Natural Gas Geoscience >

2023 , Vol. 34 >Issue 6: 1039 - 1052

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.02.002

Microscopic pore structure and fractal characteristics of tight sandstone gas reservoir： A case study of Denglouku Formation in Changling Gas Field， Songliao Basin

  • Lei LI , 1, 2 ,
  • Zhidong BAO , 1, 2 ,
  • Zhongcheng LI 3 ,
  • Yuanhui SUN 4 ,
  • Chenxu ZHAO 3 ,
  • Jianwen CHEN 3 ,
  • Yingkun CUI 1, 2 ,
  • Gang CHEN 1, 2
Expand
  • 1. College of Geosciences，China University of Petroleum⁃Beijing，Beijing 102249，China
  • 2. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting，China University of Petroleum⁃Beijing，Beijing 102249，China
  • 3. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Jilin Oilfield Company，Songyuan 138000，China
  • 4. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China

Received date: 2022-11-01

  Revised date: 2023-01-30

  Online published: 2023-06-16

Supported by

Jilin Oilfield Project(JS2022⁃W⁃13⁃JZ⁃82⁃97)

the National Key Research and Development Program of China(2017YFC0603104)

Fold

Abstract

The pore structure of tight sandstone reservoir is an important factor to determine its reservoir physical properties and oil and gas production capacity， and it is also a hot spot in the research of tight reservoir. The pore structure characteristics of tight sandstone of Denglouku Formation in Changling Gas Field， Songliao Basin were characterized by qualitative and quantitative methods based on the experimental data of nuclear magnetic resonance， constant velocity mercury injection， cast thin section and scanning electron microscopy. Based on the T 2 spectra measured in saturated and centrifuged states， the heterogeneity and complexity of pore structure were quantitatively characterized， and the relationship between petrophysical parameters， NMR parameters and fractal dimension was discussed. The results show that： The pore types of tight sandstone reservoirs in Denglouku Formation are diverse， including residual intergranular pores， feldspar dissolution pores and intergranular pores of clay minerals. The pore-throat relationship is mainly characterized by large pores and thin throats and small pores and coarse throats. The NMR T 2 spectrum shows bimodal or unimodal distribution. The relationship between pore structure characteristics and movable fluid shows that the maximum connected throat radius is the main factor controlling the size of movable fluid. The fractal dimension D （2.355 1-2.803 5） calculated by T 2 spectrum in centrifugal state is higher than that in saturation state （2.239 9-2.755 7）， which indicates that the micro pore domain determines the micro complexity of tight sandstone， and the large pore domain controls the macro reservoir quality of tight sandstone. The tight sandstone reservoirs of Denglouku Formation in Changling Gas Field can be divided into three types based on the reservoir capacity and the occurrence characteristics of fluids. The type Ⅰ pore structure is mostly of small pore and coarse throat type， the lower limit of the maximum connected throat radius is 0.8 μm， and the fractal dimension is small， so it is a high-quality reservoir. The results are helpful to reveal the heterogeneous combination of the pore system and quantitatively characterize the complexity of the pore structure， so as to guide the exploration and development of tight gas reservoirs.

Key words： Songliao Basin; Denglouku Formation; Tight sandstone; Nuclear magnetic resonance; Fractal theory; Pore structure

Cite this article

Lei LI , Zhidong BAO , Zhongcheng LI , Yuanhui SUN , Chenxu ZHAO , Jianwen CHEN , Yingkun CUI , Gang CHEN . Microscopic pore structure and fractal characteristics of tight sandstone gas reservoir： A case study of Denglouku Formation in Changling Gas Field， Songliao Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2023 , 34(6) : 1039 -1052 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.02.002

0 引言

当前，全球经济的快速发展对油气资源的需求与日俱增，但常规油气新增探明储量有所下降［1］。在此背景下，非常规资源勘探开发受到越来越多的关注［2-4］。致密砂岩油气资源作为接替常规能源的一类重要非常规资源之一，已成为我国油气勘探开发领域的战略重心［5-7］。
致密气是指赋存于孔隙度小于10%，覆压基质渗透率小于0.1×10-3 μm 2的致密砂岩中的天然气，其储层孔喉结构、配伍复杂，喉道小且迂回改道频繁［7-8］，孔隙结构又是决定其储层物性及油气产能的重要因素，因此，准确表征致密气储层的微观孔隙结构显得至关重要。致密砂岩储层孔隙结构测试技术主要分为定性观察描述和定量计算［8-11］。然而各种测试技术都有各自的优点和局限性，难以实现对孔隙结构的全尺度表征，通常需联合多种技术手段对致密储层孔隙结构进行表征［11-14］，如气体吸附与高压压汞、核磁共振与高压压汞以及核磁共振与扫描电镜等。
分形理论的出现和快速发展，为定量分析孔隙结构提供了理论支持［15］。分形理论认为具有自相似性的形即为分形，其最大特点是不受尺度影响，有助于搭建微观孔隙结构与宏观岩石物理参数（孔隙度和渗透率）之间的桥梁［15-17］。目前基于核磁共振、压汞、氮吸附等实验数据建立分形模型已在孔喉系统级次、评价储层渗流性能、预测渗透率等方面做了大量卓有成效的研究工作［18-20］。研究表明，致密砂岩孔隙结构分形行为和可动流体分布差异显著，影响因素众多且尚存争议。本文通过核磁共振、恒速压汞、铸体薄片及扫描电镜等实验资料，开展致密气储层孔隙结构研究；基于饱和和离心状态下测量的T 2谱进行分形分析，探讨可动流体与分形维数的影响因素，建立适合致密气储层孔隙结构的分类评价标准，以期指导致密气储层的勘探开发。

1 地质背景

松辽盆地位于我国东北部，是我国最大的中生代断坳型内陆盆地，含有丰富的油气资源［21］。松辽盆地南部地区包括中央坳陷区、东南隆起区、西部斜坡区、西南隆起区4个一级构造单元［图1（a）］，其中长岭气田区域构造上位于长岭断陷中部凸起带，被南北断洼所夹［图1（b）］［22］，长岭气田下白垩统自下而上发育有沙河子组、营城组、登娄库组及泉头组，岩性主要为细砂岩、泥岩及砂砾岩［图1（c）］。
图1 松辽盆地南部中央坳陷位置（a）、构造位置［23］（b）及长岭气田地层剖面（c）

Fig.1 Location of southern Central Depression of Songliao Basin （a）， tectonic location［23］ （b） and stratigraphic section of Changling Gas Field （c）

长岭气田下白垩统登娄库组含有丰富的油气资源［23-24］。多口致密砂岩气井均获得高产，揭示了下白垩统登娄库组具有一定的天然气勘探潜力［25］。根据CS129井岩心观察与描述，岩性主要为中厚层细砂岩、粉砂岩夹薄层紫红色、砖红色泥岩，可见低角度交错层理、平行层理等流动成因沉积构造，认为长岭气田下白垩统登娄库组属浅水辫状河三角洲平原亚相沉积，其中分流河道为主要的储集层砂体类型［23］。

2 实验与方法

2.1　实验分析

研究选取松辽盆地南部长岭气田CS129井登娄库组9块代表性致密砂岩样品，该样品位于登娄库组第3砂组及第4砂组（自下而上可分为4个砂组），埋深为3 560.56~3 603.59 m，岩性为粉细砂岩。另外，本文研究还收集了CS1-2井、CS105井和LS1井的蓝色铸体薄片及扫描电镜照片，数据来自中国石油吉林油田公司勘探开发研究院实验研究中心。岩石薄片用蓝色环氧树脂进行染色和浸泡，然后使用莱卡DMLP偏光显微镜进行显微观察。扫描电子显微镜测试仪器采用JSM-6380LA型扫描电镜，实验温度为25 ℃，相对湿度为42%，满足设备正常运行要求。

2.1.1　核磁共振

核磁共振测试实验仪器采用英国牛津生产的Oxford-MARAN DRX 2型核磁共振岩心分析仪，测试温度为35 ℃。具体测试参数如下：等待时间为6 000 ms，回波间距为0.2 ms，扫描次数为128，回波个数为2 048。
致密砂岩样品都按照平行于层理面切割成直径25 mm的圆柱形岩心。测试分析之前，使用二氯甲烷清洁岩心样品以去除碳氢化合物（沥青）。核磁共振具体试验步骤如下：①岩心经洗油烘干后称干重，测量长度和直径，用N2测试岩心的孔隙度、渗透率（表1）；②将岩心放在盐度为50 000×10-6（5%）的CaCl2盐水中浸泡24 h，使岩心完全被盐水饱和，测量饱和状态T2谱分布的增量和累积；③在6 000 r/min离心力作用下进行离心，去除岩心样品中的可动盐水获得离心状态T 2谱（图2）。实验过程与数据处理符合中华人民共和国石油天然气行业标准：SY/T 6490—2014《岩样核磁共振参数实验室测量规范》。
表1 登娄库组致密气储层物性及核磁共振孔隙结构参数

Table 1 Physical properties and NMR pore structure parameters of tight sandstone in Denglouku Formation

样品

编号

深度

/m

 气测物性 核磁共振测试 恒速压汞测试

孔隙度

/%

渗透率

/（10-3 μm2）

T 2截止值

/ms

束缚流体

饱和度/%

可动流体

饱和度/%

排驱压力

/MPa

总进汞

饱和度/%

平均孔隙

半径/μm

平均喉道

半径/μm

 最大连通喉道半径/μm

平均

孔喉比
S1 3 560.56 2.87 0.003 31.73 90.24 9.76 1.57 57.18 420.02 0.33 0.33 115.48
S2 3 561.20 3.33 0.016 23.57 79.25 20.75 0.83 59.89 117.86 0.48 0.48 367.80
S3 3 561.90 8.10 0.067 28.79 56.73 43.27 0.70 82.58 134.98 0.83 0.83 215.56
S4 3 562.51 6.37 0.055 31.39 63.94 36.06 1.37 49.67 127.15 1.41 1.41 384.50
S5 3 596.41 3.04 0.016 16.55 70.04 29.96 0.09 57.09 120.05 1.81 1.81 152.66
S6 3 597.62 3.51 0.012 25.38 86.90 13.10 1.63 25.75 133.33 1.02 1.02 25.00
S7 3 597.82 3.84 0.036 20.18 81.79 18.21 1.53 44.33 126.24 0.52 0.52 347.29
S8 3 598.16 3.66 0.002 18.44 90.29 9.71 0.43 48.11 124.50 0.99 0.99 189.95
S9 3 603.47 4.89 0.021 18.66 71.88 28.12 1.30 41.74 135.51 1.66 1.66 163.43
图2 登娄库组致密砂岩核磁共振T 2截止值（S9样品）

Fig.2 NMR T2 cutoff value of tight sandstone in Denglouku Formation （sample S9）

2.1.2　恒速压汞

恒速压汞实验分析，采用美国Coretest公司制造的ASPE730恒速压汞仪。实验时进汞压力为0~ l 000 psi（约7 MPa），进汞速度为0.000 001 mL/s，汞与岩心接触角140°，界面张力485 dyn/cm（0.485 N/m）。恒速压汞通过检测汞注入过程中的压力涨落将岩石内部的喉道和孔隙分开，不仅能够分别表征喉道和孔隙各自的发育情况，而且能够定量计算孔喉比的大小，从而可以更加清晰地描述储层的微观孔隙结构［26］。核磁共振和恒速压汞试测试均在中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室完成。

2.2　分形模型

自20世纪80年代起分形理论就运用于砂岩储层孔隙结构的定量研究［8， 15， 27］。核磁共振计算分形维数模型一般是基于孔隙系统是球形的假设［15］。砂岩储层孔喉系统中含氢流体弛豫速度的快慢（即弛豫时间的长短）主要取决于孔喉壁固体表面对流体分子作用力的强弱［15， 28］。均匀磁场中饱和水的单个孔隙内的原子横向弛豫时间可近似表示为：
1 T 2 = ρ S V = ρ F s r c
式中：T 2为核磁共振横向弛豫时间，ms；S/V为孔隙比表面积，μm2/μm3；ρ为表面弛豫率，μm/ms；F s为孔喉形状因子，球形孔隙的F s=3；r c为孔喉半径，μm。
实际上，孔喉数量N （ i ）与孔喉大小ri 可通过如下关系加以计算：
N ( i ) = V p i 4 3 π r i 3
联合关系式（1）和式（2），可表示为：
N ( i )= V p i 36 π ( ρ T 2 i ) 3
式中：N （ i ）为孔喉数量；Vpi 为在特定T 2时的孔隙体积增量振幅，无量纲；ri 为孔喉大小，μm；ρ为表面弛豫率，μm/ms。
孔喉半径大于ri （μm）与孔喉半径大于r的孔喉数量N（>ri）以及分形维数（D）之间遵循以下幂函数关系：
N ( > r i )= ∑ j n N i = ∑ j n V p j 36 π ( ρ T 2 j ) 3 ∝ ( 3 ρ T 2 i ) - D
公式（4）中：j= i +1
对公式（4）两边取对数并借助常数A和B，可得如下关系式：
L o g   ( ∑ j n V p j ( T 2 j ) 3 ) + L o g   A = - D L o g B - D L o g ( T 2 i )
公式（5）中：A= 1 36 π + ρ 3和B=3ρ
理论分形维数（D）介于2.0~3.0之间，分形维数数值越大（即越接近3.0）则表示分形在三维欧氏空间中越复杂，越小（即越接近2.0）则表示分形越简单［15， 29-31］。就致密气储层而言，分形维数越大则孔隙结构越复杂，分形维数越小则孔隙结构越简单。

3 结果

3.1　储层物性及孔隙类型

3.1.1　储层物性

长岭气田登娄库组砂岩物性测试最小孔隙度为2.74%，最大孔隙度为7.91%，平均孔隙度为4.11%，渗透率范围为（0.002~0.067）×10-3 μm2，平均为0.025×10-3 μm2（表1）。样品的储层孔隙度均小于10%，渗透率均小于0.1×10-3 μm2，因此，松辽盆地长岭气田登娄库组为致密气储层。
核磁共振可以深入了解流体状态和类型［32］。受毛管力和黏滞力约束，当孔隙半径小到一定程度时，流体将被束缚在孔隙中无法流动，这个孔径在T 2谱上会对应一个临界值即T 2截止值。当流体弛豫时间大于T 2截止值时，流体视为可动流体，反之为不可动流体（图2）。研究区样品的T 2截止值分布范围为16.55~31.39 ms；可动流体饱和度分布范围为9.71%~43.27%，平均为23.22%；束缚流体饱和度分布范围为56.73%~90.29%，平均为76.78%。

3.1.2　微观孔隙类型

长岭气田登娄库组致密气储层孔隙发育较差，多发育微小孔，主要有粒间孔、晶间微孔及粒内孔3种孔隙类型，裂缝不发育［23］。粒间孔主要以残余粒间孔为主［图3（a），图3（b）］，这是由于登娄库组埋藏深度大，成岩作用强，储层原生孔隙遭到极大的破坏［23］。粒内孔包括长石溶蚀孔，是由于颗粒间或颗粒内部经过溶蚀作用形成的孔洞，孔径一般为0.5~2 μm，连通性一般［图3（c），图3（d）］。黏土矿物晶间孔一般发育在绿泥石等黏土矿物之间，孔径小于0.1 μm，连通性差［图3（e），图3（f）］。
图3 登娄库组致密气储层储集空间类型

（a）残余粒间孔，CS105，3 521.65 m；（b）粒间孔，CS1-2，3 506.53 m；（c）长石溶孔，CS105，3 524.60 m；（d）长石溶孔，CS105，3 523.10 m；（e）晶间孔，CS1-2，3 507.70 m；（f）绿泥石黏土矿物晶间孔，CS1-2，3 506.53 m

Fig.3 Reservoir space types of tight sandstone reservoirs in Denglouku Formation

3.2　孔喉分布特征

恒速压汞实验测试显示：致密砂岩排驱压力为0.43~1.63 MPa，平均值为1.05 MPa；总进汞饱和度为25.75%~82.58%，平均值为51.82%；孔隙半径均值为117.86~420.02 μm，平均值为159.96 μm；平均喉道半径为0.33~1.81 μm，平均值为1.00 μm；最大连通喉道半径为0.451~1.053 μm，平均值为0.617 μm；孔喉比均值为25.00~367.80，平均值为217.96（表1）。
根据长岭气田登娄库组致密砂岩9块岩心样品的恒速压汞曲线形态特征，可将其分为2种类型（图4）。大孔细喉类型：随压力增加，孔隙空间被汞逐渐充满，孔隙进汞饱和度不再增加，孔隙毛细管压力曲线变得陡峭，而喉道毛细管压力曲线则与总毛细管压力曲线趋于一致，说明此类样品总进汞饱和度主要受控于孔隙［图4（a）］。小孔粗喉类型：喉道毛细管压力曲线更接近总毛细管压力曲线，孔隙进汞饱和度通常小于喉道进汞饱和度，说明此类样品总进汞饱和度主要受控于喉道［图4（b）］。
图4 登娄库组致密砂岩恒速压汞测试毛管压力

（a）大孔细喉类型，S8；（b）小孔粗喉类型，S4

Fig.4 Capillary pressure measurement of tight sandstone by mercury injection at constant rate in Denglouku Formation

3.3　核磁孔径分布

3.3.1　单峰或双峰T 2形态

核磁共振T 2谱反映了颗粒表面与孔隙流体的相互作用，饱和状态和离心状态下T 2谱分布的增量和累计是典型T 2谱的组成部分（图5）。核磁共振测试结果表明，长岭气田登娄库组9块致密砂岩样品的T 2分布呈2种典型分布：双峰分布，左峰高右峰低［图5（a）］；单峰分布［图5（b）］。双峰型分布是长岭气田登娄库组致密砂岩T 2谱分布的主要类型，主峰位于1~100 ms之间，峰值在8~10 ms之间达到最大值，次峰在100~1 000 ms之间且峰值低［图5（a）］。然而也有少量样品显示出单峰特征［图5（b）］，如样品S1只有一个主峰位于8~12 ms之间，累积孔隙度分布在200 ms左右达到最大值。
图5 登娄库组致密砂岩典型核磁共振T 2谱形态

（a）双峰形态，S7；（b）单峰形态，S1

Fig.5 Typical NMR T 2 spectra of tight sandstone in Denglouku Formation

3.3.2　核磁孔径分布

近年来随着核磁共振技术研究的深入，已有学者探索将其应用于致密砂岩孔径分布研究［14，28，33］。图6（a）是长岭气田登娄库组致密砂岩样品全孔径分布曲线，呈双峰形态，孔径分布相对集中，主要分布于100 nm以下，表现出较强的非均质性。储层储集空间主要可分为微小孔（孔径小于0.1 μm），中孔（孔径为0.1~0.5 μm）及宏孔（孔径为0.5~2 μm）［34］。根据铸体薄片和扫描电镜结果分析，微小孔主要对应晶间孔，尤其是黏土矿物晶间孔，连通性差［图3（d），图3（c）］，但是在岩石中大量发育，所占比例在65.55%~92.15%之间［图6（b）］；中孔主要对应长石溶蚀孔和黏土矿物晶间孔，所占比例介于7.36%~33.87%之间；大孔主要对应残余粒间孔和粒间溶蚀孔，该类孔隙为大孔—细喉型，对应较大孔喉，孔隙连通性好［图3（a），图3（b）］，但分布较少。
图6 登娄库组致密砂岩核磁孔径分布

（a）核磁全孔径分布曲线；（b）核磁孔喉分布频率统计

Fig.6 The full pore size distribution of tight sandstone in Denglouku Formation

3.4　分形特征

根据分形几何计算原理，采用公式（5）绘制了Log N（rj ）-Log（T 2）交会图（图7），分形模型的精度可以通过拟合直线的决定系数来评价，R2 值越高越表明可以充分利用分形模型进行分形维数的计算［35］。Log N（rj ）-Log（T 2）交会图直线拟合结果显示：决定系数均在0.94以上（表2）。分形维数可由公式（5）求得，即最佳拟合线斜率的绝对值。例如，图7（a）是S4样品分别在饱和状态及离心状态下T 2谱中Log N（rj ）-Log（T 2）曲线交会图，决定系数达到最佳时（R2 =0.95）斜率计算出的分形维数分别为2.239 9、2.318 9。S8样品中最佳拟合线的斜率计算出2.755 7（饱和状态）和2.831 3（离心状态）的分形维数［图7（b）］。
图7 登娄库组致密砂岩饱和和离心状态下分形特征曲线

（a）S4样品 （b）S8样品

Fig.7 Fractal characteristic curves of tight sandstone under saturated and centrifugal conditions in Denglouku Formation

表2 登娄库组致密砂岩饱和和离心状态下的分形维数统计

Table 2 Fractal dimension statistics of tight sandstone under saturated and centrifugal conditions in Denglouku Formation

样品编号 饱和状态 离心状态
分形拟合方程 R 2 D 1 分形拟合方程 R 2 D 2
S1 y =-2.401 8x－1.521 5 0.96 2.401 8 y =-2.355 1x－1.583 6 0.95 2.355 1
S2 y =-2.591 1x－1.353 5 0.96 2.591 1 y =-2.610 8x－1.417 6 0.96 2.610 8
S3 y =-2.283 6x－1.259 1 0.97 2.283 6 y =-2.363 5x－1.374 2 0.97 2.363 5
S4 y =-2.239 9x－1.453 7 0.95 2.239 9 y =-2.318 9x－1.533 1 0.95 2.318 9
S5 y =-2.714 7x－1.591 5 0.95 2.714 7 y =-2.803 5x－1.491 3 0.98 2.803 5
S6 y =-2.707 8x－1.321 4 0.95 2.707 8 y =-2.751 7x－1.322 2 0.95 2.751 7
S7 y =-2.584 1x－1.021 3 0.97 2.584 1 y =-2.709 1x－0.902 5 0.96 2.709 1
S8 y =-2.755 7x－1.221 0 0.95 2.755 7 y =-2.831 3x－1.190 2 0.95 2.831 3
S9 y =-2.584 4x－1.355 5 0.94 2.584 4 y =-2.604 4x－1.355 5 0.94 2.604 4
长岭气田登娄库组致密砂岩T 2谱在饱和状态下分形维数D 1介于2.239 9~2.755 7之间，平均值为2.540 3；离心状态下T 2谱分形维数D 2介于2.355 1~2.803 5，平均值为2.594 2（表2）。计算的分形维数在2~3的范围内，这与三维孔隙空间的分形维数一致［15］。表明长岭气田登娄库组致密气储层孔隙结构具有明显的分形特征。因此，通过该模型的分形分析，可以定量表征高度无序的孔隙系统，为孔隙组合的非均质性及孔隙结构的复杂性提供新的认识。

4 讨论

4.1　孔隙结构参数与可动流体关系

4.1.1　宏观物性参数对可动流体的影响

可动流体饱和度与孔隙度和渗透率的交会图显示，较高可动流体饱和度值通常与高孔隙度、高渗透率相关（图8），表明致密气储层流体的流动性受孔隙系统的大小及连通性双重控制。然而，交会图显示可动流体饱和度与渗透率相关性更强烈（R 2=0.730 6），表明决定流体流动性的不是孔隙系统的大小，而是孔隙之间连通性。
图8 登娄库组致密砂岩可动流体饱和度与储层物性交会特征

（a）可动流体饱和度与孔隙度；（b）可动流体饱和度与渗透率

Fig.8 Crossplot of movable fluid saturation and reservoir physical property of tight sandstone in Denglouku Formation

4.1.2　孔隙类型对可动流体的影响

粒间孔、次生孔隙的发育以及微裂缝等因素对储层可动流体均有较强的控制作用。粒间孔是颗粒间相互支撑形成的连续空间，研究区粒间孔隙连通性好［图9（a），图3（a）］，有助于致密砂岩流体流动性［36］。颗粒（白云石和长石）溶蚀孔和晶间孔通常呈不规则状和锯齿状，与喉道连通的有效孔隙数少［图3（e），图9（b）］，导致可动流体值适中［9，36］。绿泥石等黏土矿物微孔主要呈孤立状分布，连通性差［图9（c）］，可动流体值最低。核磁共振T 2谱左峰（T 2<100 ms）对应的一般是微小孔隙域（颗粒内孔隙、晶间孔隙），右峰（T 2>100 ms）对应的是包括微裂缝在内的中大孔隙域（粒间孔）［37］。因此，核磁共振T 2谱右峰分布越宽（T 2>100 ms）通常具有较高的可动流体（图2，表1）。
图9 登娄库组致密气储层孔隙结构扫描电镜特征

（a）残余粒间孔，CS105，3 501.7 m；（b）长石溶孔，LS1，2 574.4 m；（c）绿泥石黏土矿物晶间孔，CS105，3 505.5 m

Fig.9 SEM characteristics of pore structure of tight sandstone reservoir in Denglouku Formation

4.1.3　孔喉大小参数对可动流体的影响

表征孔喉大小的参数选取平均孔隙半径、平均喉道半径、孔喉比和最大连通喉道半径。研究区样品平均孔隙半径、平均喉道半径分布范围较广，但均值较小（表1），随着平均孔隙半径和平均孔隙半径的增大，可动流体饱和度没有明显的规律性变化，其与可动流体饱和度呈现较弱的相关性［图10（a），图10（b）］，表明致密砂岩的平均孔隙半径、平均喉道半径的增大能够改善可动流体，令可动流体孔隙度稍微增加，但不是影响流体流动的主要因素。与平均孔隙半径、平均喉道半径相比，可动流体饱和度与最大连通喉道半径的相关性要更好［图10（c）］。随着最大连通喉道半径的增加，可动流体及储层物性变好（表1）。但由于致密气储层受非均质性影响，内部孔喉配置关系复杂［图10（d）］，最大连通喉道半径成为制约其内可动流体饱和度大小的主要因素。
图10 登娄库组致密砂岩可动流体饱和度与孔喉大小交会特征

（a）可动流体饱和度与平均孔隙半径；（b）可动流体饱和度与平均喉道半径；（c）可动流体饱和度与最大连通喉道半径；（d）可动流体饱和度与孔喉比

Fig.10 Crossplot of movable fluid saturation and pore-throat size of tight sandstone in Denglouku Formation

4.2　分形维数与储层参数的关系

从核磁共振孔径分布以及孔喉配置关系来看，长岭气田登娄库组致密砂岩呈现出复杂的孔隙系统。需要进一步用分形维数表征致密气孔隙结构的复杂性，以明确分形维数对储层整体性质表征的准确性。

4.2.1　饱和状态和离心状态的分形行为

饱和状态T 2谱和离心状态T 2谱的分形维数都在2.2~2.9范围内（表2），意味着致密气储层具有复杂的孔喉组合。图11是饱和状态下计算的T 2谱分形维数D 1与离心状态下的D 2交会图，离心状态T 2谱的分形维数D 2普遍高于饱和状态D 1，说明离心状态T 2谱孔隙结构比饱和状态更加复杂。离心状态下T 2谱更多地表征微小孔隙域孔隙结构［38］，而这些微小孔隙实际上对孔隙结构的分形维数影响最大。因此，微小孔隙域决定了致密气储层微观复杂性。
图11 登娄库组致密砂岩饱和和离心状态下分形维数交会特征

Fig. 11 Crossplot of fractal dimension of tight sandstone under saturated and centrifugal conditions in Denglouku Formation

4.2.2　分形维数与储层物性关系

长岭气田登娄库组致密气储层孔隙度、渗透率与饱和状态分形维数之间的回归分析表明，饱和状态下的分形维数与储层孔隙度、渗透率都呈线性负相关关系（图12），说明岩石的孔隙结构复杂性及非均质性直接影响到岩石的储集特性和渗流特性。分形维数越小，意味着相互连通的较大孔隙发育，并且会降低比表面积和减少孔隙分布的复杂性。
图12 登娄库组致密气储层物性与分形维数交会（饱和状态）特征

（a）分形维数与孔隙度；（b）分形维数与渗透率

Fig.12 Crossplot of physical property and fractal dimension of tight gas reservoir in Denglouku Formation（saturated）

4.2.3　分形维数与核磁共振参数关系

通过对长岭气田致密砂岩可动流体饱和度与离心和饱和状态分形维数对比分析，发现可动流体饱和度值都与分形维数呈线性弱负相关［图13（a）］，可动流体饱和度值越高，分形维数越小，说明岩石可动流体越大，岩石内部孔隙空间越大且连通性越好（图10），非均质性越弱，孔隙结构越简单。然而饱和状态的分形维数与可动流体饱和度值之间相关性比离心状态要好（R2 =0.352 2），也说明了以中大孔隙域为主的可动流体可能是降低孔隙结构复杂性的主要因素，在很大程度上控制了致密气储层品质（图8）。T 2截止值是核磁共振测试中一个非常重要的参数，它决定了可动流体参数的大小［28］。决定系数R2 >0.6的线性趋势线支持T 2截止值与分形维数之间的强负相关关系［图13（b）］。说明T 2截止值分布范围决定了长岭气田登娄库组致密气储层孔隙结构复杂性，T 2截止值越大，孔隙结构越简单。
图13 登娄库组致密砂岩孔隙结构参数与分形维数交会特征

（a）可动流体饱和度与分形维数；（b）T 2截止值与分形维数

Fig.13 Crossplot of pore structure parameters and fractal dimension of tight sandstone in Denglouku Formation

4.3　致密砂岩气储层分类评价

储层分类的主要工作是对储层的储集空间及渗流能力进行评价，孔隙度与渗透率是砂岩孔隙系统的综合反映［39］，而可动流体饱和度是表征致密储层原有含油、含气饱和度最直接的指标。通过对松辽盆地南部长岭气田CS129井登娄库组9块代表性致密砂岩样品开展核磁共振、恒速压汞测试，在核磁共振T 2谱分形分析的基础上，综合储层的储集能力和流体的赋存特征，结合孔隙类型和最大连通喉道半径等微观参数，将储层划分为3种类型（表3）。
表3 登娄库组致密气储层分类评价标准

Table 3 Classification and evaluation criteria of tight sandstone gas in Denglouku Formation

评价参数 孔隙度/%

渗透率

/（10-3 μm2）

 可动流体饱和度/% 孔隙类型 最大连通喉道半径/μm 分形维数 代表样品
D 1 D 2
Ⅰ 类 >6 >0.05 >35 残余粒间孔、粒间溶孔 >0.8 2.20~2.30 2.30~2.40 S3、S4
Ⅱ 类 3~6 0.01~0.05 10~35 粒间溶孔、粒内溶孔 0.4~0.8 2.50~2.70 2.50~2.80 S2、S5、S6、S7、S9
Ⅲ 类 2~4 <0.01 <10 黏土矿物晶间孔 <0.5 2.40~2.65 2.35~2.85 S1，S8
Ⅰ类储层在长岭气田登娄库组发育较少。此类储层孔隙度下限为6%，渗透率下限为0.05×10-3 μm2，可动流体饱和度下限为35%（表3）。孔隙类型以残余粒间孔和次生溶蚀孔为主，孔隙大小以微小孔及中孔较为发育，所占比例分别为65.56%~88.75%和10.19%~33.87%。恒速压汞曲线形态多为小孔粗喉类型，最大连通喉道半径下限为0.8 μm，连通性较好。核磁共振T 2谱主要表现为双峰右偏形态或单峰较宽（1~1 000 ms）［图7（a）］，无论是离心状态的分形维数D 2还是饱和状态的D 1都相对较低，此类孔隙结构相对简单，为优质储层。
Ⅱ类储层是研究区主要的储层发育类型。该类型孔隙度一般位于3%~6%之间，渗透率位于（0.01~0.05）×10-3 μm2之间，可动流体含量通常相对低于Ⅰ类为10%~35%。孔隙类型以粒间溶孔、长石溶蚀孔为主，孔隙大小以微小孔为主。核磁共振T 2谱分布通常表现为双峰右偏形态或单峰较窄（1~500 ms）［图5（a）］。饱和状态下计算得到的分形维数高达2.714 7，表明孔隙结构相对复杂，为一般储层。
Ⅲ类储层为较差储层。该类型孔隙度与Ⅱ型变化不大，多为2%~4%，但渗透率较低（<0.005×10-3 μm2），喉道相对较细［图4（a）］，孔隙之间的连通性相对较差，可动流体含量最低（<10%）。储集空间小且连通性差，最大连通喉道半径小于0.5 μm。T 2谱多以单峰分布且范围比较窄（1~100 ms），饱和状态和离心状态下测得的核磁共振孔隙度累计曲线没有明显的差距［图5（b），图7（b）］。计算得到的分形维数高（表3），孔隙结构较复杂，为差储层。

5 结论

（1）松辽盆地长岭气田登娄库组砂岩最小孔隙度为2.74%，最大孔隙度为7.91%，渗透率范围为（0.002~0.067）×10-3
μm2，属于典型的低孔、超低渗透砂岩储层。孔隙系统包括残余粒间孔、粒内溶孔、黏土矿物晶间孔。孔喉结构主要有2种类型：大孔细喉、小孔粗喉。核磁共振T 2谱有双峰分布和单峰分布2种类型，单峰T 2谱反映了均匀的微小孔隙域，微小孔隙域和中大孔隙域共存导致了双峰T 2谱，孔隙结构具有明显的分形特征。
（2）结合核磁共振实验结果，将孔隙结构参数与可动流体饱和度影响关系进行了分析，决定流体流动性的不是孔隙系统的大小，而是孔隙之间连通性，其中最大连通喉道半径才是制约其大小的主要原因。离心状态T 2谱计算的分形维数D 2（2.355 1~2.803 5）要高于饱和状态D 1（2.239 9~2.755 7），微小孔隙域决定了致密气储层微观复杂性，中大孔隙域控制了储层品质。
（3）综合致密气储层储集能力和流体的赋存特征，结合孔隙类型和最大连通喉道半径等微观参数，将长岭气田登娄库组致密气储层划分为3种类型。I型T 2谱主要表现为双峰右偏形态或单峰较宽（1~1 000 ms）孔隙分布均匀，分形维数最低，为优质储层。II型T 2谱通常表现为双峰右偏形态或单峰较窄（1~500 ms），分形维数高，为一般储层。III型T 2谱以单峰分布且范围比较窄（1~100 ms），为差储层。

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