致密砂岩气藏孔隙分形特征与动态水锁损害关系研究

Research on the Relationship between Pore Fractal Characteristics and Dynamic Water Lock Damage in Tight Sandstone Gas Reservoirs

摘要: 鄂尔多斯盆地南部某区块的致密砂岩气藏，其上古生界石盒子组地层孔渗低、泥质含量高、孔喉半径小导致水锁伤害严重，严重制约其气藏开发效率。因此，本文以鄂南某区块盒一段致密砂岩为对象，结合低场核磁共振(NMR)及分形理论，系统表征孔隙结构非均质性，揭示孔隙结构特征与水锁伤害的关系。结果表明，研究区块岩心的整体平均分形维数为2.354，小孔段不具备分形特征，中孔与大孔的平均分形维数分别为2.546、2.799，且与水锁损害率呈显著正相关，其孔隙结构复杂性通过增强毛细管力与液相滞留主导水锁效应。本研究提出以中孔分形维数为主要的致密砂岩气藏的水锁风险主要评价指标，为致密砂岩气藏高效开发提供理论支撑。

Abstract: In the tight sandstone gas reservoir of a certain block in the southern part of the Ordos Basin, the Upper Paleozoic Shihezi Formation has low porosity and permeability, high clay content and small pore throat radius, which leads to severe water lock damage and seriously restricts the development efficiency of the gas reservoir. Therefore, this paper takes the tight sandstone of the Boxi 1st Member in a certain block in the southern Ordos Basin as the object, optimizes the efficient water lock release agent, and combines low-field nuclear magnetic resonance (NMR) and fractal theory to systematically characterize the heterogeneity of pore structure and reveal the relationship between pore structure characteristics and water lock damage. The results show that the overall average fractal dimension of the core in the study block is 2.354. The small pore segment does not have fractal characteristics, and the average fractal dimensions of the medium and large pores are 2.546 and 2.799, respectively, and are significantly positively correlated with the water lock damage rate. The complexity of the pore structure enhances the capillary force and liquid phase retention, which dominates the water lock effect. This study proposes the average fractal dimension of medium pores as the main evaluation index of water lock risk in tight sandstone gas reservoirs, providing theoretical support for the efficient development of tight sandstone gas reservoirs.

1. 引言

致密砂岩气藏作为全球非常规能源的重要组成部分，目前已经成为国内外油气资源的主力勘探开发阵地，但其开发效率受限于复杂孔隙结构及储层极强的非均质性导致压裂开发过程中一系列储层伤害，包括水敏、水锁、速敏、高分子吸附伤害等，其中水锁伤害是致密砂岩气藏最常见也是最主要的伤害类型。一般来说，一旦发生水锁，致密气井产能会降低30%~70% [1]。水锁效应的本质是外来流体侵入储层后滞留于孔隙中，通过毛细管力阻碍气相渗流，而孔隙结构的非均质性进一步加剧了液相滞留[2]。目前对于致密气藏水锁伤害的研究多聚焦于储层的宏观物性，如渗透率、孔隙度、黏土矿物等因素的影响，但对岩心本身的孔隙结构对水锁伤害的影响机制仍缺乏系统性分析。近年来，分形理论通过量化孔隙表面粗糙度与结构复杂性，逐渐成为了表征储层非均质性的重要手段[3] [4]。有学者发现分形维数与水锁伤害率呈正相关，但未区分不同孔隙尺度的分形特征对水锁的差异性贡献[5]。此外，传统表征技术，如扫描电镜、CT扫描受限于使用条件和动态分析能力，难以揭示孔隙结构在渗流过程中的影响机制[6]。低场核磁共振技术作为一种常用的孔隙表征手段，虽能无损分析孔隙结构与液相分布情况，但采用分形模型在致密气藏水锁相关应用研究较少[7]-[9]。

针对致密砂岩气藏孔隙结构非均质性与其水锁伤害的关系的研究不够全面，本文以鄂尔多斯某区块一段致密砂岩岩心为研究对象，结合低场核磁共振技术与其对应的分形模型，阐明不同尺度的孔隙结构分形特征对水锁伤害的主控因素，旨在为优化储层改造工艺提供理论依据。

2. 实验材料与方法

2.1. 实验材料

选取鄂尔多斯盆地某区块上古生界石盒子组的5块致密砂岩岩心作为研究对象。基本物性参数见表1，根据气藏现场地层水配制模拟地层水，水型为氯化钙(苏林分类)型，矿化度约3.39 × 10⁴ mg/L，pH约6.0，实验所用所有水溶液均以此模拟水配制。

Table 1. Basic physical properties table of core

表1. 岩心基本物性表

岩心编号	渗透率/mD	孔隙度/%	长度/mm
1	0.215	5.524	40.47
2	0.789	8.766	45.36
3	1.14	13.321	52.78
4	1.124	14.4	60.01
5	5.56	15.276	52.22

2.2. 实验方法

2.2.1. 低场核磁共振实验

参照国家标准GB/T 42035-2022《煤和岩石孔径分布的测定：核磁共振法》、SY/T 6490-2000《岩样核磁共振参数实验室测量规范》。将岩心在105℃干燥24 h取出，待其冷却至室温后，在30 MPa下真空饱和模拟地层水24 h，待岩心完全饱和，将其放入特制的聚四氟乙烯管中，采用低场核磁共振测得岩心的饱和T₂谱。

核磁共振实验采用苏州纽迈分析仪器公司的MacroMR12-150-1型高精度低场核磁共振分析仪，以下实验使用的低场核磁测定条件均为：序列名称：Q-CPMG，采样频率：333.333 kHz，主频：12 Hz，射频延时：0.002 ms，增益：3，等待时间：4000 ms，数据半径：1，累加次数：64，回波时间：0.15 ms，回波个数：5000。

2.2.2. 岩心水锁与模拟解除实验

参照行业标准Q/SY16832-2020《致密气储层水锁伤害评价方法》，对岩心进行水锁损害评价进行水锁损害测试，计算水锁损害程度同时通过核磁进行液相滞留程度分析。

3. 实验结果与分析

3.1. 基于低场核磁孔隙结构表征

3.1.1. 核磁T₂谱

本文以岩石内部水流动状态的差异为标准[10]，按照弛豫时间3 ms和33 ms将孔隙划分为小孔(束缚水)、中孔(毛细管水)和大孔(自由水)，对其不同尺度的孔隙进行研究。

根据实验结果图1可知，岩心的T₂谱形态呈单峰或双峰分布，弛豫时间从0.05~2213 ms范围内皆有分布，范围较广，说明岩心内部不同尺度的孔喉均有发育，非均质性较强，但T₂谱均没有明显断点，表明岩心孔喉的连通性较好，液相返排相对容易。

Figure 1. Core nuclear magnetic resonance T₂ spectrum

图1. 岩心核磁T₂谱

3.1.2. 孔隙分形维数计算

根据岩心的饱和T₂谱曲线，绘制不同岩样的lgS_v-lgT₂双对数曲线，根据前人研究，储层岩石内部的孔隙结构一般具有多重分形特征，因此对双对数曲线按T₂弛豫时间的不同，小孔(<3 ms)、中孔(3~33 ms)、大孔(>33 ms)进行分段拟合，更加精确地描述致密砂岩的非均质性，公式如下：

$\lg S_v=\left(3-D\right)\lg T_2+\left(D-3\right)\lg T_{2\max }$ (1)

式1中：

D为分形维数；

S_v为核磁累积信号；

T₂为横向弛豫时间；

T_2max为最大横向弛豫时间。

若岩石内部孔隙结构存在分形特征[11]，则lgS_v与lgT₂存在线性关系，根据lgS_v与lgT₂双对数曲线图中斜率计算分形维数D，假设斜率为k，则：D = 3 – k，见图2。

Figure 2. Nuclear magnetic resonance fractal dimension

图2. 核磁分形维数

一般来说，分形维数的值与孔隙结构之间存在一定的关系，一般来说，岩心的分形维数介于2~3之间，分形维数越接近2，说明孔隙光滑结构较为简单；分维值越靠近3，则孔隙越复杂，潜在液相滞留风险越高。结果显示，核磁整体分形维数在2.108~2.602之间，平均为2.354，中孔分形维数在2.406~2.830之间，平均2.546，大孔分形维数在2.521~2.973之间，平均2.799，然而小孔分形维数普遍小于2，在孔径范围内不具有分形的意义，其中，根据3号岩心的核磁T₂谱可知，该岩心在小孔弛豫区间(<3 ms)内不存在核磁信号，故分形维数也不存在。因此，本文主要以整体孔喉与中孔、大孔段的分形维数作为评价储层微观结构复杂性与水锁伤害关联的主控因素，见表2。

Table 2. Fractal dimensions of different holes and throats

表2. 不同孔喉分形维数

岩心编号	整体孔喉		小孔		中孔		大孔
	DNMR	R^2	D1	R^2	D2	R^2	D3	R^2
1	2.602	0.802	1.653	0.799	2.830	0.997	2.960	0.988
2	2.415	0.785	1.135	0.825	2.406	0.995	2.784	0.966
3	2.108	0.864	/	/	2.647	0.964	2.973	0.977
4	2.234	0.811	0.097	0.839	2.417	0.985	2.755	0.969
5	2.413	0.753	1.456	0.890	2.429	0.986	2.521	0.985

3.2. 水锁伤害实验分析

对于致密砂岩气藏来说，水锁损害的本质是由于外来水相占据了岩石内部不同的渗流空间，且滞留于岩心孔隙中难以返排，导致气相渗流能力降低，通过低场核磁T₂谱能够精确量化发生水锁及解水锁剂作用后岩心中的液相返排情况，见图3。

Figure 3. Shows the liquid-phase reflux situation of gas drive

图3. 气驱液相返排情况

3.2.1. 孔隙液相滞留分析

对于致密砂岩气藏来说，水锁损害的本质是由于外来水相占据了岩石内部不同的渗流空间，且滞留于岩心孔隙中难以返排，导致气相渗流能力降低，通过低场核磁T₂谱能够精确量化发生水锁及解水锁剂作用后岩心中的液相返排情况，下表3为5块岩心气驱后的液相滞留程度。

Table 3. Degree of retention of water-locked liquid phase

表3. 水锁液相滞留程度

岩心编号	整体	小孔	中孔	大孔	水锁损害率
1	78.4	97.2	99.3	75.8	92.36%
2	58.3	96.9	86.1	46.7	69.56%
3	67.8	/	84.2	54.5	50.93%
4	55.3	86.3	35.2	17.4	18.55%
5	34.5	58.6	26.9	18.5	26.43%

整体孔隙的液相滞留程度在34.5~78.4%之间，平均58.9%；小孔液相滞留在58.6~97.2%之间，平均84.8%；中孔液相滞留在26.9~99.3%之间，平均66.3%；大孔在18.5~75.8%之间，平均42.6%，整体来看小孔的液相滞留程度相对较大，中孔次之大孔最小，因为小孔一般为束缚水所占据，同时有可能吸附于岩石矿物颗粒表面形成水膜，难以返排，中孔为过渡孔段，但也因较高的毛细管力作用，液相滞留其中无法流动，大孔中一般为可动流体，相较于小孔和中孔容易返排。

进一步回归分析显示，见图4，水锁损害程度与不同孔喉的液相滞留比例均呈正相关关系，其中整体孔喉、小孔液相滞留与水锁损害率拟合结果不佳，R²仅为0.431、0.226，相较而言，中孔和大孔与水锁损害率的相关性较强，R²分别为0.845和0.866，表明致密砂岩气藏的水锁损害程度主要由中孔和大孔的液相滞留比例决定。

3.2.2. 水锁与孔喉分形维数相关性

不同的岩心之间水锁伤害有所差异，在宏观上，这与岩心本身的物性有关，在微观上，则与岩心的孔隙结构有关，水相在储层孔隙空间的分布受到孔隙结构的控制，而分形维数是孔隙结构的综合反映，因此认为分形维数作为水锁损害的主要影响因素，为全面揭示致密砂岩气藏岩心的水锁损害与分形维数的关系，由低场核磁所得到的分形维数进一步分析致密砂岩水锁损害与其孔隙结构的关系，见图5。

(a) (b)

(c) (d)

Figure 4. Relationship between liquid retention in different pore throats and water lock damage rate. (a) Integral hole throat; (b) Small hole; (c) Middle hole; (d) Large holes

图4. 不同孔喉液相滞留与水锁损害率关系。(a) 整体孔喉；(b) 小孔；(c) 中孔；(d) 大孔

(a) (b)

(c)

Figure 5. Relationship between the fractal dimensions of different orifice throats and the damage rate of water locks. (a) Integral hole throat; (b) Middle hole; (c) Large holes

图5. 不同孔喉分形维数与水锁损害率关系。(a) 整体孔喉；(b) 中孔；(c) 大孔

发现中孔段分形维数D中孔与水锁损害率呈高度正相关(R² = 0.926)，大孔次之，整体分形维数相关性较弱。分析认为，中孔结构越复杂，毛细管束缚效应越强，液体返排难度增加；而大孔虽具较好返排通道功能，但当其结构复杂性增大时亦易发生水膜形成与聚集滞留。因此，认为储层中尺度孔喉结构的分形特征是控制水锁损害的核心指标。

4. 结论

(1) 研究区块核磁整体分形维数在2.108~2.602之间，中孔在2.406~2.830之间，大孔在2.521~2.973之间，储层非均质性较强，小孔分形维数普遍小于2，在孔径范围内不具有分形的意义。

(2) 小孔的水锁液相滞留程度相对较大，中孔次之大孔最小中孔与大孔段，小孔虽占据大量体积，但因主要储存束缚水，对渗流影响有限，致密砂岩气藏的水锁损害程度主要由中孔和大孔的液相滞留比例决定。

(3) 中孔和大孔段的分形维数与水锁损害呈显著正相关，整体分形则与水锁损害相关性较弱，其中，中孔的分形特征是控制水锁损害的核心参数。

NOTES

^*通讯作者。