砂岩、致密砂岩和页岩中孔喉大小

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1、2010年1月25日·11·砂岩、致密砂岩和页岩中的孔喉大小PhilipH.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2μm，致密含气砂岩介于2至0.03μm之间，而页岩则介于0.1至0.005μm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100Å（0.01μm）变化到甲烷的3.8Å（0.00038μm）。这种孔喉大小连

2、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

3、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30μm（宏观孔隙或大孔隙）、孔喉大小超过10μm。“微观孔隙”这一概念适用于孔隙小于10μm，而“微观孔喉”则是应用于孔喉小于1μm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，1μm的孔喉大小应该是低品质常规储集岩

4、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2010年1月25日·11·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

5、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

6、入孔喉大小为1μm、渗透率为11.2μd，而如果孔喉大小为0.1μm，渗透率则是0.112μd。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1md的砂

7、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

8、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