致密儲層孔隙結構研究綜述

陳秀娟，劉之的,2，劉宇曦，柴慧強，王勇

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065； 2.西安石油大學 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西 西安 710065；3.中國石油長慶油田分公司 隴東頁巖油開發項目部，甘肅 慶陽 745000)

通訊作者： 劉之的(1978-),男,博士,教授,主要從事儲層測井評價研究工作。Email:liuzhidi@xsyu.edu.cn

0 引言

相比北美海相盆地致密油氣，國內致密油氣多為陸相沉積，不能簡單照搬北美現有的致密儲層孔隙結構評價技術。陸相致密儲層沉積演化復雜，巖性和物性多變，致使孔隙結構難以評價[1]。油田實踐表明，孔隙結構是儲層物性最重要的控制因素，對儲層評價和油氣藏產能預測等均具有極其重要的作用，極大程度影響著致密油氣的采收率[2-3]。由于致密儲層孔隙結構的非均質性，在油田實際開發過程中，會存在著注水壓力高、進水快、啟動壓力高等棘手問題，致使油氣田開采受到不同程度的影響[4]。因此，精準評價致密儲層的孔隙結構，將有助于致密油氣的高效開發[5]。

孔隙結構直接關系到油氣在儲層中的賦存狀態及滲流特征，明確孔隙結構參數是儲層定量評價的一項重要內容[6]。目前，致密儲層孔隙結構的研究已進入白熱化階段，前人對致密儲層孔隙結構評價中遇到的問題有不同的見解與認識，難以形成統一的儲層孔隙系統評價標準。在此背景下，認清各技術手段的方法原理，明確各方法的適用性，將有助于開展孔隙結構評價工作[7]。據此，從實驗室測試分析和測井資料評價兩方面，系統梳理了致密儲層孔隙結構的研究現狀，分析了適用性，展望了其發展趨勢。

1 實驗室測試評價方法

1.1 間接測定法

間接測定法主要通過測量濕相液體被驅替出的體積大小，建立濕相飽和度(吸附量)與毛管壓力(相對壓力)的關系，獲取表征儲層形態、大小、喉道連通性以及儲層儲集和滲流能力的相關參數，進而定性研究和定量分析儲層的孔隙結構[8]。

1.1.1 壓汞法

20世紀70年代以來，相關領域的諸多專家對儲層巖石毛管壓力開展過大量實驗研究[9]。壓汞實驗能較準確地測量毛管壓力，獲取儲層孔隙系統信息，是定量分析儲層孔隙結構的一種可靠手段[10]。相比大多數流體，水銀對巖石是非濕潤相。據此，業界常將水銀注入巖心孔隙中，并根據進退汞飽和度和施加的排驅壓力，來繪制毛管壓力曲線[11]。

隨著油氣田勘探開發向非常規儲層進發，常規壓汞難以準確評價儲層的孔隙結構，而恒速壓汞技術不僅能控制實驗注入速度，還可以實現對喉道數量的測量，因故逐漸得到廣泛應用[12]。恒速壓汞就是將水銀以一個相對靜態的低速注入巖樣孔隙中，觀察孔隙系統中毛管壓力的變化過程。盡管恒速壓汞實驗難度相對較高，但可以較為準確地測量孔隙和喉道的數量、大小及分布范圍，故適用于小孔喉較多、孔隙結構較復雜的致密儲層評價[13]。由于高壓壓汞曲線能直接反映巖心喉道、孔徑及孔喉發育和連通情況，也得到了廣泛應用。

圖1為巖樣JY-1和N78-3的高壓壓汞和恒速壓汞毛管壓力對比[14]。由此圖可知，高壓壓汞和恒速壓汞實驗所得的毛管壓力曲線大體一致，僅存在細微差別。然而，高壓壓汞法適用于描述相對較小的孔喉，恒速壓汞表征的儲層孔喉相對較大，兩者各有長處且均可用于致密儲層孔隙結構的研究。

圖1 高壓壓汞與恒速壓汞毛管壓力曲線對比[14]Fig.1 Comparison of capillary pressure curves between high pressure mercury intrusion and constant pressure mercury intrusion[14]

1.1.2 半滲透隔板法

在空氣、水、半滲透隔板系統中，半滲透隔板是100%水潤濕；而在空氣、水、巖心系統中，巖石也是100%水潤濕，所以即使沒有壓力差，水也可以輕松透過半滲透隔板和巖樣[15]。鑒于毛管阻力作用，必須存在壓力差，空氣才能穿過半滲透隔板和巖樣。一般情況下，半滲透隔板的孔徑會小于大多數巖樣孔徑，因此，空氣進入半滲透隔板所需要的壓力差必須大于空氣進入巖心孔隙所需的壓力，故需要向空氣施加壓力，克服巖心的毛管阻力，使其進入巖心孔隙，并將水替換出來[16]。測定半滲透隔板毛管壓力和巖樣含水飽和度的參數值并建立其相互關系，便可以確定毛管壓力曲線(如圖2[17])。

圖2 半滲透隔板毛管壓力曲線[17]Fig.2 Capillary pressure curve of semi-permeable plate[17]

1.1.3 離心機法

離心機高速旋轉時，巖心孔隙中的潤濕相流體將被驅替出來，隨著離心機轉速從低到高逐漸增加，潤濕相流體驅替由中大孔逐漸轉至中小孔和微小孔，同時毛管壓力會不斷增大[18]。實驗的過程中，通過增大離心機角速度來增大離心力。由于非潤濕相會從各種滲透率的多孔介質中將濕潤相驅替出來，依次記錄不同壓力下排出的潤濕相體積，便可建立起潤濕相飽和度與毛管壓力間的關系，進而可繪制出毛管壓力曲線(如圖3)。

圖3 離心機法測定毛管壓力曲線Fig.3 Capillary pressure curve measured by Centrifuge method

1.1.4 N2、CO2吸附法

N2和CO2低壓吸附廣泛應用于納米材料的研究中，而近幾年逐漸應用于巖石孔隙結構評價上。CO2低壓吸附主要用于孔徑小于2 nm的微小孔隙特征描述，而N2低溫吸附則適用于中大孔隙及小孔儲層[19]。

巖樣預處理后，烘干并在真空條件下抽去其他氣體，用N2、CO2填充巖樣和儀器，保持恒溫條件，測量不同壓力下的吸附量和脫附量。建立氣體相對壓力P/P0與氮氣吸附量、脫附量的關系，便可繪制出吸附與脫附等溫線關系(圖4[20])?；诖岁P系圖，結合Kelvin原理，便可獲取孔隙體積、孔徑大小及分布特征[21-22]。

圖4 IUPAC的6種等溫吸附線[20]Fig.4 Six isothermal adsorption lines of IUPAC[20]

1.1.5 中子散射

由于中子小角度散射(SANS)能識別大小為3～10 nm的孔隙結構，故在致密儲層的研究中得到廣泛應用。實驗第一步先用晶片鋸將巖樣切成約2 mm厚的薄片，再使用精密加工的專用設備將巖心樣品研磨至理想厚度，即厚度為1 mm的巖樣。SANS實驗如圖5所示[23]，由機械速度選擇器單色化的中子束通過準直系統入射到樣本上，與樣品發生彈性散射后的中子被二維探測器測量記錄，以此來獲取散射曲線等原始數據[24]。通過構建相應的模型，分析散射曲線與孔隙結構的內在量化關系，便可獲取孔隙結構的形狀、大小及分布特征等[25-26]。

圖5 中子散射示意[23]Fig.5 Neutron scattering diagram[23]

1.2 直接觀測法

1.2.1 鑄體薄片法

在一定的溫度和壓力或真空狀態下，將環氧樹脂與固化劑注入巖石孔隙中，形成巖石鑄體(圖6[27])；再將巖石鑄體研磨成薄片，借助偏光顯微鏡進行巖石孔隙結構、成分等分析[28]。鑄體薄片能夠清晰獲取儲層的孔隙類型、大小、分布及其連通性等，為研究孔隙發育程度、介質孔徑、喉道、配位數及裂縫率等孔隙信息提供了一種準確有效的方法[29]。

圖6 不同巖心鑄體薄片[27]Fig.6 Casting thin sections of different cores[27]

1.2.2 掃描電鏡法

掃描電鏡法是分析巖樣孔隙結構特征和成分的重要研究方法，其原理是利用極細的電子束掃描巖心樣品表面，并用電視原理放大成像在電子屏幕上[30]。該法可以確定儲層的孔隙類型，還能定量測定孔喉半徑、孔徑等參數。當電子轟擊巖樣表面時會產生來自樣品特定發射區域的各種信號，信號隨表面形狀不同而發生變化，比如散射電子、二次電子和能量不同的光子等[31]。近年來，非常規儲層孔隙結構評價中，實驗分析人員常用場發射掃描電鏡表征樣品表面的孔隙結構[32-33]。

1.2.3 CT掃描法

CT掃描法是近年來新興的利用X射線進行孔隙結構研究分析的電子計算機掃描技術[34-35]。如圖7[36]所示，使用X射線環繞巖心進行斷面掃描，探測器可接收到透過巖心斷面的X射線信息，將此信息用電子計算機處理后，便可獲取X射線吸收系數[37]。用不同灰度將X射線吸收系數進行圖像顯示，通過顯示器便可清晰明了地觀察到該巖心斷面的孔隙結構特征。

圖7 X射線CT掃描示意[36]Fig.7 X-ray CT scanning diagram[36]

1.2.4 陰極發光法

與普通顯微鏡相比，陰極發光顯微鏡能夠快速鑒別巖石和礦物的成分[38]。近年來，礦物巖石學家已認識到陰極發光技術在構造地質分析中的重要性，并進行了有益的探索和研究[39]。通過對致密砂巖陰極發光的觀察研究，可以獲得砂巖原始孔隙率和滲透率以及儲層礦物組成、產狀等信息。若礦物中含有雜質或微量元素，礦物的晶格結構存在缺陷，則礦物在陰極發光顯微鏡下會發光(圖8[40])，基于此，便可研究不發光部分的孔隙結構特征。

1.3 數字巖心法

目前，數字巖心法已成為研究孔隙結構的一種新手段。業界常用X射線法和圖像重建法構建三維數字巖心，并采用數學手段重構三維孔隙網絡，進而獲取孔隙結構特征[41]。X射線成像法主要是利用Micro-CT設備，提供分辨率可達到孔隙級別的3D圖像[42]。受制于X射線成像技術條件，業界相關學者常采用基于薄片分析的圖像重建方法[43]，該方法只需少量巖屑用于掃描圖像。圖像重建方法需先確定巖石斷面，掃描該斷面后，利用不同的數學方法結合掃描圖像，模擬巖樣的三維孔隙網絡(圖9[44])，進而對該巖樣的孔隙特性進行研究分析[45]。

2 測井資料評價方法

油田實踐中，受制于鉆井取心成本，巖心資料較為稀缺。無論采油井還是注水井，測井資料不可或缺，且具有縱向分辨率高的獨特優勢[46]，因此，充分利用測井資料，開展儲層孔隙結構評價就顯得意義非凡。

圖8 不同巖樣陰極發光鑒定[40]Fig.8 Cathodoluminescence identification of different rock samples[40]

圖9 真實巖心(a)與數字巖心(b)對比[46]Fig.9 Comparison chart of real core(a) and digital core(b)[46]

2.1 電阻率法

已有研究表明[47]，儲層孔隙結構與巖石電阻率間存在一定關系。致密儲層物性條件差、孔隙結構復雜，巖石電阻率測量值會受到儲層孔隙結構、孔隙表面水膜厚度等的影響。電阻率測井響應特征影響因素復雜多樣，不同巖石孔隙結構的影響程度不一，故理論模擬研究需根據不同影響因素建立巖石導電模型，進而開展孔隙結構理論分析?？紫督Y構理論分析研究中，常根據電阻率并聯導電原理，構建毛管半徑、毛管迂回度及孔隙結構綜合指數計算模型，從而開展儲層孔隙結構評價[48]。

巖石孔隙結構特性亦可通過巖石電學特性實驗來開展。通過測定不同飽和度下巖心的電阻率，結合巖心孔隙結構與地層因素、電阻率及含水飽和度相互關系分析，探討儲層的孔隙結構特征[49]。

2.2 核磁共振法

核磁共振測井始于20世紀90年代，目前已在國內油氣田勘探開發中得到了廣泛應用[50]。該技術主要通過檢測儲層孔隙中自由流體氫原子核磁性及其與外磁場相互作用獲取豐富的地層信息，以此來評價儲層的巖石孔隙結構[51]。統計巖樣孔隙內流體的橫向馳豫時間分布(圖10[52])，便可分析儲層的孔隙結構特征[53]。

圖10 核磁共振T2譜圖[52]Fig.10 NMR T2 spectrum[52]

核磁共振橫向弛豫時間T2譜可表征孔隙類型、孔徑大小等儲層巖石的孔隙結構特性[54]。近年來，相關學者將核磁共振T2譜轉換為毛管壓力曲線，發現巖心的T2幾何均值與平均孔喉半徑間具有較好的相關性[55-60]?？傊?，尋求核磁共振T2譜與毛管壓力曲線間的內在關系來分析儲層的孔隙結構特征，是近年來研究的熱點。

2.3 聲波時差法

巖石物理分析家一直重視利用聲波時差測井評價儲層孔隙結構的相關研究[61]。已有研究發現，除巖性和物性外，孔隙結構對巖石彈性波速度具有重要影響，控制著聲波在巖石中的傳播特性[62-63]；儲層的孔隙類型對巖石聲波傳播速度具有較大的影響，印?？紫都傲ｉg孔隙的巖心比微孔隙的巖心具有更快的聲波傳播速度[64]。研究孔裂隙致密儲層聲波傳播特性發現，孔隙結構對聲波特性具有較大的影響，尤其是裂縫[65-66]。巖心聲波透射實驗表明，聲波波速、時域波形及頻譜特征主要與巖心孔徑尺寸及膠結情況有關[67]。

3 孔隙結構評價方法適用性分析

限于實驗技術手段和條件、測井能夠探測的孔徑范圍等客觀因素，孔隙結構評價方法均具有一定的局限性和適用范圍。

3.1 實驗測試方法適用性

壓汞法實驗簡單快速、準確，可以獲得相對完整的毛管壓力曲線，且儀器承受的測量壓力較高，適合不同滲透級別的巖心[68-69]；然而，壓汞法多用于中大孔巖心，難以模擬油層溫壓條件，且壓汞實驗使用的水銀會對巖心造成永久性損害，實驗巖樣不能二次利用。半滲隔板法與油藏驅替實驗相似，不僅操作簡單、測量結果準確可靠，而且可以同時測量多塊巖樣；但半滲隔板法實驗過程長，半滲透隔板的承受力也有限，導致實驗獲取的毛管壓力曲線并不完整；此外，該方法測試的壓力范圍小、周期長，對致密儲層孔隙結構研究適用性不強。離心機法不僅易操作、測定速度快、精度高，且該方法測量壓力高，可用于研究不同滲透率級別的巖心，實驗數據準確，同時可得到相對完整的曲線；離心機法測定的結果接近模擬油藏驅替實驗，但是高速離心機成本較高。氣體吸附法主要用于表征孔徑不超過300 nm的儲層孔隙結構，且實驗前須對巖樣進行干燥處理。

鑄體薄片和掃描電鏡法均需要對巖樣進行加工處理，且巖心的內部結構和外部形狀易受到損壞，不利于巖心的循環使用，鑄體薄片觀測的孔隙視野較為有限[70]。CT掃描技術不僅測量速度快，能全面觀察整個巖心的內部結構特征，而且能保證巖樣不被破壞，精準測量面孔率，但缺點是成本較高、實驗過程復雜。相比掃描電鏡和CT掃描，陰極發光能更快、更準確地表征原始孔隙度和滲透率，可定量研究砂巖儲層的孔隙結構特征[71]。小角度中子散射法測量的孔徑范圍大，能準確提取孔隙結構信息，且對巖樣不具破壞性，但實驗過程相對較麻煩，目前還是一種非常規方法。數字巖心法不僅可以模擬室內實驗達不到的各種情況，還可以就單因素對巖石孔隙結構進行定量分析，故近年來受到業內相關學者的高度重視[72]。

實驗測試法易操作且可以獲得較多數據，表征的儲層孔隙結構精度較高，但該法測量成本高、周期長，此外，由于取心尺寸和數量非常有限，很大程度上限制了對巖心孔隙結構的研究，使其難以與儲層宏觀參數建立關系，也很難開展區域儲層預測，且該法易受人為因素及儀器精度的影響，局限較大。

3.2 測井評價方法適用性

實驗室測試方法受制于巖心數量及尺寸，且成本較高，而借助測井資料表征儲層孔隙結構可解決該問題。測井曲線是評價孔隙結構低成本、高效率的重要研究方法，可實現孔隙結構在儲層縱向上的連續評價[73]。

電阻率測井不僅受儲層巖性、物性和孔隙結構的影響，孔隙內流體性質亦對其具有較大的影響[74]。因此，電阻率測井評價儲層孔隙結構時，需在相同巖性、物性和流體性質的前提下，才能獲得較滿意的評價效果。致密儲層孔隙結構非常復雜，微納米級孔隙極其發育，聲波能探測的孔徑和孔隙形態尚不明朗，微納米級孔隙結構對聲波時頻信號的影響機理尚未明確，這些都嚴重影響了聲波測井評價致密儲層的孔隙結構[75]。核磁共振法對孔隙結構反應靈敏，操作簡便，速度快，可以連續、定量、詳細地表征儲層孔隙結構[76]，且不會破壞巖樣，該法的實驗結果比壓汞法更加精準，故在致密儲層孔隙結構評價方面具有一定的優勢；然而，核磁共振法由于價格昂貴，難以大面積推廣應用。

測井資料縱向連續性好、分辨率強，可連續表征儲層的孔隙結構，有助于區域儲層巖石孔隙結構的研究，但受制于巖心歸位、常規測井對儲層孔隙結構的敏感性較低等客觀實際，常規測井表征的儲層孔隙結構精度較低。盡管核磁共振測井在表征儲層孔隙結構方面優勢明顯，但受制于測井成本，核磁共振測井數量非常有限，難以大面積推廣應用。

4 致密儲層孔隙結構研究展望

基于上述致密儲層孔隙結構評價方法的系統梳理和詳細剖析，緊跟大型體積壓裂背景下復雜孔隙結構評價需求的形勢可知，現有致密儲層孔隙結構評價方法正面臨著新的挑戰。針對致密油開發對儲層孔隙結構評價提出的新需求，筆者認為尚需在如下3方面獲得突破。

4.1 研究技術手段

1)加強定性識別與定量評價有機結合，發揮各自的技術優勢。采用高精度掃描電鏡等對巖心進行定性觀察，確定其孔隙類型、結構等，再結合吸附法、壓汞法等手段定量研究孔隙結構分布，逐漸成為致密儲層孔隙結構研究的必備技術手段。

2)從間接到直接，從二維到三維數字巖心建模，是近年來孔隙結構可視化表征的熱點?；谖⒓{米掃描電鏡圖像或三維CT掃描圖像，應用計算機圖像處理技術，通過模擬退火算法或沉積巖的過程模擬法來重建三維數字巖心，進而可視化表征巖石的內部孔隙網絡結構。

3)巖心實驗測試分析與測井評價有機融合，注重巖心刻度測井，實現儲層孔隙結構表征區域化。充分利用巖心測試分析的高精度性與測井信息的縱向連續性，結合多種研究手段，揚長避短，從不同視角、全方位、多尺度研究儲層孔隙結構，以期表征的儲層孔隙結構精度滿足于油氣田勘探開發實踐。

4.2 孔隙結構影響特征

1)沉積作用較大程度上控制著儲層的孔隙結構。系統研究油區內的沉積相帶、砂體構型，通過沉積微相與儲層孔隙結構間的內在關系分析，明確儲層孔隙結構的沉積控制機理，將有助于儲層有效性評價和有利區劃分。

2)成巖作用是儲層致密化的重要因素，嚴重影響著儲層的孔隙結構演化。注重儲層成巖演化序列和成巖相研究，解析不同成巖作用對孔隙結構的影響機制，將助推油氣田優質儲層預測，也可為開發政策制定提供地質理論依據。

3)構造作用形成的裂縫，能改善儲層的孔隙結構，增加滲流能力。通過應力場模擬、巖心—測井—地震識別裂縫，精細刻畫裂縫的發育特征，系統剖析構造對孔隙結構的影響作用，以期為油氣成藏和滲流研究提供理論支持。

4.3 孔隙結構對油氣成藏、滲流的影響

1)儲層孔隙結構特征控制著油氣運移和疏導，是油氣成藏的重要影響因素。在儲層孔隙結構精細表征的基礎上，借助于油氣成藏可視化模擬系統，開展不同孔隙結構特征下的油氣成藏模擬研究，明確孔隙結構與成藏模式的關系，將有助于油氣田勘探目標區優選。

2)儲層孔隙結構決定了油氣滲流通道，嚴重影響著油氣田高效開發。利用大尺度或全直徑巖心，在地層溫壓條件下，開展不同孔隙結構特征下的油氣滲流實驗，結合油氣藏數值模擬研究，剖析孔隙結構與油氣滲流的關系，進而確定油氣開采的儲層物性動用下限，以期為油氣田開發方案制定提供支持。