砂岩致密砂岩和页岩中的孔喉大小

2010年1月25日·1·砂岩、致密砂岩和页岩中的孔喉大小PhilipH.Nelson摘要：碎屑岩中孔喉大小形成了一种从亚毫米到纳米尺度的连续谱。本文利用前人发表的关于常规储集岩、致密含气砂岩和页岩的孔隙和孔喉大小来表述这种连续谱。对于中心值法（均值、众数、中值）而言，常规储集岩中孔喉大小（直径）通常大于2μm，致密含气砂岩介于2至0.03μm之间，而页岩则介于0.1至0.005μm之间。烃类分子、沥青质、环形结构、链烷烃和甲烷形成了另外一种连续谱，从沥青质的100Å（0.01μm）变化到甲烷的3.8Å（0.00038μm）。这种孔喉大小连续谱提供了一种有用视角来审视：1）在压实碎屑岩中石油的驱替，2）流体在细粒烃源岩（目前作为储层来开发）中的流动。1引言在常规油气藏的评价中储层和盖层的区别是很清楚的。就本文目的而言，常规储层是指那些有充分证据表明浮力存在并能保存油气分布的储层。储集岩中孔隙和孔喉要足够大以存储和释放具经济价值数量的石油，同时，盖层中的孔喉要足够小以阻止处在浮力作用高度处的石油通过。随着不断增长的致密砂岩气和页岩气的勘探与开发，石油地质家和工程师们越来越关注流体在低渗透（亚毫达西）系统中的储存和流动。在这种系统中，难以找到证据证明浮力是油气聚集的主要动力。不同储集岩中毛细管压力、岩性描述、渗透率和孔隙度之间的关系已经有许多记载。高品质的储集岩通常孔隙大小超过30μm（宏观孔隙或大孔隙）、孔喉大小超过10μm。“微观孔隙”这一概念适用于孔隙小于10μm，而“微观孔喉”则是应用于孔喉小于1μm的一个概念；这种岩石渗透率低，并且如果岩石是水湿的则具有高含水饱和度。在微观和宏观两个极限之间是中等孔隙的范围（Pittman，1979；Coalson等，1985）。尽管本文没有使用，这种术语注意到了孔隙和孔喉大小谱的存在，而本文所使用的实例与这些基本概念一致。值得注意的是，1μm的孔喉大小应该是低品质常规储集岩与致密含气砂岩范畴的一个临界值。这么小孔喉情况下，需要气体压力差较高以克服毛细管阻力。鉴于小孔隙岩石中的油气产量不断增长，细致分析那些曾经被认为是非储积岩的物性对于地质家和岩石物理学家而言变得愈加重要，因为细粒砂岩、粉砂岩和页岩中油气的开采模糊了储层和盖层之间的差异。本文主要目的是要说明孔隙通道和喉道大小从大到小的一种连续谱。为实现这一目的，我查阅了前人发表的碎屑岩测试数据来建立粒度谱，该粒度谱跨越七个数量级，包括最高·2·石油科技动态第1期总第291期端的颗粒大小和最低端的分子大小。在这两个极值之间，该谱展示了孔喉大小从常规储集岩向致密含气砂岩和页岩的逐渐降低趋势。在给定的地质背景中，某一岩石单元在该孔喉谱中所在位置决定了其含油概率。实际上，某个孔喉界限往往被用来计算产层有效厚度(例如，Kolodzie，1980)，而且在低渗透岩石中要比使用孔隙度或渗透率临界值更为有效。除了利用现有技术建立经济可采量的临界值之外，在从低孔、低渗岩石中驱替和抽采油气的基本限制要素方面仍然有很多问题。本文并未试图回答这些难题，但却提供了解答它们的概念框架。石油地质家们习惯于使用孔隙度和渗透率来描述储集岩而不是使用孔喉大小。孔喉大小每变化一个数量级，相应的渗透率变化两个数量级；例如，孔隙度为5%的岩石，其进入孔喉大小为1μm、渗透率为11.2μd，而如果孔喉大小为0.1μm，渗透率则是0.112μd。大小标度比渗透率标度更适于研究气体充注，因为毛细管压力与孔喉大小成反比；事实上，毛细管压力测量可以用来确定孔喉大小。本文中，当孔喉被视为圆柱状时，“大小”一词等同于直径；当孔喉被视为窄缝时则等同于宽度。2孔喉和孔隙Wardlaw和Cassan(1979)测定了全球范围内不同地区、不同地质年代的27块砂岩样品的颗粒粒子大小、孔隙大小和孔喉大小。岩心深度介于1000m至3000m（3280-9840ft）之间。该样品系列被选定作为渗透率值高于1md的砂岩代表。由剖片观察确定的平均颗粒大小从粗粉砂变化至中等颗粒大小。平均孔隙大小是通过测量岩石样品树脂铸膜中孔隙的最大内切圆直径来确定的。孔喉大小是在临界注入压力和50%汞饱和的情况下通过压汞来确定的。这些参数如图1所示。对于Wardlaw和Cassan研究的样品，平均颗粒大小一致大于平均孔隙大小加上一个标准差，而平均孔隙大小减去一个标准差一致大于由压汞确定的最大孔喉大小（图1）。这种有序排列适用的颗粒大小从粗粉砂到中砂。只显示了孔喉大小谱的最大值部分，而最小孔喉并未展示。孔隙和孔喉通常随着颗粒大小的减小而变小（但没有规律性）。样品之间分选度的差异可以说明，所观察到的粗粉砂和极细砂样品中孔隙和孔喉与其颗粒大小的比值高于细砂和中砂样品中的比值。在临界注入压力（dT）处，较小颗粒处的孔喉大小约为平均大小颗粒处的1/10。3孔喉大小谱图2展示了砂岩、致密砂岩和页岩的孔喉大小以及所选分子的大小。图的2010年1月25日·3·水平轴延展超过7个数量级，从10-4μm(1Å)到103μm(1mm)。（数量级是不可靠的；1Å长度与1mm之间的关系跟1mm长度与10km之间的关系是相同的）。用于颗粒大小的沉积学比例尺把从1mm到0.49μm的空间尺度分成2的倍数，与用来用来筛选未固结物质的泰勒目比例尺一起显示在图的右下部分。图的顶端展示了微观尺度下检查孔隙空间大小的各种方法的分辨率。特别指出，压汞所能达到的下限值0.0035μm所对应的压汞压力达60000psi。图中央显示了不同地层中碎屑岩的孔喉大小；本文接下来的部分将讨论微米级别砂岩、致密砂岩和页岩的大小以及埃和纳米级别分子的大小。描述一块岩石样品的孔喉大小需要选择：1）测量方法，2）将测量值换算为图127块砂岩样品的颗粒大小、孔隙大小和孔喉大小(Wardlaw和Cassan,1979)。纵坐标为平均粒度大小，其它的粒度大小标绘到横坐标上。平均孔隙大小dp和标准差（均方误差）σp是由孔隙空间的树脂铸模确定的。在临界注入压力（dT）和50%汞饱和（d50）时的孔喉大小是由压汞确定的。·4·石油科技动态第1期总第291期大小数值的模型，3）选择表征所测大小数值分布的参数。通常情况下，测量方法常选压汞法，尽管本文描述中的两个样品使用了气流法。将压汞压力换算成孔喉大小的模型（众所周知的Washburn方程）假设汞注满了一系列的圆柱状（毛细）孔。其它模型假设孔是由平行片（缝）组成的，更精巧的模型则把孔隙空间分成两种形状，一种控制流动而另一种则提供储集空间。最后，为了表示孔喉大小分布，作者采用中心值法（均值、众数或中值）或者采用与侵入流体特定饱和度（10%或者35%的汞饱和）相关的量纲（维数）或者在压力-侵入流体体积图上的拐点。因为不同作者采用不同方法、模型和表征参数，所以，后续描述提供了图2中所示的每个样品系的背景信息。另外，表1提供了图2所示数据系的简短概述；表1中的数值为孔喉分布曲线上的一个点提供了统计值，而图2中所示的一些实例则提供了更多有关的分布信息，这些将在下文讨论。3.1砂岩将Wardlaw和Cassan(1979)给出的孔喉数据的算术平均值（图1）标绘至图2。左侧圆圈代表50%汞饱和时的平均孔喉大小，右侧圆圈代表临界进入值大小的平均值。进入临界值的统计值在表1的前四行中给出。这些数据代表中等至好的储层品质（27块样品的平均孔隙度为21%，渗透率几何平均值为30md），同时这些数据也为孔隙尺寸更小的岩石提供了参考。3.2上白垩统Lance组，GreaterGreenRiver盆地，怀俄明怀俄明州GreaterGreenRiver盆地Jonah油田上白垩统Lance组低渗透砂岩8000-12,000ft(2438-3657m)深度段产气(Dubois等，2004)。颗粒大小从粗粉砂到细粒砂岩。基于Encaca公司提供的取自Lance组中段和上段的7块样品的岩心测试和压汞结果，其渗透率为3-338μd，孔隙度为4.6%-10.4%，孔喉大小在临界进入压力处为0.89μm，在35%汞饱和处为0.41μm，而在50%汞饱和处则为0.17μm（图2）。3.3上侏罗统Bossier层，东得克萨斯东得克萨斯盆地上侏罗统Bossier组砂岩12，000–18，000ft(3657–5486m)深度段内产气。Rushing等人(2004)将Bossier层描述为“厚层、岩性复杂、黑至灰黑色页岩夹细粒泥质砂岩”。来自Bossier层的13块砂岩样品按其储集品质被分成4类，其孔喉直径特征（众数）分别为0.094、0.220、0.40、1.0μm，在图2中由四组菱形表示，两种非储集岩类型（0.010μm和0.024μm）则被设计成两个正方形(Rushing等，2004)。孔喉大小由压汞确定。渗透率和孔隙度值由较大的样品系确定。四类储集岩品质岩石的渗透率和孔隙度变化范围是0.3–500μd和1–14%，两类非储集岩品质的渗透率和孔隙度分别为0.03–20μd和1–8%。2010年1月25日·5·表1从发表的资料中挑选出来的、硅质碎屑岩孔喉大小及其它参数的测量值汇总表*样品来源样品个数**孔喉直径（μm）方法模型统计孔隙度（%）渗透率深度（ft）最小值最大值平均值中粒砂岩，不同类别，全球39.00023.00016.667HgCET1425.5md6560细粒砂岩，不同类别，全球124.00030.00015.500HgCET18.119.6md6560极细粒砂岩，不同类别，全球68.00013.0009.667HgCET24.2109.7md6560粗粒粉砂岩，不同类别，全球64.0007.0005.667HgCET26.322.3md6560上白垩统Lance组，GreaterGreenRiver盆地70.3622.5200.895HgCET7.517.7μd8713上侏罗统Bossier层，EastTexas盆地，储集岩90.0941.000–HgCMO7.512.2μd12，000上侏罗统Bossier层，EastTexas盆地，非储集岩40.0100.024–HgCMO4.50.25μd12，000上白垩统Mesaverde组，Piceance盆地440.0400.180–gasTCO72.1μd6513下白垩统TravisPeak组，EastTexas盆地130.0440.2200.118gasTCO4.91.5μd9347宾夕法尼亚系页岩，Anadarko盆地210.0200.1160.050HgCET––12，354上新统页岩，Beaufort-Mackenzie盆地200.0090.0440.023HgCGM7.5–8885烃源岩，不同类别，美国50.0050.0200.012VSME–––泥盆系页岩，Appalachian盆地，缺乏有机质60.0070.0080.008HgCME7.21.4μdOutcrop泥盆系页岩，Appalachian盆地，富含有机质60.0190.0240.022HgCME3.65.1ndOutcrop侏罗系和白垩系页岩，Scotian陆架100.0090.0160.012HgCGM4.91.9nd16，800*此处给出的孔喉大小范围和均值与图2中展示的数值并不完全匹配。孔隙度值是算术平均值；渗透率值是几何平均数；深度值是平均深度。更多细节描述和参考文献见文章。**No.=样品数量。方法：Hg=压汞；gas=气流；V=压汞和小角度中子散射。模型：C=圆柱状毛细管力；T=平板状；S=小角度中子散射情况下的球状。统计：ET=进入临界值；MO=众数；CO=计算的值；GM=几何平均；ME=中值。·6·石油科技动态第1期总第291期3.4上白垩统Mesaverde组，Piceance盆地，科罗拉多Soeder和Randolph(1987)撰文指出上白垩统Mesaverde组致密含气砂岩中存在窄缝孔隙。这些位于粒间的缝孔隙带有广泛的石英增生物，可以在光学显微镜的放大倍数极限内识别出来，并且可以使用扫描电镜细致观察。44块样品的孔隙度为3%