究区致密砂岩储集层分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。Ⅰ类储集层的亚微米级孔喉最发育，纳米级孔喉次之；Ⅱ类储集层的储集空间主要由亚微米级和纳米级孔喉组成；Ⅲ类储集层中发育较多纳米级孔喉，其次为亚微米级孔喉。

（3）不同类型储集层样品的不同大小孔喉分形维数不同，Ⅰ类储集层样品的物性和连通性相对较好，非均质性相对弱，Ⅱ类和Ⅲ类储集层样品物性相对较差，非均质性较强。不同大小孔喉的分形特征有差异，通常亚微米级孔喉的分形维数大于纳米级孔喉。

（4）研究区致密砂岩储集层不同类型孔喉的分形维数各异，其分形维数与孔喉结构有关。纳米级孔喉的分形维数与孔隙度、孔喉半径中值和歪度的相关性较弱，与最大进汞饱和度的相关性较强；亚微米级孔喉的分形维数与孔隙度、孔喉半径中值、歪度和最大进汞饱和度存在相对较强的相关性，与分选系数的相关性较弱。

符号注释

D——总分形维数；

D1——纳米级孔喉分形维数；

D2——亚微米级孔喉分形维数；

p——进汞压力，MPa；

pc——毛细管压力，MPa；

pmin——最小毛细管压力，MPa；

r——孔喉半径，μm；

SHg——累计进汞体积分数，%；

σ——界面张力，0.48 N/m；

θ——接触角，140°；

φ1——纳米级孔喉孔隙度，%；

φ2——亚微米级孔喉孔隙度，%。