鄂尔多斯盆地安塞地区延长组长7段致密砂岩储层微观孔喉结构及分形特征

董怀民; 张毕栋; 杨兆林; 孟越; 徐刚

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505724

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6303-6316 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505724

天文学、地球科学

鄂尔多斯盆地安塞地区延长组长7段致密砂岩储层微观孔喉结构及分形特征

董怀民 ¹ ,
张毕栋 ¹ ,
杨兆林 ² ,
孟越 ³ ,
徐刚 ²

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Microscopic Pore Throat Structure and Fractal Characteristics of Seven Tight Sandstone Reservoir in Yanchang Formation, Ansai Area, Ordos Basin

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摘要

为了系统揭示鄂尔多斯盆地安塞地区延长组长7段致密砂岩储层微观孔喉结构及其分形特征,通过综合运用铸体薄片鉴定、扫描电镜观测、高压压汞测试及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)实验等多种技术手段,结合分形几何理论,深入分析了NMR分形维数与储层物性参数、可动流体饱和度及孔隙度、孔喉结构参数及岩石矿物组分含量之间的内在关系。研究结果表明,研究区储层具有典型的纳米级孔喉系统,孔喉非均质性强。核磁共振分形分析显示储层具有明显的两段式分形特征,束缚流体孔喉分形维数平均为1.56,反映纳米级孔喉分布相对均质;可动流体孔喉分形维数平均达2.99,表明微米级孔喉结构高度复杂。排驱压力、平均孔喉半径直接控制着储层渗流能力,石英和长石含量影响岩石抗压实特性及溶蚀行为。黏土矿物主要降低微孔隙复杂性,填隙物则通过充填作用改变孔喉拓扑结构。本文建立的核磁共振分形分析方法,实现了致密砂岩储层从纳米到微米尺度的孔隙系统完整表征,为储层质量评价和开发方案优化提供了重要的理论依据和技术支持。

Abstract

In order to systematically reveal the microscopic pore-throat structure and fractal feature of the seven sections of tight sandstone reservoirs in the Yanchang Formation within the Ansai Area of the Ordos Basin, by comprehensively wielding multiple technical means such as identification of casting thin section, surveys of scanning electron microscopy, testing of high-pressure mercury injection, and nuclear magnetic resonance experiments, combined with fractal theory, the intrinsic relationship among the fractal dimension of nuclear magnetic resonance and the physical property parameters of the reservoir voids, dynamic fluid saturation, and porosity was studied. An in-depth analysis was conducted on the pore throat structure parameters and the content of rock and mineral components. The research results show that the reservoirs in the study area have a typical nanoscale pore-throat system with strong pore-throat heterogeneity. Nuclear magnetic resonance (NMR) fractal analysis reveals that the reservoir exhibits pronounced two-stage fractal characteristics. The average fractal dimension of the pore throats for confined fluids is 1.56, indicating a relatively homogeneous distribution of pores and throats at the nanoscale. In contrast, the average fractal dimension of the pore throats for movable fluids reaches 2.99, suggesting a highly complex pore throat structure at the micrometer level. Expulsion pressure, the average radius of pore throat directly controls the reservoir seepage ability, quartz and feldspar content affect rock compressive properties and corrosion behavior. Clay minerals predominantly decrease the complexity of micropores, whereas interstitial materials alter the topological structure of the pore-throat system via filling processes. The nuclear magnetic resonance (NMR) fractal analysis method developed in this study has successfully provided a comprehensive description of the pore system in tight sandstone reservoirs, ranging from the nanometer to the micrometer scale. This method provides an important theoretical basis and strong technical support for reservoir quality assessment and optimization of development strategies.

Graphical abstract

关键词

鄂尔多斯盆地 / 微观孔喉结构 / 致密砂岩储层 / 核磁共振技术 / NMR分形特征

Key words

Ordos Basin / microscopic pore throat structure / tight sandstone reservoir / nuclear magnetic resonance technology / NMR fractal characteristics

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董怀民, 张毕栋, 杨兆林, 孟越, 徐刚. 鄂尔多斯盆地安塞地区延长组长7段致密砂岩储层微观孔喉结构及分形特征[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6303-6316 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505724

DONG Huai-min, ZHANG Bi-dong, YANG Zhao-lin, MENG Yue, XU Gang. Microscopic Pore Throat Structure and Fractal Characteristics of Seven Tight Sandstone Reservoir in Yanchang Formation, Ansai Area, Ordos Basin[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6303-6316 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505724

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致密油气等非常规油气资源作为全球油气重点勘探开发的接替领域资源,已成为当前石油地质等学科研究的热点与重点^[1-4]。致密砂岩储层具有低孔渗等特征,其微观孔喉结构不仅影响油气赋存状态及富集规律,还决定着储层流体的渗流能力及产能^[5-6]。由于受到沉积、成岩作用及构造演变的影响,致密砂岩储层孔隙类型结构复杂,这极大地增加了致密油气藏的勘探开发难度。因此,如何准确表征致密砂岩微观孔喉特征,揭示其非均质程度及流体可动性差异,是储层地质学及油气开发工程领域的关键科学问题。安塞地区延长组长7段是代表性的致密砂岩储层,深入分析其孔喉结构及分形特征,对优化储层评价及提高油气采收率具有重要意义。

目前,对于致密砂岩储层孔喉结构研究的方法相对较多,不同技术手段具有其各自优势,但也存在着一定的局限性。铸体薄片、扫描电镜及X射线衍射等图像分析技术能够直观地展现孔喉形貌特征,并获取矿物组成、孔喉类型及微观结构等信息。当时由于观测区域相对有限,上述方法难以全面地表征样品整体的孔喉分布规律,且在孔喉尺寸、连通性及空间分布等方面的定量表征存在不足^[7-8]。高压压汞、恒速压汞及N₂/CO₂吸附等流体注入法可定量分析孔喉尺寸分布,其中高压压汞适用于纳-微米孔喉,恒速压汞可区分孔隙与喉道贡献度,而N₂/CO₂吸附则更适用于微孔与介孔表征。然而这些方法受限于注入介质的物化性质及实验压力范围,难以完整地覆盖致密砂岩全尺度孔喉分布^[9-12]。纳米计算机断层扫描(computed tomography,CT),即与数字岩心技术能够实现三维孔喉网络重构,进行孔隙空间可视化与定量分析,但由于其设备成本高昂、数据处理过程复杂,在油田实际生产应用中存在一定困难^[13-15]。核磁共振技术因具有无损、快速及制样简单等优势,成为表征致密砂岩孔喉结构的有效手段,NMR弛豫时间(T₂)可用于全尺度反映岩石孔喉尺寸分布,并计算孔渗、可动流体等参数^[16-18]。由于T₂弛豫时间受表面弛豫率、扩散弛豫及流体性质等因素影响,因此如何准确地将其转换为孔喉半径仍是一个关键难题^[19]。目前,多尺度、多技术联用已成为研究致密砂岩孔喉结构的主流方法,这弥补了单一技术的局限性^[20]。为了量化孔喉结构非均质性及复杂程度,分形理论被广泛用于储层研究中。分形维数能够有效地表征孔喉分布的几何不规则性与结构复杂度。目前常用的计算方法包括基于高压压汞数据的毛管压力曲线分形模型、基于恒速压汞的孔喉体积分形分析及基于NMR T₂谱的分形维数计算等^[21-24]。其中基于NMR T₂谱的分形维数计算方法因具有无损、便捷和可重复性强等优势,在储层质量评价及渗流能力预测中具有重要应用价值。

以鄂尔多斯盆地安塞地区延长组长7段致密砂岩储层为例,系统开展储层微观孔喉结构表征及其影响因素研究。通过铸体薄片观察、扫描电镜分析及计点统计法,对研究区岩石学特性、孔隙类型及微观孔喉结构进行定性分析与定量表征,结合高压压汞与核磁共振实验,定量分析不同岩性样品孔喉尺寸分布及结构特征。在此基础之上,引入分形理论,计算NMR T₂谱分形维数,定量表征孔喉结构非均质性并重点探讨NMR分形特征与储层物性参数、流体赋存特征、孔喉结构参数及岩石矿物组分之间的内在关系,揭示致密砂岩储层孔喉结构控制因素及其对渗流能力的影响机理,从而为安塞油田长7段致密油藏精细评价及高效开发提供理论依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是中国大型多旋回陆相克拉通盆地^[24-25],油气资源储量十分丰富。该盆地构造格局相对稳定,整体表现为平缓的西倾单斜,仅在周缘地区发育断裂和褶皱构造。根据区域构造特点,该盆地可划分为6个构造单元^[26](图1)。这些构造单元内部地层产状平缓,并且由于三角洲沉积作用而形成了良好的油气资源储集。研究区位于伊陕斜坡中部,构造背景稳定,区域构造坡度小于1°,局部发育低幅鼻状隆起,断层极不发育,油气藏类型以岩性圈闭为主。该区为典型的低渗-特低渗油田,其主力产层延长组发育大套致密砂岩储层,孔喉结构多尺度复杂性、非均质性程度高的特点,导致储层中流体可动性较差,严重制约了油田的勘探开发效果。延长组致密砂岩储层特殊的孔喉结构特征,使得传统开发技术难以有效动用其赋存的油气资源,亟需开展深入的储层微观特征研究,为制定合理的开发方案提供理论支撑。

2 实验方法与理论基础

2.1 实验样品

为系统表征不同岩性储层孔喉结构特征,从研究区的3类岩性中分别选取2块代表性样品开展高压压汞及核磁共振实验,其中,高压压汞实验用于定量表征孔喉尺寸分布及结构参数,核磁共振实验用于分析流体赋存状态及分形维数计算。岩心样品孔隙度与渗透率等物性参数如表1所示,样品选取充分考虑了岩性代表性及物性分布范围,确保研究结果能够客观反映研究区致密砂岩储层孔喉结构特征。

2.2 NMR分形理论

核磁共振技术因其岩石样品具有无损坏特性,现已成为致密砂岩储层评价的重要方法之一。该技术的优势在于能够有效区分可动流体与束缚流体,并通过测量弛豫截止时间来表征储层孔隙结构特征。在NMR实验中,表面弛豫时间与孔隙表面积密切相关。因此T₂谱分布能够间接反映储层孔喉尺寸分布特征^[27]。根据核磁共振理论,在忽略扩散弛豫影响条件下,表面弛豫时间T₂可近似表示为

(1)

$\frac{1}{{\mathit{T}}_{2}}=\mathit{\rho }\frac{\mathit{s}}{\mathit{v}}$

式(1)中:ρ为表面弛豫率,μm/ms;s为孔隙表面积,μm²;v为孔隙体积,μm³。

研究表明,弛豫时间与孔径分布之间存在幂函数关系。基于该理论基础,通过建立二者的转换关系,可以确定不同离心条件下样品的弛豫时间截止值,从而实现孔隙结构的定量表征。通过对回波串数据进行反演分析得到的T₂分布谱能够反映储层孔隙结构特征。其中,弛豫时间截止值T_2c能够作为区分可动流体与束缚流体的临界阈值^[16]。对于致密砂岩储层,由于孔隙表面通常发育大量黏土矿物且表面粗糙度较高,所以表面弛豫率普遍大于常规储层。

为深入研究孔喉结构的复杂程度,引入分形理论进行分析。分形几何理论是表征局部结构在统计意义上与整体相似性。在储层表征中,分形维数能够有效反映孔喉系统的结构复杂度,包括孔喉尺寸分布、形态特征及连通性等。分形维数越高,表明孔喉结构尺度越复杂,非均质性越强^[28-29]。采用Zhou等^[30]提出的方法,NMR T₂谱对应的分形几何近似为

(2)

${\mathit{S}}_{\mathit{v}}={\left(\frac{{\mathit{T}}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{\mathit{T}}_{2}}\right)}^{\mathit{D}-3}$

式(2)中:D为分形维数;T_2max为最大弛豫时间,ms。

通过分析NMR T₂谱的累积孔隙体积特征,能够准确反映不同尺度孔喉的分布特征。对于致密砂岩储层,由于孔隙表面通常发育大量黏土矿物且表面粗糙度较高,孔喉结构较为复杂,分形维数普遍高于常规储层的分形维数。

通过对式(2)两边取对数,可推导得到线性化表达式为

(3)

$\mathrm{l}\mathrm{g}{\mathit{S}}_{\mathit{v}}=(3-\mathit{D})\mathrm{l}\mathrm{g}{\mathit{T}}_{2}+(\mathit{D}-3)\mathrm{l}\mathrm{g}{\mathit{T}}_{2\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$

式(3)中:S_v为弛豫时间小于T₂的累积孔隙体积占总孔隙体积百分比,%。

上述线性关系表明,当储层样品满足核磁共振分形特征时,在双对数坐标系中,lnS_v与lnT₂呈现良好的线性相关性,通过最小二乘法对实验数据进行线性回归分析,可获得拟合直线斜率。根据斜率与分形维数的理论关系,可准确计算并得到储层的分形维数为

(4)

$\mathit{D}=3-\mathit{\alpha }$

式(4)中:D为分形维数;α为拟合直线斜率。

3 实验结果分析

3.1 岩石学及物性特征

通过铸体薄片图像鉴定和扫描电镜图像观察,研究区致密砂岩储层具有陆源碎屑沉积特征,研究区地层中岩屑长石砂岩占比最高,达61.23%,其余以长石砂岩和长石岩屑砂岩为主,占比分别为24.41%和14.36%。石英含量为37%~66%,平均含量为48.33%。长石含量为18%~34%,平均值为29.33%,以钾、斜长石为主,普遍发育溶蚀现象。岩屑含量为15%~27%,平均值为20.06%,其中火成岩屑含量达15.40%,其次为变质岩屑,平均值为4.67%。填隙物分析结果表明,研究区致密砂岩填隙物总量较高,平均含量达57.38%,其中杂基和胶结物含量分别为44.11%和13.27%。黏土矿物含量较高,含量为19.60%~41.10%,平均值为28.88%。对扫描电镜图像进一步观察可得,黏土矿物多呈片状、丝状形态并充填于粒间孔隙或附着于颗粒表面,对储层孔隙结构及渗流能力具有重要影响,这种特殊的矿物组成与结构特征,是研究区致密砂岩储层低孔低渗特性的重要成因之一。

研究区储层物性参数测量结果表明[图2(a)、图2(b)],孔隙度分布范围为0.5%~9.8%,平均值为4.58%,其中孔隙度<5%区间占比较高,占比高达63.89%,孔隙度在5%~10%区间占比为33.33%,仅个别样品孔隙度超过10%。渗透率测试结果表明,超低渗储层(渗透率<0.1 mD)占比达83.02%,低渗储层(0.1~1 mD)占比为13.21%,中渗储层(1~10 mD)占比仅为3.77%。孔隙度与渗透率的交会结果显示[图2(c)],两者之间表现出微弱的正相关关系,孔隙度并非控制渗流能力的关键因素。进一步分析表明,这种异常现象主要源于纳米级孔喉占主导的孔隙系统中,孔隙连通性对渗透率的贡献远大于孔隙总量,微裂缝的局部发育也改善了部分样品的渗透性,以及黏土矿物充填削弱了孔隙度与渗透率之间的相关关系。

3.2 孔喉类型

铸体薄片与扫描电镜分析结果揭示了目标储层复杂孔隙结构特征。结果表明,储层平均面孔率为1.59%,孔隙主要由长石溶孔、粒间溶孔和微裂缝三类孔隙构成[图3(a)~图3(c)]。其中,粒间孔多为残余粒间孔^[31],呈现细长形或多边形形态,孔径分布范围10~250 μm。研究区在长石溶蚀的作用下形成了大量次生溶蚀孔隙,这种溶蚀改造作用表现出的差异性导致了非均质性极强的孔喉结构体系。粒间孔作为研究区致密砂岩储层的重要储集空间类型,在原生孔隙和次生溶蚀孔[图3(d)]中广泛发育。从扫描电镜图像中发现,这类孔隙普遍存在长石颗粒碎屑和黏土矿物充填现象,其中以伊利石及绿泥石矿物集合体充填最为典型[图3(e)]。这些黏土矿物以片状、丝状形态密集充填于粒间孔隙,形成复杂的微纳米级网络结构,改善了孔隙的渗流能力。微裂缝[图3(f)]作为重要的渗流通道,主要由脆性矿物颗粒破裂形成,另外可见部分微裂缝被片状云母或伊利石集合体充填。

喉道分析结果表明,储层主要发育管状吼道、片状吼道和弯片状吼道[图4(a)~图4(e)],孔喉配位数普遍低于2,且约60%的喉道因片状云母衬里和伊利石充填导致有效半径减小,制约了流体的渗流能力。这种复杂的孔喉配置关系和大量的黏土矿物充填[图4(f)],是造成研究区储层低渗特征的关键因素。

3.3 孔喉尺寸分布特征

高压压汞实验可以对储层孔喉结构进行系统表征,通过记录不同压力下的进汞饱和度等参数来确定样品的孔喉半径分布特征。孔喉半径大小直接控制着储层的物性特征及油气储集与渗流能力^[10]。本次测试的6个代表性样品毛管压力曲线与孔喉半径分布特征如图5所示,分析结果表明,随着注入压力的升高,进汞饱和度曲线呈现阶段性变化。在汞突破排驱压力后,曲线前段斜率平缓且平台特征明显,以ZS3样品为例,其排驱压力最小且水平段最为显著,如图5(a)所示;而曲线后段则表现为斜率陡增及平台特征弱化特点,反映出致密砂岩复杂的孔喉结构特征。孔喉半径分布结果显示[图5(b)],研究区储层孔喉半径分布在0.004~1.0 μm,根据分布特征可将其划分为两种类型:单峰型孔喉分布表现为单一主峰,峰值集中在0.1 μm附近,主要分布在0.1~1.0 μm区间,这反映孔喉结构相对均质;多峰型孔喉主峰分布于0.01 μm和0.1 μm,总体分布范围与单峰型相似,但其复杂的多峰特征表明孔喉的非均质性更复杂。这种差异在孔喉半径频率分布曲线上表现为单峰型样品频率分布集中,而多峰型样品则呈现多个分布中心,这也表明了多峰型样品孔喉结构更为复杂。

高压压汞实验数据(表2)结果显示,样品排驱压力介于0.674~2.744 MPa,中值压力为4.235~92.846 MPa,表明不同砂岩样品的孔喉结构存在明显差异,这主要体现在毛管压力曲线平台段的显著变化上。中值半径分布在0.008~0.171 μm,平均孔喉半径变化介于0.055~0.209 μm,平均孔喉半径分布分散证实了孔隙结构的连续分布特征和强非均质性。整体看来最大进汞饱和度较高(63.842%~97.204%),但退汞效率普遍偏低(18.533%~42.599%),表明有大量汞被滞留于复杂的孔喉网络中。这一现象反映了致密砂岩储层特有的孔喉结构特征,多尺度孔喉系统导致流体滞留效应显著,喉道连通性差形成大量孤立孔隙。

3.4 NMR实验结果

核磁共振技术是表征致密砂岩储层微观孔隙结构的有效手段,在饱和水状态下进行的核磁共振实验,可以反映孔隙流体与颗粒表面的相互作用强度。由于T₂弛豫时间与孔喉尺寸存在明确的对应关系,所以可以用较短的T₂弛豫时间表征纳米级孔喉中的束缚流体;而较长的T₂弛豫时间指示微米级孔喉中的可动流体。通过岩心样品离心核磁共振测试,可以准确区分可动流体与束缚流体,对比离心前后的T₂谱差异,还能定量计算样品可动流体饱和度。

安塞地区延长组长7段致密砂岩NMR测试结果表明了该地区孔隙结构的非均质性。通过对比饱和水状态与离心后T₂谱分布特征(图6),将岩心样品划分为3种孔隙结构类型:①类型1(ZS3)呈明显双峰分布特征,左峰分布范围为0.01~0.75 ms,反映纳米级孔喉中的束缚流体,右峰分布范围为0.75~10 ms,表征微米级孔喉中的可动流体。右峰幅值显著高于左峰,表明该类型以大孔喉发育为主,其离心前后T₂谱差异较大,可动流体饱和度高,渗流条件相对较好。②类型2(ZS5和ZS6)显示三峰分布特征,第一峰分布为0.01~1 ms,对应纳米孔喉,第二峰为1~10 ms,反映过渡孔喉,第三峰为10~100 ms,表征较大孔喉。其中,ZS5样品表现出明显的可动流体特征,而ZS6样品则表现出束缚流体特征,这种差异主要源于样品中第一峰占比显著提高,反映岩心内部以亚微米级孔喉为主导的孔隙结构。③类型3(ZS1、ZS2和ZS4)具有复杂的四峰特征,前两个峰面积占比较高,表明储层以微小孔喉为主。离心结果显示该类样品束缚流体饱和度普遍高于75%,渗流条件极差,这与铸体薄片观察到的致密胶结与黏土矿物充填现象吻合较好。ZS4样品在100~1 000 ms区间出现微弱第四峰,表明可能存在少量微裂缝发育,但未能改善孔喉整体的渗流能力。

NMR测试结果(表3)表明,样品可动流体饱和度分布于3.131%~21.684%,平均值为9.434%,表明了储层中绝大部分流体在纳米级孔喉系统而难以流动。核磁孔隙度测量结果为5.219%~5.844%,平均值为5.569%,与常规孔隙度测试结果一致,验证了实验数据的可靠性。可动流体孔隙度仅为0.237%~1.191%,平均值为0.546%;而束缚流体孔隙度则高达4.028%~5.555%,平均值为5.023%,二者差异较大,证实了致密砂岩储层极差的流体可动性特征。而弛豫时间截止值T_2c分布在1.954~13.195 ms,平均值为7.430 ms,反映了研究区孔喉结构非均质性强。

3.5 NMR分形计算

基于核磁共振的分形理论计算结果表明,研究区6个致密砂岩样品均表现出显著的两段式分形特征(图7)。为分析孔喉结构对流体可动性的控制作用,本研究以弛豫时间截止值T_2c为界,将分形曲线划分为束缚流体段和可动流体段分别进行拟合。

定量分析结果表明(表4),束缚流体孔喉系统的分形维数D_min分布在1.219 2~1.770 4,平均值为1.564 4,相对较低的值反映了纳米级孔喉具有较好的分布均质性,这与扫描电镜观察到的黏土矿物均匀充填特征相吻合。相比之下,可动流体孔喉系统的分形维数D_max介于2.974 9~2.994 0,平均值为2.985 9,接近理论最大值3,表明微米级孔喉具有极高的结构复杂性,孔喉形态呈现显著的多尺度不规则性,矿物表面粗糙度大,溶蚀作用形成复杂的孔隙网络,微裂缝发育增加了结构非均质性。

4 讨论

4.1 NMR分形维数与物性参数关系

如图8所示储层物性参数与NMR分形维数的相关性揭示了致密砂岩储层中流体渗流的控制机制。研究结果表明,孔隙度与D_min及D_max均未表现出显著相关性[图8(a)],这表明在致密砂岩储层中,孔隙度并不能直接反映孔喉结构的复杂程度,进一步验证了前文关于孔隙度不是制约岩石渗流能力的结论。渗透率与分形维数的关系呈现出更复杂的特征[图8(b)],束缚流体孔喉分形维数D_min与渗透率呈现微弱正相关关系(R²= 0.32),这种反常现象可能源于微纳米孔隙的特殊连通机制,在特定应力条件下,复杂的微孔隙网络反而有助于形成连续的渗流通道,通过增加微小孔喉的连通性来提升整体渗透率。可动流体孔喉分形维数D_max与渗透率呈微弱负相关关系(R²= 0.28),这符合渗流理论:当大孔喉系统的结构复杂度降低时,其对可动流体的流动阻力相应减小,主要表现为孔喉表面粗糙度降低,减小了流体流动的摩擦阻力,孔喉形态更加光滑,以致连通性得到改善,形成更高效的渗流网络。

4.2 NMR分形维数与可动流体饱和度及可动流体孔隙度关系

可动流体饱和度与孔隙度是表征储层渗流能力的核心参数,其大小直接决定了流体的运移效率。由图9可知,D_max与其饱和度、孔隙度具有很强的负相关关系。这可能是因为微米级孔喉结构有利于流体的运移,增强了孔喉中流体的运移能力^[24]。分形维数D_max越大,流体的可动程度也就越小。大孔喉对于可动流体的孔隙度也具有一定的贡献作用。由铸体薄片图像结果知,目标储层的大孔喉主要由粒间溶蚀孔组成。这类大孔喉的发育显著降低了储层孔喉结构的非均质性,大孔喉的存在简化了孔喉网络拓扑结构,导致孔喉分形维数明显降低。

4.3 NMR分形维数与孔喉结构参数关系

NMR分形维数能定量表征孔喉结构复杂程度,为深入研究分形维数与孔喉结构的相关关系,分析了高压压汞参数与分形维数的相关性(图10)。分析表明,分形维数D_min、D_max与排驱压力均呈现正相关关系(R² > 0.7),这是因为孔喉中存在微小、曲折的流通通道,导致孔喉结构复杂度升高。中值压力与分形维数D_min、D_max也呈现正相关趋势(R² ≈ 0.4),表明当进汞饱和度达到50%所需压力增大时,孔喉系统的非均质性增强。平均孔喉半径和中值半径与D_max存在负相关关系(R² > 0.6),而与D_min呈微弱负相关关系(R² < 0.3)。这种差异表明了大孔喉的尺寸增大能有效地改善孔喉系统的均质性和连通性,从而使分形维数减小;而微小孔喉的尺寸变化对整体结构的影响相对较小。最大进汞饱和度与分形维数的负相关关系也验证了这种关系,最大进汞饱和度降低意味着孔喉表面粗糙度增大,导致汞难以充分侵入,孔喉形态复杂化,形成更多未被填隙物充填的孤立孔隙,连通性变差,阻碍汞的渗流。

4.4 NMR分形维数与岩石组分的关系

矿物组成对孔喉结构影响研究揭示了鄂尔多斯盆地安塞地区延长组致密砂岩储层的成因(图11)。岩石组分分析结果表明,石英和长石含量与可动流体孔喉分形维数D_max呈正相关趋势,而与束缚流体孔喉分形维数D_min无明显关系。这一差异可能是由于石英颗粒的抗压实特性和光滑表面使得由石英主导的大孔隙结构能够很好地保存原生孔隙结构,这些原生粒间孔在成岩过程中形成复杂的拓扑网络,从而导致大孔喉非均质性增强。同时,钾长石的缓慢溶蚀现象限制了次生孔隙的连通性,也增加了大孔喉系统的复杂结构。

黏土矿物的含量与两类分形维数均呈负相关关系[图11(c)],这主要源于研究区特殊的黏土矿物组成。不同黏土矿物吸附能力对分形维数具有较大影响^[23],黏土矿物的吸附能力最强的为蒙脱石,伊利石的吸附能力最弱^[32]。研究区黏土矿物以伊利石为主,蒙脱石含量较低的组合特征,显著降低了流体的吸附滞留效应。表现为伊利石的片状结构虽然充填孔隙,但相比蒙脱石其比表面积较小,低含量的黏土矿物减少了微孔隙的发育,伊利石等低吸附性矿物主导了黏土矿物的孔隙改造作用。此外,填隙物的含量与D_min呈正相关,而与D_max呈负相关。这种差异反映了填隙物对不同尺度孔喉的差异化改造,在微纳米尺度,填隙物(尤其是硅质和碳酸盐胶结物)的充填显著加大了微小孔喉的曲折度,形成复杂的管束状结构,使D_min升高,在微米尺度,填隙物对粒间大孔隙的充填作用简化了大孔喉的拓扑结构,降低了其非均质性。这种双重作用机制表明了不同矿物组分通过控制不同尺度孔喉的发育特征来影响储层的复杂性。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地安塞地区延长组7段致密砂岩储层岩石以岩屑长石砂岩和长石砂岩为主,含少量长石岩屑砂岩。高压压汞和核磁共振测试结果显示,储层孔喉系统以纳米级为主。孔隙类型以长石溶孔、粒间溶孔和微裂缝为典型组合,其中粒间孔多为经历成岩改造后的残余粒间孔。喉道以片状喉道、管状喉道为主要类型,含有部分弯片状喉道,孔喉配位数普遍低于2,表现出较差的连通性。这种复杂的孔喉配置关系导致储层表现出明显的喉道控制特征,其中纳米级喉道对流体渗流的制约作用尤为显著。

(2)核磁共振分形维数结果表明研究区致密砂岩储层具有显著的双重孔隙结构特征。束缚流体孔喉结构的分形维数D_min介于1.219 2~1.770 4,平均值为1.564 4,反映纳米级孔喉分布相对均质;可动流体孔喉结构的分形维数D_max介于2.974 9~2.994 0,平均值为2.985 9,表征微米级孔喉结构的复杂程度。束缚流体孔喉结构的分形维数与可动流体孔喉结构的分形维数差异揭示了储层的多尺度非均质性,纳米孔喉受均质黏土充填控制,而微米孔喉则因溶蚀改造和微裂缝发育形成复杂网络。D_max接近理论最大值3,表明大孔喉具有极不规则的空间分布和粗糙表面特征,这是储层渗流能力弱的关键因素。

(3)NMR分形维数揭示了致密砂岩储层的关键特征。分形维数与渗透率呈现相关性,可动流体孔喉分形维数D_max与可动流体参数呈负相关(R² > 0.65),表明大孔喉结构复杂度直接制约储层渗流能力。排驱压力与分形维数正相关,平均孔喉半径与之负相关,证实复杂孔喉结构造成分形维数增大。矿物组分则表现为石英和长石通过保持原生孔隙和限制溶蚀连通性而与D_max正相关;黏土矿物和填隙物则分别通过降低微孔隙复杂性和改变拓扑结构影响孔喉结构。

(4)NMR分形维数为致密砂岩储层孔喉结构表征提供了有效的定量手段。致密砂岩孔喉结构呈现两段式分形特征,其中纳米级孔喉分布相对均质,而微米级孔喉则相对复杂。这种特征反映了不同尺度孔喉结构之间的差异,其中可动流体孔喉分形维数D_max与储层渗流能力呈现显著负相关(R² > 0.65)。NMR分形实现了从纳米到微米尺度的孔隙系统完整表征,为致密储层质量评价和开发方案优化提供了重要的理论依据和技术支撑。

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基金资助

国家自然科学基金(42204105)

陕西省自然科学基础研究计划(2022JQ-293)

秦创原引用高层次创新创业人才项目(QCYRCXM-2022-24)

中央高校基本科研业务费(XJ2024007201)

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Received	Published	Revised
2025-08-04	2026-05-28	2025-11-28
Online Date
2026-08-07

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