1. 引言
川东北地区须二段砂岩储层孔隙具有孔喉细小，孔喉结构复杂的特征，属于超低孔、超低渗砂岩特征，制约了研究区砂岩储层致密气的有效开发，研究砂岩储层的微观孔隙结构特征对砂岩储层的产能评价和有效开发具有十分重要的意义。当前，国内外学者在砂岩储层微观孔隙结构表征方面展开了大量的研究，普遍认为微、纳米级孔隙是砂岩储层的重要渗流通道和赋存空间 [1]。高压压汞实验是研究微观孔隙结构的有效岩石物理学方法，也是研究砂岩储层微观孔隙结构特征的重要途径，毛细管压力曲线能够提供大量的孔隙结构信息，其对微、纳米孔隙结构的表征已被广泛应用，对砂岩储层的研究及评价具有重要意义。高压压汞法测试样品速度快、准确，仪器设备测试原理相对简单，操作比较容易。但高压压汞法的测试过程是发生在两个静止状态之间，这就丢失了很多孔隙结构的信息。因此需要结合高分辨率的氩离子抛光扫描电镜实验，即可以直观地观察砂岩表面孔隙结构类型，观察纳米级孔隙，又获得精细的孔隙结构图像，描述砂岩孔隙形态以及孔隙之间的连通性。将直接观测法(氩离子抛光扫描电镜)与间接测试法(高压压汞实验)相结合对砂岩储层微观孔隙结构进行评价和分析，是准确揭示砂岩样品围孔径分布的重要途径。
根据四川盆地川东北地区多口钻井岩心及野外露头剖面的细致观察，以马路背地区须二段为例，通过高压压汞实验分析样品的孔径分布、孔喉参数结合研究区目的层段储层物性及有机地化特征，联合扫描电镜等技术手段，对研究区目的层段取心样品展开全尺度表征 [2]，系统分析四川盆地川东北地区砂岩储层的微观孔隙结构特征，为川东北地区砂岩储层的评价及致密气的有效开发提供可支撑的理论依据。
2. 地质背景及实验样品
2.1. 地质概况
本论文研究中使用的样品均采自川东北构造带马路背构造西南高部位部署的评价井，目的层段为中生界三叠系须家河组须二段。工区整体位于四川盆地川北坳陷川东北背斜带东北段的马路背构造–黑池梁构造和通江、池溪向斜带，面积1054.99 Km2，其中自然保护区面积256.99 Km2，有效勘探面积798 Km2。二维测网1 × 2 km，4块三维全覆盖；完钻井16口，试气井14口，试采井9口；保有天然气探明储量191.56亿方，控制储量174.52亿方。隶属于四川省通江、南江、巴中三县市。属中-低山区，海拔约400~1300米。工区北西部毗邻米仓山前缘构造带，东北部紧邻大巴山构造带，南部与四川盆地中部平缓构造带相邻，是古生代–早中三叠纪四川盆地地台沉积的一部分，也是中生代和新生代米仓山–大巴山的前陆盆地(图1)。总体为一大型背斜，闭合面积大，闭合高差大。
Figure 1. The location of the work area and the comprehensive columnar section of Xu2 member
图1. 工区构造位置及须二段地层综合柱状剖面图
根据大量的岩心及野外露头观察，结合测井资料分析发现，须二段测井曲线形态多样，齿状漏斗型和漏斗型的滩坝，钟型和漏斗型的河道、河口坝，齿化箱型与钟型特征的分流河道(图1地层综合柱状剖面图)，指示多种沉积相类型。确定研究区须二段主要发育两套储层，上段发育湖泊相，岩性主要以浅灰色细砂岩、灰色细砂岩为主，夹黑色煤，分布稳定，在地震轴上可以连续追踪，是工区区域性标志层；下段发育辫状河三角洲相，岩性主要以浅黑灰色中砂岩、灰色细砂岩和灰黑色页岩为主，夹砂泥岩薄互层及黑色碳质泥岩，与下伏须一段呈整合接触关系，具有分布范围广，沉积厚度大的特征，在马路背构造带及周边地区广泛发育。
2.2. 实验样品
本论文研究所用的岩心样品取自川东北地区马路背构造带已钻井须家河组须二段，取样深度为3345~3455 m，厚度为110 m，共取样30件，样品主要为灰色细砂岩、黑灰色中砂岩。实验开始前，先将取心样品经研磨处理成粉末后，采用Ｘ－射线衍射仪对样品的矿物成分进行测定，分析得出砂岩样品的全岩矿物成分组成图(图2)。
Figure 2. Mineral composition of sandstone samples from Xu2 member in northeast Sichuan
图2. 川东北地区须二段砂岩样品矿物成分组成图
测试结果显示，研究区目的层段储层的全岩矿物成分类型较为复杂，样品中石英的含量相对较高，主要在43%~67%之间，平均为57.89%；其次为长石，含量为6%~29%，平均为11.6%。除此之外，还有一定含量的方解石，主要在2%~19%,平均为8.17%。实验测得砂岩样品中黏土矿物主要包括绿泥石、蒙脱石和伊利石，总含量为9%~29%，平均为22.34%。其中伊利石发育稳定，是全区陆源碎屑物质的主要来源 [3]。测试结果表明，研究区目的层段砂岩的全岩矿物成分分类较多，类型复杂，矿物成分非均质较强，且砂岩样品中石英含量最高，与致密砂岩储层的脆性具有直接关系，除了对样品的孔隙结构和孔隙体积具有重要的影响，还会对后期致密气勘探开发过程中的压裂造缝产生影响。黏土矿物作为砂岩样品矿物成分的重要组成部分，对砂岩样品的孔隙结构类型和孔径大小都会产生影响，因此测试砂岩样品成分组成为研究目的层段储层微观孔隙结构特征具有重要的意义。
3. 高压压汞孔隙结构特征
3.1. 高压压汞法实验原理
高压压汞法实验操作前将取心样品制成岩心柱后经过24 h真空烘干处理，消除样品表面残留的束缚水和毛细管水分，实验采用Auto PoreIV9510全自动压汞仪，该仪器所能测量的孔径范围介于2 nm~1000 μm，提供的最高压力约为414 MPa，实验测得进汞和退汞的体积精度小于0.1 μL。图3即为高压压汞实验下毛细管压力曲线形态在不同分选和歪度的特征：在最开始阶段，非润湿相流体饱和度随毛细管压力的快速增加而缓慢增加，此时的毛细管压力曲线斜率较大。当毛细管压力到了中间开始趋向缓平阶段，毛细管压力变化较小。孔喉半径主要对毛细管压力的增大而逐渐增大。到末端时，进汞饱和度随毛细管压力的迅速增而逐渐变小，且末端出现陡峭段。这种现象主要与地层中孔隙的结构类型有关，当地层中只有一小部分微孔未进入汞时，毛细管压力随微孔的大小而发生变化 [4]。根据Washburn理论当毛管压力曲线在低毛管压力范围处，坡度越小且对应汞饱和度平缓段的范围越宽，孔喉大小分选性越好；歪度的粗细对应孔喉的粗细倾向。对储层而言，一般越偏向粗歪度越好。
Figure 3. Schematic diagram of typical capillary pressure curve
图3. 典型毛细管压力曲线示意图
3.2. 进汞–退汞曲线
图4为研究区砂岩样品在高压压汞实验基础上测得的进汞–退汞曲线，不同砂岩样品的进汞–退汞曲线形成的回滞曲线反映了须二段储层孔隙的发育特征及孔隙间连通性 [5]。从进汞曲线可以看出，样品1进汞曲线前期斜率较高，平台性较差，反映了小孔的分选不好，略细歪度。进汞曲线后期斜率较缓，平台性较好，反映大孔的分选较好，细歪度好，说明页砂岩样品中存在细颈瓶孔隙，孔喉细小，连通性差，这种孔隙结构有利于气体的聚集，但不利于气体的运移。样品2压汞曲线孔隙滞后环宽大，退汞曲线呈现先上凸后下凹两个阶段，进退汞体积差很大，表明压汞测试孔径范围内细颈瓶孔很多，微孔与中孔、大孔串联配置，孔喉相对较小，孔隙连通性一般。样品3进汞曲线表明在低压区时汞量增大明显，样品中存在孔径较大孔隙，其压汞曲线滞后环明显较窄，进退汞体积差较小，压汞测试孔径范围内开放孔较小，孔隙连通性相对较好。
Figure 4. Mercury input-mercury withdrawal curve for the sample from the Malubei area in Xu2 member in northeast Sichuan
图4. 川东北马路背地区须二段样品进汞–退汞曲线
3.3. 孔径分布特征
图5为基于高压压汞实验得到的致密砂岩介孔和宏孔表征分布曲线图(图5)。从图中可以看出，致密砂岩储层孔喉表现为以介孔为主的单峰型，孔喉分布只有一个峰值，孔喉分布主要集中在20~1000 μm之间，表明砂岩样品的孔径分布范围广泛，粒径跨度范围广，从微孔到宏孔均有分布。实验结果呈现出明显的多尺度孔隙结构特征，单峰型致密砂岩孔喉分布范围差异较大，表明致密砂岩孔喉分布复杂，样品非均质性较强 [6]。
Figure 5. Aperture distribution histogram for the sample from the Malubei area in Xu2 member in northeast Sichuan
图5. 川东北马路背地区须二段样品孔径分布直方图
表1为高压压汞实验测得的致密砂岩储层孔喉结构特征参数，测试结果显示样品的平均孔径分别为0.08 μm、0.307 μm、0.55 μm，最大进汞饱和度分别为80.52%、36.6%、21.97%，排驱压力较小，分别为1.5 MPa、0.5 Mpa、2 Mpa，退汞效率分别为3.88%、24.76%、61.54%。实验结果显示样品1的进汞饱和度最高，但退汞效率最低，表明样品1小孔发育较少，大孔发育较多，但大孔的分选较差，孔喉连通性较差；样品2的进汞饱和度较少，退汞效率也少，表明样品2中的发育部分小孔，大孔基本不发育，孔隙连通性较差；样品3的进汞饱和度较低，但退汞效率最高，表明样品3中发育部分小孔，大孔基本不发育，但小孔分选较好，孔隙连通性相对较好 [7]。
Table 1. Characteristic parameters of pore throat structure of dense sandstone reservoir
表1. 致密砂岩储层孔喉结构特征参数
4. 储层微观孔隙结构特征
4.1. 储层物性特征
为更好地反映须二段砂岩储层的特征，对目的层段的取心样品进行物性分析(图6)。须家河组须二段共有物性数11个，多数分布在须二段上中亚段，少数在下段 [8]。从物性分析所得到的储层参数数据分析显示，须二段孔隙度分布在2.2%~6.8%之间，平均为3.81%；渗透率介于0.002 × 10−3 μm2~0.751 × 10−3 μm2区间，平均为0.117 × 10−3 μm2，岩心物性分析显示须二段孔隙度大于4%的样品占样品总数的55%，渗透率小于0.1 × 10−3 μm2的样品占样品总数的82%，渗透率最大为0.751 × 10−3 μm2，表明研究区须二段砂岩储层物性较好，属于低孔、超低渗致密储层，且发育大量裂缝。
Figure 6. Measured histogram of porosity and permeability distribution in Xu2 member in northeast Sichuan Basin
图6. 川东北地区须二段实测孔隙度、渗透率分布直方图
根据川东北地区陆相储集岩孔隙度和渗透率参数的分类标准(表2)，能够形成有效气藏的有效孔隙度和渗透率值得下限分别为2%和0.001 × 10−3 μm2，川东北马路背地区11个样品的物性资料分析表明，研究区目的层段须二段砂岩储层是典型的低孔低渗超致密型储集层，具备气成藏的形成条件 [9]。
Table 2. Classification criteria for continental sandstone reservoirs in northeast Sichuan
表2. 川东北地区陆相砂岩储集层分类标准
4.2. 储集空间类型
四川盆地川东北地区须家河组储层空间类型具有多样性、复杂性特征，通过对马路背构造带多口井岩心描述、薄片观察以及氩离子抛光扫描电镜观察分析。可将研究区砂岩储层储集空间类型原生孔、次生孔和裂缝三大类(表3)。
马路背地区须二段砂岩储层中原生孔主要是指与沉积作用同时形成的孔隙 [10]。根据形态特征可分为原生粒间孔和原生粒内孔。其中原生粒间孔为有效储集空间，粒内孔由于孔隙半径较小，为不含烃的无效孔隙，对渗透率贡献极小。地层中原生孔隙的发育程度与岩石组分、结构和压实程度有关，随着地层埋深增加，压实作用不断增强，原生孔隙也会随之下降。次生孔隙的分类较为复杂，依据不同的成岩作用又可分为次生溶蚀孔、铸模孔和晶间孔。除原生孔隙和次生孔隙外，裂缝也是砂岩储集层空间的一种重要孔隙类型，研究区须二段砂岩储层主要发育构造成因裂缝。这类裂缝既可以改善储层的渗透能力，又可以增大砂岩储集空间，对改善致密砂岩储层的渗透性、提高单井产能具有重要的意义。
Table 3. Classification table of reservoir space types in Malubei structural belt of Xu2 member in northeast Sichuan
表3. 川东北地区马路背构造带须二段储集空间类型划分表
4.3. 储层微观孔隙形态特征
为进一步探讨致密砂岩储层微观孔隙结构特征，采用氩离子抛光制作成薄片后在场发射扫描电镜下观察并结合岩心描述孔隙形态(图7)。通过对工区取心样品观察发现，川东北地区目的层段须二段石英砂岩整体上以细粒结构为主 [11]，粒径主要为0.1~0.25之间，分选较，磨圆度较好，为次圆状-圆状，颗粒之间的接触方式主要为线接触 [12]。其中在石英含量相对较高的砂岩储层中多存在石英次生加大，主要表现为相互交嵌且加大边共轴生长，在阴极发光下可看见不发光的石英加大(图7(a))。图7(b)和图7(c)为扫描电镜下砂岩样品中矿物颗粒接触边缘形成的原生孔隙，这类孔隙在砂岩储层中较为常见，主要发育在长石岩屑砂岩或岩屑石英砂岩中，孔隙形态多为三角状或多角状，可与地层中的粒内孔链接，提高砂岩储层孔隙间的连通性 [13]。图7(d)和图7(e)为扫描电镜下砂岩样品中的次生孔，其中次生溶蚀孔主要是在成岩作用过程中，颗粒或充填物受到溶蚀作用而形成的孔隙(图7(d))；铸模孔主要是由于长石等矿物颗粒被完全溶蚀之后形成，仍保留原来的孔隙形态，这类孔隙较少；晶间孔主要是在重结晶作用下，杂基内选择性溶解而成，这类孔隙孔径较小，多呈斑点状分布(图7(e))。
Figure 7. Pore morphology characteristics of Xu2 Formation in Malubei area in northeast Sichuan
图7. 川东北马路背地区须二段孔隙形态特征
研究区所属的马路背构造所位于的川东北构造带，表现为一个大型的由NEE转NE向的断鼻，北翼相对 较缓，南翼相对较陡，中间被大量北西向断裂平行切割，发育大量的构造裂缝 [14]。因此除原生孔隙和次生孔隙外，裂缝也是研究区须家河组砂岩储层中最常见的孔喉形态(图7(f))。从取心样品观察发现，构造成因裂缝互相交织，呈网状分布，表现出低角度开启裂缝和高角度的褶皱张力裂缝等多种形态，其中低角度缝多被泥质和方解石充填，且从取心样品中肉眼可见泥质条带(图8(a))，而高角缝形成时间较晚，大多未被充填(图8(b))。部分取心样品表现出明显的网状缝，这些裂缝多被石英、方解石等充填，并发育晶间孔(图8(c)~(e))。除此之外，随埋深和构造作用的影响，砂岩储层中的石英、高岭石和方解石由于热液作用，会充填由断层引起的相关裂缝 [15]。这些裂缝形态表明研究区目的层段致密砂岩储层中发育大量的裂缝，研究与高压压汞实验测得的结果相似，因此可以证实川东北马路背地区须二段为裂缝-孔隙型储层。对改善研究区目的层段砂岩储层性能，提高单井产能具有重大意义 [16]。
Figure 8. Fracture morphology characteristics of Xu2 Formation in Malubei area in northeast Sichuan
图8. 川东北马路背地区须二段裂缝形态特征
5. 结论
1) 川东北地区马路背构造带砂岩样品测得孔隙度平均值为3.81%，渗透率平均值为0.117 × 100−3 μm2，属于低孔、超低渗储层，典型的低孔低渗超致密型储集层，具备气成藏的形成条件。
2) 高压压汞孔喉结构参数表明，川东北地区马路背构造带砂岩类型主要为细砂岩，发育大量的裂缝和次生孔隙，属于裂缝–孔隙型储层，储层质量较好。
3) 通过对取心样品观察发现，研究区整体上以细粒结构为主，构造成因裂缝呈网状分布；氩离子抛光扫描电镜显示，川东北地区须家河组储层空间类型具有多样性、复杂性特征，主要发育次生溶蚀孔、晶间孔和构造裂缝。
4) 采用在场发射扫描电镜下观察并结合岩心描述孔隙形态发现，川东北马路背地区须二段为裂缝–孔隙型储层。这对改善研究区目的层段砂岩储层性能，提高单井产能具有重大意义。