砂岩、致密砂岩和页岩中的孔喉大小.doc

2010年1月25日 13砂岩、致密砂岩和页岩中的孔喉大小Philip H. 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2 m，致密含气砂岩介于2至0.03m之间，而页岩则介于0.1至0.005m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100（0.01m）变化到甲烷的3.8（0.00038m）。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30m（宏观孔隙或大孔隙）、孔喉大小超过10m。“微观孔隙”这一概念适用于孔隙小于10m，而“微观孔喉”则是应用于孔喉小于1m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，1m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1m、渗透率为11.2d，而如果孔喉大小为0.1m，渗透率则是0.112d。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1 md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。图的水平轴延展超过7个数量级，从10-4 m(1 ) 到103 m(1mm)。（数量级是不可靠的；1 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0.49m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0.0035m所对应的压汞压力达60000 psi。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。图1 27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）p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。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，Greater Green River 盆地，怀俄明怀俄明州Greater Green River 盆地Jonah油田上白垩统Lance组低渗透砂岩8000-12,000 ft (2438-3657 m)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3-338d，孔隙度为4.6%-10.4%，孔喉大小在临界进入压力处为0.89m，在35%汞饱和处为0.41m，而在50%汞饱和处则为0.17m（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12，00018，000 ft (36575486 m)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、1.0 m，在图2中由四组菱形表示，两种非储集岩类型（0.010m和0.024m）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0.3500d和114%，两类非储集岩品质的渗透率和孔隙度分别为0.0320 d 和18%。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（m）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3 9.000 23.000 16.667 HgCET14 25.5 md 6560细粒砂岩，不同类别，全球12 4.000 30.000 15.500 HgCET18.1 19.6 md 6560极细粒砂岩，不同类别，全球6 8.000 13.000 9.667 HgCET24.2 109.7 md6560粗粒粉砂岩，不同类别，全球6 4.000 7.000 5.667 HgCET26.3 22.3 md6560上白垩统Lance组，Greater Green River盆地7 0.362 2.520 0.895 HgCET7.5 17.7 d8713上侏罗统Bossier层，East Texas盆地，储集岩9 0.094 1.000 HgCMO7.5 12.2 d 12，000上侏罗统Bossier层，East Texas盆地，非储集岩4 0.010 0.024 HgCMO4.50.25 d 12，000上白垩统Mesaverde组，Piceance盆地44 0.040 0.180 gasTCO72.1 d 6513下白垩统Travis Peak组，East Texas 盆地13 0.044 0.220 0.118 gasTCO4.91.5d 9347宾夕法尼亚系页岩，Anadarko盆地21 0.020 0.116 0.050 HgCET 12，354上新统页岩，Beaufort-Mackenzie盆地20 0.009 0.044 0.023 HgCGM7.58885烃源岩，不同类别，美国5 0.005 0.020 0.012 VSME泥盆系页岩，Appalachian盆地，缺乏有机质6 0.007 0.008 0.008 HgCME7.2 1.4 d Outcrop泥盆系页岩，Appalachian盆地，富含有机质6 0.019 0.024 0.022 HgCME3.65.1 ndOutcrop侏罗系和白垩系页岩，Scotian陆架100.0090.0160.012HgCGM4.91.9 nd16，800* 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。图2 在跨越7个数量级的对数比例尺中展示出来的分子大小和硅质碎屑岩中孔喉的大小。测量方法如图顶所示，图的右下方展示了测量固体颗粒所用的比例尺。符号表示四个砂岩、四个致密砂岩和五个页岩的孔喉大小。粘土矿物间距、钻石形的、三种油样、水分子直径、汞和三种气体同样展示出来。数据来源及每种样品系的测量方法见文中讨论。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%-11%，渗透率为0.5-9d。在相对湿度炉中干燥后，在纯封闭压力下的一个稳态仪中测定了气体渗透率，缝宽可以通过Randolph等人(1984)描述的方法计算。所有岩心样品的特征宽度为0.04-0.18m，这样就建立起了如图2所示的变化范围。3.5 下白垩统Travis Peak 组，东得克萨斯后续研究中，Soeder和Randolph (1987)、Soeder和Chowdiah (1990)使用同样的装置测定了取自东得克萨斯下白垩统Travis Peak组的一口井（钻井深度82509932 ft(25143027 m)）的13块三角洲砂岩样品的储集和流动特征。孔隙度为3.0%-6.3%，渗透率为0.09-16.5d，由气流（下文称之为w-气）确定的孔隙宽度为0.044-0.22m（图2）。同样，13块样品的孔隙宽度也可以由压汞（w-Hg）确定。尽管13块样品中10块的压汞大体上要比气流大（约大30%），而且压汞的中值要比气流的中值高1.15，但压汞分布比气流分布要广泛。由于侵入流体和计算模型不同，数值的差异并不令人意外。图2只展示了气流的分布。3.6 宾夕法尼亚页岩，Anadarko盆地，俄克拉何马Cranganu和Villa (2006) 列表指出了遍布Anadarko盆地数口井中5760-18,950 ft (1756-5776 m) 深度范围内21块页岩和砂质页岩的压汞测量值。孔喉大小通过将压汞曲线平直段外推至0汞饱和度处而得到的注入压力来确定，因此，这些数值是临界值或初始连通值。21块样品（图2展示了每一个数值）孔喉直径的最小值、算术平均值和最大值分别为0.020、0.050和0.116m。这些样品的孔隙度和渗透率数值并未列出。3.7 Pliocene页岩，Beaufort-Mackenzie盆地，加拿大Katsube和Issler (1993)通过压汞法确定了正在沉降的晚第三纪Beaufort- Mackenzie盆地钻井页岩样品的孔喉分布。他们观测到从1km（0.6mi）到大约2km（1.2mi）深处，页岩孔隙度和孔喉大小的几何平均值持续降低，而超过2km（1.2mi）后则保持恒定。取自2km（1.2mi）深度以下的20块样品，孔隙度介于5.1%与12.6%之间，孔喉大小的几何平均值介于0.009m至0.044m之间，其中有9个值集中在0.020m附近。渗透率没有测定。3.8 烃源岩，美国引用2个来源，Hunt（1996，其表8-2）列表展示了美国五块页岩烃源岩的孔隙直径中值和孔隙度：Bakken：0.005 m，4.3%；Cherokee：0.007 m，5.2%；Monterey，0.010 m，8.5%；Monterey，0.016 m，12.7%；墨西哥湾第三系（Tertiary Gulf Coast），0.020 m，15%。孔隙直径是由压汞或小角度中子散射确定的。五块样品的孔隙直径中值标绘到图2。其中两套地层（Bakken和Monterey）含有能产油气的储集层。3.9 泥盆系页岩，Appalachian盆地Lash (2006) 和 Lash与 Blood (2006)测定了纽约西部Appalachian盆地四块泥盆系页岩的物性。两块富含有机质（总有机碳（TOC）含量大于2.3%）页岩的孔隙直径、孔隙度和渗透率分别是：Dunkirk，0.007 m，3.2%，0.0026 d； Rhinestreet，0.008 m，3.9%，0.01 d。两块TOC含量低于0.9%的贫有机质页岩孔隙直径、孔隙度和渗透率值分别为：Hanover，0.024 m，6.0%，2.0 d； Cashaqua，0.019 m，8.5%，1.0 d。这些数值代表了由压汞确定的、每种页岩中三块样品的中值或平均值。贫有机质页岩的渗透率比富含有机质页岩高出近100倍。富含有机质页岩的低渗透率和小孔喉是由强烈的定向性显微组构、缺乏生物扰动及塑性有机质被挤压形成无效孔隙造成的。3.10 侏罗系和白垩系页岩，Scotian陆架，加拿大Katsube等(1991)通过压汞，分析了来自3口井15,300至18,300 ft (4663 至 5578 m)深度段的样品。孔隙度介于1.5%至8.4%之间。通过脉冲-衰减法，在原地有效应力下对两块样品测定的渗透率为0.8nd和4.2 nd。孔喉大小分布的几何平均值（介于0.008至0.016之间）如图2所示。半数样品几乎没有超过0.1m大小的孔喉，另一半样品只有小部分的孔隙大小超过1.0m。10块样品中的3块也被用作压实度试验，从中测定了渗透率和电阻率。由这些测量值计算出的孔喉大小与通过压汞确定的孔喉大小(Bowers和Katsube，2002)相当或者较大。4 粘土矿物间距，纳米结构和分子大小在某种尺度下的一个多孔介质中，固体-流体相互作用将干扰流体-流体相互作用。在这种尺度下（此处采用纳米和埃作为单位进行讨论），流体不能根据其宏观特性（如黏度）加以表征，达西定律也不再适用。流动特征的表征效果从令人满意到不够满意的转化发生在孔隙大小在10nm或者更小的数量级上；例如，蒙脱石-水系统的实验室研究表明扰动水膜厚度至少外延到粘土表面3.5nm之外，并且至少，水的结构明显异于硅酸盐表面边缘三个分子层（约1.0m）处正常水的结构(Mitchell 和 Soga，2005)。复合分子位置和相互作用的计算机模型可用来了解流体在小于10nm孔隙中的流动情况(Cushman，1997)。页岩中尤其是烃源岩中，孔隙网络的某些部分很可能存在一种非达西定律的作用机制。因此，用于称赞孔喉大小谱的后续矿物和流体大小值不能用毛细管力和流动的相关概念（用于更大尺度）来解释。粘土矿物中的最基本间距是重复结构之间的距离或者是单元细胞的大小，而且是一个对本文而言非常合理的矿物学参数。高岭石、伊利石和绿泥石的基本间距分别为7.1、10.0、14.3 。垮塌蒙脱石的基本间距为9.6 ，具有两层结合水的常规形式的基本间距为15.5 （Deer等，1996）。图2中展示了7.115.5 (0.711.55 nm)的范围。这些数值代表水合层之间或可交换阳离子之间的距离。从石油中可以分离出一种烃类，该烃类具有“钻石形”的笼状晶体结构（Dahl等，2003）。该钻石形下部尺寸（有一至三个笼形单元）小于1nm；具有四个笼形单元的钻石形高部位尺寸为1-2nm（Dahl等，2003）。纳米矿物（特别是铁和锌的氧化物和硫化物）已经在实验室和自然环境中识别出来，其尺寸从0.7nm向上变化，这些纳米矿物是这次研究的对象(Hochella等，2008)。近似地，图2展示了石油地球科学家感兴趣的气体和液体分子的有效直径(Tissot和Welte，1978；Hunt，1996)。Tissot和Welte列出的氦的直径（通常用来测量孔隙度）为2.0或者0.2nm。通过对比，氦气的范德华直径是2.8或者0.28nm（Bondi，1964）。范德华直径与体积有关，在修正有限原子大小的理想气体定律时必须考虑在内。氮气分子（N2）的有效分子直径是3.4；水，3.2 ；复杂环状结构，1030 ；而沥青分子，50-100 (Tissot和Welte，1978，表III.2.1)。对于链烷烃，宽-高复合值从正构链烷烃的4.5 至支链烷烃的7.5 (Jimenez- Cruz和Laredo，2004)。两种方法确定的汞直径为3.1 和3.3 (Bondi，1964)；3.1 （0.31nm）的数值标绘在图2中。5 渗透率作为孔喉大小的一种测量法图2中的孔隙大小比例如何关联到渗透率上？渗透率是长度平方的函数，不同作者指出渗透率与孔喉大小的平方乘上孔隙度因子成比例(Nelson 和 Batzle， 2006)。Katz 和 Thompson (1986)推导出的关系式可以写成k4.48d22 （1）其中，k是渗透率，单位毫达西；d是孔隙大小，单位微米，对应于通过毛细管压力曲线拐点处测量的、汞刚形成持续轨迹通过样品时的压力；是相对孔隙度。举例而言，来自几块致密含气砂岩样品的数据其渗透率跨越六个数量级，孔隙度从2变化到18%不等（图3A）。这些数据由公式1换算出来并在图3B中以孔隙大小（直径）与孔隙度关系的形式表示出来。图3比例尺的建立是为实现孔隙大小变化一个数量级、对应渗透率变化2个数量级的目的。如果渗透率仅与孔喉大小的平方成比例，那么图3A和B中的数据点集将具有相同的水平分布范围。但是，因为孔隙度在渗透率高的地方高、在渗透率低的地方低，所以公式1中的孔隙度项造成了图3B所示由公式1计算的孔喉大小分布范围小于图3A中所示渗透率分布范围的情况。（渗透率k很小时，孔隙度平方2也很小，所以低值端d22被2进一步减小；渗透率k很大时，孔隙度平方2相对较大，所以高值端d22被2减小的程度较缓。k的极小值变小的程度（退100步）比极大值变小的程度（退50步）小，因而分布范围变大（增大了50步）译者注。研究由空心圈表示的四块样品。图3A中渗透率为10d、孔隙度为4.8%的样品换算到图3B中孔隙大小为1m；1.1md、9.2%的样品换算到图3B中孔隙大小为5.4m，这两块样品位图3 （A）东得克萨斯Travis Peak组河道砂岩的渗透率和孔隙度数据（据Luffel等，1991）。纵轴为压缩孔隙度比例尺，从0至20%。（B）由A板数据、利用Katz和Thompson（1986）公式计算的孔喉大小。四个用空心圆圈代表的数据点说明了从渗透率和孔隙度向孔喉大小和孔隙度的转换。（C）使用Winland方程所提算法、从A板数据计算得到的孔喉大小，其中孔喉大小对应于35%汞饱和时的压力。于向内迁移的渗透率分布的两端。该例表明渗透率起到一个不完全长度比例尺的作用，因为在孔喉大小和流动速度之间存在非单值对应关系；同时表明渗透率和孔喉大小之间的等价性依赖于把它们与样品孔隙度联系在一起的算法。Katz和Thompson（1986）在公式1中选取的孔喉大小d相当于孔喉大小分布的高值端，并对应于压汞压力和汞饱和压力的低值。由于选取了孔喉大小分布（例如35%汞饱和）上一个不同的点来表征孔喉大小（图3C），渗透率和孔喉大小之间的其它关系异于公式1。由于用汞饱和高值（高注入压力）来表征孔喉大小，因此图3A中的点集在图3C中向小孔喉方向偏移。渗透率-孔喉转换的选择提出了与只有单一孔喉值（临界值、众数、中值或平均值）的压汞数据相同的问题，即，应该用样品孔喉大小谱的哪个部分来描述该样品？图3B所选换算相当于由临界注入压力确定孔喉大小，而图3C所展现的转换更加接近孔喉大小分布的中点。6 围压敏感性Morrow (1985)、Brower和Morrow (1985)、Kilmer等人 (1987)都曾指出缝孔（或称为片孔）的重要性。这些研究利用孔隙铸模来展示片孔的存在、记录了渗透率和孔宽对于围限应力的敏感性，使用了气流试验来推导平均裂缝密度。缝孔由蜂巢状的结构组成，并且作为相邻颗粒平面的边界。其高粗糙度造成了缝宽随着围压的变化而发生剧烈变化。例如，20块具微达西渗透率、孔隙度3%-7%、并且高碳酸盐胶结的一套样品，它们在500psi和5000psi围压下的孔隙宽度分别为0.23 m和0.080 m (Morrow，1985，表17)。在同样的两个围压下，渗透率几何平均值从10d下降到0.6d。在研究Frontier、Mesaverde和Travis Peak组致密含气砂岩基础上，Soeder和 Chowdiah (1990)总