砂岩、致密砂岩及页岩中孔喉大小的研究

2023年12月13日发(作者：买大众polo一般什么人)

砂岩，致密砂岩，页岩中孔喉的大小

Philip H. Nelson

摘要

硅质碎屑岩中的孔吼尺寸组成了一个从次毫米到纳米的连续的等级。本文使用的这个连续的等级是以前公布的常规的储集岩，储气砂岩，页岩中孔隙和孔喉大小的数据。具体措施的集中趋势（方法，模式，中值） ，常规储集岩孔喉尺寸（直径）一般都大于2 um，紧气砂岩大约2～ 0.03um的范围，页岩从0.1至0.005 um的范围。烃分子，沥青质，环结构，石蜡，和甲烷等形成另一个从100?（ 0.01um）的沥青质为到3.8 ?（ 0.00038um）甲烷的连续的孔喉等级。连续的孔喉大小给现在正在开发的硅质碎屑岩出层中石油的确定和细粒烃源岩中通过的流体提供了一个比较好的思维角度。

前言

在评价常规油气藏时，储集层与盖层之间的区别是明显的。传统的储层的特征是浮力是造成油气分布的影响因素的一个有力的证据。在储集岩中孔径和孔喉能提供足够大的储集空间并且能够提供具有经济价值的石油，然而孔喉能够小到足够阻止受因浮力而产生的水平方向上的力石油的运动。伴随着持续增长储气砂岩和页岩天然气的勘探和开发，石油地球科学家和工程师们越来越关注液体储存和流动的低渗透（ 亚毫达西 ）系统。在这些系统中，浮力作为石油运移的主导力量的观点缺乏证据。协会对于储集毛管压力，渗透率和孔隙度以及岩石都做了一系列的记载与描述。优质的储集岩通常孔径大于30um（大孔隙），孔喉尺寸大于10um。微孔隙这个术语\'\'适用于孔径小于10um，微孔喉适用于孔喉尺寸小于1um的，;这种岩石渗透率低，，如果受水浸的话高含水。在微观与宏观之间是一种中等的状态（皮特曼， 1979年; Coalson等。1985 ） 。虽然本文没有用到，但是这个术语在确认孔隙和喉道的大小与类型，并且本文中列举的例子都符合这些一般的定义。特别的，1 um这个孔喉尺寸规格似乎标志着常规劣质的储集岩到紧气砂岩的过渡。 1 有了这样的小孔隙喉道，瓦斯气体就必须克服毛细管阻力的高压力。

鉴于越来越多的从微孔隙获得的石油生产，机密结合并分析曾经被认为是非储集层的岩石的性能对于地质学家和物理学家来说变得越来越重要，为了从细粒砂岩，粉砂岩，页岩中恢复石油和天然气，便模糊区分了储层与盖层。本文的主要目的是引证孔隙开启性和孔喉由大到小的连通性。为了做到这一点，我提前对前人所公布的硅质碎屑岩建造的结果作了从大粒度到分子级粒度的一系列大小不等的7个人频谱数量级。这些端点频谱显示从常规储集岩到紧气砂岩再到页岩孔喉由大到小分布。在特定的地质背景下，在孔喉频谱之内的特定的岩石单位的位置预示着它可能含有油源岩。事实上，孔喉边界有时候是用来计算产层有效厚度的（例如， Kolodzie ， 1980年），似乎在孔隙度和渗透率都低的低渗岩石中更能显示出有利的一方面。除了在给定的技术条件下设定一定的界限保证经济复苏外，根本的问题是从低孔隙度低渗透率的岩石中趋替和萃取碳氢化合物受到限制。本文并不试图回答这些棘手的问题，但确实提供了一个解决这些问题的概念框架。

石油地质学家习惯于在孔隙度和渗透率方描述储层而不经常描述孔喉的大小。每10个数量级的变化（数量级，或系数为10 ），孔喉大小对于渗透率的影响就会有相当于20倍的改变。例如，5%的孔隙度的岩石当里面的孔喉大小为1um的时候，渗透率可以达到11.2 md，但是如果孔喉的大小为0.1 um，那么渗透率就成了0.112 md了。孔喉的大小比渗透率的大大小更适合评价天然气的充填程度和规模，因为毛管的压力直接反映了孔喉的大小，事实上，毛管压力就是用来测量孔喉的大小的一个参数。在本文中，如果孔喉是圆柱形的话，“大小”一词就是指的直径，如果孔喉是薄插槽的话，“大小”一词就指的是宽度。

孔隙和孔隙吼道

Wardlaw和Cassan （ 1979年）测量了来自世界各地的不同地点不同地质年龄的27块砂岩样品的颗粒、孔径和孔喉的大小。核心深度范围从1000 2 到3000m（ 3280到9840英尺。这个例子被当作了砂岩渗透率大于1md的代表。在薄片中对从粗沙泥质砂岩到中等砂岩的粒度的观察确定平均粒径的大小。从薄片中的观察的结果来看，主要的粒度大小从粗砂岩到中砂岩。平均孔隙度的大小是靠测量岩石样品的硅质的孔径所适合的内切圆的大小来确定的。

孔隙吼道的大小根据汞开始进入岩石样品时的压力和已经进入岩石样品饱和度中值压力来确定的。这些参数如图1所示。

Wardlaw和Cassan通过对样品的研究，平均颗粒的粒度大于平均孔隙粒度与一个标准偏差的乘积，并且平均孔隙度的大小与一个标准偏差的差恒大于根据汞的注入量所确定的最大孔喉的大小（图一）。这个规律适用于从粗粒砂岩到中砂岩的变化的粒度。只有最大型号的粒度的砂岩才有这个显示，粒度较小的砂岩不符合这个规律。当颗粒规模变小的时候，孔隙和吼道都有一定的减小（但是没有一定的规律）。不同样品之间的不同的分类方法可能导致一些差异，例如大段的粉砂岩和极细砂岩的粒度有时候会发生比粗砂岩和中砂岩粒度大的情况。汞开始进入岩石的的门限压力在较小的粒径的岩石中是平均粒径的1/10。

孔喉尺寸分布频谱

图2显示的是砂岩，紧密含气砂岩，页岩和选定分子的大小。横轴的图包括从10-4mum到 103um的7个数量级。（数量级有时候是会欺骗人的，有时候同样的1mm或许会变成10km的长度。沉积物的粒度尺度将空间的尺度从1mm到0.49um分为两个控制点与泰勒的屏幕尺度一起显示在右下角的图标，用于筛选松散的分子材料。根据该规定的方法，研究孔隙空间的微观尺度上是显示在图表顶部的。特别的， 0.0035um汞注射的下限相当于60000磅的汞注入压力。对于不同孔喉大小的碎屑岩在各岩石单位中的砂岩，致密砂岩，以及页岩在微米甚至在埃和纳米的分子级上进行了讨论。

要表征孔喉大小需要选择的有：（1）一种测量的方法，（2）一个用于层 3 面转换的测量模式以及（3）选择一个代表粒度分布的参数。虽然本文中两个例子的描述是用的气流的方法，但是在通常情况下用压汞测量法。在假定汞侵入了一系列的具有开口的毛细管的情况下，这个用于转换孔喉大小与汞压力的方程，称为沃什伯恩方程。其他模式假设开口由一组平行的薄插槽组成，这些插槽将模型空间分为两部分，一部分控制流动，一部分提供存储空间。最后，为了表示孔喉的大小，实验者可以选择一个集中趋势的指标（平均值，模式，中值）或者一个与指定的饱和入侵相关的流体层面（10或35 ％的汞饱和度）或者流体压力与容积入侵图上的一个拐点。因为不同的实验者选择不同的方法、模型、和不同的代表参数，图2所示说明了每个样品的信息设置。此外，表1给出了图2中所示的数据集的简略概况。根据表1中统计的数值能够得到孔喉的分布曲线，而在某些情况下，就像下面说明的一样，图2能够就孔喉分布提供更多的信息。

砂岩

wardlaw和cassan（1979）已经在图2中给出了砂岩的孔喉的算是平均数（图1）。左循环是汞饱和度在50%时候的平均值，右循环正好是汞侵入的临界值的平均值。表1的前四列统计了汞侵入的门限值。这些数据（在27块样品中平均孔隙度21%和几何平均渗透率30md左右）显示了由一般到良好的岩石储层，并且作为评价岩石孔喉更细小的尺寸标准。

Wyoming州大绿河流域晚白垩世刺穿构造

在位于美国Wyoming州的大绿河流域，水深为8000-12000英尺（2438-3657m）（Dubois 等人，2004）的晚白垩世底部刺穿构造上低渗透砂岩中蕴含着天然气藏。晶粒尺寸范围从粗淤泥到细砂岩。从能源公司提供从上层与中层的刺穿构造中的7个样品的岩心与压汞试验的数据结果来看渗透率分布范围从3到338md,孔隙度从4.6%到10.4%，孔喉大小在0.89um时对应着排驱压力，孔喉大小在0.41um时对应35%的汞侵入程度，0.17um时对应着50%的汞侵入程度（图2所示）。

4 东德克萨斯上侏罗统穹状隔层

在东德克萨斯州盆地上侏罗统的穹状地层中，有一套深度在12000-18000英尺的砂岩产气层。Rushing等人（2004年第379条）把穹状隔层描述成为“与黑色到灰黑色的含粘土质的细粒砂岩互层的成分复杂的一套厚层岩层。”从穹状隔层里面选出的13块岩石样本被按照储层物性的质量分成四个岩石类型，岩石直径分别为0.094，0.220，0.40和1.0um在图2中作出了描述，还有按照含有正方形的面所划定的两个非储集性岩层，粒度分别为0.010和0.024um（Rushing等人，2004）。孔喉的大小可以根据汞的侵入能力来确定。渗透率和孔隙度的值测定出来加入一个更大的样品集。渗透率和孔隙度范围分别为0.3-500md和1-14%，根据储层的质量分为四个岩石类型，渗透率在0.03-20md和孔隙度在1-8%的两个非储层的岩石类型。

科罗拉多州派森斯盆地晚白垩世Mesaverade构造

Soeder和兰多夫（1978年）记载了在晚白垩世Mesaverade构造中紧密含气砂岩中细小空隙的存在。将样品放在光学显微镜下观察受到一定的的限制，当放到更精细的电子显微镜下的时候能够清楚的看到石英晶粒间广泛发育石英次生加大边。在44块样品中，孔隙度从3%到11%，渗透率从0.5到9ud。在一个相对干燥的微波炉中干燥后，气体的渗透率在一个相对稳定的环境中测定的，其结果由，仪器的净围压和空隙的大小决定，这是兰多夫等人所使用的一种方法（1984）。图2是根据所有的岩心样品空隙宽度大小的特点建立起来的。

东德克萨斯州特拉维斯峰早白垩世地层

1990年Soeder和Chowdiah使用了Soeder和兰多夫1987年使用的设备对东德克萨斯州早白垩世地层特拉维斯峰中的一个井进行了一个后续研究，在水深8250-9932英尺（2514-3027m）的三角洲砂岩样品中对于储层的储集性能和流通性进行了研究。其孔隙度范围在3.0到6.3%，渗透率范围从0.09到16.5ud，根据气体流量（一下简称w气）确定的孔隙宽度范围从0.044到 5 0.22um（图2）。对于相同的13块样品来说孔隙宽度也可以由压汞效应的现象来决定。尽管在13个样品中10个w-汞的重量远大于w-气的（通常是30%以上），w汞的中位数为1.15，也大于w-天然气,但是w-汞比气体更能较广泛的分布于岩石样品中。对于使用不同的侵入液体和不同的计算模型来说，如此巨大的差异不足以引起人们的惊讶。图2示例w-气。

俄克拉何马州，阿纳达科盆地，宾夕法尼亚页岩

Cranganu 和Villa(2006)从分布在阿纳达科盆地，深度从5760到18950英尺（1756m到5776m）的范围内的21口井的页岩和砂质页岩进行了压汞测量。孔喉大小由从实验中获得的压汞侵入的零汞饱和度来计算，因此，这些数值都是临界值或者是初始连通的数值。在这21个样品中孔喉直径的最小值，算术平均值，和最大值分别是0.020、0.050，和0.116um。这些样品中没有涉及到孔隙度和渗透率的数值的问题。

加拿大博福特-麦肯齐流域上新世页岩

1993年Katsube和Issler利用压汞侵入测定了博福特-麦肯齐盆地几口井的广泛沉降的晚第三纪页岩样品中孔喉分布。经过他们的观察，在深度1km到2km的范围内，页岩的孔隙度和渗透率逐渐下降，在大于2km的深度以后，两者的数值就基本保持不变了。从深度大于2km（1.2mi）的深度内取出的20块岩石样品中，孔隙度范围从5.1到12.6％，而几何平均几何孔喉尺寸范围从0.009到0.044um，其中在0.020um周围就有９个数值。岩石的渗透性没有测量。

美国的烃源岩

这里引用了两个来源，一个是亨特（1996年，他的表8-2）展示了在美国五种不同粒间孔与孔隙度的烃源岩的情况分别为：巴肯：孔径0.005um，孔隙度4.3％，切诺基：孔径0.007um，孔隙度5.2 ％ ;蒙特雷：孔径0.010um，孔隙度8.5 ％ ;蒙特雷：孔径0.016um，孔隙度12.7 ％ ; 与第三墨西哥湾：孔径0.020um，孔隙度 15 ％。空隙的直径由压汞或者小角度中子散射决定。 6 着5个样品的孔径的中位数都已经绘制在图2中了。这两个来源（巴肯和蒙特雷）也包含含烃的储集层。

阿巴拉契亚盆地泥页岩

纽约西部阿巴拉契亚盆地泥盆纪的四块页岩的 性能分别是拉什在2006年和拉什与布拉德在2006年测定的。在两个有机碳总量（TOC）大于2.3％的有机质丰富的页岩中空隙直径，孔隙度和渗透率分别为：敦克尔克0.007um，3.2％，0.0026ud，热汗街0.008um，3.9％，0.01ud。对于两个贫有机质的页岩，TOC含量小于0.9％，空隙直径，孔隙度和渗透率分别为汉诺威：0.024um，6.0％,2.0ud; Cashaqua:0.019um，8.5％,1.0ud。这些数值代表了三个由压汞所确定的页岩样品的中位数或者平均空隙直径。贫有机质的页岩的渗透率大约比富有机质页岩的的渗透率大100倍。富含有机质的页岩渗透率低和孔喉直径小由于强烈定向纤维组构缺乏生物扰动并且有机质由于具有韧性压缩是会产生无效的空间。

加拿大Scotian大陆架侏罗白垩纪页岩

Katsube等人在1991年对深度在15300到18300英尺（4663到5578m）的三口井中的10块样品进行了一个压汞分析。孔隙度分布范围为1.5～8.4％ 。渗透能力是利用两个样品的有效压应力脉冲衰减法测得的数值分别为0.8和4.2。孔喉大小从0.008到0.016um的几何分布规律如图2所示。几乎一半的样品没有空隙度大于0.1um的，而另一半只有一小部分孔径大于1.0um。在这10个样品中三个样品也进行了压汞实验来测定了渗透率和电阻率的变化。这些测量对于计算孔喉尺寸具有可比性，或者对于孔喉大小取决于压汞侵入量的有更大的可比性（鲍尔斯和胜，2002年）。

粘土矿物间距，纳米结构以及分子的体积

在一些局部多孔介质中，由于固体和流体之间的相互作用使流体与流体之间的相互作用减弱。在这个范围内我们讨论这些问题要用纳米和埃作为单位，一种流体不能通过他的一系列宏观特性来被描述出来孔径（比如粘度）， 7 而且达西达西定律也是无效的。这种用宏观参数从能充分描述流体特征到不能充分描述的转变表明这些发生在孔径在10nm或低于10nm的地方；例如实验室研究蒙脱石中水系统指示了水膜的厚度扩展到距离粘土矿物表面至少3.5nm，而且在最小的距离时，对于靠近硅酸盐表面的三个分子层来说水的结构与正常的水分子结构是不同的。计算的模型中加入分子的位置以及他们之间的相互作用可以被用来了解孔径低于10nm的空间内流体的流动。非达西流体的体系可能存在于泥岩尤其是烃源岩中部分孔隙体系中。接下来对于矿物和流体的体积大小不能轻易的用毛细管作用和在更大范围内有用的流体解释出来。那些矿物和流体是选的那些具有好的孔隙和吼道。

在粘土矿物中基本的空间是相同结构之间的距离或者是晶胞的大小。对于这个过程它是一个比较合理的矿物学参数。高岭石，伊利石以及绿泥石的基本间隔分别是7.1 ?，10.0 ?和14.3 ?。滑脱的蒙脱石的基本间隔是9.6 ?。具有两层水合作用的普通形式的间隔是15.5 ?。7.1-15.5 ?的范围在图2中用图被表示出来了。这些值指示了含水层或可交换的阳离子之间的间隔。

碳氢化合物有一个笼形的晶体结构被叫作diamondoids，它已经从石油中提炼出来。这个低级diamondoids的体积，比1纳米还要小，它有一到三个笼形单元。高级的diamondoids的尺寸是1到2nm，它有四个笼形单元。纳米矿物特别是铁和锌的氧化物和硫化物，在实验室和自然界中已经被识别出，他们的尺寸大于0.7nm并且他们是现在研究的主体。近似的来说，对与多数石油地质学家关注的气体和液体分子的有效直径在图2中已经被表示出来。我们引用Tissot和Welte所认为的氦的直径是2.0 ?或是0.2nm。经过对比可知，氦的范德华直径是2.8 ?或是0.28nm。范德华直径与体积是有关的，这个体积必须能满足在有限的原子体积符合理想气体。氮气分子的有效分子直径是3.4 ?，甲烷3.8 ?，水分子3.2 ?，复合环结构10到30 ?。沥青质分子的是50-100

?。对于石蜡来说组合体是4.5 ?，对于有支链的石蜡来说正常的石蜡是7.5

?。用两种方法来确定的水银分子的直径分别是3.1和3.3 ?、3.1 ?在图二中 8 被标示出来。

渗透率可用来测量孔隙-吼道的体积

和渗透率有关的图20怎样测量孔隙的体积的，渗透率与长度平方和能表示渗透率的各种参数有关系，它与孔隙吼道 和孔隙参数的平方成比例。Katz

and Thompson (1986)派生得到的公式可以写成

K≈4.48d2φ2 （1）

这儿k是渗透率用umd表示，d是孔隙的大小用um表示，与它一致的压力作用下，汞首先形成了一个连续的相互连通的路径通过被测得样品，当在毛管压力曲线的拐点处测量时，φ是相对孔隙度。例如，来自多重抽样的数据表明密封气的砂岩寿命超过60年的渗透率，孔隙度在2%到18%的范围内。这些数据被转换成和等式1相符合并且在图3B中显示出孔径大小和孔隙度。在图三中刻度的建立以便于10年孔径的变化和二十年渗透率的变化是一致的。如果渗透率只和孔吼径的平方成比例，那么在图3A和B中两团数据将有相同的水平范围。因为孔隙度更高的地方渗透率也更高，更低的地方渗透率也更低，用等式一计算的孔隙度范围是由于在图3B中用等式1计算的孔吼径的分布没有图3A中渗透率分布的广。考虑到这四个样品用开圆来表示。在图3A中渗透率为10个umd孔隙度为4.8%的样品转换成在图3B中孔径为1um。渗透率1.1umd，孔隙度为9.2%的样品转换成孔径为5.4um。并且这两个样品的渗透率末端向里移动。这个实验表明渗透率可以当做一个不完善的长度尺度来用由于孔吼径和流体速率之间不唯一的关系。而且渗透率和孔径之间的等量关系取决于用来把他们联系起来的算法和样品的孔隙度。

在等式1中孔吼的直径d与孔吼径分布的较高的终点时一致的，并且和汞的注入压力和汞的饱和度的较低值是一致的。渗透率和孔吼径之间的其他联系和等式1是不同的因为选择孔吼径分布的一个不同点来表明孔吼的大小。因此，在图3A中一团点在图3C中向更小的孔吼移动，因为更高的汞饱和度被用来表征孔吼的大小。渗透率向孔吼转变的过程提出了相同的问题因为代 9 表着只有一个单独孔吼值的汞注入数据。也就是说其中在一个样品中部分孔吼径的范围应该能够代表这个样品？来自于图3B中的转换和孔吼的大小是一致的，它是由进入压力的门限来决定的，而且在图3C中表现的转变更接近于孔吼径分布的中间值。

围压的敏感性

裂隙，也叫缝隙，Morrow 1985年, Brower 和Morrow 1985年和 Kilmer等人于 1987年分布别对它的重要性进行了研究。这些研究为显示板状空隙的存在，阐明储层的敏感性以及利用试验中的气流测得出平均裂隙厚度做了准备。空隙裂缝包括包围了其平面相邻颗粒的蜂窝状结构。这些较大的变化的结果导致了裂隙宽度引起的围压变化。例如，一套渗透率等级在毫达西，孔隙度在3%～7%的范围内和高碳酸盐胶结的20块样品中，孔隙宽度分别为0.23um和0.080um，但是围压却是从500磅到5000磅。（Morrow 1985年，表17）。在这些相同的围压下，渗透率的几何平均数从10md下降到0.6md。

在Frontier,Mesaverde和特拉斯维峰编队对于紧密含气砂岩的研究，Soeder和Chowdianh在1990年得出推断结论，认为紧密含气砂岩与普通砂岩在岩石学上的区别是具有更高的渗透率，原因有：（1）通过成岩作用损失的原生孔隙，（2）在大多数孔隙中通过溶解作用发育的第二孔隙空间，（3）存在于石英颗粒次生加大边之间的裂缝型孔隙的存在，他们相互关联形成了流体流动的空隙系统。总之，次生溶蚀孔隙的平衡了闭合孔隙和裂缝孔隙之间的关系，形成了流体流动的所需要的渗透率条件。

在页岩中也发现了相似的结论。鲍尔斯和凯特苏博在2002年用了气体流相和电阻率测量相结合的方法对不同围压范围内的闭合孔隙和连通孔隙进行了测量，后者包括了控制流体流动的板状孔隙。从实验数据的分析。他们发现闭合的空隙随着压力的变化变化不大，然而在压力增大了7000磅（48Mpa）的时候连通孔隙度呈3～10的指数倍减小。在5800磅（40Mpa）的有效压力下，他们考虑对加拿大五种孔隙大小分别为2，4，6和15nm的页 10 岩的孔隙度进行连接。有效压力的变化，不管是加载还是卸载导致的孔隙通道压力的增加都有可能导致紧密含气砂岩和页岩的流体流动性大于储集流体的性能。

概要

不同的研究者对于孔喉大小的分布有不同的研究方法与措施（几何平均数，算术平均数，中位数和阀值）。尽管在图2中对数不是太明显，在进行比较时应该牢记由于方法不同而造成的这些数量级的大小差异。对于集中趋势的测量措施（方法，模式和中位数），砂岩储层一般孔隙大小大于20um，孔喉大小大于2um（图1所示）。紧密含气砂岩孔喉大小从2um到0.03um（图2，表1）。页岩中孔喉大小从接近压汞的底限的0.005um到0.05um，甚至有一些样品的孔喉大小能达到0.1um。这些分布不同的范围是基于本文中对于这些实验数据的收集与测量又经过修正使其更接近真实程度而得到的。在这个基础上，硅质碎屑岩的孔喉尺寸形成了一个从0.005到20um的连续统一的体系。页岩的最小探测（平均）孔喉大小的规模和沥青的差不多，大约是水和甲烷的10倍。

在考虑石油的生产时渗透率是首选的因素，但是在气体渗流的时候孔喉的大小是首选的要素，因为它决定着孔隙空间所要求的不同的压力。渗透率与面积和长度的平方有关，同时孔隙度是一个可以转化为孔喉的额外的因素，然而，究竟哪一个影响最大取决于选择衡量孔喉分布的量。

储集层通常是由盖层上覆或者低渗透率的岩石覆盖在渗透性岩石上。在理论上盖层与储集层之间存在一个很大的差距，一般认为盖层的孔隙大小在0.05um左右，而储集层空隙大小通常是在2.0um左右。在很少或者没有差距的生产层和非生产层的低渗透含气系统中这个现象不存在。相反的，在石油的生产性和非生产性的岩石单元可以有重复叠置的孔喉和孔隙的夹层空间。图2涉及到了硅质碎屑岩中流体的汇聚。

11 图1 孔喉和孔隙半径

图2 孔喉大小

12 表一 孔喉大小和其他参数的测量总结

图3 渗透率和孔隙度

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