近年来，致密油开发给世界油气勘探开发带来重大变革，正逐渐影响着世界能源需求的新格局^[1]。 2010年美国致密油产量突破3 000×10⁴ t，使美国持续24a石油产量下降趋势首次得以扭转^[2]，2012年美国致密油产量为9 690×10⁴ t，占美国石油总产量的22%^[3]。即使在目前低油价条件下，据EIA（美国能源信息署）统计，2016年美国致密油产量仍维持在4.9×10⁶ bbl/d^[4]。

致密砂岩油藏是指渗透率极低，不经过水力压裂，或者不采用水平井、多分支井等大型改造措施，不能产出工业油流的砂岩油藏^[5]，如美国Bakken页岩夹层中发育的致密砂岩油藏^[6]。目前，中国致密砂岩油勘探如火如荼，贾承造等预测中国致密砂岩油地质资源量约为70×10⁸~90×10⁸ t ^[2]，且已在鄂尔多斯盆地三叠系长7段^[7]、松辽盆地扶余油层^[8]、四川盆地侏罗系^[9] 发现了致密砂岩油。

近年来，在济阳坳陷古近系也发现了丰富的致密砂岩油资源，目前已上报致密砂岩油三级储量约为5×10⁸ t，但目前这类油藏储量动用程度低、产能低。常规储层表征一般采用孔隙度作为储层评价参数，但统计济阳坳陷127口典型井样品发现，具有相同孔隙度的致密砂岩渗透率最大值与最小值相差1 500倍。中外大量研究证实，对于致密砂岩而言，孔喉结构是控制储层渗透性的根本^[11-12]，因此孔隙度不是致密砂岩储层表征和评价的优质参数，而从大量压汞数据统计来看，致密砂岩的孔喉半径均值与渗透率之间相关性较好，可作为储层表征和评价的有利参数^[10]。但现行的储层孔喉分类标准只适用于常规储层评价，该标准中规定：孔喉半径中值介于3~5 μm为小孔道，孔喉半径中值小于3 μm为特小孔道。统计济阳坳陷致密砂岩压汞数据发现， 98%的致密砂岩样品孔喉半径中值小于1 μm，因此现行分类标准不适用于致密砂岩储层分类，亟待建立基于孔喉结构的致密砂岩储层分类方案。笔者以济阳坳陷古近系1 331组致密砂岩常规压汞实验分析数据为基础，在对不同沉积类型致密砂岩岩石组构特征和孔喉结构特征分析的基础上，利用系统聚类法分别建立了致密砂砾岩、致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩储层分类方案，然后开展孔喉结构相似性分析，最终建立了基于孔喉结构的济阳坳陷古近系致密砂岩分类方案。

1 致密砂岩岩石组构与孔喉结构

济阳坳陷古近系各凹陷均发育断超式箕状断陷湖盆，在储层成因类型上，发育致密砂砾岩^[13]、致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩^[14-16]。由于断陷湖盆在物源供给、沉积类型、成岩演化的多样性，造成致密砂岩储层结构差异较大，要建立基于孔喉结构的致密砂岩储层分类方案，就必须先对不同沉积类型致密砂岩岩石组构和孔喉结构特征进行研究。

1.1 致密砂砾岩

研究区陡坡带紧邻控凹断层，主要断陷期受断层强烈活动影响，发育巨厚的以砾岩、砂砾岩和不等粒砂岩为主的粗碎屑重力流沉积物^[17]。致密砂岩储层发育在各砂砾岩体的扇中、扇缘亚相，以不等粒砂岩、粗砂岩和中砂岩为主，扇缘发育少量细砂岩，且砂岩普遍含砾^[18]，石英含量低（平均为30.8%），长石（平均为26.7%）和岩屑（平均为42.5%） 含量高（图1a）。

研究区陡坡带致密砂砾岩距母源近，砂砾岩中砾石和岩屑成分受母源控制，如车镇凹陷陡坡带沙三段砂砾岩物源来自下古生界碳酸盐岩，其砾石和岩屑以灰岩、白云岩等碳酸盐岩为主；东营凹陷北带东段砂砾岩物源来自太古界、古生界和中生界，主要砾石及岩屑以花岗岩、结晶岩和石英岩为主 （图1b）。

济阳坳陷古近系致密砂砾岩主要储集空间为次生溶蚀孔隙和裂缝，在部分渗透率较高的样品中可见残余原生孔隙。泥质杂基充填原生孔隙和多期次的碳酸盐岩胶结是造成砂砾岩致密化的主要原因。在泥质杂基发育的砂砾岩可见大小不等的砾石、砂岩颗粒漂浮在泥质杂基之中，杂基含量少的砂砾岩以颗粒支撑为主，胶结类型多为孔隙式，颗粒之间以线接触、点接触为主。

致密砂砾岩孔隙度为3%~20.9%，均值为10.9%，渗透率为0.01~9.53mD，均值为1.94mD，最大孔喉半径（R ₀）为0.05~9.78 μm，均值为2.14 μm，孔喉半径均值（R _d）为0.02~2.97 μm，平均为0.49 μm；孔喉半径中值（R ₅₀）为0.01~2.05 μm，均值为0.18 μm，最大进汞饱和度（H _gmax）均值仅为58.4%（表1）。总体来看，济阳坳陷致密砂砾岩具有孔喉分布不均、大孔喉和小孔喉均发育的特点。

1.2 致密浊积砂岩

浊积砂岩泛指在洼陷带深水环境下沉积的重力流成因的砂岩扇体，包括三角洲前缘滑塌扇、深水浊积扇、坡移扇等。济阳坳陷沙三段中、下亚段沉积时期，在各凹陷沉降中心发育深水湖泊，受古地形影响，在坡度变化较大的地区发育一系列滑塌、浊积成因的砂岩扇体^[19]。这些砂岩扇体以中、细砂岩为主，在重力流主水道附近发育含砾砂岩。

济阳坳陷古近系致密浊积砂岩石英含量低（平均为43.0%），长石（平均为32.4%）和岩屑（平均为24.6%）含量高，主要砂岩类型为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩（图2a），砂岩中沉积岩岩屑含量较低，变质岩岩屑和岩浆岩岩屑含量较高（图2b）。

镜下观察发现，致密浊积砂岩储集空间以残余粒间孔及各种溶蚀孔为主，原始沉积粒度、分选对孔喉结构发育具有明显影响，分选好的砂岩原生孔隙较发育，泥质杂基充填和碳酸盐岩胶结对原生孔隙破坏大，粒缘溶蚀、港湾状溶蚀对孔隙具有一定改善作用。颗粒以次棱角状为主，次圆状偶见，颗粒之间主要为颗粒支撑，部分为泥质、泥云质杂基支撑，胶结类型为孔隙式、接触-孔隙式，偶见连晶、嵌晶胶结。

研究区致密浊积砂岩孔隙度为4.7%~29.4%，均值为15.6%；渗透率为0.05~10.00mD，均值为1.80mD；R ₀值为0.04~31.59 μm，均值为1.97 μm；R _d值为0.02~3.63 μm，均值为0.43 μm；R ₅₀ 值为0.01~0.68 μm，均值为0.17 μm；H _gmax均值为65.6%（表1）。

1.3 致密滩坝砂岩

致密滩坝砂岩是指在滨浅湖水体中沉积的受湖流、河流控制的平行湖岸方向展布的滩砂和坝砂。济阳坳陷古近系目前已发现的致密滩坝砂油藏以沙四段上亚段为主，集中分布在东营凹陷利津、大芦湖、青南、王家岗地区和惠民凹陷田家及商河地区等。

济阳坳陷致密滩坝砂岩粒度较细，以粉、细砂岩为主，石英含量平均为44.3%，长石含量平均为34.1%，岩屑含量平均为21.6%，与致密浊积砂岩相比，致密滩坝砂岩的石英含量高、岩屑含量略低，反映致密滩坝砂岩成分成熟度高，砂岩类型单一，以岩屑长石砂岩为主（图3a），岩屑以变质岩岩屑为主，含量平均为15.3%，占总岩屑含量的72.5%（图3b）。

研究区致密滩坝砂岩储集空间以残余粒间孔为主，各种溶蚀孔为辅，石英自生加大和碳酸盐岩胶结是储层致密化的主要原因，次生孔隙包括颗粒溶蚀和胶结物溶蚀2种类型，对储层孔隙具有一定改善作用。颗粒以次棱角状为主，颗粒间以颗粒支撑为主，胶结类型为接触-孔隙式和孔隙式为主，偶见连晶胶结。

研究区致密滩坝砂岩的孔隙度为3.6%~25.1%，均值为13.2%；渗透率为0.01~10mD，均值为1.83mD；R ₀值为0.04~7.75 μm，均值为1.72 μm；R _d值为0.02~3.36 μm，均值为0.45 μm；R ₅₀ 值为0.01~1.44 μm，均值为0.20 μm；H _gmax均值为62.4%（表1）。

1.4 致密三角洲前缘砂岩

致密三角洲前缘砂岩是指埋藏较深的三角洲前缘和前三角洲砂岩，包括水下分流河道、河口坝、席状砂等砂体。

济阳坳陷古近系致密三角洲前缘砂岩成分组成与致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩相似。砂岩以岩屑长石砂岩为主，还有部分长石岩屑砂岩（图4a）。砂岩的石英含量平均为44.4%、长石含量平均为32.2%、岩屑含量平均为23.4%。不同凹陷古近系致密三角洲前缘砂岩的岩屑组成有一定差异，其中东营凹陷为沉积岩-变质岩岩屑组合，惠民凹陷以变质岩岩屑为主，渤南洼陷为岩浆岩-变质岩岩屑组合，但总体上仍以变质岩岩屑为主，含量平均为14.9%，占总岩屑含量的64.6%（图4b）。

镜下观察发现，致密三角洲前缘砂岩储集空间以残余粒间孔为主，溶蚀孔为辅，压实和碳酸盐岩胶结是储层致密化的主要原因，渗透率较高的样品中可见次生孔隙发育，溶蚀作用强烈时，长石颗粒被完全溶蚀，但保留了长石颗粒原貌，形成铸模孔。同时对早期形成的碳酸盐岩胶结物进行溶蚀。颗粒以次棱角状为主，偶见次圆状，支撑方式以颗粒支撑为主，胶结类型为孔隙式。

济阳坳陷致密三角洲前缘砂岩孔隙度为1.2%~24.0%，均值为14.8%；渗透率为0.01~9.79mD，均值为2.08mD；R ₀值为0.05~14.08 μm，均值为1.95 μm； R _d值为0.03~3.57 μm，均值为0.49 μm；R ₅₀值为0.02~1.45 μm，均值为0.23 μm；H _gmax均值为69.8%（表1）。孔喉结构参数与致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩相似。

总体来看，在砂岩粒度和成分组成上，致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩均以细、粉砂岩为主，砂岩类型以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，石英、长石和岩屑含量相近，岩屑以变质岩岩屑为主。在砂岩微观结构上，这3种致密砂岩中颗粒均以次棱角状为主，支撑方式以颗粒支撑为主，在致密浊积砂岩和致密三角洲前缘砂岩中偶见杂基-基质支撑，胶结类型均以孔隙式为主，偶见连晶、嵌晶胶结。在储集空间类型上，均以残余原生孔隙为主，次生溶蚀孔隙为辅。

致密砂砾岩与另外3种致密砂岩有较大差别，致密砂砾岩颗粒分选差，泥质杂基含量高，主要发育不等粒砂岩、中砂岩和粗砂岩，在成分上，致密砂砾岩石英含量比另外3种致密砂岩低10%~15%，岩屑含量明显偏高，砂岩成分成熟度低。在微观结构上，致密砂砾岩中杂基支撑砂岩比例较高，从储集空间类型上，致密砂砾岩也以裂缝和溶蚀孔为主。砂岩组构上的差异也决定了孔喉结构上的差异，致密砂砾岩的大孔喉较另外3种致密砂岩发育，其 R ₀ 平均值比致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩高0.2~0.4 μm，但致密砂砾岩的孔喉分布不均，而后三者孔喉半径分布相近，R ₅₀与 R _d之间相差很小。

2 致密砂岩分类

2.1 方法原理

基于济阳坳陷古近系1 331组致密砂岩样品的压汞实验分析数据，利用系统聚类分析方法，分别对致密砂砾岩、致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩开展了基于孔喉结构的储层分类评价，有效排除了人为因素的干扰。

所谓系统聚类是指将每一个样品看成一类，然后根据类与类之间的距离（如马氏距离、欧式距离、明氏距离等），选择距离最小的合并为一类，然后再规定类与类之间的距离，选择距离最小的合并为一类，直到所有样品合为一类为止。系统聚类分析法有多种，如类平均法、重心法、最短距离法、Ward离差平方法^[20]。本次选用Ward离差平方法，距离计算方式采用欧式距离，其基本思想来自于方差分析，聚类原则是指2类合并则离差平方和增加，选择使离差平方和增加最小的2类合并。

将 n 个样品分成 k 类：G₁，G₂，G₃，···，G_k，用 $X_i^{\left(t\right)}$ 表示G_t中的第i个样本（此处 $X_i^{\left(t\right)}$是 t 维向量，即有 t 个系统聚类指标），n_t表示 G_t中的样本个数，$\overline{X^{\left(t\right)}}$ 是 G_t的重心（即该类样本的均值），则 G_t中样本的离差平方和表达式^[21] 为：

则k类总的类内离差平方和表达式为：

选择R _d，R ₀，R ₅₀，均质系数、变异系数、H _gmax，退汞效率、岩性系数、特征结构系数这9个参数参与聚类。值得注意的是在Ward离差平方法中，笔者利用欧式距离量度样品之间的差别，需要对各参数进行标准化处理，在实际操作过程中，采用了全距0—1的方式对数据进行标准化。

利用Ward离差平方法开展系统聚类后，可以得到系统聚类树状图（图5）。样品1，2先聚合为一类， 3，4聚合为一类，然后（1，2）与（3，4）聚合为一类， （1，2，3，4）又跟（5，6）聚为一类，最终6个样品聚成一类。从“根”向“分枝”方向给类别编号，其中（1， 2，3，4）标记为1类，（5，6）为2类，（1，2）为1-1类， （3，4）为1-2类。从图5中可以看出，选择不同的组距，就能够将样品分成不等的类别，例如选择20作为组距，则可以分为1，2这2类，选择15作为组距可以将之划分为1-1，1-2，2-1，2-2这4类。

理论上，组距越小类别越多，组内离差平方和越小，样品越相近，但实际工作中不可能将样品划分太多类别，这不利于后期的评价工作，因此在聚类时，首先要选取合适的组距，其次还可以利用样品未参与聚类分析的评价参数（如渗透率）对类别进行归并。

以致密三角洲前缘砂岩分类为例，如果按照2.5的组距可分为10个类别，对每一类样品的孔喉结构参数、物性进行统计，从表2可以看出，2类（包括2-1-1，2-1-2，2-2-1，2-2-2）样品的渗透率大多小于1mD，代表较差、差储层。1类中1-2类代表最优质储层，这些样品的渗透率大多超过10mD，排驱压力 （p ₀）最小，孔喉半径大，均值可达1.23 μm；1-1-2-1代表渗透率为5~10mD的较优质储层，孔喉半径均值为0.73 μm；1-1-1-1和1-1-1-2类代表渗透率为0.5~1mD的一般储层，1-1-2-2和1-1-2-3代表渗透率为1~5mD的中等储层。

根据其渗透率分布可以将上述10个类别进行合并，将1-2定义为A类（渗透率大于10mD），1-1-2-1定义为B类（渗透率为5~10mD），1-1-2-2和1-1-2-3合并为C类（渗透率为1~5mD），1-1-1-1和1-1-1-2合并为D类（渗透率为0.5~1mD）；将2-1-2，2-1-1，2-2-1和2-2-2合并为E类（渗透率小于0.5mD），统计每一类样品的物性和孔喉结构参数，发现各类样品之间的渗透率、最大孔喉半径、孔喉半径均值、孔喉半径中值之间有较大的差别（表3）。

按照相似的技术方法，分别对致密三角洲前缘砂岩、致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密砂砾岩进行分类，然后对比分析了每一沉积类型每一类储层的压汞曲线和孔喉分布特征差异。

2.2 分类方案

2.2.1 致密砂砾岩

利用系统聚类分析法将致密砂砾岩划分为A— E共5类，其中A类储层最好，E类储层最差。从A类到E类，压汞曲线形态变化明显，其排驱压力逐渐增大，曲线整体向右上方偏移。致密砂砾岩的A类和B类储层 p ₀ 值低，大多小于0.1MPa，R ₀ 值可达17.783 μm，反映致密砂砾岩发育大孔喉。压汞曲线缺乏平直段，孔喉分布频带宽，反映研究区致密砂砾岩储层孔喉分布不均一的特点（图6，图7）。

注：p ₅₀为中值压力。

为进一步简化分类方案，统计A—E类储层样品的孔隙度、渗透率、R _d，R ₀及 R ₅₀等参数频率分布，发现渗透率和R _d为区分储层最敏感的参数，R ₅₀和R ₀ 为辅助参数。C，D类储层渗透率为0.5~5mD，R _d值为0.3~0.7 μm，R ₀值为0.5~5.5 μm，难以区分（图8），故将C，D类合并，得到基于孔喉结构的致密砂砾岩分类方案（表4）。

2.2.2 致密浊积砂岩

A类储层 p ₀值小于0.2MPa，压汞曲线呈三段式，在进汞饱和度为0~40%时发育平直段，孔喉分布呈单峰态，孔喉半径大于10 μm；B类储层压汞曲线形态和孔喉半径分布与A类储层相似，但 p ₀值比A类储层大，压汞曲线向右上方偏移；C—E类储层压汞曲线均不发育平直段，压汞曲线呈两段式，最大进汞饱和度偏低，压汞曲线进一步向右上方偏移，孔喉分布向左偏移，反映孔喉半径逐渐减小。A—E类储层压汞曲线和孔喉分布直方图变化明显，区分度高（图9，图10）。按照与致密砂砾岩评价相同的研究思路，进一步合并分类，得到了致密浊积砂岩分类方案（表4）。

2.2.3 致密滩坝砂岩

致密滩坝砂岩压汞曲线形态变化与致密浊积砂岩类似，与其相比，孔喉半径大于5 μm的孔喉不发育，但孔喉分布均匀，集中发育孔喉半径为1.0~1.8 μm的较大孔喉；C—E类储层压汞曲线平直段逐渐消亡，压汞曲线由三段式变为两段式，压汞曲线进一步向右上方偏移，孔喉分布明显向左偏移，反应孔喉大小逐渐变小，且C—E类储层的孔喉分布范围较宽，孔喉分布不均一。致密滩坝砂岩与致密浊积砂岩基于孔喉的分类方案类似（表4）。

2.2.4 致密三角洲前缘砂岩

致密三角洲前缘砂岩的压汞曲线形态变化与致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩类似，与致密浊积砂岩相比，孔喉半径大于5 μm的孔喉不发育，但孔喉半径整体上大于致密滩坝砂岩，孔喉分布均质性优于致密浊积砂岩但差于致密滩坝砂岩，集中发育孔喉半径为1.0~5.6 μm的大孔喉。其基于孔喉的分类方案见表4。

2.3 孔喉结构相似性分析

为进一步落实不同沉积类型致密砂岩孔喉结构相似性，笔者对每一种沉积类型Ⅰ—Ⅳ类储层分别开展J函数处理^[22]，其表达式为:

通过 J 函数处理消除了不同样品渗透率、孔隙度差异的影响，然后对每一条J函数曲线进行拟合，选取合适的网格对拟合曲线进行均值化处理^[21]，得到了不同沉积类型、不同类别储层的平均 J 函数曲线。通过对储层平均 J 函数曲线对比，发现致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩储层 J函数曲线高度重叠，致密砂砾岩与前3种储层具有明显差别，体现在初始进汞阶段J函数明显偏低，反映大孔喉发育特征，后期J函数曲线斜率较高，平直段不明显，反映孔喉分布不均匀特征（图11）。

综上所述，不论在岩石组构上，还是在孔喉结构上，致密浊积岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩均具有相似性，致密砂砾岩与另外3种致密砂岩在孔喉结构和岩石组成等方面有明显差别，通过对这4种储层分类方案对比，最终建立基于岩石组构和孔喉结构的济阳坳陷古近系致密砂岩储层分类方案（表5）。

注：本方案仅适用渗透率小于15mD的低渗透/致密砂岩储层分类。

由表5可知，致密砂砾岩Ⅰ类优质储层 R _d值大于1.3 μm，Ⅱ类较好储层R _d值为0.8~1.3 μm，Ⅲ类中等储层 R _d 值为0.3~0.8 μm，Ⅳ类差储层 R _d 值小于0.3 μm；致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩孔喉分类方案合并为一类，其Ⅰ类优质储层 R _d值大于1.1 μm，Ⅱ类较好储层 R _d值为0.7~1.1 μm，Ⅲ类中等储层 R _d值为0.4~0.7 μm，Ⅳ类差储层 R _d值低于0.4 μm。利用建立的济阳坳陷古近系致密砂岩储层分类方案，对东营凹陷北部陡坡带致密砂砾岩进行评价，在盐家地区南部预测了Ⅰ类储层发育区，预测Ⅰ类储层厚度为240m，在预测储层发育区部署的盐斜232井钻遇油层共13层，其中Ⅰ类储层厚度为222m，与预测结果吻合，4 470~4 480m井段试油，5mm油嘴自喷，产油量为24.5t/d，上报控制石油地质储量为718×10⁴ t，取得良好效果。

3 结论

济阳坳陷古近系发育多种成因类型的致密砂岩。通过对储层物质组成、孔喉结构的分析发现，致密浊积砂岩、致密滩坝砂岩和致密三角洲前缘砂岩在砂岩粒度、类型、成分、颗粒形状、支撑方式、胶结方式、接触关系、储集空间类型等岩石组构上具有相似性，在孔喉结构上也具有相似性，而致密砂砾岩与另外3种致密砂岩有明显区别，孔喉结构是控制储层渗流能力的关键。首先利用系统聚类分析方法，分别建立了4种沉积类型致密砂岩基于孔喉结构的储层分类方案，然后利用J函数处理和孔喉结构相似性分析，最终建立了致密砂岩储层孔喉结构分类方案，将济阳坳陷古近系致密砂岩储层划分为4种类型。

与传统的基于渗透率的储层评价方法相比，由于测井解释渗透率的准确率较差，因此基于渗透率的储层评价往往需要大量的岩心样品进行实测，对于缺乏取心资料的地区，限制了该方法的应用。近年来随着测井技术的发展，通过核磁共振测井 T ₂谱反演等方法可得到准确的孔喉结构参数，结合基于孔喉结构的储层分类方法可实现对缺乏取心地区的致密砂岩储层分类评价，具有广阔应用前景。

符号解释：

S_t ——G_t中样本的离差平方和；n_t ——G_t中的样本个数；$X_i^{\left(t\right)}$——G_t中的第i个样本； $\overline{X^{\left(t\right)}}$ ——G_t的样本均值；S ——k类总的类内离差平方和；J ——J 函数；p_c——进汞压力，MPa； σ ——汞水界面张力，N/m；K —渗透率，mD；ϕ —孔隙度。

参考文献