低渗透储层由于受沉积、成岩、构造等复杂地质因素的综合影响表现出独特的微观孔喉结构^[1]。其微观孔喉结构直接影响着储层的渗流能力，控制着油气运移和油藏分布规律，因此微观孔喉结构研究是低渗透储层高效开发的关键^[2]。恒速压汞技术作为目前用于储层微观孔喉结构特征分析最先进的技术，在低渗透储层孔喉结构研究中得到了广泛应用^[3-5]。

鄂尔多斯盆地是中国第二大含油气盆地，油气资源丰富，开发潜力巨大，是油气探勘与开发的重要战略地之一。陇东地区储层受独特的微观孔喉结构特征影响，油气的开发效果受到了制约，其中华池—合水地区低渗透储层由于物性差、非均质性严重，油气开发效果受到的影响格外明显^[6-7]。国内许多学者应用恒速压汞技术对鄂尔多斯盆地上三叠统的微观孔喉结构特征进行了研究，研究层位主要为上三叠统长6—长8油层组^[8-10]，研究内容主要为孔隙特征、喉道特征、孔喉比特征等3个方面^[11-13]，然而对长3油层组研究较少^[14]，且未对微观孔喉结构的成因进行进一步探讨。基于此，笔者综合运用镜下薄片鉴定、扫描电镜分析、高压压汞技术及恒速压汞技术对鄂尔多斯盆地华池—合水地区长3₁低渗透砂岩储层孔隙、喉道特征进行研究，并进一步分析储层微观孔喉结构差异的成因，以期从本质上了解制约低渗砂岩储层物性的主要因素，并指导制定合理开发方案。

华池—合水地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡西南部（图 1）。其延长组是一套内陆坳陷湖盆碎屑沉积，生储盖条件良好，油气资源潜力巨大^[15]，长3油层组是近年来该区油藏评价的重要新层系，其中长3₁是长3油层组内的重点砂组。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 鄂尔多斯盆地华池—合水地区位置图 Fig. 1 Location of Huachi-Heshui area in Ordos Basin

华池—合水地区长3₁储层为三角洲前缘沉积、半深湖—深湖沉积^[16-17]，水下分流河道微相发育，整体以北东向物源为主^[18]，具有近物源和快速沉积的特征，岩石类型主要为长石质岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩，分选和磨圆度均较差，成分成熟度和结构成熟度均较低，孔隙以粒间孔、溶孔为主。储层孔隙度为10%~18%，平均为13.35%；渗透率为0.1~10.0 mD，主峰为0.3~1.0 mD，部分较高渗透率样品可能由于裂缝发育所致，平均为6 mD，为典型的低渗砂岩储层^[19]。

对鄂尔多斯盆地华池—合水地区长3₁储层44块样品进行高压压汞实验，根据实验结果，发现研究区存在3类典型毛管压力曲线（以样品a，b与c为例）：A类呈明显的双阶梯形，排驱压力最低，孔喉发育程度好、孔喉半径较大；B类具有平缓的斜坡段，排驱压力适中，孔喉发育程度适中，孔喉半径适中；C类与B类曲线形态相近，但C类其排驱压力最高，孔喉发育程度最差，孔喉半径较小（图 2）。对3个代表性样品的实验数据（表 1）进行分析，从图 3可以看出，样品a与b的孔喉半径分布曲线均呈现单峰特征且分布范围广，其中样品a的孔喉半径峰值最大，样品c的孔喉半径分布曲线呈现双峰特征且分布范围窄，说明样品a的孔喉半径最大，样品c的孔喉半径小、分布集中，从而导致了样品a，b与c的孔隙度依次减小。3个样品渗透率贡献曲线都呈现单峰特征且样品a，b与c的峰值孔喉半径依次减小，其中样品c渗透率贡献峰值与较大孔喉进汞量分布峰值更为接近，说明小孔喉基本没有贡献，对渗透率起主要作用的是相对较大的孔喉，可见渗透率受大孔喉发育程度的控制，由于样品a中大孔喉更为发育，因此样品a的渗透率最大，样品b的渗透率次之，样品c的渗透率最小，然而由于高压压汞实验方法的局限性，并不能准确地区分孔隙、喉道，因此笔者为进一步探究研究区储层孔喉结构特征开展了恒速压汞实验研究。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 华池—合水地区长31储层高压压汞毛管压力曲线 Fig. 2 High pressure mercury capillary pressure curves of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

表 1(Table 1)

表 1 华池—合水地区长31储层高压压汞实验结果统计 Table 1 High pressure mercury experiment results of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area 类型 样号 井名 深度/m 孔隙度/% 渗透率/mD 排驱压力/MPa 孔喉半径/μm 分选系数 A a 西11 1 634.49 13.8 2.210 0.1 1.57 0.23 B b 山152 1 864.55 13.2 1.657 0.5 0.46 0.19 C c 塔32 1 555.35 7.1 0.626 1.0 0.12 0.16

下载CSV 表 1 华池—合水地区长31储层高压压汞实验结果统计 Table 1 High pressure mercury experiment results of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 华池—合水地区长31储层孔喉半径分布及渗透率贡献率 Fig. 3 Pore throat radius distribution and permeability contribution rate of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

在铸体薄片、扫描电镜及高压压汞研究的基础上，选取华池—合水地区延长组长3₁储层的5个样品进行恒速压汞实验。本次研究采用美国ASPE- 730型恒速压汞实验仪，实验温度恒定为21 ℃。依据物性、曲线形态、孔喉半径、进汞饱和度和排驱压力等特征，将其孔喉结构分为：Ⅰ类大孔中细喉、Ⅱ类大孔细喉和Ⅲ类大孔微细喉（图 4），其中孔隙、喉道半径研究采用王道富^[20]的分级标准（表 2）。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 华池—合水地区长31储层恒速压汞毛管压力曲线 Fig. 4 Constant-rate mercury injection capillary pressure curves of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

表 2(Table 2)

表 2 鄂尔多斯盆地延长组孔隙、喉道分级标准[20] Table 2 Grading standards of pore and throat of Yanchang Formation in Ordos Basin 孔隙分级 平均孔径/μm 喉道分级 平均喉径/μm 大孔隙 > 100 粗喉道 > 3.0 中孔隙 100~50 中细喉道 3.0~1.0 小孔隙 50~10 细喉道 1.0~0.5 细孔隙 10~0.5 微细喉道 0.5~0.2 微孔隙 < 0.5 微喉道 < 0.2

下载CSV 表 2 鄂尔多斯盆地延长组孔隙、喉道分级标准[20] Table 2 Grading standards of pore and throat of Yanchang Formation in Ordos Basin

（1）Ⅰ类大孔中细喉储层。该类储层平均孔隙度为15.35%，平均渗透率为2.40 mD，孔隙半径平均值为129.73 μm，喉道半径平均值为1.67 μm，孔喉半径比平均值为116.89（表 3）。该类储层排驱压力最低，平均总进汞饱和度为79.28%，平均孔隙进汞饱和度为46.59%，平均喉道进汞饱和度为32.69%，喉道贡献值为41.23%。该类储层孔喉发育程度好，储渗能力强。

表 3(Table 3)

表 3 华池—合水地区长31储层恒速压汞实验结果 Table 3 Rate-controlled mercury injection experiment results of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area 样品编号 井名 深度/m 孔隙度/% 渗透率/ mD 主流喉道半径/μm 平均喉道半径/μm 平均孔隙半径/μm 平均孔喉半径比 总进汞饱和度/% 喉道进汞饱和度/% 孔隙进汞饱和度/% 排驱压力/atm 储层类型 1 西11 1 633.50 14.30 2.72 2.92 2.21 130.99 93.39 83.30 35.58 47.72 1.08 Ⅰ类大孔中细喉 2 白453 1 637.67 16.40 2.07 1.35 1.12 128.46 140.39 75.25 29.80 45.45 3.43 3 白456 1 785.28 12.30 1.36 0.94 0.76 130.18 200.08 70.24 31.13 39.11 6.64 Ⅱ类大孔细喉 4 宁53 1 424.75 11.30 0.87 0.54 0.45 120.83 292.89 52.82 26.22 26.60 8.74 Ⅲ类大孔微细喉 5 塔32 1 550.37 10.00 0.52 0.41 0.39 127.06 341.66 49.20 24.96 24.24 12.94

下载CSV 表 3 华池—合水地区长31储层恒速压汞实验结果 Table 3 Rate-controlled mercury injection experiment results of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

（2）Ⅱ类大孔细喉储层。该类储层平均孔隙度为12.30%，平均渗透率为1.36 mD，孔隙半径平均值为130.18 μm，喉道半径平均值为0.76 μm，孔喉半径比平均值为200.08（表 3）。该类储层排驱压力中等，平均总进汞饱和度为70.24%，平均孔隙进汞饱和度为39.11%，平均喉道进汞饱和度为31.13%，喉道贡献值约为44.32%，该类储层孔喉发育程度较好，储渗能力较强。

（3）Ⅲ类大孔微细喉储层。该类储层平均孔隙度为10.65%，平均渗透率为0.70 mD，孔隙半径平均值为123.95 μm，喉道半径平均值为0.42 μm，孔喉半径比平均值为317.28（表 3）。该类储层毛管压力曲线靠右上方，排驱压力高，进汞饱和度低，平均总进汞饱和度为51.01%，平均孔隙进汞饱和度为25.42%，平均喉道进汞饱和度为25.59%，喉道贡献值为50.16%，该类储层孔喉发育程度较低，储渗能力弱。

3类储层中，Ⅰ类大孔中细喉储层物性最好，孔喉发育程度最好，其次是Ⅱ类大孔细喉储层，Ⅲ类大孔微细喉储层物性最差。3类储层的孔隙半径相差不大，差别主要体现在喉道的发育程度上。Ⅲ类大孔微细喉储层的喉道半径最小，小喉道控制了较大的孔隙导致总进汞饱和度低，且喉道贡献值高。Ⅰ类大孔中细喉储层的喉道半径最大，喉道的发育程度最好，改善了孔喉配置关系，使得进汞饱和度明显增加。

根据恒速压汞实验结果，鄂尔多斯盆地华池—合水地区样品的孔隙半径主要为80~270 μm，峰值频率为18.44%~19.30%，对应的峰值半径为100~110 μm。可见，不同孔喉结构的储层，孔隙半径都具有接近正态分布的特征且峰值基本接近，样品孔隙半径累积频率分布曲线形态无明显的差异，孔隙分选差异极小（图 5）。因此，孔隙与储层孔喉结构差异无关。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 华池—合水地区东部长31储层孔隙半径特征 Fig. 5 Pore radius characteristics of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

对研究区孔隙参数（平均孔隙半径、单位体积有效孔隙个数和单位体积有效孔隙体积）与储层物性的相关关系进行分析（图 6），发现平均孔隙半径、单位体积有效孔隙个数、单位体积有效孔隙体积与孔隙度和渗透率的相关系数依次增大，其中单位体积有效孔隙体积与渗透率和孔隙度的相关性最好。因此，单位体积有效孔隙体积对储层物性具有较大影响。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 华池—合水地区长31储层恒速压汞孔隙参数与物性的关系 Fig. 6 Relationship between constant-rate mercury injection pore parameters and physical properties of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

根据恒速压汞实验结果，Ⅰ类大孔中细喉储层样品的喉道半径分布范围最宽，2个样品分别主要分布于0.5~2.9 m和0.5~3.6 μm，喉道含量峰值低，分别为7.78%和3.83%，小喉道所占比例小，半径小于0.5 μm的喉道平均为3.60%，大喉道所占比例大，半径大于1.0 μm的喉道平均为81.69%；Ⅱ类大孔细喉储层样品的喉道半径分布范围中等，主要分布于0.5~1 μm，喉道含量峰值中等，约为14.58%，小喉道所占比例明显增加，半径小于0.5 μm的喉道平均为22.06%，大喉道所占比例明显减少，半径大于1.0 μm的喉道为25.90%；Ⅲ类大孔微细喉储层样品的喉道半径分布范围最窄，主要分布于0.3~0.6 μm，喉道含量峰值最高，分别为46.56%和33.98%，小喉道所占比例大，半径小于0.5 μm的喉道平均为84.44%，无半径大于1.0 μm的喉道。可见，不同孔喉结构的储层，喉道半径的分布有明显的差异，总体上随储层孔喉结构变好（即由Ⅲ类大孔微细喉储层至Ⅰ类大孔中细喉储层），喉道半径分布范围变宽，喉道含量峰值逐渐减小且含量峰值对应的喉道半径依次增大，大喉道所占的比例增加，小喉道所占比例相对减少，喉道的分选变差（图 7）。因此，喉道是导致储层孔喉结构差异的主要因素。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 华池—合水地区长31样品喉道半径特征 Fig. 7 Throat radius characteristics of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

对研究区喉道参数（平均喉道半径、主流喉道半径、单位体积有效喉道个数和单位体积有效喉道体积）与储层物性的相关关系进行分析（图 8），发现孔隙度受单位体积有效喉道体积和单位体积有效喉道个数的控制，其中与单位体积有效喉道体积相关性更强，与主流喉道半径、平均喉道半径基本无关；单位体积有效喉道个数、单位体积有效喉道体积、主流喉道半径、平均喉道半径对渗透率的影响程度依次增强，喉道半径参数均对渗透率有一定控制作用。结合前文分析，认为相比于孔隙参数，喉道参数与储层物性的相关性更强，且单位体积有效孔隙体积、单位体积有效喉道个数和单位体积有效喉道体积共同决定储层孔隙度，单位体积有效孔隙体积和喉道半径参数共同决定储层渗透率。

图 8

Fig. 8

下载eps/tif图 图 8 华池—合水地区长31储层恒速压汞喉道参数与物性关系 Fig. 8 Relationship between constant-rate mercury penetration throat parameters and physical properties of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

储层孔喉半径比反映了孔喉配置关系，其值越小，孔隙、喉道的差异程度越小，孔喉配置关系也越好^[23]，孔喉配置关系好的储层微观渗流能力强^[24]。根据恒速压汞实验结果，鄂尔多斯盆地华池—合水地区长3₁储层Ⅰ类大孔中细喉储层孔喉比小，主要为60~180，平均孔喉比为116.89；Ⅱ类大孔细喉储层孔喉比主要为80~340，平均孔喉比为200.08；Ⅲ类大孔微细喉储层孔喉比大，主要为150~520，平均孔喉比为317.28。可见，不同孔喉结构的储层孔喉比差异大，随着样品孔喉结构变好，孔喉半径比分布于大值区的占比逐渐减小，分布于小值区的占比增大，且增加的幅度也随之加大，孔喉半径比峰值逐渐向小值区移动（图 9）。结合前文对孔隙、喉道特征的研究认识，喉道的差异导致孔喉半径比差异明显。Ⅰ类大孔中细喉储层喉道最为发育，喉道半径大，孔喉比小，孔喉配置关系最好，Ⅱ类大孔细喉储层次之，Ⅲ类大孔微细喉储层孔喉配置最差。

图 9

Fig. 9

下载eps/tif图 图 9 华池—合水地区长31储层孔喉比特征 Fig. 9 Pore throat ratio characteristics of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

平均孔喉比与渗透率、孔隙度均呈负相关关系，与渗透率负相关性更强（图 10）。单位体积有效孔隙体积与喉道参数均是决定储层物性的关键，孔喉半径比小时，大喉道相对发育，单位体积有效喉道个数多、体积大，喉道对油气的束缚能力较小，油气容易通过喉道被采出，开发效果好；反之开发效果差^[21-22]。因此，在开发过程中可采取压裂酸化措施降低孔喉比，增加单位体积有效喉道个数，扩大单位体积有效喉道体积，以实现更好的开发效果。

图 10

Fig. 10

下载eps/tif图 图 10 华池—合水地区长31储层孔喉比与物性的关系 Fig. 10 Relationship between constant-rate mercury penetration pore throat ratio and physical properties of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

在前文对3类储层微观孔喉结构特征分析的基础上，为进一步分析3类储层孔喉微观结构的成因，取3块代表性样品相对应深度的样品进行镜下铸体薄片和扫描电镜对比研究。

Ⅰ类大孔中细喉储层样品岩性主要为长石质岩屑砂岩，石英相对体积分数为49%，长石相对体积分数为24%，岩屑相对体积分数为27%，主要粒径为0.20~0.32 mm，颗粒以次棱角状为主，分选中等，压实作用中等，颗粒间以点—线接触，胶结作用中等，以铁方解石和石英加大为主，长石和岩屑发生强烈的溶蚀作用形成次生溶蚀孔隙，孔隙部分被铁方解石充填，面孔率为15%。孔隙类型有原生粒间孔和次生溶孔，以缩颈状喉道为主，孔喉连通性好[图 11（a）~（b）]。

图 11

Fig. 11

下载eps/tif图 图 11 华池—合水地区长31储层砂岩镜下照片 （a）Ⅰ类大孔中细喉储层样品，孔隙发育，部分粒间孔被铁白云石充填，西11井，1 633.50 m，单偏光；（b）Ⅰ类大孔中细喉储层样品，粒间孔、溶蚀孔发育，存在伊利石、高岭石和球粒状黄铁矿胶结物，西11井，1 633.50 m，扫描电镜；（c）Ⅱ类大孔中细喉储层样品，孔隙被铁方解石胶结，白456井，1 785.28 m，单偏光；（d）Ⅱ类大孔中细喉储层样品，粒间伊利石填隙物，残余粒间孔，白456井，1 785.28 m，扫描电镜；（e）Ⅲ类大孔微细喉储层样品，孔隙发育差，粒间孔、长石溶孔被铁方解石胶结，塔32井，1 550.37 m，单偏光；（f）Ⅲ类大孔微细喉储层样品，石英加大，伊利石和绿泥石胶结，塔32井，1 550.37 m，扫描电镜 Fig. 11 Microscopic photos of sandstone of Chang 31 reservoir in Huachi-Heshui area

Ⅱ类大孔细喉储层样品岩性主要为岩屑质长石砂岩，石英相对体积分数为51%，长石相对体积分数为25%，岩屑相对体积分数为24%，主要粒径为0.08~0.13 mm，颗粒主要为次棱角状，分选中等。压实作用中等，颗粒间以点—线接触，可见云母弯曲变形，胶结作用较强，以铁方解石为主，溶蚀作用较强但大部分次生溶孔被胶结物充填，面孔率低，约为8%。孔隙类型有原生粒间孔和次生溶孔，以弯片状喉道为主，孔喉连通性较差[图 11（c）~（d）]。

Ⅲ类大孔微细喉储层样品岩性为长石质岩屑砂岩，石英相对体积分数为48%，长石相对体积分数为24%，岩屑相对体积分数为28%，主要粒径为0.10~0.15 mm，颗粒主要为次棱角状，分选中等。压实作用中等—较强，颗粒间以点—线接触为主，局部可见凹凸接触，云母弯曲变形明显，胶结作用强烈，可见石英加大，有铁方解石、白云石、高岭石、伊利石和绿泥石等胶结物，以碳酸盐岩胶结物为主，溶蚀弱，长石发生次生溶蚀作用形成的次生溶蚀孔隙被胶结物充填，孔隙发育差，面孔率极低，约为2%。孔隙主要为原生粒间孔，以弯片状喉道为主，孔喉连通性差[图 11（e）~（f）]。

总的来说，研究区长3₁储层为典型浅水辫状河三角洲沉积，近源沉积特征明显，3类储层样品都具有较低的成分成熟度和结构成熟度，原生孔隙发育，这奠定了研究区形成典型低渗储层的物质基础。在成岩作用阶段，压实作用导致颗粒间以点—线接触甚至凹凸接触，是造成本区孔喉结构变差的主要因素；溶蚀作用使得长石和岩屑发生溶蚀从而改善了孔隙结构；早期的绿泥石薄膜式胶结加强了岩石内部的支撑性，在一定程度上削弱了压实作用对储层的破环，使得部分原生孔隙得以保存，但胶结作用下产生的石英次生加大和方解石胶结物等堵塞了原生、次生孔隙。Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类储层样品压实、胶结作用依次增强，而长石、岩屑溶蚀作用依次减弱，粒间孔和溶蚀孔隙发育程度依次变差，因此，成岩作用是导致研究区形成3类不同孔喉结构储层的主要原因。

（1）根据高压压汞实验结果，鄂尔多斯盆地华池—合水地区长3₁储层存在3类典型毛管压力曲线，根据孔喉发育程度分为孔喉发育较好、适中和较差等3类储层。根据恒速压汞实验结果，将储层进一步分为Ⅰ类大孔中细喉储层、Ⅱ类大孔细喉储层和Ⅲ类大孔微细喉储层等3类，其孔喉发育程度依次变差，储渗能力依次减弱。

（2）不同孔喉结构储层的孔隙半径分布具有相似特征，不同孔喉结构储层的喉道特征差异明显。随着孔喉结构变好，喉道半径分布范围变宽，且大喉道相对增加，小喉道相对减少。单位体积有效孔隙体积与喉道参数（平均喉道半径、主流喉道半径、单位体积有效喉道个数、单位体积有效喉道体积）共同决定储层物性，其中孔隙度由单位体积有效孔隙体积、单位体积有效喉道个数和单位体积有效喉道体积决定，渗透率由单位体积有效孔隙体积和喉道半径决定。

（3）Ⅰ类大孔中细喉储层、Ⅱ类大孔细喉储层、Ⅲ类大孔微细喉储层孔喉配置关系依次变差。孔喉比与孔隙度相关性较差，与渗透率呈较强负相关关系。孔喉配置好的储层开发效果好。

（4）长3₁储层孔喉结构成因受沉积作用和成岩作用共同影响，近源快速沉积的特征使得储层岩石结构及成分成熟度均低，原生孔隙发育，而成岩作用是导致孔喉结构差异的主要原因。压实作用导致研究区普遍形成低渗储层，胶结作用和溶蚀作用均对储层孔喉结构差异化起重要作用，Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类储层中胶结作用依次增强，溶蚀作用依次减弱。